TWI433426B - 電池充電系統 - Google Patents

Description

電池充電系統

本發明涉及一種電池充電系統，尤其涉及一種三級(three-stage)電池充電系統。

眾所周知，礦物燃料被廣泛地用在傳統汽車中來產生動力。然而，礦物燃料的資源非常有限。此外，礦物燃料的使用已經導致了越來越嚴重的環境污染。近來，電動車輛與插電式混合動力電動車輛(plug-in hybrid electric vehicle)已經被研究和開發出來。電動車輛與插電式混合動力電動車輛使用電動機來生成動力。電動車輛或插電式混合動力電動車輛具有內置電池，作為用於提供動力的穩定能源。並且，需要高效、高穩定性以及高安全性的充電系統來對電池充電。

因此，在已有技術中存在迄今未解决的需求，用於解决上述缺陷和不足。

在一個方案中，本發明涉及一種電池充電系統。在一個實施例中，電池充電系統包括：第一整流器，其適於將其輸入端處的交流(AC)電壓轉換成其輸出端處的第一直流(DC)電壓；以及功率因數校正(PFC)電路，其具有一輸入端和一輸出端，PFC電路的輸入端耦接至第一整流器的輸出端，其中PFC電路適于校正電池充電系統的功率因數並在其輸出處輸出第二DC電壓。在一個實施例中，PFC電路具有兩個彼此線路交錯連接(interleave)的升壓斬波(Boost)轉換器。

電池充電系統還包括：第一電源轉換器，其具有一輸入端和一輸出端，第一電源轉換器的輸入端耦接至PFC電路的輸出端；以及第二電源轉換器，其具有輸入端和輸出端，第二電源轉換器的輸入端耦接至第一電源轉換器的輸出端。

第一電源轉換器適於將第二DC電壓轉換成其輸出端處的第三DC電壓。在一個實施例中，第一電源轉換器被配置為將其輸出端與其輸入端相隔離。

在一個實施例中，第一電源轉換器具有變壓器，變壓器具有至少一初級繞組和至少一次級繞組，其中變壓器的至少一初級繞組包括兩個或複數個彼此串聯連接的初級繞組，並且所述變壓器的至少一次級繞組包括兩個或複數個彼此串聯連接的次級繞組。第一電源轉換器具有耦接至第一電源轉換器的輸入端的橋式電路，其中橋式電路為全橋電路。此外，第一電源轉換器具有耦接至橋式電路和變壓器的至少一初級繞組的諧振回路，其中諧振回路包括彼此串聯連接的電感器和電容器。此外，第一電源轉換器具有耦接至變壓器的至少一個次級繞組和第一電源轉換器的輸出端的第二整流器。此外，第一電源轉換器包括第二控制器，第二控制器適於感測變壓器的至少一個初級繞組處的電壓，以調節第一電源轉換器的輸出。另外，第一電源轉換器可包括第二控制器，第二控制器適於感測第一電源轉換器的輸入電壓和輸出電壓，以調節第一電源轉換器的輸出。

第二電源轉換器適於將第三DC電壓轉換成其輸出端處的將被傳送給電池的第四DC電壓。在一個實施例中，第二電源轉換器為Buck轉換器，其中Buck轉換器包括兩個彼此線路交錯連接的Buck轉換器。

此外，電池充電系統包括第一控制器，第一控制器適於感測第二電源轉換器的輸出端處的第四DC電壓，以將第二電源轉換器調節為使第四DC電壓保持在預定值。

在一個實施例中，第一控制器還適於感測電池充電系統的環境溫度，以保護電池充電系統。

在一個實施例中，電池充電系統還可具有耦接至PFC電路的輸出端的第一儲能電容器。在另一個實施例中，電池充電系統還可具有耦接至第一電源轉換器的輸出端的第二儲能電容器。

