CN108134413B - 充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对机动车辆的电能存储装置进行充电的充电装置(1)，充电装置具有转换设备(2)，转换设备将从中压电网(3)供应的功率转换成适于能量存储装置的充电过程的功率。转换设备(2)在此包括连接至中压电网(3)的至少一个相(13)的至少一个相单元(4)，相单元具有至少两个导线束(14，24)即用于相(13)的正分量的至少一个导线束(14)以及用于相(13)的负分量的至少一个导线束(24)。至少一个模块(5)各自与导线束(14，24)相关联，至少一个模块具有至少一个输入单元(6)、至少一个逆变器单元(7)、至少一个变压器单元(8)、至少一个输出单元(9)及与变压器单元(8)相关的至少一个整流器单元(18)。

Description

充电装置
技术领域
本发明涉及一种用于对机动车辆的电能存储装置进行充电的充电装置。
背景技术
一般在充电柱处对电动车辆的能量存储装置进行充电，所述充电柱连接至公共供电系统。为此目的，一般使用专门针对低电压连接设计的充电系统，即低于1500V并且例如针对400V三相系统。
然而，在所谓的汽车充电场对多台车辆进行充电需要较高的功率，其结果是必须依靠中压电网。然而，这个目的所需的电网变压器在尺寸和成本方面具有缺陷并且还与电网频率有联系，其结果是产生高损耗。
现有技术因此披露了在没有电网变压器的情况下管理的充电系统。这些充电系统配备有用于这个目的的功率半导体的串联连接。然而，功率半导体的这种互连布置关于平衡要求非常高的复杂度，因为否则存在向单独半导体不均匀地分配电压的高风险以及因此存在单独半导体故障的高风险。
发明内容
相反，本发明的目的是提供一种用于机动车辆的电能存储装置的充电装置与中压电网的改进的且优选的不复杂的并且有成本效益的连接。
所述目的是通过一种具有如下条款1的特征的充电装置实现的。优选的特征是条款2-13的主题。从本发明的一般说明和示例性实施方案的说明中体现了进一步的优点和特征。
条款1.一种用于对机动车辆的电能存储装置进行充电的充电装置，所述充电装置包括至少一个转换设备，所述转换设备用于将从中压电网供应的功率转换成适用于所述能量存储装置的充电过程的功率，所述转换设备包括连接至所述中压电网的至少一个相的至少一个相单元，所述相单元具有至少两个导线束，即，用于所述相的正分量的至少一个导线束以及用于所述相的负分量的至少一个导线束，
以及，至少一个模块各自与所述导线束相关联，所述至少一个模块具有至少一个输入单元、至少一个逆变器单元、至少一个变压器单元和至少一个输出单元以及与所述变压器单元相关联的至少一个整流器单元。
条款2.如上述条款1所述的充电装置，其中，至少两个模块各自与所述导线束相关联。
条款3.如上述条款2所述的充电装置，其中，所述相单元的所述模块通过所述模块的输入单元串联地互连。
条款4.如上述条款1-3之一所述的充电装置，其中，所述相单元包括所述中压电网与有待充电的能量存储装置之间的至少一个DC隔离，并且其中，所述DC隔离由所述变压器单元提供。
条款5.如上述条款1-3之一所述的充电装置，其中，所述转换设备包括至少两个并且优选地至少三个相单元，从而使得在每种情况下，为所述中压电网所提供的所述相提供至少一个相单元。
条款6.如上述条款5所述的充电装置，其中，所述相单元通过所述相单元的导线束彼此互连并且优选地并联地互连。
条款7.如上述条款1-3之一所述的充电装置，其中，所述输入单元包括至少一个无源整流器器件。
条款8.如上述条款1-3之一所述的充电装置，其中，所述输入单元包括至少一个有源整流器器件，所述至少一个有源整流器器件优选地具有至少一个相选通控制器和/或至少一个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和/或至少一个场效应晶体管。
