CN108725235B - 为车辆的电能存储器充电的充电设备和方法，以及机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于为车辆的电能存储器(12)充电的充电设备(10)和方法，所述充电设备包括用于将输入直流电压(22)转换为输出直流电压(30)的直流变压器(28)，其中，电机(16)的绕组(38)是直流变压器(28)的一部分，其中，绕组(38)包括至少两个线圈(36)，其中，控制单元(34)被设计用于，使至少两个线圈(36)电串联以用于为电能存储器(12)充电，其中，至少两个线圈(36)形成直流变压器(28)的电感。

Description

为车辆的电能存储器充电的充电设备和方法，以及机动车
技术领域
本发明涉及一种用于为车辆的电能存储器充电的充电设备，以及一种具有这种充电设备的机动车。此外本发明涉及一种用于为车辆的电能存储器充电的方法。
背景技术
这种充电设备和这种方法例如已经由DE 10 2015 208 747 A1已知。充电设备具有用于将输入直流电压转换为输出直流电压的直流变压器，以用于为车辆的电能存储器充电。在此，电机的绕组是直流变压器的一部分。例如车辆能借助电机来驱动。在此，绕组包括至少两个线圈。此外，控制单元被设置用于操控直流变压器。
在所述方法的范围内，能量存储器借助直流变压器来装载电能或者说电流。为此，借助直流变压器将输入直流电压转换为输出直流电压。能量存储器因此被设计用于存储电能，例如可以将该电能提供给电机。
DE 3204901 A1公开了一种具有振动子变流器的装置，用于为电池充电，其中，振动子变流器在充电时与变压器的初级线圈串联。在马达控制运行中，振动子变流器控制电流至串励电动机中。
此外，JP 2012 191813公开了一种接通的磁阻电动机，其中，马达控制器可以串联或并联多重线圈组，以便将不连续的转矩波动保持为较小。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于为车辆的电能存储器充电的充电设备和方法，所述充电设备和方法能特别有利地为电能存储器充电。
所述目的通过具有独立权利要求的特征的充电设备和方法来实现。本发明的有利的设计方案在从属权利要求中给出。
本发明的第一方面涉及一种用于车辆、尤其是用于机动车、像例如乘用车的充电设备。该充电设备包括用于将输入直流电压转换为输出直流电压的直流变压器，以用于为车辆的电能存储器充电。在此，尤其是车辆的电机的绕组是直流变压器的一部分，其中，绕组包括至少两个线圈。此外，该充电设备包括用于操控直流变压器的控制单元。
现在为了能特别有利地、尤其是特别有效地且成本特别经济地为能量存储器充电，根据本发明规定，控制单元被设计用于，使所述至少两个线圈电串联以用于为电能存储器充电，其中，所述至少两个线圈形成直流变压器的电感。
车辆例如被设计为至少能电驱动的车辆、尤其是机动车，其中借助电机例如能电驱动车辆的至少一个车轮或总体上电驱动车辆。为此，电机——其优选是车辆的组成部分——能在马达运行中且因此作为电动机运行。为了使电机作为电动机运行，由能量存储器向电机供给电能，该能量存储器优选是车辆的组成部分。在此，电机具有前述的、至少一个绕组，所述绕组例如是线圈绕组。绕组尤其可以理解成电机的至少一个电导体的形成所有线圈的整体的环形线(Schleifen)、例如绝缘线。
通过向电机供给在能量存储器中存储的电能，能量存储器被放电。为了为能量存储器充电，通过直流变压器将电能输送给能量存储器，所述电能例如来自电源、尤其是充电桩等或者说由其提供。通常，由电源提供的电能具有第一电压。借助直流变压器，能将第一电压转换为与此不同的第二电压并且由此能匹配于有利于为能量存储器充电的电压。
