CN108702013A - 用于对电能存储器充电的装置以及用于初始化用于电能存储器的充电过程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在用于电能存储器的充电电路中对中间回路电容器的、有效的充电。为此，首先借助充电电路将充电电路的中间回路电容器充电到在待充电的电能存储器的端电压的范围中的电压。在将中间回路电容器充电到预先给定的电压之后，中间回路电容器才与待充电的电能存储器电连接。

Description

用于对电能存储器充电的装置以及用于初始化用于电能存储 器的充电过程的方法

本发明涉及一种用于对电能存储器充电的装置以及一种用于初始化用于电能存储器的充电过程的方法。

背景技术

文献DE 10 2014 207 854 A1公开了一种用于向用用电器无接触式传输能量的传输系统。例如，能够借助这种能量传输来对电动车辆或者混合动力车辆的电池进行充电。

在对能量存储器感应式充电时，例如在对电动车辆的牵引电池感应式充电时，经由具有大的气隙的变压器来传输电能。为了能量传输，初级线圈产生高频交变磁场，所述高频交变磁场穿过次级线圈并且在那里感应出对应的电流。作为用于能量传输的频率范围，典型地使用在10kHz和150kHz之间的频率。

为了电压稳定，在次级侧使用所谓的直流电压-中间回路电容器。在充电操作中，将这个电容器充电到待充电的电池的电压。在充电操作开始之前，包括直流电压-中间回路电容器的充电系统通过过载断路器或者分离开关或者安全装置与电池断开。此外，出于安全原因，设置了直流电压-中间回路电容器的放电。

为了在关闭分离开关时避免在电池和电容器之间的、高的再充电电流，必须将直流电压-中间回路电容器事先充电到电池电压。为此，例如能够设置所谓的预充电电路。

发明内容

本发明公开了一种具有权利要求1的特征的、用于对电能存储器充电的装置以及一种具有权利要求8的特征的、用于初始化用于电能存储器的充电过程的方法。

据此，设置了：

用于对电能存储器充电的装置，包括充电电路、中间回路电容器、分离开关、第一电压检测器、第二电压检测器和控制设备。充电电路在输入接口处能够与电能量源电连接。此外，充电电路被设计用于，在输出接口处提供直流电压或者直流电流。中间回路电容器与充电电路的输出接口电连接。分离开关被布置在电传导路径中，所述电传导路径在中间回路电容器和电能存储器之间。在此，分离开关被设计用于，打开或者关闭在中间回路电容器和电能存储器之间的电连接。第一电压检测器被设计用于，检测电能存储器的端电压。在此，第一电压检测器能够提供输出信号，所述输出信号与所检测的端电压相对应。第二电压检测器被设计用于，检测在中间回路电容器的两个接口之间的中间回路电压。在此，第二电压检测器能够提供输出信号，所述输出信号与所检测的中间回路电压相对应。控制设备被设计用于，在使用所检测的端电压的情况下来计算释放电压。此外，控制设备能够在充电电路处提供用于对中间回路电容器充电的控制信号。此外，控制设备能够操控分离开关，当中间回路电压对应于所计算的释放电压时。尤其地，在此通过操控分离开关来关闭短路开关。

此外，设置了：

用于初始化用于电能存储器的充电过程的方法，包括以下步骤：检测电能存储器的端电压；在使用电能存储器的、所检测的端电压的情况下，计算释放电压；借助用于电能存储器的充电电路来对中间回路电容器充电，所述中间回路电容器经由打开的分离开关与电能存储器连接；以及关闭分离开关，当在中间回路电容器处的电压的值对应于所计算的释放电压时。

发明优点

本发明基于以下认识：在充电电路与电池电连接时，由于在充电电路中的电容结构元件的原因，能够导致高的补偿电流。因此，在所述连接之前，必须将这些电容结构元件充电到合适的电压水平。此外，本发明基于以下认识：电容结构元件借助于单独的充电电路的这种充电能够与高的线路费用相关，并且，在车辆架构中必定能够存在与电池的连接可能性，所述连接可能性根据标准不包含单独的预充电电路。

因此，本发明的构思是：考虑到这些认识并且提供提供一种方法以及一种电路组件，从而，能够尽可能简单地并且仅以小的花费地将充电电路在与电池电连接之前充电到合适的电压水平。

因此，本发明设置了，在充电装置与电能存储器电连接之前，首先借助设置在充电装置中的充电电路将中间回路电容器充电到合适的电压水平，所述中间回路电容器在用于对电能存储器充电的装置中。在此，这种合适的电压水平能够尤其是在待充电的能量存储器的端电压的范围中。在此，然后，不必将中间回路电容器精确地充电到电能存储器的端电压。即使在中间回路电容器和端电压之间存在微小的电压差时，通过关闭分离开关来实现电连接也是可能的，而在此分离开关或者另外的结构元件不会受到损坏。

