CN103688440A - 用于对电储能器充电的充电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对电储能器（20）充电的充电装置（10），其具有第一和第二输入电压端子（12，14），用于将充电装置（10）连接到交流电压源；第一和第二输出电压端子（16，18），用于将充电装置（10）连接到要充电的储能器（20）；整流器电压变换电路（22），其在输入侧与输入电压端子（12，14）连接并且在输出侧与第一和第二中间回路电压端子（24，26）连接，并且被构造用于在中间回路电压端子（24，26）之间提供中间回路直流电压（UZK）；直流电压变换电路（32），其在输入侧与中间回路端子（24，26）连接并且在输出侧与充电装置（10）的输出电压端子（16，18）连接，其中直流电压变换电路（32）被构造用于在输出端子（16，18）处提供输出直流电压（UO）和输出直流电流（IO），其中中间回路直流电压（UZK）能够通过整流器电压变换电路（22）来调整，以便调整由输入电压端子（12，14）向输出电压端子（16，18）或要充电的储能器（20）传输的电功率（P）。

Description

用于对电储能器充电的充电装置及方法

技术领域

本发明涉及用于对电储能器充电的充电装置，该充电装置具有：第一和第二输入电压端子，用于将该充电装置连接到交流电压源上；第一和第二输出电压端子，用于将该充电装置连接到要充电的储能器上；整流器电压变换电路，其在输入侧与输入电压端子连接并且在输出侧与第一和第二中间回路电压端子连接并且被构造用于在中间回路电压端子之间提供中间回路直流电压；直流电压变换电路，其在输入侧与中间回路端子连接并且在输出侧与充电装置的输出电压端子连接，其中直流电压变换电路被构造用于在输出端子处提供输出直流电压和输出直流电流。

此外，本发明还涉及用于对电储能器充电的方法，其中整流器电压变换电路被连接到交流电压源，中间回路直流电压由整流器电压变换电路提供，并且其中由中间回路直流电压借助直流电压变换电路来提供用于对电储能器充电的输出直流电压和输出直流电流。

背景技术

在电储能器的领域上通常已知的是借助充电装置对储能器充电，该充电装置与作为交流电压源的公共低压电网连接，以便从低压电网吸取用于对电储能器充电的相应功率。充电装置通常在输入侧具有用于从供电网提取正弦电流的PFC级。PFC级给中间回路提供脉动的直流电压，该中间回路借助中间回路电容器来平滑脉动的交流电压或脉动的电功率。这种经平滑的电压根据储能器或电池的充电状态借助直流电压变换器被调整到最佳的充电电压。

为了满足平滑中间回路电压的要求，具有大电容的中间回路电容器是必要的（在充电功率为3.3 kW时大约1μF），其经济地仅仅用电解质电容器来实现。但是电解质电容器根据其电流负荷及其运行温度显示出强老化现象。对于在汽车领域中的采用，这种电解质电容器由于大的特定的温度范围和由此减少的使用寿命而只能有限地被采用。

因为PFC级调整恒定的中间回路电压，因此在电储能器的充电过程中所需的电压支撑（Spannungsspreizung）由直流电压变换器提供。因为直流电压变换器因此不具有恒定的电压变换比，因此通常使用的电势分离的、具有电磁传输环节的变换器并非被最佳地设计。目前采用的电势分离的软开关的直流电压变换器从某一传输功率起失去其软开关特性，使得效率由于附加积累的开关损耗而减少。

这种具有PFC级和直流电压变换器作为串联谐振变换器的充电装置例如由US 5，581，171已知。

因此在已知充电装置中的缺点是受限的使用寿命、高技术成本、尤其是用于调整充电电压的大的调节花费和与此相关的高成本。

发明内容

本发明提供了一种开始所述类型的用于对电储能器充电的充电装置，其中可以经由整流器电压变换电路来调整中间回路直流电压，以便调整由输入电压端子向输出电压端子或要充电的储能器传输的电功率。

此外，本发明还提供了一种开始所述类型的用于对电储能器充电的充电装置，其中在第一和第二中间回路电压端子之间连接有一个或多个电容器，其总电容小于100μF。

最后本发明提供了一种开始所述类型的用于对电储能器充电的方法，其中中间回路直流电压借助整流器电压变换电路来调整，以便对由交变电压源传输至要充电的电储能器的电功率进行调整。

本发明的优点

通过本发明可以减少用于对电储能器充电的调节花费并且同时能够对直流电压变换器并且由此对整个充电装置更好地匹配和确定尺寸。通过将在整流器级和直流电压变换器之间的电容器尺寸确定得小，可以采用成本更低并且更可靠的电容器，由此充电装置整体变得更可靠并且成本更低。因此，充电装置整体上在技术上变得更不复杂并且成本更低。

