CN106797174B - 具有降级的充电模式的、用于从三相网络对电池进行充电的设备和方法 - Google Patents

具有降级的充电模式的、用于从三相网络对电池进行充电的设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于从三相网络对电池进行充电的设备和方法，具有降级的充电模式。这种用于从三相供电网络对电池、具体为电力牵引机动车辆的电池进行充电的设备包括：旨在连接至所述三相网络的第一滤波级、连接至所述滤波级的降压级(3)、旨在连接至所述电池并经由电感部件耦合至所述降压级的升压级(4)、以及被适配成用于对所述降压级(3)并对所述升压级(4)施加循环切换比例的调节单元(CPU)。所述设备包括用于将所述调节单元的运行温度与阈值进行比较的装置(CPU)以及用于当所述调节单元的运行温度超过所述阈值时基于所述三相网络的两相来控制所述充电的装置。

Description

具有降级的充电模式的、用于从三相网络对电池进行充电的 设备和方法
技术领域
本发明涉及一种从三相供电网络对高压电池、具体为机动车辆的驱动电池进行充电的设备。
背景技术
在高压电池再充电系统中，来自网络的电功率相继通过两个转换器：降压转换器和升压转换器，而被传输至电池。通过以根据期望的输出电压和/或输出电流控制的频率相继地打开和闭合一系列开关，这两个转换器允许其输出端子与其输入端子之间的电压比分别逐步降低和逐步升高。
此类再充电系统例如在涉及用于机动车辆的嵌入式再充电系统的专利申请FR 2943 188中有所描述，从而允许从三相或单相电路对车辆电池进行再充电。这个再充电电路与电动机器的线圈相结合，该电动机器同样提供了比如生成电流或车辆推进的其他功能。
还可以参照文献FR 2 974 253，所述文献描述了一种用于调节再充电设备的降压电路和升压电路的设备并且允许不管所述设备的输入端处是否存在RLC滤波器都保持从单相供电网络所取电流和电压的相位差较低。
此外，当在相对温暖的气候条件下使用电池充电器时，其温度易于升高超过可接受值，从而导致充电中断以便允许设备冷却。
各种部件可能是这种中断的原因。具体地，用于调节降压和升压电路的单元的微控制器易于产生大量热量。
这种中断被维持到温度返回至预定阈值以下，这个时候重新开始充电。如果温度再次升高则重复这个过程，如果气候条件不改变则情况一般如此。因此，完整的充电操作最终会花非常长的时间。
就这一点而言，文献CN 203415961描述了一种电池充电器，其中，规定了在充电器的内部部件温度升高超过阈值情况下进行中断。
从文献US 2007069690和US 2014084859，根据充电器所受的热应力来调节充电器的功率也是已知做法。
已经论证的是，当充电器从三相网络对电池进行充电时，不能够应用如现有技术中所实现的基于中断充电的策略。
确切地，当充电器连接至三相网络时，由以下各项组成的策略不合适：减小充电功率从而使得温度降低，以及当所述功率达到零时中断充电操作。实际上已经论证了，微控制器(CPU)的加热与其使用水平成比例，从而使得其温度主要取决于其CPU负载，即取决于由其实现的计算功率。因而，限制对电池的充电并不允许降低微控制器的温度，如果其计算功率未降低的话。
当微控制器的温度超过阈值时，使其温度降低的唯一方式是使其不再运行。
发明内容
鉴于以上所述，本发明提出了当调节单元的温度升高时通过实现降级的充电模式来避免充电中断以及优化电池的再充电时间，尤其在不利的气候条件下。
因此，根据第一方面，本发明的一个主题是一种用于从三相供电网络对电池、具体为电力驱动机动车辆的电池进行充电的设备，此设备包括：旨在连接至所述三相网络的滤波级、连接至所述滤波级的降压级、旨在连接至所述电池并经由电感部件耦合至所述降压级的升压级、以及被设计成用于对所述降压级并对所述升压级施加斩波占空比的至少一个调节单元。
此设备另外包括用于将所述调节单元的运行温度与第一阈值进行比较的装置以及用于当所述调节单元的运行温度超过所述阈值时控制所述充电操作从而使得其借助所述三相网络中的仅两相而发生的装置。
因而，所述降级的运行模式由以下组成：从三相供电网络进行充电但使用降级的模式，类似于从单相网络进行充电、从三相网络的仅两相进行充电，由此需要对调节单元的微控制器的更低使用水平。
在一个实施例中，所述设备包括用于当所述调节单元的运行温度高于比所述第一阈值低的第二阈值时控制所述充电操作从而使得其借助所述三相网络的三相而发生的装置。
