CN110015112B - 用于借助于换流器初始化电池的dc充电过程的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于在直流充电装置处给电动车辆的电池充电的方法，其中该车辆具有联接到该电池的换流器和联接到该换流器的电动马达。在充电过程中，将该换流器和该电动马达的至少一个电感器用于将该直流充电装置的低充电电压升压转换为用于给电池充电所需的更高的电压。

Description

用于借助于换流器初始化电池的DC充电过程的方法
技术领域
本发明涉及用于借助于换流器初始化电池的DC充电过程的方法。
背景技术
如今可供用于电动汽车的DC(直流)快速充电站通常以400伏的充电电压工作。这样的充电站的充电功率处于50千瓦的范围中。为了使还更快的充电过程成为可能并且由此尤其在行驶时间与充电时间之比的角度下进一步提高用户友好度，在电驱动的车辆的驱动系统中越来越多地使用远大于典型的DC快速充电桩的400V的更高的电池电压。作为一个实例在此提及保时捷的超快充电概念，其中在充电过程中的电压水平为800伏。在电流强度保持相同的情况下且由此在充电缆线处的充电针的电负载相同的情况下，电压水平的加倍使得充电时间减半成为可能。
但是对于现代的电动车辆(其中使用800伏高功率充电技术)的用户而言这可能变得有问题，因为当今大量快速充电站仍以400伏的电压水平工作且无法提供800伏的电压。为了尽管如此仍能够在现有的400V快速充电桩处以800伏的高功率充电技术给电动车辆充电，必须进行直流电压转换，借助于该直流电压转换将例如400V的充电桩的充电电压提升到用于HV车辆电池的800V。
为了提高电压水平所需的直流电压转换能够例如由专用的直流电压转换器(DC/DC变换器)来进行，但是该直流电压转换器由于高的必要功率是昂贵的且占据大的结构空间且因此不是该问题的实用的解决方案。此外，这样的直流电压转换器显著地提升了车辆重量，由此使行驶里程受到影响。
替代性地，能够改变车辆的逆变器(该逆变器还被称为驱动换流器)的用途。借助于电机的相位电感且通过对驱动换流器的半导体元件的适合的操控能够模仿升压转换器(也被称为升压变换器)的工作方式。于是，升压转换器将充电桩的较低电压变换为车辆的高压电池(在下文中被称为HV电池)的较高电压，其中变换经由电机的位相电感来实现(从相位到星形接点)。经由电动汽车的驱动换流器进行的充电过程具有如下优点：由此能够在任何传统的充电桩处给800V的HV电池充电而无需使用附加的充电电子设备(例如专用的DC/DC变换器)。
电动车辆在充电站处的充电过程能够例如按照国际标准IEC 61851(International Electrotechnical Commission，国际电工委员会)的规定标准化，其中该标准系列在很多欧洲国家使用。根据该标准，充电站是无电压的，直到连接了电动车辆且在成功经历了启动或者初始化程序之后才接通充电电流。除了检验车辆的绝缘之外，电压同步是启动程序的首要目标。电压同步被理解为使充电桩的充电电压适配于HV电池的电压(在预先定义的公差的范围中)。对于HV电池的经由驱动换流器进行的充电过程而言，充电站不是如在常见的情况中那样直接联接到车辆的电池，而是以两个电极之一联接到电机的星形接点。由此，在充电站与HV电池之间连接驱动换流器和电机，从而这种拓扑不允许根据IEC 61851规定的电压同步。
发明内容
本发明的目的在于，提供针对DC充电过程的启动过程和针对随之在车辆与充电站之间进行的通信的协议。