换句话说，在输出电压端子处的电压通过所连接的电储能器来确定，使得输出功率可以通过输出电流来调整。只要在中间回路端子之间的电压上升，在直流电压变换电路的输入侧和输出侧之间的电压差就增加，使得电流并且从而所传输的功率也增加。由此，可以通过调整中间回路电压的数值来调整传输给电储能器的功率。结果，因此可以通过中间回路电压的简单电压调节来调整所传输的充电功率。

特别优选的是，直流电压变换电路构成在中间回路端子和输出端子之间的电隔离。

由此可以避免错误直流电流返回到直流电压源。

在此优选的是，直流电压变换电路被构造为串联谐振变换器。

由此可以补偿集成的变压器在运行中存在的杂散电感，使得在输入端和输出端之间的电流仅仅还通过变压器的欧姆绕组电阻来限制。

此外还有利的是，直流电压变换电路被构造用于提供脉动的输出电流，其具有与中间回路直流电压相同的频率。

由此，直流电压变换电路的调节花费和开关损耗被降低。

此外有利的是，在第一和第二中间回路电压端子之间的一个或多个电容器被构造为薄膜电容器。

由此可以提供可靠的中间回路。

此外一般优选的是，整流器电压变换电路具有整流器电路和直流电压变换电路，所述直流电压变换电路被构造为开关电网部件，其中中间回路电压的数值可以借助该开关电网部件来调整。

由此提供了一种简单并且低成本的、用于调整中间回路直流电压的数值的电路，其具有小的调节要求并且可以损耗少地调整相应的电压。

在此优选的是，整流器电压变换电路形成无功功率补偿电压。

由此，总的充电装置像欧姆负载一样起作用，由此减少或消除了无功功率的吸收。

此外优选的是，交流电压源是公共低压电网。

由此，充电装置可以基本上与地点无关地被用于对电储能器充电。

此外优选的是，中间回路直流电压是脉动的直流电压并且由整流器电压变换电路提供的中间回路电流是脉动的直流电流，其与中间直流电压被构造为同相的。

由此，总的充电装置像欧姆负载一样起作用。

可以理解，本发明充电装置的特征、特性和优点也相应地适于或可应用于本发明方法。

附图说明

图1以示意性方式示出用于对电储能器充电的本发明充电装置；

图2以示意性方式示出带有后接的用于无功功率补偿的直流电压变换器的整流器；

图3示出串联谐振变换器；并且

图4a）至d）示出中间回路电流、中间回路电压、电储能器的充电功率、以及输出电流的时间变化曲线。

具体实施方式

在图1中，本发明充电装置的电路示意性被示出并且整体上用10表示。

充电装置10具有第一输入电压接线端12和第二输入电压接线端14，它们一起构成电压输入端。充电装置10还具有第一输出电压接线端12和第二输出电压接线端14，它们一起构成电压输出端。输入电压接线端12、14被构造用于与未示出的交流电压源连接。输入电压UN施加在输入电压接线端12、14之间，该输入电压优选相应于公共电网电压。也即，交流电压源在本发明的优选实施方式中是公共低压电网。经由输入电压接线端12、14给充电装置10提供输入电路IN。输入电压UN是交流电压，并且输入电流IN是交流电流，它们优选被构造为正弦形的。

输出电压接线端16，18与要充电的电储能器20或电池20连接，以便相应地对电储能器20或电池20充电。

输入电压接线端12、14与整流器电压变换电路22连接，所述整流器电压变换电路优选被构造为PFC级。整流器电压变换电路22在输出侧与第一中间回路接线端24和第二中间回路接线端26连接。整流器电压变换电路22由输入交流电压UN构成在中间回路接线端24、26之间的经整流的脉动的直流电压UZK。整流器电压变换电路22具有在图1中未进一步示出的整流器和用于调整平均中间回路电压UZK的直流电压变换器并且构成无功功率补偿电路，如在下面描述的那样。由此，直流电压变换电路22如纯欧姆负载那样起作用，因为在UN和IN之间不存在相移。此外，整流器电压变换电路22可以借助简单的装置来任意地调整脉动的中间回路电压UZK。整流器电压变换电路22与控制单元28连接，该控制单元通过控制信号30来调整平均中间回路电压UZK。由整流器电压变换电路22提供给中间回路接线端24、26的中间回路电流IZK和中间回路电压UZK通过无功功率补偿电路而不具有相移。

充电装置10还具有直流电压变换电路32，该直流电压变换电路32在输入侧与中间回路接线端24、26连接并且在输出侧与输出电压接线端16、18连接。整流器电压变换电路32优选被构造为谐振变换器并且将中间回路电压UZK和中间回路电流IZK变换成输出电压UO和输出电流IO，它们用于对储能器20充电。因为在电储能器20处的电压降通过储能器20本身来预先给定，因此在输出电压接线端16，18处出现固定的电压UO。由此，输出电流IO变成可变的并且因此在电储能器20处输出的电功率也变成可变的。因为直流电压变换器32优选构造为带有电隔离的串联谐振变换器，因此输出电流IO通过中间回路电压UZK被确定并且由此确定出现的中间回路电流IZK。因此，所传输的充电功率可以通过调整中间回路电压UZK而被可变地调整。

