CN109927588B - 对具有至少两个充电点的车辆充电的充电站的变压器装置 - Google Patents

Abstract

一种对具有至少两个充电点(110)的车辆充电的充电站(100)的变压器装置(10)，该变压器装置具有用于电连接到电源的一个输入接口(20)，还具有至少一个初级绕组(30)并电连接至少三个彼此电并联隔离的次级绕组(40)，其中这些次级绕组(40)通过开关逻辑(50)与至少两个充电点(110)的至少两个输出接口(60)连接，并且该开关逻辑(50)将至少两个次级绕组(40)与该充电点(110)的输出接口(60)电并联。

Description

对具有至少两个充电点的车辆充电的充电站的变压器装置

技术领域

本发明涉及一种对具有至少两个充电点的车辆充电的充电站的变压器装置。

背景技术

已知充电站规定用于具有两个或更多个充电点的电气驱动的车辆。其中可以在时间上并行地在各个充电点上对两辆或更多车辆进行充电。所述变压器装置在此用于向各个充电点提供功率分配。

当今的电力车辆通常允许两种充电模式。对于标准交流电压或三相连接的充电，车辆具有车载充电器，其不仅执行必要的直流转换而且控制相应的充电运行。然而，由于可用的连接功率通常不超过16A或32A并且在安装充电器的情况下才具有充足功率的充电速度，因此该AC充电模式受到严重限制。这导致当今的电动车辆每100公里需要充电数小时。由于AC充电的充电时间长，优选发展具有直流电压的DC快速充电。与AC充电不同，对于充电所需的电气运行器件和组件不在车辆中携带，而是由车辆外部的充电桩提供。该充电桩执行充电过程，并且应车辆的要求形成电压和电流，如同为各种车辆电池充电所需的那样。相应设置的DC充电线在充电过程中通过车辆中的各种接触器与车辆的高压电池的电极连接。常见DC充电站的功率目前一般最高至50kW，并且通常直接从低压电网或地方供电网中获取。然而所希望的是，实现大于300kW的充电功率，以超过20km/min的充电速度。此外，为了给未来车辆的电池充电600V或甚至超过800V的电池电压并且在低充电电流下实现更高的充电功率，需要高达1000V的充电电压。DC充电的示例性细节参见IEC 61851。对于功率超过300kW的车辆充电来说，从低压电网或本地供电网中提取电能是不利于电网稳定的，而连接到中压配电网或将来甚至高压电网则提供了明显的优势。

专利申请书DE 10 2012 212 291描述了一种用于直流电压充电的系统，其具有至少一个DC/DC调节器模块，该DC/DC调节器模块包括一个没有电隔离的DC/DC降压模块和一个具有电隔离的DC/DC谐振转换器模块。

专利申请书DE 10 2015 110 023和DE 10 2016 123 924描述了一种用于电动车辆的直流电压充电的装置，其在专业圈中使用商号名称split powerline。在此，通过具有单独的次级绕组的变压器实现充电场的各个充电接口或充电点与电网之间以及彼此之间的所需电隔离。该技术的优点在于可以使用成本有益且节省空间的非电隔离运行器件，例如在各个次级绕组上连接的整流器、AC/DC转换器和DC/DC转换器。所述变压器在此可以馈送相应的低、中或高压绕组比。变压器在这种技术中一方面为充电点提供能量，另一方面也提供电隔离。在此，变压器的次级绕组的交流电通常通过整流器或AC/DC转换器转换成直流电，该直流电可以选择继续通过下游DC/DC转换器在电压方面进行调节并进一步形成其物理特性(例如电流纹波)。直流电压输出可以通过充电电缆输送给车辆。次级绕组可以分别是单相或多相绕组。

已知解决方案尤其是Split-Powerline技术的缺点在于，对于单个变压器装置来说，充电站处的充电点的数量导致复杂性、结构尺寸和成本的显著增加。通常必须根据现有技术水平针对每个充电场的变压器以及各个充电点的负载情况以特定应用的方式进行开发和调节。此外必须要考虑到变压器装置中不同的充电功能、充电功率或充电点的不对称充电情况或结构情况。其中尤其应指出的是，可以向不同的充电点提供不同的电功率或者甚至在某些充电情况下必须向不同的充电点提供不同的电功率。例如如果在两个充电点处不同的车辆需要不同的充电功率，这也是更灵活的方式。然而，还可以想到的是，在结构上固定设计的方式中，变压器装置必须为不同的充电点提供始终不同的电功率。在这两种情况下，已知的变压器装置的配置不足以实现这种灵活性。因此，必须从设计的一开始就考虑这种灵活性，并在变压器装置中设置相应更大、更复杂和更昂贵的构造技术。