本发明的目的是通过用于给电动车辆的电池、尤其牵引电池充电的方法来实现的。根据本发明的方法是基于在直流充电装置(例如用于电动汽车的加电站的充电桩)处的充电过程。在充电过程中能够使用已经在电动车辆中存在的电气设施、尤其是驱动换流器和与之联接的电机(电动马达)，以便实现将直流充电装置的过低的电压电平提升到用于给电动车辆的HV电池充电所需的更高的电压电平。在此提出的方法能够与根据IEC 61851(德文版本DIN EN 61851-23(VDE 0122-2-3))标准化的充电方法兼容，其中该标准涉及在用于电动车辆的直流充电站(DC充电站)处的有缆线的电池充电过程。在该标准的附录CC中描述了针对欧洲而提供的“Combined Charging System(组合充电系统)”的特性。在此提出的方法对应于在IEC 61851标准的附录CC的第3.2段“Normaler Startvorgang(正常启动过程)”中描述的针对以下情况下的充电方法的改型：即，直流充电站的直流充电电压过小(也就是说，与HV电池的运行电压明显有偏差)且必须进行提升。
在根据本发明的方法开始时，将车辆侧的充电接口与直流充电装置连接，其中该直流充电装置的第一电极与该电池的第一电极联接且该直流充电装置的第二电极与该电动马达的星形接点联接。相互联接的直流充电装置的第一电极和电池的第一电极可以是相同极性的电极，即分别是正电极或负电极。于是，直流充电装置的对应另一电极联接到电动马达的星形接点。在该时刻还未发生电流流动，因为首先执行对绝缘的检查和初始化。然后确定第一电压，该第一电压对应于电池的电压。第一电压能够例如直接在电池的电极之间获取。
以确定的第一电压为出发点，操控该换流器的至少一个开关(该开关布置在该电池的第一电极与该电动马达的电感器之间)，其方式为使得该开关过渡到时序运行中。被操控的开关可以是换流器的任意的低侧开关(如果电池的第二电极为正电极)或高侧开关(如果电池的第二电极为负电极)，(通常晶体管，例如大功率MOSFET)，即在电机的电感器与电池的第一电极之间提供可切换的导电连接的开关。该至少一个开关、相关联的相位电感器和相关联的二极管(该二极管与布置在被操控的开关的半桥中的其他开关并联布置)在适合地操控开关时形成升压转换器。在需要时，能够使用其他半桥的对应构件连同相关联的相位电感器来实现彼此并联连接的其他升压转换器。因此在三相电动马达中，例如可以全部以相同的方式按时序来操控两个低侧开关或高侧开关或者三个低侧开关或高侧开关，以提供两个或三个并联连接的升压转换器。该至少一个开关的运行的时序确定相关联的升压转换器的电压变比或者占空比(duty cycle)。通过开关的时序运行，在电池的第一电极(时序运行的开关的端子联接到该第一电极处)与电机的星形接点之间产生第二电压，该第二电压小于第一电压。第二电压还对应于在车辆侧在充电接触器处产生的电压。充电接触器能够被理解为断路器，该断路器用于车辆侧的充电插座与HV系统、即直流充电装置的电流连接/绝缘。
在根据本发明的方法的下一步骤中，确定第二电压，该第二电压通过该换流器的该至少一个开关的时序运行在该电机的星形接点与该电池的第一电极之间产生。接着，确定该第二电压与由直流充电装置提供的直流充电电压之间的差值。最后，如果所确定的差值超过预设的极限值，则对直流充电电压和/或第二电压进行适配。适配的目的在于，使第二电压与直流充电电压之间的差值最小化，从而该差值至少小于预设的极限值。如果满足该条件，电动车辆能够将功率需求消息传输到直流充电装置，以便将其对于充电过程已准备就绪信号化。
利用驱动换流器的该至少一个开关的时序运行实现如下目标：第二电压的值在最佳情况下对应于直流充电电压。在实践中，足够的是：第二电压与直流充电电压之间的偏差处于预先定义的公差之内，如在IEC 61851标准的附录CC的第3.2段中规定的那样，例如为不超过20V。初始设定的占空比(例如，D＝0.75)能够对应于预先确定的按照标准的占空比。初始设定的占空比能够借助于控制回路迭代地进行适配，以便使第二电压与直流充电电压相匹配。取决于情形的电压变换(例如从HV电池的800V到直流电压充电站的400V)能够与初始占空比相关联，该初始占空比以可在存储器中调用的方式存在，从而能够更快地实现使电压相匹配。
