CN110289669B - 对智能电池的交流充电 - Google Patents

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Abstract

一种用于对与充电桩(610)相连的智能电池组(640)进行交流充电的方法，该智能电池组具有至少两个电池模块，这些电池模块分别包括至少一个能量储存器和至少两个功率半导体开关器，这些功率半导体开关器将相应的电池模块与另一个电池模块串联或并联连接，其中该电池组(640)经由充电电路与由该充电桩(610)提供的交流电(612)连接以进行充电，并且每个单独的能量储存器的状态(644)被监测，该充电电路包括滤波器(620)和整流器(630)，其中根据对相应的能量储存器的状态(644)进行的连续评估，通过动态控制(646)这些功率半导体开关器，使该电池组的端电压适配于由该整流器(630)提供的电压。

Description

对智能电池的交流充电
技术领域
本发明涉及用交流电对智能电池组进行充电的一种方法和一种系统，其中该电池组包括多个电池模块，这些电池模块分别配备有至少两个功率半导体开关器和至少一个能量储存器。
背景技术
目前在电动车辆中通常构造的电池或电池组是固定布线的单元，例如，相互固定布线的单独的能量电池，其通过布线预定的串并联配置不能改变。这意味着，例如在放电时用于功率变换器中的同样的电压也被用于充电。固定布线决定了在满电量且没有老化现象的情况下电池的最大电压。如果电量下降，则固定布线的电池的电压可能降低最多达50％。
根据标准，电池不配备有用于直流充电的其他控制部件。充电插座与电池或电池组的连接点在没有任何电流隔离的情况下直接相连，其中充电功率由充电控制器决定。因此，传统的电池组只能通过带有预定的电压大小的受控的直流充电源进行充电，其中典型的电压值为400V和800V。如果电池组的额定电压高于充电桩的最大待设定的充电电压，则电池组无法充电。
与此相对地，在文件WO 2012/025256A1中示出一种用于电池驱动的车辆的驱动系统，该驱动系统的电源连接电路使得能够将车辆连接到不同的电源电压。在此，电池电压可以低于或高于经整流的电源电压。电源以及功率还可以从车辆的电池中获取、如馈入。为此，该电源连接电路具有多个节流器和中间电路。
与电池组的传统实现方式相比，能量电池的固定布线的修改也是已知的。因此，文件WO 2016/174117A1公开了一种用于电动车辆的电池，该电池具有至少两个电池模块，所述电池模块各自包括至少一个电池单元和两个电开关，其中通过电开关可以实现电池模块的互连的动态变换。额外存在的整流器可以产生具有降低的电压或电流波动的输出电压。
为了以交流电对传统的电池组进行充电，必须转换由交流电提供的功率。电池组上的被称为充电器或OBC(on-board charger，车载充电器)构件借助二极管或有源的整流器将交流电输入转换为直流电。在该充电器之后可以跟随有用于功率因数校正(缩写为PFC(power factor correction，功率因数校正))的电路，该电路确保功率系数为1。为了实现电流隔离，根据标准，OBC配备有LLC谐振转换器，即由变压器磁化电感、变压器漏电感和电容器电容决定的谐振转换器。通过谐振电路的高频率使磁性振荡电路的变量最小化。该OBC可以配备有不同的滤波器，这些滤波器位于交流电侧或直流电侧。然而，将OBC与传统电池一起安装的需求增加了整个系统的复杂性和成本。此外，OBC是一种体积庞大且增加车辆重量的电子部件。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提供一种用于对电池组进行交流充电的方法，其中充电电路与现有技术相比明显更加简便并且因此更轻巧、节省空间并且成本有效。本发明的目的还提供一种用于执行这种方法的对应系统。
为了实现上述目的，提出一种用于对与充电桩相连的智能电池组进行交流充电(AC充电)的方法，该智能电池组具有至少两个电池模块，其中相应的电池模块包括至少一个能量储存器和至少两个功率半导体开关器，这些功率半导体开关器将相应的电池模块与另一个电池模块串联或并联连接，并且其中该电池组经由充电电路与由该充电桩提供的交流电连接以进行充电，并且每个单独的能量储存器的状态被监测，该充电电路包括滤波器和整流器，其中根据对相应的能量储存器的状态进行的连续评估，通过动态控制这些功率半导体开关器，使该电池组的端电压适配于由该整流器提供的电压。在此，能量储存器的状态可以例如由能量储存器的电量、和/或流向能量储存器的电荷、和/或能量储存器的温度形成。同时，通过设定端电压来控制充电电流。
