CN104701954B - 用于控制电池充电的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于控制电池充电的装置和方法。装置包括输入单元，即，被配置为将交流电（AC）输入功率转换为直流电（DC）功率。第一转换器，被配置为存储“或”输出DC功率，和电路单元，被配置为基于AC输入功率的正常操作状态或者瞬时电力故障状态滤波或者提升输出功率。另外，第二转换器被配置为转换滤波的或者提升的功率并且将该功率供给至高压电池。

Description

用于控制电池充电的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年12月10日提交的韩国专利申请第10-2013-0152985号的优先权的权益，该专利申请的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及一种功率因数校正（PFC）转换器电路，并且更具体地，涉及基于车载充电器（OBC）的输出密度减小PFC输出电压和/或电流波动和/或增加保持时间的用于控制电池充电的装置和方法。
背景技术
一般地，与诸如插入式的混合和双动力型车辆的环保型车辆的发展有关，用于使交流电-直流电（AC-DC）高压电池（在下文中，OBC）充电的转换器可能是必需元件。OBC包括功率因数校正（PFC）转换器以改进功率因数。PFC的输出端子需要设置有大容量输出功率电容器以吸收电压和电流波动并且确保瞬时电力故障保持时间。这在图1中被示意性地示出。参考图1，PFC转换器电路110被配置为包括PFC电感器111、PFC输出电容器112等。此外，PFC转换器电路110被配置为还包括输入单元101、DC-DC转换器140、高压电池150等。
此处，通过以下等式简要地表示保持时间的概念。
等式1
在以上等式1中，左侧与作为存储在PFC输出电容器112中的能量的电容器的容量成比例。在以上等式1中，Vmin是可以发出OBC正常输出的最小PFC输出电压。即，为了在OBC输出被固定的条件下增加保持时间，需要增加电容器的容量C_pfc或施加至电容器的电压V_pfc_cap。
然而，因为在PFC输出电容器的附近一般不存在分离的电路，电容器的电压电平在AC功率瞬时电力故障时可能不增加。因此，为了增加保持时间，已研发仅仅用于增加电容器的容量的方法。此外，为了减小PFC输出电压和/或电流波动，已经研发仅仅用于增加PFC电感器和电容器的容量的方法。这可以增加OBC的外形尺寸和成本，减小输出密度，并且导致高压充电系统封装的配置的问题。
换言之，为了减小PFC的输出端子的电压和电流波动，需要增加输出电容器的电容的量级。然而，因为电容器一般是在OBC内部占据最大容积的元件，在增加电容器的电容来改进OBC的输出密度方面存在局限性。即，鉴于输出电压波动的减小和/或OBC的包装尺寸的减小需要选择电容器的最佳容量。
发明内容
本发明的示例性实施方式致力于用于控制电池充电的一种装置和一种方法，考虑车载充电器（OBC）的输出密度，可以提高功率因数校正（PFC）输出电压。此外，本发明的示例性实施方式致力于用于控制电池充电的一种装置和一种方法，鉴于车载充电器（OBC）的输出密度，能够减小电流波动和/或增加保持时间。为了解决上述问题，提供用于控制电池充电的装置以鉴于车载充电器（OBC）的输出密度提高功率因数校正（PFC）输出电压。
用于控制电池充电的装置可以包括：输入单元，被配置为将交流电（AC）输入功率转换为直流电（DC）功率；第一转换器，被配置为存储或输出DC功率；附加电路单元，被配置为基于AC输入功率的正常操作状态（例如，在没有出现故障时）或者瞬时电力故障状态下滤波或提升输出功率；以及第二转换器，被配置为转换滤波或提升的功率并且将该功率供给至高压电池。
第一转换器可以包括：第一电感器；和被配置为并联连接至第一电感器的第一输出电容器。附加电路单元可以包括：第二电感器，被配置为串联连接至第一电感器和并联连接至第一输出电容器；第二输出电容器，被配置为并联连接至第一输出电容器；第一开关，被配置为并联连接至第二电感器；以及第二开关，被配置为串联连接至第二电感器。
当AC输入功率处于正常操作状态时，第一开关可以维持断开状态（例如，可以保持断开）并且第二开关可以保持闭合状态（例如，可以保持闭合）。第一电感器和第一输出电容器可以是一级滤波器并且第二电感器和第二输出电容器可以是二级滤波器。当AC输入功率处于瞬时电力故障状态时，第一开关和第二开关可以处于交替地闭合或者断开状态。