在本發明的另一個方案中，一種電池充電系統包括：第一整流器，其適於將其輸入端處的AC電壓轉換成其輸出端處的第一DC電壓；功率因數校正(PFC)電路，其具有輸入端和輸出端，PFC電路的輸入端耦接至第一整流器的輸出端，其中PFC電路適於校正電池充電系統的功率因數並在其輸出端處輸出第二DC電壓；第一電源轉換器，其具有輸入端和輸出端，第一電源轉換器的輸入端耦接至PFC電路的輸出端，其中第一電源轉換器適於將第二DC電壓轉換成其輸出端處的第三DC電壓，並包括(i)耦接至第一電源轉換器的輸入端的橋式電路，(ii)具有至少一個初級繞組和至少一次級繞組的變壓器，(iii)耦接至橋式電路和所述變壓器的至少一初級繞組的諧振回路，(iv)耦接至變壓器的至少一次級繞組和變壓器的輸出的第二整流器；第二電源轉換器，其具有輸入端和輸出端，第二電源轉換器的輸入端耦接至第一電源轉換器的輸出端，其中第二電源轉換器適於將第三DC電壓轉換成其輸出端處的將被傳送給電池的第四DC電壓；以及第一控制器，適於感測第二電源轉換器的輸出端處的第四DC電壓，以將第二電源轉換器調節為使第四DC電壓保持在預定值。

在一個實施例中，第一控制器還適於感測電池充電系統的環境溫度，以保護電池充電系統。

在一個實施例中，第一電源轉換器還具有第二控制器，所述第二控制器適於感測變壓器的至少一個初級繞組處的電壓，以調節第一電源轉換器的輸出。在另一個實施例中，第一電源轉換器還具有第二控制器，第二控制器適於感測第一電源轉換器的輸入端電壓和輸出端電壓，以調節第一電源轉換器的輸出。

在一個實施例中，第二電源轉換器為Buck轉換器，其中Buck轉換器包括兩個彼此線路交錯連接的Buck轉換器。

在一個實施例中，第一整流器包含用於濾除並抑制電磁干擾的電路。

儘管在不背離本發明的新穎性概念的精神和範圍可實現其中的變型和修正，但從結合如下附圖的如下優選實施例的描述中，本發明的這些和其它方案將變得顯而易見。

現將參考附圖(其中示出了本發明的示例實施例)在下文中更全面地描述本發明。然而，可以由多種不同形式來實施本發明，並且本發明不應被解釋為限於本文所提出的實施例。更確切地說，提供這些實施例，從而本披露內容將為深入的和完整的，並且將向本領域普通技術人員全面地傳達本發明的範圍。類似的附圖標記通篇指代類似的元件。

本文所使用的術語僅是為了描述特定實施例，而非傾向於作為本發明的限制。如在本文所使用的，除非文中清楚地另有表示，單數形式“一個”、“一”以及“該”也傾向於包含複數形式。還應理解到，當在本文使用術語“包括”和/或“包括有”、“包含”和/或“包含有”、或“具備”和/或“具有”時，這些術語指定了所陳述的特徵、區域、整數(integer)、步驟、操作、元件和/或組件的存在，而並未排除一個或多個其它特徵、區域、整數、步驟、操作、元件、組件和/或其組合的存在或附加。

除了另有界定之外，本文所使用的所有術語(包含技術和科技術語)具有如同本發明所屬的本領域普通技術人員通常理解的相同意義。還應理解到，除了本文所明確限定的之外，術語(如在通用字典中所限定的術語)應被解釋為具有與在相關技術和本披露內容中的意思相一致的意思，而不被解釋為理想化的或過於形式化的意義。

如本文所使用的，“大概”、“約”或“大約”應一般意味著在給定值或範圍的20%內，優選在給定值或範圍的10%內，更優選在給定值或範圍的5%內。此處所給出的數量為大概的，意味著如果沒有明確說明，則可推斷出術語“大概”、“約”或“大約”的含義。