该智能电池组可以通过其电池模块的相应串并联连接主动地将端电压设定在0V(没有连接电池模块)与最大电压(所有电池模块串联连接)之间。相应于串联或并联连接或其可能组合产生的端电压，还可以通过高频转换或各个电池模块的连接和断开来设定在时间上平均地产生的从0V到最大电压的任意值。由充电控制器来执行所述设定，该充电控制器考虑到能量储存器的状态以如下方式来控制电池模块的串并联连接，使得执行功率因数校正的功能并且与之相关地省去存在于传统OBC中的电路的功能，由此根据本发明提供的充电电路与传统的OBC相比具有较少的空间需求并且生产成本更低。
根据本发明的方法的另一个优点是，对于施加到电池组的充电电流的直流电压波动的要求可以比传统电池的情况在更大的限度内。由整流器提供的充电电流的直流电压波动可以例如是由于由充电桩提供的交流电的高频波动(波纹)引起的。实施根据本发明的方法的充电控制器通过测量充电电压或充电电流的测量装置来确定这一点，并且通过电池模块的串并联连接的连续改变和由此改变的端电压对此作出反应，以便在任何时间点都提供最佳充电条件，例如，提供小于或等于充电电压的端电压。
在根据本发明的方法的一种实施方式中，该滤波器抑制由该电池组与该充电桩的电压差引起的接通电流。例如，该电压差可以由不受控制的充电桩的充电电流变化而产生或在充电电路连接到充电桩的时刻产生。在此，该滤波器的目的还在于滤除电磁干扰。
在根据本发明的方法的一种实施方式中，通过动态控制功率半导体开关器来控制充电功率。除了关于能量储存器的状态的信息之外，充电控制器还具有充电电压和充电电流的值，由此根据本发明充电控制器如下地控制电池组的功率半导体开关器，从而遵守由充电电压和充电电流的乘积形成的充电功率的预定值。
在根据本发明的方法的一种实施方式中，借助于与充电桩相连的相位调节回路来避免冲击电流。例如，冲击电流可能在机动车辆连接至充电桩时产生。该相位调节回路在机动车辆方面与充电控制器相连，该充电控制器通过动态控制电池组的功率半导体开关器来防止端电压偏离充电电压的绝对值。
此外，要求保护一种用于对与充电桩相连接或能够与之连接的智能电池组进行交流充电的系统，该系统包括至少两个电池模块，这些电池模块分别包括至少两个功率半导体开关器和至少一个能量储存器，其中该系统包括：充电电路，该充电电路包括滤波器和整流器；与各个电池模块相关联的测量装置，该测量装置被配置为用于测量流动的充电电流；位于该电池组中的至少一个温度传感器；被配置成用于测量充电电压的测量装置；以及被配置成用于测量充电电流的测量装置，并且其中该系统包括被配置成用于控制功率半导体开关器的充电控制器，该充电控制器配备有计算机处理器和在该计算机处理器上运行的计算机程序，其中该充电控制器被配置为用于从该至少一个温度传感器和这些测量装置读取关于该能量储存器的状态的信息。通过已安装的传感器(尤其该至少一个温度传感器)和测量装置，所需的信息可用于计算机处理器或在其上运行的计算机程序以及由此充电控制器，以便根据相应电池模块的状态将相应的电池模块与其他电池模块串联或并联连接并如此实施上述方法。这证明了电池组的智能性。
在根据本发明的系统的一种设计方案中，充电电路的整流器包括至少两个二极管。二极管是无源的电子结构元件，该无源的电子结构元件虽然是成本有效的，但是不能非常有效地实现整流。
在根据本发明的系统的另一种设计方案中，充电电路的整流器包括至少两个功率半导体开关器，例如，具有绝缘栅极的场效晶体管。在此，这例如可以是形成有源的电子结构元件的所谓的MOSFET或IGBT。由此提高了效率，但也提高了充电电路的复杂性。
在根据本发明的系统的又一种设计方案中，充电电路的整流器包括二极管和具有绝缘栅极的场效晶体管的组合，即无源和有源的电子结构元件的组合。由此可以形成在最大效率和最小复杂性方面的最佳组合。有利地，在中性导体上使用无源的电子结构元件，该中性导体例如在以单相电流充电期间使用。
在根据本发明的系统的一种设计方案中，还包括了用于将该电池组与到该充电桩的端子进行电流隔离的电路。由此排除了充电桩的电路与智能电池组的电路之间的直接的电导线。相应电路的电势与相应其他电路的电势分开。
在根据本发明的系统的另一种设计方案中，该系统包括到充电桩的相位调节回路。借助连接到充电桩的相位调节回路抵消例如当机动车辆连接到充电桩时可能产生的冲击电流。
