CN103209857B - 用于电池的充电器、多个耦合充电器及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电动车辆的电池的充电器网络，包括第一功率连接件，用于与电源交换功率；功率转换器，用于将来自电源的功率转换为用于给电动车辆充电的充电电流合适值；第二功率连接件，用于与车辆交换功率；至少一个第三功率连接件，用于与另一个充电器交换功率；耦合到功率转换器、第二功率连接件和至少第三连接件的可控功率开关，用于至少控制开关的控制器，其被构造为当车辆将从电源被充电时将功率转换器连接到第二功率连接件，当功率传递到另一个充电器时将功率转换器连接到该至少一个第三功率连接件，以及当来自另一个充电器的功率传递到车辆时将该至少一个第三功率连接件连接到第二功率连接件。

Description

用于电池的充电器、多个耦合充电器及操作方法

技术领域

本发明涉及一种用于电动车辆的电池的充电器，多个所述类型的耦合充电器，和操作这些充电器的方法。

背景技术

当建立用于使多个电动车辆启动的充电站时，需要做出有关需要可用电池充电器可用的充电功率的决定。当充电需求增长时，对更大功率的充电器的需求随着增长。这里，目标可以是在充电站的每个端口处能提供最佳的充电服务给每个车辆。结果，每个充电器可以被定尺寸成使得其能够操纵在操作条件下可被预见的最大的充电功率。然而实际上，这意味着充电器超过大多数待充电车辆所需的尺寸。

其实例是美国专利申请US2004189251，描述了一种模块化充电器—不特别用于电动车辆—其可以被提供有额外的功率转换器以增加其功率。

国际专利申请WO0197360提出了不同的解决方案，其描述了一种多个充电器的结构，其中两个充电器的功率输出可以将功率传递给不同的车辆或同时给相同的车辆。

本发明的目的是提供一种用于电动车辆的电池的充电器，同时克服现有技术的以上缺点。

发明内容

根据本发明，提出了一种用于电动车辆的电池的充电器网络，每个充电器包括：第一功率连接件，用于与电源交换功率；功率转换器，例如用于将来自电源的功率转换为用于给电动车辆充电的充电电流合适值；至少一个第二功率连接件，用于与车辆交换功率；和至少一个第三功率连接件，用于与另一个充电器交换功率；充电器构造为当车辆将从电源被充电时运送功率给第二功率连接件，和/或当功率传递到另一个充电器时运送功率给该至少一个第三功率连接件，和/或当来自与第三功率连接件耦合的另一个充电器的功率传递到车辆时将来自该至少一个第三功率连接件的功率运送给第二功率连接件。

这里需要强调的是功率实际上可以是正的或负的，因此车辆还可以被放电以将功率通过转换器传递到电源。功率连接件可以装备有多个连接器和适配器，以便于例如车辆与不同物理功率连接件的耦合。

以上充电器能够与电源、待充电车辆和另一功率转换器交换能量。在常规使用期间，与电源的交换本质上可以是在从电源到充电器、以及从充电器到车辆电池或到另一充电器(并且于是也间接地到车辆电池)的方向上。于是，可以从另一充电器获得额外的功率并将该额外的功率传递到电池，或功率可以传递到另一充电器。为了这一目的，功率可以以这样的方式被运送，即，多个功率流同时存在。那么给电池充电、传递功率本质上意味着控制流向电池的电流，因为电压由电池确定。

总之，本发明使得将充电器连接在一起以形成具有多个充电连接件的更大功率的充电系统成为可能的。

在实际实现中，充电器可以包括可控功率开关，其耦合到来自功率转换器、第二功率连接件和该至少第三连接件的组中的至少两个，和通过控制开关运送功率的控制器，其构造为执行下述中的至少一个：当车辆从电源被充电时将功率转换器连接到第二功率连接件、当功率传递到另一个充电器时将功率转换器连接到该至少一个第三功率连接件、和/或当来自另一个充电器的功率传递到车辆时将该至少一个第三功率连接件连接到第二功率连接件。功率开关可以是能够以任何方式被控制的电开关装置，例如手动操作电开关、继电器、半导体装置、晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、固态继电器、簧片开关、晶闸管或(光电子)三端双向可控硅开关元件。

由于从属于耦合充电器的邻近功率转换器获得部分转换功率的可能性，功率转换器不需要过多提及，但是其可以被定尺寸以便供常规车辆使用。作为实例，其可以是10kW。当充电器耦合到另一车载10kW功率转换器时，20kW的总功率可以通过第二功率连接件传递到车辆。另一极端的情况能够将10kW的全部数量传递到邻近的充电器。很明显，当多于三个的连接件可用且多个充电器相互耦合时可以获得较高的倍数。