可以提升第一输出电容器的电压并且因此可以将第一输出电容器的电压存储在第二输出电容器227中以便增加保持时间。第二电感器可以是等于或者小于第一电感器的低容量电感器并且第二输出电容器可以是等于或者小于第一输出电容器的低容量电容器。第二转换器可以是直流-直流（DC-DC）转换器。
一种用于控制电池充电的方法可以包括以下步骤：转换输入功率以便将交流电（AC）输入功率转换为直流电（DC）功率；存储或者输出DC功率；基于AC输入功率的正常操作状态或者瞬时电力故障状态滤波或提升输出功率；以及转换滤波的或者提升的功率并且将该功率供给至高压电池。可以使用第一转换器进行存储或者输出。可以使用附加电路单元进行滤波或提高。
附图说明
图1是根据现有技术的用于控制电池充电的一般装置的示例性配置示图；
图2是根据本发明的示例性实施方式的用于控制电池充电的装置200的示例性块配置图；
图3是示出根据本发明的示例性实施方式的用于控制图2中示出的电池的充电的装置200的电路图的示例性示图；
图4是示出根据本发明的示例性实施方式的开关223和225在正常操作时的操作过程的示例性流程图；
图5是示出根据本发明的另一个示例性实施方式的在产生瞬时电力故障时基于开关223和225以及电容器212和227的操作增加保持时间的方法的示例性流程图；以及
图6是将根据本发明的示例性实施方式的保持时间与一般的保持时间相比的示例性曲线图。
具体实施方式
应当理解，本文所使用的术语“车辆（vehicle）”或者“车辆的（vehicular）”或者其他的类似术语包括广义的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆（SUV）、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客车辆，包括各种小船（boat）和船舶（ship）的水运工具（watercraft），航天器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电混合动力电动车辆、氢动力车辆、以及其他可替代的燃料车辆（例如，从除石油以外的资源获得的燃料）。如本文中提及，混合车辆是具有两个或多个动力源的车辆，例如，汽油动力和电动式车辆。
本文所用的术语仅出于描述特定实施方式的目的，而不旨在限制本发明。除非上下文另有明确说明，否则如本文所用的单数形式“一个（a）”、“一种（an）”和“该（the）”也旨在包括复数形式。应进一步理解，术语“包括（comprises）”和/或“包含（comprising）”在本说明书中使用时指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组和的存在或添加。如本文所用的，术语“和/或”包括所关联的列出项中的一个或多个的任何和所有组合。
由于本发明可以被做出各种改进并且具有几个示例性实施方式，将在附图中示出具体示例性实施方式并且在具体实施方式中详细地描述具体的示例性实施方式。然而，应当理解的是，本发明不限于具体示例性实施方式，而是包括包含在本发明的精神和范围内的所有修改、等同物、以及替换。贯穿所有附图，相同的标号将用于描述相同的元件。
可以将说明书中使用的术语‘第一’、‘第二’等用于描述各种元件，但是元件不被解释为局限于术语。术语被用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不偏离本发明的范围的情况下，‘第一’’元件可以被称作‘第二’元件并且‘第二’元件也可以同样被称作‘第一’元件。术语和/或包括多个项的组合或者多个项的任何一个。
除非另有说明，应当理解的是，包括技术的和科学名词的在说明书中使用的所有的术语具有相同的含义，如本领域的技术人员所理解的。应该理解，词典定义的术语与现有技术的上下文内部的含义相同，除非上下文清楚地另有说明，那么它们不应该理想地或者过度地被正式定义。
在下文中，将参考附图详细地描述根据本发明的示例性实施方式的用于控制电池充电的装置和方法。
