CN116034526A - 用于机动车辆的电池充电器、相关联的车辆和实施方法 - Google Patents

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Abstract

用于机动车辆(1)的电池充电器(2)包括旨在连接到电力供应网络(R1)的初级电路(5)，以及借助于变压器(8)连接到该初级电路的两个次级电路(6，7)。该变压器包括三个高压铁芯(40，41，42)和一个低压铁芯(43)，该初级电路和第一次级电路连接到这些高压铁芯，该第二次级电路连接到该低压铁芯，这些高压铁芯和低压铁芯被布置在该变压器中，使得该初级电路的绕组(15，16，17)之间的互感相等，并且使得该初级电路的这些绕组中的每个绕组与该第二次级电路的绕组之间的互感相等，该条件通过这些高压铁芯彼此等距以及这些高压铁芯中的每个高压铁芯和该低压铁芯等距来满足。

Description

用于机动车辆的电池充电器、相关联的车辆和实施方法
技术领域
本发明涉及一种用于机动车辆的电池充电器。
本发明更具体地涉及一种用于为具有不同电压的电池充电的电池充电器、一种包括这种充电器的车辆和一种使用这种充电器的方法。
背景技术
机动车辆可以配备有包括电动马达的电动力传动系或结合了例如内燃发动机和电动马达的混合动力传动系、用于储存能量以便向电动马达供应电力的牵引电池、以及用于为牵引电池再充电的充电器。
电池充电器通常被设计为从单相或三相电网对电池进行充电，因此不可能使用相同的充电器从两种类型的电网对牵引电池进行充电。
根据动力传动系的类型，牵引电池的两端的电压变化很大，并且通常在150伏至450伏之间，在某些情况下甚至为800伏。
具有高电力消耗(通常高于1千瓦)且连接到牵引电池的辅助组件必须被配置为在牵引电池的两端存在的电压下以最佳方式运行。
这种辅助组件例如包括空调压缩机、加热元件以及负责向车辆的低压(12V)网络供应电力的DC-DC电力转换器。
然而，使辅助组件适应牵引电池的各种电压范围具有技术困难，并且需要大量的附加成本、特别涉及开发成本、以较小批次生产的辅助组件的单位成本、以及因此获得的各种类型的辅助组件的储存和管理成本。
可以参考文献WO 2019/199964，该文献披露了连接到电网的三相或单相充电设备，这些充电设备包括连接到高压电池的第一输出端和连接到低压电池的第二输出端，这些设备包括多个整流级。
充电设备将电能从电网传递到电池，并且将电能从一个电池传递到另一电池。
然而，充电设备被设计为与单相电网或三相电网一起工作。
另外，充电设备的拓扑结构包括大量的输入和输出以及复杂的磁路，使得设备体积庞大且生产复杂，并导致这些设备的能量转换效率一般。
文献CN 110149053披露了一种充电设备，该充电设备允许在三个DC电源之间交换电能流。
然而，该设备不允许由输送AC电压的家用电网为DC电压源之一充电。
名称为“Analysis and design of multiport DC/DC converter for nextgeneration hybrid vehicle subsystems[用于下一代混合动力车辆子系统的多端口DC/DC转换器的分析和设计]”(丰田(Toyota)R&D评论，第48卷，第2期(2017))的文献提出了一种允许由一个电池为两个电路供电的DC电力转换器，这两个电路的两端的电压不同，并且低于电池的两端的电压。
然而，电力转换器不允许通过电网为电池充电。
还可以参考名称为“Consideration of PDM and power decoupling method inan isolated single-phase matrix converter for battery charger[电池充电器的隔离单相矩阵转换器中PDM和电力解耦方法的考虑]”(丰田R&D评论，第48卷，第2期(2017))的文献，该文献披露了包括初级电路和次级电路的充电设备，该初级电路包括采用直接矩阵转换的单相输入级。