由于对中间回路电容器的充电经由充电电路进行，能够利用已经存在的结构元件和组件来进行所述充电，而无需巨大的、附加的线路费用。由此，既能够降低所必需的结构空间，也能够降低制造成本。

通过充电装置本身来实现对在充电装置中的电容的充电，使得即使在关闭分离开关之前也不必在能量存储器和充电装置之前建立电连接。因此，在充电过程开始之前，也能够确保在能量存储器和充电装置（或者可能存在的接口或者充电插座）之间的绝缘。

根据一种实施方式，所述控制设备被设计用于，在关闭所述分离开关之后，借助所述充电电路来开启用于对所述电能存储器充电的充电过程。以这种方式，在关闭分离开关之后，能够进行从充电电路到电能存储器的能量传输。

根据另一种实施方式，控制设备被设计用于，在关闭分离开关之后，只有当在电能存储器的、所检测的端电压和所检测的中间回路电压之间的差值低于预先确定的极限值时，才启动对电能存储器的充电。通过比较在中间回路电容器处的电压与电能存储器的端电压，能够检查，是否也已经可靠地关闭了分离开关，或者，在分离开关上或者如有必要在中间电路电容器和电能存储器之间的连接中的、另外的位置处是否出现电压降，所述电压降在对能量存储器充电期间能够代表潜在的危险。

根据一种实施方式，控制设备还被设计用于，当已经开启用于对电能存储器充电的充电过程时，提供释放信号。这种释放信号能够例如被用于，触发用于对电能存储器充电的、另外的机构或者组件。

根据一种实施方式，所述充电电路包括感应式能量传输系统的次级线圈。此外，充电电路也能够包括整流电路。尤其就感应式能量传输系统而言并且就具有整流电路的谐振转换器而言，通过主动地操控在整流电路中的结构元件，能够非常好地控制对中间回路电容器的充电。

根据一种实施方式，充电电路的整流电路包括多个半导体开关。在此，所述控制设备也被设计用于，主动地操控整流电路的半导体开关以对中间回路电容器进行充电。

根据用于初始化充电过程的方法的一种实施方式，用于计算释放电压的步骤计算下述释放电压，所述释放电压从电能存储器的、所检测的端电压偏离预先确定的值或者预先确定的值范围。如果在中间回路电容器处在根据本发明的充电期间调整了下述电压，所述电压从电能存储器的端电压偏离，则能够例如检查，是否打开或者关闭了在中间回路电容器和电能存储器之间的分离开关。一旦关闭了分离开关，在中间回路电容器处也会出现大小为电能存储器的端电压的电压，即使先前已经调整了与之偏离的电压。因此，以这种方式，能够检查在中间回路电容器和电能存储器之间的电连接。例如，在中间回路电容器处能够调整下述电压，所述电压从电能存储器的端电压偏离几伏。尤其地，例如这种电压是可能的：所述电压例如偏离了电能存储器的端电压的1%至2%。在此，在中间回路电容器处能够调整出比电能存储器的端电压更低和更高的电压。

根据另一种实施方式，在用于对中间回路电容器充电的步骤中，将电功率限制为预先确定的最大值，所述电功率由所述充电电路提供。以这种方式，在对中间回路电容器充电期间，在分离开关打开时能够限制所传输的能量量。因此，能够提高整个系统的安全性。在将中间回路电容器充电到所希望的电压并且关闭在中间回路电容器和电能存储器之间的分离开关之后，接着能够以全功率启动对电能存储器的充电。

根据另一种实施方式，用于对电能量存储器充电的装置的分离开关能够包括单相或者多相分离开关。因此，尤其在使用多相分离开关时，能够实现在电能存储器和充电装置之间的、完全的电流隔离。

根据一种实施方式，用于对中间回路电容器充电的步骤包括在所述充电电路的整流电路中主动地操控半导体开关。

只要有意义，以上方案和改型方案能够彼此任意组合。本发明的、另外的方案、改型方案和实施也包括非明确提到的的组合，所述组合为先前或者在下文中参照实施例所描述的、本发明的特征的组合。尤其地，技术人员在此也将单个方面作为改进或者补充而添加到本发明的、相应的基本形式中。

