電動車輛的電池充電器的制造方法
【專利說明】電動車輛的電池充電器
[0001]
本發(fā)明涉及電動車輛的電池充電器。
[0002]
已知的電動車輛的電池充電器配置為適應(yīng)于內(nèi)置在車上的車載充電器或配置為安裝在電站中的固定快速充電器。車載充電器可以在用戶的家中插到單相230V-16A干線電力插座使得可整夜用大約3.5kff幅度的充電功率對電池充電?？焖俪潆娖鞯湫偷赜?相400V-40A干線源供電并且可具有幾十kW的充電功率以便在10至30min的時間內(nèi)將電池充電至它的全容量的80-100%。它們例如根據(jù)電動車輛的CHAdeMo標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范(http://chadem0.com/)需要車用連接。
[0003]兩個類型的電池充電器都需要使用高質(zhì)量電子部件，其可以承受高電壓和高電流并且因此相對昂貴。
[0004]
本發(fā)明的目標(biāo)是提供可以以低成本制造的可靠電池充電器。
[0005]為了實現(xiàn)該目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明的電池充電器包含至少三個相同的電流受控AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊具有并聯(lián)連接到電池的充電端子的反向電流受保護輸出。
[0006]因為轉(zhuǎn)換器模塊是電流受控的，而所有模塊的輸出電壓由電池電壓確定并且從而相等，將輸出連接在一起使得進入電池的充電電流將是由個體模塊提供的電流的總和，這是可能的。從而，模塊可對于較低峰值電流而設(shè)計，使得可使用較不昂貴部件。因為每個充電器包含多個模塊，模塊的大規(guī)模生產(chǎn)導(dǎo)致進一步的成本降低。每個模塊的輸出受到例如二極管的保護，使得在模塊中的一個失效的情況下可以可靠地避免破壞性反向電流。
[0007]本發(fā)明的更具體的可選特征在附屬的權(quán)利要求中指示。
[0008]優(yōu)選地，具有相同的基本部署的模塊用于車載充電器和快速充電器兩者，快速充電器的更高功率通過組合更大量的模塊而實現(xiàn)。
[0009]在優(yōu)選實施例中，甚至車載充電器具有模塊化構(gòu)造并且包含三個模塊。這三個模塊可并聯(lián)連接到230V單相AC電壓但還可連接到三相電壓源。在后一個情況下，模塊的輸入側(cè)將連接到采用三角形配置的三個相，使得每個模塊將由400V AC電壓驅(qū)動。一方面，這允許用更高的功率操作車載充電器，并且因此當(dāng)三相電力源在家庭中可用時縮短電池充電時間。另一方面，多個這樣的單元(每個單元由三個模塊形成)可組合來形成從3相源供電的固定快速充電器。
[0010]在優(yōu)選實施例中，轉(zhuǎn)換器模塊由諧振轉(zhuǎn)換器形成，可通過改變激勵轉(zhuǎn)換器的諧振電路的開關(guān)的開關(guān)頻率和/或開關(guān)方式而在大的控制范圍內(nèi)控制這些諧振轉(zhuǎn)換器的輸出電流。
[0011]因為諧振轉(zhuǎn)換器的效率在接近諧振頻率(S卩，以最大功率)操作它時最高，通過改變充電器的有效模塊的數(shù)量而大致使輸出電流適應(yīng)需求，并且輸出電流到需求的細(xì)調(diào)通過以減少的功率僅操作模塊中的一個而所有其他有效模塊以全功率操作來實現(xiàn)，這是優(yōu)選的。
[0012]如果模塊中的一個將失效，可以生成信號，其指示剩余模塊的功率對于控制電池充電過程的電池控制器仍可用，使得可用減少的功率來繼續(xù)充電過程。
[0013]
現(xiàn)在將連同圖一起描述本發(fā)明的實施例，其中:
圖1是功率轉(zhuǎn)換器模塊的電路圖；
圖2示出用于解釋在圖1中示出的功率轉(zhuǎn)換器模塊的功能的波形；
圖3示出圖示具有減少的輸出電流的操作模式的波形；
圖4是用于控制在圖1中示出的轉(zhuǎn)換器模塊的開關(guān)的控制器的框圖；
圖5和6示出圖示轉(zhuǎn)換器模塊的不同操作模式的波形；
圖7是包含三個轉(zhuǎn)換器模塊并且配置為車載電池充電器的轉(zhuǎn)換器單元的框圖；
圖8示出在圖7中示出的單元的轉(zhuǎn)換器模塊的電力供應(yīng)電路；
圖9是轉(zhuǎn)換器單元的示意橫截面圖；
圖10是圖示控制圖7至9中示出的單元的轉(zhuǎn)換器模塊的輸出電流的方法的圖；
圖11是包含圖7至9中圖示的類型的多個單元的快速充電器的框圖；
圖12是圖示控制構(gòu)成快速充電器的單元的輸出電流的方法的圖；
圖13是根據(jù)另一個實施例的快速充電器的框圖；并且
圖14是圖示控制單元(其構(gòu)成圖13中示出的快速充電器)的輸出電流的方法的圖。
