CN102712262B - 用于电动车辆的充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电动车辆的充电系统。该充电系统包括在输入侧经由连接点可连接到交流电网（10）上的、具有AC/DC逆变器的电网充电级（12），还包括用于监控充电过程的控制装置（38）以及至少一个输出侧的充电接头（24），该充电接头能暂时地与车辆蓄电池（26）连接。本发明的特点在于，与车辆蓄电池（26）相比具有显著更高充电容量的缓冲蓄电池（16）连接到电网充电级（12）上。快速充电级（22）连接到该缓冲蓄电池（16）上，该快速充电级包括所述控制装置（38）、DC/DC逆变器（44）并且在输出侧经由充电接头（24）能暂时地与车辆蓄电池（26）连接。此外，缓冲蓄电池（16）在输出侧经由反馈级（46）在馈电点（52）处可接通到交流电网（10）上，该反馈级具有开关单元（48）和DC/AC逆变器（50）。

Description

用于电动车辆的充电系统
技术领域
本发明涉及一种用于电动车辆的充电系统，该充电系统包括在输入侧经由连接点可连接到交流电网上的、具有AC/DC逆变器的电网充电级、用于监控充电过程的、微处理器支持的控制装置以及至少一个输出侧的充电接头，该充电接头能暂时地与车辆蓄电池连接。
背景技术
这种类型的充电系统，也被称为充电点或加电点，最初确定用来向电动车辆至少部分放电的蓄电池充电。电动车辆为此目的通常包含电网充电器，该电网充电器通过电缆连接可以连接到公用电网的插座上。同时，有增多的带有三相接线的充电点，借此或者可以同时对多辆车辆充电或者可以加速对一个车辆充电。在此，插头和电缆连接与用于电器的普通标准对应。通过基于三相交流电的快速充电站，充电时间也是相对较高的。为了缩短等候时间，也考虑过在充电点更换蓄电池。但这是非常麻烦的并且由于不同的车辆蓄电池的多种多样而是不切实际的。
另一方面已经考虑过，可以把车辆蓄电池视为电网的一部分。车辆蓄电池可以在电网中能量过剩时被充电，而在能量不足时从蓄电池中提取能量并且可以把该能量回馈到电网中。在此也述及车辆对电网系统，简称为V2G系统。但是为了达到有效的网络支持，必须始终有许多电动车辆以其车辆蓄电池经由合适的接头连接到供电网上，这是不现实的。
发明内容
由此出发本发明的目的在于，开发一种开头所述类型的用于电动车辆的充电系统，该充电系统能够实现快速的充电过程并且也可以用来支持电网。
为此，本发明提供一种用于电动车辆的充电系统，该充电系统包括在输入侧经由连接点可连接到交流电网上的、具有AC/DC逆变器的电网充电级，还包括用于监控充电过程的、优选微处理器支持的控制装置以及至少一个输出侧的充电接头，该充电接头能暂时地与车辆蓄电池连接，其特征在于，与车辆蓄电池相比具有显著更高充电容量的一缓冲蓄电池连接到所述电网充电级上；一快速充电级连接到该缓冲蓄电池上，该快速充电级包括控制装置和DC/DC逆变器并且在输出侧经由所述充电接头能暂时地与车辆蓄电池连接；以及，缓冲蓄电池还经由反馈级可接通到所述交流电网上，该反馈级具有DC/AC逆变器。
本发明还提供一种用于把交流电馈送到交流电网中的峰值载荷系统，其特征在于，多个独立的如上所述的充电系统以其反馈级的交流电输出端在不同的馈电点耦联到交流电网中。
本发明的解决方案从这样的构思出发，即，快速充电要求高的电流强度，其使得需要使用低内电阻的蓄电池。对于新开发的锂基蓄电池尤其是这种情况，这些蓄电池除了低的内电阻外也具有高的能量密度和使用寿命。内电阻小到使得要能够实现约500安培的充电电流。通过许多蓄电池单元的串联达到所追求的100至400V的工作电压。
按本发明的解决方案主要在于，与车辆蓄电池相比具有显著更高充电容量的缓冲蓄电池连接到充电系统的电网充电级上，以及，快速充电级连接到该缓冲蓄电池上，该快速充电级包括控制装置和DC/DC逆变器并且在输出侧经由充电接头能暂时地与车辆蓄电池连接。此外，按照本发明建议，缓冲蓄电池在输出侧经由反馈级可接通到交流电网上，该反馈级具有微处理器支持的开关单元和DC/AC逆变器。
