CN104837669A - 用于从三相交流电压源中给电储能器充电的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于从三相交流电压源（U1，U2，U3）中给电储能器（B）充电的装置（100），该装置具有：-与交流电压源（U1，U2，U3）电连接的转换器设备（20），所述转换器设备（20）具有三个半桥（H1，H2，H3），所述半桥（H1，H2，H3）分别具有两个串联的开关（S1，S2；S3，S4；S5，S6），其中在半桥（H1，H2，H3）之一的两个开关（S1...S6）的连接点与交流电压源（U1，U2，U3）的各一个相之间电连接有各一个电感(L1，L2，L3)；以及-与转换器设备（20）的中间电路电容器（C1）电连接的降压变换器设备（TS），其中降压变换器设备（TS）的开关（STS）在装置（100）的充电运行中时钟控制地被切换，并且在转换器设备（20）的常规运行中被断开；以及-在转换器设备（20）的常规运行中能跨接降压变换器设备（TS）所借助的开关（SF）；-其中借助于控制设备（10）根据交流电压源（U1，U2，U3）的相电压和流经电感（L1，L2，L3）的电流，降压变换器设备（TS）的开关（STS）和转换器设备（20）的半桥（H1，H2，H3）的开关（S1...S6）能够被切换为使得从用于对电储能器（B）进行充电的交流电压源（U1，U2，U3）提取的用于电储能器（B）的充电电流被构造为使得交流电压源（U1，U2，U3）的每个相电流都基本上为正弦形的，其中所述相电流与交流电压源（U1，U2，U3）的相应的相电压基本上同相。

Description

用于从三相交流电压源中给电储能器充电的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于从三相交流电压源中给电储能器充电的装置。此外，本发明还涉及一种用于从三相交流电压源中给电储能器充电的方法。
背景技术
一种公知的用于给电池进行三相充电的装置包括：连接到三相交流电压源上的有源B6电桥，其用于实现无功电流补偿或功率因数校正设备（英语：Power Factor Correction，功率因数校正）；以及连接到其上的降压变换器。另一B6电桥被连接到降压变换器上。
DE 195 235 76 A1描述了一种交流电压-直流电压电源部分以及一种用于在高压系统中将交流电压转换成直流电压的方法。那里描述的交流电压-直流电压电源部分包括半导体开关，该半导体开关在回流转换器（Rücklaufwandler）的低压侧具有比高压侧的半导体开关更低的击穿电压。较低的击穿电压可以借助于分路调节器来实现，该分路调节器调节低压开关侧的端电压。
发明内容
根据第一方面，本发明实现一种用于从三相交流电压源中给电储能器充电的装置，该装置具有：
-与交流电压源电连接的转换器设备，其具有三个半桥，所述半桥分别具有两个串联的开关，其中在半桥之一的两个开关的连接点与交流电压源的各一个相之间电连接有各一个电感；以及
-与转换器设备的中间电路电容器电连接的降压变换器设备，其中降压变换器设备的开关在装置的充电运行中以时钟控制的方式被切换，并且在转换器设备的常规运行中被断开；以及
-在转换器设备的常规运行中能跨接降压变换器设备所借助的开关；
-其中借助于控制设备根据交流电压源的相电压和流经电感的电流，降压变换器设备的开关和转换器设备的半桥的开关能被切换为使得从用于对电储能器进行充电的交流电压源提取的用于电储能器的充电电流被构造为使得交流电压源的每个相电流都基本上为正弦形的，其中所述相电流与交流电压源的相应的相电压基本上同相。
根据第二方面，利用本发明提供一种用于从三相交流电压源中对电储能器进行充电的方法，该方法包括下列步骤：
-在需要时借助于转换器设备将交流电压源的所有电压相升高为使得转换器设备的中间电路的电压水平高于电储能器的电压水平，其中转换器设备的开关被操作为使得交流电压源的相电流基本上为正弦形，并且其中交流电压源的相电流与交流电压源的相电压基本上同相；以及
-借助于时钟控制地操作与转换器设备的电容器电连接的降压变换器设备来为电储能器生成充电电流。
根据本发明的装置的优选改进方案是从属权利要求的主题。