在根据本发明的系统的另一种设计方案中，充电电路包括多相整流器。由此智能电池组也可以在充电桩处充电，该充电桩提供多相交流电，例如，三相电流。在该多相整流器中，有利地针对多个相存在由二极管和/或MOSFET或IGBT构成的相应电路，由此与中性导体一起存在足够的复杂性来连接可用于充电桩的任何数量的相。
最后，在根据本发明的系统的一种设计方案中，该充电电路的整流器被用于在充电完成后从由该智能电池组提供的直流电中产生交流电以用于驱动电动机。
总之，本申请提供了如下项1和5的实施方案，项2-4和6-12为优选的实施方案。
1.一种用于对与充电桩相连的智能电池组进行交流充电的方法，该智能电池组具有至少两个电池模块，这些电池模块分别包括至少一个能量储存器和至少两个功率半导体开关器，这些功率半导体开关器将相应的电池模块与另一个电池模块串联或并联连接，其中该电池组经由充电电路与由该充电桩提供的交流电连接以进行充电，并且每个单独的能量储存器的状态被监测，该充电电路包括滤波器和整流器，其中根据对相应的能量储存器的状态进行的连续评估，通过动态控制这些功率半导体开关器，使该电池组的端电压适配于由该整流器提供的电压。
2.根据前述项1所述的方法，其中该滤波器抑制由该电池组与该充电桩的电压差引起的接通电流。
3.根据前述项1所述的方法，其中通过动态控制这些功率半导体开关器来控制充电功率。
4.根据前述项1所述的方法，其中借助于与该充电桩相连的相位调节回路来避免冲击电流。
5.一种用于对与充电桩相连接或能够与之连接的智能电池组进行交流充电的系统，该系统包括：至少两个电池模块，这些电池模块分别包括至少两个功率半导体开关器和至少一个能量储存器；充电电路，该充电电路包括滤波器和整流器；与各个电池模块相关联的测量装置，该测量装置用于测量流动的充电电流；位于该电池组中的至少一个温度传感器；以及用于测量充电电压和充电电流的相应测量装置，并且该系统还包括用于控制这些功率半导体开关器的充电控制器，该充电控制器配备有计算机处理器和在该计算机处理器上运行的计算机程序，其中该充电控制器被配置为用于从传感器和测量装置读取关于这些能量储存器的状态的信息。
6.根据前述项5所述的系统，其中该充电电路的整流器包括至少两个二极管。
7.根据前述项5所述的系统，其中该充电电路的整流器包括至少两个具有绝缘栅极的场效晶体管。
8.根据前述项5至7之一所述的系统，其中该整流器包括二极管和具有绝缘栅极的场效晶体管的组合。
9.根据前述项5至8之一所述的系统，该系统还包括用于将该电池组与到该充电桩的端子进行电流隔离的电路。
10.根据前述项5至9之一所述的系统，该系统还包括到该充电桩的相位调节回路。
11.根据前述项5至10之一所述的系统，该系统包括多相整流器。
12.根据前述项5至11之一所述的系统，其中该充电电路的整流器被配置为用于在充电完成后从由该智能电池组提供的直流电中产生交流电以用于驱动电动机。
附图说明
本发明的其他优点和设计方案从说明书和附图中得出。
不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，以上提及的以及还将在下文中说明的特征不仅可以按照相应给出的组合来使用，而且可以按照其他组合或单独地使用。
将概括并一般性地描述附图，相同的部件指定有相同的附图标记。
图1以示意图示出了根据现有技术用于对电池进行交流充电的充电器。
图2以示意图示出了电池组到充电桩的充电电路的根据本发明提供的实施方式。
图3以示意图示出了来自根据本发明提供的充电电路的另一个实施方式的多个整流器的电路图。
图4以示意图示出了来自根据本发明提供的充电电路的另一个实施方式的多个滤波器的电路图。
图5以示意图示出了根据本发明提供的充电电路的又一个实施方式的各种电子部件上的电压曲线。
图6以示意图示出了用于在充电桩处对智能电池组进行充电的根据本发明的构造的一个实施方式。
具体实施方式
图1中以示意图示出根据现有技术用于对电池进行交流充电的充电器100或还被称为OBC(on-board charger的缩写)。充电器100以中性导体101(即，接地电势)、第一相105以及相103(代表其他相)连接到充电桩，并通过两个端子107和109为电池的连接端子提供直流电。根据现有技术的传统的充电器100包括：用于滤除电磁干扰(EMI)的滤波器110；例如经由二极管整流的整流器120；通常被称为PFC的功率因数校正器130；以及谐振转换器140，例如LLC谐振转换器，该谐振转换器将充电桩的电路和电势与电池的电路和电势进行电流隔离。在整流器120的输入端处施加有接地电势122和来自滤波器110的第一相126以及同样来自滤波器110的另一相124(任选地代表其他相并且因此由虚线展示)。