如本文所使用的，術語“多個”表示大於一的數量。

將結合圖1-圖7中的附圖對本發明的實施例作出說明。根據本發明的目的，如本文體現和廣義描述的，在一個方案中，本發明涉及一種電池充電系統。

參見圖1，根據本發明的一個實施例示出了電池充電系統100的方框圖。電池充電系統100包括電磁干擾(EMI)濾波器和整流器110、功率因數校正(PFC)電路120、DC電源轉換器130以及降壓斬波(Buck)電源轉換器140。EMI濾波器和整流器110具有一輸入端和一輸出端。EMI濾波器和整流器110的輸入端適於耦接到AC輸入電壓源。EMI濾波器和整流器110包括濾除和抑制可能存在的電磁干擾、並將AC輸入電壓轉換成其輸出端處的第一DC電壓的電路。PFC電路120具有一輸入端和一輸出端。PFC電路120的輸入端耦接至EMI濾波器和整流器110的輸出端。PFC電路120包括校正電池充電系統的功率因數以降低對AC輸入電壓的污染、並在其輸出端處輸出第二DC電壓的電路。DC電源轉換器130具有一輸入端和一輸出端。該DC電源轉換器130的輸入端經由第一DC匯流排耦接至PFC電路120的輸出端。DC電源轉換器130包括將其輸入端處的第二DC電壓轉換成其輸出端處的第三DC電壓的電路。DC電源轉換器130還提供了其輸入端和其輸出端之間的高頻隔離。在一個實施例中，DC電源轉換器130為脈衝寬度調變(PWM)轉換器。在一個實施例中，DC電源轉換器130為諧振轉換器。Buck電源轉換器140具有輸入端和輸出端。Buck電源轉換器140的輸入端經由第二DC匯流排耦接至DC電源轉換器130的輸出端。Buck電源轉換器140包括將其輸入端處的第三DC電壓轉換成輸出端處的第四DC電壓的電路。Buck電源轉換器140的輸出端適於耦接到高壓電池，以對電池充電。Buck電源轉換器140還包括根據高壓電池的情況來調節第四DC電壓的控制電路。電池充電系統100還包括分別耦接至PFC電路120的輸出端和DC電源轉換器130的輸出端的第一儲能電容器150和第二儲能電容器160。

在一個實施例中，Buck電源轉換器140的輸入端經由第一DC匯流排耦接至PFC電路120的輸出端。並且DC電源轉換器130的輸入端經由第二DC匯流排耦接至Buck電源轉換器140的輸出端。在本實施例中，DC電源轉換器130還在其輸入端和其輸出端之間設置有高頻隔離。

圖2示出根據本發明另一個實施例的電池充電系統的方框圖。電池充電系統100的輸入端電壓為範圍為約90V到約265V的AC電壓。EMI濾波器和整流器110包括全橋或半橋整流器。PFC電路120包括升壓斬波(Boost)PFC電路，並輸出一約400V的第二DC電壓到第一DC匯流排。DC電源轉換器130包括串聯諧振回路(如LLC諧振回路)，並且DC電源轉換器130輸出一約470V的第三DC電壓到第二DC匯流排。Buck電源轉換器140將第三DC電壓轉換成範圍為約240V到約450V的第四DC電壓，從而將約3.3kW的功率提供給高壓電池。

圖3示出根據本發明一個實施例的Boost PFC電路的電路圖。Boost PFC電路120包括兩個彼此線路交錯(interleave)連接的Boost電路。每個Boost電路包括電感器L1/L2、晶體管S1/S2以及二極管D1/D2。Boost PFC電路120提高了電池充電系統的功率因數，並輸出約400V的第二DC電壓。線路交錯連接的Boost PFC電路還能夠降低輸出電壓的波紋(ripple)。

在一個實施例中，PFC電路120可為校正電池充電系統的功率因數的單個Boost電路。並且在一個實施例中，PFC電路120可為校正電池充電系統的功率因數的多於兩個的彼此線路交錯連接的Boost電路。

圖4示出根據本發明一個實施例的DC電源轉換器的電路圖。DC電源轉換器130包括全橋電路，該全橋電路包括經由第一儲能電容器150耦接至第二DC電壓的四個晶體管S5-S8。在另一實施例中，DC電源轉換器130可包括半橋電路。DC電源轉換器130還包括變壓器T，其包括至少一初級繞組和至少一次級繞組。該至少一初級繞組經由串聯諧振回路耦接至全橋電路。串聯諧振回路包括彼此串聯連接的電容器C1和電感器L5。在一個實施例中，串聯諧振回路還包括初級繞組漏電感器，以形成LLC諧振電路。變壓器T的至少一個次級繞組經由包括四個二極管D5-D8的全橋整流器耦接至輸出端。在一個實施例中，變壓器T的至少一個初級繞組包括彼此串聯連接的兩個或多個初級繞組，以及變壓器T的至少一個次級繞組包括彼此串聯連接的兩個或多個次級繞組。在一個實施例中，DC電源轉換器130為不可調節式轉換器(unregulated converter)。在一個實施例中，DC電源轉換器130為半調節式轉換器。並且在另一個實施例中，DC電源轉換器130為可調節式轉換器。

