CN112118982A - 用于对电动车辆的电能存储器充电的充电系统以及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对电动车辆的电能存储器充电的充电系统（1），包括：交流电流的输入端（2），该交流电流用电能源（3）来提供；用于将交流电流转换成直流电流的至少一个转换器元件（4）；以及用于将充电系统（1）与电动车辆连接的充电出口（5），其中，充电系统（1）被构造成将该至少一个转换器元件（4）与充电出口（5）连接，以实行对电能存储器的直流充电，并且其中，充电系统（1）被构造成将输入端（2）与充电出口（5）连接，以实行对电能存储器的交流充电。

Description

用于对电动车辆的电能存储器充电的充电系统以及相关方法
技术领域
本发明涉及用于对电动车辆的电能存储器充电的充电系统。此外，本发明涉及用于对电动车辆的电能存储器充电的方法。
背景技术
目前，对用于对电动车辆的电能存储器充电的充电系统感兴趣。这样的电动车辆可以是纯电力驱动的车辆或混合动力车辆。从现有技术中已知不同的充电系统和充电方法。例如，可以实行所谓的直流充电，其也称为DC快速充电。在这种情况下，借助于至少一个转换器元件来转换由能量供给网络提供的交流电流或对其进行整流。此外，已知所谓的交流充电或AC充电。
为了对在直流充电时供应的电能进行计费，根据法律要求，需要根据千瓦时来测量所供应的直流电流。为此使用的测量装置或电度表必须关于电压以及关于电流二者都具有高动态范围。尽管关于电压存在其中实际上不发生充电的范围，但是正是在微流充电的情况下充电电流可能变得非常小。针对高直流电流的目前可获得的测量装置达到了20 A至550 A之间的电流动态范围。因此，在微流充电的情况下，由于所需准确度以及测量转换器和测量电量计（Messzähler）的有限的可达动态范围，利用这样的测量装置无法符合校准法规地测量电能或功率。
已知允许检测所需AC能量的规章，所述AC能量然后被重新调整并充电。此外，实现如下商业模型，这些商业模型放弃了以符合校准法规的方式来检测能量。例如，已知计时电价、单费率电价和/或无偿配给。此外，针对高达500 A的电流的DC快速充电系统正在构建中，使得不会以这种方式出现问题。通过减小最大可测量电流，最小可测量电流也可以被减小。
发明内容
本发明的任务是要展示这样的解决方案：该解决方案是关于如何可以更灵活地操作用于对电动车辆的电能存储器充电的充电系统、尤其是使得能够进行直流充电的充电系统。
该任务通过根据独立专利权利要求的特征的充电系统以及通过相关方法来实现。在从属专利权利要求中说明了本发明的有利扩展方案。
根据本发明的充电系统用于对电动车辆的电能存储器充电。该充电系统包括交流电流的输入端，该交流电流用电能源来提供。此外，该充电系统包括用于将交流电流转换成直流电流的至少一个转换器元件。此外，该充电系统包括用于将充电系统与电动车辆连接的充电出口（Ladeabgang）。在此，该充电系统被构造成将该至少一个转换器元件与充电出口连接，以实行对电能存储器的直流充电。此外，该充电系统被构造成将输入端与充电出口连接，以实行对电能存储器的交流充电。
该充电系统可以用于对电动车辆的电能存储器充电。所述电能存储器可以尤其是电池，所述电池可以具有多个电池单元。所述电池也可以称为牵引电池。电动车辆可以是纯电力驱动的车辆。电动车辆也可以是混合动力车辆，可以经由充电连接端来对其电能存储器或其电池充电。该充电系统包括输入端，在该输入端处将充电系统与电能源或能量供给网络连接。可以经由所述输入端将交流电流和/或交流电压输送给充电系统。然后可以用该至少一个转换器元件将所述交流电流转换成直流电流和/或直流电压。该至少一个转换器元件可以具有整流器。还可以规定：该充电系统具有多个转换器元件，所述多个转换器元件例如可以电并联。此外，该充电系统包括充电出口，在该充电出口处所述充电系统可以与电动车辆或与电动车辆的充电连接端电连接。可以在充电出口处设置对应的插头、插座和/或线缆。如果为电动车辆的电能存储器供应直流电流，则可以实行直流充电或所谓的DC快速充电。
