CN103119825B - 用于电动车辆的电池的dc充电站 - Google Patents

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Abstract

DC充电站100具有DC电压源110，在其输出端111处可提供可调节的DC电压，借助于该DC电压最后可对电池200充电。在变换器的输出端和DC充电站的输出端子102之间连接电压平衡单元120，其具有可控的开关121，用该开关可以可选地建立或者中断在电压源或者变换器和电池之间的连接。该开关根据电压平衡单元的输入侧和输出侧电压如下地被控制，使得在电池被连接到DC输出端子之前和期间，该开关中断该连接，并且当电压平衡单元的输入侧电压基本上相应于电压平衡单元的输出侧电压时，才建立连接。

Description

用于电动车辆的电池的DC充电站
技术领域
本发明涉及用于电动车辆的电池的直流电压快速充电站。
背景技术
通常，为了对电池充电需要直流电压或者直流电流。用于电动车辆的电池的充电站通常被连接到三相网络端子上，从而首先必须实施AC-DC转换。在此，适合于不在电动车辆中实施转换，而是在充电站中实施，以便避免电动车辆本身必须被装配交流电压-直流电压变换器（AC-DC变换器）。
用于电动车辆的相应的DC充电站通常具有至少一个3相网络端子、输入滤波器和分离变压器、AC-DC变换器以及电池端子。
AC-DC变换器尤其是当充电站应当用于充电以及用于对电池放电时是受控的变换器。作为这样的变换器的实现形式可以例如使用6或12脉冲晶闸管桥或者所谓的IGBT桥（“绝缘栅双极晶体管”或者具有绝缘栅电极的双极晶体管），它们典型地以在kHz范围中的时钟时间运行。
为了减少在变换器的DC输出端处的DC电压和DC电流上的所谓的“波纹”，经常尤其是在晶闸管桥的情况下在变换器和电池之间连接无源的电网络形式的输出滤波器。
图1示出了DC充电站的已知的电路图，该DC充电站具有3相网络端子1、输入滤波器2、分离变压器3、AC-DC变换器4、输出滤波器5、以及电池端子6，通过其可以将要充电的电池7与充电站连接。在图1中无名称编号地示出的在变换器4的输入侧和输出侧上的保险装置典型地存在用于保护变换器4。
如果电池7固定地与输出滤波器5连接，也即以硬方式被布线并且不可借助插头被接线或者拆除接线，则AC-DC变换器4的输出侧的布线是不成问题的。这样的情况例如在US2010/0019737A1中示出。但是因为电池7在电动车辆的情况下以有意义的方式经由电耦合6例如插接连接与DC充电站的输出滤波器5的输出接线柱电连接，因此当在建立耦合或者连接时电池电压U2和充电站的输出电压U1、也即输出滤波器5的输出电压不同时，产生问题。在该情况下，在建立电池7和充电站之间的连接时电池充电或放电电流可以流经输出滤波器5的组件，所述电池充电或放电电流的最大数值可以为最大允许的充电或放电电流的多倍并且其因此可能导致所有电流流经的电组件损坏，直至电池7的破坏。
所描述的问题原则上例如可以借助下面的措施来避免或者至少减少：
（i）放弃输出滤波器：在足够快速地时钟控制的并且被调节的IGBT变换器情况下，该变型方案原则上是可设想的，但是代价是与具有输出滤波器的构造相比在电池充电或放电电流上的较大的电流波纹。该较高的波纹可能减少电池寿命。此外，IGBT变换器的较快的时钟控制导致在变换器中的较高的损耗。因此，从能量效率角度看目标是使时钟频率尽可能小并且使调节时间尽可能大。放弃输出滤波器在晶闸管桥变换器情况下是不可设想的。电池充电或放电电流的产生的波纹是不可接受地大的。
（ii）对LC输出滤波器扩展了电阻，该电阻与电容C串联。这是对于电池充电或放电电流的限制电流的措施，该电池充电或放电电流基于在U1和U2之间的初始电压差得出。但是该措施在输出滤波器的有效性变差中起作用。此外，这样的电阻在整个充电或放电过程期间是附加的损耗源，随之而来的是充电站的效率变差。
（iii）将二极管插入到输出滤波器5和电池接线柱6之间。根据现有技术（例如参见Chademo标准），该二极管被插入到正线路中并且被称为反向电流二极管。这样的二极管阻止电流流动的方向变换并且将电流乘以时间的积分限制在输出滤波器5中的电容器的最大充电量上。反向电流二极管的缺点是：