在图2中，以示意图示出了智能电池组240到充电桩230的充电电路200的根据本发明提供的实施方式。充电桩230提供零电势231(即，接地电势)和交流电的第一相235以及可能的其他相233以用于以交流电进行充电。智能电池组240期望在其连接端子207、209处以直流电进行充电。通过充电电路200提供直流电，该充电电路在输入端借助于接地电势201、第一相205和可能的其他的相203连接到充电桩230。根据本发明提供的充电电路200仅包括(如果可以省去相应电路与充电桩/电池组的电流隔离的话)滤波器210和整流器220。通过串并联连接可能性，智能电池组240可以通过本发明提供的充电控制器使其端电压适配于由整流器220在连接端子207、209处提供的充电电压，由此可以省去或可以省去从现有技术中、在图1中已知的功率因数校正器130。
图3以示意图示出了根据本发明提供的充电电路的一个实施方式的多个整流器310、320、330的电路图。在相应的整流器310、320、330的输入端施加来自滤波器的接地电势(即，中性导体221)、第一相225和可能的其他的相223。在输出端，各个整流器310、320、330将直流电压提供给电池组的连接端子207、209。使用无源的电子部件的整流器310是借助各自由两个二极管构成的支路311、315并且借助支路313(以虚线展示来代表其他支路)实现的，这些支路分别与中性导体221、第一相225和其他的相223连接。使用有源的电子部件的整流器320是借助各自由两个MOSFET或IGBT构成的支路321、325并且借助支路323(以虚线展示来代表其他支路)实现的，这些支路分别与中性导体221、第一相225和其他的相223连接。使用无源和有源的电子部件的组合的整流器330是借助由两个二极管构成的支路331、由两个MOSFET或IGBT构成的第一支路335、并且借助支路333(以虚线展示来代表各自由两个MOSFET或IGBT构成的其他支路)实现的，这些支路分别与中性导体221、第一相225和其他的相223连接。
图4以示意图示出了根据本发明提供的充电电路的一个实施方式的多个滤波器410、420、430的电路图。这些电路图示例性地仅针对单相交流电示出，然而根据本发明的方法不限于单相交流电。从该充电桩的端子出来的接地电势201和相205施加在相应的滤波器410、420、430的输入端。相应地，中性导体221和相225在该整流器的输出端。借助滤波器410(其示出为L滤波器)或滤波器420(其示出为CLC滤波器)或滤波器430(其示出为LCL滤波器)，从相位信号中滤除电磁干扰并抑制可能的冲击电流。
图5以示意图示出了根据本发明的充电电路的一个实施方式的各种电子部件上的电压曲线。由充电桩提供的电压曲线516在图表510中示出。向右是时间轴502，向上是电压值轴504，两者都是以任意单位示出的。在图表520中也使用相同的比例，该图表示出了整流器的输出电压526，该输出电压现在仅还具有正电压值。输出电压526的曲线由图表530中的智能电池组的动态电路仿制，以创造最佳的充电条件。为了更好地说明，这里时间轴532和电压值轴534与图表510和520相比被放大地示出。由整流器的输出电压所预定的曲线538与电池组的端电压536之间产生时间上短的电压差，所述电压差在时间上被平均化。
图6中以示意图示出了根据本发明的构造600的用于在充电桩610处对智能电池组640进行充电的实施方式。充电桩610的交流电端子612借助于中性导体602和相604与滤波器620相连。测量电压606的测量装置位于滤波器620的输入端。根据滤波器620中的开关器的位置，测量交流电端子612的电压(开关位置断开)或充电电压(开关位置闭合)。用于测量充电电流608的测量装置位于整流器630的输入端。电压606和充电电流608的值存在于充电控制器642处。此外，充电控制器642从电池组接收关于各个能量储存器的电量和温度的信息644。基于所有这些信息，充电控制器642控制电池组中的电池模块的互连(即，在电池组上产生的端电压)以及由此控制对电池组的充电646。此外，在此示出了充电桩610的交流电端子612与充电控制器642之间的通信线路609，该通信线路例如可以由车辆到电网的通信来实现。该通信线路可以使相位调节回路成为可能，其中充电控制器642由于电池组中的互连的改变以及由此端电压的变化抵消例如当机动车辆连接到充电桩610时可能产生的冲击电流。