发明内容

本发明的目的是至少部分消除上述缺点。尤其地，本发明的目的是以成本更有益且更简单的方式提高针对变压器装置、尤其是用于Split-Powerline系统的变压器装置的使用灵活性。

上述目的通过具有如下项1所述的特征的变压器装置、具有如下项8所述的特征的充电站以及具有如下项9所述的特征的方法实现。本发明的其他特征和细节从如下项2-7和10、说明书和附图中得出。在此，结合根据本发明的变压器装置描述的特征和细节自然也适用于与根据本发明的充电站以及根据本发明的方法相结合，并且相应地反之亦然，使得始终交替地参考或能够参考关于公开的本发明的各个方面。

1.一种对具有至少两个充电点的车辆充电的充电站的变压器装置，该变压器装置具有用于电连接到电源的一个输入接口，还具有至少一个初级绕组和至少三个彼此电隔离的次级绕组，其中这些次级绕组通过开关逻辑与至少两个充电点的至少两个输出接口连接，并且该开关逻辑将至少两个次级绕组与该充电点的输出接口电并联。

2.根据如上项1所述的变压器装置，其特征在于，所述开关逻辑具有至少一个组合电路，该组合电路将至少两个次级绕组彼此组合到所述输出接口上。

3.根据如上项2所述的变压器装置，其特征在于，所述组合电路构造为可逆的组合电路。

4.根据如上项中任一项所述的变压器装置，其特征在于，所述开关逻辑具有一个开关矩阵，用于将所述次级绕组灵活地组合到所述输出接口上。

5.根据如上项4所述的变压器装置，其特征在于，所述开关矩阵具有一个控制单元，用于控制所述输出接口处的功率消耗并基于该控制来调节次级绕组的组合。

6.根据如上项中任一项所述的变压器装置，其特征在于，所述次级绕组设计用于相同或基本相同的功率级。

7.根据如上项中任一项所述的变压器装置，其特征在于，所述输入接口构造为中央的连接板。

8.一种用于对车辆充电的充电站，具有至少两个充电点和具有如上项1至7之一所述的特征的变压器装置。

9.一种用于使具有如上项1至7之一所述的特征的变压器装置适应具有如上项8所述的特征的充电站处的充电情况的方法，具有以下步骤：

-借助于所述开关逻辑将所述充电点的输出接口以电并联的方式与至少两个次级绕组连接。

10.根据如上项9所述的方法，其特征在于，借助于控制单元，控制输出接口处的功率消耗，并且基于该控制结果，调节所述次级绕组的组合。

根据本发明，开关逻辑指定固定的电气布线、例如具有螺旋连接、夹紧连接、焊接连接或钎焊连接或可以配置有电开关、电插塞连接器或同等设备的电路。

根据本发明提出一种用于对具有至少两个充电点的车辆进行充电的充电站的变压器装置。该变压器装置具有用于电连接到电源的输入接口。此外，设置至少一个初级绕组和至少三个彼此电隔离的次级绕组。次级绕组通过开关逻辑与至少两个充电点的至少两个输出接口连接。该开关逻辑将至少两个次级绕组与充电点的输出接口电并联，使得两个次级绕组共同提供负载电流和由此的充电点的充电功率。这种变压器装置可以理解为可重构的变压器。其中，可以使用多个功率较弱的次级绕组，其可以在组装时通过端子、螺栓终端等来配置。两个次级绕组也可以并联到一个接口上。

次级绕组可以分别是单相或多相绕组。其中在目前常见的三相能量系统中是有利的，尤其是能够以星形配置或三角形配置实施的三相绕组。同样地也可以使用星形和三角形配置的组合，以构成至少六相的次级绕组。这提供以下优点，即在此连接的整流器可以实施成十二个脉冲，以便产生非常低的电流纹波和非常低的电网反作用。此外，还可以通过所谓的Z字形绕组在次级绕组中产生另外的相数。