条款9.如上述条款1-3之一所述的充电装置，其中，所述模块至少部分地通过至少一个控制设备操作性地彼此连接，从而使得所述输入单元和/或所述逆变器单元能够被所述控制设备驱动。
条款10.如上述条款1-3之一所述的充电装置，其中，所述逆变器单元包括：具有或不具有软开关装置的至少一个双有源桥器件和/或具有或不具有软开关装置的至少一个五级中性点箝位式逆变器。
条款11.如上述条款1-3之一所述的充电装置，其中，所述模块通过所述模块的输出单元至少部分地并联地和/或串联地互连。
条款12.如上述条款11所述的充电装置，其中，所述输出单元以可控的方式互连，从而使得能够根据特征变量而在并联、串联和混合互连布置之间变化。
条款13.如上述条款1-3之一所述的充电装置，包括多个充电点，在每种情况下，机动车辆的至少一个能量存储装置能够耦合至所述多个充电点，并且其中，在每种情况下能够由多个模块和/或多个相单元为所述充电点供应所述能量存储装置的充电过程所需的功率。
根据本发明的充电装置用于对机动车辆以及优选地电动车辆的电能存储装置进行充电。所述充电装置包括至少一个转换设备，所述转换设备用于将从中压电网供应的功率或电压和电流转换成适用于所述能量存储装置的充电过程的功率或电压和电流。在此，转换设备包括连接至中压电网的至少一个相的至少一个相单元(Phaseneinheit)。所述相单元包括至少两个导线束
Figure GDA0003124398760000031
即用于所述相的正分量的至少一个导线束以及用于所述相的负分量的至少一个导线束。至少一个模块各自与所述导线束相关联。在此，模块包括至少一个输入单元、至少一个逆变器单元、至少一个变压器单元、至少一个输出单元以及与所述变压器单元相关联的至少一个整流器单元。
根据本发明的充电装置提供了许多优点。一个显著的优点是，由于转换设备的模块化设计，充电过程所需的功率可以直接从中压电网以成本有效的方式伴随低损耗供应。结果是，可以免去具有高损耗且易受故障影响的昂贵整流器级联。所述模块化转换设备还提供了高功率密度和小物理尺寸以及低材料成本。还可以用不复杂的方式对期望的输入和输出功率进行调整。
具体地，所述模块包括至少一个互连布置。具体地，所述逆变器单元连接在所述输入单元的下游。具有所述整流器单元的变压器单元以及所述输出单元连接在所述逆变器单元的下游。具体地，可以在输出单元处分接充电过程所需的功率或充电电压和充电电流。输出单元包括至少一个正输出和/或至少一个负输出。
具体地，输入单元在所述模块的初级侧。具体地，输出单元在所述模块的次级侧。在本发明的范围内，模块的初级侧和次级侧分别应该被理解为指所述模块的与变压器单元的初级侧和次级侧分别相关联的那部分。
具体地，相单元包括多个模块，例如至少五个或十个或十五个或更多个模块。
至少两个模块优选地各自与所述导线束相关联。多个模块特别优选地各自与所述导线束相关联。例如，一个导线束可以包括三个或四个或甚至五个或更多个模块。具体地，至少五个模块与每个导线束相关联。还可以有至少十个或甚至20个或更多个模块与每个导线束相关联。在这种情况下，所述导线束可以具有相同数量的或者不同数量的模块。具体地，模块的数量与中压电网所提供的电压适配和/或与充电点的数量适配。
在此，模块化设计提供了以非常不复杂的方式适配模块数量的可能性。例如，模块的数量与汽车充电场的尺寸适配。
具有相单元的模块优选地通过所述模块的输入单元串联地互连。具体地，所述模块在其初级侧上彼此串联地互连。具体地，具有一导线束的模块以及优选地还有具有一相单元的不同导线束彼此串联地互连。
在所有配置中，相单元包括中压电网与有待充电的能量存储装置之间的至少一个DC隔离是优选的。至少一个变压器单元优选地提供至少一个DC隔离。具体地，每个模块使用其变压器单元提供DC隔离。可以提供布置在变压器设备外部的至少一个DC隔离。还可以提供作为DC隔离的另一合适保护性隔离。
具体地，模块的初级侧与次级侧DC隔离开。这提供了显著的优势，因为模块的次级侧或输出单元可以高自由度地互连。例如，所述模块的输出单元可以串联地和/或并联地或者以可重新配置的方式永久地任意互连，从而供应一个或多个充电点。
