DE102012220371A1 - Device for charging high voltage battery of electric vehicle from three-phase alternating current voltage source, has switch switched by control device such that current and voltage of source are in phase with each other - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer Wechselspannungsquelle. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer Wechselspannungsquelle. The invention relates to a device for charging an electrical energy store from an AC voltage source. The invention further relates to a method for charging an electrical energy store from an AC voltage source.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer Wechselspannungsquelle, aufweisend:
- – eine erste Gleichrichtereinrichtung;
- – eine mit der ersten Gleichrichtereinrichtung verschaltete elektrische Zerhackereinrichtung;
- – eine mit einem Ausgang der Zerhackereinrichtung verschaltete Transformatoreinrichtung;
- – eine mit einer Sekundärseite der Transformatoreinrichtung verschaltete zweite Gleichrichtereinrichtung; und
- – eine mit der zweiten Gleichrichtereinrichtung verschaltete Umrichtereinrichtung mit einer ersten Halbbrücke aus zwei seriell geschalteten Schaltern, wobei eine erste Induktivität zwischen einem Verbindungspunkt der Schalter der ersten Halbbrücke und der zweiten Gleichrichtereinrichtung verschaltet ist, wobei mittels einer Steuerungseinrichtung einer der Schalter der ersten Halbbrücke derart schaltbar ist, dass ein zum Laden des elektrischen Energiespeichers der Wechselspannungsquelle entnommener Strom und eine Spannung der Wechselspannungsquelle im Wesentlichen in Phase sind.
- A first rectifier device;
- - An electrical chopper connected to the first rectifier means;
- A transformer means connected to an output of the chopper means;
- A second rectifier device connected to a secondary side of the transformer device; and
- A converter device connected to the second rectifier device having a first half-bridge of two serially connected switches, wherein a first inductance is connected between a connection point of the switches of the first half-bridge and the second rectifier device, wherein by means of a control device one of the switches of the first half-bridge can be switched in such a way in that a current removed for charging the electrical energy store of the AC voltage source and a voltage of the AC voltage source are substantially in phase.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird mit der Erfindung ein Verfahren bereitgestellt, welches folgende Schritte aufweist:
- – Gleichrichten einer Eingangswechselspannung;
- – Wandeln der gleichgerichteten Eingangswechselspannung in eine hochfrequente Wechselspannung;
- – Transformieren der hochfrequenten Wechselspannung;
- – Gleichrichten der transformierten Wechselspannung; und
- – Generieren einer Gegenspannung zur gleichgerichteten, transformierten Spannung derart, dass eine Spannung der Wechselspannungsquelle und ein Strom, der der Wechselspannungsquelle zum Laden des elektrischen Energiespeichers entnommen wird, im Wesentlichen in Phase sind.
- - rectifying an input AC voltage;
- - converting the rectified input AC voltage into a high frequency AC voltage;
- - transforming the high-frequency AC voltage;
- - rectifying the transformed AC voltage; and
- - Generating a counter voltage to the rectified, transformed voltage such that a voltage of the AC voltage source and a current that is taken from the AC voltage source for charging the electrical energy storage, are substantially in phase.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Preferred developments of the invention are the subject of dependent claims.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit von einem Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher und von der Spannung der Wechselspannungsquelle ein Tastverhältnis des Schalters der ersten Halbbrücke einstellbar ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft mittels der Steuerungseinrichtung durch Ändern des Tastverhältnisses des Schalters ein Ladestrom für den Energiespeicher reguliert werden. A preferred embodiment of the device is characterized in that by means of the control device in dependence on a charging current for the electrical energy storage and of the voltage of the AC voltage source, a duty cycle of the switch of the first half-bridge is adjustable. In this way can be advantageously regulated by means of the control device by changing the duty cycle of the switch, a charging current for the energy storage.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine zweite Induktivität zwischen einer zweiten Halbbrücke der Umrichtereinrichtung aus zwei seriell geschalteten Schaltern und der zweiten Gleichrichtereinrichtung verschaltet ist. Dadurch kann eine verbesserte Ausnutzung der Umrichtereinrichtung erreicht werden, wobei die einzelnen Schalter der Umrichtereinrichtung entlastet werden. A preferred embodiment of the device is characterized in that a second inductance is connected between a second half-bridge of the converter device from two switches connected in series and the second rectifier device. Thereby, an improved utilization of the converter device can be achieved, wherein the individual switches of the converter device are relieved.