用于通过逆变器给电池单元充电并且运行负载单元的装置的制作方法

本发明涉及一种用于通过逆变器给电池单元充电并且运行负载单元的装置。

背景技术：

当前，电支持的自行车典型地使用次级电池作为储能器。为了给这种电池充电使用充电设备。所述充电设备由交流-直流转换器(ac/dc)和直流-直流转换器(dc/dc)构成。要么在从自行车取出之后将电池直接与充电设备连接，要么在自行车上充电时在电池支架内通过另一接口给电池充电。

在公共空间中给自行车的电池充电时，带来以下问题：必须用插接连接件控制高的交变电压。因此，值得追求的是：设立一种装置，该装置能够实现由直流电源给自行车的电池直接充电。在此，不仅出于成本原因而且出于重量原因，都应该放弃附加的转换器。

技术实现要素：

根据本发明的用于通过逆变器给电池单元充电并且运行负载单元的装置包括具有多个连接端的负载单元、逆变器、选择单元和控制单元，其中，所述负载单元在连接端中的至少两个之间具有至少一个电感式元件，所述逆变器包括多个开关元件并且所述逆变器的输出端与负载单元的连接端耦合。所述控制单元设置用于：在运行阶段中，如此操控选择单元，使得电池单元的第一极与逆变器的第一输入端耦合，以便给逆变器馈给电池电压，并且如此接通逆变器的开关元件，使得给负载单元馈给需要的交变电压。所述控制单元还设置用于：在充电阶段中——在所述充电阶段中，外部馈电单元的电压分接头与逆变器的第一输入端耦合，以便给逆变器馈给外部直流电压或外部直流电流，如此操控选择单元，使得电池单元的第一极与负载单元的电感式元件中的一个耦合，并且如此接通逆变器的开关元件，使得由外部馈电单元通过耦合到电池单元上的电感式元件给电池单元馈给需要的充电电流或需要的充电电压。

根据本发明的用于通过逆变器给电池单元充电并且运行负载单元的方法包括确定：处于运行阶段还是充电阶段。在处于运行阶段的情况下，使电池单元的第一极与逆变器的第一输入端耦合，以便给所述逆变器馈给电池电压。在处于运行阶段的情况下还实现以如下方式接通逆变器的开关元件，使得给负载单元馈给需要的交变电压。在处于充电阶段的情况下实现：使电池单元的第一极与负载单元的电感式元件耦合，并且使外部馈电单元的电压分接头与逆变器的第一输入端耦合，以便给逆变器馈给外部直流电压或外部直流电流。在处于充电阶段的情况下还实现：以如下方式接通逆变器的开关元件，使得由外部馈电单元通过电感式元件中的一个给电池单元馈给需要的充电电流或需要的充电电压。

根据本发明的装置和根据本发明的方法证明为有利的，因为通过该装置和该方法，借助提供的直流电压或提供的直流电流实现给电池单元的电池充电。在此，同样使用该装置的用于运行负载单元必要的部件用于为电池单元的电池提供需要的充电电流或需要的充电电压。因此，仅仅需要最小数量的附加部件，由此不仅能够实现成本优点而且能够实现重量优点。

尤其在电动自行车中使用根据本发明的装置或根据本发明的方法。由此，实现通过直流电源给自行车的电池的充电。这主要在公共空间中具有以下优点：不必须用插接连接件控制(beherrscht)高的交变电压。

从属权利要求示出本发明的优选扩展方案。

有利的是：负载单元包括马达，其中，电感式元件尤其是马达的线圈。通过马达的这种线圈给出足够高的电感，所述足够高的电感实现需要的充电电流或需要的充电电压的干净的(sauber)调节。

还有利的是：所述装置包括用于测量电压和/或电流——用所述电压和/或电流给电池充电——的传感器，并且在充电阶段中如此接通开关元件，使得基于通过传感器测量的值进行电压和/或电流的调节。因此，能够实现当前充电电压或当前充电电流的精确检测，由此又能够实现需要的充电电压或需要的充电电流的准确调节。

同样有利的是：在充电阶段中，使电池单元与电感式元件中的多个耦合，并且由外部馈电单元通过多个耦合到电池单元上的电感式元件给电池单元馈给需要的充电电流。在此，电感式元件尤其如此选择并且连接，使得流过电感式元件的电流在充电阶段中引起负载单元的反向的活动。以这种方式，例如可以避免在充电阶段期间马达的意外的转动。

所述逆变器尤其包括至少一个电容式元件，所述至少一个电容式元件形成输入侧的缓冲器。通过这种电容式元件在运行阶段中禁止电压峰值并且在充电阶段中——尤其通过脉冲宽度调制——实现干净的电压调节。