本发明的一个优选实施方式的特征在于，交流电压源的相电流在转换器设备的充电运行中被构造为使得对与转换器设备连接的电机不施加转矩。这所提供的优点是，在充分利用克拉克变换形式的数学方法的情况下可以有利地调整所连接的电动机在充电运行中的电流。
根据本发明的装置的另一优选实施方式的特点在于，降压变换器设备的开关是单向导通半导体开关，该半导体开关仅在朝向储能器的方向上允许电流通过。因此，有利地支持电池的效率高的充电运行。
根据本发明的装置的另一优选实施方式的特征在于，降压变换器设备的开关在转换器设备的充电运行中以脉宽调制方式被时钟控制。有利地可以以这种方式借助于被证明的时钟控制方法来调整充电电流。
根据本发明的装置的另一优选实施方式的特点在于，跨接降压变换器设备的开关是接触器或半导体开关。由此有利地为所述开关提供选择可能性。
根据本发明的装置的另一优选实施方式的特点在于，将转换器设备的中间电路电容器构造成电流调整器设备的中间存储器。由此，有利地得出电容器的节省，因为转换器设备的电容器改善地也被充分利用用于充电运行。
根据本发明的方法的一个有利的改进方案的特点在于，降压变换器设备的开关的占空比（Taktverhältnis）是根据电储能器的充电状态的需求来构造的。有利地可以以这种方式根据需求来确定电储能器的充电电流的大小。
根据本发明的方法的另一有利的改进方案的特点在于，降压变换器设备的开关仅仅在电储能器的充电运行中被操作，其中开关在转换器设备的常规运行中被断开，并且其中降压变换器设备借助于开关被跨接。有利地由此得出降压变换器设备在常规运行中的脱离，其中对于转换器设备，降压变换器设备被跨接。
发明优点
在本发明中被看成特别有利的是，非常好地充分利用已经存在的转换器设备，其方式是，该转换器设备既被用于常规行驶运行又被用于电池的充电运行。此外，可以通过使用转换器内部的电容器来节省附加的中间电路电容器。通过这种方式，转换器设备与耦合电感一起在为遵循EN电网标准所规定的谐波因数改善的意义上实现校正功能性。
结果，由此可以有利地借助于转换器设备和连接在后面的降压变换器设备来导致电储能器的效率高的和成本低的三相充电。
另外被视为有利的是，通过使用作为升压变换器的转换器设备以及使用连接在后面的降压变换器设备，可以将根据本发明的原理用在宽的输入电压范围和电池电压范围中。通过这种方式实现可在世界范围内使用的充电方案。
下面根据实施方式参考图来阐述本发明的另外的特征和优点。在此，所有所描述或所示出的特征本身或以任意组合都构成本发明的主题，而与其在权利要求书中的概括或者其回引无关以及与其在说明书或在图中的表达或图示无关。图尤其是被认为用于阐明发明基本原理并且应不必要被理解成与细节一致的电路图。在图中，相同的附图标记表示相同或功能相同的元件。
附图说明
图1示出了用于给电储能器进行三相充电的示例性装置；
图2示出了根据本发明的装置的第一实施方式；以及
图3示出了根据本发明的方法的实施方式的流程图的原理图。
具体实施方式
图1示出了用于在宽的电压输入范围中给电储能器B（例如可再充电电池或蓄电池）进行三相充电的示例性装置。三相输入交流电压U1、U2、U3（例如三相电流（Drehstrom））借助于B6电桥电路形式的有源电桥开关设备21被升压或提升到较高的中间电路电压水平。电感L1、L2和L3是去耦电感，以便控制交流电压源U1、U2、U3的相电压中的相电流。
具有各两个串联的半导体开关的电桥开关设备21实现所需的PFC功能性（英语：Power Factor Correction，功率因数校正）以用于在谐波方面遵循预先给定的极限值。连接在后面的中间电路电容器C2使所存在的电压波纹平滑化。
连接在后面的具有纵向开关S2的降压变换器被用作用于给电储能器B充电的电流调整器。借助于降压变换器，中间电路电压的电压水平根据电储能器B的充电要求被减小。
充电电路到电储能器B上的电耦合是借助于转换器设备20进行的，该转换器设备20同样被构造成有源B6电桥电路。在此，充电电流流经转换器设备20的高压侧开关S1、S3、S5的空转二极管（未示出）。
根据本发明，现在规定：将转换器设备20经改善地充分利用用于给电储能器B进行三相充电。
图2示出了根据本发明的装置100的第一实施方式的电路原理图。