通过按本发明的措施，不仅电网充电级而且快速充电级都与缓冲存储器和反馈级一起从电动车辆中被移置到充电点中。该充电点包含充电接头，该充电接头经由合适的连接系统、特别是带有插塞连接装置的电缆可以连接到车辆蓄电池上。缓冲蓄电池负责：为了车辆蓄电池的充电，可以从充电系统中提取非常高的能够实现有效快速充电的电流。相反，缓冲存储器从交流电网的充电不需要快速充电。更确切地说，在来自交流电网的适度电流强度情况下可以均匀地进行充电，而不会导致过载。当然要这样确定缓冲蓄电池充电容量的大小，使其适合于到来的车辆的充电需求。后者表明，必须始终维持充电点的缓冲蓄电池中相对高的电能量，其在交流电网中出现峰值载荷时可以非常短时间地被回馈。因为经由充电系统形成对缓冲蓄电池的直接存取，非常快速的转换过程是可能的。借此可以在避免交流电网中不许可的载荷降低情况下渡过等待时间直至接通其他的峰值载荷发电厂。
本发明的优选构造规定，充电接头包括插塞连接装置，该插塞连接装置具有至少两个与控制装置连接和与车辆侧的检验装置连接的数据触点。借此可以明确地识别连接到充电系统上的电动车辆或者其蓄电池并且关于其在接着的充电过程中的充电状态可以被监控。为此目的有利的是，车辆侧的检验装置可被加载车辆蓄电池的模拟的与电流和电压有关的信号，并且将这些信号以数字化形式经由数据触点传输到快速充电级的控制装置，用以分析和用以控制DC/DC逆变器。为了通过尽可能少的、优选两个数据触点进行控制，它们合乎目的地形成数字的CAN总线中的接口。本发明的另一优选构造规定，缓冲蓄电池连接到电池管理系统上，该电池管理系统用来控制充电过程并且用来监控和平衡缓冲蓄电池的各个蓄电池单元的充电状态。该电池管理系统负责：在充电和放电过程中每个单电池单元被监控，使得即使在局部也没有可能导致不许可温升的过载。
按照本发明的另一种有利的构造，电网充电级具有二极管电桥，该二极管电极具有功率因数矫正滤波器。该功率因数矫正滤波器(PFC组件)负责：与缓冲蓄电池连接的二极管电桥不发出不许可的峰值电压。由此，二极管电桥输出端的电压曲线不是三角形的，而是正弦形的。优选电网充电级的功率因数矫正滤波器包括用于升压的DC/DC转换器，该DC/DC转换器具有高频二极管电桥，该DC/DC转换器的输出频率为电网频率的多倍并且该DC/DC转换器的输出电压与缓冲蓄电池的电压需要相一致。在高频二极管电桥中设置有肖特基二极管。
本发明的另一优选的构造规定，反馈级具有连接到缓冲蓄电池上的DC/DC转换器、连接到该DC/DC转换器上的高频变压器和与该高频变压器连接的二极管电桥，以及，该二极管电桥经由连接到晶体管电桥上的滤波电容器在电网的瞬时电网频率下可被充电到振幅电压。
按照本发明的另一优选的构造，设有连接到交流电网上的中央控制器，该中央控制器具有在输入侧被加载电网频率的频率比较器，该频率比较器按照电网频率与预定频率阈值的偏差经由各一个开关单元或者是导通电网充电级或者是导通反馈级。合乎目的地，在预定的频率阈值以上，电网充电级被接通，而反馈级被切断；以及，在预定的频率阈值以下，反馈级被接通，而电网充电级被切断。在后一情况下，反馈级经由中央控制器和/或电池管理系统在低于缓冲蓄电池的预定极限充电状态时被断开。
该构思是基于这样的措施，使得电网经由发电站被调节到确定的50或60Hz频率。当电网过载时频率降低。在中央控制器中的频率比较器负责：通过要求来自缓冲蓄电池的支持电流来短时间地补偿过载。在多个充电点具有类似的充电系统时，该措施是尤其起作用的，这些充电点整体上形成一个峰值负载系统，该峰值负载系统可以得到电网的明显支持。每个充电点在这种关系中是独立的并且在频率降到预定频率阈值以下的条件下发出支持电流。这可以在所有的充电点彼此独立地进行，使得对于其耦联不需要附加的自动控制机构。
有利地，中央控制器附加地具有用于数据输入和输出的操作站。
附图说明
下面借助在附图中示意地示出的实施例进一步阐述本发明。在附图中：
图1示出包括电网充电级、缓冲蓄电池、快速充电级和电网反馈级的充电系统的方块图；
图2示出按照图1的包括各个开关级详细线路的方块图。
具体实施方式
在图1中以方块图形式和在图2中略微更详细示出的充电系统1被确定按照充电点或加电点的类型用来给电动车辆28中的车辆蓄电池26进行充电。该充电系统1包括电网充电级12，它在所示的实施例中在输入侧连接到单相的交流电网10上，该交流电网具有相线或外馈线Ph、中性线N和地线PN。电网充电级12包含AC/DC逆变器14，在其输出端连接缓冲蓄电池16.