所述调节单元优选地另外包括用于根据施加于所述降压级的所述斩波占空比来在这个级的两条支路之间对流经所述降压级的电流进行分配的装置。
在这种情况下，所述调节单元包括用于实现对所述降压级的调节的装置，所述装置使用在一个电流支路上被控制的单个开关。
根据所述充电设备的另一特征，所述调节单元包括：用于对所述升压级施加斩波占空比的装置，以及用于补偿由于从所述网络的所述两相进行充电所导致的所述降压级的输出电压的升高的装置。
根据第二方面，本发明的另一主题是一种用于从三相供电网络对电池、具体为电力驱动机动车辆的驱动电池进行充电的方法，其中，对由所述网络所传递的输入电压进行滤波，电功率经由降压级和升压级从所述网络传输至所述电池，所述降压级和所述升压级经由电感部件耦合，并且其中，用于调节所述降压级和所述升压级的调节单元的运行温度与第一阈值相比较，并且当所述温度超过所述第一阈值时从所述三相网络的仅两相对所述电池进行充电。
在一种实现方式模式中，一旦所述温度返回为低于比所述第一阈值低的第二阈值，就对所述电池充电操作进行控制从而使得其借助所述网络的三相而发生。
有利地，针对所述降压级并针对所述升压级计算斩波占空比，并且根据对所述降压级施加的所述斩波占空比来在所述降压级的两条支路之间对流经所述降压级的电流进行分配。
有利地，如果连接至所述两相的第一支路的相的电压高于连接至所述两相的第二支路的相的电压，则与所述第二支路的二极管串联的开关闭合并将所述斩波占空比应用于所述第一支路，并且如果情况并非如此，则与所述第一支路的二极管串联的开关闭合并且将所述斩波占空比应用于所述第二支路。
类似地，在从所述供电网络的所述两相进行充电的操作过程中，所述降压级的第三支路有利地保持打开。
附图说明
通过阅读仅借助非限制性示例并且参照附图所提供的以下说明，本发明的其他的目的、特征以及优点将会清楚，在这些附图中：
-图1展示了根据本发明的一个实施例的再充电设备；
-图2示出了根据本发明的再充电方法的流程图。
具体实施方式
图1根据本发明的一个实施例示意性地呈现了用于从三相供电网络对电力驱动机动车辆的电池进行充电的设备。
再充电设备1包括滤波级2、耦接至滤波级2的降压整流器级3、以及经由电动机器5(在此，由车辆的电驱动电机形成)耦接至降压级3的升压级4。
在输入端，设备1包括能够耦接至供电网络的三个端子B1、B2、B3。
所述输入端子B1、B2和B3耦接至滤波级2的三个对应滤波支路上。每个滤波支路包括两个并联的支路，一条支路承载了串联的具有电感值L1的电感器和具有电阻值R的电阻器，并且另一条支路承载了具有电感值L2的电感器。
这三个滤波支路各自在输出端耦接至具有电容值C的电容器。具有电阻值R的电阻器、具有电感阻值L1或L2的电感器、以及这些具有电容值C的电容器一起在降压器3的输入端处形成了RLC类型的滤波器。
降压器3包括三个并联支路6、7和8，每一条支路包括受调节单元CPU控制的两个开关，比如S1p和S1n、S2p和S2n、以及S3p和S3n。每条支路包括两个二极管D1p和D1n、D2p和D2n、以及D3p和D3n，各自与所述支路的所述两个开关之一串联连接。
降压器的每个输入端经由支路F1、F2和F3连接至定位在同一支路6、7和8的两个开关(比如S1p和S1n)之间的一个连接点。
这些支路6、7和8的两个共用末端形成了降压器3的两个输出端子。这些端子之一被连接至电池9的“-”端子并且连接至升压器4的第一输入端10。另一个端子被连接至电动机器5的第一中性端子，该电动机器的另一个端子被连接至升压器4的第二三重输入端11。
如可见，电动机器5在此由并联的三条支路12、13和14的组合形成，每条支路包括与电阻器R1d串联的电感器L1d。
升压级4包括并联的三条支路15、16和17，每条支路包括与二极管D1、D2和D3串联的开关S3、S4和S5。
电动机器的这三条支路12、13和14分别连接在这三条支路15、16和17的开关与二极管之间。
这三条支路15、16和17将升压级的第一输入端10连接至电池9的“+”端子。
最后，可见旨在保持电池9的端子两端的电压相对稳定的电容器20连接至电池9的这些端子。还提供了用于监测电池(未示出)的电荷的电荷监测模块，以便传递设定点值，所述设定点值根据电池的电荷水平反映有待经由电池9的“+”端子输入的电流的最优安培。这个电荷监测模块旨在将所述电池电流设定点值传输至调节单元。