根据该方法的另一实施例，对直流充电电压的适配可包括将至少一个消息传输到直流充电装置。借助于至少一个消息(该至少一个消息可以是根据IEC 61851标准的附录CC的第3.2段的循环消息5b)，能够将电动车辆的电池所需的直流充电电压的电压值传输到直流电压充电站。由于第二电压以降低的电池电压为起始点通过驱动换流器的开关的时序运行而产生，因此按照根据本发明的方法的一种实施方式能够使直流充电电压与占空比的实际设定相适配。由此，在使得绝缘失效之后且在使用充电电流时，如此设定的直流充电电压被升压转换器自动地提升到电池的运行电压。
根据该方法的另一实施例，对该第二电压进行适配可以包括对该至少一个开关的接通时间进行适配。对该至少一个开关的接通时间进行适配对应于对升压转换器的占空比进行适配，借助于该升压转换器能够直接地适配第二电压。该措施能够相对于对直流充电电压的适配替代性地或补充地(即与之一起)进行。
根据另一实施例，该方法此外可包括当该第二电压与该直流充电电压之间的差值小于预设的极限值时，使绝缘装置失效以便实现使电流从该直流充电装置流动到该电池。使绝缘装置失效能够对应于根据IEC 61851标准的附录CC的第3.2段的过程，该过程在时间段(t6->t7)中进行。
如开头提及的那样，在将直流充电装置的充电插头联接到车辆侧的充电接口之后，只有当对绝缘的检查和初始化已成功进行时，才进行电流流动。在该时间期间，绝缘装置是激活的。
根据该方法的另一实施例，可以依赖于该第一电压、即电池电压来设定该至少一个开关的接通时间。为此，能够例如将针对开关的初始占空比的各种值存储在存储器中，在该方法的范围中能够使用这些值。占空比能够例如以二维阵列的形式存在，其中在相应的充电环境中最佳的占空比不仅能够取决于电动车辆的HV电池的电压而且能够取决于直流充电电压。
根据另一实施例，该方法此外可包括将预充电请求传输到该直流充电装置，以便设定由该直流充电装置提供的直流充电电压。借助于预充电请求，能够给直流充电装置传输针对充电电流的设定值以及针对直流充电电压的设定值。预充电阶段从传输预充电请求开始，如在IEC61851标准的附录CC的第3.2段中定义的那样。
根据另一实施例，对该至少一个开关进行时序操控可以与确定第一电压同时进行或在此之后进行。换句话说，能够进行对驱动换流器的开关的切换释放(该切换释放使得访问开关成为可能)并在时刻t5启动对该开关的操控，如其在IEC 61851标准的附录CC的第3.2段中定义的那样。对该至少一个开关的操控能够优选借助于PWM信号进行。
借助于根据本发明的方法能够将DC充电过程的启动过程定义成使其能够与IEC61851标准的规定兼容。在此提出的方法是对根据IEC61851标准化的启动过程的补充或扩展，该补充或扩展考虑到驱动换流器充电的经改型的切换电路拓扑，该切换电路拓扑对于电压变换而言是必要的。
总体上，本发明在此提供下述1的技术方案，下述2-9为本发明的优选技术方案：
1.一种用于在直流充电装置处给电动车辆的电池充电的方法，其中该车辆具有联接到该电池的换流器和联接到该换流器的电动马达，其中该方法具有以下步骤：
将车辆侧的充电接口与该直流充电装置连接，其中该直流充电装置的第一电极与该电池的第一电极联接且该直流充电装置的第二电极与该电动马达的星形接点联接；
确定第一电压，该第一电压对应于该电池的电压；
操控该换流器的至少一个开关，其方式为使得该开关过渡到时序运行中，该开关布置在该电池的第一电极与该电动马达的电感器之间；
确定第二电压，该第二电压通过该换流器的该至少一个开关的时序运行在该电动马达的星形接点与该电池的第一电极之间产生；
确定在该第二电压与由该直流充电装置提供的直流充电电压之间的差值；并且
如果该差值超过预设的极限值，则对该直流充电电压和/或该第二电压进行适配。
2.根据上述1所述的方法，其中对该直流充电电压进行适配包括将至少一个消息传输到该直流充电装置。
3.根据上述1或2所述的方法，其中对该第二电压进行适配包括对该至少一个开关的接通时间进行适配。
4.根据上述1至3之一所述的方法，其中根据该第一电压来设定该至少一个开关的接通时间。