[0014]
首先，參考圖1至6，根據(jù)本發(fā)明將描述諧振轉(zhuǎn)換器的示例，其可用作電池充電器中的轉(zhuǎn)換器模塊Ml。
[0015]如在圖1中示出的，諧振轉(zhuǎn)換器模塊Ml設(shè)置成將輸入電壓Uin轉(zhuǎn)換成DC輸出電壓 ，其將等于電池電壓。該輸入電壓Uin是由電壓源12供應(yīng)的DC電壓或脈沖DC電壓。
[0016]諧振回路14由電感器Lr和兩個電容器C rjP C r2形成并且經(jīng)由由開關(guān)Q l^P Q 2形成的半橋16而連接到電壓源12。開關(guān)仏和Q2是電子開關(guān)，例如IGBT。這些開關(guān)的柵極連接到電子模塊控制器18 (圖4)，其將稍后描述。緩沖電容器Csl、Cs2并聯(lián)連接到中開關(guān)I和02的每個。
[0017]開關(guān)以大約從25kHz至50kHz幅度的開關(guān)頻率交替地斷開和閉合以便促使諧振回路14 (其例如可具有25kHz的諧振頻率)振蕩。諧振回路14的電容分量由電容器(^和C r2形成，電容器CdP C。正如開關(guān)Q郴Q 2那樣關(guān)于電感器L $稱設(shè)置。電容器C ^連接在電壓源12的正極與電感器匕之間，并且電容器連接在電感器k與電壓源的負(fù)極之間。
[0018]具有相等容量的兩個電容器CjPC3串聯(lián)連接在電壓源12的正極與負(fù)極之間(與諧振回路14并聯(lián))。當(dāng)諧振回路振蕩時，將電感器匕連接到電容器C 2和C 3的點處的電壓隊將圍繞由電容器C 2和C 3之間的中點限定的中心電壓而振蕩。電壓U -驅(qū)動變壓器T的一次側(cè)，該變壓器T的二次側(cè)連接到由二極管全橋D和電容器(:4形成的整流器20。跨電容器<^4的電壓降形成輸出電壓11_。當(dāng)負(fù)載(電池)被連接時，電容器04的放電電路閉合，并且輸出電流可流動來對電池充電。
[0019]當(dāng)開關(guān)Qi導(dǎo)通而開關(guān)Q 2關(guān)斷時，輸入電流I ιη將流過開關(guān)Q:和電感器L r來對電容器(；2充電。只要跨電感器L的電壓降是正的(Uin>l4)，諧振回路14中的電流L將增加，并且電容器CJ#放電。當(dāng)電容器已經(jīng)完全放電時，電感器k將促使電流I 續(xù)，使得將進一步對電容器(；2充電并且將以相反的極性對電容器Ch充電。跨電感器k的電壓降變成負(fù)的并且電流L減小。最終，電流L將改變符號。然后，開關(guān)Qi被切斷并且開關(guān)92接通，使得將經(jīng)由電感器k和開關(guān)Q 2對電容器C η和C 放電。電流將增加直到電容器C 放電，并且然后電流將逐漸降至零，同時電壓隊相對于電壓源12的負(fù)極變成負(fù)的。然后，再次切斷開關(guān)Q2并且接通開關(guān)Q:，使得另一個循環(huán)可開始。這樣，變壓器T中的一次電流保持振蕩。當(dāng)開關(guān)仏和Q2的開關(guān)頻率接近諧振回路14的諧振頻率時，將傳輸最大功率。
[0020]為了防止電壓源12經(jīng)由開關(guān)QdP 02而被短路，這些開關(guān)的導(dǎo)通期必須總是由某一最小停工時間隔開。在這些停工時間期間，本來會流過開關(guān)的電流將轉(zhuǎn)入緩沖電容器Csl、Cs2并且到更小的部件，進入IGBT的裝置電容內(nèi)。
[0021]圖2 (A)圖示開關(guān)％和02的導(dǎo)通和關(guān)斷期序列。在該示例中，導(dǎo)通期由停工時間Td隔開，其大于上文提到的最小停工時間(其中一些原因?qū)⒃谙挛淖兊们宄?。
[0022]圖2 (B)圖示由電壓傳感器22 (圖1)在兩個開關(guān)仏和Q 2之間的結(jié)點處感測的電壓1的波形。從而，電壓U s對應(yīng)于跨開關(guān)Q 2的電壓降而U in_Us代表跨開關(guān)Q i的電壓降。由于在圖1中示出的電路的對稱性，在圖2 (B)中示出的電壓Us的波形是點對稱的。
[0023]圖2 (C)示出諧振回路的電壓14。在諧振中，該電壓相對于電壓Us延遲了 90°。
[0024]圖2 (D)示出諧振回路中的電流1-該電流比電壓14提前了 90°并且從而至少與電壓1]3的(非正弦的)波形近似同相。
[0025]在圖2 (A)- (D)中的時間&處，開關(guān)1導(dǎo)通，而開關(guān)02關(guān)斷。電流由閉合的開關(guān)Qi供應(yīng)，并且電壓曽加。在時間12處，電壓Ujlj達(dá)它的最大值并且因此電流I屬過零。在該時刻，開關(guān)仏被切斷。開關(guān)t的該零電流開關(guān)具有