CN103347731B - 用于机动车中的电储能器的充电设备 - Google Patents

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Abstract

用于机动车（1）的充电设备，其中，机动车设置有电储能器（2）、直流电压转换器（3）以及到外部第一交流电网（5）的用于对电储能器充电的有线连接的第一接口（4）并且设置有到外部第二交流电网（7）的用于对车辆的电储能器充电的电感性第二接口（6），并且其中，直流电压转换器的输出功率用作为电储能器的充电功率并且直流电压转换器的输入端能够经由第一接口和第二接口来馈送电功率。

Description

用于机动车中的电储能器的充电设备
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的充电设备，其中机动车设置有电储能器、直流电压转换器以及到外部第一交流电网的、用于对电储能器充电的、有线连接的第一接口。
背景技术
保护资源以及气候和环境友好的车辆设计的基础是混合动力和电动车辆形式的现代机动车中的驱动装置的电气化。电气化的动力总成系统的主部件是高性能的电储能器。基于当前的发展，为此提供具有在高压范围内的电压水平的以锂离子技术实现的辅助电池。在也被称作为插座式(Steckdoesen)混合动力车辆的插电式(Plug-in)混合动力车辆中并且在纯电动车辆中，电储能器不仅借助在车辆中生成的电功率来充电，而且也借助外部源的电功率来充电。外部充电能够以电容性或者电感性的方式进行。在电容性的充电技术中，电充电功率以有线连接的方式通过金属线路来传输。在电感性的充电技术中，充电功率也在行驶期间通过电磁感应来传输。
在车载电网架构的设计方案中要考虑外部的充电基础设施。这从现有技术中得知。在文献EP 0 116 925 A2中描述一种车载的电池充电设备，以便在车辆静止状态期间从外部的交流电网对电动车辆的电池从交流电网进行充电。在文献EP 0 610 258 B1中，阐明用于在直流充电站处对电动车辆的电池进行充电的示意性车载电网架构。电动车辆在行驶期间的电感器的电池充电的原理在文献US 5 311 973 A中描述。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于在机动车中的电储能器的改进的充电设备。
根据本发明，充电设备具有到外部第二交流电网的、用于对车辆的电储能器充电的、电感性的第二接口。直流电压转换器的输出功率用作电储能器的充电功率并且直流电压转换器的输入端能够经由第一接口和第二接口来馈送电功率。
本发明的特别的优点是：在机动车的静止状态中能够经由第一接口和/或第二接口对电储能器充电。第一接口和第二接口具有至直流转换器的共同的连接部，用于同时充电。如果仅提供外部第一交流电网 (下面称作交流充电)或者仅提供外部第二交流电网(下面称作感应充电)，那么储能器也能够在静止状态下被充电。
在此特别有利的是具有仅一个直流电压转换器的低成本的车载电网架构，所述直流电压转换器设定储能器上的充电电压。在三种充电运行方式(交流充电、感应充电、同时交流和感应充电)情况下，电功率被引导至直流电压转换器的功率输入端。
此外，在行驶中得到本发明的另一优点。充电设备允许也在行驶运行期间进行电池充电。在该情况下，车辆的储能器经由第二接口、即电感性的接口充电，因为经由电磁感应即使在车辆运动时也进行功率传输。
根据本发明的一种优选的实施形式，充电设备具有到外部直流电压源的、用于对电储能器充电的、有线连接的第三接口。直流电压转换器的输入端能够经由第三接口馈送电功率。
在该实施形式的范围内，能够借助连接在辅助电池上游的直流电压转换器实现其他的充电运行方式。在机动车静止状态中，借助充电设备的该实施方案能够经由第三接口在例如直流充电柱或者直流充电站的直流电压源处对储能器充电(下面还称作直流充电)。
借助该充电设备能够将直流充电同时与交流充电组合。另一组合由直流充电与同时的感应充电组成。直流充电也能够与交流充电和感应充电同时地进行，使得将电功率经由第一接口、第二接口和第三接口提供给直流转换器用以对电池充电。