此外，在充电设备中提供了测量模块，以便将在充电设备的特征点处测量的电流和电压值传输至调节单元。确切地，图1中可见的是，所述设备配备有：用于测量流经电动机器的电流In的构件21，用于在RLC滤波器的输入端处测量经滤波电流If的安培值的构件22，以及用于测量或用于计算所述网络的输入电源电压V1、V2和V3的值以及降压级3的输出电压Vkn的值和电池的电压值的构件。
最后，调节单元CPU配备有用于测量温度的装置23。例如嵌入调节单元CPU内或嵌入车辆的计算机内的比较装置将调节单元的(并且具体为调节单元的微控制器的)测量温度与第一阈值进行比较，超过所述第一阈值，充电操作根据降级的模式而发生。
就这一点而言，可以规定第一阈值在90°与100°之间。然而，根据所使用的部件的类型，可以使用其他阈值。
当调节器的微控制器的温度超过阈值时，调节单元开始打开降压级3的支路6、7和8之一的开关，以阻止通过这条支路的所有电流。在这种情况下，这意味着打开第二支路7的开关S2p和S2n，以采取与从单相网络进行充电类似的充电模式，针对所述单相网络，对微控制器的计算要求较低。
当调节单元检测到微控制器的测量温度已经返回为低于比所述第一阈值低的第二阈值时，它开始重新闭合这两个开关S2p和S2n，以便返回至三相充电。
换言之，对滞后做出了规定，以便避免充电模式过于频繁的改变。
常规地，降压级3负责调节充电功率。升压级4就其本身而言调节由第一级引起的电流In。
降级的充电模式期间实现的功率调节操作与当从单相电路进行充电时的操作类似。然而，当以降级的模式进行充电时所使用的等效单相网络传递更高的电压。确切地，借助三相，两相之间的电压的值是即380伏特(RMS)。这样，专用于调节功率的调节单元的功率调节级15a通过使用反馈回路来补偿其输出电压Vkn。
调节单元的功率调节级还针对降压级3的开关S1p、S1n、S3p和S3n计算斩波占空比，以便在其每个相之间对电流进行分配。
在从网络流至降压级3的输出端的电流的50％的占空比的情况下，并且如果中性阶段的电流值是100A，则降压级3的输入端处的电流将是50A。在从降压级3的输入端流动至供电网络的电流的50％的占空比的情况下，并且如果中性阶段的电流值是100A，则降压级3的输入端处的电流将是-50A。
这样，出于实际原因，在本申请中按照惯例使用具有-1与1之间符号值乘以中性电流的占空比，所述中性电流代表降压级3的输入端处的电流。换言之，如果这个占空比为正，则电流经由第一相(在本实例中通过第一支路6)到达，并经由第三相(在本实例中通过第三支路8)离开。
相反地，如果占空比为负，则电流经由第三相到达并经由第一相离开。
用于调节升压级4的级15b还施加用于打开开关S3、S4和S5的占空比。它具体地控制充电电流的值，以便补偿由占空比所施加用于打开第一支路6和第三支路8的开关的电压Vkn的升高。
已知的是，单相调节生成与电压同步的占空比。
因而，如果第一相的电压高于第三相的电压，则由对降压级3的调节而引起的占空比将为正，并且在相反的情况下将为负。
为了在第一相与第三相之间分配电流，从调节命令α开始执行以下程序：
-开关S1n和S3n保持永久闭合并且开关S2p和S2n保持永久打开；
-基于在期望电流与中性电流In之间的比例来计算占空比α的绝对值；
-如果占空比为正，则将这个占空比应用于开关S1p并且开关S3p永久地闭合；
-如果占空比为负，则将这个占空比应用于开关S3p并且开关S1p永久地闭合。
因而，在占空比为正的情况下，第一相上的电压高于第三相上的电压，从而使得电流将通过以下方式流动：当开关S1p闭合时，经由第一相到达并经由第三相返回，不管开关S3p处于打开还是闭合状态。
当开关S3p闭合时，支路8的二极管D3p在开关S1p打开时充当回描二极管。
在占空比为负的情况下，所述相同的理由适用于第一相与第三相之间。当开关S3p打开时，二极管D1p充当回描二极管。
在任何情况下，回描二极管总是存在，因为当占空比改变符号时，降压级3的支路中的至少一条支路上总是存在闭合的开关。回描电流所流经的路径使用同一支路的两个二极管。
已经论证的是，调节操作实际在每个计算步骤中只控制一个开关，由此允许微控制器上的计算负载被显著地降低并且因此允许在不中断充电的情况下将其冷却。在一整个周期内，五个开关或者永久地闭合或者永久地打开，只有一个开关实际受控制。
实践中，达到微控制器上的负载水平，所述水平小于在常规单相充电情况下测量的水平。