与现有技术不同，在充电装置10中放弃采用用于功率平滑的大的中间回路电容器。由此，输出电流IO具有交流电压源频率两倍高的频率。由此，可以放弃具有有限使用寿命的费事的并且昂贵的电解质电容器。结果，充电装置10的充电功率因此可以通过中间回路电压UZK被任意地调整。

在图2中示意性示出了整流器电压变换电路22。该整流器电压变换电路22具有整流器电路34和直流电压变换器36。

整流器34被构造为传统的B2整流器并且具有两个分别带有两个二极管的并联电流支路，在所述两个二极管之间连接有输入电压端子12，14。整流器电路34给直流电压变换器36提供脉动的直流电流或脉动的直流电压。直流电压变换器36被构造为升压变换器36，并且在该实施方式中具有线圈和二极管（在其之间连接有带有晶体管的桥）、和并联的电容。总体上，整流器电压变换电路22是无功功率补偿的电路，其表现得像欧姆负载那样。

由此，通过整流器电压变换电路22从交流电压UN和交流电流IN中提供轻度脉动的直流电压UZK和相应脉动的直流电流IZK，它们不具有相移并且其中通过直流电压变换器能几乎任意地调整中间回路电压UZK的平均值。为此，晶体管S1与控制单元28连接。在图2中构成整流器电压变换电路的元件应当看作是示例性的，其中由整流器34和直流电压变换器36构成的相应部件可以通过具有相同功能的任意部件代替。

在图3中示出了串联谐振变换器并且总体上用40表示。该串联谐振变换器40优选构成本发明充电装置10的直流电压变换电路22。串联谐振变换器40具有逆变器42、变压器44和整流器46。在输入侧，在中间回路接线端24、26之间连接有中间回路电容器48，该中间回路电容器被构造为薄膜电容器并且具有大约50μF的电容。在输出侧，在输出电压接线端16、18之间连接有输出电容器50。

逆变器42具有两个桥分支52、54，所述桥分支通过相应的操控从脉动的中间回路直流电流IZK变换出交流电流IP，所述交流电流构成变压器44的输入电流。逆变器42或逆变器42的晶体管的操控借助全占空率来实现，使得在每个占空周期的一半期间将正电流IP提供给变压器44并且在该占空周期的相应另一半期间将负电流IP提供给变压器44。占空频率和占空率优选被调整为固定的，由此可以减少调节花费。

变压器44通过固定的匝数比而具有恒定的变压比并且形成在输出电压接线端16、18和中间回路接线端24、26之间的电隔离。变压器给整流器46提供了相应变压的电压和相应的电流。整流器46通过具有桥分支56、58的两路整流构成并且将由变压器44提供的交流电压或交流电流变换成脉动的直流电压或脉动的直流电流，其施加在输出电压接线端16、18处并且为储能器20构成充电功率。相应地出现正弦形的输出电流IO，该正弦形的输出电流由于与中间回路电压UZK一样缺乏功率平滑而具有相应于交流电压源的双倍频率的频率。

施加在输出电压接线端16、18之间的电压UO通过所连接的储能器20的电压来预先给定或者调整。由此，在逆变器42的输入端处出现相应于中间回路电压UZK的输出电流IO。由此，通过中间回路电压UZK来调整整个充电装置10的所传输的功率。一旦中间回路电压UZK上升，在串联谐振变换器的输入端和输出端之间的电压差也上升，使得出现相应提高的输出电流IO并且从而出现相应提高的传输功率。相应地，输出电流IO或所传输的充电功率随着中间回路电压UZK的下降而下降。由此，可以取消直流电压变换电路32的单独调节。

因此可以借助本发明充电装置10调整几乎任意的充电功率，并且仅仅通过操控开关电网部件36，并且可以调整由此可调整的中间回路电压UZK。

由于出现针对电势分离的直流电压变换电路的恒定变压比，因此可以调整最优的工作点。基于脉动的功率可以针对该运行、但是针对双倍传输功率来设计直流电压变换电路，由此变压器体积显著增加。在目前情况下，变压器体积相对于带有功率平滑的结构来说增加了大约70%。然而，通过与所使用的开关频率相联系地适当地选择直流电压变换器可以补偿该缺点。

