CN103001278A

CN103001278A - 充电电路和用于操作该种充电电路的方法

Info

Publication number: CN103001278A
Application number: CN2012103371502A
Authority: CN
Inventors: 耶斯佩尔·马尔滕格
Original assignee: V2 PLUG-IN HYBRID VEHICLE PARTNERSHIP HB
Current assignee: V2 PLUG-IN HYBRID VEHICLE PARTNERSHIP HB; V2 PLUG IN HYBRID VEHICLE PARTNERSHIP HB
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: US9160192B2; EP2570293A1; US20130063087A1; CN103001278B

Abstract

本发明提供了一种充电电路（100），包括：第一输入端子（122）和第二输入端子（124）；第一输出端子（126）和第二输出端子（128）；第一开关（102）；电流传感器（104，150）；连接元件（110），包括第一电感连接器（112）和第二电感连接器（114），第一电感连接器（112）被连接到开关（102），第二电感连接器（114）被连接到第一输出端子（126）；以及二极管元件（108），被连接到第一电感连接器（112）和第二输出端子（128）。第一开关（102）和电流传感器（104，150）被布置成连接到控制电路（150），控制电路（150）被布置成响应于从电流传感器（104，150）接收的信号来控制第一开关（102）的操作。

Description

充电电路和用于操作该种充电电路的方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别地涉及对负载进行充电的领域。

背景技术

通过电源供电的各种负载包括电容。这些电容可能是寄生电容或是所预期的电容。当这样的负载连接到电源时，可能导致高电流，尤其是如果电源具有低的内部电阻时。例如，电池可能是这样的情况。对此可能的解决方案是通过开关充电。电池经由继电器和电阻器连接到包括某一电容的负载。这些组件昂贵并且体积较大。此外，它们需要与系统负载匹配以满足需要的预充电时间。这使得电路对于系统的变化（例如老化或温度）或改变以及变形敏感。而且，在电阻器过热之前，在有限的时间范围中只能尝试有限数量的预充电。

发明内容

优选的是能获得更有效的电路。

本发明的第一方面提供了充电电路，该充电电路包括：第一输入端子和第二输入端子，用于将电路分别连接到DC电源的第一电源接线端和第二电源接线端；第一输出端子和第二输出端子，用于对要被充电的负载提供输出电压；第一开关，被布置在第一输入端子与第一输出端子之间；电流传感器，与第一开关串联地布置在第一输入端子与第一输出端子之间；连接元件，包括用于连接电感器的第一电感连接器和第二电感连接器，第一电感连接器被连接到开关，第二电感连接器被连接到第一输出端子；二极管元件，被连接到第一电感连接器和第二输出端子，以使得当第一开关接通时，防止流过第一开关的电流从第一开关经由二极管元件流向第二输出端子；第一开关和电流传感器被布置成连接到控制电路，控制电路被布置成响应于从电流传感器接收的信号来控制所述第一开关的操作。

通过能够使用电感而不是电阻器来限制电路中的电流，以将电能存储在电路中而不是耗散的形式限制电流。提供二极管元件以在关断开关时使存储在电感中的能量能够流向负载。而且，通过操作与检测到的电流相关的开关，可以操作此开关以实现最佳效率的电路操作。

在根据本发明的电路实施例中，充电电路包括控制电路，并且该控制电路被布置成：当接收到激活信号时，接通所述第一开关；当从所述电流传感器接收到表示由所述电流传感器检测到的电流等于或大于第一预定的电流强度的信号时，关断所述第一开关;以及在关断所述第一开关后第一预定的时间量过去之后，接通所述第一开关。

以这样的方式，可以将电流保持为等于或低于预定的电流强度。这意味着，一方面可以尽可能快的对负载充电，另一方面将电流保持为等于或小于例如开关或其它电路组件允许的最大强度。

在根据本发明的电路的另一实施例中，控制电路被布置成重复a）至c），直到从电流传感器接收到的信号表明，由电流传感器检测到的电流表示当接通第一开关时，在第二预定的时间量内电流没有达到第二预定的电流强度。

当对负载充电时，负载上的电压实质上等于电源上的电压。因此当两者直接连接时，在导线的固有电阻上不再期待大电流，这使得在那时开关充电失效。

在根据本发明的电路的另一实施例中，控制电路被布置成耦合到用于检测负载上的电压的电压传感器，并且其中控制电路被布置成重复a）至c），直到从电压传感器接收的信号表明负载上的电压已经达到预定的电压强度。