圖5示出根據本發明另一個實施例的DC電源轉換器的電路圖。除了DC電源轉換器130’還包括控制器132之外，DC電源轉換器130’類似於圖4中示出的DC電源轉換器130。控制器132包括比較器134。比較器134的第一輸入端耦接至電壓感測器，該電壓傳感器對變壓器T的至少一個初級繞組處的電壓進行取樣。比較器134的第二輸入端耦接至參考電壓。比較器134將取樣電壓與參考電壓進行比較，並根據比較結果輸出控制信號以控制全橋電路中的四個晶體管S5-S8。控制信號可包括用於單獨控制四個晶體管S5-S8的每一個晶體管的四個獨立信號。根據本實施例的DC電源轉換器130’為半調節式的。

圖6示出根據本發明再一個實施例的DC電源轉換器的電路圖。除了DC電源轉換器130"還包括控制器136之外，DC電源轉換器130"類似於圖4中示出的DC電源轉換器130。控制器136包括比較器138。比較器138的第一輸入端耦接至第一電壓感測器，該第一電壓感測器對DC電源轉換器130"的輸入端電壓進行取樣。比較器138的第二輸入端耦接至第二電壓感測器，該第二電壓感測器對DC電源轉換器130"的輸出端電壓進行取樣。比較器138對DC電源轉換器130"的所取樣的輸入端電壓與DC電源轉換器130"的所取樣的輸出端電壓進行比較，並根據比較結果輸出控制信號以控制全橋電路中的四個晶體管S5-S8。控制信號可包括用於單獨控制四個晶體管S5-S8的每一個晶體管的四個獨立信號。根據本實施例的DC電源轉換器130”能夠提供高穩定性的輸出電壓。

圖7示出根據本發明一個實施例的Buck電源轉換器的電路圖。Buck電源轉換器140包括兩個彼此線路交錯連接的Buck轉換器。每個Buck轉換器均包括晶體管S3/S4、電感器L3/L4以及二極管D3/D4。Buck電源轉換器140還包括控制器142。控制器142具有耦接至電壓感測器的第一輸入端，該電壓感測器用於對電池充電系統100的輸出端電壓進行取樣。控制器142被配置為根據所取樣的輸出端電壓輸出第一控制信號以調節晶體管S3和S4，從而將電池充電系統100的輸出端電壓維持在預定值。第一控制信號可包括用於單獨控制晶體管S3和S4的每個晶體管的兩個信號。控制器142還具有耦接至溫度感測器的第二輸入端，該溫度感測器用於對電池充電系統的環境溫度進行取樣。控制器142根據取樣溫度來輸出第二控制信號，以保護電池充電系統100。

在一個實施例中，Buck電源轉換器140可包括單個Buck電路，以將第三DC電壓轉換成適於對充電系統的電池進行充電的第四輸出端電壓。並且在一個實施例中，Buck電源轉換器140可包括多於兩個的彼此線路交錯連接的Buck轉換器，以將第三DC電壓轉換成適於對充電系統的電池進行充電的第四輸出端電壓。

簡言之，描述了用於對電動車輛電池進行充電的三級電池充電系統。該電池充電系統提供了高效的功率因數校正、電池與電源的隔離以及一個具有高調節性的輸出端電壓。該電池充電系統還提供了在被充電的電池過熱時的保護。

本發明的示例實施例的上述描述僅是為了示出和說明的目的而呈現的，而非傾向於詳盡的或將本發明限制為所披露的精確形式。按照上述教導，多個改型和變化是可能的。

選擇並描述這些實施例是為了說明本發明的原理和其實踐性應用，從而激發本領域普通技術人員利用本發明和各種實施例，並利用適於期望的特殊使用的各種變型。對本發明所屬的本領域普通技術人員而言，替代實施例將變得顯而易見，而並未背離其精神和範圍。因此，通過所附權利要求而不是上述說明書和其中所描述的示例實施例來限定本發明的範圍。

