CN104471824A - 具有自适应输入的充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动的设备的电池(5)的充电装置(2)，其适用于由单相交流输入电流供电，并且适用于由多相交流输入电流供电，所述充电装置(2)包括第一转换模块(3)和第二转换模块(4)，所述第一转换模块(3)适用于将交流电转换成至少一个中间直流电并且向所述第二转换模块(4)提供所述中间直流电，并且所述第二转换模块(4)适用于将中间电流转换成直流输出电流并且向所述电池(5)提供所述输出电流；所述充电装置(2)还包括切换模块(7)，该切换模块(7)适用于将所述第一转换模块(3)在适用于第一单相输入交流电的第一构造和适用于多相输入交流电的第二构造之间切换。

Description

具有自适应输入的充电装置
技术领域
本发明涉及包括隔离式AC/DC转换器的充电装置，所述充电装置特别适合用作电动车的车载设备，或者甚至用作位于电动车外部的(可拆除)设备。
背景技术
很多移动机器利用电能并且配备有电池，例如电动车、动臂装卸机、拖板卡车等。这些机器通常包括车载充电器，即，直接安装在移动机器上的电池充电器。这些机器还可以利用外部电池充电装置来使用。
这些充电器的主要功能在于利用配电网络上的可用电力对电池充电。因此，充电器确保将交流电转换成直流电。
对充电器、更具体地对车载充电器的期望的标准是高效率、设计紧凑、电隔离、可靠性好、安全操作、低电磁干扰排放以及输入电流中的低谐波因子。
为了实现具有电隔离的AC/DC转换功能，已知利用具有两个转换器的结构：
-第一AC/DC转换器被称作预调节器，其包括功率因数校正电路，以限制输入电流谐波。
-第二DC/DC转换器，其确保对充电的调节。针对安全使用，该DC/DC转换器也提供电隔离功能。
有两个类别的车载充电器：最常见的类别是具有单相输入的车载充电器。由于绝大多数的现有电力装置是单相的，因此这些充电器可以容易地连接到大量的可用连接点。然而，可用充电功率由于电压及输入电流强度的限制而受限。
第二个类别是三相输入充电器，该三相输入充电器具有较大的充电功率。然而，由于三相电气装置较为罕见，特别是在单独使用的情况下，这些充电器只用在特别专用的电气装置中。
因此，需要用于对马达驱动的机器(特别是电动车)的电池供电的充电装置，所述充电装置能够与用于连接到电网的最大可能数量的系统连接，并且所述充电装置能够以高功率(当所述功率可用时)对电池充电。
发明内容
本发明首先涉及一种用于由马达驱动的机器的电池的充电装置，所述由马达驱动的机器适用于通过单相输入交流电供电并且适用于通过多相输入交流电供电，所述充电装置包括：
-第一转换模块；
-第二转换模块；
所述第一转换模块适用于将交流电转换成至少一个直流中间电流并且利用所述中间电流对所述第二转换模块供电；
所述第二转换模块适用于将所述中间电流转换成直流输出电流，并且利用所述输出电流对所述电池供电；
所述充电装置进一步包括：
所述充电装置进一步包括：
-切换模块，该切换模块适用于将所述第一转换模块在适用于单相输入交流电的第一构造和适用于多相输入交流电的第二构造之间切换。
根据一个实施方式，多相交流电为三相交流电。
根据一个实施方式，充电装置包括控制装置，所述控制装置适用于检测输入交流电的单相性质或多相性质，并且控制所述切换装置。
根据一个实施方式，控制装置适用于：
-检测所述输入交流电的一个或多个参数，所述参数优选地从电压值、强度值、功率值、频率值及其组合中选择；和/或
-接收一个或更多个外部信息，所述外部信息优选从无线电信号、载流信号、经由专用导线接收的电信号及其组合中选择；以及
-根据检测到的所述输入交流电的参数和/或接收到的所述外部信息调整所述第二转换模块的一个或更多工作参数。
根据一个实施方式，从中间电流的最大强度值和中间电流的最大电压值中选择调整的第一转换模块的工作参数。
根据一个实施方式，充电装置包括第一转换模块的附加控制装置，所述附加控制装置适用于根据第二转换模块的工作参数调整中间电流的电压，所述工作参数优选地从输出电流的电压和/或功率和/或强度中选择。
根据一个实施方式，第一转换模块包括至少一个功率因数校正电路。
根据一个实施方式，第一转换模块包括第一模块的多个转换单元，所述第一模块的各个转换单元适用于将单相交流电转换成直流电，并且在第二构造中，切换模块适用于将多相输入交流电分成多个单相交流电，并且利用所述各个单相交流电对所述第一模块的所述转换单元供电。
根据一个实施方式，第一模块的每个转换单元适用于供应单独的中间电流；以及
-求和单元适用于对各个中间电流进行求和以提供对第二转换模块供电的总中间电流；或者