这允许以另一种方式检测负载的充电状态。

在根据本发明的电路的另一实施例中，第一预定的时间量实质上等于测量到的时间量，测量到的时间量是从第一开关接通开始直到检测到预定的电流强度为止的时间。

如果对负载充电，则负载上的电压将会增加。因此，电源的电压与负载的电压之间的差别将会减小。这意味着，充电电流的特性将会改变，并且特别地电流强度增加的速率将会改变。所以达到预定的电流强度所需要的时间减少。同样电感上电压降落的速率随时间降低。通过使开关频率依赖于达到预定的电流强度的时间，提高电路的效率。

在根据本发明的电路的另一实施例中，第一预定的时间量实质上等于第三预定的时间量与测量到的时间量之间的差，测量到的时间量是从第一开关接通开始直到检测到预定的电流强度为止的时间。

在本实施例中，开关频率是具有可变占空比的常数。因为不需要时间段的存储，从而这样的电路较为简单并且因此可以比较便宜的实现。

根据本发明的电路的另一实施例包括第二开关，该第二开关用于将第一输入端子连接到第一输出端子，以使得将第一开关和连接元件旁路。

当负载充电时，优选的是将开关、电流传感器以及电感旁路，以防止由于这些组件的消耗而损失能量，并且减少这些组件的损耗。

本发明的第二方面提供了一种电动车辆，该车辆包括根据权利要求1至权利要求12中的任一项所述的充电电路。

本发明的第三方面提供了一种经由电路对负载充电的方法，其中电路包括第一输出端子和第二输出端子，方法经由电路通过电路包括的第一输出输入端子和第二输入端子提供供电电压来对负载充电，方法包括：经由放置在第一输入端子与第一输出端子之间的开关和电感，为负载提供供电电压；检测通过开关的电流；当检测到的电流达到预定的电流值时，关断开关；以及使得能够将存储在电感中的电能经由放置在电感与第二输出端子之间的二极管元件提供至负载。

附图说明

将结合附图描述本发明及其实施例。以示例的目的而非限制本发明的范围提供这些附图。

图1示出了根据本发明的电路的实施例。

图2示出了根据本发明的电动车辆的实施例。

图3示出了描述根据本发明的电路的另一实施例的相对于时间的电压和电流特性的第一图表。

图4示出了描述根据本发明的电路的另一实施例的相对于时间的电压和电流特性的第二图表。

具体实施方式

图1公开了电路100作为根据本发明的充电电路的实施例。电路100包括作为第一开关的MOSFET 102、与MOSFET 102串联以检测通过MOSFET 102的电流的电流传感器104、包括连接到MOSFET 102的第一电感器连接器112和第二电感器连接器114的电感器连接元件110。作为电感元件的电感器106经由电感器连接元件110与MOSFET 102和电流传感器104串联地连接。

电路100还包括第一输入端子122和第二输入端子124，两者都用于将电路100连接到作为DC电源的电池130。本领域的技术人员将会领会到，还可以将其它DC电源连接到电路100，例如连接到AC电源的整流电路。电路100还包括用于将电路100连接到负载140的第一输出端子126和第二输出端子128。在本实施例中特定地，负载140包括电容142。电容142可以是实际的电容器、寄生电容或它们的组合。

电路100还包括二极管108作为二极管元件，该二极管元件的负极连接到第一电感器连接器112，并且该二极管元件的正极连接到第二输出端子。应该注意，还可以使用具有基本上与半导体结二极管相同的功能的其它单独的整流元件。

在本实施例中，二极管108的正极经由开关154连接到第二输出端子128。在电路100未激活状态下，第二开关154被优选地设置为未接通状态。提供第三开关152以直接地将第一输入端子122连接到第一输出端子126。

控制电路150连接到电流传感器104和MOSFET 102，以响应于由电流传感器104检测到的电流强度来控制MOSFET 102的操作。在本实施例中，电流传感器104经由单独的信号线连接到控制电路150。在另一实施例中，电流传感器104体现为具有相对低阻值（几个欧姆的量级或更小）的电阻器，控制电路150检测该电阻器上的电压。