在实施例中，第二和至少一个第三功率连接件中的至少一个和/或与它们耦合的电缆被定尺寸以引导至少多倍于功率转换器可转换的功率。这使得能够使用多个相似或相同的充电器，当需要时其可以全部用于对一个车辆充电。

在实施例中，每个充电器的第一功率连接件可以从诸如公用电网连接件、可再生电源、发电机的电源、或诸如电池、电容器或飞轮的能量存储装置获得其功率。在另一个实施例中，其中多个充电器彼此连接，每个充电器可以具有连接到其第一功率连接件的不同电源。

在一些实施例中，功率转换器可以是双向转换器，能够使能量从车辆流到电源连接件中的一个。这种结构能够允许通常被称作“车辆-至-电网”的功能，但是其也可以用于从其中一个车辆电池为固定电池充电。

充电器的控制器还可以构造为基于从来自具有待充电电池的车辆、耦合到该充电器的另一个充电器、其它电源的电网或远程控制装置的组的至少一个获得的信息来控制开关。为了该目的，可以提供通信装置，例如第二功率连接件可以包括用于与车载车辆-、电池-或发动机控制系统通信的通信线路，其可以提供(最大)充电电流、最大可用充电时间等等。

充电器可以被提供有通信网络连接器，以彼此通信。耦合到车辆的充电器可以例如基于与车辆的通信确定需要多少功率在预定时间内给车辆充电，且然后当功率要求超过其转换器的功率时为了额外功率而请求一个或多个邻近充电器。此外，电网可以提供关于可用功率的信息或提供对可用功率的限制。另一个可能性是充电器装备有用于远程通信例如无线或因特网通信的装置以被控制或被提供有关于来自中央控制中心的功率需求的数据。

如果例如彼此连接的充电器中的一个不具有上述通信装置中的一个，则通信装置可以在充电器之间被共用。例如当四个充电器彼此连接时，且仅仅一个充电器具有因特网连接时，该连接可以通过与至少一个第三功率端口相关联的通信被其它充电器共用。

在实施例中，控制器构造为将第一功率连接件连接到第二功率连接件以使得能够利用车载充电器直接从电源为车辆的电池充电。除了能够利用车载充电器为车辆充电以外，这还给出了使用充电器的功率转换器将功率传递到耦合到第三或更多个功率连接件的另一充电器的机会。

为了调整传递到车辆或另一充电器的额定功率和功率的波形，功率转换器还可以耦合到控制器，以便控制所需的输出功率和形式。这里，用于控制开关的控制器和控制功率转换器的控制器被集成，并且例如由常见的微处理器具体实施。

使用根据本发明的充电器，可以得到多个有利的实施例。另外，多个充电器可以均耦合到电源且通过借助它们的至少一个第三功率连接件相互互连而一起形成模块化充电节点系统。依赖于该事实，如果存在三个或更多个功率连接件，可以得到不同的互连。几个实例将在下面被更详细描述。

当充电器被提供有仅仅第三功率连接件以与另一个充电器连接时，所有充电器的这些第三功率连接件可以具有公共的连接，由此形成功率总线或星形连接。可以应用于这种结构的充电器的数量可以是两个或更多个。当使用两个充电器时，在这些充电器之间可以提供直接通信线，且当使用增长数量的充电器时，可以提供以太网或类似IP的通信。

当每个充电器具有至少两个第三功率连接件时，模块化充电节点系统可以被环形耦合，即，每个充电器耦合到两个相邻的充电器。该实施例具有的优点是，当其中一个连接件断开时由此所得到的结构对中断不太敏感，因为充电器可以在该情况下从其余的其它连接件接收或传递功率。

在另一个实施例中，每个充电器具有多个第三功率连接件，且模块化充电节点系统通过相互连接多个充电器的第三功率连接件而被形成。所得到的结构是网形，其中所有或基本上所有的充电器直接彼此连接，导致非常高的可靠性。

在另一个实施例中，充电系统装备有用于在充电线缆或连接每个顺序充电器的第三功率端口的线缆中发生的损失(如电压降低)的解决方案。这些解决方案的例子是大直径线缆，或更复杂的，具有控制器的系统，其能够控制功率转换器以补偿在每个线缆中的电压降低。这种系统在每个独立充电器之间的距离大的情况下或当许多充电器连接在一起时是特别有利的。

在另一个实施例中，充电器装备有用于测量通过例如第一功率连接件、第二功率连接件或第三功率连接件传输的电能量的量的至少一个系统。这样，由多个充电器构成的系统可以装备有多个能量测量装置或方法。