附图说明

以下，参照实施例来更详细地阐述本发明，所述实施例在附图的示意图中得到说明。在此，附图示出：

图1：根据一种实施的、用于对电能存储器充电的装置的、示意性的图示；

图2：原理电路图的、示意性的图示，如其基于用于对电能存储器充电的装置的那样；以及

图3：流程图的、示意性的图示，如其基于根据实施方式的方法的那样。

具体实施方式

在所有附图中，除非另有说明，相同的或者功能相同的元件和装置设有相同的附图标记。

图1示出了用于对电能存储器20充电的装置的、示意性的图示。所述装置包括充电电路1以及分离开关3，所述充电电路具有中间回路电容器2。充电电路1能够在输入接口处与电能量源10连接。例如，这种电能量源10能够为到能量供应网络的接口。但是，任意的、另外的能量源（例如，光伏装置等）也是可能的。在此，根据充电电路1的配置，通过电能量源10能够在充电电路1的输入接口处提供直流电压或者交流电压。充电电路1将提供在输入接口处的电压或者电流转换为直流电压或者直流电流，以用于对电能存储器20充电。尤其地，在此能够在充电电路1中实现在充电电路1的输入接口和输出接口之间的电流隔离。在此，例如能够借助控制设备6来进行对充电电路1的操控。

在充电电路1的输出接口处布置有中间回路电容器2。充电电路1的输出接口连同设置在其处的中间回路电容器2能够经由分离开关3与电能存储器20连接。在此，分离开关3能够是任意的开关元件，所述开关元件能够可靠地开关出现的电压和电流。例如，分离开关3能够是过载断路器或者安全装置。此外，另外的开关元件也是可能的，所述开关元件用于断开在电能存储器20和充电电路1之间的电连接。分离开关3能够尤其是单相开关，所述单相开关仅中断在电能存储器20和充电电路1之间的、唯一的连接，或者可替代地，分离开关3也能够是两相或者三相开关元件，所述两相或者三相开关元件中断在电能存储器20和充电电路1之间的、两个或者多个电连接。

只要不进行对电能存储器20的充电，则分离开关3通常是打开的。在此，出于安全原因，通常对中间回路电容器2放电。如果随后关闭了分离开关3，则在非常短的时间内，高的补偿电流会从电能存储器20流到中间回路电容器2中。为了避免这种情况，在关闭分离开关3之前，对中间回路电容器2充电。

为此，首先确定在电能存储器20的两个接口之间的端电压。为了这个目的，能够在电能存储器20处设置第一电压检测器4。第一电压检测器4能够例如是下述电压检测器，所述电压检测器无论如何已经被设置用于监控电池电压。第一电压检测器4检测在电能存储器20处的端电压，并且，因此提供输出信号，所述输出信号与所检测的端电压相对应。能够在控制设备6处提供第一电压检测器4的这种输出信号。这种输出信号尤其能够是任意的、模拟的或者数字的信号。

因此，基于所检测的、在电能存储器20处的端电压，控制设备6能够计算释放电压，在完成对分离开关3的关闭之前，应当将中间回路电容器2充电到所述释放电压。在此，尤其地，这种释放电压能够在所检测的端电压的范围中，所述端电压在电能存储器20处。就释放电压而言，对分离开关3的、特别平缓的关闭是可能的，所述释放电压尽可能好地与电能存储器20的、所检测的端电压协调一致。另一方面，在存在略微的偏移时能够确定，是否打开了分离开关3，或者，是否关闭了分离开关3并且因而已经建立了可靠的电连接，所述偏移在中间回路电容器2处的电压和在电能存储器20处的端电压之间，所述电连接在具有中间回路电容器2的充电电路1和电能存储器20之间。因此，例如能够将中间回路电容器2充电到下述电压，所述电压略低于或者高于在电能存储器20处的端电压。例如，作为释放电压能够选择下述电压，所述电压比在电能存储器20处的端电压低或者高几伏（例如2伏至5伏，或者，例如为电能存储器20处的端电压的1%至2%）。在此，在中间回路电容器2处的电压能够例如经由第二电压检测器5来检测，所述第二电压检测器被布置在中间回路电容器2的两个接口之间。类似于第一电压检测器4地，在此能够涉及这种电压检测器：所述电压检测器提供模拟的或者数字的输出信号，所述输出信号与所检测的电压相对应。在分离开关3关闭之后，在此在中间回路电容器2处出现大小为电能存储器20的端电压的电压，即使先前已经将中间回路电容器2充电到更低的或者更高的电压。以这种方式，能够检测到分离开关3的、可靠的关闭。