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zweite Schalter der zwei Halbbrücken in einem überlappenden Schaltbetrieb schaltbar sind. Dies bewirkt vorteilhaft eine Verringerung einer Welligkeit des Ladestroms (Stromripples) aufgrund von überlappendem Interleave-Schalten. Vorteilhaft hat dies verringerte Oberwellenemissionen ins Wechselspannungsnetz zur Folge. A preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that second switches of the two half-bridges are switchable in an overlapping switching operation. This advantageously causes a reduction of a ripple of the charging current (current ripples) due to overlapping interleave switching. Advantageously, this results in reduced harmonic emissions into the AC grid.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Induktivität als eine Induktivität von Wicklungen eines dreiphasigen Elektromotors ausgebildet ist, wobei die Wicklungen mit Verbindungspunkten von Schaltern von drei Halbbrücken der Umrichtereinrichtung verschaltet sind. Dadurch ist vorteilhaft keine externe Koppelinduktivität erforderlich und es ist eine Nutzung der drei Phasenwicklungen der Elektromaschine zum Zwecke des Ladens bereitgestellt. Auf diese Weise kann auch eine Realisierung der Oberwellenverbesserungseinrichtung (engl. Power Factor Correction) durch den Elektromotor bereitgestellt werden. A preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the first inductance is formed as an inductance of windings of a three-phase electric motor, wherein the windings are connected to connection points of switches of three half-bridges of the converter. As a result, advantageously no external coupling inductance is required and it is provided a use of the three-phase windings of the electric machine for the purpose of loading. In this way, an implementation of the harmonic recovery device (English Power Factor Correction) can be provided by the electric motor.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine zusätzliche Induktivität zwischen der zweiten Gleichrichtereinrichtung und dem Verbindungspunkt der beiden Schalter der ersten Halbbrücke verschaltet ist. Dadurch kann vorteilhaft eine zusätzliche externe Induktivität verwendet werden, wenn die Induktivität der Motorwicklungen des dreiphasigen Elektromotors zum Aufbau der erforderlichen Gegenspannung nicht ausreicht. A preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that an additional inductance between the second rectifier device and the Connection point of the two switches of the first half-bridge is connected. As a result, an additional external inductance can advantageously be used if the inductance of the motor windings of the three-phase electric motor is insufficient to build up the required reverse voltage.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass zweite Schalter der beiden Halbbrücken in einem überlappenden Schaltbetrieb schaltbar sind. Dies bewirkt vorteilhaft eine Reduzierung von Stromripples, zudem wird elektrische Schaltenergie auf mehrere Schalter verteilt, was eine erhöhte Lebensdauer der Schalter bewirken kann. Vorteilhaft wird der Elektromotor dadurch auch verbessert ausgenutzt, indem alle drei Phasen verwendet werden. A preferred embodiment of the device according to the invention provides that second switches of the two half-bridges are switchable in an overlapping switching operation. This advantageously brings about a reduction of current ripples, moreover, electrical switching energy is distributed over a plurality of switches, which can bring about an increased service life of the switches. Advantageously, the electric motor is thereby exploited also improved by all three phases are used.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung dreifach ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung jeweils mit einer Phase eines Drehstromsystems verschaltet ist, wobei jeweils eine erste Induktivität zwischen jeweils einer zweiten Gleichrichtereinrichtung und einem Verbindungspunkt zweier Schalter der Halbbrücken der Umrichtereinrichtung verschaltet ist, wobei mittels der Steuerungseinrichtung die Schalter der drei Halbbrücken derart schaltbar sind, dass ein zum Laden des elektrischen Energiespeichers der Wechselspannungsquelle entnommener Strom und eine jeweilige Phasenspannung der Wechselspannungsquellen im Wesentlichen in Phase sind. Auf diese Weise übernimmt die Umrichtereinrichtung vorteilhaft wiederum die Funktionalität der Power-Factor-Correction. Vorteilhaft können sämtliche Halbbrücken der Umrichtereinrichtung verwendet werden, was eine gleichmäßige Leistungsverteilung auf alle Schalter bewirkt. Aufgrund der dreifachen Ausgestaltung der Vorrichtung können drei unabhängige Ladestromverläufe nachgebildet und es kann dadurch vorteilhaft ein Schnellladen des elektrischen Energiespeichers erreicht werden. A preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the device is formed in three, wherein the device is connected in each case with a phase of a