根据本发明，变压器装置现在分为两个主要的电部分。一个是初级绕组，其作为用于所有充电点的共同绕组提供。由电源以电方式提供的功率在第一部分中通过该至少一个初级绕组。现在至少三个彼此电隔离的次级绕组与至少一个初级绕组磁性耦合，所述次级绕组特定于各个充电点。借助于开关逻辑，三个次级绕组中的至少两个现在与充电点的唯一和共同的输出接口电并联。这意味着至少两个次级绕组并联电连接，以便借助于开关逻辑在此为各个充电点的各个输出接口供应至少两个次级绕组。

如在前面解释中可以获知的，现在不再通过变压器装置中的次级绕组或初级绕组以结构方式提供各个充电点的复杂性或多样性。更确切地说，复杂性和由此的灵活性通过变压器装置中的开关逻辑设计并且尤其可以在后面解释的细节中简单、成本适宜且尤其可逆地提供。现在，开关逻辑允许不再仅仅将单个次级绕组明确且有针对性地连接到单个充电点和单个输出端子上。更确切地说，通过开关逻辑以电并联方式组合至少两个或更多个次级绕组是可能的，因此增加了电功率并且由此能够提供不同输出接口之间以及由此不同充电点之间的不对称充电行为、例如专用高功率充电点和具有更低的充电功率的充电点。

尤其地，当在不同充电点处需要不同的功率时，借助于开关逻辑可以进行两个或更多个次级绕组的组合，其例如具有相同或相似的单独功率。通过各个次级绕组的电并联，由此实现整个输出功率在总和上的增加，现在已经通过开关逻辑以组合方式在相应充电点的输出接口处提供。现在，开关逻辑的灵活性导致即使是具有固定和结构安装的次级绕组的变压器装置也可以灵活地适应不同的充电点情况或充电情况。

充电点在此根据本发明尤其配有一个电力配电箱(elektrische

)，也就是例如采用充电插头形式的输出接口，其可以插入待充电车辆的充电插座中。借助于开关逻辑的组合既可以是可逆的，也可以是不可逆的。然而，优选的是可逆的、尤其是灵活的开关逻辑设计，如稍后还要解释的那样。

此外有利的是，在根据本发明的变压器装置中，开关逻辑具有至少一个组合电路，该组合电路在输出接口上将至少两个次级绕组彼此组合。为此，开关逻辑用于以固定组合电路提供组合，从而尤其提供一种固定或静态电路作为开关逻辑中的组合电路。在此可以是可逆的和不可逆的或一次性的设置。优选地，这里应理解为变压器装置或开关逻辑的配置中的手动设置。

此外有利的是，在根据本发明的变压器装置中，该组合电路被构造为可逆的组合电路。换句话说，在制造中，变压器装置可以配置有至少一个组合电路形式的开关逻辑。例如，这可以具有用于各个次级绕组的并联电路的插头触点、端子或螺栓触点。开关逻辑中的可逆组合电路为此用于确保现在由安装者以灵活且自由的方式在相应充电站的安装情况下，可以使该可逆组合电路适应不同的充电情况。因此，可逆组合电路可以通过一些标准化简化生产，并通过相应的适应性简化安装和调试。如果现有的变压器装置现在用于三个充电点，则在将次级绕组切换到三个输出接口并因此切换到三个充电点时，对该可逆构造的组合电路进行相应的手动调节。相反地，如果需要更多数量的充电点直至达到变压器的次级绕组的数量，例如六个充电点，则可以在同一变压器装置中手动调节可逆组合电路，使得例如借助于插入式组合器，次级绕组现在可以控制或连接六个输出接口和因此的六个充电点。

在根据本发明的变压器装置中还有利的是，开关逻辑具有用于将次级绕组灵活地组合到输出接口上的开关矩阵。该开关矩阵可以是如前面段落中所解释的那样的组合电路的替代。然而，根据本发明可设想一个组合一方面是固定或可逆的组合电路，另一方面是灵活可组合的开关矩阵。优选的是，开关矩阵可以自动驱动或至少部分自动控制，这将在后面用控制单元和结合根据本发明的方法进行说明。现在，开关矩阵允许次级绕组的灵活组合，从而不仅可以对相应充电站的一般结构设计进行调整，而且更确切地说还可以通过在开关逻辑中切换开关矩阵来补偿不平衡的充电情况。因此，根据本发明的变压器装置的使用灵活性继续增加。在这种情况下，可以在无负载、也就是几乎无电流的情况下进行专用操控，由此开关矩阵的开关元件不必隔离电流。然而，利用合适的开关元件，这种开关矩阵也可以实施用于在负载下进行切换。在此一方面可以是机械开关，能够断开电弧、具有适当的灭弧室、设置灭弧装置或在真空中起作用；或者是电子开关，包括相应的续流电路或卸荷电网，以便于断电。同样，电子开关可以与机械开关这样组合，使得电子开关执行断电并且机械开关仅在敞开时提供隔离或在关闭状态中提供主要导电路径。在这种情况下，机械开关必须不能够断开电流。例如，电子开关和机械开关可以为此电并联。在接通的状态中，机械开关传导主要电流，而电子开关优选地打开。为了切断，电子开关最初接通，然后打开机械开关，由此电流完全转换到电子开关上，然后打开电子开关以中断电流流动。

