CN1258852C - 对电池充电的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于对电池充电的设备包括一个交流电压，一个以其输入连到交流电源和以其输出连到要充电的电池的整流器。也具有用于测量从整流器到电池的充电电流的部件，和装置(13)，用于将测得的充电电流与电流限值作比较，以及一种用于根据有关所述的比较信息控制整流器输出上的电压的装置，如果测得的电流超过电流限值就降低电压用以减少充电电流。单元(23，28，30)用于通过将由所述的测得的在其正上升速度上受限制的充电电流值形成的电流值与预先确定的最大电流限值作比较形成电流限值，并将如此获得的电流值与所述的最大电流限值中的最低值确定为所述的电流限值用以对所述的装置(13)作比较。

Description

对电池充电的方法和设备

发明的领域和现有的技术

本发明涉及一种用于对电池充电的设备，包括一个交流电源，一个将其输入连到该交流电源和将其输出连到要充电的电池的整流器，该交流电源用于对除电池外的至少一个消费电器供给电能，一个用于测量从整流器到电池的充电电流的装置，一个用于将测得的充电电流与电流限值作比较的装置，和一个用于根据所述的比较信息控制整流器输出上的电压的装置，如果测得的电流超过电流限值，就降低整流器输出上的电压以便减少充电电流。还涉及一种依据所附的独立方法权利要求的前序的方法。

首先，要指出的是，“交流电源”在此给出一个非常宽的含义，可以，例如，是交流电网，但也可以是通过从直流供电装置，如直流电压网，的电能交换成交流电压形成的，所以将该“交流电源”用作为对所述的整流器输入供给交流电流的结构的所有类型的总称。

可将这种设备用于对所有种类的电池充电，但为了清楚地说明本发明试图解决的问题，在此以后将解释这样一种用于对电气化铁路运输的铁路车辆上的电池充电的设备，但这样全然不是为了限制本发明。这样一种铁路车辆上的电池在大多数情况下当启动车辆时特别用于给出额外的能量补充，但也供给，例如，车辆中的计算机和照明设备。与电池平行地供电的交流电消费电器可以是，例如与其相连的车辆或汽车中的电扇，主压缩机，照明设备等。电能通常是从一条接触线路(见图1)由取得电能的车辆得到，例如，以交流电压的形式获得，在瑞典通常是一种频率为16 2/3 Hz的单相交流电压，通过一个未示出的整流器变换成例如大约750V的直流电压，然后传送到以逆变器2形式的变换器，在其中被变换成交流电压。然后由变压器3改变这个交流电压的电平，由此再将交流电压供给所提到种类的消耗电器4。同时，将一部分交流电压送入以整流器5形式的变换器，将此电压整流，在其输出6上以比电池7电压高的电压发送充电电流对其充电。所述的变换器最好是由串联的电流阀组成，每个至少有一个开关，以一个半导体元件和一个整流二极管反向并联的形式组成，并依据如图2中所示的实施方案的脉宽调制形式以通常的方式进行控制，或者作为非受控整流器，例如图1的实施方案中的二极管整流器。

从接触线路1，车辆的引擎最好通过一个未示出的变换器也与所示的设备平行地获得电能。

对电池的充电电流可由示意表示的部件8测量，而电池的电压可由部件9测量。将以这种方式获得的测量值用于控制整流器5的输出电压，从而控制对电池7的充电电流。当输出6上的输出电压超过电池电压时，电池将被线圈10充电。该设备还具有装置11，用于根据测量到的充电电流与电流限值的比较信息来控制整流器输出上的电压，如果测得的电流超过电流限值，则降低电压以减少充电电流。这通过控制逆变器2在图1中所示的种类的设备上进行，使得在其输出上获得适当的电压电平。然而，这样做有缺点，当整流器5的电压必须降低时，对消费电器4的电压电平将被自动地降低。

图2示出依据图1的设备的一种变型，在其中所述的装置11另外控制整流器，以便对电池的供电和对消费电器的供电实际上变成相互独立。

在图3中较详细地示出了这种设备中装置11可以如何工作。所测得的充电电流值到达12，在加法部件13中它的负值被加到在14上的电流限值上。如果在13中相加，实际上是充电电流与电流限值的比较，充电电流不应该超过它，以防止触发过流保护和利用对所述的消费电器4以及电池的电能供应的中断来停止依据图1和2的整个设备的运行，结果对部件16的输入15上给出负值，整流器输出6上的电压的标准电压值在所述的部件的输出上输出，然后使其比输入到部件16上的17的预先确定的电压值低。然而，如果充电电流值低于所述的电流限值，则在17上的标准电压输入也是18上输出。在19上，将乘以-1的电池电压输入相加部件20，将该相加的结果输入到部件21，以比电池电压低的标准电压发送信号到控制单元22，在依据图1的设备中，当涉及电压峰值时控制逆变器2，并在依据图2的设备中当涉及电压峰值时控制整流器5。如果该电池电压高于18上的标准电压，所述的电压峰值，从而整流器的电压输出，最终对电池的充电电流被减少。