（a）反向电流二极管是附加的损耗源，其中损耗功率等于充电电流乘以在反向电流二极管上的典型地为0.9V至1.5V的电压降。
（b）具有反向电流二极管的充电站不是能够反向馈电的，也即电池仅仅能够利用这样的充电站充电，但是不能放电。
发明内容
因此，本发明的任务是，说明DC充电站和相应的充电过程的流程的可能的实现形式，其避免了上述的缺点并且尤其是避免了在充电过程开始时不受控制的并且可能过高的电池充电或放电电流的上述问题。
该任务通过在独立权利要求中说明的发明来解决。有利的扩展方案从从属权利要求中得到。
本发明的解决方案基于如下认识：在可以接上电池之前，在使用不可控制或可调节的无源电网络时在DC充电站的AC-DC变换器的输出端处需要在DC充电站的输出电压U1和电池电压U2之间的电压平衡。
本发明的用于对尤其是电动车辆的电池充电的DC充电站，具有：
－带有输出端的DC电压源，在该输出端处至少在DC充电站的运行状态中提供DC电压，
－DC输出端子，在该DC输出端子上可连接要充电的电池并且其为了对该电池充电可经由至少一个线路与DC电压源连接，
－电压平衡单元，其连接在DC电压源的输出端和DC充电站的DC输出端子之间并且具有可控的第一开关，该第一开关可被操控为使得该第一开关可以可选地建立或者中断在DC电压源的输出端和DC充电站的DC输出端子之间的连接，
－第一电压检测单元，其检测电压平衡单元的输入侧电压（U1），
－第二电压检测单元，其检测电压平衡单元的输出侧电压（U2），
－用于控制和调节电压平衡单元的控制和调节单元，其中利用第一和第二电压检测单元所检测的测量值（U1，U2）被输送给所述控制和调节单元，
其中控制和调节单元被设立用于如下地操控第一开关，使得该第一开关
－在电池被连接到DC输出端子之前和期间中断该连接，并且
－当电压平衡单元的输入侧电压（U1）基本上相应于电压平衡单元的输出侧电压（U2）时，至少在电池连接到DC输出端子时建立连接。
DC电压源是可调节的、尤其是电压可调节的电压源，其中设置有用于控制和调节DC电压源的控制和调节单元，其被设立用于至少在运行状态中以及至少在电池连接到DC输出端子上的情况下对DC电压源如下地进行调节，使得电压平衡单元的输入侧电压（U1）基本上相应于输出侧电压（U2）。
在此，用于控制和调节DC电压源的控制和调节单元被实施为级联的电压和电流调节装置，其中电流调节器构成内部的调节回路，并且电压调节器构成外部的调节回路。
电压平衡单元具有电阻、尤其是分流器，通过其测量输入侧电压（U1），并且当电压平衡单元执行电压平衡时，其被接上。
当第一开关处于断开状态时，该电阻尤其是与第一电压检测单元并联。
尤其是当电压平衡单元的输入侧电压（U1）基本上相应于电压平衡单元的输出侧电压（U2）时，该电阻被关断。
针对该电阻设置有第二开关，该第二开关与该电阻串联并且反向地与该线路的第一开关耦合。
在电压平衡单元的输出处可以设置绝缘监控装置，利用其可以探测充电线缆的损坏和/或在车辆上的充电插座的损坏和/或至车辆中的电池的电连接的损坏。
DC电压源有利地是AC-DC变换器，在其输入端处至少在DC充电站的运行状态中可以施加AC电压，所述AC电压被转换为在其输出端处在运行状态中可供使用的DC电压。
在DC电压源的DC输出端和电压平衡单元之间可以连接输出滤波器、尤其是低通滤波器，其例如可以被构造为LC或LC-T滤波器。该第一电压检测单元于是检测在输出滤波器的输出端处的电压（U1）。
在本发明的用于对尤其是电动车辆的电池充电的方法中使用DC充电站，具有
－DC电压源，该DC电压源至少在DC充电站的运行状态中提供DC电压，
－DC输出端子，在该DC输出端子上可连接要充电的电池并且该DC输出端子为了对该电池充电可经由至少一个线路与DC电压源连接，
－电压平衡单元，其连接在DC电压源的输出端和DC充电站的DC输出端子之间并且具有可控的第一开关，该第一开关可以被操控为使得该第一开关可以可选地建立或者中断在DC电压源的输出端和DC充电站的DC输出端子之间的连接，其中在电池被连接到DC充电站的DC输出端子之前和期间，中断该连接。