转换设备优选地包括至少两个并且特别优选地至少三个相单元。转换设备还可以包括多个相单元。具体地，各自针对中压电网所提供的相提供了至少一个相单元。还可能仅中压电网的可用相的一部分连接至充电装置。还可能两个或更多个相单元与中压电网的一个相相关联。模块化设计在此具有的优点是，通过添加或省去相单元，充电装置可以通过非常不复杂且成本有效的方式与汽车充电场的尺寸适配。
具体地，所述相单元通过其导线束彼此互连并且优选地并联地互连。具体地，相单元的导线束并联地互连从而形成公共负极导线束并形成公共正极导线束。相单元还可以独立地互连。还可以提供相单元的串联互连布置。
由中压电网的各个相馈电的那些相单元特别优选地彼此互连并优选地并联地互连。例如，三个相单元互连从而形成三相中压连接。在这种情况下，可以提供移相布置，例如移相120°。
具体地，正极导线束和负极导线束的输入单元适用于并且被配置成用于允许只有相的正分量或只有相的负分量通过。为此目的，输入单元分别具有具体地至少一个相应定向的二极管器件或整流器器件。整流器器件包括至少一个整流器或至少一个二极管器件。整流器器件还可以包括至少一个电容器，例如DC链路电容器。具体地，输入单元可以生成直流电以及具体地脉冲直流电。具体地，直流电被馈送至逆变器单元。
输入单元可以包括至少一个无源整流器器件。这使得能够特别成本有效地实施充电装置。
输入单元还可以包括至少一个有源整流器器件。有源整流器器件优选地具有至少一个相选通控制器(Phasenanschnittsteuerung)和/或至少一个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和/或至少一个场效应晶体管。结果是，可以使中压电网以特别有针对性的方式适配电网条件。
在一种有利配置中，所述模块至少部分地通过至少一个控制设备操作性地彼此连接。具体地，模块的输入单元和/或逆变器单元可以由控制设备驱动。因此可以实现半导体的特别均匀的功耗以及因此简单的平衡。还可能的是，模块的至少一部分通过控制设备操作性地连接至各相单元。还可能的是，具有不同导线束和/或同一导线束的模块通过控制设备操作性地彼此连接。
还可能的是，输入单元和/或逆变器单元被配置成自我调节的。
具体地，逆变器单元包括具有或不具有软开关装置的至少一个双有源桥器件。逆变器单元还可以包括具有或不具有软开关装置的至少一个五级中性点箝位式(NPC)逆变器。这类配置使得逆变器单元能够被特别好地驱动。
模块特别优选地至少部分地通过其输出单元并联地和/或串联地互连。因此，模块在其次级侧上的并联和/或串联或混合连接布置是可能的。例如，具有一个相单元的模块和/或具有不同相单元的模块可以至少部分地通过其输出单元并联地和/或串联地互连。还可能的是，具有同一导线束或不同导线束的模块通过其输出单元并联地和/或串联地互连。此类互连布置使得可以特别好地同时为多个充电点馈电。然而，还可能模块至少部分地通过其输出单元分别地互连。
输出单元可以通过可控的方式互连，从而使得可以根据特征变量而在并联和串联和混合互连布置之间改变。具体地，还对至少一个控制设备进行了规定，所述至少一个控制设备操作性地连接至模块或连接至输出单元。例如，特征变量描述了所连接的能量存储装置的充电状态和/或充电装置的利用率。因此，可以以特别快速且不复杂的方式对所述互连布置取消配置，从而对汽车充电场的利用率作出反应。
在一种优选配置中，充电装置包括多个充电点，在每一情况下，机动车辆的至少一个能量存储装置可以耦合至所述多个充电点。在每一情况下，可以由多个模块和/或多个相单元为一个充电点供应能量存储装置的充电过程所需的功率。然而，可以由一个单独模块为一个充电点供应功率。具体地，每个模块适用于并且被配置成用于单独地和/或结合其他模块为至少一个充电点供应功率。可以为每个充电点提供至少一个输出接触器。
附图说明