5.根据上述1至4之一所述的方法，该方法还包括：
当该第二电压与该直流充电电压之间的差值小于预设的极限值时，使绝缘装置失效以便实现使电流从该直流充电装置流动到该电池。
6.根据上述1至5之一所述的方法，其中在给该电池充电时，将该换流器和该电动马达的电感器作为升压转换器来运行。
7.根据上述1至6之一所述的方法，该方法还包括：
将预充电请求传输到该直流充电装置，以便设定由该直流充电装置提供的直流充电电压。
8.根据上述7所述的方法，其中对该开关进行时序操控是优选借助于PWM信号与确定第一电压同时进行或在此之后进行的。
9.根据上述1-8之一所述的方法，其中该直流充电装置的第一电极和该电池的第一电极为同一极性的电极。
附图说明
本发明的进一步的细节、特征和优点将借助附图从以下关于优选的实施方式的说明中得出。这些附图在此仅示出了本发明的示例性的实施方式，这些实施方式不限制基本的发明构思。尤其，在图中示出的元件的尺寸和几何关系不应被视为限制性的。在本申请的范围中所使用的关于电气部件的术语“联接”或“连接”一般而言被理解为：对应的电气部件借助于有针对性地提供的电连接件相互连接。
图1展示了在电动车辆中的电池的根据本发明的充电过程。
图2以更多的细节展示了电动车辆中的电池的根据本发明的充电过程。
图3示出了流程图，其中展示了根据本发明的方法。
具体实施方式
在图1中展示了根据本发明的用于在直流充电装置10处给电动车辆的电池2充电的方法。在车辆侧，电池2与优选双向的驱动换流器3联接，该驱动换流器进而与电动马达4(电机)联接。电动马达4通常以三相星形电路运行，从而驱动换流器3也是三相的。代替三相的系统，也能够使用更多相的系统，例如四相、五相、六相的系统。驱动换流器3(也称为功率电子设备)将HV电池2的直流电压转换为用于运行电动马达4所需的三相交流电压。电动马达4将电能转换为致使车辆运动的机械能。电池2、驱动换流器3和电动马达4是电动车辆的唯一的或补充的电气动力传动系1的基础组成部分。一般而言，动力传动系也能够被设计成用于多于三相。
根据本发明的方法以这样的情况为出发点，其中直流电压充电装置10无法提供高到足以给电动车辆的电池2充电的充电电压。在实践中，可能发生这样的情况：直流电压充电装置10(该直流电压充电装置具有带有至少一个第一接触部12和第二接触部13的充电插头11)是400V的充电桩，但是车辆具有现代的电力驱动装置，该电力驱动装置的HV电池2具有800V的运行电压。在这样的情况下，HV电池2无法如常见的那样直接联接到直流电压充电装置10，也就是说，经由车辆侧的充电插座5的两个充电接触部大体上与直流充电装置10的充电插头11的两个接触部12、13联接。
在根据本发明的方法的过程中，在这样的情况下，车辆侧的充电插座5的充电接触部相比于通常的充电过程(其中车辆侧的充电插座5的两个充电接触部基本上与电池2的两个电极连接)以不同的方式连接。在图1中示出了第一实施例，其中车辆侧的充电插座5的通常与电池2的正电极连接的充电接触部借助于第一导线6(该第一导线与车辆侧的充电插座5的上接触部相联接)与电动马达4的星形接点8相连接。为此，在电动车辆之内的星形接点8能够对应地引出。因此，直流充电桩10的正电极(该正电极在图1中对应于第一接触部12)联接到电动马达4的星形接点8。在图1中示出的实施例中，借助于第二导线7实现的直流充电桩10的负电极(该负电极在图1中对应于第二接触部13)与HV电池2的负电极的电连接保持不变，其中第二导线7与车辆侧的充电插座5的下接触部相联接。这种相对于通常的充电过程改型的电路配置能够例如通过双路开关来实现，该双路开关根据充电插座5的位置被配置成使得对应的充电接触部要么与电机4的星形接点8联接、要么直接与电池2的正电极联接。不同于在图1中示出的实施例，根据另一实施例，车辆侧的充电插座5还能够以不同方式连接，即，其方式为使得充电插头11的第一接触部12(即直流充电桩10的正电极)与HV电池2的正电极相联接且充电插头11的第二接触部13(即直流充电桩10的负电极)与电动马达4的星形接点8相联接。于是，相对应地不同于在图1中示出的那样，第一导线6将联接到在HV电池2的正电极与驱动换流器3之间延伸的导线，并且第二导线7将联接到电机的星形接点8。