在该方法中，在将要充电的电池连接到DC输出端子上之后检测电压平衡单元的输入侧电压（U1）和输出侧电压（U2）。当电压平衡单元的输入侧电压（U1）基本上相应于电压平衡单元的输出侧电压（U2）时，在DC电压源的输出端和DC充电站的DC输出端子之间的连接才被建立。
DC电压源是可调节的、尤其是电压可调节的电压源。DC电压源至少在DC充电站的运行状态中并且至少在电池被连接到DC输出端子上时被调节为使得电压平衡单元的输入侧电压（U1）基本上相应于输出侧电压（U2）。
在该方法中，设置有下面的步骤：
1）例如通过如下方式来在将电池连接到充电站之前首先中断在DC电压源的输出端和DC充电站的DC输出端子之间的连接，即在将电池连接到充电站之前首先断开第一开关；
2）在建立充电站和电池之间的电连接之后，确定电压平衡单元的输出侧电压（U2）；
3）确定电压平衡单元的输入侧电压（U1）；
4）如下地调节DC电压源、尤其是在DC电压源的输出端处可供使用的DC电压，使得电压平衡单元的输入侧电压（U1）和电压平衡单元的输出侧电压（U2）基本上一致；
5）例如通过如下方式建立在DC电压源的输出端和DC充电站的DC输出端子之间的连接，即闭合第一开关；
6）将充电或放电电流升高到额定值。
有利地在步骤5a）中在步骤5）之后并且在实施下一步骤之前短暂地等待。
输入侧电压（U1）经由电阻（R）被测量，该电阻为测量目的可借助第二开关被接上和被切断。该电阻在步骤3a）中在实施步骤4）之前尤其是通过闭合第二开关被接上。
有利地，在步骤5b）中在步骤5）之后或者在步骤5a）之后并且在实施下一步骤之前将该电阻尤其是通过断开第二开关被切断。
有利地，在步骤5c）中在步骤5b）之后并且在实施下一步骤6)之前短暂地等待。
附图说明
本发明的另外的优点、特征和细节从下面描述的实施例以及借助附图得到。
在此：
图1示出根据现有技术的DC充电站的电路图，
图2示出本发明DC充电站的电路图，
图3示出输出滤波器的两个可能的实施形式。
具体实施方式
图1如上描述地示出具有所阐述的缺点的已知DC充电站的电路图。
图2示出例如用于电动车辆的电池200的本发明DC充电站100的电路图。为了清楚，既没有详细示出电动车辆本身、也没有详细示出在图1中示出的充电站100的AC电压供给装置的组件，而是仅仅示出了DC充电站的AC输入端子101，其如图1中所表明地例如可与电压供给网络的3相AC网络端子连接，以及示出了电动车辆的电池200，其与DC充电站100的DC输出端子102连接。DC输出端子102实际上最后是具有插头的充电线缆，该插头可插入到电动车辆的相应的插座中并且从而可与电池200连接。
本发明的DC充电站100具有DC电压源110，该DC电压源提供DC电压，用该DC电压最后对电池200充电。DC电压源110被构造为AC-DC变换器110，其将施加在充电站100的AC输入端子101上的交流电压UAC以已知的方式转换为直流电压UDC。直流电压UDC在AC-DC变换器110的DC输出端111处可供使用。DC输出端111经由相应的线路103与充电站100的DC输出端子102连接。
AC-DC变换器110在输出侧、也即在DC侧上可借助控制和调节单元112电压调节地以及电流调节地被运行。控制和调节单元112例如被构造用于根据确定的条件调节输出电压UDC。这在下面更详细地被阐述。
本发明的DC充电站100此外包含DC-DC耦合120，其下面被称为电压平衡单元并且其被连接在AC-DC变换器110和DC输出端子或电池端子102之间。电压平衡单元120具有外部可控的开关121，该开关可以可选地中断或者说断开或者连接或者说闭合在AC-DC变换器110的DC输出端111和DC输出端子102之间的、DC充电站100的直流电流端子的至少一个、但是优选并且在图2中示出的两个线路103。
电压平衡单元120的外部可控的开关121例如可以实现为机械开关、负载分离器或接触器。功率电子实现形式当然也是可设想的。
此外，电压平衡单元120拥有第一电压检测单元122，其检测电压平衡单元120的输入侧电压U1，以及第二电压检测单元123，其检测电压平衡单元的输出侧电压U2。在此，输出侧电压U2相应于电池电压UBatt，前提是，建立了至车辆的电连接并且在车辆中，电池与车辆的充电插座电连接。