在三个相电压U1、U2、U3中的各一个之间，各一个耦合电感L1、L2、L3被电连接到转换器设备20的三个半桥H1、H2、H3的两个开关S1...S6的连接点上。
电动机M被连接到转换器设备20的半桥H1、H2、H3的各两个开关S1...S6的连接点上，其中电动机M在常规的行驶运行中通过转换器设备20从电储能器B中被馈送电能。
降压变换器或电流调整器设备TS与转换器设备20的中间电路电容器C1电连接，其中降压变换器设备TS具有纵向开关STS、低通电感L4和空转二极管FLD。中间电路电容器C1优选地被构造为降压变换器设备TS的电荷中间存储器或被确定大小。
在转换器设备20的充电运行中，向电子控制设备10输送借助于电流和电压传感器（未示出）确定的值和三个相电压、相电流和流经电感L4的充电电流（电池充电电流）的时间走向曲线。根据所述参数，借助于控制设备10将转换器设备20的开关S1...S6切换为使得三个相电流与相应的相电压U1、U2、U3基本上同相并且被构造为基本上正弦形的。有利地通过所述运行方式来给转换器设备20的所有六个开关S1...S6对称地和均匀地加载荷。
转换器设备20在功能上实现升压变换器拓扑，该升压变换器拓扑实现将输入交流电压的电压水平升高得高于电储能器B的电压水平。
由此，根据本发明，转换器设备20与电感L1...L3一起接管根据谐波因数改善（英语：Power Factor Correction，功率因素校正）原理的校正设备的功能性。
结果，这意味着在三相交流电压源的三个相U1、U2、U3中提供欧姆特性，这有利地引起到三相交流电网中的少的谐波发射。也就是说，通过这种方式，提供与每个电网电压同步的电流走向曲线。
借助于降压变换器设备TS的开关STS，在充电运行中还为电储能器B产生总计的充电电流，该充电电流优选不超过所定义的最大值。这通过时钟控制地（getaktet）操作降压变换器设备TS的开关STS（例如脉宽调制时钟脉冲）来实现，其中通过时钟控制地切换单向导通开关STS来周期性地中断经由电感L4的电流流动。因此设置有空转二极管FLD，该空转二极管FLD对于所定义的时间间隔实现经由电感L4到电储能器B中的电流流动。
在转换器设备20的常规的电机运行或行驶运行期间，跨接降压变换器设备TS的开关SF被闭合，并且三相交流电压源U1、U2、U3与转换器设备20分离。在此，开关SF可以要么被构造成机电接触器、要么被构造成半导体开关。电动机M根据所规定的行驶运行被操控。在充电运行期间，开关SF被断开，并且开关STS被时钟控制，以便为电储能器B生成充电电流。
结果，也就是说，转换器设备20被直接连接到三相交流电压源U1、U2、U3上，并且根据PFC功能性的实现被操控。
电机电流的三个相电流在充电运行期间根据克拉克（Clarke）变换的数学原理被换算成具有无功分量和有功分量（Iq = 0, Id > 0）的两相系统，由此有利地在电动机M中不产生转矩。电动机M因此有利地在充电运行中静止。
如果充电过程结束，则转换器设备20与三相交流电压源U1、U2、U3分离，开关STS被持久地断开并且开关SF被闭合。
由此，结果可以执行转换器设备20的行驶运行与充电运行之间的简单切换。
图3示出了根据本发明的方法的实施方式的原理流程图。
在第一步骤201中，在需要时借助于转换器设备20将交流电压源U1、U2、U3的所有电压相升高为使得转换器设备20的中间电路的电压水平高于电储能器B的电压水平，其中转换器设备20的开关S1...S6被操作为使得交流电压源U1、U2、U3的相电流基本上为正弦形，并且其中交流电压源U1、U2、U3的相电流与交流电压源U1、U2、U3的相电压基本上同相。
在第二步骤202中，借助于时钟控制地操作与转换器设备20的电容器C1电连接的降压变换器设备TS来为电储能器B执行充电电流的生成。
有利地借助于根据本发明的装置和根据本发明的方法可以在单个被构造成B6电桥的转换器设备中塑造特别多的功能性。另外，借助于直接地、即在没有中间连接的中间电路的情况下连接到三相交流电压源上的转换器设备能够实现电池的三相充电。
也就是说，借助于本发明可以有利地更好地充分利用已经存在的转换器设备20，由此可以节省硬件以及由此节省空间和成本。
尽管本发明是根据优选实施例描述的，但是本发明不局限于此。也就是说，技术人员将能够对本发明的所描述的特征进行改动或彼此组合，而不偏离本发明的核心。