从下文参照附图所讨论的示例性实施方案中将体现本发明的进一步的优点和特征。
在附图中：
图1以纯粹示意性展示示出了根据本发明的充电装置；
图2示出了相单元的纯粹示意性展示；
图3以纯粹示意性展示示出了相单元的另一种配置；
图4以纯粹示意性展示示出了相单元的进一步种配置；
图5至图9各自示出了具有被不同地配置的互连布置的纯粹示意性相单元的截面；
图10示出了逆变器单元的纯粹示意性展示；
图11示出了另一逆变器单元的纯粹示意性展示；并且
图12示出了多个相单元的互连布置。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的具有转换设备2的用于对机动车辆的电能存储装置进行充电的充电装置1。转换设备2用于将从中压电网3供应的功率转换成适用于能量存储装置的充电过程的功率。中压电网3的电压为例如10kV、20kV或甚至30kV。更高或更低的电压也是可能的。
在这种情况下，转换设备2包括两个相单元4。每个相单元4在此耦合至中压电网3的相13。作为替代性方案，相单元4还可以与一个或多个另外的相单元4互连。这些相单元4然后可以通过单独的相13连接至中压电网3或连接至在此所示的两个相13。
这两个相单元4在这种情况下以类似的方式设计并且各自包括五个模块5。为了更好地能够将模块5与相单元4进行关联，在此用虚线形成相单元4的边界。具有相对大量模块5的相单元4是优选的。例如，给定20kV的中压电网的电压，相单元4包括至少15到20个模块5。参照图2更详细地描述模块5。
在此，这两个相单元4提供了两个充电点22。例如，电动车辆或电能存储装置各自可以耦合至充电点22并被充电。到达充电点22的供电电缆在此各自用输出接触器32来固定。
图2更详细地展示了转换设备2的单独相单元4。在这种情况下，相单元4包括正极导线束14和负极导线束24。在这种情况下，两个模块5连接至每个导线束14、24。然而，优选地每个导线束14、24提供了至少5个或10个或更多个模块。为了更好地展示与模块5相关联的部件，在此用虚线形成顶部模块5的边界。在这种情况下，模块5在其初级侧串联互连。
在此，一个模块5包括输入单元6。输入单元6配备有整流器器件16和DC链路电容器。相13的正分量因此被分配给正极导线束14，并且负分量因此被分配给负极导线束24。输入单元6则为每个模块5提供可以被配置成脉冲的直流电。整流器器件16例如被配置成无源的。
在这种情况下，逆变器单元7连接在输入单元6的下游以便提高频率。例如，输入电流的频率因而被提高到100倍或1000倍或甚至更高倍。例如，输入电流具有50Hz的频率，此频率被逆变器单元7提高至50kHz。所述频率还可以被提高至200kHz或400kHz或甚至更高。提高所述频率实现了更高的功率密度和显著更小的物理尺寸，因此还实现了相应的组成部分的更低材料成本。
变压器单元8连接在逆变器单元7的下游，从而将逆变器单元7所提供的AC电压转换成更低的电压电平。由于在此存在的高频率，变压器单元8还可以被配置成变压器。
变压器单元8还使得能够实现与模块5的下游连接的区域的DC隔离28。因而，初级侧被与次级侧DC隔离开。
在这种情况下，针对相单元4的每个模块5提供DC隔离28，从而使得模块5可以在其次级侧上独立于初级侧而被互连。因而实现了充电点22彼此的DC隔离28，以及充电点22与电网3的DC隔离28，以及充电点22与地的DC隔离28。
在这种情况下，整流器单元18连接在变压器单元8的次级侧的下游。因而，AC电压被转换成充电过程所需的DC电压。
输出单元9连接在整流器单元18的下游，在一个特别简单的变体中，所述输出单元由正输出和负输出组成。
在一个替代性实施方案中，逆变器单元7可以是控制设备12可控制的。例如，可以因而设定幅值和/或开/关比例，以便例如影响功耗并将其配置成特别地均匀。出于此目的，可以检测实际电压或实际功率并将其用于设定目标电压或目标功率。然而，逆变器单元7还可以被配置成自我调节的。
图10和图11中示出了可控制的逆变器单元7的特别有利的配置。