该充电设备使得可以在通过单相电网充电期间降低次级电路中的二次谐波。
然而，该充电器不允许为具有不同电压的电池充电。
另外，该充电器与单相电网一起工作。
因此，提出克服现有技术充电设备的所有或一些缺点、特别是通过提供能够为具有不同电压的电池充电的紧凑型充电器，来与单相电网和三相电网二者一起工作，并且其具有提高的效率。
发明内容
鉴于前述内容，本发明提供了一种用于机动车辆的电池充电器，所述电池充电器包括旨在连接到电网的初级电路和经由变压器连接到初级电路的两个次级电路，所述初级电路包括三个转换器，每个转换器能够在输入侧连接到三相电网的一相。
变压器包括三个高压铁芯和低压铁芯，初级电路和第一次级电路连接到这些高压铁芯，第二次级电路连接到低压铁芯，这些高压铁芯和低压铁芯被布置在变压器中，使得初级电路的绕组之间的互感相等，并且使得初级电路的绕组中的每个绕组与第二次级电路的绕组之间的互感相等，该条件通过将高压铁芯彼此等距放置以及通过将高压铁芯中的每个绕组和低压铁芯等距放置来满足。
根据一个特征，三相初级电路的每个转换器在输出侧连接到缠绕不同高压铁芯的初级线圈，每个转换器旨在连接到三相电网的不同相。
优选地，三相初级电路的每个转换器在输出侧连接到缠绕不同高压铁芯的初级线圈，初级电路两相的两个转换器旨在并联连接到单相电网的相，这两个转换器被配置为反相驱动。
有利的是，第一次级电路包括三个次级电力转换器，每个次级电力转换器连接到缠绕不同高压铁芯的一个次级线圈，这些次级电力转换器旨在连接到第一电池。
根据另一个特征，第一次级电路包括三个次级线圈和一个次级电力转换器，这些次级线圈彼此串联连接并且每个次级线圈都缠绕一个不同高压铁芯，该次级电力转换器连接到这些次级线圈，该转换器旨在连接到第一电池。
有利的是，第二次级电路包括低压线圈和低压电力转换器，该低压线圈缠绕低压铁芯，该低压电力转换器连接到该低压线圈，该转换器旨在连接到第二电池。
本发明还涉及一种机动车辆，该机动车辆包括两个电池和如上所述的充电器，第一电池连接到第一次级电路，第二电池连接到第二次级电路，第一电池的两端的电压高于第二电池的两端的电压。
本发明还涉及一种为机动车辆的电池充电的方法。
该方法包括由初级电路传输到两个次级电路的电能的调节，该初级电路连接到电网和变压器的三个高压铁芯，第一次级电路连接到这三个高压铁芯和第一电池，第二次级电路连接到变压器的低压铁芯和第二电池，这些高压铁芯和低压铁芯被布置在该变压器中，使得该初级电路的绕组中的每个绕组之间的互感相等，并且使得初级电路的绕组中的每个绕组与第二次级电路的绕组之间的互感相等，该条件通过将高压铁芯彼此等距放置以及通过将高压铁芯中的每个高压铁芯和低压铁芯等距放置来满足，根据初级电路的控制信号之间的相位差来确定传输到第一电池和第二电池的电力的调节。
根据一个特征，该方法包括当驱动初级电路的电力转换器的控制信号之间的相位差小于Pi/3时，对第二电池进行充电。
有利地，该方法进一步包括经由变压器在第一电池与第二电池之间传递电能，该传递包括通过修改从源电池生成的电压脉冲的持续时间来校正通过转换来自选自第一电池和第二电池的源电池的电能而生成的通量漂移，该脉冲被供应给变压器。
附图说明
通过阅读仅借助非限制性示例并且参考附图所给出的以下描述，本发明的其他目的、特征以及优点将变得清楚，在附图中：
[图1]示意性地展示了包括根据本发明的充电器的第一实施例的车辆；
[图2]示意性地展示了充电器的电力转换器的一个实施例；
[图3]示意性地展示了根据本发明的充电器的变压器的一个实施例；
[图4]示意性地展示了根据本发明的变压器的磁性半元件的一个实施例；
[图5]展示了根据本发明的充电器的控制信号的一个示例；