根据本发明的一个改进形式，充电设备的直流电压转换器设计为，使得直流电压转换器的输入功率的标称范围的下限至少对应于下述功率，所述功率为来自三个接口的三个最大输出功率的量的最低功率。直流电压转换器的输入功率的标称范围的上限的设计最多对应于三个接口的最大输出功率之和。
经由三个接口中的每一个能够将最大值的电功率提供给直流电压转换器用以对电池充电。所述值称作接口的最大输出功率。来自三个接口中的具有最小的最大输出功率(或者如果偏离最大输出功率，就为在充电运行中通常出现的最小输出功率)的量的接口对于直流电压转换器的设计而言是重要的，因为所述最小的最大输出功率(或者通常出现的最小的输出功率)的值不低于直流电压转换器的输入功率的标称范围的下限。根据所述实施形式的直流电压转换器的设计具有下述优点：如果经由三个接口中的一个来单独地进行充电，那么充电设备实现能量有效的并且尽可能迅速地对储能器充电。与涉及三个接口中的哪一个无关地，直流电压转换器工作在有利的工作点中，这表示有最佳的效率。有利的工作点的特征在于其位于直流电压转换器的输入功率的标称范围之内。在外部的充电基础设施提供这样少量的电功率或者电储能器具有这样低的充电容量使得在经由单个接口来单独地充电时较低的功率作为该接口的最大输出功率达到直流电压转换器，直流电压转换器可能地在输入功率在其输入侧的标称范围之内的情况下工作。然而，该工作点也位于直流电压转换器的工作范围中，因为直流电压转换器的工作范围包括在标称范围以下的功率范围。
根据该实施形式，直流电压转换器的输入功率的标称范围的上限最多对应于三个最大输出功率之和。如果直流电压转换器的输入功率的标称范围的上限刚好对应于三个最大输出功率之和，那么确保：如果储能器同时经由全部三个接口充电并且相应的最大输出功率经由三个接口中的每一个达到直流电压转换器，那么直流电压转换器位于有利的工作点。
优选地，该充电设备实施为，使得针对最高1000伏特的最大充电电压设计电储能器。针对最高500伏特的外部第一交流电压的有效值设计第一接口。针对最高3000伏特的最大感应电压设计第二接口并且针对最高1000伏特的外部直流电压设计第三接口。
所述实施形式具有特别的优点。充电设备能够经由第一接口和第二接口与全球最广泛使用的交流电网(尤其是达到240伏特的50/60 赫兹的单相电网和达到480伏特的50/60赫兹的三相电网)耦合用以对储能器充电。关于电气设计，充电设备能够经由第三接口不仅与调节的直流充电站或者未调节的直流充电站或者直流电网耦合而且还直接地耦合到电储能器上。通过该特殊的实施形式确保，充电设备具有对预计提供给车辆用户的外部充电基础设施的高兼容性并且在此确保高充电效率。除了充电效率之外，充电效率的概念也涉及充电功率。在高充电功率的情况下的高充电效率表现于短充电时间，以便将确定的充电量充到储能器中。短充电时间、即高充电效率在此是特别有利的。
本发明基于下面描述的考虑：
在插电式混合动力或电动车辆中的电储能器的充电常规电容性地、这就是说，有线连接地执行。为了为用户简化充电过程，当前开发用于无线缆的能量传输的方法。充电技术称作感应充电并且基于：例如通过安置在地面中的线圈通过电磁感应将能量传输到安置在车辆上的第二线圈。
在交流源处的、例如在一般的家用电网端子处的感应性充电的情况下，在车辆中对充电电流进行整流。电压匹配于电储能器的充电电压。为此，使用实施为AC-DC转换器的在车辆内的充电设备。充电设备粗略简化地由两个部件、即整流器和DC-DC转换器构成。
电感性充电也能够在外部直流源处、例如在充电站处进行。为了对存储器最佳地充电，必须在车辆侧保持用于电压匹配的DC-DC转换器。
在感应充电的情况下，在车辆侧的线圈上产生高频的交流电压。所述交流电压在线圈附近被整流，以便降低电磁辐射。接下来，该电压在DC-DC转换器中根据来自电池控制装置的预给定来改变。
对于将电容性交流电压充电技术、电容性直流电压充电技术和感应充电技术一起组合，在车载电网中除了相应的端子系统之外需要不同的部件。简化而言，对于电容性交流电压充电技术需要具有DC-DC 转换器的AC-DC转换器、对于电容性的直流电压充电技术需要 DC-DC转换器，以及对于感应充电技术需要具有整流器和DC-DC转换器的线圈。尤其，三个转换器引起高的成本并且要求几何的结构空间。