在图4中示意性示出了中间回路电流IZK、中间回路电压UZK、电池充电功率P和电池充电电流IO的变化曲线。

图4a）示出了中间回路电流IZK，其被构造为脉冲的直流电流，具有100Hz的频率，这相应于交流电压源的两倍频率或两倍的电网频率。从图4a）可以看出，中间回路电流IZK仅仅被整流，其中没有通过中间回路电容器进行平滑。

在图4b）中示出了中间回路电压UZK，其被构造为脉动的直流电压，其中通过中间回路电容器48的小电容进行了轻微平滑。中间回路电压UZK具有基频率100Hz，这相应于交流电压源的两倍频率并且与中间回路电流IZK同相。此外，中间回路电压还具有另外的较高频信号，这通过开关电网部件36发出脉冲被引起。

在图4c）中示出了电池充电功率，该电池充电功率由输出电压UO和输出电流IO的乘积产生。充电功率同样以100Hz的频率脉动并且与UZK和IZK同相。

在图4d）中示出了充电电流IO，该充电电流同样是具有100Hz频率的脉动的直流电流。因此可以看出，电池或储能器20以脉动的直流电流被充电。针对整流器46的半导体二极管的由此提高的电流负荷可以通过在电隔离的变压器中的较小开关损耗而在储能器20的整个电压范围或功率范围上被平衡或者被过补偿，因为在这些二极管中的提高的损耗小于开关损耗的减少。

通过充电装置可以对几乎任意的储能器20进行充电，但是其中储能器20的所提供的电压受所适用的晶体管和二极管的截止能力的限制。对于非常高的电池电压的情况，针对整流器电压变换电路22以及针对直流电压变换电路必需使用具有更高截止能力的半导体组件（晶体管和二极管）。

Claims (11)

1.用于对电储能器（20）充电的充电装置（10），具有

-第一和第二输入电压端子（12，14），用于将充电装置（10）连接到交流电压源，

-第一和第二输出电压端子（16，18），用于将充电装置（10）连接到要充电的电储能器（20），

-整流器电压变换电路（22），其在输入侧与输入电压端子（12，14）连接并且在输出侧与第一和第二中间回路电压端子（24，26）连接，并且该整流器电压变换电路被构造用于在中间回路电压端子（24，26）之间提供中间回路直流电压（UZK），

-直流电压变换电路（32），其在输入侧与中间回路端子（24，26）连接并且在输出侧与充电装置（10）的输出电压端子（16，18）连接，其中直流电压变换电路（32）被构造用于在输出端子（16，18）处提供输出直流电压（UO）和输出直流电流（IO），

其特征在于，

中间回路直流电压（UZK）能够通过整流器电压变换电路（22）来调整，以便调整由输入电压端子（12，14）向输出电压端子（16，18）和/或要充电的储能器（20）传输的电功率（P）。

2.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，直流电压变换电路（32）构成在中间回路端子（24，26）和输出电压端子（16，18）之间的电隔离（44）。

3.根据权利要求1或2所述的充电装置，其中直流电压变换电路（32）构造为串联谐振变换器（32）。

4.根据权利要求1至3之一所述的充电装置，其特征在于，直流电压变换电路（32）被构造为提供脉动的输出电流（IO），该脉动的输出电流具有与中间回路直流电压（UZK）相同的频率。

5.根据权利要求1至4之一或者权利要求1的前序部分所述的充电装置，其特征在于，在第一和第二中间回路电压端子（24，26）之间连接一个或多个电容器（48），所述电容器的总电容小于100μF，尤其是小于50μF。

6.根据权利要求5所述的充电装置，其特征在于，所述一个或多个电容器（48）被构造为薄膜电容器。

7.根据权利要求1至6之一所述的充电装置，其特征在于，整流器电压变换电路（22）具有整流器电路（34）和直流电压变换电路（36），该直流电压变换电路被构造为开关电网部件（36），其中中间回路电压（UZK）的数值能借助该开关电网部件（36）来调整。

8.根据权利要求7所述的充电装置，其中整流器电压变换电路（22）构成无功功率补偿电路。

9.根据权利要求1至8之一所述的充电装置，其中交流电压源是公共低压电网。

10.根据权利要求1至9之一所述的充电装置，其特征在于，中间回路直流电压（UZK）是脉动的直流电压，并且由整流器电压变换电路（22）提供的中间回路电流（IZK）是脉动的直流电流，其与中间回路直流电压（UZK）被构造为同相的。

11.用于对电储能器（20）充电的方法，其中将整流器电压变换电路（22）连接到交流电压源，其中由整流器电压变换电路（22）提供中间回路直流电压（UZK），并且其中从中间回路直流电压（UZK）中借助直流电压变换电路（32）来提供用于对电储能器（20）充电的输出直流电压（UO）和输出直流电流（IO），其特征在于，借助整流器电压变换电路（22）调整中间回路直流电压（UZK），以便调整由交流电压源传输至要充电的电储能器（20）的电功率（P）。

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