-所述第二转换模块包括第二模块的转换单元，各个转换单元通过由所述第一模块的各自的转换单元中的一个转换单元提供的单独的中间电流供电。
根据一个实施方式，充电装置可以安装在马达驱动的机器上。
根据一个实施方式，充电装置适用于在所述由马达驱动的机器的外部与所述由马达驱动的机器连接。
根据一个实施方式，由马达驱动的机器为车辆，优选是电力驱动的机动车辆。
本发明还涉及一种用于对由达驱动的机器的电池充电的方法，所述方法包括以下步骤：
-供应单相输入交流电或多相输入交流电；
-在第一构造中或者第二构造中切换第一转换模块，所述第一构造适用于单相输入交流电，所述第二构造适用于多相输入交流电；
-在所述第一转换模块中将输入交流电转换成至少一个直流中间电流；
-在第二转换模块中将中间电流转换成直流输出电流；
-利用所述输出电流对电池供电；
根据一个实施方式，多相交流电为三相交流电。
根据一个实施方式，所述方法包括检测输入交流电的单相性质或多相性质，以及根据检测到的所述输入交流电的性质执行第一转换模块的切换。
根据一个实施方式，所述方法包括以下步骤：
-检测输入交流电的一个或多个参数，所述参数优选地从电压值、强度值、功率值、频率值及其组合中选择；和/或
-接收一个或更多个外部信息，所述外部信息优选从电磁辐射信号、载流信号、经由专用导线接收的电信号及其组合中选择；以及
-根据检测到的所述输入交流电的参数和/或接收到的所述外部信息调整所述输入交流电向中间电流的转换的一个或多个参数。
根据一个实施方式，从中间电流的最大强度值和中间电流的最大电压值中选择调整的所述输入交流电向中间电流的转换的参数。
根据一个实施方式，所述方法包括根据输出电流的参数调整中间电流的电压，所述参数优选地从输出电流的电压和/或功率和/或强度中选择。
根据一个实施方式，当第一转换模块处于第二构造中时，多相输入交流电被分成多个单相交流电，并且各个单相交流电被转换成直流单独中间电流。
根据一个实施方式，各个单独的中间电流加起来形成总的中间电流，所述总的中间电流被转换成输出电流；或者每个单独的中间电流被转换成直流单独输出电流，所述单独输出电流加起来形成总的输出电流。
根据一个实施方式，由马达驱动的机器为车辆，优选是电力驱动的机动车辆。
本发明还涉及一种包括上述的充电装置和电池的由马达驱动的机器，所述由马达驱动的机器优选为车辆，更具体地优选为通过电力驱动的机动车辆。
本发明可以克服现有技术的缺点。更具体地，其提供一种用于马达驱动的机器(特别是车辆)的充电装置，所述充电装置能够与用于连接到电网的基本上任何系统连接，并且所述充电装置能够以高功率(当所述功率可用时)对电池充电。
通过提供第一AC/DC转换器并通过添加切换模块来实现本发明，所述第一AC/DC转换器可以在第一构造中利用单相输入电流操作并且可以在第二构造中利用多相输入电流操作；所述切换模块可以在所述第一构造或所述第二构造中切换所述转换器。
也就是说，根据本发明的充电装置具有通用输入，并且可以同时与多相电源和单相电源连接。
附图说明
图1是根据本发明的实施方式的充电装置的示意图。
图2是根据本发明的实施方式的充电装置的细节的示意图。
图3是根据本发明的另一实施方式的充电装置的细节的示意图。
图4是用于本发明的实施方式的电路的示意图。
具体实施方式
在下面的描述中将以非限制性的方式且更加详细地描述本发明。
参照图1，充电装置2旨在对马达驱动的机器的电池5充电。该装置可以被集成在马达驱动的机器中或者位于所述马达驱动的机器的外部的充电系统中，或者甚至可以是独立的。电池5可以通过(可以提供)被称为输出电流的直流电充电。
根据优选实施方式，马达驱动的机器为车辆，具体为电力驱动的机动车辆。在其它的实施方式中，马达驱动的机器可以是诸如升降车、动臂装卸机或者拖板卡车的操作机器。
电池5示出车辆的(或机器的)牵引用电池，即负责对车辆的(或机器的)马达供电的电池。应当理解的是，该电池5可以表示单个电池或电池组。
输出电流的电压(输出电压)的值通常从20-550 V，优选24-500 V。
当电池5正在充电时，输出电压可以例如在极值300 V和500 V之间发生变化。
充电装置2包括第一转换模块3和第二转换模块4。
第一转换模块3可以将交流电源电流(输入电流)转换成至少一个被称为中间电流的直流电。在充电模式下，电源1(例如电网)向第一转换模块3供应交流电。
输入电流可以是单相的或者多相的，该单相例如具有85-265 V的电压。该输入电流具体可以是双相的或者三相的，该双相例如具有200-250V的电压，该三相例如具有380-420V的电压。
多相电流由多种交流(优选正弦)电流构成，该多种交流电流具有相互相移的相同频率和相同振幅。