所述装置优选包括电池单元，其中，所述电池单元包括对于电池过量充电的保护电路。因此，尤其在充电阶段中防止电池单元的损害。

所述逆变器在充电阶段的第一时间段中，使外部馈电单元通过开关元件的第一开关元件并且通过电感式元件与电池单元的第一极耦合，并且在充电阶段的第二时间段中，使电池单元的第二极通过开关元件的第二开关元件并且通过负载单元的电感式元件与电池单元的第一极耦合。因此，设立空转阶段，在所述空转阶段中，能够实现电感式元件的放电。

第二开关元件尤其还包括二极管、尤其反向二极管也或也包括寄生二极管，其中，电池单元的第二极与电池单元的第一极通过负载单元的电感式元件的耦合在第二时间段中通过二极管实现。因此，在第二时间段中不需要第二开关元件的接通。这简化了开关元件的控制。

有利的是：在所述电感式元件前面连接有电阻。因此，可以防止开关元件处的高电流或电压。另外有利的是：开关元件是功率晶体管——尤其igbt(bipolartransistormitisoliertergate-elektrode：绝缘栅双极型晶体管)或mosfet(metall-oxid-halbleiter-feldeffekttransistor：金属-氧化物半导体场效应晶体管)。这能够实现高电流的快速接通并且因此实现充电电流或充电电压的精确控制。

同样有利的是：负载单元具有三角电路或星形电路。在此，星形电路通过所有与逆变器的第一输入端耦合的开关元件能够实现充电电流或充电电压的调节。通过三角形电路，保证负载单元中尽可能简单的接线。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明的实施例。对于相同的部件和参数，分别使用相同的参考标记。在附图中是：

图1示例性的根据本发明的用于通过逆变器给电池单元充电并且运行负载单元的装置的电路图；

图2示例性的根据本发明的装置的电路图，其中，示出运行阶段中通过逆变器和负载单元的电流；

图3示例性的根据本发明的装置的电路图，其中，示出充电阶段的第一时间段中通过逆变器和负载单元的电流；

图4示例性的根据本发明的装置的电路图，其中，示出充电阶段的第二时间段中通过逆变器和负载单元的电流。

具体实施方式

图1示出一种示例性的根据本发明的用于通过逆变器30给电池单元10充电并且运行负载单元20的装置。在此，使用电驱动装置的操控电子装置——尤其逆变器30的b6桥，以便使可选择的电流或电压控制的充电方法供电池单元10的电池12使用。在此，将现有的驱动电子装置扩展仅仅两个接通，以便实现充电功能。

在第一实施方式中，所述装置在电支持的自行车中布置。在此，负载装置20包括马达，所述马达布置用于推进自行车。电池单元10包括电池12，所述电池在所述第一实施方式中是锂离子电池并且是电支持自行车的储能器。所述自行车还包括选择单元40和控制单元60。此外，图1示出外部馈电单元50，该外部馈电单元不是自行车的一部分。

负载单元20包括第一电感式元件22a、第二电感式元件22b和第三电感式元件22c。在此，第一至第三电感式元件22a至22c中的每个分别形成电动机的线圈。负载单元还具有第一电阻23a、第二电阻23b和第三电阻23c。尽管在第一图的电路图中示出为那样的，图1中示出的电路的第一至第三电阻23a至23c在本发明的所述第一实施方式中不是独立的构件，而仅仅表示马达的线圈的电阻。然而，在另一实施方式中，第一至第三电阻23a至23c实施也作为实际的构件。负载单元20还具有第一连接端21a、第二连接端21b和第三连接端21c。负载单元还具有反馈连接端24。第一连接端21a通过第二电阻23b、第二电感式元件22b、第三电阻23c和第三电感式元件22c的串联电路与反馈连接端24连接。第二连接端21b通过第一电感式元件22a和第一电阻23a的串联电路与反馈连接端24连接。第三连接端21c与反馈连接端24直接连接。因此，负载单元20具有多个连接端21a至21c，其中，负载单元20在第一连接端21a与第三连接端21c之间具有第一电感式元件22a，并且在第一连接端21a与第三连接端21c之间具有第二电感式元件22b以及第三电感式元件22c。负载单元20还在第一连接端21a与第二连接端21b之间具有第一至第三电感式元件22a至22c。