附图说明

作为具体实施例的实例，第一功率连接件和功率转换器可以物理地位于系统的一个隔离舱内，而第二功率连接件和第三功率连接件可以位于另一个隔离舱内。本发明不限于特定的物理布置，因为存在多种布置该系统的可能性。现在将参考下面的附图更详细地解释本发明。其中：

图1a-1d示出了充电器的实施例的示意性概图；

图2示出了互连的充电器的第一种结构；

图3示出了互连的充电器的第二种结构；

图4示出了互连的充电器的第三种结构。

具体实施方式

图1a示出了根据本发明的充电器的实施例1的示意性概图。充电器包括第一功率连接件2，用于与电源交换功率，如干线，但是这里可以使用任何其它源，包括太阳能源或风能源。此外，功率转换器由可控AC/DC转换器3通过微控制器4形成。第二功率连接件5是可用的，用于与车辆(未示出)交换功率。还示出了用于与另一个充电器交换功率的第三和第四功率连接件6、7，形成被包含在充电器中被称为功率集线器的一部分，且其包括可控功率开关8。控制器4还用于控制9开关8，特别是当车辆从电源被充电时用于将功率转换器连接到第二功率连接件，当功率传递到另一个充电器时将功率转换器连接到至少一个第三功率连接件，且当来自另一个充电器的功率传递到车辆时将至少一个第三功率连接件连接到第二功率连接件。

如图1a所示，开关8可以是多极开关。电流线连接到正确操作、安全和/或遵守充电标准所需的额外的部件(在这种情况下是具有紧急按钮的断路器10、保险丝12、二极管11、电流传感器13、电压传感器14和隔离监视器15)。此外存在网络连接件16，以及将辅助电源耦合到充电器的可能性，用于直接从其对车辆充电。存在用户接口18以向给车辆充电的人提供信息。最后，存在第二二极管19以保护充电器免受来自车辆的过电流，和测量单元20以在车辆连接处进行测量。

图1b示出了一个实施例，其中第二功率连接件5直接耦合到车辆且仅仅第三功率连接件6通过开关耦合到相邻充电器的第四功率连接件7。车辆包括通过车辆管理系统管理的其自身的开关。

图1c示出了一个实施例，其中充电器被耦合。在充电器之间的连接通过在充电连接处车辆的存在而被控制。开关通过车辆的存在而被打开。车辆将仅仅连接到其连接的充电器和在其左边的充电器。例如车辆的存在可以通过开关、或者电压的存在或不存在、连接器上的电流或电阻而被检测。例如车辆可以向开关供给功率以打开它。

图1d示出了另一个实施例，在充电连接中使用二极管，以便在车辆存在时开关不需要立即打开。当两个车辆以不同的电压连接到充电系统时，二极管将防止较高的电压电池的放电。代替地，充电系统的所有功率将流入具有最低电压的电池。可选的开关将通过分开两个充电器提供为较高电压电池充电的机会。

图1e示出了本发明的实施例，其中充电器直接彼此连接。充电策略可以是顺序系统，其中每个车辆依次接收充电器的组合功率。另一个充电策略可以是具有最低电压的电池被充电到具有第二最低电压的电池水平。然后两个最低电压电池被并行充电，直到它们达到下一个电池电压的电压为止，其依次被连接。

图2示出了互连的充电器1a-1d的第一种结构，如图1中的充电器1，但是仅仅具有第三功率连接件6a-6d。第三功率连接件6a-6d互连，且形成功率总线22。四个第二功率连接件5a-5d中的三个与车辆23a-23c耦合。充电器1c的功率转换器可以用来向车辆23a-c中的一个或多个提供转换功率以对它们的车载电池充电。

图3示出了实施例24，其中充电器1a-1d均被提供有用于其它充电器的第三和第四功率连接件6a-6d、7a-7d。第三功率连接件6a-6d分别耦合到邻近充电器的第四功率连接件7a-7b。两个车辆23a和23b耦合到第二功率连接件5b、5d。

图4示出了另一个实施例27，其中充电器1a-1d被提供有至所有相应的其它充电器的三个功率连接件6a-6d、7a-7d、26a-26d。车辆23a-23d被耦合到的充电器的相应第二功率连接件给它们的电池充电。

Claims (16)

1.用于电动车辆的充电器网络，每个充电器包括：

第一功率连接件（2），用于与电源交换功率；

功率转换器（3），用于将来自电源的功率转换为用于给电动车辆充电的充电电流合适值；

至少一个第二功率连接件（5），用于与车辆交换功率；

至少一个第三功率连接件（6），用于与另一个充电器交换功率；

充电器被构造为当车辆将从电源被充电时将功率运送到第二功率连接件（5），和/或当功率传递到另一个充电器时将功率运送到该至少一个第三功率连接件（6），和/或当来自耦合到第三功率连接件（6）的另一个充电器的功率传递到车辆时将来自该至少一个第三功率连接件的功率运送到第二功率连接件（5），