根据本发明的充电装置2既可以适应单相输入电流又可以适应多相输入电流。优选地，所述充电装置可以适应单相输入电流和三相输入电流这两者，或者可以适应单相输入电流和双相输入电流这两者，或者甚至能够适应单相输入电流、双相输入电流以及三相输入电流。在下文中，将可以适应单相输入电流和三相输入电流这两者的充电装置2作为示例，其他构造可以通过类推从该示例中推断出。
第一转换模块3向第二转换模块4供应直流电(称为中间电流)。
第二转换模块4可以将中间电流转换成输出电流，该输出电流对电池供电。
第一转换模块3优选地包括功率因数校正(PFC)电路，以限制输入电流谐波。该电路还具有在宽的输入电压范围内运行的优势。
在第一转换模块3的输入端设置有切换模块7，使得充电装置2可以利用不同性质的输入电流操作。切换模块7适用于将第一转换模块3在第一构造和第二构造之间切换，该第一构造适用于单相输入交流电，该第二构造适用于三相输入交流电。
切换模块通常包括开关组，例如双向继电器和/或机电式继电器。
根据一个实施方式，切换模块7可以直接被操作者控制，该操作者选择第一转换模块3的第一构造或第二构造。然而，优选的是自动进行切换。为此，设置有控制装置8，该控制装置适用于检测输入交流电的单相或三相性质，并且可以控制切换模块7在检测到单相输入交流电的情况下将第一模块3切换(即，摆动或维持)到/入第一构造，以及在已经检测到三相输入交流电的情况下将第一模块3切换(即，摆动或维持)到/入第二构造。
控制装置8可以包括模拟元件和/或数字元件。这些元件可以包括微控制器。这些元件可以进行参数设置，使得其能够容易地适用于与各种规范性约束相关联的配电网络。
参照图2，利用充电装置2的可能性在于设置第一模块的三个转换单元3a、3b、3c，这三个转换单元一起形成第一转换模块3，第一模块的各个转换单元3a、3b、3c适用于将单相交流电转换成直流电。例如，各个转换单元3a、3b、3c可以包括单相PFC电路。
在第一构造(利用单相电源的操作)中，切换模块7优选地将单相输入电流引导到转换单元3a、3b、3c中的每个转换单元，或者将单相输入电流分配给两个转换单元，或优选地分配给三个转换单元3a、3b、3c。
在第二构造(利用三相电源的操作)中，切换模块7将三相输入交流电分成三个单独的单相交流电，并且将这些单独的单相交流电中的每个单独的单相交流电引导到第一模块的各个转换单元3a、3b、3c。
在每个构造中，第一模块的每个转换单元3a、3b、3c将向其供电的单相交流电转换成直流、单独的中间电流。然后通过求和单元对三个单独的中间电流进行求和，以提供对第二转换模块4供电的总的直流中间电流，在这种情况下，该第二转换模块4为单个DC/DC转换器。
图4中所示的电路是使用该实施方式的可能的示例。
该电路包括具有三相位置11和单相位置12的继电器，以及三个单相PFC电路13a、13b、13c。当继电器处于三相位置11时，三相输入电流的每个对相应的单相PFC电路13a、13b、13c供电。当继电器处于单相位置12时，由单相输入电流对三个单相PFC电路13a、13b、13c并列地供电。
三个单相PFC电路13a、13b、13c与公共输出端14连接，以向第二转换模块4供应直流中间电流。
图3示出了代替图2中的实施方式的另一实施方式。在该实施方式中，第二转换模块4包括第二模块的三个转换单元4a、4b、4c，各个转换单元形成单独的DC/DC转换器。第一模块的每个转换单元3a、3b、3c分别向第二模块的各转换单元4a、4b、4c供应单独的中间电流。
第二模块的每个转换单元4a、4b、4c供应单独的输出电流，并且各个单独的输出电流被求和单元求和以供应(总的)输出电流。
根据另一实施方式(未示出)，第一转换模块3包括单个三相转换器例如维恩电桥，该三相转换器还可以利用单相输入电流来使用。
除了检测输入交流电的单相性质或三相性质并相应地控制切换装置7，控制装置8还可以适用于根据检测到的输入交流电流、的参数和/或接收到的外部信息来调整第一转换模块3的一个或多个工作参数。
因此，能够调整中间电流的最大强度值和/或中间电流(或者在适用的情况下单独的中间电流的)的最大电压值。
检测到的输入交流电流、的参数例如可以是输入电流的电压值、强度值、功率值和/或频率值。
这使得充电装置2可以基于输入电流自动适应，其在安全性方面是特别有利的。实际上，装置可以连接到具有较高或较低功率的电源，因此其可以用于限制作为结果的工作参数。
控制装置8还可以基于经由一个或多个其他通道接收的信息作用在第一转换模块3上，该信息例如经由领示线(pilot wire)接收的电信号、或者无线电信号(例如根据Wi-Fi协议或者在卫星通信的情况下通过电磁辐射发送的信号)、或者利用输入交流电本身发送的载波电流信号。