AC/DC逆变器14具有二极管电桥15，该二极管电桥具有也被称为PFC组件的功率因数矫正滤波器60。该功率因数矫正滤波器60负责：在输出侧与缓冲蓄电池16连接的二极管电桥15不发出不许可的峰值电压。由此，随时间的电压曲线在二极管电桥输出端不是三角形的而是正弦形的。优选地，功率因数矫正滤波器包括用于升压的、具有高频二极管电桥62的DC/DC转换器，该DC/DC转换器的输出频率为电网频率的多倍和该DC/DC转换器的输出电压与缓冲蓄电池16的电压要求相一致。后者是通过输出电容器63来达到的。
缓冲蓄电池16具有许多的单电池单元18，这些单电池单元串联连接并且必要时也并联连接。缓冲蓄电池16在输入侧连接到电池管理系统(BMS)20上，该电池管理系统用来控制充电过程和用来平衡各蓄电池单元18的充电状态。该电池管理系统20负责：在充电和放电过程中每个单电池单元18被监控，使得即使在局部也没有可能导致不许可温升的过载。
充电系统还包括快速充电级22，它在输入侧连接到缓冲蓄电池16上并且在输出侧具有充电接头24，该充电接头为了充电目的能暂时地与电动车辆28的车辆蓄电池26连接。该充电接头24在所示的实施例中包含插塞连接装置，该插塞连接装置具有两个用于电流引导电缆32’、32”的充电触点30’、30”和两个数据触点34’、34”。数据触点34’、34”形成总线系统、例如CAN总线35中的接口，经由该接口实现在快速充电级22中车辆侧的检验装置36与微处理器支持的控制装置38之间的数据交换。借此可以明确地识别连接到充电系统1上的电动车辆28或其车辆蓄电池26并且在充电过程中关于其充电状态可以被监控。车辆侧的检验装置36配备有用于测量蓄电池电压的分压器40和用于测量充电电流的分流器42。由检验装置36按照该方式测得的模拟的、与电流和电压有关的信号以数字形式经由数据触点34’、34”被传输到快速充电级22的控制装置38，用于分析和用于控制设置在快速充电级中的DC/DC逆变器44。
代替经由传导式充电系统中充电触点30’、30”的电流连接，原则上也可以设想经由感应路线(感应式充电系统)的无线连接。另一方面，代替经由数据触点34’、34”的电流连接，也可以采取经由感应或电容式耦联路线、无线电路线、红外路线或蓝牙路线的无线数据传输。
缓冲蓄电池16负责：为了经由快速充电级22对车辆蓄电池26进行充电，可以从充电系统1中提取非常高的电流。另一方面，缓冲蓄电池16从交流电网10的充电不需要快速充电。更确切地说，在来自交流电网10的适度电流强度(数量级为16至32安培)情况下可以均匀地进行充电，而不会导致过载。
本发明的特点在于，在缓冲蓄电池16上在输出侧还连接有反馈级46，该反馈级具有微处理器支持的开关单元48并且经由DC/AC逆变器50在馈电点52可接通到交流电网10上。反馈级46为此目的具有连接到缓冲蓄电池16上的DC/DC转换器72、连接到该DC/DC转换器上的高频变压器74和连接到该高频变压器上的、实施DC/AC转换的二极管电桥76。此外，该二极管电桥经由连接到晶体管电桥78上的滤波电容器79在交流电网10的瞬时电网频率下可被充电到振幅电压。
缓冲蓄电池16的充电容量的大小这样确定为，使其适合于到来的车辆的充电需求。后者表明，必须始终维持充电点的缓冲蓄电池16中相对高的电能量，其在交流电网10中出现峰值载荷时可以非常短时间地被回馈。因为经由充电系统1形成对缓冲蓄电池16的直接存取，非常快速的转换过程是可能的。借此可以在没有交流电网10中不许可的载荷降低情况下渡过等待时间直至接通其他的峰值载荷发电厂。
为此目的，充电系统还包括中央控制器54，该中央控制器具有在输入侧被加载电网频率的频率比较器58，该频率比较器在输出侧经由各一个开关单元56、48与电网充电级12和反馈级46耦联。经由该频率比较器58，按照电网频率与预定频率阈值的偏差，经由相应的开关单元或者是导通电网充电级、或者是导通反馈级。在正常运行中，电网频率例如为50Hz。当交流电网过载时电网频率降低。经由中央控制器54中的频率比较器58可以达到，通过对缓冲蓄电池要求支持电流来短时间地补偿过载。这点是由此来达到的，即，当电网频率低于预定的频率阈值(例如48.5Hz)，经由频率比较器58和开关单元48接通反馈级46和经由开关单元56切断电网充电级12。在存在具有彼此独立的同种充电系统的多个充电点时，该措施是尤其起作用的，这些充电点整体上按照峰值负载系统的类型可以得出交流电网10的明显支持。