在图4中，简要地示出如果输入整流器的电压电平突然地降低，例如由于当启动一种消费电器时的大功率输出引起的，将可能发生什么情况。简要地示出输出电压U₆是如何随时间变化的，U_B是电池电压。而且，画出充电电流I_B随时间的变化和用虚线画出所述的电流限值I_B，Iim随时间的变化。很明显，当来自整流器的输出电压低于电池电压时，充电电流降低到0，但是当所述的输出电压再次上升到电池电压以上时，由于电池中低内阻造成的结果使充电电流将非常陡峭地上升，常常导致充电电流非常大的上冲。这意味着充电电流超过电流限值，装置11按图3中所示的方式执行控制，使充电电流低于此值。然而，同时电流上冲是如此之大，以使过流保护触发运行，避免损坏变压器和二极管，使整个设备断开免去更大的问题。应该指出，也可能在可能发生大负载的电池负载侧出现带有相应问题的压降。

发明概述

本发明的目的是提供一种在开始所规定种类的设备和方法，找到一种对于上述问题的解决方案，这些问题就是在来自整流器的输出电压突然上升时，触发过流保护的风险。通过依据本发明提供这样一种设备达到了这个目的，该设备带有一个单元，用于形成所述的电流限值，通过将由所述的测得的在其正上升速度有限制的充电电流值形成的电流值与预先确定的最大电流限值作比较，确定所获得的电流值和所述的最大电流限值中的最低值作为用于所述装置比较的所述的电流限值。

通过在充电电流已经开始上升时用这种方式动态地改变电流限值，即使那时电流强度远低于实际可接受的值，如果它的上升速度快于所述的正上升速度，充电电流将超过所述的电流限值，从而该装置将控制整流器输出上的电压，以便减少充电电流的降低，使得触发过流保护所需的电流强度从不达到。因此，本发明并不基于快速地完成充电电流的调节，而是更早些开始，也就是远低于对电流最大允许的电平。这种调节方法意味着是一种非常平滑的限制瞬变的方法。

依据本发明的一种优选实施方案，所述的单元包括用于将最大电流值附加量/单位时间添加到测得的充电电流值中的部件，和用于将如此形成的电流值与现有的充电电流作比较，以及确定它们的最低值作为理论的充电电流值，并将此发送到所述的相加部件中，使得在此被考虑为新的充电电流值的部件，和比较部件，用于将所述的理论充电电流值发送到一个将它与所述的最大电流限值作比较的部件，以确定它们的最低值作为所述装置比较的电流限值。由此保证了所述装置作比较的电流限值，它是实际控制来自整流器的输出电压的基础，一方面决不高于充电电流和最大电流值添加量之和的值，在正常的充电电流的情况下，这意味着这个总和变成大大低于最大允许的电流限值，另一方面，该电流限值不可能上升得太快。实际上，这意味着当它开始比所述的限制允许的正上升速度上升得快时，该电流限值将被充电电流直接超过，并且这与此时的充电电流电平无关，所以对输出电压向下的调节可在非常低的但快速上升的充电电流上已经开始。

依据本发明的另一种优选实施方案，将设备用作铁路车辆电气系统的一个部件，将该交流电源用于从所述的铁路车辆的接触线路获得电能。这条接触线路可以是直流线路以及交流线路。此设备特别适用于这种应用，因为本发明试图解决的问题经常出现在提供对电池充电的设备的这些铁路车辆电气系统中。