根据本发明的一个重要方面规定：该充电系统此外被构造成将输入端与充电出口连接，以实行对电能存储器的交流充电。因此，借助于该充电系统可以一方面实行直流充电或DC快速充电。此外，交流充电或AC充电变为可能。因此，可以借助于该充电系统实现两种不同的充电方法。因此，可以总体上更灵活地操作该充电系统。
优选地，该充电系统被构造成首先实行直流充电，并且然后如果直流电流的电流强度降至低于预定阈值则切换至交流充电。所述预定阈值例如可以出于20 A。在该充电系统与电动车辆连接之后或在插入充电线缆之后，可以开始根据IEC 61851的充电过程。所述根据IEC 61851的充电过程可以借助于所谓的5％信令（5%-Signalisierung）而转变到ISO15118。在充电过程开始之后，借助于DC快速充电技术对电动车辆充电。随着充电状态（SoC– State of Charge）的提高，电动车辆将减小所需充电电流或直流电流。基于所需充电电流，该充电系统决策是否应继续作为直流充电的充电过程。为此，尤其是可以虑及直流电流的电流强度是否降至低于阈值。还可以规定：如果电池的充电状态已达到预定值，则进行从直流充电到交流充电的改变。
在此优选地规定：根据至少一个另外的标准来实行从直流充电到交流充电的切换或改变。例如，作为标准可以考虑顾客期望。顾客期望在此可以来自于简档或输入。还可以将简档或顾客期望从电动车辆传输到充电系统。此外，可以考虑当前的电网状况或提供交流电流的能量供给网络或电能源的状态。另外，可以考虑当前的负荷率（Auslastung），也就是说在另一充电出口处是否需要用于快速充电的组件。这整体上能够实现充电系统的高效且用户友好的操作。
在一个实施方式中，该充电系统具有直流充电测量装置，用于确定在直流充电时所需的电功率或电能。另外，该充电系统尤其具有交流充电测量装置，用于确定在交流充电时所需的电功率或电能。通过如果直流电流的电流强度降至低于阈值则优选地从直流充电切换至交流充电，可以实现的是：直流充电测量装置的动态范围是足够的。如已经在开头所阐述的那样，直流充电测量装置或针对直流电流的能量计（Energiezähler）的动态范围可以在20 A至550 A之间。在该范围内，可以以所需准确度确定在直流充电时所需的电功率。因此可以特别首先进行利用目前可获得的直流充电测量装置或DC电量计（DC-Zähler）的DC测量。将来，也通过引入最小可测量电流来降低对DC电量计的组件的准确度要求，这体现在DC电量计的较低成本中。如果离开了该范围，则可以优选地改变成交流充电。在此，然后可以借助于交流充电测量装置或针对交流电流和/或交流电压的对应能量计来确定所需电功率或能量。被允许用于在交流充电时所有可能的电流和电压组合的对应的交流充电测量装置或AC电量计可在市场上获得。然后可以基于在直流充电和交流充电期间分别需要的电功率来进行计费。通过在直流充电和交流充电之间的之前描述的切换可以准确地确定分别需要的电功率并因此精确地实行计费。
优选地，该充电系统包括：在所述至少一个转换器元件与充电出口之间的第一开关装置；在输入端与充电出口之间的第二开关装置；以及用于控制第一开关装置和第二开关装置的控制装置。借助于第一开关装置可以开关该至少一个转换器元件与充电出口之间的电连接。利用第二开关装置可以开关充电系统的输入端与充电出口之间的电连接。可以借助于控制装置来操控第一和第二开关装置。因此可以以简单的方式从直流充电切换至交流充电。
在另一实施方式中，该充电系统被构造成在从直流充电切换至交流充电时输出预定信号。如果充电系统决策改变成AC充电，则其可以通过根据ISO 15118的协议将此用信号通知给电动车辆，并且可以开始仅基于IEC 61851的新的充电过程。为此，例如可以在短时间内用信号通知状态“State E（状态E）”。为了避免操纵，可以以这样的方式执行状态E信令，使得代替规范要求的0 V电压，在高欧姆电阻上施加较高的电压。可以通过这种方式来识别充电线缆的实际拔出。与之并行地，将释放整个快速充电支路，并可以在必要时以不同的方式使用所述快速充电支路。
根据另一实施方式，该充电系统被构造成从电动车辆接收认证数据并存储所述认证数据。通过从现有技术中已知的方法来进行认证。然而，保存认证数据使得其可以再次用于后续充电过程。例如，认证数据可以在直流充电时被传输并存储，并且因此在后续的交流充电时被使用。尤其是，认证数据可以存储在充电系统的对应存储器上。因此，在从直流充电改变成交流充电之后也可以确保计费。