Claims (12)

1.一种用于对与充电桩(230，610)相连的智能电池组(240，640)进行交流充电的方法，该智能电池组具有至少两个电池模块，这些电池模块分别包括至少一个能量储存器和至少两个功率半导体开关器，这些功率半导体开关器将相应的电池模块与另一个电池模块串联或并联连接，其中该电池组(240，640)经由充电电路(200)与由该充电桩(230，610)提供的交流电(612)连接以进行充电，并且每个单独的能量储存器的状态被监测，该充电电路包括滤波器(210，410，420，430，620)和整流器(220，310，320，330，630)，其中根据对相应的能量储存器的状态进行的连续评估，通过动态控制(646)这些功率半导体开关器，使该电池组的端电压适配于由该整流器(220，310，320，330，630)提供的电压，其中通过测量充电电压或充电电流来确定由整流器提供的充电电流的直流电压波动，且通过电池模块的串并联连接的连续改变和由此改变的端电压对所述直流电压波动作出反应，以便在任何时间点都提供最佳充电条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该滤波器(210，410，420，430，620)抑制由该电池组(240，640)与该充电桩(230，610)的电压差引起的接通电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其中通过动态控制(646)这些功率半导体开关器来控制充电功率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中借助于与该充电桩(230，610)相连的相位调节回路(609)来避免冲击电流。
5.一种用于对与充电桩(230，610)相连接或能够与之连接的智能电池组(240，640)进行交流充电的系统，该系统包括：至少两个电池模块，这些电池模块分别包括至少两个功率半导体开关器和至少一个能量储存器；充电电路(200)，该充电电路包括滤波器(210，410，420，430，620)和整流器(220，310，320，330，630)；与各个电池模块相关联的测量装置，该测量装置用于测量流动的充电电流；位于该电池组中的至少一个温度传感器；以及用于测量充电电压(606)和充电电流(608)的相应测量装置，并且该系统还包括用于控制(646)这些功率半导体开关器的充电控制器(642)，该充电控制器配备有计算机处理器和在该计算机处理器上运行的计算机程序，其中该充电控制器(642)被配置为用于从传感器和测量装置读取关于这些能量储存器的状态的信息(644)，其中所述充电控制器通过测量充电电压或充电电流的相应测量装置来确定由整流器提供的充电电流的直流电压波动，且通过电池模块的串并联连接的连续改变和由此改变的端电压对所述直流电压波动作出反应，以便在任何时间点都提供最佳充电条件。
6.根据权利要求5所述的系统，其中该充电电路(200)的整流器(310)包括至少两个二极管(311，313，315)。
7.根据权利要求5所述的系统，其中该充电电路(200)的整流器(320)包括至少两个具有绝缘栅极(321，323，333)的场效晶体管。
8.根据权利要求5至7之一所述的系统，其中该整流器(330)包括二极管(331)和具有绝缘栅极(333，335)的场效晶体管的组合。
9.根据权利要求5至7之一所述的系统，该系统还包括用于将该电池组(240，640)与到该充电桩(230，610)的端子进行电流隔离的电路。
10.根据权利要求5至7之一所述的系统，该系统还包括到该充电桩(230，610)的相位调节回路(609)。
11.根据权利要求5至7之一所述的系统，该系统包括多相整流器。
12.根据权利要求5至7之一所述的系统，其中该充电电路(200)的整流器(220，310，320，330，630)被配置为用于在充电完成后从由该智能电池组(240，640)提供的直流电中产生交流电以用于驱动电动机。
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