本发明还涉及依据所附的方法权利要求的一种对电池充电的方法。利用这样一种方法的优点从以上涉及依据本发明的设备的讨论来看是显而易见的。

从以下的描述和其他的从属的权利要求来看，具有本发明的有利特征的其他优点是明显的。

附图简述

以下将是参考附图对根据本发明的一种优选实施方案的设备的描述，其中：

图1是用作说明依据本发明可被采用的第一类型的一种用于对电池充电的设备的简图，

图2是用作说明依据本发明可被采用的第二类型的一种用于对电池充电的设备的简图，

图3较详细地示出依据先前技术的设备的部件，

图4是对于依据图3已知的设备的来自整流器的输出电压U₆，电池电压U_B和充电电流I_B随时间t的图形，

图5是依据本发明的一种优选实施方案的设备的部件图，

图6是用作说明如何由依据图5的设备获得的电流限值I_B随时间t的变化和对充电电流I_B的依从关系的图形，和

图7是与图4对应的用于依据图5的本发明的设备的图形。

一种本发明的优选实施方案详述

实际上，可以认为在此以后描述本发明的两种优选实施方案，作为依据本发明的设备的部件，在图5中所示的可被认为是依据图1的设备的部件，以及图2作为在此所示的装置11的部件，用于直接或间接地控制在整流器输出上的电压。

这种装置首先包括部件23，图3中装置13的上游，被适配成，在其输入24上，接收从部件8发出的对电池7的充电电流值(见图1和2)。该部件23被适配成完成将该值与在第二输入25上得到的值作比较并进一步将在其输出26上的这些值的最低值发送到部件28的输入27，并将此值与在另一个输入29上的预先确定的附加量Δ相加。每单位时间上只有一定的附加量可被添加到27上的值中。Δ大大小于，最好小于I_B和最大允许的电流限值之间的正常差值的20％。如此获得的值被回送到部件23的输入25，以便与充电电流作比较。因为充电电流值的最低值和输入25上的值被进一步连续地发送到部件28，在此每单位时间给出一定的附加量，在部件28的输出33上的值不可能增长得比这个每单位时间的附加量快。简单地说，它可被表达为如果I_B+Δ到达27，从完成最后的附加量Δ起的一定时间内未超过此值，因为在28上根本不产生附加量。随后此值被进一步发送到部件30，在此与在输入31上获得的最大电流限值作比较，这两个值中的最低值被进一步发送到图3中所示的部件13，按与参考图3所描述的相同方法工作。在部件13以后，随后是图3中所示的其他部件16，20，21和22，具有与以前描述过的相同的功能。

在图6中，示出来自部件28的输出33上的值I_B，Iim将如何根据在部件23的输入24上获得的充电电流值的变化随时间改变。因此，部件23和28相互连接的结果被示出。很明显，只要充电电流值不上升得太陡峭，也就是不比每单位时间的附加量Δ快，I_B，Iim将始终比I_B大Δ。同样，I_B，Iim的跌落速度未受限制。相反，当充电电流值比与部件28中每单位时间的最大附加量Δ对应的上升速度上升得快时，充电电流值将超过I_B，Iim，从而在13中将得到负值，来自整流器的输出电压将被向下调节。然而，当充电电流超过最近在输入31上发送到的最大电流限值时，这当然始终要进行的。

在图7中，示出在依据图5的本发明的设备的情况下，当来自整流器的输出电压U₆按以前在图4中所示的用于已知设备的方式变化时，实际上对于电流I_B将发生什么情况。很明显，通常将在时间t₀后的I_B的快速上升将不发生，因为充电电流将不比由部件28发送的动态限值的最快可能的上升速度快，由此对电压U₆的向下调节将开始。因而，充电电流值将达不到由虚线32指明的最大电流限值，没有过流保护必须被触发。

当然本发明任何情况下也不限于以上所描述的优选实施方案，对它修改的许多可能性对于本领域的技术人员将是明显的，而并不偏离如所附的权利要求所规定的本发明的范围。

与以上所示的不同的用于以受限制的上升速度获得动态电流限值的其他变型是可以想象的，所有这些功能当然可以被包括在一个单一单元中，同样保持以上提到的整个装置的功能，包括计算动态电流限值的功能，这可由以适当方式编程的计算机单元构成。本发明并不限于所描述的时间离散的实施方案，也可以是时间连续的实施方案，例如，利用模拟技术，是可以想象的。

设计以这样一种方式限制电流限值的上升速度，使得与某种参数有关，例如充电电流的大小，也是落在本发明的范围内，如果对于某种特定的应用是所希望的话。例如，在某个值的范围内而不是任何其他值的范围内可以允许较高的充电电流上升速度，而没有调节来自整流器的输出电压的干预。

Claims (16)