[图6]展示了对于相位差为π/3的情况，通过高压铁芯和通过低压铁芯的通量变化的示例；
[图7]展示了对于相位差小于π/3的情况，通过高压铁芯和通过低压铁芯的通量变化的示例；
[图8]示意性地展示了根据本发明的充电器的一部分；
[图9]示意性地展示了根据本发明的通量控制电路；
[图10]以及
[图11]示意性地展示了由电力转换器生成的电压脉冲；以及
[图12]示意性地展示了根据本发明的充电器的第二实施例。
具体实施方式
图1展示了例如每相输送16安培的三相电网R1，以及包括电池的可逆充电器2的第一实施例的混合动力或电动机动车辆1，该充电器由电网R1供电，以便为连接到充电器2的第一电池3和第二电池4再充电或放电。
第一电池3的两端的电压高于第二电池4的两端的电压，第一电池3例如是其两端的电压等于400伏的牵引电池，第二电池4的两端的电压例如等于48伏，第二电池旨在为例如车辆1的电力最大的电气辅助设备或计算机供电。
充电器2包括连接到电网R1的初级电路5、经由变压器8连接到初级电路5的两个次级电路6和7、以及处理单元UT。
初级电路5包括三个初级电力转换器12、13和14，每个初级电力转换器在输入侧一方面连接到电网R1的不同相L1、L2和L3，而另一方面连接到电网R1的中性点N。
每个初级转换器12、13、14在输出侧连接到相应的初级线圈15、16和17，该相应的初级线圈由相应的初级电力转换器12、13和14供能并且形成变压器8的初级绕组。
初级电路5可以进一步包括连接初级电路5的两相L1和L2的开关18。
当充电器5连接到电网R1时，开关18处于断开状态。
第一次级电路6包括三个次级电力转换器25、26和27，各自连接到次级线圈22、23和24，每个次级电力转换器25、26和27进一步连接到第一电池3。次级线圈22、23和24形成变压器8的次级绕组的第一部分。
第二次级电路7包括形成变压器8的次级绕组的第二部分的低压线圈28以及连接到低压线圈28的低压电力转换器29，该低压电力转换器进一步连接到第二电池4。
充电器2从电网R1为第一电池3和第二电池4充电。
初级电力转换器12、13和14由特别包括二极管和晶体管的四象限部件产生。
图2展示了充电器2的电力转换器的实施例的一个示例。
由于初级电力转换器12、13和14、次级电力转换器25、26和27以及低压电力转换器29具有相同的架构，因此将仅详细描述初级电力转换器12的架构。
转换器12包括四个开关单元CEL1至CEL4和电容器C1，每个开关单元包括晶体管T和续流二极管D1。
第一单元CEL1的输入端连接到相L1、电容器C1的第一端和第二单元CEL2的输入端。
单元CEL1的输出端连接到第三单元CEL3的输入端和绕组15的第一端。
第三单元CEL3的输出端连接到中性点N、电容器C1的第二端和第四单元CEL4的输出端。
第二单元CEL2的输出端连接到第四单元CEL4的输入端和绕组15的第二端。
次级电力转换器25、26和27以及低压电力转换器29例如是可逆电力转换器，并且使用二极管和晶体管来产生。
第一电池3和第二电池4可以经由充电器2向电网R1输送电力。
图3展示了变压器8的一个实施例，包括初级线圈15、16和17，次级线圈25、26和27以及低压线圈28。
变压器8包括第一磁性半元件30和第二磁性半元件31，它们是相同的、叠置的，并且例如由铁氧体制成。
半元件30、31例如是圆形的。
图4展示了磁性半元件30的一个实施例。
第一磁性半元件30包括三个高压半铁芯32、33和34，以及一个低压半铁芯35。
类似地，第二半元件31包括三个高压半铁芯36、37和38，以及一个低压半铁芯39。
第一半元件30和第二半元件31彼此叠置，使得第一半元件30的高压半铁芯32、33和34以及低压半铁芯35与第二半元件31的高压半铁芯36、37和38以及低压半铁芯39接触，从而使得半铁芯32和36、33和37、34和38分别接触以形成高压铁芯40、41和42，并且因此，低压半铁芯35和39接触以形成低压铁芯43(图2)。