通过将在充电设备中用于借助电容性交流电压充电技术充电的 DC-DC转换器设计并且将尺寸确定为使得在用于电容性直流电压充电技术的支路中的电压转换和在用于电容性直流电压充电技术的支路中的电压转换在DC-DC转换器的相同的输入端处被一同采用，而能够实现所需要的车载电网拓扑结构的显著的简化和有效的成本下降。充电设备中的DC-DC转换器的技术上的价格提高与两个另外的 DC-DC转换器的节约对立，这表现为成本和结构空间方面的优点。此外，能够使用简化的线缆束。
附图说明
以下借助所附的附图来描述本发明的优选的实施例。从中得出本发明的其他细节、优选的实施形式和改进方案。示意性详细示出
图1示出用于机动车中的电储能器的充电设备的框图。
具体实施方式
图1示意性地示出电动车辆的或者插电式混合动力车辆1的车载电网架构。通过电储能器2为车辆的驱动装置提供电功率或者为对用电器供电提供电功率。储能器例如构成为锂离子技术的辅助高压电池并且针对最高1000伏特的最大充电电压而设计。通过由一个或多个外部的功率源将电功率传输到车辆中的方式能够进行电池的充电。储能器的充电通过连接在电池上游的直流电压转换器3进行。
为了能够从外部对电池充电，车载电网架构具有到外部的第一交流电网5的第一接口4。第一接口以有线连接的方式实施，这就是说，以机械和电的方式实施为第一插头10与第一插座11之间的插座连接。第一接口针对最高500伏特的外部的第一交流电压的有效值而设计。来自外部的第一交流电网的交流电压由连接在第一接口下游的第一整流器12整流成直流电压。中间回路电容器19 连接在第一整流器下游，用于平滑直流电压。被平滑的直流电压施加在直流电压转换器的输入端上。
到外部的第二交流电网7的第二充电接口6基于电磁感应的原理。第二接口具有接收线圈13，其中，在接收线圈上能够通过外部的、电流流过的励磁线圈14感应交流电压。外部的第二交流电网对励磁线圈进行馈电。经由电压和频率变换器24使外部的第二交流电网的电网电压和电网频率匹配于第二接口。第一充电接口和第二充电接口能够由相同的外部交流电网或者由不同的交流电网来馈电。在车辆的接收线圈中感应的交流电压降落在与接收线圈并联的振荡电路电容器15上并且由连接在下游的第二整流器16整流成直流电压。所述直流电压能够通过连接在下游的电感性器件23和中间回路电容器20平滑并且施加在直流电压转换器的输入端上。第二接口针对最高3000伏特的最大感应电压来设计。经由到外部的直流源9的第三接口8能够对直流充电站处的储能器充电。到外部的直流电网的第三接口以机械和电的方式实施为第二插头17与第二插座18之间的有线连接的插座连接。通过插接连接将外部直流电压施加在直流电压转换器的输入端上。经由第三接口与直流电压转换器的输入端之间的中间回路电容器21能够平滑外部直流电压。第三接口针对最高1000伏特的最大外部直流电压来设计。
充电设备具有用于调节和监控电池充电过程的充电电子装置22。充电电子装置具有到机动车的车载数据网的(尤其到直流电压转换器和到电储能器的)双向数据接口，以便交换电储能器的、直流电压转换器的和三个接口的控制量、调节量和检验量。
第一插座和第二插座是机动车的组成部分。第一插头和第二插头是机动车的第一接口和第二接口的功能组成部分。几何结构上，两个插头分别经由充电线缆与外部充电基础设施连接。可替选地，第一接口和第二接口也能够以有线连接的方式实施，使得插头和插座以结构上交换的方式实施。在该情况下，分别具有充电线缆的两个插头是机动车的结构上的组成部分并且两个插座是外部的充电基础设施的组成部分。
例如，也能够在外部的第一交流电网上实施交流充电，使得属于车辆的充电线缆利用实施为Schuko插头的第一插头连接在家用电网上。第一插头也能够与所谓的暗线箱兼容地实施，暗线箱能够连接到家用电网上。交流电网充电站称作为暗线箱，所述交流电网充电站与常用的家用电网相比实现更高的充电功率并且实现更短的充电时间。