电池单元10包括电池12、第一电池接通13a、第二电池接通13b、肖特基二极管13c以及传感器14。传感器14是适合用于测量电压和电流的传感器。为了测量电流，传感器14为此可以包括测量电阻。不仅第一电池接通13a而且第二电池接通13b通过mosfet实施。电池单元10具有第一极11a和第二极11b。在此，第一极11a和第二极11b是电池单元10的如下点：在所述点处分接电压。第一极11a通过第一电池接通13a、第二电池接通12b和传感器14的串联电路与电池12的正极连接。电池单元10的第二极11b与电池12的负极连接。第一极11a还与肖特基二极管13c的阴极连接。肖特基二极管13c的阳极与第二极11b连接。通过第一电池接通13a和第二电池接通13b能够实现：使电池12与第一极11a分离。因此，如果面临电池12的过量充电或深度放电(tiefentladung)的危险，可以禁止流过电池12的电流。如果超电压在电池单元10的极处加载，通过肖特基二极管13c，制造第一极11a与第二极11b之间的直接导电连接。因此，第一电池接通13a、第二电池接通13b和肖特基二极管13c一起形成对于电池12的过量充电并因此对于电池单元10的保护电路。

逆变器包括电容器38、第一开关元件31、第二开关元件32、第三开关元件33、第四开关元件34、第五开关元件35和第六开关元件36。第一至第六开关元件31至36中的每个是mosfet。逆变器30的第一输入端37a与第一至第三开关元件31至33的各一个第一侧连接。第二开关元件32的第二侧与负载单元20的第一连接端21a连接。第一开关元件31的第二侧与负载单元20的第二连接端21b连接。第三开关元件33的第二侧与负载单元20的第三连接端21c连接。第二开关元件32的第二侧还与第四开关元件34的第一侧连接。第一开关元件31的第二侧还与第五开关元件35的第一侧连接。第三开关元件33的第二侧还与第六开关元件36的第一侧连接。第四至第六开关元件34至36的各一个第二侧分别与逆变器30的第二输入端37b连接。此外，逆变器30的第一输入端37a通过电容器38与逆变器的第二输入端37b连接。

选择单元40包括第一选择接通41和第二选择接通42。第一选择接通是三极接通。第一选择接通41以其极中的分别一个与电池单元10的第一极、负载单元20的反馈连接端24和逆变器30的第一输入端连接。可以如此接通第一选择接通41，使得要么电池单元10的第一极11a与逆变器30的第一输入端37a连接，要么电池单元10的第一极11a与负载单元10的反馈连接端24连接。第二选择接通42在第一侧可分离地与外部馈电单元50的电压分接头51连接并且以第二侧与逆变器30的第一输入端37a连接。因此，第二选择接通42能够实现电压分接头51与第一输入端37a之间的可接通的连接。如果自行车的使用者打算借助外部馈电单元50给电池12充电，可以通过充电线缆制造第二选择接通42与外部馈电单元50之间的连接。在此，第二选择接通此外保证运行阶段期间充电线缆的无电压。

第一和第二选择接通41、42在该实施方式中实施为继电器。在其他实施方式中，但也将所述选择接通实施为晶体管——尤其mosfet或其他功率半导体——的电路布置。

电池单元10的第二极11b与逆变器30的第二输入端37b连接。

外部馈电单元50具有直流电压源52，所述直流电压源分接60伏的直流电压。在此，该直流电压比电池12的额定电压高，所述额定电压在所述实施方式中选择为36伏。电压源52的负极与外部馈电单元50的电路接地端53连接，并且电压源52的正极与外部馈电单元50的外部电压分接头51连接。替代外部馈电单元50，同样可以使具有直流电流源的替代的外部馈电单元连接到根据本发明的装置上。

电池12的负极同样形成电路接地端。因此，在使外部馈电单元与根据本发明的电路连接时，有利的是：制造外部馈电单元50的电路接地端与电池单元10的电路接地端之间的接触。

控制单元60不仅与逆变器30连接而且与选择单元40连接。该连接如此设计，使得通过控制单元60不仅能够接通第一选择接通、第二选择接通，而且能够接通第一至第四开关元件。控制单元60还与电池单元10连接，使得可以将由传感器14测量的电压或由传感器14测量的电流传输给控制单元60。为了接通第一至第六开关元件31至36，各一个脉冲宽度调制信号由控制单元60传送给相应的开关元件31至36。

如果根据本发明的装置与外部馈电单元50连接，那么该装置处于充电阶段中。在所述充电阶段中，借助外部馈电单元50给电池单元10的电池12充电。如果根据本发明的装置与外部馈电单元50分离，那么该装置处于运行阶段中。在所述运行阶段中，控制单元60能够实现以如下方式操控逆变器30，使得通过电池单元10馈电的负载单元20的马达引起自行车的推进。在运行阶段中，第二选择接通42断开，并且第一选择接通41制造电池单元10的第一极11a与逆变器30的第一输入端37a之间的导电连接。

参考图2，图2示出运行阶段中示例性的电流。通过控制单元60如此接通逆变器30的开关元件31至36，使得使负载单元20的连接端21a至21c中的各一个提高到电池12的正电压电势并且同时使两个另外的连接端拉到电路接地端15的电压电势。在此，图2示出以下状态：在所述状态中，使负载单元20的第二连接端21b提高到电池12的正电势并且使第一连接端21a以及第三连接端21c拉到电路接地端15的电压电势。因此，通过第一至第六开关元件31至36的相应的交替的接通产生旋转场，通过该旋转场给马达的电感式元件22a至22c交替地加载电压。这导致马达的转动运动。可以基于任意的参数通过控制单元60操控马达的转动运动。