因为现在根据本发明，线圈——其是电机的部件或组成部分——还被用作直流变压器的部件或组成部分，所以可以总体上将充电设备或者说车辆的部件数量、重量和成本保持为特别低。此外可以通过下述方式——线圈串联，来避免使用传统的必要的附加电感，从而可以将部件数量、重量和成本保持为特别低。此外由此可以特别有效地为能量存储器充电。接通线圈或者说串联的线圈也被称为串联电路。通过串联线圈，至少两个线圈的各个单电感相加成串联电路的总电感。
通常不能实现这种串联电路，而是线圈在例如被设计为电动机的电机的一侧上通过星形接点连接并且因此并联。这引起了，线圈的各个单电感相互相加。由此，总电感在现有技术中相对于各个单电感甚至被降低，从而例如在星形接点之后除了已经存在的电机线圈之外还必须串联附加的线圈或电感，以便获得与电机的总电感相比更大的电感。这种附加的线圈是可能引起和取消附加的重量的构件，其中这种附加的构件在根据本发明的充电设备中可以被避免。
借助线圈的根据本发明的串联电路组成直流变压器的大的总电感，能特别有利地运行该直流变压器，或者说通过根据本发明将至少两个线圈串联，能特别有利地为电流存储器充电。除了电机之外的另一个电感可以针对充电省略。此外不需要从电机引出电机的星形接点。
在本发明的一种有利的设计方案中，直流变压器包括逆变器、尤其是脉冲逆变器，其中，逆变器的第一接头与电串联的所述至少两个线圈连接，逆变器的第二接头与电能存储器连接。通过逆变器以这种方式在一端与串联的线圈并且在另一端与电能存储器连接，能特别有利地将逆变器集成到充电设备中。
能量存储器——其例如被设计为电池——例如作为输出电流或者说输出电压提供直流电流或者说直流电压。然而，电机尤其是在其马达运行模式中例如借助交流电流或者说交流电压来运行。为了实现这一点，逆变器接通在能量存储器和电机之间，从而借助逆变器能将由能量存储器提供的直流电压转换为交流电压，或者说能将由能量存储器提供的直流电流转换为交流电流，电机尤其是在其马达运行模式中能被供给该交流电压或者说交流电流。在为能量存储器充电时，该能量存储器例如通过逆变器或者说通过形成逆变器的组件来充电，然而例如在充电时组件作为逆变器的运行停止，或者说在充电时通过逆变器引起的电压转换或电流转换停止。
例如交流电流——借助该交流电使电机、尤其是在其马达运行模式中运行——是三相交流电流。要由此驱动的电机典型地具有三个线圈，或者电机线圈的数量为三的整数倍。逆变器例如可以通过桥接电路来实现。
在本发明的一种有利的设计方案中，逆变器具有至少一个切换元件。在此，控制单元被设计用于，操控所述至少一个切换元件以用于为电能存储器充电。由此逆变器——该逆变器在车辆行驶期间从由车辆的电能存储器提供的直流电压产生用于运行电机的交流电压——可以如此切换，使得该逆变器在充电时能用作直流变压器的组件。
在本发明的另一种有利的设计方案中，直流变压器具有用于使所述至少两个线圈串联的连接单元/电路单元。此外控制单元被设计用于，操控连接单元以用于为电能存储器充电。借助连接单元能使至少两个线圈特别简单地且根据需要来串联，由此能特别有利地为电能存储器充电。如果连接单元与电机一起用于为电能存储器充电，则可以将需要用于为能量存储器充电的部件数量保持为特别少。由此能将充电设备的成本、重量和构造空间需求保持在特别小的范围内。
在本发明的一种特别有利的实施方式中，控制单元被设计用于，使所述至少两个线圈——尤其是借助连接单元——彼此并联，以便由能量存储器为电机供给电能。替选地或附加地，控制单元被设计用于，尤其是借助连接单元来实现包括所述至少两个线圈的星形电路，以便由能量存储器为电机供给电能。替选地或附加地，控制单元被设计用于，尤其是借助连接单元来对包括所述至少两个线圈的三角形电路进行调节，以便由能量存储器为电机供给电能。为了实现星形电路或三角形电路，直流变压器包括绕组的至少一个第三线圈，从而例如至少三个线圈形成星形电路或者说三角形电路。线圈彼此并联还称为并联电路。因此例如关于其中之一为了车辆行驶并且因此为了在马达运行模式中运行电机可以调整线圈的并联电路、星形电路或三角形电路，从而能特别有利地运行。因此，连接单元在电路拓扑结构中、不仅在硬件中而且在功能范围方面实现了特别大的自由度。