初级线圈15、16和17例如缠绕第一半元件30的高压半铁芯32、33和34，并且次级线圈22、23和24例如缠绕第二半元件31的高压半铁芯36、37和38。
低压线圈28例如缠绕低压铁芯43。
高压铁芯40、41和42以及低压铁芯43被布置在变压器中，使得初级电路的线圈15与16、16与17以及15与17之间的互感M1、M2、M3相等，并且使得初级电路与第一次级电路6之间的每对线圈15与22、16与23以及17与24之间的互感M4、M5和M6相等。同样，一方面的每个初级线圈15、16、17与另一方面的次级线圈28之间的互感相等，并且一方面的每个次级线圈22、23、24与另一方面的次级线圈28之间的互感相等。
例如，如图4所示，当半元件30、31是圆形时，低压铁芯43放置在圆盘的中心，并且高压铁芯40、41和42彼此等距放置，以便在绕组之间获得相同的互感，两个相邻的高压铁芯关于低压铁芯成120°角。
变压器8使得可以连接初级电路5、第一次级电路6和第二次级电路7，同时降低磁路的复杂度(特别是通过减少线圈的数量)和磁路的体积(特别是通过减少铁氧体的体积)。
铁氧体体积的减少降低了铁损耗，并且实际上减少了线圈的铜长度，从而降低了铜损耗，这有助于提高充电器2的效率。
此外，包括第一半元件30和第二半元件31的变压器8的磁路的几何形状平衡了磁路内的磁耦合，以允许使用类似的控制策略来控制充电器2的每个相。
控制策略可以例如包括设置初级电路5的每个绕组15、16和17与电网R1的中性点N之间的相位差或者实施续流阶段。
在充电器2的第一实施模式中，充电器2对电池3、4进行充电。
由充电器2传输到电池3、4的电力取决于初级电力转换器12、13和14的控制信号S12、S13和S14之间的相位差
Figure BDA0003909719440000081
这些控制信号驱动所述电力转换器的晶体管。
通过使初级线圈15、16和17在电力转换器12、13和14的开关频率下生成的磁通量Ф1、Ф2和Ф3之间的相位差不平衡，控制信号之间的相位差
Figure BDA0003909719440000082
在初级电路5的各相之间产生零序分量。
由高压铁芯40、41和42传递到低压铁芯43的磁通量表示为Ф4，磁通量Ф4被传递到低压线圈28。
与次级转换器25、26、27、29的控制相关联的零序分量允许对从电网R1传输到第一电池3和第二电池4的电力流进行区分。
控制信号S12、S13和S14由处理单元UT生成。
此外，处理单元UT控制电力转换器25、26、27和29。
图5展示了作为时间t的函数的相位差距为相位差
Figure BDA0003909719440000083
的控制信号S12、S13和S14的一个示例。
读者还可以参考图6，该图展示了当相位差
Figure BDA0003909719440000091
等于π/3时，磁通量Ф1、Ф2、Ф3和Ф4随时间的变化。
与磁通量Ф1、Ф2和Ф3的幅度相比，磁通量Ф4的幅度较小，因此线圈28中所感应的电压幅度较小。
当线圈28中所感应的电压较低时，转换器29的晶体管可以被关断，使得没有电流经由它们的续流二极管被传递到电池4。
由充电器2传递的电力专门为第一电池3充电。
图7展示了当相位差
Figure BDA0003909719440000092
小于π/3时，磁通量Ф1、Ф2、Ф3和Ф4随时间的变化。
由通量Ф1、Ф2、Ф3生成的通量Ф4在幅度上足够大，以便在线圈28中感应出电压，该电压足够大以便用于经由转换器29为第二电池4充电，通量Ф1、Ф2、Ф3进一步在线圈22、23和24中生成感应电压，这些感应电压足够大以便用于经由第一次级电路6为第一电池3充电。