在电动车辆的正常运行中，实现从HV电池2到电动马达4的能量流动。这种能量流动方向在下文被称为正常的能量流动方向。在根据本发明的充电方法中，能量流动反向地进行，即从直流电压充电装置10、经由电动马达4的至少一个电感器、经过驱动换流器3、到达HV电池2，其中电机4的电感器和换流器3的至少一个附属的支路、例如附属的半桥作为升压转换器运行。在图1中示出的电机4的星形接点8按照根据本发明的方法用作为入口，以便与正常的能量流动方向相反地实现升压变换器。在此，电动马达4的相位电感器作为直流电压转换器的升压电感器起作用。原则上，电机中的星形接点既不能够触及、也不能够电接触。为了实现根据本发明的方法，电动车辆能够对应地准备就绪且星形接点能够有针对性地从壳体中引出。在本申请的范围中不进一步讨论升压转换器本身的运行方式，因为升压转换器是从现有技术中众所周知的。
参与根据本发明的充电过程的部件的示意图在图2中以更多的细节示出，其中与来自图1的元件相同的元件也具有与在图1中相同的附图标记且不重复描述。如示出的那样，电池2具有正电极和负电极。电池2经由第一节点27和第二节点28与换流器3连接。能够例如在节点27、28之间确定电池2的电压。驱动换流器3在示出的实例中具有三个半桥，各个半桥分别带有两个开关，其中各个半桥分别与电机4的电感器联接。在电机4的星形接点8与车辆侧的充电插座5的第一充电接触部25之间连接有可选的第一保险元件21。同样在第二节点28与车辆侧的充电插座5的第二充电接触部26之间连接有可选的第二保险元件22。此外，在保险元件21、22中的各个保险元件与对应的充电接触部25、26之间连接有切断装置(第一切断装置23和第二切断装置24)。切断装置23、24在充电过程的开始阶段(在对绝缘进行检查和初始化期间)保持打开或激活，从而电流无法从直流电压充电装置10流动到电池2。在对绝缘的检查和初始化成功结束之后才使得切断装置23、24关闭或解除激活并使能预充电电流的流动。在动力传动系1作为升压转换器运行期间，电动马达4的相位电感器(在图2中通过在电动马达4之内的黑色填充的矩形代表)中的各个相位电感器能够单独使用或与至少一个另外的相位电感器同时使用。如果例如使用电动马达4的最上方的相位，则在驱动换流器3中第一晶体管T4(该第一晶体管在图2中是换流器3的低侧开关)对应于以时序运行且作为升压转换器的开关起作用的开关。此外，在需要时还可以以并联方式使这两个另外的低侧开关(即晶体管T6和晶体管T2)中的至少一者按时序运行，由此电动马达4和换流器3的另外的支路被包含到电压的升压转换中。
以示例性的情况为出发点(其中电动马达4的最上方的相位用于运行升压转换器)，在开关T4闭合时、在升压转换阶段期间，电池2与在半桥中布置在开关T4上方的二极管D1和在图2中未示出的连接在第一节点27与第二节点28之间的电容器一起短路。然后，直流充电装置10的充电电流仅仅流过电动马达4的对应的相位电感器。这导致在电感器内形成磁场并因此实现能量存储。在开关T4断开时，电流流过负载回路，即流过二极管D1和电池2。同时，电动马达4的电感器的磁场减弱并且不仅给电池2而且给在图2中未示出的、连接在第一节点27与第二节点28之间的电容器充电。如果开关T4再次闭合，则电池2的电容器还用作电压源。升压转换器在电池2上的输出电压总体上平均高于由直流充电装置10提供的充电电压。以这种方式能够将直流电压充电装置10的过低的充电电压变换为能够给电池2充电的更高的电压。但是由于根据理想的变换器的功率平衡输入功率必须与输出功率相等，因此升压转换器的提高的输出电压导致以相同程度减小的输出电流。
