CN103158573B

CN103158573B - 车辆电池充电器及操作该电池充电器的方法

Info

Publication number: CN103158573B
Application number: CN201210536274.3A
Authority: CN
Inventors: 艾伦·罗伊·盖尔; 迈克尔·W·德格内尔; 拉里·迪安·埃里; 保罗·西欧多尔·莫姆西罗维琪
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: CN103158573A; DE102012222216A1

Abstract

本发明公开了一种车辆电池充电器及操作该电池充电器的方法，与电分配电路电连接的电池充电器可响应于除了电池充电器之外的负载是否与电分配电路电连接来选择给车辆电池充电的充电速率，并以选择的充电速率给车辆电池充电。

Description

车辆电池充电器及操作该电池充电器的方法

本申请要求于2011年12月12日提交到美国专利商标局的第13/316,605号美国专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用被包含于此。

技术领域

本申请涉及一种车辆电池充电器及操作该电池充电器的方法。

背景技术

实际功率是在特定时间内用于执行工作的电路的容量。表观功率是电路的电压和电流的乘积。由于储存在负载中且返回到源的能量，或者由于使从源获得的电流的波形失真的非线性负载，使得表观功率可能大于实际功率。

AC电力系统的功率因子可被定义为流动到负载的实际功率与表观功率的比率（在0和1之间的数）。

在电力系统中，对于传输的相同量的有效功率，具有低功率因子的负载获得的电流比具有高功率因子的负载获得的电流大。电流越大，越可能使在分配系统中损失的能量增加，且可能需要更粗的线及其他设备。由于浪费的能量及更大的设备所带来的成本，使得电力公司可能向具有低功率因子的消费者收取更高的费用。

在纯电阻AC电路中，电压的波形和电流的波形同相，从而在每个周期的相同时刻改变极性。在存在无功负载（例如，电容器或电感器）的情况下，储存在负载中的能量导致在电流的波形和电压的波形之间产生时差（相位差）。储存的能量返回到源，并不能用于在负载上做功。因此，与具有高功率因子的电路相比，具有低功率因子的电路将具有更大的电流，以传输给定量的实际功率。

AC功率流具有三种成分：以瓦特（W）为单位测量的实际功率（P）；以伏特-安培（VA）为单位测量的表观功率（S）；以无功的伏特-安培（VAr）为单位测量的无功功率（Q）。因此，功率因子可被定义为：

P/S （1）

在完美的正弦波形的情况下，P、Q及S可被表示为形成矢量三角形的矢量，从而：

S²=P²+Q² （2）

如果θ是电流和电压之间的相位角，则功率因子等于cosθ，以及

P=S×|cosθ| （3）

当功率因子等于0时，在每个周期能量流完全不做功，且在负载中储存的能量返回到源。当功率因子等于1时，由源供应的所有能量被负载消耗掉。功率因子可表示为“领先于”或“滞后于”，以指示相位角的符号。

如果纯电阻负载连接到电源，则电流和电压将同相地改变极性，功率因子将为1，在每个周期电能将在网络中沿着单个方向流动。电感性负载（例如，变压器和电机）消耗功率，使得电流的波形滞后于电压的波形。电容性负载（例如，电容器组或埋地电缆）产生无功功率流，使得电流的波形领先于电压的波形。在AC周期的一部分时间期间，这两种类型的负载均将吸收能量（该能量储存在装置的磁场或电场中），在AC周期的其余时间期间，这两种类型的负载仅仅使所述能量返回到源。例如，如果功率因子为1，则为了获得1kW的实际功率，需要传输1kVA的表观功率（1kW÷1=1kVA）。然而，在功率因子的值较小时，需要传输较大的表观功率，以获得相同的实际功率。为了在功率因子为0.2时获得1kW的实际功率，需要传输5kVA的表观功率（1kW÷0.2=5kVA）。

发明内容

一种车辆可包括牵引电池和电池充电器。电池充电器可接收来自相隔较远的电分配电路的电力，并且以响应于除了电池充电器之外的负载是否与电分配电路电连接而选择的速率给牵引电池充电。

电池充电器可接收来自包括中性线和接地线的电分配电路的电力，并基于中性线和接地线之间的测量电压来操作。

电池充电器还被构造成测量中性线和线之间的电压。

一种电池充电系统包括：电池充电器，被构造成接收来自包括中性线和接地线的电分配电路的电力，并基于中性线和接地线之间的测量电压来操作。

电池充电器还被构造成基于测量的电压检测除了电池充电器之外的与分配电路电连接的至少一个负载。

电池充电器还被构造成基于是否检测到除了电池充电器之外的至少一个负载来选择充电速率。

电池充电器还被构造成如果检测到除了电池充电器之外的至少一个负载，则电池充电器选择第一充电速率，以及如果未检测到除了电池充电器之外的至少一个负载，则电池充电器选择大于第一充电速率的第二充电速率。