图2示出了汽车200作为车辆，汽车200包括电池130、电路100、负载140以及电动机210，其中电路100具有连接到其上的电感器106和控制电路150（出于清楚的原因未示出电感器106和控制电路150）。在本实施例中，负载140是用于电动机210的驱动器。这样的驱动器通常包括作为逆变器的一部分的滤波电容、电荷泵、DC/AC或DC/DC变换器以及其它子电路和元件。额外地或替选地，其它负载可以包括寄生电容。

电池130经由电路100和用于驱动电动机210的负载连接到电动机210。电动机210反过来连接到汽车200的传动系统。替选地，汽车200包括多个电动机，例如，一个电动机用于驱动前轮，一个电动机用于驱动后轮，或每个车轮一个电动机。汽车200可以是全电动车辆、一般的混合动力车辆或插电式混合动力车辆。在本文中插电式混合动力车辆是包括用于驱动车辆的电动机和燃烧引擎的车辆，其中通过燃烧引擎生成的能量还可以用于对电池充电和/或直接驱动电动机。

将结合通过图3描述的第一图表300和随后通过图4描述的第二图表400来讨论如在图1中描述的操作电路100的两种可能的方式。第一图表300和第二图表400都在水平坐标轴上表示时间。在垂直坐标轴上，以任意值表示通过电感器106的电流和第一输出端子126与第二输出端子128之间的电压。

第一图表300表明了关于第一开关配置之前提到的随着时间的电压和电流特性。在第一开关配置中，由控制电路150接通MOSFET 102直到电流达到第一预定的电流值I1。因为电流还经由电感器106从第一输入端子流向第一输出端子，所以电流强度实质上线性地增加。本领域的技术人员将会领会到，通过电感的电流不可能具有阶梯函数并且实际上常常以连续的方式增加。应当注意，第一图表300和第二图表400是可能的电路特性的示意呈现，而不是测量或模拟出的实际特性。

在本实施例中第一预定的电流值是由通过MOSFET 102的最大允许电流决定的。最大允许电流可以是规定的连续最大电流、规定的最大峰值电流、或电路100的正常功能需要的与设计的MOSFET寿命相关的另外的电流强度。

测量电流通过电流传感器104达到第一预定的电流值的时间，并且由控制电路105将其存储为第一预定的时间段t1。如果检测到通过电流传感器的电流达到第一预定的电流强度I1，则关断MOSFET 102。在经过早先测量的并存储的第一预定的时间段t1之后，再次接通MOSFET 102，其中在第一图表300中第二预定的时间段被表示为t2。在另一实施例中，第二预定的时间段t2是第一预定的时间段t1的函数。该函数优选的是乘法函数，其中第一预定的时间段t1与在0.5至1.5之间的因子相乘。特别地，因子优选地为1。

在控制电路150确定已经经过了第二预定的时间段t2之后，再次接通MOSFET 102。实质上，由于由电流传感器104检测到的电流再次达到第一预定的电流强度I1，因此再次接通MOSFET 102。在MOSFET 102的接通状态期间，再次测量第一预定的时间段t1并且再次确定第二预定的时间段t2。在MOSFET 102的接通状态之后，当电流在第二预定的时间段t2达到的第一预定的电流强度I1时，再次关断MOSFET 102。

继续此步骤直到对负载140的电容142充电。可以以不同的方式检测到此状态。在一个实施例中，在充电处理期间测量负载140上的电压。本领域的技术人员理解，当用DC电源电压通过电阻性电路对电容充电时，电容上的电压向着与DC电源电压相同的渐进值逐渐增加。在第一图表300中此电压表示为V1。

在本实施例中，如果负载140上的电压大于预定的阈值，则充电步骤终止。预定的电压强度优选的在电池130的电压的某一范围内，例如比电池电压低5%-10%。当充电过程终止时，接通第三开关152至导通状态以直接地连接电池130和负载140。

在另一实施例中，通过监控通过电感器106和/或通过MOSFET 102的电流来检测电容142的充电状态。如果在MOSFET 102处于接通状态（导通状态）的同时通过MOSFET 102的电流没有在预定的时间量中达到某一强度，则电容142至少几乎充满。这也表示在第一图表300中，其中随着电容142上的电压逐渐接近表示为V1的渐进值，电流逐渐的降低。

第二图表400表明了关于第二开关配置之前提到的随着时间的电压和电流特性。在第二开关配置中，由控制电路150接通MOSFET 102直到电流达到第一预定的电流值I1。因为电流还经由电感器106从第一输入端子流向第一输出端子，所以电流强度基本上线性地增加。本领域的技术人员将会领会到，通过电感的电流不可能具有阶梯函数并且实际上常常以连续的方式增加。