Claims (10)

1.用于从三相交流电压源（U1，U2，U3）中给电储能器（B）充电的装置（100），该装置具有：
-与交流电压源（U1，U2，U3）电连接的转换器设备（20），所述转换器设备（20）具有三个半桥（H1，H2，H3），所述半桥（H1，H2，H3）分别具有两个串联的开关（S1，S2；S3，S4；S5，S6），其中在半桥（H1，H2，H3）之一的两个开关（S1...S6）的连接点与交流电压源（U1，U2，U3）的各一个相之间电连接有各一个电感(L1，L2，L3)；以及
-与转换器设备（20）的中间电路电容器（C1）电连接的降压变换器设备（TS），其中降压变换器设备（TS）的开关（STS）在装置（100）的充电运行中时钟控制地被切换，并且在转换器设备（20）的常规运行中被断开；以及
-在转换器设备（20）的常规运行中能跨接降压变换器设备（TS）所借助的开关（SF）；
-其中借助于控制设备（10）根据交流电压源（U1，U2，U3）的相电压和流经电感（L1，L2，L3）的电流，降压变换器设备（TS）的开关（STS）和转换器设备（20）的半桥（H1，H2，H3）的开关（S1...S6）能够被切换为使得从用于对电储能器（B）进行充电的交流电压源（U1，U2，U3）提取的用于电储能器（B）的充电电流被构造为使得交流电压源（U1，U2，U3）的每个相电流都基本上为正弦形的，其中所述相电流与交流电压源（U1，U2，U3）的相应的相电压基本上同相。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，交流电压源（U1，U2，U3）的相电流在转换器设备（20）的充电运行中被构造为使得对与转换器设备（20）连接的电机（M）不施加转矩。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，降压变换器设备（TS）的开关（STS）是单向导通半导体开关，所述半导体开关仅在朝向储能器（B）的方向上允许电流通过。
4.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，降压变换器设备（TS）的开关（STS）在转换器设备（20）的充电运行中以脉宽调制方式被时钟控制。
5.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，跨接降压变换器设备（TS）的开关（SF）是接触器或半导体开关。
6.根据权利要求1至5之一所述的装置，其特征在于，转换器设备（20）的中间电路电容器（C1）被构造成电流调整器设备（TS）的中间存储器。
7.用于从三相交流电压源（U1，U2，U3）中对电储能器（B）进行充电的方法，该方法包括步骤：
-在需要时借助于转换器设备（20）将交流电压源（U1，U2，U3）的所有电压相升高为使得转换器设备（20）的中间电路的电压水平高于电储能器（B）的电压水平，其中转换器设备（20）的开关（S1...S6）被操作为使得交流电压源（U1，U2，U3）的相电流基本上为正弦形的，并且其中交流电压源（U1，U2，U3）的相电流与交流电压源（U1，U2，U3）的相电压基本上同相；以及
-借助于时钟控制地操作与转换器设备（20）的电容器（C1）电连接的降压变换器设备（TS）来为电储能器（B）生成充电电流。
8.根据权利要求7所述的方法，
其中降压变换器设备（TS）的开关（STS）的占空比是根据电储能器（B）的充电状态的需求来构造的。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中降压变换器设备（TS）的开关（STS）仅仅在电储能器（B）的充电运行中被操作，其中开关（STS）在转换器设备（20）的常规运行中被断开，并且其中降压变换器设备（TS）借助于开关（SF）被跨接。
10.一种计算机程序产品，其具有程序代码装置，所述程序代码装置用于当所述计算机程序产品在电子控制设备（10）上运行或者存储在计算机可读数据载体上时执行根据权利要求7至9之一所述的方法。
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