利用电压检测单元122、123检测的电压测量值U1、U2被传送给控制和调节单元112，其将额定值信号发送给电压平衡单元120的开关驱动装置124，其中开关驱动装置124操作开关121。
电压平衡单元120现在借助控制和调节单元112这样地被运行，使得在电池200被连接之前和期间，开关121原则上保持在断开状态。因此，电池200即使在连接期间也与DC电压源110脱耦。
在电池200被连接到DC充电站100的DC输出端子102上之后，电池电压UBatt=U2借助电压平衡单元120的输出侧的电压检测单元123被测量并且首先在合理性方面被检验。如果电池电压不在UBatt,min和UBatt,max之间的额定范围中或者所测量的电池电压甚至是符号相反的，则充电站输出错误通知并且中止充电过程的准备。在对电池电压UBatt=U2进行成功的合理性检验之后，将U2与输入侧电压U1比较。同时，将AC-DC变换器110借助其控制和调节单元112电压调节地这样运行，使得在电压平衡单元120的输入端处的电压U1基本上相应于在电压平衡单元120的输出端处的电压U2。在此，表述“基本上”可理解为使得电压U1、U2在测量精度的范围中或者在例如大约1-10%的范围中一致。之后才借助在电压平衡单元120中的开关驱动装置124闭合开关121并且因此能够实现电池200的充电或放电过程。
在AC-DC变换器110之后可以连接输出滤波器130，该输出滤波器130也即处于AC-DC变换器110的DC输出端111和电压平衡单元120之间。滤波器130尤其是可以被构造为低通滤波器，例如被构造为LC滤波器或者如在图1中所示被构造为具有电容C和两个电感L1，L2的LC-T滤波器，使得其如开始所提及的那样限制在变换器110的DC输出端111处的DC电流或者DC电压上的“波纹”。在该情况下，测量电压U1的第一电压检测单元122确定在DC充电站100的输出滤波器130的输出端处的电压。
概括地并且换句话说，因此只有当一方面电池200连接到输出端子102上并且另一方面AC-DC变换器110或者（如果存在的话）输出滤波器130的输出电压U1相应于输出电压U2时，开关121才被闭合并且从而AC-DC变换器110与DC充电站100的DC输出端子102电连接。为了满足条件U1=U2，AC-DC变换器110借助其控制和调节单元112根据测量的电压U1和U2如下地被调节，使得电压U1相应于U2。只有当控制和调节单元112探测到所实现的电压平衡时，开关驱动装置124才获得信号，以便闭合开关121。
AC-DC变换器110在控制和调节装置112中的电压和电流调节装置可以被实施为级联的调节装置，其中电流调节器构成内部的调节回路并且电压调节器构成外部的调节回路。在这样的状况时需要，为了调节变换器110的DC电压UDC在变换器110的DC输出端111处也流有电流。为了确保用于足够精确的电压调节而足够高的电流流动，电压平衡单元120包含附加的电阻或者分流器R，当开关121断开时，该电阻或分流器与第一电压检测单元122并联。一旦进行了电压平衡U1=U2并且开关121被闭合，也即从实际的充电或放电过程开始起，电阻R原则上满足了其功能。
理想地，电阻R于是应该被关断，以避免电池200的充电或放电过程期间经由该电阻R的不必要的损耗。因此设置了用于接上和切断电阻R的另一开关125，其反向地与开关121耦合。也即当开关121闭合时，开关125断开，以及反过来。两个开关可以经由同一开关驱动装置124来操作。在这样的情况下，开关121和125在负载分离器中被联合，其中开关121和功率开关（闭合器）和开关125是辅助开关（断开器）。
代替地，开关121和125被实施为具有单独的开关驱动装置的单独的开关。在这种情况下，如下地操作开关：
-开关121和125断开并且建立至车辆或者说至电池的电连接。
-U2在合理的电压范围中被探测。
-开关125被闭合。
-AC-DC变换器被调节到处于电压调节的运行中，直至U1=U2适用为止。
-开关121被闭合；接着短暂地等待。
-开关125被断开；接着短暂地等待。
-充电电流或放电电流被升高到额定值上。
在电压平衡单元120和DC充电站100的DC输出端子102之间可以附加地设置用于绝缘监控的装置126。所述绝缘监控装置例如被用于探测DC充电站100的充电线缆的可能的损坏。