图2是根据本发明的示例性实施方式的用于控制电池充电的装置200的的示例性块配置图。参考图2，用于控制电池充电的装置200可以包括输入单元201，被配置为将交流电（AC）输入功率转换为直流电（DC）功率，第一转换器210，被配置为存储或输出DC功率，附加电路单元220，被配置为基于AC输入功率的正常操作状态（例如，在没有故障出现时）或者瞬时电力故障状态滤波或提升输出功率，以及第二转换器240，被配置为转换滤波的或者提升的电力并且将转换的电力供给至高压电池250，等。
输入单元201可以被配置为去除功率的AC分量以产生DC分量。因此，输入单元201可以包括半波整流电路、全波整流电路、电桥全波整流电路等。第一转换器210可以是功率因数校正（PFC）转换器并且可以包括第一电感器211、第一输出电容器212等。此外，第二转换器240可以是直流-直流（DC-DC）转换器。DC-DC转换器是众所周知的，因此，将不再描述以清楚地理解本发明。
功率因数校正（PFC）可以是功率节省电路以改进电力供给装置的功率效率，并且令人满意的PFC类型可以存在没有针对宽负荷上变化具有基本唯一功率因数的（如，正弦形式）输入线电流的谐波，具有正确的输出动力、基本上小的尺寸、基本上轻重量、减小数量的元件、经济的效率、高电力转换效率以及低电磁干扰的令人满意的配线和负荷调节。
附加电路单元220可以包括第二电感器221、第二输出电容器227、第一和第二开关223和225等，可以通过将它们连接至第一电感器211和第一转换器210的第一输出电容器212来操作。此外，基于正常操作状态（即，无AC的瞬时电力故障状态）或者AC瞬时电力故障状态可以通过控制第一开关223和/或第二开关225的闭合/或者断开来操作附加电路单元220作为二级滤波器或者提升转换器。
换言之，在正常操作状态如下。第一转换器210和第二转换器240与一般的操作相同。在附加电路单元220中，第一开关223可以始终断开并且第二开关225可以始终闭合。因此，可以在输出布置二级滤波器以便减小PFC输出电压和电流波动。换言之，一级滤波器可以包括第一电感器211和第一输出电容器212和二级滤波器可以包括第二电感器221和第二输出电容器227。
AC瞬时电力故障状态如下。第一转换器210和第二转换器240与一般的操作相同。在附加电路单元220中，可以交替地切换第一开关223和第二开关225并且因此可以将其作为提升转换器来操作。换言之，可以提升第一输出电容器212的电压并且因此可以将第一输出电容器212的电压存储在第二输出电容器227中。这将由以下等式来表示。
等式2
在以上等式2中，CPFC1表示第一输出电容器的容量，CPFC2表示第二输出电容器的容量，Vmin表示可以发出正常输出的最小PFC输出电压，THold-up表示保持时间，和VPFC_cap2表示施加于第二输出电容器的电压。第二输出电容器小于第一输出电容器并且因此可以基本上忽视。正常输出限定在输出端保持恒功率。换言之，正常输出是指功率输出处于可持续状态。根据本发明的示例性实施方式的保持时间的等式可以取决于以上等式2并且因为VPFC_cap2电压与一般的已知技术相比可以相当长一段时间，所以可以增加保持时间。换言之，可以充分使用存储在第一输出电容器212中的能量以增加保持时间。
图3是示出用于控制图2中示出的电池充电的装置200的电路图的示例性示图。参考图3，输入单元201可以被配置有电桥二极管电路。第一转换器210可以包括第一电感器211、并联连接至第一电感器211的第一输出电容器212、开关器件等。
此外，附加电路单元220可以包括串联连接至第一电感器211并且并联连接至第一输出电容器212的第二电感器221、并联连接至第一输出电容器212的第二输出电容器227、并联连接至第二电感器221的第一开关223、以及串联连接至第二电感器221的第二开关225等。特别地，作为第一和第二开关223和225，可以使用场效应晶体管（FET）、TRIAC、硅可控整流器（SCR）、二极管交流电（DIAC）、继电器、绝缘栅双极性晶体管（IGBT）等。另外，第二电感器221可以是可能等于或小于第一电感器211的低容量电感器。第二输出电容器227可以是可能等于或小于第一输出电容器212的低容量电容器。
在正常状态下，可以始终断开第一开关221和始终闭合第二开关225以便将二级滤波器应用至PFC输出，并且因此，减小PFC输出电压和/或电流波动。换言之，第一电感器211和第一输出电容器212可以是第一级滤波器和第二电感器221并且第二输出电容器227可以是第二级滤波器。因此，与一般的已知技术相比，在设计显示等效电平的输出波动时，可以减小具有大容量的第一输出电容器212和第一电感器211的容量。因此，使外形尺寸和成本与一般的技术相比，可以将其设计为等效级别的或者更小的。