图10示出了逆变器单元7，所述逆变器单元在此配置有双有源桥器件17。逆变器单元7在此还配备有软开关装置27。这样具有的优点是，基本上只在谐振点允许通过能量，并且实现了具有特别低损耗的传输。在一种替代性配置中，逆变器单元7可以配备有不具有软开关装置27的双有源桥器件17。
图11示出了具有五级中性点箝位式(NPC)逆变器37的逆变器单元7。逆变器单元7在此还可以配备有软开关装置27。可以用特别有针对性的方式以低损耗驱动这类逆变器单元7。
图3示出了相单元4的替代性配置。在这种情况下，对应的模块5的输入单元6在此配置有相选通控制器26。结果，可以用特别有针对性的方式提供脉冲直流电。
图4示出了相单元4的改进，其中，输入单元6各自配备有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)36。在一个变体中(在此未示出)，输入单元6还可以配备有合适的场效应晶体管。这还提供了在模块5的初级侧进行有源整流的有利可能性。
图5至图9各自仅示出了模块5的初级侧的部件。
在此，图5示出了相单元4，其中，模块5通过输出单元9在其次级侧并联地互连。
图6示出了相单元4，其中，模块5通过输出单元9在其次级侧串联地互连。
图7示出了相单元4的模块5的混合互连布置。在此，输出单元9彼此串联地和并联地互连。
图8示出了具有输出单元9的可控制的互连布置的相单元4。在这种情况下，在此用虚线形成了互连布置的可再现框的边界。所示的互连布置以混合串联/并联互连布置实现任意数量模块5的可重构的变体。
互连布置例如由控制设备12根据特征变量驱动。例如，所连接的能量存储装置的充电状态或充电装置1的利用率因而可以作为特征变量被考虑。例如，控制设备12还操作性地连接至模块或输出单元9。
在此处所示的配置中，相单元4提供了充电点22，为了对其进行供电，模块5可以彼此串联地和/或并联地任意互连。例如，可以由这类的多个相单元4操作多个充电点22。
模块5的次级侧的可控制的互连布置使得转换设备2能够以有针对性且不复杂的方式适配所需的功率，并适配有待在例如汽车充电场充电的电动车辆的数量。
图9示出了输出单元9的另一可控制的互连布置。这种互连布置使得能够在并联互连布置与串联互连布置之间交替。因此，或者由并联互连的模块5或者由串联互连的模块5为充电点22供应功率。
这类的可重新配置或可控制的互连布置可以特别有利地用于汽车充电场，旨在在所述汽车充电场中对具有各种电压等级的能量存储装置进行充电。例如，因而存在其能量存储装置需要处于低电压的高充电电流的电动车辆。另一方面，存在其能量存储装置需要具有较高电压的较低充电电流的电动车辆。由于可重新配置的互连布置，可以使用充电装置1没有问题地操作这些各电压等级。
图12示出了具有共计三个相单元4从而形成三相中压连接的转换设备2的一种配置。在这种情况下，由中压电网3的相13为相单元供应功率。在此，在每种情况下，为了更加清楚，仅示出了单独模块5的初级侧。相单元4在这种情况下通过其导线束14、24彼此并联地连接。
还可能的是，具有不同相13的模块5在次级侧上串联地和/或并联地任意互连，在此未示出。模块5由于与其次级侧的DC隔离28而可以被任意地分配给充电装置1的充电点22。
在此所呈现的发明在不使用昂贵的电网变压器的情况下提供了中压电网3的直接接触连接。还可以免除易受故障影响的功率半导体的串联连接。
本发明提出了一种模块化解决方案，所述模块化解决方案提供了中压侧上半导体的自动平衡。所述平衡具体受来自每个模块5的均匀功耗控制。电路将另外的常规中压变压器具体分成具有更小的尺寸因此允许更高频率的多个单独的绕组或甚至单独的变压器。
而且，给定产生相同数量的系统，完全相同的组成部分的数量因此每个单元的生产成本由于规模经济而提高。
具体以提高的频率执行通过所述变压器或多个变压器进行的变压，从而实现提高的功率密度、小物理尺寸和低材料成本。