在本发明的一种特别有利的设计方案中，充电设备具有整流器，所述整流器在输出侧与直流变压器连接。通过整流器，例如可以为直流变压器供给由电源、尤其是充电桩提供的电能。如果电源提供交流电压或者说交流电流，则通过整流器能特别有利地为能量存储器充电，这是因为例如借助整流器能将由电源提供的交流电压或者说由电源提供的交流电流转换为直流电压或者说交流电流。因此，整流器可以提供直流电压，该直流电压例如可以借助直流变压器被改变为有利的值。
例如充电电流——其由电源提供或者说在电源上从电网获取——通常必须被变换和/或改变，此后变换和/或改变的电流作为充电电流可以被提供给电能存储器以用于进行充电或者说装载。上述情况例如可以通过逆变器以特别有利的方式发生。
在本发明的一种有利的设计方案中，控制单元被设计用于，操控整流器以用于为电能存储器充电。由此例如省略了附加的控制单元，该控制单元可能会引起附加的成本和/或重量。因此能特别有利地为能量存储器充电。同样通过控制单元和/或连接单元可以如此控制逆变器，使得该逆变器作为整流器工作或者起作用。
例如通过根据本发明的充电设备的电子元件，运行状态、像例如充电和行驶或者说为电机供给在能量存储器中存储的电能可以特别快速地和/ 或特别简单地转换。充电设备的运行状态的转换优选仅设置在车辆的静止状态中。换句话说，例如运行状态的转换在行驶期间停止。在充电时，能量存储器通过直流变压器和至少两个线圈被供给电能。在马达运行模式中，电机通过直流变压器和至少两个线圈由能量存储器供给电能。由此可以将充电设备的部件数量、重量、成本和构造空间需求保持为特别低。
此外在充电设备中简单的转换能实现其电路拓扑结构。为了进行充电，例如电机的至少两个线圈通过连接单元串联。因此电机作为电感与逆变器的开关一起连接成直流变压器，直流变压器可以具有特别高的电感，并且由此能特别有效地为电能存储器充电。其它能实现的电路拓扑结构例如是星形电路和/或三角形电路。
本发明的第二方面涉及一种具有根据本发明的充电设备的机动车。本发明的第一方面的优点和有利的设计方案可以被视为本发明的第二方面的优点和有利的设计方案，并且反之亦然。
本发明的第三方面涉及一种用于为车辆的电能存储器充电的方法，尤其是借助根据本发明的第一方面的充电设备。在所述方法中，借助直流变压器将输入直流电压转换为输出直流电压以用于为电能存储器充电，其中，电机的、包括车辆的电机的至少两个线圈的绕组用作直流变压器的一部分。此外，直流变压器借助控制单元来操控。
现在为了能特别有利地、尤其是特别有效地且成本特别经济地为能量存储器充电，根据本发明规定，借助控制单元通过操控直流变压器使所述至少两个线圈电串联以用于为电能存储器充电，其中，所述至少两个线圈形成直流变压器的电感。本发明的第一方面和第二方面的优点和有利的设计方案可以被视为本发明的第三方面的优点和有利的设计方案，并且反之亦然。
附图说明
下面描述本发明的实施例。其中：
图1示出了根据第一种实施方式的充电设备的示意性电路连接；
图2示出了根据第二种实施方式的充电设备在第一运行状态中的示意性电路图；
图3示出了充电设备根据附图在第二种运行状态中的示意性电路图；和
图4示出了用于确定电机上的转矩的仿真计算的示意性电路图。
具体实施方式
下面阐述的实施例是本发明的优选实施方式。在所述实施例中，实施方式的所述组成部分分别为本发明的各个要彼此独立地考虑的特征，所述特征还分别彼此独立地改进本发明并且因此还能单独地或在不同于所示出的组合中视为本发明的组成部分。此外，所述实施方式还能通过本发明的其它已经描述的特征来补充。
在附图中，功能相同的元件分别具有相同的附图标记。