如上所述，在通过控制设备6已经计算出合适的释放电压之后，能够通过充电电路1将中间回路电容器2充电到所计算出的释放电压。为此，例如控制设备6能够分析输出信号，以便确定当前施加在中间回路电容器2处的电压，所述输出信号由第二电压检测器5提供。因此，根据所计算的释放电压和在中间回路电容器2处所检测的电压，控制设备6能够操控充电电路1。在此，在将中间回路电容器2充电到所计算的释放电压期间，通过充电电路1必须仅提供给非常少量的能量。因此，在用于中间回路电容器2的这种充电操作期间，能够限制由充电电路1提供的功率。例如，在对中间回路电容器2充电期间，能够将功率限制为几瓦特或者如有必要限制为小于1瓦特的功率。尤其地，与在对电能存储器20充电期间的功率相比，能够将在对中间回路电容器2充电期间的功率限制为非常小的部分。

在例如通过控制设备6确定了中间回路电容器2充电到了所计算的释放电压之后，能够关闭分离开关3。为此，能够对应地操控分离开关3，当已经将中间回路电容器2充电到释放电压时。因此，能够通过充电电路1来启动对电能存储器20的充电。如有必要，先前能够通过比较电能存储器20的、所检测的端电压与在中间回路电容器2处的、所检测电压来检查，是否正确地关闭了分离开关3，如其此外上面已经描述的那样。如果在关闭分离开关3之后，确定了在端电压和在中间回路电容器2处的电压之间的电压差，则能够中断对电能存储器20的充电，并且，如有必要能够输出故障消息。

图2示出了原理电路图的、示意性的图示，如其基于用于对电能存储器充电的装置的一种实施方式的那样。在此，充电电路1由直流电压源10馈电。首先借助逆变器，从四个开关元件S1至S4利用与之并联的空转二极管D1至D4将交流电压变流为高频交流电压。例如，这种交流电压能够是在10kHz至150kHz之间的交流电压。这种交流电压从电容器C1和线圈L1中馈送谐振电路。线圈L1尤其能够是感应式能量传输系统的初级线圈。由线圈L1生成的交变磁场耦入到另外的线圈L2中。例如，另外的线圈L2能够是感应式能量传输系统的次级线圈。另外的线圈L2与电容器C2共同构成谐振电路。通过由二极管D5至D8组成的整流器来整流交流电压，所述交流电压施加在由电容器C2和另外的线圈L2构成的串联电路处。如此整流的电压能够被提供在充电电路1的输出端处。在此，与下部的二极管D5和D6并联地，分别布置有开关元件S5、S6（例如，半导体开关元件）。通过打开或者关闭这些开关元件S5和S6，中间回路电容器2的、受控制的充电是可能的。为此，两个开关元件S5和S6例如能够周期性地打开和关闭，直到在中间回路电容器2处达到了所希望的释放电压。

先前所描述的、用于对电能存储器20充电的装置例如非常好地适用于对在车辆（例如，电动车辆或者混合动力车辆）中的电能存储器的充电。以这种方式，例如能够对这种车辆的牵引电池充电。在此，在电能量源10和以牵引电池的形式的电能存储器20之间的能量传输能够例如借助感应式的充电系统来完成，其中，初级线圈在车辆外部，并且，次级线圈被布置在车辆（例如，车辆底盘）中。但是，传导式充电系统也是可能的，所述传导式充电系统基于根据本发明的、用于对电能存储器20充电的装置。在此，尤其是也能够设置载运体等，以用于在电能量源10和能量存储器20之间的电流隔离。此外，根据本发明的、用于对电能存储器20充电的装置也能够被考虑用于任意的、另外的系统，所述系统用于对电能存储器充电。因此，例如在过渡处能够设置插塞连接件，所述过渡为在充电电路1和中间回路电容器2（一方面）以及电能存储器20与分离开关3（另一方面）之间的过渡。只要不进行对电能存储器20的充电，在此，出于安全原因，不应当在这个插塞连接件处施加电压。在正确地建立在充电电路1和中间回路电容器2以及电能存储器20之间的、与分离开关3的插塞连接之后（并且，可靠地排除了带电的部件的接触之后），才能够随后对中间回路电容器2充电并且关闭分离开关3。

图3示出了流程图的、示意性的图示，如其基于用于初始化用于电能存储器20的充电过程的方法那样。在此，在步骤S1中首先检测电能存储器20的端电压。基于所检测的、电能存储器20的端电压，在步骤S2中计算出释放电压。随后，步骤S3能够将中间回路电容器2充电到所计算的释放电压。在此，中间回路电容器2经由打开的分离开关3与电能存储器20连接。在此，借助充电电路1来进行对中间回路电容器2的充电，所述充电电路用于电能存储器20。最后，在步骤S4中能够关闭在中间回路电容器2和电能存储器20之间的分离开关3，当在中间回路电容器2处的电压的值与释放电压相对应时。