three-phase system, wherein in each case interconnected a first inductance between each second rectifier means and a connection point of two switches of the half-bridges of the converter wherein, by means of the control device, the switches of the three half-bridges are switchable such that a current removed for charging the electrical energy store of the AC voltage source and a respective phase voltage of the AC voltage sources are substantially in phase. In this way, the converter device advantageously takes over again the functionality of the power factor correction. Advantageously, all half bridges of the converter device can be used, which causes a uniform power distribution to all switches. Due to the threefold configuration of the device, three independent charging current profiles can be simulated and it can thereby advantageously a rapid charging of the electrical energy storage can be achieved.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Zerhackereinrichtung als eine vierte Halbbrücke mit zwei Schaltern an einer Primärseite der Transformatoreinrichtung ausgebildet ist, wobei die Transformatoreinrichtung an der Primärseite einen Mittelpunktsabgriff aufweist. Dadurch wird vorteilhaft eine Reduzierung einer Anzahl von Halbleiterschaltern erreicht, was verringerte Durchlass- und Schaltverluste bedeutet. Zudem kann dadurch ein Raumgewinn und eine verringerte Anzahl von Treibern für die Schalter erreicht werden. Dies resultiert insgesamt vorteilhaft in einer Kostenersparnis der gesamten Vorrichtung. A preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the electrical chopper device is designed as a fourth half-bridge with two switches on a primary side of the transformer device, wherein the transformer device has a center tap on the primary side. This advantageously achieves a reduction in a number of semiconductor switches, which means reduced forward and switching losses. In addition, thereby a space gain and a reduced number of drivers for the switches can be achieved. This results in a total advantageous in a cost saving of the entire device.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Gleichrichtereinrichtung jeweils eine Diode an jedem Endabschnitt der Sekundärseite der Transformatoreinrichtung aufweist, wobei die Sekundärseite der Transformatoreinrichtung einen Mittelpunktsabgriff aufweist. Dadurch wird eine Anzahl von Halbleiterbauelementen der zweiten Gleichrichtereinrichtung vorteilhaft halbiert, wodurch Ausfallraten vorteilhaft minimiert werden. An advantageous development of the device according to the invention is characterized in that the second rectifier device in each case has a diode at each end section of the secondary side of the transformer device, wherein the secondary side of the transformer device has a center point tap. As a result, a number of semiconductor components of the second rectifier device is advantageously halved, whereby failure rates are advantageously minimized.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Als besonders vorteilhaft wird bei der Erfindung angesehen, dass zum Laden des elektrischen Energiespeichers in einem Ladebetrieb des Elektrofahrzeugs ein bereits vorhandener Umrichter verwendet werden kann. Vorteilhaft kann ein Zwischenkreiskondensator, der in herkömmlichen Vorrichtungen verwendet wird, entfallen. Zudem wird der Umrichter auch zu einer Realisierung einer Oberwellenverbesserungsvorrichtung verwendet, so dass die herkömmliche Korrektureinrichtung entfallen kann. Vorteilhaft kann auf diese Weise eine erfindungsgemäße Ladevorrichtung wesentlich einfacher und kostengünstiger ausgestaltet sein. Mittels der galvanischen Trennung durch die Transformatoreinrichtung kann zudem ein Sicherheitsaspekt für Anwender vorteilhaft erhöht werden. Particularly advantageous is considered in the invention that for loading the electrical energy storage in a charging operation of the electric vehicle, an existing converter can be used. Advantageously, a link capacitor, which is used in conventional devices omitted. In addition, the inverter is also used to realize a harmonic improving device, so that the conventional correcting device can be omitted. Advantageously, in this way a charging device according to the invention can be made much simpler and less expensive. In addition, a safety aspect for users can be advantageously increased by means of galvanic isolation by the transformer device.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf Figuren erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise als detailgetreue Schaltbilder zu verstehen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente. Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to embodiments with reference to figures. All described or illustrated features, alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency, as well as regardless of their formulation or representation in the description or in the figures. The figures are primarily intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily to be understood as detailed circuit diagrams. In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.
Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures
Es zeigen: Show it:
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Um genormte Erfordernisse bezüglich Oberwellenemissionen in das öffentliche Wechselspannungsnetz einzuhalten, ist zwischen der ersten Gleichrichtereinrichtung G1 und der elektrischen Zerhackereinrichtung Z eine Korrektureinrichtung K geschaltet, die im Wesentlichen dafür sorgt, dass der aus der Wechselspannungsquelle W entnommene Strom in Phase mit der Wechselspannung aus der Wechselspannungsquelle ist. In order to comply with standardized requirements with regard to harmonic emissions in the public alternating voltage network, a correction device K is connected between the first rectifier device G1 and the electric chopper device Z, which essentially ensures that the current drawn from the AC voltage source W is in phase with the AC voltage from the AC voltage source ,
Einer Steuerungseinrichtung
Mittels der Steuerungseinrichtung
Mehrere Diagramme innerhalb von
Prinzipiell ist somit erkennbar, dass im Falle, dass UB6 < UAC ist, ein Strom I von der Wechselspannungsquelle W in Richtung der Umrichtereinrichtung U und damit in den elektrischen Energiespeicher B fließt. Die erste Induktivität L1 dient somit als eine Art Entkopplung zwischen der elektrischen Spannung UAC der Wechselspannungsquelle W und der Gegenspannung UB6 der Umrichtereinrichtung U. In principle, it can thus be seen that in the case where U B6 <U AC , a current I flows from the AC voltage source W in the direction of the converter device U and thus into the electrical energy store B. The first inductance L1 thus serves as a kind of decoupling between the electrical voltage U AC of the AC voltage source W and the countervoltage U B6 of the converter U.
Aus der
Der Stromfluss erfolgt über Freilaufdioden (nicht dargestellt), die parallel zu den Schaltern S1 und S3 geschaltet sind. The current flow is via freewheeling diodes (not shown), which are connected in parallel to the switches S1 and S3.
Ein elektrisches Ersatzschaltbild und ein Zeigerdiagramm entsprechen jenen der ersten Ausführungsform (siehe
Beispielsweise können lediglich die Schalter S3 und S4 der zweiten Halbbrücke H2 abwechselnd schalten, wodurch der Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher B durch zwei Wicklungsinduktivitäten fließt. Eine genutzte Motorinduktivität entspricht daher der zweifachen Wicklungsinduktivität. Durch dieses Schalten kann kurzzeitig bei Beginn des Ladevorgangs je nach Stellung des Rotors des Elektromotors M ein Drehmoment erzeugt werden, welches zu einer geometrischen Ausrichtung des Rotors führt. Während des weiteren Ladevorgangs wird kein weiteres Drehmoment mehr erzeugt. For example, only the switches S3 and S4 of the second half-bridge H2 can alternate, whereby the charging current for the electrical energy store B flows through two winding inductances. A used motor inductance therefore corresponds to twice the winding inductance. By this switching, a torque can be generated for a short time at the beginning of the charging process, depending on the position of the rotor of the electric motor M, which leads to a geometric orientation of the rotor. During the further charging process, no further torque is generated.
In einer alternativen Betriebsart der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Aufgrund der galvanischen Trennung mittels der Transformatoreinrichtung T ist es möglich, ein Ladekonzept derart auszulegen, dass das Laden der Batterie unabhängig von Spannungsniveaus der Batteriespannung bzw. der Netzspannung stets möglich ist. Dadurch lässt sich ein Ladekonzept realisieren, welches weltweit einsetzbar ist. Um einen Wirkungsgrad des Konzeptes zu erhöhen, können passive Bauelemente der zweiten Gleichrichtereinrichtung G2 durch aktive Schalter ersetzt werden. Due to the galvanic isolation by means of the transformer device T, it is possible to design a charging concept such that the charging of the battery is always possible independently of voltage levels of the battery voltage or the mains voltage. This makes it possible to realize a charging concept which can be used worldwide. In order to increase the efficiency of the concept, passive components of the second rectifier device G2 can be replaced by active switches.
Ein zeitlicher Verlauf von elektrischen Größen innerhalb der Vorrichtung
Ein Ersatzschaltbild und ein Zeigerdiagramm entsprechen denen der ersten Ausführungsform. An equivalent circuit and a phasor diagram are the same as those of the first embodiment.
In einem Schritt
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Der Fachmann wird also die beschriebenen Merkmale der Erfindung abändern oder miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Although the present invention has been described in terms of preferred embodiments, it is not limited thereto. The person skilled in the art will thus be able to modify or combine the described features of the invention without departing from the essence of the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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