此外，在AC瞬时电力故障状态下，可以交替切换第一和第二开关223和225并且因此可以将其作为提升的转换器来操作。因此，在PFC输出电压被减小为可以发出车载充电器的正常输出的最小电压V_min时，第一输出电容器212的电压可以被提升并且存储在第二输出电容器227中以增加时间，从而与一般的已知技术相比在相当长一段时间保持OBC正常输出。因此，出现保持时间的增加。因此，可以在设计时减小PFC输出电容器的电容以便维持与一般的已知技术的等效的级别的保持时间。另外，可以减小成本和OBC外形尺寸。
保持时间可以是通过使用存储在输出电容器中的能量在AC功率瞬时电力故障期间连续保持OBC输出的时间。在AC功率发生瞬时电力故障期间，在使用存储在电容器中的能量保持OBC输出时，可以减小电容器的电压并且到最小电压级别以便保持OBC输出的到达时间可以变为保持时间。因此，当在保持最小电压的OBC输出到达之前增加电容器的电压时，可以增加到保持最小电压级别的OBC输出的到达时间并且因此可以增加保持时间。
图4是示出根据本发明的示例性实施方式的在正常操作期间的开关223和225的操作过程的示例性流程图。参考图4，当输入单元201（图3）的AC输入功率处于正常操作状态时，可以始终断开第一开关223（图3）并且可以始终闭合第二开关225（步骤S410和S420）。特别地，第一转换器210和附加电路单元220可以作为二级滤波器来操作。
图5是示出根据本发明的另一个示例性实施方式的在产生瞬时电力故障期间基于开关223和225和电容器212和227的操作增加保持时间的方法的示例性流程图。参考图5，当输入单元201（图3）的AC输入功率处于瞬时电力故障状态时，可以在每个预定的周期（即，在预定的间隔）交替地切换第一开关223和第二开关225（步骤S510和S520）。可以通过交替的切换提升第一输出电容器212（图3）的电压并且可以将提升的电压存储在第二输出电容器227（图3）中（步骤S530和S540）。提升的电压可以被存储在第二输出电容器227中并且因此可以增加保持时间（步骤S550）。
图6是将根据本发明的示例性实施方式的保持时间与一般的保持时间相比的示例性曲线图。参考图6，根据本发明的示例性实施方式，保持时间620可以大于一般的保持时间610（例如，常规的保持时间）。此外，根据本发明的示例性实施方式，第二输出电容器的电压640可比一般的输出电容器的电压更加稳定地保持。
根据本发明的示例性实施方式，电感器、开关以及输出电容器可以被配置为多个以便在正常操作和产生AC瞬时电力故障期间控制多个开关的闭合和断开，因而减小PFC输出电压和电流波动。此外，可以始终断开一个开关并且可以始终闭合剩余的开关以便将二级滤波器应用于PFC输出，因而减小PFC输出电感器和输出电容器的容量。因此，可以减小成本并且可以减小车载充电器（OBC）的外形尺寸。
另外，根据本发明的示例性实施方式，可以在产生AC瞬时电力故障时交替地切换多个开关，因此可以作为提升的转换器来操作。换言之，当PFC输出电压减小为可以发出OBC正常输出的最小电压V_min时，一个PFC输出电容器的电压可以被提升并且存储在另一个PFC输出电容器中以便增加时间，以便维持相对于一般电路的相当长时间的OBC正常输出。因此，可能出现保持时间的增加。因此，可以在设计的时候减小PFC输出电容器的容量以便维持与相关电路的等效级别的保持时间。因此，可以减小成本和OBC的外形尺寸。
在上文，虽然通过诸如有形的元件等具体的物质的示例性实施方式和附图描述本发明，提供它们仅用于帮助本对发明整体理解。因此，本发明不限于该示例性实施方式。本领域技术人员可以对该说明书涉及的本发明做出各种的修改和变化。

Claims (18)

1.一种用于控制电池充电的装置，包括：
输入单元，被配置为将交流电(AC)输入功率转换为直流电(DC)功率；
第一转换器，被配置为存储或输出所述直流电功率；
电路单元，具有第二电感器、并联连接至所述第二电感器的第一开关和串联连接至所述第二电感器的第二开关，被配置为基于所述交流电输入功率的正常操作状态和瞬时电力故障状态，通过控制所述第一开关和所述第二开关的闭合或断开来同时滤波和提升输出功率；以及