中央控制器54还具有用于数据输入和输出或者用于互联网远程控制器82的操作站80。
概括地说可以确定如下：本发明涉及一种用于电动车辆的充电系统。该充电系统包括在输入侧经由连接点可连接到交流电网10上的、具有AC/DC逆变器的电网充电级12，还包括用于监控充电过程的控制装置38以及至少一个输出侧的充电接头24，该充电接头能暂时地与车辆蓄电池26连接。本发明的特点在于，与车辆蓄电池26相比具有显著更高充电容量的缓冲蓄电池16连接到电网充电级12上。快速充电级22连接到该缓冲蓄电池16上，该快速充电级22包括控制装置38和DC/DC逆变器44并且在输出侧经由充电接头24能暂时地与车辆蓄电池26连接。此外，缓冲蓄电池16在输出侧经由反馈级46在馈电点52处可接通到交流电网10上，该反馈级具有开关单元48和DC/AC逆变器50。
附图标记清单
1             充电系统         42    分流器
10            交流电网         44    DC/DC逆变器
12            电网充电级       46    反馈级
14            AC/DC逆变器      48    开关单元
15            二极管电桥       50    DC/AC逆变器
16            缓冲蓄电池       52    馈电点
18            单电池单元       54    中央控制器
20            电池管理系统     56    开关单元
22            快速充电级       58    频率比较器
24            充电接头         60    功率因数矫正滤波器
26            车辆蓄电池       61    DC-DC转换器
28            电动车辆         62    高频二极管电桥
30’、30”    充电触点         63    输出电容器
32’、32”    电缆             72    DC-DC转换器
34’、34”    数据触点         74    高频变压器
35            CAN总线          76    二极管电桥
36            检验装置         78    晶体管电桥
38            控制装置         79    滤波电容器
40            分压器           80    操作站
82            互联网远程控制器

Claims (18)

1.用于电动车辆的充电系统，该充电系统包括在输入侧经由连接点可连接到交流电网(10)上的、具有AC/DC逆变器(14)的电网充电级(12)，还包括用于监控充电过程的控制装置(38)以及至少一个输出侧的充电接头(24)，该充电接头能暂时地与车辆蓄电池(26)连接，其特征在于，与车辆蓄电池(26)相比具有显著更高充电容量的一缓冲蓄电池(16)连接到所述电网充电级(12)上；一快速充电级(22)连接到该缓冲蓄电池(16)上，该快速充电级包括控制装置(38)和DC/DC逆变器(44)并且在输出侧经由所述充电接头(24)能暂时地与车辆蓄电池(26)连接；以及，缓冲蓄电池(16)还经由反馈级(46)可接通到所述交流电网(10)上，该反馈级具有DC/AC逆变器(50)。