在图3中，借助于流程图在追溯到在图2中示出的整个系统的情况下展示了根据本发明的方法的实施方式。在第一步骤31中，将车辆侧的充电接口5与直流充电装置10连接，其中将直流充电装置10的第一电极(例如负电极13)与HV电池2的第一电极(例如负电极)相联接，并将直流充电装置10的对应另一个电极与电动马达4的星形接点8相联接。在下一步骤32中，确定第一电压，该第一电压对应于电池2的电压。第一电压能够例如在第一节点与第二节点27、28之间确定。在下一步骤33中，操控换流器3的至少一个开关(该开关布置在电池2的负电极与电动马达4的电感器之间)，其方式为使得该开关过渡到时序运行中。在下一步骤34中，确定第二电压，该第二电压通过该换流器的该至少一个开关的时序运行在电动马达4的星形接点8与电池2的第一电极之间产生。例如可以在第一保险元件21与第二保险元件22之间确定该第二电压。在下一步骤35中，确定第二电压与由直流充电装置10提供的直流充电电压之间的差值。最后，在下一步骤中，如果所确定的差值超过预设的极限值，则对直流充电电压和/或第二电压进行适配。
就电动车辆的传统的充电过程而言，如其在IEC标准61851的附录CC的第3.2段“Normaler Startvorgang(正常启动过程)”中定义的那样，在根据本发明的方法的范围中(其中该充电过程借助升压功能实现了与直流充电装置的电压同步)进行了经修改的预充电请求<5a>。为了达到该目的，以修改的方式实施在标准中在时刻t5和(t6->t7)定义的过程。

Claims (10)

1.一种用于在直流充电装置处给电动车辆的电池充电的方法，其中该车辆具有联接到该电池的换流器和联接到该换流器的电动马达，其中该方法具有以下步骤：
将车辆侧的充电接口与该直流充电装置连接，其中该直流充电装置的第一电极与该电池的第一电极联接且该直流充电装置的第二电极与该电动马达的星形接点联接；
确定第一电压，该第一电压对应于该电池的电压；
操控该换流器的至少一个开关，其方式为使得该开关过渡到时序运行中，该开关布置在该电池的第一电极与该电动马达的电感器之间；
确定第二电压，该第二电压通过该换流器的该至少一个开关的时序运行在该电动马达的星形接点与该电池的第一电极之间产生；
确定在该第二电压与由该直流充电装置提供的直流充电电压之间的差值；并且
如果该差值超过预设的极限值，则对该直流充电电压和/或该第二电压进行适配。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对该直流充电电压进行适配包括将至少一个消息传输到该直流充电装置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中对该第二电压进行适配包括对该至少一个开关的接通时间进行适配。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中根据该第一电压来设定该至少一个开关的接通时间。
5.根据权利要求1或2所述的方法，该方法还包括：
当该第二电压与该直流充电电压之间的差值小于预设的极限值时，使绝缘装置失效以便实现使电流从该直流充电装置流动到该电池。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中在给该电池充电时，将该换流器和该电动马达的电感器作为升压转换器来运行。
7.根据权利要求1或2所述的方法，该方法还包括：
将预充电请求传输到该直流充电装置，以便设定由该直流充电装置提供的直流充电电压。
8.根据权利要求7所述的方法，其中对该开关进行时序操控是与确定第一电压同时进行或在此之后进行的。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中该直流充电装置的第一电极和该电池的第一电极为同一极性的电极。
10.根据权利要求8所述的方法，其中借助于PWM信号对该开关进行时序操控。
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