电池充电器还被构造成测量中性线和接地线之间的电压。

附图说明

图1是电分配电路的示意图。

图2是图1的电池充电器的框图。

图3是电分配系统的框图。

图4是电池充电器的框图。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例；然而，应该理解到，公开的实施例仅仅是示例，且其他实施例可采用各种和可选的形式。附图不一定按照比例绘制；可夸大或最小化一些特征，以示出具体部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能性细节不被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域的技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参照任一附图描述和示出的各种特征可与在一个或多个其他附图中示出的特征组合，以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于具体应用或实施方式。

现在，参照图1，电分配电路10可包括电力线（线）12，12′，返回线（中性线）14，14′及接地线（地）16，在一些实施例中，电分配电路10可类似于在住宅建筑物或商业建筑物中找得到的电分配电路。保险丝盒18、电池充电器20及其他负载22与分配电路10电连接（例如，电池充电器20可以是独立的单元或集成在车辆内）。线12和中性线14是电路10的电连接在保险丝盒18和负载22之间的部分。线12′和中性线14′是电路10的电连接在充电器20和负载22之间的部分。保险丝盒18包括与线12电连接的保险丝23。储能单元24（例如，车辆牵引电池）可与电池充电器20电连接（并通过电池充电器20来进行充电）。

如普通技术人员所知道的，来自电源25（例如，公用电网等）的电力通过保险丝盒18输送到分配电路10（因此，输送到电池充电器20和负载22）。如果想要从分配电路10获得超过分配电路10的容量的电流，则可切断保险丝盒18内的保险丝。

在图1的实施例中，负载22（例如，冰箱压缩机等）可具有实际功率部件和无功功率部件，导致AC电流滞后于AC电压。该滞后电流（如果存在的话）将导致无功功率在负载22和电源25之间流动。这种无功功率流动将导致通过保险丝23的电流大于在不存在这种无功功率流动的情况下通过保险丝23的电流。负载22可减小与分配电路10相关的功率因子，并减少对于给定量的表观功率的可用的实际功率。

现在，参照图1和图2，电池充电器20的实施例可包括桥式整流器26、功率因子（PF）控制的升压调节器28、降压调节器30及微处理器32。当然，电池充电器20可具有任何合适的构造。桥式整流器26可与分配电路10的线12′、中性线14′及接地线16电连接。PF控制的升压调节器28与桥式整流器26和降压调节器30电连接。降压调节器30可与储能单元24电连接。PF控制的升压调节器28和降压调节器30处于微处理器32的命令/控制下。

电池充电器20还可包括电压传感器34、36及电流传感器38。电压传感器34测量线12′和中性线14′之间的电压。传感器36测量中性线14′和接地线16之间的电压。如普通技术人员清楚的，该电压取决于通过中性线14、14′的电流。传感器38测量通过中性线14′的电流。传感器34、36、38与微处理器32通信。

如果充电器20不工作，则由于负载22使得所有的负载电流均通过中性线14。具有内阻R₁₄的中性线14在负载22和保险丝盒18之间经历压降，该压降与通过负载22的电流成比例，且与通过负载22的电流同相。可通过传感器34、36中的任何一个在充电器20处测量该压降。因此，通过传感器36测量的电压指示负载22的存在；通过传感器34测量的电压的改变指示负载22的存在。如果负载22包含无功部件，则通过传感器36测量的电压将与通过传感器34测量的电压不同相。因此，可从（5）（下面讨论）计算功率因子。

如果不存在负载22，则充电器20可通过以一定的速率充电而产生相同的压降，该压降使得电流通过中性线14、14′，该压降等于：

((R₁₄+R_14′)×I_充电器)/R₁₄ （4）

其中，R_14′是中性线14′的内阻，I_充电器是通过充电器20的电流（通过传感器38的电流）。

充电器20可以以一定的速率给储能单元24充电，该速率取决于是否检测到负载22的存在。例如，如果检测到负载22，则充电器20可以以600W的速率给储能单元24充电。如果未检测到负载22，则充电器可以以1200W的速率给储能单元24充电。在其他示例中，充电速率可与通过传感器36测量的电压相反地改变或与传感器34相关的电压的改变相反地改变。