进一步有利的是，在根据本发明的变压器装置中，开关矩阵具有一个控制单元，用于对输出接口处的功率消耗进行控制并基于该控制调节次级绕组的组合。该控制单元可以具有例如能够执行自动和/或可逆的控制的传感器器件和控制器件。如果控制单元识别出例如在相应充电点处的输出接口处的功率消耗增加，则可以通过灵活的调节和现在灵活的开关组合在这个输出接口处将所提供的功率连接另一个或多个其他的次级绕组。换句话说，提高的功率请求或提高的功率消耗，例如在待充电的电动车辆中特别是空的电池装置的情况下，利用在该充电点处提供的功率的提高来抵消。因此可以显著改善使用的灵活性，尤其是输入接口处的现有电功率到各个输出接口上的最准确匹配的分配。由此，可以显著提高针对各个车辆的舒适性并且首先是充电速度，并且因此可以改善这种充电站的用户接受度。因此，优选地始终在每个充电点处设定理想功率，这在当前时刻的该充电点处实际上是需要的。

此外有利的是，在根据本发明的变压器装置中，次级绕组设计用于相同或基本相同的功率级。例如，这样的功率级可以是160kVA。已证明160kVA单位的划分对于电动车辆的高功率充电是非常有利的。各个次级绕组能够以模块化方式构造并且简单地在轴向或径向方向上组合。唯一的功率级的减小导致在制造中次级绕组可以预制为基本模块，并且根据变压器装置的尺寸简单地在轴向方向上一字排开。由此可以轻松且成本适宜地以模块化方式提供不同尺寸的变压器装置。现在，通过这些各个相同或基本上相同的功率级的最小公倍数进行彼此连接或功率互连，从而可以通过开关逻辑提供功率互连中的高度灵活性。

此外有利的是，在根据本发明的变压器装置中，所述输入接口被设计为中央的连接板。这种中央的连接板导致复杂性的进一步降低，并且尤其是进一步减少制造费用、成本和构造空间或这种变压器装置的重量。

同样，本发明的主题在于一种用于对具有至少两个充电点和至少一个根据本发明的变压器装置的车辆进行充电的充电站。由此，根据本发明的充电站带来了与参照本发明的变压器装置已经详细说明的相同的优点。

同样，本发明的主题在于一种用于调节根据本发明的变压器装置适应根据本发明的充电站的充电情况的方法，包括以下步骤：

-借助于所述开关逻辑将所述充电点的输出接口以电并联的方式与至少两个次级绕组连接。

通过将该方法应用于根据本发明的充电站或根据本发明的变压器装置，实现了与参照根据本发明的充电站或参照根据本发明的变压器装置说明的那样的相同优点。

根据本发明的方法可以接下来扩展，即借助于控制单元控制输出接口处的功率消耗并且基于该控制结果调节所述次级绕组的组合。因此提高了控制单元的使用灵活性，使得变压器装置还可以在各个充电点处考虑不同的且尤其是不对称的功率消耗情况。

附图说明

本发明的其他优点、特征和细节从下文的说明书得出，其中参照附图对本发明实施例进行详细说明。在此，在如上项1-10和说明书中提及的特征可以分别单独地或在任意组合中是对本发明而言重要的。

图中示意性地示出：

图1示出了根据本发明的变压器装置的实施方式，

图2示出了根据本发明的变压器装置的另一个实施方式，并且

图3示出了根据本发明的变压器装置的另一个实施方式，其被集成到公共能源网中。

具体实施方式

图1示意性地示出了外部电源如何能够经由一个共同的输入接口20向初级绕组30供应电流。充电站100在此配备有总共五个充电点110，其分别通过自身的输出接口60向变压器装置10供应用于充电的电功率。