其中：

每个充电器通过其第一功率连接件连接到不同电源，以及

与充电器一起通过借助它们的至少一个第三功率连接件互相连接形成充电节点系统，

其特征在于，

充电器中的至少一个包括可控功率开关（8），其耦合到来由自功率转换器、第二功率连接件和至少一个第三功率连接件构成的集合中的至少两个；

通过控制可控功率开关（8）运送功率的控制器，其构造为执行下述中的至少一个：

当从电源给车辆充电时，将功率转换器连接到第二功率连接件（5）；

当功率传递到另一个充电器时，将功率转换器连接到该至少一个第三功率连接件（6）；

当来自另一个充电器的功率传递到车辆时，将该至少一个第三功率连接件连接到第二功率连接件，其中控制器构造为基于从具有待充电电池的车辆获得的信息运送功率。

2.根据权利要求1所述的充电器网络，其中充电器的第三功率连接件具有公共连接，由此形成功率总线。

3.根据权利要求1所述的充电器网络，其中功率转换器在无需另一功率转换器的介入的情况下直接耦合到第一、第二和第三功率连接件和/或可控功率开关。

4.根据权利要求1所述的充电器网络，其中控制器还可以构造为将来自第一功率连接件的功率运送到该至少一个第二功率连接件，以使得能够利用车载充电器直接从电源为车辆的电池充电。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的充电器网络，其中功率转换器还耦合到用于控制所需的输出功率和波形的控制器。

6.根据权利要求5所述的充电器网络，其中控制可控功率开关的控制器和控制所需的输出功率和波形的控制器被集成为一体。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的充电器网络，装备有用于远程通信的装置，以便被控制或被提供有关于来自中央控制中心的功率需求的数据。

8.根据权利要求7所述的充电器网络，其中所述远程通信是无线通信。

9.根据权利要求7所述的充电器网络，其中所述远程通信是因特网通信。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的充电器网络，每个充电器耦合到电源并通过借助这些充电器的至少一个第三功率连接件相互互连来一起形成模块化充电节点系统。

11.根据权利要求3至4中任一项所述的充电器网络，其中充电器的第三功率连接件具有公共连接，由此形成功率总线。

12.用于电动车辆的充电器网络，每个充电器包括：

第一功率连接件（2），用于与电源交换功率；

功率转换器（3），用于将来自电源的功率转换为用于给电动车辆充电的充电电流合适值；

至少一个第二功率连接件（5），用于与车辆交换功率；

至少一个第三功率连接件（6），用于与另一个充电器交换功率；

其中：

每个充电器通过其第一功率连接件连接到不同电源，以及

与充电器一起通过借助它们的至少一个第三功率连接件互相连接形成充电节点系统，其中每个充电器具有至少两个第三功率连接件（6），且模块化充电节点系统被环形耦合，

其特征在于，

每个充电器包括：

可控功率开关（8），其耦合到来自由功率转换器、第二功率连接件和至少一个第三功率连接件（6）构成的集合中的至少两个；

通过控制可控功率开关运送功率的控制器，其构造为执行下述中的至少一个：

当从电源给车辆充电时，将功率转换器连接到第二功率连接件；

当功率传递到另一个充电器时，将功率转换器连接到该至少一个第三功率连接件（6）；

当来自另一个充电器的功率传递到车辆时，将该至少一个第三功率连接件（6）连接到第二功率连接件（5），其中控制器构造为基于从具有待充电电池的车辆获得的信息运送功率。

13.根据权利要求12所述的充电器网络，其中每个充电器具有多个第三功率连接件，且模块化充电节点系统通过相互连接多个充电器的第三功率连接件而被形成。

14.根据权利要求12或13所述的充电器网络，其中功率转换器在无需另一功率转换器的介入的情况下直接耦合到第一、第二和第三功率连接件和/或可控功率开关。

15.用于操作根据前述任一权利要求所述的用于电动车辆的充电器网络的方法，包括：

当车辆将从电源被充电时，将功率转换器连接到第二功率连接件；

当功率传递到另一个充电器时，将功率转换器连接到该至少一个第三功率连接件；

当来自另一个充电器的功率传递到车辆时，将该至少一个第三功率连接件连接到第二功率连接件。

16.根据权利要求15所述的方法，包括：

经由到待充电车辆的第二功率连接件来引导多倍于通过一个功率转换器可转换的功率。