第二转换器，被配置为转换所述滤波或提升的功率并且将所述功率供给至高压电池。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一转换器包括：
第一电感器；以及
第一输出电容器，并联连接至所述第一电感器。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述电路单元包括：
所述第二电感器，串联连接至所述第一电感器并且并联连接至所述第一输出电容器；以及
第二输出电容器，并联连接至所述第一输出电容器。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，当所述交流电输入功率处于所述正常操作状态时，所述第一开关保持断开并且所述第二开关保持闭合。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一电感器和所述第一输出电容器形成一级滤波器并且所述第二电感器和所述第二输出电容器形成二级滤波器。
6.根据权利要求3所述的装置，其中，当所述交流电输入功率处于所述瞬时电力故障状态时，交替地闭合和断开所述第一开关和所述第二开关。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一输出电容器的电压被提升并且存储在所述第二输出电容器中以增加保持时间。
8.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第二电感器是等于或小于所述第一电感器的低容量电感器并且所述第二输出电容器是等于或小于所述第一输出电容器的低容量电容器。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二转换器是直流-直流(DC-DC)转换器。
10.一种用于控制电池充电的方法，包括：
通过输入单元将交流电(AC)输入功率转换为直流电(DC)功率；
通过第一转换器存储或输出所述直流电功率；
基于所述交流电输入功率的正常操作状态和瞬时电力故障状态，通过电路单元控制第一开关和第二开关的闭合或断开来同时滤波和提升输出功率，其中，所述电路单元包括第二电感器、并联连接至所述第二电感器的所述第一开关和串联连接至所述第二电感器的所述第二开关；以及
通过第二转换器转换所述滤波或提升的功率并且将所述功率供给至高压电池。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一转换器包括：
第一电感器；以及
第一输出电容器，并联连接至所述第一电感器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电路单元包括：
所述第二电感器，串联连接至所述第一电感器并且并联连接至所述第一输出电容器；以及
第二输出电容器，并联连接至所述第一输出电容器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述交流电输入功率处于所述正常操作状态时，所述第一开关保持断开并且所述第二开关保持闭合。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一电感器和所述第一输出电容器形成一级滤波器并且所述第二电感器和所述第二输出电容器形成二级滤波器。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述交流电输入功率处于所述瞬时电力故障状态时，交替地闭合和断开所述第一开关和所述第二开关。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一输出电容器的电压被提升并且被存储在所述第二输出电容器中以增加保持时间。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二电感器是等于或小于所述第一电感器的低容量电感器并且所述第二输出电容器是等于或小于所述第一输出电容器的低容量电容器。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二转换器是直流-直流(DC-DC)转换器。
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