最后，参照图2，图2展示了根据本发明的充电方法的主要阶段。
如上所述，当充电器正常地运行时，即当从三相网络进行充电时，首先对由供电网络所传递的电压进行滤波，然后将所述网络所引起的功率传递至电压整流器级3以便进行整流、然后传递至升压级4，从而穿过车辆的电动机(其可以比作与电感线圈串联的电阻器)，最终到达电池，以便以恒定电流对其进行充电。
在第一步骤E1中，测量调节单元CPU的温度，并且具体为微控制器的温度；
在接下来的步骤E2中，执行测试以便判断测量的温度T是否在第一阈值阈值1以上。
如果情况并非如此，则所述方法返回至前一步骤E1。
如果情况如此，则通过在第一相与第三相的支路之间对流经降压级的电流进行分配(步骤E3)，来实现以降级的模式进行充电(步骤E3)，同时在以降级的模式进行充电的整个阶段内保持支路7打开。
在接下来的步骤E4中，执行测试以便检测温度是否已经降至比所述第一阈值低的第二阈值(阈值2)以下。
如果情况如此，则以降级的模式进行充电的程序结束并启动以三相模式进行充电，即从网络的三相进行充电。
如果情况并非如此，则所述方法返回至前一步骤E1。
应该注意的是，作为变体，根据本发明的充电设备使用多个调节单元，例如一个单元用于控制降压级，所述降压级与控制升压级的单元物理地分开。在本发明的这个变体实施例中，本发明的原理保持不变，该变体使得可以暂时地限制对驱动电池进行再充电所需的计算资源。

Claims (10)

1.一种用于从三相供电网络对电池进行充电的设备，包括：旨在连接至所述三相供电网络的第一滤波级、连接至所述滤波级的降压级(3)、旨在连接至所述电池并经由电感部件耦合至所述降压级的升压级(4)、以及被设计成用于对所述降压级(3)施加斩波占空比的至少一个调节单元(CPU)，其特征在于，所述设备包括：用于将所述调节单元的运行温度与第一阈值进行比较的装置、以及用于当所述调节单元的运行温度超过所述第一阈值时控制充电操作从而使得所述充电操作借助所述三相供电网络中的仅两相而发生的装置。
2.如权利要求1所述的设备，包括用于当所述调节单元的运行温度低于比所述第一阈值低的第二阈值时控制所述充电操作从而使得所述充电操作借助所述三相供电网络的三相而发生的装置。
3.如权利要求1和2中任一项所述的设备，其中，所述调节单元包括用于根据施加于所述降压级(3)的所述斩波占空比来在这个级的两条支路之间对流经所述降压级的电流进行分配的装置。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述调节单元包括用于实现对所述降压级的调节的调节装置，所述调节装置使用在一个电流支路上被控制的单个开关。
5.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述调节单元(CPU)包括用于对所述升压级施加斩波占空比的装置以及用于补偿由于从所述三相供电网络的所述两相进行充电所导致的所述降压级的输出电压的升高的装置。
6.一种用于从三相供电网络对电池进行充电的方法，其中，对由所述三相供电网络所传递的输入电压进行滤波，经滤波的电功率经由降压级(3)和升压级(4)从所述三相供电网络传输至所述电池，所述降压级和所述升压级经由电感部件耦合，其特征在于，用于调节所述降压级的调节单元(CPU)的运行温度与第一阈值相比较，并且当所述运行温度超过所述第一阈值时从所述三相供电网络的仅两相对所述电池进行充电。
7.如权利要求6所述的方法，其中，当所测量的运行温度低于比所述第一阈值低的第二阈值时，对所述电池充电操作进行控制从而使得其借助所述三相供电网络的三相而发生。
8.如权利要求6和7中任一项所述的方法，其中，针对所述降压级并针对所述升压级计算斩波占空比，并且根据施加于所述降压级的所述斩波占空比来在所述降压级的两条支路之间对流经所述降压级的电流进行分配。
9.如权利要求8所述的方法，其中，如果连接至所述两相的第一支路的相的电压高于连接至所述两相的第二支路的相的电压，则与所述第二支路的二极管串联的开关闭合并将所述斩波占空比应用于所述第一支路，并且如果情况并非如此，则与所述第一支路的二极管串联的开关闭合并且将所述斩波占空比应用于所述第二支路。
10.如权利要求9所述的方法，其中，在从所述三相供电网络的所述两相进行充电的操作过程中，所述降压级的第三支路保持打开。
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