图1示意性示出用于车辆、尤其是能电驱动的机动车的充电设备10 的第一种实施方式的电路。充电设备10用于为电能存储器12、尤其是电池、例如车辆的动力电池充电。为电能存储器12充电应理解成将电能存储到能量存储器12中。为此，电流由电网、例如国家的公共电网获取或者说取得并且借助充电设备10作为充电电流提供给能量存储器12。电能存储器12例如为车辆的电机16、尤其是电动机供给电能。如从图2可以看出，电机16具有至少一个绕组38，其包括多个线圈36。在图2中可以看出，绕组38具有至少三个线圈36。
电机16——其优选是车辆的组成部分——在电机运行中可以至少间接地例如驱动车辆的至少一个车轮或总体上驱动车辆。由此例如能实现车辆的电动运行或电动行驶。在行驶期间，电能存储器12将在其中存储的电能输送给作为电动机运行的电机16并且由此被清空。为了对电能存储器 12再次用电能填充或充电，该电能存储器在充电时借助充电电流被供给电能。
通常，电网的电流不是充电电流，例如电网的电流是交流电流。为了能填充或者说装载例如被设计为电池的电能存储器12，需要直流电流或者说直流电压，即电网的电流应被变换和/或改变成例如是直流电流的充电电流。交流电流或者说交流电压以这种方式改变成直流电流或者说直流电压、尤其是充电电流借助整流器14来实现。整流器14可以是车辆的组件或例如连接到电网上的充电站的充电桩的组件。整流器14尤其可以是充电设备10的组件。整流器14在其输入侧18被供给交流电压20，该交流电压在整流器14中改变或者说变换成直流电压。这种直流电压由整流器14在其输出侧24上提供。
直流电压作为输入直流电压22经由输入端26被引导至直流变压器28 中。直流变压器28可以将输入直流电压22改变或者说变换成输出直流电压30。通过输出直流电压30——该输出直流电压能在直流变压器28的输出端32上被获取，充电电流可以流至电能存储器12并且填充或者说装载该电能存储器，从而电能存储器12被填充电能。为了能使充电电流按规定地流动至能量存储器12，控制单元34在充电设备10的第一种实施方式中控制整流器14和直流变压器28。
为了节约时间和/或成本，电能存储器12的充电应借助充电设备10特别有效地实施。为此，电机16的之前所述的绕组38是直流变压器28的一部分。这意味着，线圈36是直流变压器28的组成部件。
现在为了能特别有利地为电能存储器12充电，控制单元34被设计为，使线圈36电串联以用于为电能存储器12充电，其中至少两个线圈36形成直流变压器28的电感。因此，直流变压器28——也可以称为DC/DC转换器——为了向能量存储器12充电使用线圈36作为电感或者说通过线圈36 形成的总电感，以便将输入直流电压22变换成输出直流电压30。
充电设备10、尤其是直流变压器28能在图2中示出的第一运行状态中运行，该第一运行状态例如与电机16的马达运行同时存在或者说被设置用于实现马达运行。在第一运行状态中，在能量存储器12中存储的电能通过充电设备10、尤其是通过直流变压器28被引导至电机16，该电机被供给电能。在此图2和图3示出了充电设备10的第二种实施方式。
此外，充电设备10、尤其是直流变压器28能在图3中示出的第二运行状态中运行。该第二运行状态被设置用于填充或者说装载能量存储器 12，因为在第二运行状态中由电源提供的电能通过充电设备10、尤其是通过直流变压器28被输送给能量存储器12并且存储在其中。第二运行状态还被称为充电运行。控制单元34的功能可以是在两个运行状态之间的切换。
为了特别有效地或者有利地为车辆的电能存储器12充电，直流变压器 28的特别大的电感是有利的。因此特别有利地为了向电能存储器12充电而使线圈36电串联，其中线圈36形成直流变压器28的电感。通过串联使每个线圈36的每个单独的电感相加成总电感。由此可以取消将另一个电感构建到直流变压器28中，这一点节约了成本和重量。通过节约重量，在车辆运行时间中实现了进一步的成本节约，因为由于重量较小而使车辆行驶期间消耗的能量较少。此外，部件数量且进而成本、重量和构造空间需求可以保持较少，因为线圈36不仅用于用来驱动车辆的电机16而且还用于用来为能量存储器12充电的充电设备10、尤其是直流变压器28。