模块5在次级侧上的输出具体被DC隔离，并且为此原因可以优选地串联地和/或并联地永久性地任意互连或者以可重新配置的方式设计，以便供应一个或多个充电点22。DC隔离28提供以下优点：可以使用较低电压和较低电流和较高频率以及例如以至少400Hz并且优选地更高的频率操作。
本文呈现的充电装置1具有的优点是，不仅仅是一台车辆而是同时许多充电点22可以以不同的电压等级运行。

Claims (13)

1.一种用于对机动车辆的电能存储装置进行充电的充电装置(1)，所述充电装置包括至少一个转换设备(2)，所述转换设备用于将从中压电网(3)供应的功率转换成适用于所述电能存储装置的充电过程的功率，
其特征在于，
所述转换设备(2)包括连接至所述中压电网(3)的至少一个相(13)的至少两个相单元(4)，从而使得为所述中压电网(3)所提供的所述相(13)提供至少一个相单元(4)，每个相单元具有至少两个导线束(14，24)，即，用于所述相(13)的正分量的至少一个导线束(14)以及用于所述相(13)的负分量的至少一个导线束(24)，
并且其中所述至少两个导线束各自与所述相单元的至少一个模块(5)相关联，每个模块具有至少一个输入单元(6)、至少一个逆变器单元(7)、至少一个变压器单元(8)和至少一个输出单元(9)以及与所述变压器单元(8)相关联的至少一个整流器单元(18)，并且其中所述相单元(4)通过所述相单元的所述至少两个导线束(14，24)彼此并联地互连。
2.如权利要求1所述的充电装置(1)，其中，至少两个模块(5)各自与所述导线束(14，24)相关联。
3.如权利要求2所述的充电装置(1)，其中，所述相单元(4)的所述模块(5)通过所述模块(5)的输入单元(6)串联地互连。
4.如权利要求1-3之一所述的充电装置(1)，其中，所述相单元(4)包括所述中压电网(3)与有待充电的能量存储装置之间的至少一个DC隔离(28)，并且其中，所述DC隔离(28)由所述变压器单元(8)提供。
5.如权利要求1-3之一所述的充电装置(1)，其中，所述转换设备(2)包括至少三个相单元(4)，从而使得为所述中压电网(3)所提供的所述相(13)各自提供至少一个相单元(4)。
6.如权利要求1-3之一所述的充电装置(1)，其中，所述输入单元(6)包括至少一个无源整流器器件(16)。
7.如权利要求1-3之一所述的充电装置(1)，其中，所述输入单元(6)包括至少一个有源整流器器件(16)。
8.如权利要求1-3之一所述的充电装置(1)，其中，所述模块(5)至少部分地通过至少一个控制设备(12)操作性地彼此连接，从而使得所述输入单元(6)和/或所述逆变器单元(7)能够被所述控制设备(12)驱动。
9.如权利要求1-3之一所述的充电装置(1)，其中，所述逆变器单元(7)包括：具有或不具有软开关装置(27)的至少一个双有源桥器件(17)和/或具有或不具有软开关装置(27)的至少一个五级中性点箝位式(NPC)逆变器(37)。
10.如权利要求1-3之一所述的充电装置(1)，其中，所述模块(5)通过所述模块的输出单元(9)至少部分地并联地和/或串联地互连。
11.如权利要求10所述的充电装置(1)，其中，所述输出单元(9)以可控的方式互连，从而使得能够根据特征变量而在并联、串联和混合互连布置之间变化。
12.如权利要求1-3之一所述的充电装置(1)，包括多个充电点(22)，在每种情况下，机动车辆的至少一个能量存储装置能够耦合至所述多个充电点，并且其中，在每种情况下能够由多个模块(5)和/或多个相单元(4)为所述充电点(22)供应所述能量存储装置的充电过程所需的功率。
13.如权利要求7所述的充电装置(1)，其中，所述至少一个有源整流器器件具有至少一个相选通控制器(26)、至少一个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(36)或至少一个场效应晶体管。
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