2.按照权利要求1所述的充电系统，其特征在于，所述充电接头(24)包括插塞连接装置，该插塞连接装置具有至少两个与所述控制装置(38)连接和与车辆侧的检验装置(36)连接的数据触点(34’、34”)。
3.按照权利要求2所述的充电系统，其特征在于，所述车辆侧的检验装置(36)可被加载车辆蓄电池(26)的模拟的、与电流和电压有关的信号，并且将这些信号以数字化形式经由所述数据触点(34’、34”)传输到快速充电级(22)的控制装置(38)，用以分析和用以控制DC/DC逆变器(44)。
4.按照权利要求2或3所述的充电系统，其特征在于，所述数据触点(34’、34”)形成数字的CAN总线(35)中的接口。
5.按照权利要求1所述的充电系统，其特征在于，所述充电接头(24)具有感应式的能量传输路线，以及，所述控制装置(38)经由无线的数据传输路线与车辆侧的一检验装置(36)连接。
6.按照权利要求5所述的充电系统，其特征在于，所述数据传输路线构成为感应式或电容式的耦联路线、无线电路线、红外路线或蓝牙路线。
7.按照权利要求1至3之一所述的充电系统，其特征在于，所述缓冲蓄电池(16)连接到电池管理系统(20)上，该电池管理系统用来控制充电过程并且用来监控和平衡各个蓄电池单元(18)的充电状态。
8.按照权利要求1至3之一所述的充电系统，其特征在于，所述电网充电级(12)具有二极管电桥(15)，该二极管电桥具有功率因数矫正滤波器(60)。
9.按照权利要求8所述的充电系统，其特征在于，所述电网充电级(12)的功率因数矫正滤波器(60)包括DC/DC转换器(61)，该DC/DC转换器具有高频二极管电桥(62)，该DC/DC转换器的输出频率为电网频率的多倍并且该DC/DC转换器的输出电压与缓冲蓄电池(16)的电压需要相一致。
10.按照权利要求9所述的充电系统，其特征在于，在所述高频二极管电桥(62)中设置有肖特基二极管。
11.按照权利要求1至3之一所述的充电系统，其特征在于，所述反馈级(46)具有连接到所述缓冲蓄电池(16)上的DC/DC转换器(72)、连接到该DC/DC转换器上的高频变压器(74)和与该高频变压器连接的二极管电桥(76)，以及，该二极管电桥(76)经由连接到晶体管电桥(78)上的滤波电容器(79)以交流电网的瞬时电网频率可被充电到该交流电网(10)的振幅电压。
12.按照权利要求1至3之一所述的充电系统，其特征在于，设有中央控制器(54)，该中央控制器具有在输入侧被加载交流电网(10)频率的频率比较器(58)，该频率比较器在输出侧经由各一个开关单元(56、48)与电网充电级(12)和反馈级(46)连接，该频率比较器按照电网频率与预定频率阈值的偏差经由相应的开关单元(56、58)或者是导通电网充电级(12)或者是导通反馈级(46)。
13.按照权利要求12所述的充电系统，其特征在于，在预定的频率阈值以上，所述电网充电级(12)被接通，而所述反馈级(46)被切断；以及，在预定的频率阈值以下，所述反馈级(46)被接通，而所述电网充电级(12)被切断。
14.按照权利要求1至3之一所述的充电系统，其特征在于，在低于所述缓冲蓄电池(16)的预定极限充电状态时，所述反馈级(46)可被断开。
15.按照权利要求12所述的充电系统，其特征在于，所述中央控制器(54)具有用于数据输入和输出的操作站(80)。
16.按照权利要求1至3之一所述的充电系统，其特征在于，所述控制装置(38)是微处理器支持的控制装置。
17.用于把交流电馈送到交流电网中的峰值载荷系统，其特征在于，多个独立的按照权利要求1至16之一所述的充电系统(1)以其反馈级(46)的交流电输出端在不同的馈电点耦联到交流电网(10)中。
18.按照权利要求17所述的峰值载荷系统，其特征在于，该充电系统(1)具有在输入侧被加载交流电网(10)的频率的频率比较器(58)，该频率比较器在输出侧经由一个开关单元(48)与反馈级(46)连接，该频率比较器按照电网频率与预定频率阈值的偏差导通反馈级(46)。
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