从图2可以看出，直流变压器28包括绕组38的线圈36以及逆变器 40，该逆变器在第一运行状态中将由能量存储器12提供的能量变换或者说改变成交流电，以便因此向电机16提供能量或者说交流电流。此外，直流变压器28具有用于输入直流电压22的输入端26。经由直流变压器28的输出端32，能量存储器12可以被供给充电电流。滤波电容器42是可选的并且可以使充电电流平滑。此外设置有地线接头44。
电机16例如借助三相电流运行。因为能量存储器12——其尤其是被设计为电池——提供直流电压，所以为了运行作为电动机的电机16，直流电压必须借助逆变器40——其例如被设计为脉冲逆变器且在此例如被设计为电桥——变换和/或改变成交流电压。变换成交流电压可以借助逆变器 40的切换元件46来实现。为此，切换元件46例如由控制单元34来切换。因此，逆变器40在第一运行状态中作为逆变器工作。在第一运行状态中且因此在马达运行中，电机16的线圈36并联。在此，具有线圈36的绕组 38包括星形接点52，该星形接点在下述情况下位于线圈36之后：所述线圈由能量存储器12供给电流或电能。
控制单元34被设计为，尤其在马达运行或者说第一运行状态中如此切换线圈36，使得线圈36连接在星形电路和/或三角形电路中，以便由能量存储器12为电机16提供电能。
控制单元34可以用于控制或切换或连接线圈36以及切换元件46。此外，充电设备10可以具有连接单元48，该连接单元用于连接线圈36和/ 或切换元件46，其中连接单元48能由控制单元34来控制或操控。
借助控制单元34和/或连接单元48可以实现第二运行状态、充电运行，其在图3中示出。为了实现第二运行状态，控制单元34或连接单元48使电机16的绕组38的线圈36串联，以便获得尽可能大的总电感，该总电感由各个线圈36的各个电感组成。此外逆变器40不再用作逆变器，而是由控制单元34如此切换，使得所述逆变器引导充电电流至电能存储器12，而例如没有改变该充电电流。逆变器40和电机16或其线圈36形成直流变压器28的各个组件，该直流变压器现在能在充电运行中工作或者说运行。在此，直流变压器28现在将施加在其输入端26上的输入直流电压22转换为输出直流电压30，该输出直流电压能在其输出端32上被获取。
在此，输入直流电压22由不属于车辆的电源或者说电网来提供。根据电源的类型，可以使用整流器、像例如在图1中示出的整流器14，以便例如由电源电压产生输入直流电压22。整流器可以是车辆的充电设备10的一部分或例如充电站的充电桩的一部分，其中控制单元34可以如此设计，使得该控制单元在两种情况下控制或操控整流器。
电能存储器12与直流变压器的输出端32电连接并且通过其获得充电电流。由于串联的线圈36的总电感，能特别有利地运行直流变压器28。直流变压器28的运行由于使用逆变器40而特别高效，该逆变器借助控制单元34来控制到能量存储器12上的电流流动。通过使用逆变器40——该逆变器是车辆的本来被设置用于马达运行的组件——作为直流变压器28 的组件，可以省略附加的构件，该构件需要承担逆变器40在充电运行中的功能。因此可以省略这个构件，由此还节省了成本和重量。
总之，不仅逆变器40而且线圈36都适合双功能。在第一运行状态中，逆变器40用作逆变器，以便将由能量存储器12提供的直流电压变换和/ 或改变成用于电机16的交流电压。此外，线圈36在第一运行状态中或者说在马达运行中用作电机16的线圈，以便使其运行。在第二运行状态中、即在充电运行中，线圈36和逆变器40形成直流变压器28，用于将输入直流电压22转变成输出直流电压30。在此，线圈36串联，以便实现直流变压器28的特别有利的电感。由此可以避免使用附加的、仅被设置用于直流变压器28的电感。