100．．．電池充電系統

110．．．EMI濾波器和整流器

120．．．PFC電路

130、130’、130"．．．DC電源轉換器

132、136、142．．．控制器

134、138．．．比較器

140．．．Buck電源轉換器

150．．．第一儲能電容器

160．．．第二儲能電容器

L1、L2、L3、L4、L5．．．電感器

S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8．．．晶體管

D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8．．．二極管

T．．．變壓器

C0、C1．．．電容器

圖1示出根據本發明一個實施例的電池充電系統的方框圖；

圖2示出根據本發明另一個實施例的電池充電系統的方框圖；

圖3示出根據本發明一個實施例的、圖2中所示的電池充電系統中所使用的功率因數校正(PFC)電路的電路圖；

圖4示出根據本發明一個實施例的、圖2中所示的電池充電系統中所使用的諧振DC電源轉換器的電路圖；

圖5示出根據本發明另一個實施例的、圖2中所示的電池充電系統中所使用的半調節式諧振DC電源轉換器的電路圖；

圖6示出根據本發明再一個實施例的、圖2中所示的電池充電系統中所使用的調節式諧振DC電源轉換器的電路圖；

圖7示出根據本發明一個實施例的、圖2中所示的電池充電系統中所使用的包括控制器的Buck電源轉換器的電路圖。

100．．．電池充電系統

110．．．EMI濾波器和整流器

120．．．PFC電路

130．．．DC電源轉換器

140．．．Buck電源轉換器

150．．．第一儲能電容器

160．．．第二儲能電容器

Claims (25)