如果充电器20工作且存在负载22，则由于这些组合负载而导致的无功功率部件将具有相关电流，可基于测量的电压36确定所述相关电流。由于这种成分的电流，使得在传感器36处测量的电压波形（V_NG）将与在传感器34处测量的电压波形（V_LN）不同相。如果充电器20被命令，以具有无功功率的负载工作，使得在传感器36处测量的电压波形与在传感器34处测量的电压波形基本上对齐，则在保险丝盒18处的功率将具有极少的无功成分或者没有无功成分。

从（4）得到，如果R_14′小于R₁₄，则修正V_NG的相位并使V_NG的相位与V_LN的相位对齐所需要的充电器电流将约等于上述示例的电流的幅度和相位，在上述示例中，充电器20不工作，因此，由于负载22而使得所有的负载电流通过中性线14。如果R_14′不小于R₁₄，则仍然可在保险丝盒18处观察到一部分无功功率。

微处理器32可基于来自传感器34、36的信息确定分配电路10的功率因子（因此，确定电压和电流之间的相位差）。例如，微处理器32可基于通过传感器34测量的电压波形的周期T以及通过传感器34，36测量的电压波形之间的相位差来确定功率因子。然而，还可以使用其他合适的技术。

为了获得T，例如，微处理器32可确定通过传感器34测量的电压波形的两个连续零交点之间的时间，将该时间乘以因子2。可选地，微处理器32可确定通过传感器34测量的电压波形的隔一零交点之间的时间。其他方案也是可行的。为了获得通过传感器34，36测量的电压波形之间的相位差，微处理器32可确定通过传感器34测量的电压波形的零交点和通过传感器36测量的电压波形的紧随其后的零交点之间的时间t。然后，微处理器32可获得分配电路10的功率因子，为：

PF=cos((t/T)×360) (5)

微处理器32可将该功率因子发送到PF控制的升压电路28。PF控制的升压电路28可控制获得的功率，以修正由于负载22而导致的无功功率（PF控制的升压电路28可采用在由Philip C.Todd于1999年编著的UNITRODE应用指南“UC3854控制的功率因子修正电路设计”中描述的电路的形式，或者任何其他已知和/或合适的形式）。例如，在信号被PF控制的升压电路28处理之前，通过使经由传感器38测量的电流增加数字或模拟领先/滞后（或者通过使经由传感器34测量的电压领先/滞后），可实现这样的控制。在本示例中，电流信号的滞后将在充电器20的输入处使功率因子产生对应的领先，PF控制的升压电路28将不再如最初计划那样在其输入处获得值为1的PF。相反，电流信号的领先将在充电器20的输入等处使功率因子产生对应的滞后。

例如，如果负载22是电机，则负载22通常将具有感抗X_l，这将导致滞后的功率因子。可设置等于容抗Xc的领先的功率因子，使得Xc≈X_l。对于这种近似的匹配，极少或没有无功功率将在线12和中性线14上流动，而是，无功功率将在线12′和中性线14′上流动。

如果已知了修正由于负载22而导致的无功功率所需要的无功功率，则PF控制的升压电路28可被控制，以产生需要的（互补的）无功功率。可选地，考虑到（4）及之前对于在传感器36处产生电流的电压的讨论，如果R_14′相对于R₁₄来说具有小值，则极少或没有无功功率将流过线12、中性线14及保险丝23，V_NG将与V_LN同相。即使R_14′具有较大值，当V_NG与V_LN同相时，流过线12、中性线14及保险丝23的无功功率也将减少。当然，如果已知了负载22的无功功率，则可直接计算并控制产生无功功率的电流。

输入到PF控制的升压电路28的控制信号可以基于在线12′、14′之间（整流的）电压，以及线14′、16之间的电压的幅度，当然，该电压的幅度与通过中性线14、14′的电流成比例。如普通技术人员清楚的，上述控制信号输入方案允许PF控制的升压电路28基本上修正分配电路10的功率因子，这不仅仅针对电池充电器20。

升压电路28可以以已知的方式测量来自桥式整流器26的整流后的AC电压，并以已知的方式控制通过其电感的电流i，使得i的幅度的瞬时值与线14′、16之间的电压的幅度的瞬时值成比例。

如果电池充电器20是分配电路10上的唯一负载，则线12将具有约为1的功率因子。由于电流i与线12上的AC电压成比例（电流i与线12上的AC电压同相），所以分配电路10的功率因子为1。然而，如果存在具有无功部件的附加负载（例如，负载22），则由于在上面讨论的控制输入方案，使得分配电路10也将在保险丝盒18处具有约为1的功率因子。