图4示出了用于确定电机16的转矩的仿真计算的示意性电路图。电机 16尤其在马达运行中例如可以间接地驱动车辆的至少一个车轮。在充电运行中，电机16或者说电机16的一部分、尤其是其线圈36用作充电设备 10的直流变压器28的组件。由此，在绕组38上——该绕组由线圈36形成——施加电压、尤其是直流电压。通过施加电压，在电机中可以产生转矩。借助仿真计算来测试，该转矩是否在充电运行中如此小，使得电机16 没有受到损害，和/或例如车辆的至少一个车轮如此低程度地被驱动，使得车辆不能移动。
在第一仿真中，在图4的电路图示出的电路的电源50上施加了100V 的直流电压。在此，转矩设定为0.5Nm的水平，其在电机16中起作用。这个转矩可以忽略，因为这不足以用于推进车辆。
在第二仿真中，在电源50上施加了具有峰值48V的交流电压。电机 16在该仿真中可以消耗75A的电流，在此转矩设定为0.2Nm的水平。两个仿真的结果展示了，电机16的线圈36作为用于充电运行的直流变压器 28的组件串联意味着针对车辆或其环境没有危险。

Claims (6)

1.一种用于车辆的充电设备(10)，所述充电设备包括用于将输入直流电压(22)转换为用于为车辆的电能存储器(12)充电的输出直流电压(30)的直流变压器(28)，其中，电机(16)的绕组(38)是直流变压器(28)的一部分，其中，绕组(38)包括至少两个线圈(36)；所述充电设备包括用于操控直流变压器(28)的控制单元(34)，
其特征在于，
控制单元(34)被设计用于，使所述至少两个线圈(36)电串联以用于为电能存储器(12)充电，其中，所述至少两个线圈(36)形成直流变压器(28)的电感，
直流变压器(28)包括逆变器(40)，其中，逆变器的第一接头与电串联的所述至少两个线圈(36)连接，逆变器的第二接头与电能存储器(12)连接，
充电设备(10)具有整流器(14)，所述整流器在输出侧与直流变压器(28)连接，
控制单元(34)被设计用于，操控整流器(14)以用于为电能存储器(12)充电。
2.根据权利要求1所述的充电设备(10)，其特征在于，逆变器(40)具有至少一个切换元件(46)，控制单元(34)被设计用于，操控所述至少一个切换元件(46)以用于为电能存储器(12)充电。
3.根据权利要求1所述的充电设备(10)，其特征在于，直流变压器具有用于使所述至少两个线圈(36)串联的连接单元(48)，且控制单元(34)被设计用于，操控连接单元(48)以用于为电能存储器(12)充电。
4.根据权利要求1所述的充电设备(10)，其特征在于，控制单元(34)被设计用于，使所述至少两个线圈(36)彼此并联，或者对包括所述至少两个线圈(36)的星形电路或包括所述至少两个线圈(36)的三角形电路进行调节，以便由电能存储器(12)为电机(16)供给电能。
5.一种具有根据前述权利要求中任一项所述的充电设备(10)的车辆。
6.一种用于为车辆的电能存储器充电的方法，其中，借助直流变压器(28)将输入直流电压(22)转换为用于为电能存储器(12)充电的输出直流电压(30)，其中，车辆的电机(16)的绕组(38)用作直流变压器(28)的一部分，其中，绕组(38)包括至少两个线圈(36)，直流变压器(28)借助控制单元(34)来操控，
其特征在于，
借助控制单元(34)通过操控直流变压器(28)使所述至少两个线圈(36)电串联以用于为电能存储器(12)充电，其中，所述至少两个线圈(36)形成直流变压器(28)的电感，
直流变压器(28)包括逆变器(40)，其中，逆变器的第一接头与电串联的所述至少两个线圈(36)连接，逆变器的第二接头与电能存储器(12)连接，
充电设备(10)具有整流器(14)，所述整流器在输出侧与直流变压器(28)连接，
控制单元(34)被设计用于，操控整流器(14)以用于为电能存储器(12)充电。
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