1. 一種電池充電系統，包括：一第一整流器，其適於將其一輸入端處的一交流電壓轉換成其一輸出端處的一第一直流電壓；一功率因數校正電路，即一PFC電路，其具有一輸入端和一輸出端，該PFC電路的該輸入端耦接至該第一整流器的該輸出端，其中該PFC電路適於校正該電池充電系統的功率因數並在其該輸出端處輸出一第二直流電壓；一第一電源轉換器，其具有一輸入端和一輸出端，該第一電源轉換器的該輸入端耦接至該PFC電路的該輸出端，其中該第一電源轉換器適於將該第二直流電壓轉換成其該輸出端處的一第三直流電壓；一第二電源轉換器，其具有一輸入端和一輸出端，該第二電源轉換器的該輸入端耦接至該第一電源轉換器的該輸出端，其中該第二電源轉換器適於將該第三直流電壓轉換成其該輸出端處的將被傳送給電池的一第四直流電壓；以及一第一控制器，其適於感測該第二電源轉換器的該輸出端處的該第四直流電壓，以將該第二電源轉換器調節為使該第四直流電壓保持在一預定值。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電池充電系統，其中該第一控制器還適於感測該電池充電系統的環境溫度，以保護該電池充電系統。
3. 如申請專利範圍第1項所述的電池充電系統，其中該第二電源轉換器為降壓斬波轉換器。
4. 如申請專利範圍第3項所述的電池充電系統，其中該降壓斬波轉換器包括兩個彼此線路交錯連接的降壓斬波轉換器。
5. 如申請專利範圍第1項所述的電池充電系統，其中將該第一電源轉換器將其該輸出端與其該輸入端相隔離。
6. 如申請專利範圍第5項所述的電池充電系統，其中該第一電源轉換器包括具有至少一初級繞組和至少一次級繞組的變壓器。
7. 如申請專利範圍第6項所述的電池充電系統，其中該變壓器的至少一初級繞組包括兩個或複數個彼此串聯連接的該初級繞組，以及該變壓器的該至少一次級繞組包括兩個或複數個彼此串聯連接的該次級繞組。
8. 如申請專利範圍第6項所述的電池充電系統，其中該第一電源轉換器還包括一橋式電路，該橋式電路耦接至該第一電源轉換器的該輸入端。
9. 如申請專利範圍第8項所述的電池充電系統，其中該橋式電路為全橋電路。
10. 如申請專利範圍第8項所述的電池充電系統，其中該第一電源轉換器還包括一諧振回路，該諧振回路耦接至該橋式電路和該變壓器的該至少一初級繞組。
11. 如申請專利範圍第10項所述的電池充電系統，其中該諧振回路包括彼此串聯連接的一電感器和一電容器。
12. 如申請專利範圍第6項所述的電池充電系統，其中該第一電源轉換器還包括一第二整流器，該第二整流器耦接至該變壓器的該至少一次級繞組和該第一電源轉換器的該輸出端。
13. 如申請專利範圍第6項所述的電池充電系統，其中該第一電源轉換器還包括一第二控制器，該第二控制器適於感測該變壓器的該至少一初級繞組處的電壓，以調節該第一電源轉換器的該輸出。
14. 如申請專利範圍第6項所述的電池充電系統，其中該所述第一電源轉換器還包括一第二控制器，該第二控制器適於感測該第一電源轉換器的輸入端電壓和輸出端電壓，以調節該第一電源轉換器的輸出。
15. 如申請專利範圍第1項所述的電池充電系統，其中該PFC電路包括兩個彼此線路交錯連接的一升壓斬波轉換器。
16. 如申請專利範圍第1項所述的電池充電系統，還包括一第一儲能電容器，該第一儲能電容器耦接至該PFC電路的該輸出端。
17. 如申請專利範圍第15項所述的電池充電系統，還包括一第二儲能電容器，該第二儲能電容器耦接至該第一電源轉換器的該輸出端。
18. 如申請專利範圍第1項所述的電池充電系統，其中該第一整流器包括用於濾除並抑制電磁干擾的電路。
19. 一種電池充電系統，包括：一第一整流器，其適於將其該輸入端處的交流電壓轉換成其該輸出端處的一第一直流電壓；一功率因數校正電路，即一PFC電路，其具有一輸入端和一輸出端，該PFC電路的該輸入端耦接至該第一整流器的該輸出端，其中該PFC電路適於校正該電池充電系統的功率因數並在其該輸出端處輸出一第二直流電壓；一第一電源轉換器，其具有一輸入端和一輸出端，該第一電源轉換器的該輸入端耦接至該PFC電路的該輸出端，其中該第一電源轉換器適於將該第二直流電壓轉換成其該輸出端處的一第三直流電壓，並包括：(i)耦接至該第一電源轉換器的該輸入端的一橋式電路，(ii)具有至少一初級繞組和至少一次級繞組的一變壓器，(iii)耦接至該橋式電路和該變壓器的該至少一初級繞組的一諧振回路，(iv)耦接至該變壓器的該至少一次級繞組和該變換器的一輸出端的一第二整流器；一第二電源轉換器，其具有一輸入端和一輸出端，該第二電源轉換器的該輸入端耦接至該第一電源轉換器的該輸出端，其中該第二電源轉換器適於將該第三直流電壓轉換成其該輸出端處的將被傳送給電池的一第四直流電壓；以及一第一控制器，其適於感測該第二電源轉換器的該輸出端處的該第四直流電壓，以將該第二電源轉換器調節為使該第四直流電壓保持在一預定值。
20. 如申請專利範圍第19項所述的電池充電系統，其中該第一控制器還適於感測該電池充電系統的環境溫度，以保護該電池充電系統。
21. 如申請專利範圍第19項所述的電池充電系統，其中該第二電源轉換器為一降壓斬波轉換器。
22. 如申請專利範圍第21項所述的電池充電系統，其中該降壓斬波轉換器包括兩個彼此線路交錯連接的一降壓斬波轉換器。
23. 如申請專利範圍第19項所述的電池充電系統，其中該第一電源轉換器還包括一第二控制器，該第二控制器適於感測該變壓器的該至少一初級繞組處的電壓，以調節該第一電源轉換器的輸出。
24. 如申請專利範圍第19項所述的電池充電系統，其中該第一電源轉換器還包括一第二控制器，該第二控制器適於感測該第一電源轉換器的該輸入端電壓和該輸出端電壓，以調節該第一電源轉換器的輸出。
25. 如申請專利範圍第19項所述的電池充電系統，其中該第一整流器包括用於濾除並抑制電磁干擾的電路。