图1中的充电设备允许储能器在车辆静止状态下有不同的充电运行方式。经由第一接口对电池充电称作为交流充电。经由第二接口对电池充电称作为感应充电。经由第三接口对电池充电称作为直流充电。充电运行方式能够单独地和组合成一个充电过程来应用。通过适当地设计直流电压转换器，在充电过程期间能够应用三种充电运行方式构成的全部组合。这包括四种另外的充电运行方式，即交流充电同时带有直流充电、交流充电同时带有感应充电、直流充电同时带有感应充电以及交流充电同时带有直流充电和同时的感应充电。
直流电压转换器的适当的设计涉及三个接口和电储能器的设计。三个接口中的每一个通过其设计具有最大输出功率。所述三种输出功率中的最小输出功率至少对应于直流电压转换器的输入功率的标称范围的下限。如果电池在充电过程中经由在最大功率中的一个接口被单独地充电，那么由此确保：直流电压转换器在有利的工作点中、即以低的损耗功率且高的效率运行。
直流电压转换器的输入功率的标称范围的上限最高对应于三个接口的三个最大输出功率之和的值。在三个最大输出功率之和的情况下设计直流电压转换器的输入功率的标称范围的上限确保，在经由全部三个接口对储能器同时充电并且三个接口的输出功率分别为最大的情况下，直流电压转换器在有利的工作点中运行。
在车辆行驶期间，仅执行感应充电的充电运行方式，因为第二接口以非有线连接的方式实施。通过电磁感应传输充电功率允许接收线圈相对于励磁线圈相对运行。为了在行驶期间对电动车辆或者插电式混合动力车辆进行充电，励磁线圈构成为多个线圈的系统。在充电过程期间在这些线圈与接收线圈之间分别在不同的时刻出现最大的电磁相互作用。
附图标记列表
1. 机动车
2. 电储能器
3. 直流电压转换器
4. 有线连接的第一接口
5. 外部的第一交流电网
6. 感应的第二接口
7. 外部的第二交流电网
8. 有线连接的第三接口
9. 外部的直流电压源
10. 第一插头
11. 第一插座
12. 第一整流器
13. 接收线圈
14. 励磁线圈
15. 振荡回路电容器
16. 第二整流器
17. 第二插头
18. 第二插座
19. 中间回路电容器
20. 中间回路电容器
21. 中间回路电容器
22. 充电电子装置
23. 电感性器件
24. 电压和频率变换器

Claims (3)

1.一种用于机动车(1)的充电设备，其中，所述机动车设置有电储能器(2)、直流电压转换器(3)以及到外部第一交流电网(5)的、用于对电储能器充电的、有线连接的第一接口(4)，
其特征在于，
-所述充电设备具有到外部第二交流电网(7)的、用于对机动车的电储能器充电的、电感性的第二接口(6)，并且
-所述充电设备具有到外部直流电压源(9)的、用于对电储能器充电的、有线连接的第三接口(8)，并且
-所述直流电压转换器的输出功率用作为所述电储能器的充电功率，并且所述外部第一交流电网的电功率能够经由所述第一接口馈送给所述直流电压转换器的输入端，所述外部第二交流电网的电功率能够经由第二接口馈送给所述直流电压转换器的输入端，并且所述外部直流电压源的电功率能够附加地经由所述第三接口馈送给所述直流电压转换器的输入端，
其中，所述直流电压转换器能够经由所述第三接口并且同时经由所述第一接口和/或第二接口被馈送电功率，从而所述第三接口的最大输出功率能够同时与所述第一接口和/或第二接口的最大输出功率提供给所述直流电压转换器以对所述电储能器充电，并且所述第三接口的最大输出功率能够不同于所述第一接口和/或第二接口的最大输出功率。
2.根据权利要求1所述的充电设备，其特征在于，
-所述直流电压转换器设计为，使得所述直流电压转换器的输入功率的标称范围的下限至少对应于如下功率，即所述功率为来自三个接口的三个最大输出功率的量中的最低功率，并且
-所述直流电压转换器设计为，使得所述直流电压转换器的输入功率的标称范围的上限最多对应于三个接口的最大输出功率之和。
3.根据权利要求1所述的充电设备，其特征在于，
-针对最高1000伏特的最大充电电压设计所述电储能器，
-针对达到最高500伏特的有效交流电压设计所述第一接口，
-针对达到最高3000伏特的感应电压设计所述第二接口，并且
-针对达到最高1000伏特的直流电压设计所述第三接口。
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