在本实施例中预定的电流值是由通过MOSFET 102的最大允许电流决定的。最大允许电流可以是规定的连续最大电流、规定的最大峰值电流、或电路100的正常功能需要的与设计的MOSFET寿命相关的另外的电流强度。

在MOSFET 102关断之后，在从前一次MOSFET 102接通时起经过预定的时间段之后，再次接通MOSFET 12。此预定的时间量用第二图表400中的水平坐标轴上的t3表示。这意味着在MOSFET 102关断时刻与MOSFET 102再次接通时刻之间的时间段是可变的，并且该时间段依赖于通过MOSFET 102的电流达到预定的最大强度的速度。

第二图表400示出在由t3表示的第一时间段的最大部分期间，没有电流流过电感器106。只要没有电流流过电感器106，则不再对电容142进一步充电。这反过来意味着电容142上的电压不再进一步增加。随着电容142进一步充电，电流增长变慢并且在预定的时间段t3的较长部分上将接通MOSFET 102。

可以如上所述来确定电容142被完全充电的时刻，在该时刻还将第三开关152切换至导通状态。当由电池130通过电路100对电容142充分地充电时，不再会有过大的电流从电池130流向负载140以对电容充电，因为两者之间的电压差相对较小或甚至可以忽略。

总之，第一开关配置具有可变频率和50%的占空比，第二开关配置具有固定的1/t3的频率和可变的占空比。本领域的技术人员将理解，可以想到其它开关配置而不背离本发明的范围。

如已经表明的，优选的通过MOSFET 102实现第一开关。本领域内的技术人员将会领会到也可以使用固态装置，如IGBT等。可以将相同的或其它的半导体装置用于第二开关154或第三开关152。替选地，甚至次优选地，可以使用继电器实现第二开关154和第三开关152。

在优选的实施例中，电池130具有360V的电压，需要的预充电时间是100ms并且电容142具有1000uF的电容值。按照以下公式计算：

(1)I＝C·dV/dt

(2)V＝L·dI/dt

根据公式（1），平均充电电流是3.6A。用公式（2）可以确定与开关频率相关的电感的值。如通过第一图表300和第二图表400所示，电流具有或多或少的三角波形，这意味着电流的峰值大概为平均值的两倍。用公式（2），其变换为360V=L*7.2/ton其中ton是MOSFET 102被接通的时间。如果占空比为50%，则ton=1/(2*fsw)，其中fsw是电路的开关频率。将其带入公式（2）得到L=360/（7.2*2*fsw）。对于100至200kHz的适当的开关频率，在250uH至125uH范围中的电感器将会适合本应用。依赖于为电路选择的实际电感器的尺寸，电感器可以如图1所公开的包括于电路100中，或单独地提供电感器，其中电路100没有装备有电感器106。

当解释说明及其附属的权利要求时诸如“包括”（“comprise”“include”）、“并入”（“incorporate”）,“包含”（“contain”）、“是”（“is”）以及“具有”（“have”）等表述应当以非排他性的方式理解，即解释为允许其它没有明确限定的项或组件出现。提及单数时也可以理解为提及复数，反之亦然。当数据被称为视听数据时，可以仅代表音频，仅代表视频或静态图片或其组合，除非在实施例的说明中另外特别地指明。

在以上的说明中，可以理解，当部件诸如层、区域、或者衬底被称为在另一部件“上”（“on”、“onto”）或“连接到”（“connected to”）另一部件时，部件可以是直接地在另一部件上或连接到另一部件，或者可以出现介于中间的部件。

另外与在此描述的实施例提供的组件相比，本发明也可以体现为具有较少的组件，其中一个组件执行多个功能。与在图1中描述的相比，也可以使用更多的部件体现本发明，其中由在实施例中提供的组件执行的功能分配给多个组件。