在此，在步骤S2中能够计算一电压作为释放电压，所述电压从电能存储器20的、所检测的端电压偏离预先确定的值或者预先确定的值范围。尤其地，在此，所计算的释放电压能够从电能存储器20的端电压偏离几伏（例如2伏至5伏，或者，例如为电能存储器20的端电压的1%至2%）。在此，所计算的释放电压能够小于或者大于在电能存储器20处的端电压。

在此，在步骤S3中对中间回路电容器2充电期间，能够将电功率限制为预先确定的最大值，所述电功率由充电电路1提供。例如，在对中间回路电容器2充电期间，能够将由充电电路1提供的电功率限制为几瓦特或者限制为小于1瓦特的功率。

总之，本发明涉及对用于电能存储器的充电电路的中间回路电容器的、有效的充电。为此，首先借助充电回路将充电回路的中间回路电容器充电到一电压，所述电压在待充电的电能存储器的端电压的范围中。在将中间回路电容器充电到预先给定的电压之后，中间回路电容器才与待充电的电能存储器电连接。

Claims (11)

1.用于对电能存储器（20）充电的装置，包括：

- 充电电路（1），所述充电电路在输入接口处能够与电能量源（10）电连接，并且，所述充电电路被设计用于，在输出接口处提供直流电压或者直流电流；

- 中间回路电容器（2），所述中间回路电容器与所述充电电路（1）的所述输出接口电连接；

- 分离开关（3），所述分离开关被布置在电传导路径中，所述电传导路径在所述中间回路电容器（2）和所述电能存储器（20）之间，并且，所述分离开关被设计用于，打开或者关闭在所述中间回路电容器（2）和所述电能存储器（20）之间的电连接；

- 第一电压检测器（4），所述第一电压检测器被设计用于，检测所述电能存储器（20）的端电压；

- 第二电压检测器（5），所述第二电压检测器被设计用于，检测在所述中间回路电容器（2）的两个接口之间的中间回路电压；以及

- 控制设备（6），所述控制设备被设计用于：在使用所检测的端电压的情况下来计算释放电压，在所述充电电路（1）处提供用于对所述中间回路电容器（2）充电的控制信号，并且，当所述中间回路电压对应于所计算的释放电压时，操控所述分离开关（3）。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制设备（6）还被设计用于，在关闭所述分离开关（3）之后，借助所述充电电路（1）来开启用于对所述电能存储器（20）充电的充电过程。

3.根据权利要求1或者2所述的装置，其中，所述控制设备（6）被设计用于，在关闭所述分离开关（3）之后，只有当在所述电能存储器（20）的、所检测的端电压和所检测的中间回路电压之间的差值低于预先确定的极限值时，才启动对所述电能存储器（20）的充电。

4.根据权利要求2或者3所述的装置，其中，所述控制设备（6）还被设计用于，当已经开启用于对所述电能存储器（20）充电的所述充电过程时，提供释放信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述分离开关（3）包括多相开关。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述充电电路（1）包括感应式能量传输系统的或者谐振转换器的次级线圈和整流电路。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述整流电路包括多个半导体开关，并且，所述控制设备（6）被设计用于，主动地操控所述整流电路的所述半导体开关以对所述中间回路电容器进行充电。

8.用于初始化用于电能存储器（20）的充电过程的方法，包括以下步骤：

- 检测（S1）所述电能存储器（20）的端电压；

- 在使用所述电能存储器（20）的、所检测的端电压的情况下，计算（S2）释放电压；

- 借助用于所述电能存储器（20）的充电电路（1）来对中间回路电容器（2）充电（S3），所述中间回路电容器经由打开的分离开关（3）与所述电能存储器（20）连接；以及

- 关闭（S4）所述分离开关（3），当在所述中间回路电容器（2）处的电压的值对应于所计算的释放电压时。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，用于计算所述释放电压的所述步骤（S2）计算下述释放电压，所述释放电压从所述电能存储器（20）的所述所检测的端电压偏离预先确定的值或者预先确定的值范围。

10.根据权利要求8或者9所述的方法，其中，在用于对所述中间回路电容器（2）充电的所述步骤（S3）中，将电功率限制为预先确定的最大值，所述电功率由所述充电电路（1）提供。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，用于对所述中间回路电容器（2）充电的所述步骤（S3）包括在所述充电电路（1）的整流电路中主动地操控半导体开关。