图3A、3B示出输出滤波器130的两个可能的实现形式。该滤波器130优选被实现为具有电容C和两个电感L1、L2的LC-T滤波器（图3A）或者代替地被实现为具有电容C和电感L的LC滤波器（图3B）。所示出的滤波器这样地被集成在充电站100的电路中，使得在图中在上面示出的端子与AC-DC变换器110（必要时经由相应的保险装置）连接并且下面示出的端子与电压平衡单元120连接。

Claims (19)

1.用于对电动车辆的电池（200）充电的DC充电站（100），具有：
－带有输出端（111）的DC电压源（110），在该输出端处至少在DC充电站（100）的运行状态中提供DC电压，
－DC输出端子（102），在该DC输出端子上可连接要充电的电池（200）并且该DC输出端子为了对电池（200）充电可经由至少一个线路（103）与DC电压源（110）连接，
－电压平衡单元（120），其连接在DC电压源（110）的输出端（111）和DC充电站（100）的DC输出端子（102）之间并且具有可控的第一开关（121），该第一开关可被操控为使得该第一开关可以可选地建立或者中断在DC电压源（110）的输出端（111）和DC充电站（100）的DC输出端子（102）之间的连接，
－第一电压检测单元（122），其检测电压平衡单元（120）的输入侧电压（U1），
－第二电压检测单元（123），其检测电压平衡单元（120）的输出侧电压（U2），
－用于控制和调节电压平衡单元（120）的控制和调节单元（112），其中利用第一和第二电压检测单元（122，123）所检测的测量值（U1，U2）被输送给所述控制和调节单元，
其中控制和调节单元（112）被设立用于如下地操控第一开关（121），使得所述第一开关
－在电池（200）被连接到DC输出端子（102）之前和期间中断该连接（103），并且
－当电压平衡单元（120）的输入侧电压（U1）基本上相应于电压平衡单元（120）的输出侧电压（U2）时，至少在电池（200）连接到DC输出端子（102）时建立连接，
电压平衡单元（120）具有电阻（R），经由其测量输入侧电压（U1），并且当电压平衡单元（120）执行电压平衡时将其接上，
当电压平衡单元（120）的输入侧电压（U1）基本上相应于电压平衡单元（120）的输出侧电压（U2）时，该电阻（R）被关断，
设置有用于电阻（R）的第二开关（125），该第二开关与该电阻（R）串联并且反向地与用于线路（103）的第一开关（121）耦合。
2.根据权利要求1所述的DC充电站，其特征在于，DC电压源（110）是可调节的电压源，其中设置有用于控制和调节DC电压源（110）的控制和调节单元（112），其被设立用于至少在运行状态中以及至少在电池（200）连接到DC输出端子（102）上的情况下对DC电压源（110）如下地进行调节，使得电压平衡单元（120）的输入侧电压（U1）基本上相应于输出侧电压（U2）。
3.根据权利要求2所述的DC充电站，其特征在于，所述可调节的电压源是电压可调节的。
4.根据权利要求2所述的DC充电站，其特征在于，用于控制和调节DC电压源（110）的控制和调节单元（112）被实施为级联的电压和电流调节装置，其中电流调节器构成内部的调节回路，并且电压调节器构成外部的调节回路。
5.根据权利要求1至4之一所述的DC充电站，其特征在于，电压平衡单元（120）具有分流器。
6.根据权利要求1至4之一所述的DC充电站，其特征在于，在电压平衡单元（120）的输出端处设置绝缘监控装置（126），利用其可以探测充电线缆的损坏和/或在车辆上的充电插座的损坏和/或至车辆中的电池的电连接的损坏。
7.根据权利要求1至4之一所述的DC充电站，其特征在于，DC电压源（110）是AC-DC变换器，在其输入端（101）处至少在DC充电站（100）的运行状态中可以施加AC电压，所述AC电压被转换为在其输出端（111）处在运行状态中可供使用的DC电压。
8.用于利用根据权利要求1至7之一所述的DC充电站（100）对电池（200）充电的方法，该DC充电站具有
－DC电压源（110），该DC电压源至少在DC充电站的运行状态中提供DC电压，