优选地，充电出口与Combo-2车辆离合器兼容。尤其是，充电出口被构造为所谓的组合式充电系统（Combined Charging System，CCS）。该车辆离合器可以对应于具有两个附加的直流极的2型车辆离合器。充电出口可以具有AC部分，所述AC部分例如具有用于相的三个连接端、用于中性导体的连接端和用于保护导体的连接端。另外，AC部分可以具有用于充电系统与电动车辆之间的对话的连接端以及用于限制充电电流的连接端。充电出口还可以具有DC部分，所述DC部分具有正连接端和负连接端。因此可以一方面实现单相和三相交流充电。另外可以实现直流充电。
根据另一构型，充电系统具有至少两个充电出口。在此，充电出口中的每一个可以与一个电动车辆连接。因此这尤其实现了：可以同时或并行地对至少两个电动车辆或其电能存储器进行充电。如之前阐述的那样，充电系统可以具有对应的控制装置和开关装置。此外因此实现了：尤其是将对于直流充电来说所需的高价组件在切换至交流充电时已经动态地分配给了充电系统的另一充电出口。另外，可以实现高价组件的更好的负荷率。
根据本发明的另一充电系统用于对电动车辆的电能存储器充电。该充电系统包括交流电流的输入端，该交流电流用电能源来提供。另外，该充电系统包括用于将交流电流转换成直流电流的至少一个转换器元件。此外，该充电系统包括用于将充电系统与电动车辆连接的充电出口。在此，该充电系统被构造成将至少一个转换器元件与充电出口连接，以实行对电能存储器的第一直流充电。此外，该充电系统包括第一直流充电测量装置，用于确定在第一直流充电时所需的电功率。在此，该充电系统被构造成在第一直流充电之后实行第二直流充电，其中，该充电系统具有第二直流充电测量装置，用于确定在第二直流充电时所需的电功率。在该充电系统的情况下，在DC快速充电过程之后可以实行另一DC充电过程，其中在此使用另一测量装置。与在第二直流充电时相比，在第一直流充电时电流强度可以更高。在此尤其是规定：第一直流充电测量装置和第二直流充电测量装置在其动态范围方面彼此不同。
根据本发明的充电方法用于对电动车辆的电能存储器充电。该方法包括借助于至少一个转换器元件将在充电系统的输入端处提供的交流电流转换成直流电流。另外，该方法包括：通过将至少一个转换器元件与充电系统的充电出口连接来对电能存储器实行直流充电，其中，电动车辆与充电出口连接。最后，该方法包括在直流充电之后通过将输入端与充电出口连接来对电能存储器实行交流充电。
根据本发明的用于对电动车辆的电能存储器充电的另一方法包括：借助于至少一个转换器元件将在充电系统的输入端处提供的交流电流转换成直流电流。另外，该方法包括：通过将该至少一个转换器元件与充电系统的充电出口连接来对电能存储器实行第一直流充电，其中，电动车辆与充电出口连接。此外，该方法包含：借助于第一直流充电测量装置来确定在第一直流充电时所需的电功率。此外，该方法包括：在第一直流充电之后对电能存储器实行第二直流充电，并且借助于第二直流充电测量装置来确定在第二直流充电时所需的电功率。
关于根据本发明的充电系统介绍的优选实施方式及其优点相对应地适用于根据本发明的另一充电系统以及适用于根据本发明的方法。
本发明的另外的特征从权利要求、附图和附图描述中得出。上面在说明书中提到的特征和特征组合以及下面在附图描述中提到的和/或仅在附图中示出的特征和特征组合不仅可以在分别说明的组合中使用，而且也可以在其他组合中使用，而不会脱离本发明的范围。
附图说明
现在按照优选的实施例以及参考附图来进一步阐述本发明。在此：
图1示出了根据现有技术的用于对电动车辆的电能存储器实行直流充电的充电系统；
图2示出了根据本发明的一个实施方式的充电系统，其用于对电能存储器实行直流充电以及交流充电；
图3示出了在交流充电期间的充电系统的示意性图示；
图4示出了具有两个充电出口的充电系统；以及
图5示出了根据本发明的用于实行连续的直流充电过程的另一充电系统。
具体实施方式
在图中，相同或功能相同的元件配有相同的附图标记。