现在，这里多个单独的次级绕组40通过变压器装置10的共同的芯部缠绕。各个次级绕组40都构造有以160kVA形式的相同电功率。然而在此，提供开关逻辑50，其以不同方式彼此组合单独的次级绕组40。在此是可逆的或手动的组合电路52。下面将更详细地解释开关逻辑50的该组合电路52。

从上到下，在该实施方式中现在执行各个次级绕组40的组合。最上面的组合电路52在此组合两个次级绕组40，并且由此在最上面的充电点110的最上面的输出接口60处将功率容量加倍到320kVA。下一个充电点110和所属的输出接口60借助于组合电路52组合三个次级绕组40至480kVA，并且由此在图1的充电站100内输出最大功率。接下来的两个输出接口60再次与第一输出接口60相同，并且在相应的充电点110处组合每两个次级绕组40至320kVA。最下面的充电点110并且因此还有最下面的输出接口60也示出了单个次级绕组40的组合并且由此可以简单地提供用于在输出接口60处进行充电的充电单元。作为本发明该实施方式的基本特征，几乎可以实现次级绕组40的任何电组合。

尽管图1示出了变压器装置10或充电站100的实施方式，其中尤其是以手动方式，例如还有不可逆的方式，开关逻辑50构造组合电路52，但是提供的图2中的实施方式明显更灵活。在此，开关逻辑50设计有开关矩阵54。同时设置控制单元56，尤其是用于提供对各个输出接口60处的功率消耗的监控。因此，这里也可以实现如图1所示的实施方式，其中开关矩阵54提供模拟了图1和该处所示实施方式的组合的相同电路。然而，也可以灵活地设想各个次级绕组40的每种任意其他组合，用于灵活地对不同的充电点110处的不同充电情况作出反应，并且尤其是灵活地改变在各个输出接口60处可用的充电功率或者根据实际的充电情况进行调节。

图3示出了通过输入接口20将变压器装置10集成到公共能源网中的可能性。通过初级绕组30和次级绕组40可以经由输出接口60在充电站100的不同的充电点110处构造充电容量。

上述对实施方式的说明仅在示例的范围内描述了本发明。在不背离本发明的范围的情况下，自然还可以将各实施方式的单独的特征(只要在技术上有意义)自由地彼此组合。

Claims (8)

1.一种对具有至少两个充电点(110)的车辆充电的充电站(100)的变压器装置(10)，该变压器装置具有用于电连接到电源的一个输入接口(20)，还具有至少一个初级绕组(30)和至少三个彼此电隔离的次级绕组(40)，其中这些次级绕组(40)通过开关逻辑(50)与至少两个充电点(110)的至少两个输出接口(60)连接，并且该开关逻辑(50)将至少两个次级绕组(40)与该充电点(110)的输出接口(60)电并联；其中所述开关逻辑(50)具有一个开关矩阵(54)，用于将所述次级绕组(40)灵活地组合到所述输出接口(60)上，且所述开关矩阵(54)具有一个控制单元(56)，用于控制所述输出接口(60)处的功率消耗并基于对所述输出接口(60)处的功率消耗的控制来调节次级绕组(40)的组合。

2.根据权利要求1所述的变压器装置(10)，其特征在于，所述开关逻辑(50)具有至少一个组合电路(52)，该组合电路将至少两个次级绕组(40)彼此组合到所述输出接口(60)上。

3.根据权利要求2所述的变压器装置(10)，其特征在于，所述组合电路(52)构造为可逆的组合电路(52)。

4.根据前述权利要求1-3中任一项所述的变压器装置(10)，其特征在于，所述次级绕组(40)设计用于相同或基本相同的功率级。

5.根据前述权利要求1-3中任一项所述的变压器装置(10)，其特征在于，所述输入接口(20)构造为中央的连接板。

6.一种用于对车辆充电的充电站(100)，具有至少两个充电点(110)和具有权利要求1至5之一所述的变压器装置(10)。

7.一种用于使具有权利要求1至5之一所述的变压器装置(10)适应具有权利要求6所述的充电站(100)处的充电情况的方法，具有以下步骤：

-借助于所述开关逻辑(50)将所述充电点(110)的输出接口(60)以电并联的方式与至少两个次级绕组(40)连接。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，借助于控制单元(56)，控制输出接口(60)处的功率消耗，并且基于对输出接口(60)处的功率消耗的控制，调节所述次级绕组(40)的组合。

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