这使得可以对根据本发明的充电装置进行外部调节，以便例如为了确保最佳的安全条件而调整充电功率。
这还使得充电装置2不但能够利用单相电流与三相电流同样地进行工作，而且能够利用这些类别的每个类别的各种可能的电流进行工作，例如具有较高或较低的电压、强度、功率或频率，因而充电装置是完全通用的。
例如，根据测得的输入电压值，根据其数量，充电装置将其输入电流的强度限制为缺省值，所述值根据输入电压的性质按照可适用的安全标准来设置。在可以从充电装置的电源得到最大电流设定点值的情况(集成了“领示线”或“载流设定点”功能的装置的情况)下，则最大电流是由该设定点指示的电流。
因此充电装置是通用的，这是由于其安全地适用于单相电源或多相电源并且能够根据相数、输入电压的值以及可能存在的外部设定点适应最大输入电流。
第二转换模块4(或者在适用的情况下第二模块的每个转换单元4a、4b、4c)优选为具有电隔离的转换模块，并且特别地为具有电隔离的斩波转换模块，即，包括：切换模式的子模块，将直流中间电流转换成交流电，其频率被称为切换频率；变换子模块，接收所述交流电，包括两个电路的磁耦合并且确保电隔离；以及恢复子模块，将来自该变换子模块的交流电转换成直流输出电流。
第二转换模块4例如可以是相移调制转换器或者脉冲宽度调制直接传输转换器(例如，前进、推挽、串联斩波器等)或者谐振转换器(具体地LC型或LLC型谐振转换器)。
针对每个给定的第二转换模块4，可以限定最佳操作条件。
因此，根据一个实施方式，本发明提供以第一转换模块3的附加控制装置6的形式的控制，适用于根据电池5的充电的进展调整中间电流的电压，使得第二转换模块4针对充电的实际整个持续时间内在预定的最佳条件下工作。
可以按照根据测得的电压和电流条件建立的变化规则或者根据转换器4的运行的测量和直接控制，以各种方式进行该控制。
更具体地，在改变作为(电池5)充电的结果的输出电流的电压和/或功率的情况下，为了使DC/DC转换适应由充电而施加的新条件，进行控制使得能够改变第二转换模块4的切换频率或者周期性切换比率(或这两者)。
该控制往往使第二转换模块4离开其最佳工作条件。对于第一转换模块3的第二控制使得能够更改(多个)中间电流的电压的值。因此切换频率和/或周期性比率可以恢复到设定点的值，使得第二转换模块4返回其预定的最佳工作条件。
在2012年3月9日提交的FR 12/00728中示出了可能的附加控制装置6的更加详细的说明。

Claims (22)

1.一种用于由马达驱动的机器的电池(5)的充电装置(2)，所述由马达驱动的机器适用于通过单相输入交流电供电并且适用于通过多相输入交流电供电，所述充电装置(2)包括：
-第一转换模块(3)；
-第二转换模块(4)；
所述第一转换模块(3)适用于将交流电转换成至少一个直流中间电流并且向所述第二转换模块(4)供应所述中间电流；
所述第二转换模块(4)适用于将所述中间电流转换成直流输出电流，并且向所述电池(5)提供所述输出电流；
所述充电装置(2)进一步包括：
-切换模块(7)，该切换模块适用于将所述第一转换模块(3)在适用于单相输入交流电的第一构造和适用于多相输入交流电的第二构造之间切换。
2.根据权利要求1所述的充电装置，其中，所述多相交流电为三相交流电。
3.根据权利要求1或2所述的充电装置，其中，所述充电装置包括控制装置(8)，所述控制装置(8)适用于检测所述输入交流电的单相性质或多相性质，并且控制所述切换装置(7)。
4.根据权利要求3所述的充电装置，其中，所述控制装置(8)适用于：
-检测所述输入交流电的一个或多个参数，所述参数优选地从电压值、强度值、功率值、频率值及其组合中选择；和/或
-接收一个或更多个外部信息，所述外部信息优选地从无线电信号、载流信号、经由专用导线接收的电信号及其组合中选择；以及
-根据检测到的所述输入交流电的参数和/或接收到的所述外部信息调整所述第二转换模块(3)的一个或多个工作参数。
5.根据权利要求4所述的充电装置，其中，从所述中间电流的最大强度值和所述中间电流的最大电压值中选择调整的所述第一转换模块(3)的工作参数。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的充电装置，其中，所述充电装置包括第一转换模块(3)的附加控制装置(6)，所述附加控制装置(6)适用于根据所述第二转换模块(4)的工作参数调整所述中间电流的所述电压，所述工作参数优选地从所述输出电流的电压和/或功率和/或强度中选择。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的充电装置，其中，所述第一转换模块(3)包括至少一个功率因数校正电路。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的充电装置，其中，所述第一转换模块(3)包括所述第一模块的多个转换单元(3a、3b、3c)，所述第一模块的各个转换单元(3a、3b、3c)适用于将单相交流电转换成直流电，并且所述切换模块(7)适用于在所述第二构造中将所述多相输入交流电分成多个单相交流电，并且向所述第一模块的转换单元(3a、3b、3c)提供这些相应的单相交流电。