根据第二实施模式，充电器2经由变压器8在第一电池3与第二电池4之间传递电能，初级电路5不由电网R1供电。
由于初级电路5和次级电路6的相是相同的，所以将详细描述通过转换器12和25将能量从一个电池传递到另一个电池的示例，该方法以相同的方式应用于其他转换器。
为了简单起见，图8示出了连接到相L1和电路R1的中性点的初级电路5的转换器12，第一次级电路6的转换器25连接到第一电池3，并且变压器8连接电路5和电路6。
由于两个电池之间的能量交换，在转换器12的线圈15的两端生成电压V1，并且在转换器25的线圈22的两端生成电压V2。
假设第一电池3的能量经由第二次级电路7(未示出)传递到第二电池4。
作为变体，能量从第二电池4传递到第一电池3。
在能量传递过程中，通常会出现由电能转换生成的通量漂移。
为了校正通量漂移，处理单元UT采用通量控制电路44，如图9所示。
处理单元UT通过修改使用源电池生成的电压脉冲50的正部分或负部分的持续时间来校正通过转换来自选自电池3、4的源电池的电能而生成的通量漂移，该脉冲为变压器8供能。
通量控制电路44包括接收电压V1作为输入的放大器45、包括连接到放大器45的输出端的输入端和连接到低通滤波器47的输入端的输出端的积分器46。
控制电路44进一步包括产生校正时间Tc的时间确定模块48，以及生成表示符号SELEC的信号的用于确定信号符号的模块49，时间确定模块48的输入端和符号确定模块49的输入端连接到滤波器47的输出端。
控制电路44对电压V1的处理使得可以根据符号SELEC的值通过加上或减去校正时间Tc来延长或缩短由线圈22生成的电压脉冲50的正部分或负部分的持续时间来检测和校正通量漂移，该电压脉冲被施加于变压器8。
符号SELEC是指示要施加的校正的方向的变压器8的通量的平均值的图像，该值理想地为零。
图10和图11分别展示了通过从到达下降沿的时间中减去时间Tc而实现的脉冲50的正部分的减少(虚线)，以及通过将时间Tc加上到达上升沿的时间而实现的脉冲50的负部分的增加(虚线)。
从一个电池到另一个电池的能量传递使得可以确保能量储存的冗余，在向安全关键设备(比如当车辆1自主驾驶时使用的传感器和计算机)供电时特别需要该冗余。
从一个电池到另一个电池的能量传递还使得可以使用第二电池4为“高电压”第一次级电路6预充电，而无需第一电池3内部的附加预充电设备。
下面，与上述元件相同的元件用相同的附图标记表示。
图12展示了包括相L的单相电网R2，其例如输送32安培，并且混合动力或电动机动车辆1由电网R2供电，车辆1包括充电器2的第二实施例。
充电器2与图1所示的充电器2的第一实施例的不同之处在于：开关18闭合使得电网R2的相L向初级电路5的转换器12和13供电，不向转换器14供电。
转换器12和13被反相控制，以便最小化由两相L1、L2传导的电流频谱。
根据开关18的状态，充电器2可以由单相电网R2(开关闭合)或三相电网R1(开关断开)供电，而无需修改充电器2的结构，也无需使充电器2的电力或磁性过大。
此外，由于两个转换器12和13并联放置，由电网R2的相L输送的电流可以是由三相电网R1的相之一输送的电流的两倍。
另外，第一次级电路6与图1所示的充电器2的第一实施例的次级电路的不同之处在于：它包括连接到三个次级线圈52、53和54的单个可逆电力转换器51，这三个次级线圈彼此串联连接。
转换器51进一步连接到第一电池3。
每个次级线圈52、53和54缠绕第二半元件31的不同初级半铁芯36、37和38。

Claims (10)