本领域内的技术人员将会容易地领会到可以修改在说明中公开的不同的参数，并且可以在不背离本发明的范围的情况下组合公开的和/或要求保护的不同的实施例。

规定的，在权利要求中的附图标记不限制权利要求的范围，而仅是插入以增强权利要求的易读性。

Claims

1.一种充电电路（100），包括：

a）第一输入端子（122）和第二输入端子（124），用于将所述电路分别连接到DC电源（130）的第一电源接线端和第二电源接线端；

b）第一输出端子（126）和第二输出端子（128），用于对要被充电的负载（140）提供输出电压；

c）第一开关（102），被布置在所述第一输入端子（122）与所述第一输出端子之间；

d）电流传感器（104，150），与所述第一开关（102）串联地布置在所述第一输入端子（122）与所述第一输出端子（128）之间；

e）连接元件（110），包括用于连接电感器（106）的第一电感连接器（112）和第二电感连接器（114），所述第一电感连接器（112）被连接到所述开关（102），所述第二电感连接器（114）被连接到所述第一输出端子（126）；以及

f）二极管元件（108），被连接到所述第一电感连接器（112）和所述第二输出端子（128），以使得当所述第一开关（102）接通时，防止流过所述第一开关（102）的电流从所述第一开关（102）经由所述二极管元件（108）流向所述第二输出端子（128），

所述第一开关（102）和所述电流传感器（104，150）被布置成连接到控制电路（150），所述控制电路（150）被布置成响应于从所述电流传感器（104，150）接收的信号来控制所述第一开关（102）的操作。

2.根据权利要求1所述的充电电路（100），所述充电电路（100）包括所述控制电路（150），其中所述控制电路（150）被布置成：

a）当接收到激活信号时，接通所述第一开关（102）；

b）当从所述电流传感器（104，150）接收到表示由所述电流传感器（104，150）检测到的电流等于或大于第一预定的电流强度（I1）的信号时，关断所述第一开关（102）;以及

c）在关断所述第一开关（102）后第一预定的时间量（t2）过去之后，接通所述第一开关（102）。

3.根据权利要求2所述的充电电路（100），其中所述控制电路（150）被布置成重复a）至c），直到从所述电流传感器（104，150）接收到的信号表明，由所述电流传感器（104，150）检测到的电流表示当所述第一开关（102）接通时在第二预定的时间量内所检测到的电流没有达到第二预定的电流强度。

4.根据权利要求2所述的充电电路（100），其中所述控制电路（150）被布置成耦合到用于检测所述负载（140）上的电压的电压传感器，并且其中，所述控制电路（150）被布置成重复a）至c），直到从所述电压传感器接收到的信号表明所述负载上的电压已经达到预定的电压强度。

5.根据权利要求4所述的充电电路（100），其中所述预定的电压强度在来自所述DC电源（130）的电压的预定范围内。

6.根据权利要求2所述的充电电路（100），其中所述第一预定的时间量实质上等于测量到的时间量，所述测量到的时间量是从接通所述第一开关（102）开始直到检测到所述预定的电流强度为止的时间。

7.根据权利要求2所述的充电电路（100），其中所述第一预定的时间量实质上等于第三预定的时间量（t3）与测量到的时间量之间的差，所述测量到的时间量是从接通所述第一开关（102）开始直到检测到所述预定的电流强度为止的时间。

8.根据权利要求1所述的充电电路（100），进一步包括第二开关（152），用于将所述第一输入端子（122）连接到所述第一输出端子（126），以使得将所述第一开关（126）和所述连接元件（110）旁路。

9.根据权利要求1所述的充电电路（100），进一步包括第三开关（154），被布置在所述第二输出端子（128）与所述二极管元件（108）之间。

10.根据权利要求1所述的充电电路（100），其中所述第一开关（102）是固态开关。

11.根据权利要求10所述的充电电路(100），其中所述第一开关（102）是所述以下类型中的一个：

a）IGBT

b）MOSFET

12.根据权利要求1所述的充电电路（100），进一步包括电感（106）。

13.一种电动车辆（200）包括根据前述权利要求中的任一项所述的充电电路（100）。

14.一种经由电路（100）对负载（140）充电的方法，其中所述电路（100）包括第一输出端子（126）和第二输出端子（128），所述方法经由电路（100）通过所述电路（100）包括的第一输出输入端子（122）和第二输入端子（124）提供供电电压来对负载（140）充电，所述方法包括：

a）经由放置在所述第一输入端子（122）与所述第一输出端子（126）之间的开关（102）和电感（106），为所述负载提供所述供电电压；

b）检测通过所述开关（102）的电流；

c）当检测到的电流达到预定的电流值时，关断所述开关（102）；以及

d）使得能够将存储在电感（106）中的电能经由放置在电感（106）与第二输出端子（128）之间的二极管元件（108）提供至所述负载。