－DC输出端子（102），在该DC输出端子上可连接要充电的电池（200）并且该DC输出端子为了对电池充电可经由至少一个线路（103）与DC电压源（110）连接，
－电压平衡单元（120），其连接在DC电压源（110）的输出端（111）和DC充电站（100）的DC输出端子（102）之间并且具有可控的第一开关（121），该第一开关可被操控为使得该第一开关可以可选地建立或者中断在DC电压源（110）的输出端（111）和DC充电站（100）的DC输出端子（102）之间的连接，其中在电池（200）被连接到DC充电站（100）的DC输出端子（102）之前和期间中断该连接，
其中
－在将要充电的电池（200）连接到DC输出端子（102）上之后检测电压平衡单元（120）的输入侧电压（U1）和输出侧电压（U2），并且
－当电压平衡单元（120）的输入侧电压（U1）基本上相应于电压平衡单元（120）的输出侧电压（U2）时，才建立在DC电压源（110）的输出端（111）和DC充电站（100）的DC输出端子（102）之间的连接。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法用于电动车辆的电池充电。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，DC电压源（110）是可调节的电压源，其中DC电压源（110）至少在DC充电站（100）的运行状态中并且至少在电池（200）被连接到DC输出端子（102）上的情况下被调节为使得电压平衡单元（120）的输入侧电压（U1）基本上相应于输出侧电压（U2）。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述可调节的电压源是电压可调节的。
12.根据权利要求8至11之一所述的方法，其特征在于下面的步骤：
1）在将电池（200）连接到充电站（100）之前首先中断在DC电压源（110）的输出端（111）和DC充电站（110）的DC输出端子（102）之间的连接；
2）在建立充电站（100）和电池（200）之间的电连接之后，确定电压平衡单元（120）的输出侧电压（U2）；
3）确定电压平衡单元（120）的输入侧电压（U1）；
4）如下地调节DC电压源（110），使得电压平衡单元（120）的输入侧电压（U1）和电压平衡单元（120）的输出侧电压（U2）基本上一致；
5）建立在DC电压源（110）的输出端（111）和DC充电站（100）的DC输出端子（102）之间的连接；
6）将充电或放电电流升高到额定值。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，调节在DC电压源（110）的输出端（111）处可供使用的DC电压，使得电压平衡单元（120）的输入侧电压（U1）和电压平衡单元（120）的输出侧电压（U2）基本上一致。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在步骤5a）中在步骤5）之后并且在实施下一步骤之前短暂地等待。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，输入侧电压（U1）经由电阻（R）被测量，该电阻为测量目的可借助第二开关（125）被接上和被切断，其中该电阻在步骤3a）中在实施步骤4）之前被接上。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述接上通过闭合第二开关（125）进行。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在步骤5b）中在步骤5）或者5a）之后并且在实施下一步骤之前该电阻（R）被切断。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述切断通过断开第二开关（125）进行。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在步骤5c）中在步骤5b）之后并且在实施下一步骤6）之前短暂地等待。
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