1.一种用于通过整流器(5)对电池(7)充电的方法，将整流器的输入连到一个交流电源(1，2)，所述交流电源用于对电池以外的至少一个消费电器(4)提供电能，并将其输出(6)连到电池，在其中测量从整流器到电池的充电电流，将测得的充电电流与电流限值作比较，如果测得的充电电流超过此电流限值，则控制来自整流器的输出电压使其降低，以便减少对电池的充电电流，其特征在于通过将预先确定的最大电流限值与由所述的测得的其正上升速度受限制的充电电流值形成的电流值作比较，并且将所述的预先确定的最大电流限值与由所述的测得的其正上升速度受限制的充电电流值形成的电流值中的最低值选作为与所述测得的充电电流进行所述比较的电流限值来连续地确定所述的电流限值。

2.一种依据权利要求1的方法，其特征在于将每单位时间的最大电流值附加量添加到测得的充电电流值中，将如此形成的电流值与现有的充电电流作比较，将它们的最低值确定为理论的充电电流值，所述理论的充电电流值随后经受了所述的添加以便作为一种新的充电电流值，将所述的理论充电电流值与所述的最大电流限值作比较，将它们之中的最低值确定为所述的电流限值。

3.一种依据权利要求1或2的方法，其特征在于通过用于铁路车辆的接触线路(1)将电能馈送给交流电源。

4.一种依据权利要求1的方法，其特征在于直流电压在逆变器(2)中被变换成交流电压用以对所述的整流器(5)的输入馈电。

5.一种依据权利要求4的方法，其特征在于通过控制所述的逆变器(2)来对整流器输出(6)上的输出电压进行控制。

6.一种依据权利要求1的方法，其特征在于通过控制整流器(5)来对整流器输出上的输出电压进行控制。

7.一种用于对电池(7)充电的设备，包括一个交流电源(1，2)，一个其输入连到交流电源和其输出(6)连到要充电的电池的整流器(5)，该交流电源用于对电池以外的至少一个消费电器(4)供给电能，一个用于测量从整流器到电池的充电电流的部件(8)，一个用于将测得的充电电流与电流限值作比较的比较装置(13)，和一个用于根据所述的比较信息控制整流器输出上的电压的控制装置(11)，如果测得的电流超过电流限值，降低电压以便减少充电电流，其特征在所述设备包括一个单元(23，28，30)，用于通过将由所述的测得的对其正上升速度受限制的充电电流值形成的电流值与预先确定的最大电流限值作比较，并且确定由所述的测得的对其正上升速度受限制的充电电流值形成的电流值和所述的最大电流限值中的最低值作为用于所述比较装置(13)的比较的电流限值来形成所述的电流限值。

8.一种依据权利要求7的设备，其特征在于所述的单元包括相加部件(28)，用于将每单位时间的最大电流限值附加量添加到测得的充电电流值中，和比较部件(23)，用于将如此形成的电流值与现有的充电电流作比较，并将二者的最低值确定为理论充电电流值，将此值发送到所述的相加部件(28)，从而被认为是一个新的充电电流值，所述比较部件将所述的理论充电电流值发送到部件(30)，用以与所述的最大电流限值作比较，将二者的最低值确定为电流限值，用于所述的比较装置(13)的比较。

9.一种依据权利要求7或8的设备，其特征在于将所述设备用作铁路车辆电气系统的部件并且所述交流电源用于从用于所述的铁路车辆的接触线路(1)获得电能。

10.一种依据权利要求9的设备，其特征在于当启动车辆时所述的电池(7)被用于对车辆的引擎供应电能。

11.一种依据权利要求9的设备，其特征在于所述的消费电器(4)是包括在车辆中的一个或多个电扇，主压缩机，和照明设备。

12.一种依据权利要求9的设备，其特征在于将所述的消费电器(4)与电池(7)并行连接。

13.一种依据权利要求7的设备，其特征在于所述设备包括一个逆变器(2)，用于将直流电压变换成交流电压，以便对所述的整流器(5)的输入馈电。

14.一种依据权利要求13的设备，其特征在于将用于将来自逆变器(2)的电压电平改变到所述的消费电器(4)和电池(7)的电压电平的变压器(3)分别安排在逆变器(2)和电池(7)之间以及逆变器(2)和消费电器(4)之间。

15.一种依据权利要求13或14的设备，其特征在于将所述的控制装置(11)用于控制逆变器(2)，以便控制整流器输出(6)上的输出电压。

16.一种依据权利要求7的设备，其特征在于将所述的控制装置(11)用于控制整流器(5)，以便控制整流器输出(6)上的输出电压。

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