图1以示意性图示示出了根据现有技术的充电系统1。充电系统1包括输入端2，其与电能源3连接。可以例如由能量供给网络来提供的电能源3用于提供交流电流和/或交流电压。此外，充电系统1包括至少一个转换器元件4。在本实施例中，充电系统1包括电并联的四个转换器元件4。转换器元件4是整流器。存在于输入端2处的交流电流可以利用整流器或转换器元件4被转换成直流电流。
此外，充电系统1包括充电出口5，电动车辆可以与该充电出口5连接用于对电动车辆的电能存储器充电。充电出口5包括可以用于交流充电的AC部分6、以及可以用于电能存储器的直流充电的DC部分7。充电出口5被构造为组合式充电系统。DC部分7具有正连接端和负连接端。在本情况中，AC部分6具有保护导体。另外，AC部分6具有借助于模拟信号（CP，控制引脚（Control Pin））在充电系统1与车辆之间进行对话的连接端以及借助于电阻编码（PP，接近导频（Proximity Pilot））来限制充电电流的连接端。这两个连接端与充电系统1的控制装置8连接。另外，控制装置8可以从隔离监控器9接收数据。此外，充电系统1包括第一开关装置10，其可以借助于控制装置8来操控。以此方式，转换器元件4可以与充电出口5连接。此外，设置了接触器（Schütz）11。
此外，充电系统1包括直流充电测量装置12，借助该直流充电测量装置12可以确定在对电能存储器进行直流充电时的电功率。该直流充电测量装置12具有大约20 A至550 A的电流方面的动态范围。因此，不可能以符合校准法规的方式检测到在微流充电时的例如非常小的充电电流。
图2示出了根据本发明的一个实施方式的充电系统1。与根据图1的充电系统1相比，在此完整配备了充电出口5或其AC部分6。AC部分6还具有用于三个相以及中性导体的连接端。此外，在该充电系统中设备第二路径，输入端2可以经由该第二路径与充电出口5或充电出口5的AC部分6直接连接。为此设置第二开关装置13，其同样可以借助于控制装置8来操控。因此，还可以实现电动车辆的电能存储器的交流充电。此外，交流充电测量装置14位于该路径中。可以借助于所述交流充电测量装置14来确定在交流充电时所需的电功率。
当电动车辆与充电出口5连接时，首先可以实行直流充电或所谓的DC快速充电。为此，第一开关装置11可以闭合并且第二开关装置13可以断开。利用电动车辆与充电出口5的连接，还可以将信息从电动车辆传输到充电出口5并且因此传输到控制装置8。所述信息可以包含认证数据。然后可以相应地存储所述认证数据。在直流充电期间，可以借助于直流充电测量装置12来检测所需电功率。如果直流电流的电流强度降至低于预定阈值和/或能量存储器的充电状态达到了预定值，则控制装置8可以将开关装置11、12操控为使得第一开关装置11断开并且第二开关装置13闭合。尤其是，所述阈值被选择成使得其处于直流充电测量装置的动态范围内。若低于直流电流的所述阈值，于是就切换到交流充电。在交流充电期间，可以借助于交流充电测量装置14来精确地检测所需电功率。在直流充电与交流充电之间的改变之前，可以将信号从控制装置8传输到车辆。为此，可以在电阻处施加预定电压，或者可以输出0 V的电压。由此可以结束直流充电。所存储的认证数据可以在后续的交流充电时使用。
图3示例性地示出了在交流充电期间的充电系统1。在这种情况下，输入端2经由第二开关元件13与充电出口5或AC部分6连接。在交流充电期间，借助于交流充电测量装置14来检测所需的电功率。然后可以将关于所需电功率的信息传输到控制装置8。
图4示出了根据另一实施方式的充电系统1的示意性图示。该充电系统1包括两个充电出口6。可以借助于控制装置8来操控相应的开关装置13。在本示例中，向每个充电出口6分配直流充电测量装置12。此外，为两个充电出口6设置交流充电测量装置14。
图5示出了根据替换实施方式的充电系统1。该充电系统1与根据图1的充电系统1的不同之处在于另外的直流充电测量装置12'。所述直流充电测量装置12'在本情况中被分配给转换器元件4之一。在对电动车辆的电能存储器充电期间，首先可以实行第一直流充电过程。在这种情况下，可以借助于直流充电测量装置12来确定所需电功率。如果直流电流的电流强度降至低于预定阈值，则可以结束第一直流充电过程并且可以开始具有更低的电流强度的第二直流充电过程。在这种情况下，借助于第二直流充电测量装置12'来确定所需电功率。该第二直流充电测量装置12'可以具有低于第一直流充电测量装置12的动态范围的动态范围。因此，在相应的直流充电过程期间，可以精确地确定电功率，并且因此能够实现准确计费。