9.根据权利要求8所述的充电装置，其中，所述第一模块的每个转换单元(3a、3b、3c)适用于供应单独的中间电流，并且其中：
-求和单元适用于对各个单独的中间电流进行求和以提供对所述第二转换模块(4)供电的总中间电流；或者
-所述第二转换模块(4)包括所述第二模块的转换单元(4a、4b、4c)，各个转换单元由来自所述第一模块的相应转换单元(3a、3b、3c)中的一个转换单元的单独的中间电流供电。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的充电装置，其中，所述充电装置适用于安装在所述由马达驱动的机器上。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的充电装置，其中，所述充电装置适用于在所述由马达驱动的机器的外部与所述由马达驱动的机器连接。
12.根据权利要求1中的任一项所述的充电装置，其中，所述马达驱动的机器为车辆，优选为电力驱动的机动车辆。
13.一种用于对由马达驱动的机器的电池充电的方法，所述方法包括以下步骤：
-供应单相输入交流电或多相输入交流电；
-在第一构造中或者第二构造中切换第一转换模块，所述第一构造适用于单相输入交流电，所述第二构造适用于多相输入交流电；
-在所述第一转换模块中将所述输入交流电转换成至少一个直流中间电流；
-在第二转换模块中将所述中间电流转换成直流输出电流；
-利用所述输出电流对所述电池供电。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多相交流电为三相交流电。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述方法包括:检测所述输入交流电的单相性质或多相性质，以及根据检测到的所述输入交流电的性质执行所述第一转换模块的切换。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-检测输入交流电的一个或多个参数，所述参数优选地从电压值、强度值、功率值、频率值及其组合中选择；和/或
-接收一个或更多个外部信息，所述外部信息优选从电磁辐射信号、载流信号、经由专用导线接收的电信号及其组合中选择；以及
-根据检测到的所述输入交流电的参数和/或接收到的所述外部信息调整所述输入交流电向中间电流的转换的一个或多个参数。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，从所述中间电流的最大强度值和所述中间电流的最大电压值中选择调整的所述输入交流电向中间电流的转换的参数。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中，所述方法包括根据所述输出电流的参数调整所述中间电流的电压，所述参数优选地从输出电流的电压和/或功率和/或强度中选择。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，当所述第一转换模块(3)处于所述第二构造中时，所述多相输入交流电被分成多个单相交流电，并且每个单相交流电被转换成直流单独中间电流。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，将各个单独的中间电流相加形成总的中间电流，所述总的中间电流被转换成所述输出电流；或者其中，每个单独的中间电流被转换成直流单独输出电流，所述单独输出电流加起来形成总的输出电流。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的方法，其中，所述由马达驱动的机器为车辆，优选为电力驱动的机动车辆。
22.一种包括根据权利要求1至12中任一项所述的所述充电装置(2)以及所述电池(5)的由马达驱动的机器，所述由马达驱动的机器优选为车辆，更具体地优选为电力驱动的机动车辆。
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