假设如上面讨论的，微处理器32获得分配电路10的功率因子，则微处理器32可控制PF控制的升压电路28，以产生无功功率，该无功功率足以等于由于负载22而导致的无功功率（且与由于负载22而导致的无功功率符号相反）。因此，通过PF控制的升压电路28产生的无功功率将抵消分配电路10的无功功率，并增加给定量的表观功率的实际功率。

从（2）和（3）得到，假设针对分配电路10的滞后的功率因子为0.8且表观功率为375VA，则实际功率约等于300W，无功功率约等于225VAr（在本示例中，电流滞后于电压）。因此，PF控制的升压电路28可操作以产生大约225VAr（电流领先于电压）的无功功率，并驱使表观功率到达300VA的值。因此，在未修正功率因子的负载（例如，在图1中示出的负载22）与分配电路10电连接的情况下，电池充电器20的操作可增加分配电路10传输功率的效率。在本示例中，分配电路10将需要提供120V、3.125A的功率，以提供375VA的功率。由于无功功率成分基本上消除，所以分配电路10将仅需要提供120V、2.5A的功率，以提供300W的功率。因此，在不改变流过保险丝23的表观电流的量的情况下，增加的0.6A的实际电流可被电池充电器20获得。

现在，参照图3（在图3中，相同的标号具有与图1类似的描述），电分配系统140包括电源125和多个电分配电路110n（110a、110b、110c等）。图3的电源125被构造成给分配电路110n供电。通过分配电路110n与分配系统140电连接的无功负载可导致领先或滞后的净无功功率。如上面讨论的，这种净无功功率可导致在分配系统140内功率传输的效率低下。

在图3的实施例中，电源125可能请求抵消（领先或滞后的）无功功率，该无功功率通过与参照图2描述的电池充电器类似的且与分配电路110n电连接的任何电池充电器产生/生成。在其他实施例中，电源125可能请求抵消通过其他合适控制的负载或增加的电源产生/生成的无功功率，从而能够根据请求，以与在此描述的电池充电器类似的方式修正分配电路110n的功率因子。例如，这样的负载或增加的电源可具有与图2的电池充电器20类似的结构和输入控制方案。

例如，电源125可包括无线发送器/收发器或调制器（用于电力线通信），以传输对于无功功率的这种请求（并从电池充电器接收信息，如下面解释的）。然而，可使用任何合适的信息传输技术。

现在，参照图3和图4（在图4中，相同的标号具有与图2类似的描述），电池充电器120的实施例可包括桥式整流器126、PF控制的升压调节器128、降压调节器130、微处理器132及收发器133。微处理器132与收发器133通信。电池充电器120还可包括电压传感器134、136及电流传感器138。

收发器133被构造成以已知的方式发送和/或接收无线信号。例如，收发器133可接收对（具有特定符号的）无功功率的请求/命令，所述请求/命令由电源125以已知的方式无线地发送。然后，这些请求/命令可发送到微处理器132，以进行处理。在其他实施例中，电池充电器120可包括HOMEPLUG类（或类似的）技术，以从电源125接收有线通信和/或将有线通信发送到电源125。如普通技术人员清楚的，这样的HOMEPLUG模块与电力线112′和返回线114′电连接。如本领域所公知的，HOMEPLUG信息以特定频率施加（supper-imposed）在AC线上。通过合适的电路，可在接收端读取该信息。

微处理器132可将请求/命令的无功功率用作目标，以将分配电路110n的无功功率“调节”该目标那么多。例如，如果需要总量为5VAr的无功功率（电流领先于电压）以基本上修正分配系统140的功率因子，且微处理器132使用在此描述的技术已经确定可通过充电器120产生1VAr（电流领先于电压），则微处理器132响应于来自电源125的对无功功率（电流领先于电压）的请求，（例如，如上面讨论的）可通过控制经由传感器138测量的电流的数字或模拟领先/滞后（或者经由传感器134测量的电压的领先/滞后），来控制PF控制的升压调节器128产生1VAr的无功功率（电流领先于电压），因此驱使分配电路110n的无功功率到达4VAr（电压领先于电流）。

微处理器132还可确定电池充电器120的容量，以使得特定的无功功率存在于分配电路110中，并通过（例如）收发器133将该信息传输到电源125。电源125可聚集来自与电分配系统140电连接的所有这样的电池充电器的这种信息，并因此（例如，基于聚集容量）发出针对无功功率的请求。