Claims (11)

1.用于对电动车辆的电能存储器充电的充电系统（1），包括：
- 交流电流的输入端（2），该交流电流用电能源（3）来提供，
- 用于将交流电流转换成直流电流的至少一个转换器元件（4），以及
- 用于将充电系统（1）与电动车辆连接的充电出口（5），
- 其中，充电系统（1）被构造成将该至少一个转换器元件（4）与充电出口（5）连接，以实行对电能存储器的直流充电，
其特征在于，
- 充电系统（1）被构造成将输入端（2）与充电出口（5）连接，以实行对电能存储器的交流充电。
2.根据权利要求1所述的充电系统（1），其特征在于，充电系统（1）被构造成首先实行直流充电，并且然后如果直流电流的电流强度降至低于预定阈值则切换至交流充电。
3.根据权利要求1或2所述的充电系统（1），其特征在于，充电系统（1）具有用于确定在直流充电时所需的电功率的直流充电测量装置（12）和用于确定在交流充电时所需的电功率的交流充电测量装置（14）。
4.根据前述权利要求中任一项所述的充电系统（1），其特征在于，充电系统（1）具有：在所述至少一个转换器元件（4）与充电出口（5）之间的第一开关装置（10）、在输入端（2）与充电出口（5）之间的第二开关装置（13）以及用于控制第一开关装置（10）和第二开关装置（13）的控制装置（8）。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的充电系统（1），其特征在于，充电系统（1）被构造成在从直流充电切换至交流充电时输出预定信号。
6.根据前述权利要求中任一项所述的充电系统（1），其特征在于，充电系统（1）被构造成从电动车辆接收认证数据并存储所述认证数据。
7.根据前述权利要求中任一项所述的充电系统（1），其特征在于，充电出口（5）与Combo-2车辆离合器兼容。
8.根据前述权利要求中任一项所述的充电系统（1），其特征在于，充电系统（1）具有至少两个充电出口（6）。
9.用于对电动车辆的电能存储器充电的充电系统（1），包括：
- 交流电流的输入端（2），该交流电流用电能源（3）来提供，
- 用于将交流电流转换成直流电流的至少一个转换器元件（4），以及
- 其中，充电系统（1）被构造成将该至少一个转换器元件（4）与充电出口（5）连接，以实行对电能存储器的第一直流充电，
- 用于确定在第一直流充电时所需的电功率的第一直流电流测量装置（12），
其特征在于，
- 充电系统（1）被构造成在第一直流充电之后实行第二直流充电，
- 其中，充电系统（1）具有用于确定在第二直流充电时所需的电功率的第二直流电流测量装置（12'）。
10.用于对电动车辆的电能存储器充电的方法，具有以下步骤：
- 借助于至少一个转换器元件（4）将在充电系统（1）的输入端（2）处提供的交流电流转换成直流电流，以及
- 通过将该至少一个转换器元件（4）与充电系统（1）的充电出口（5）连接来对电能存储器实行直流充电，其中，电动车辆与充电出口（5）连接，
其特征在于，
- 在直流充电之后通过将输入端（2）与充电出口（5）连接来对电能存储器实行交流充电。
11.用于对电动车辆的电能存储器充电的方法，具有以下步骤：
- 借助于至少一个转换器元件（4）将在充电系统（1）的输入端（2）处提供的交流电流转换成直流电流，
- 通过将该至少一个转换器元件（4）与充电系统（1）的充电出口（5）连接来对电能存储器实行第一直流充电，其中，电动车辆与充电出口（5）连接，以及
- 借助于第一直流充电测量装置（12）来确定在第一直流充电时所需的电功率，
其特征在于，
- 在第一直流充电之后对电能存储器实行第二直流充电，以及
- 借助于第二直流充电测量装置（12'）来确定在第二直流充电时所需的电功率。
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