1.一种用于机动车辆(1)的电池充电器(2)，所述电池充电器包括旨在连接到电网(R1，R2)的初级电路(5)和经由变压器(8)连接到该初级电路的两个次级电路(6，7)，所述初级电路包括三个转换器，每个转换器能够在输入侧连接到三相电网的一相，其特征在于，该变压器包括三个高压铁芯(40，41，42)和一个低压铁芯(43)，该初级电路和第一次级电路连接到这些高压铁芯，该第二次级电路连接到该低压铁芯，这些高压铁芯和低压铁芯被布置在该变压器中，使得该初级电路的绕组(15，16，17)之间的互感相等，并且使得该初级电路的这些绕组中的每个绕组与该第二次级电路的绕组之间的互感相等，该条件通过将这些高压铁芯彼此等距放置以及通过将这些高压铁芯中的每个高压铁芯和该低压铁芯等距放置来满足。
2.如权利要求1所述的充电器，其中，该三相初级电路的每个转换器(12，13，14)在输出侧连接到缠绕不同高压铁芯(40，41，42)的初级线圈(15，16，17)，每个转换器旨在连接到该三相电网(R1)的不同相。
3.如权利要求1所述的充电器，其中，该三相初级电路的每个转换器(12，13，14)在输出侧连接到缠绕不同高压铁芯(40，41，42)的初级线圈(15，16，17)，该初级电路的两个转换器(12，13)旨在并联连接到单相电网(R2)的相，这两个转换器被配置为反相驱动。
4.如权利要求1至3之一所述的充电器，其中，该第一次级电路(6)包括三个次级电力转换器(25，26，27)，每个次级电力转换器连接到缠绕不同高压铁芯(40，41，42)的一个次级线圈(22，23，24)，这些次级电力转换器旨在连接到第一电池(3)。
5.如权利要求1至3之一所述的充电器，其中，该第一次级电路(6)包括三个次级线圈(52，53，54)和一个次级电力转换器(51)，这些次级线圈彼此串联连接并且每个次级线圈都缠绕一个不同高压铁芯(40，41，42)，该次级电力转换器连接到这些次级线圈，该转换器旨在连接到第一电池(3)。
6.如权利要求1至5之一所述的充电器，其中，该第二次级电路(7)包括低压线圈(28)和低压电力转换器(29)，该低压线圈缠绕该低压铁芯(43)，该低压电力转换器连接到该低压线圈，该转换器旨在连接到第二电池(4)。
7.一种机动车辆(1)，该机动车辆包括两个电池(3，4)和如权利要求1至6之一所述的充电器(2)，第一电池(3)连接到该第一次级电路(6)，并且第二电池(4)连接到该第二次级电路(7)，该第一电池的两端的电压高于该第二电池的两端的电压。
8.一种用于为机动车辆(1)的电池(3，4)充电的方法，其特征在于，该方法包括由初级电路(5)传输到两个次级电路(6，7)的电能的调节，该初级电路连接到电网和变压器(8)的三个高压铁芯(40，41，42)，第一次级电路连接到这三个高压铁芯和第一电池(3)，该第二次级电路连接到该变压器的低压铁芯(43)和第二电池(4)，这些高压铁芯和低压铁芯被布置在该变压器中，使得该初级电路的这些绕组中的每个绕组之间的互感相等，并且使得该初级电路的这些绕组中的每个绕组与该第二次级电路的绕组之间的互感相等，该条件通过将这些高压铁芯彼此等距放置以及通过将这些高压铁芯中的每个高压铁芯和该低压铁芯等距放置来满足，根据该初级电路的控制信号(S12，S13，S14)之间的相位差
Figure FDA0003909719430000021
来确定传输到该第一电池和该第二电池的电力的调节。
9.如权利要求8所述的方法，包括当驱动该初级电路(5)的电力转换器的这些控制信号(S12，S13，S14)之间的相位差
Figure FDA0003909719430000022
小于Pi/3时，对该第二电池(4)进行充电。
10.如权利要求8和9之一所述的方法，进一步包括经由该变压器(8)在该第一电池与该第二电池(3，4)之间传递电能，该传递包括通过修改从源电池生成的电压脉冲(50)的持续时间来校正通过转换来自选自该第一电池和该第二电池的源电池的电能而生成的通量漂移，该脉冲被供应给该变压器(8)。
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