第一电池接通13a以及第二电池接通13b在运行阶段中闭合，以便能够实现从电池12至负载单元20的电流。图3和4示出在根据本发明的装置中在充电阶段中的电流。在此，图3示出充电阶段的第一时间段并且图4示出充电阶段的第二时间段。充电阶段在所述实施方式中的特征在于：使第一时间段和第二时间段以交替的方式运行。

在充电阶段中，选择单元40的第二选择接通42关闭，这优选当使根据本发明的装置连接到外部馈电单元50上时发生。此外，选择单元40的第一选择接通41如此接通，使得电池单元10的第一极11a与负载单元20的反馈连接端24连接。

在充电阶段中，可以通过逆变器30的开关元件31至36的相应的接通调节充电电压或充电电流，以所述充电电压或充电电流给电池单元10的电池12充电。在所述第一实施方式中，首先用不变的充电电流给电池12充电，并且只要达到预给定的充电状态，就以不变的充电电压充电。

与调节充电电流还是充电电压无关地，充电阶段由第一时间段和第二时间段构成，所述第一时间段和第二时间段在充电阶段过程中交替地出现。

第一时间段中的电流在图3中示出。在第一时间段中，第一开关元件31连通、即导电。其余的开关元件32至36不连通、即不导电。因此，电流从外部馈电单元50流过第一开关元件31、第一电感式元件22a、第一电阻23a、第二电池接通13b、第一电池接通13a和传感器14至电池12。电流回路通过外部馈电单元的电路接地端53和电池单元10的电路接地端闭合。因为第一电感式元件22a位于所述电流路径中，所以电流在连通第一开关元件31之后慢慢增大。如果断开开关元件31，则抑制所述增大。

在第二时间段中，第一开关元件31不导通并且第五开关元件35导通。其余的开关元件32、33、34、36不连通、即不导电。所述状态在图4中示出。现在，电流从电池12的负极流过第五开关元件35、第一电感式元件22a、第一电阻23a、第二电池接通13b、第一电池接通13a和传感器14至电池12的阳极。现在，电流处于无载运转(freilauf)并且相对于充电电流在第一时间段中假定的值下降。

接下来，连通第一开关元件31并且断开第五开关元件35。重新进入第一时间段的状态。通过第一时间段与第二时间段的状态之间的交替式的接通，即在这种通过第一开关元件31与第五开关元件35之间的交替式接通的情况下，可以根据第一或第二时间段的长度调节充电电流。

与充电电流一样，也可以通过开关元件31至36的相应的接通调节充电电压。电压调节相应于电流调节实现。在第一时间段中连通第一开关元件31时，在接通第一开关元件31之后，在第一电感式元件22a处立即出现高电压降。所述在第一电感式元件22a上的电压降在第一时间段的过程中变小，由此在电池12上的电压增大。在第二时间段中，充电电压在不导电的第一开关元件31和导电的第五开关元件35处可以再次下降。因此，相应于前面描述的电流调节，同样可以实现电压调节。

优选通过2点调节器(具有滞后)或——如在所述第一实施方式中那样——通过脉冲宽度调制实现电流或电压的调节。

在本发明的其他实施方式中，在第一时间段中不仅仅接通第一开关元件31，而是连通任意数量的与逆变器30的第一输入端37a连接的开关元件31至36。也在第二时间段中不仅仅接通第五开关元件31，而是连通任意数量的与逆变器30的第二输入端37b连接的开关元件31至36。在第二时间段中，优选分别连通逆变器30的开关元件，所述开关元件的第一侧与在第一时间段中连通的开关元件的第二侧连接。

在本发明的其他实施方式中，负载单元20包括星形电路，其中，在反馈连接端24与负载单元20的连接端中的每个之间分别有电感式元件。

在本发明的替代的实施方式中，在充电阶段的第二时间段中，不使开关元件31至36中的任一个接通至导电状态。在此，开关元件31至36实施为mosfet并且电流在第二时间段中流过开关元件31至36——所述开关元件在逆变器30中布置在第二极的侧上(低侧)——中的至少一个的反向二极管35a。在此，替代反向二极管35a，二极管同样可以布置为附加的构件，这也能够与没有反向二极管的开关元件(例如作为igbt)结合实现自身原理。

因此，根据本发明，通过逆变器的部件在与负载单元的部件的组合中设立降压转换器，所述降压转换器借助直流电压或直流电流实现电池单元10的电池12的充电。