基于从（1）和（2）得到的分配电路110n的表观功率和功率因子，可获得实际功率和无功功率。然后，利用分配电路110n的额定功率/额定电流（例如，可假设额定功率/额定电流由用户输入或确定），可获得增加了的可用的无功功率。例如，如果实际功率和无功功率分别是10.6W和10.6VAr（电流领先于电压），且分配电路110n的额定功率是15W，则电池充电器120不能产生额外的领先的无功功率（电流领先于电压），这是因为从（2）得到，表观功率等于分配电路110n的额定功率。然而，普通技术人员将认识到，如果需要的话，电池充电器120仍然可产生滞后的无功功率。例如，如果实际功率和无功功率分别是0W和0VAr，且分配电路110n的可用额定功率是15W，则电池充电器120具有一定容量，以产生具有任何符号的15VAr的无功功率。

在特定实施例中，电源125可测量PF，并使用任何合适的技术确定电压是领先于还是滞后于电流，且向所有电池充电器广播命令，以产生（例如）具有与净无功功率的符号相反符号的1VAr的无功功率。然后，电源125可周期性地测量PF，并向所有电池充电器广播命令，以增加产生的无功功率（其符号与净无功功率的符号相反），直到分配系统140上的净无功功率已经基本上减少和/或消除。在其他实施例中，例如，在电源125和任何电池充电器120之间具有双向通信的实施例中，电源125可以以已知的方式请求各个电池充电器120（基于它们各自的容量）产生/生成不同量的无功功率，当然，条件是公布其容量的每个电池充电器还提供识别信息，该识别信息可将电池充电器与其他电池充电器区分开。其他控制情形也是可行的。

虽然在上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了由权利要求包括的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而不是限定性词语，并且应该理解到，在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下，可进行各种改变。如前面描述的，各个实施例的特征可被组合，以形成可能未被明确描述或说明的本发明的进一步的实施例。虽然各个实施例已经被描述为提供优点或相对于一个或多个期望的特性优于其他实施例或现有技术的实施方式，但是本领域的普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可进行折衷，以实现期望的整个系统属性（其取决于具体应用和实施方式）。这些属性可包括但是不限于：成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可用性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，相对于一个或多个特性被描述为比其他实施例或现有技术的实施方式更不令人期望的实施例不在本公开的范围之外，且可能在具体应用中是令人期望的。

Claims

1.一种车辆，包括：

牵引电池；

电池充电器，被构造成接收来自相隔较远的包括保险丝盒的电分配电路的电力，并且以响应于电池充电器检测到除了电池充电器之外的负载是否与在保险丝盒与电池充电器之间的电分配电路电连接而选择的速率给牵引电池充电。

2.根据权利要求1所述的车辆，其中，电池充电器还被构造成：如果除了电池充电器之外的负载与电分配电路电连接，则电池充电器以第一速率给牵引电池充电，以及如果除了电池充电器之外的负载未与电分配电路电连接，则电池充电器以大于第一速率的第二速率给牵引电池充电。

3.根据权利要求1所述的车辆，其中，电池充电器还被构造成检测除了电池充电器之外的负载是否与电分配电路电连接。

4.根据权利要求1所述的车辆，其中，电分配电路包括中性线和接地线，其中，电池充电器还被构造成基于中性线和接地线之间的电压来检测除了电池充电器之外的负载是否与电分配电路电连接。

5.根据权利要求4所述的车辆，其中，电池充电器还被构造成测量中性线和接地线之间的电压。

6.根据权利要求1所述的车辆，其中，电分配电路包括中性线和电力线，其中，电池充电器还被构造成基于中性线和电力线之间的电压的改变来检测除了电池充电器之外的负载是否与电分配电路电连接。

7.一种用于操作车辆的电池充电器的方法，电池充电器与远离车辆的包括保险丝盒的电分配电路电连接，所述方法包括：

响应于除了电池充电器之外的负载是否与在保险丝盒与电池充电器之间的电分配电路电连接，通过电池充电器选择充电速率；

以选择的充电速率给车辆的电池充电。

8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：检测除了电池充电器之外的负载是否与电分配电路电连接。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，电分配电路包括中性线和接地线，所述方法还包括：测量中性线和接地线之间的电压，并基于所述电压来检测除了电池充电器之外的负载是否与电分配电路电连接。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，电分配电路包括中性线和电力线，所述方法还包括：测量中性线和电力线之间的电压，并基于所述电压的改变来检测除了电池充电器之外的负载是否与电分配电路电连接。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，在除了电池充电器之外的负载未与电分配电路电连接的情况下的速率大于在除了电池充电器之外的负载与电分配电路电连接的情况下的速率。