具有电池充电设备和车载电源供电级的系统的制作方法

具有电池充电设备和车载电源供电级的系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种系统（100），具有：带输出接线端子的电池充电设备（20）和车载电源供电级（10）。在此车载电源供电级（10）具有：升压/降压转换器（12），其被设计为将车载电源供电级的输入电压升压到中间电路电压；直流电压中间电路（13），其在中间电路节点（14a，14b）处与升压/降压转换器（12）耦合；以及车载电源直流电压转换器（11），其在中间电路节点处与直流电压中间电路耦合并且被设计为将所述中间电路电压转换成用于车载电源（1，2）的直流电压，其中电池充电设备（20）的输出接线端子经由中间电路节点（14a，14b）与直流电压中间电路（13）耦合。
【专利说明】具有电池充电设备和车载电源供电级的系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种尤其是用于电运行车辆的车载电源的电压源的系统，该系统具有电池充电设备和车载电源供电级，该车载电源供电级具有共同使用的升压/降压转换器。
【背景技术】
[0002]用于电运行车辆的车载电源的直流电源转换器常常由隔离电势的直流电压转换器和前置匹配级构成，因此直流电压转换器可以被最优地利用。尤其是在电流去耦合的直流电压转换器的情况下，对于直流电压转换器的最优运行来说有利的是，利用输入电压与输出电压之间的恒定电压比来工作，使得该电路仅须针对相对小的工作电压范围来设计，这使得能够成本高效地设计用于电流去耦合的部件、例如变压器。
[0003]例如用于电运行车辆的储能器的电池充电设备常常由整流器和功率矫正级以及隔离电势的直流电压转换器构成。电池充电设备的直流电压转换器尤其是在大的输入和/或输出电压范围的情况下可能常常不是在整个电压匹配范围上来设计，从而这样的直流电压转换器要么以该设计昂贵地工作，要么不能最优地工作。
[0004]文献US 2006/0103359 Al例如公开了一种直流电压转换器，其具有对于用充电设备对低电压电池充电经改善的设计，所述充电设备是针对高电压电池的充电设计的。

【发明内容】

[0005]根据一个实施方式，本发明提供了 一种具有电池充电设备和车载电源供电级的系统，该电池充电设备具有输出接线端子。在此，该车载电源供电级具有:升压/降压转换器，其被设计为将车载电源供电级的输入电压升压到中间电路电压；直流电压中间电路，其在中间电路节点处与升压/降压转换器耦合；以及车载电源直流电压转换器，其在中间电路节点处与直流电压中间电路耦合并且被设计为将中间电路电压转换成用于车载电源的直流电压，其中电池充电设备的输出接线端子经由中间电路节点与直流电压中间电路耦合。
[0006]根据另一实施方式，本发明提供一种电运行车辆，其具有:根据本发明的系统；牵引电池，其被设计为将输入电压馈入到该系统的车载电源供电级中；具有车载电源电池的车载电源，其被设计为接受该系统的车载电源供电级的直流电压；以及充电接线端子，其与电池充电设备连接并且设计为被施加供电电压以用于给车载电源电池和牵弓I电池充电。
[0007]根据另一实施方式，本发明提供一种用于给电运行车辆的牵引电池和车载电源电池充电的方法，具有如下步骤:对供电电压进行整流并利用电池充电设备将其升压到中间电路电压；将所述电压馈入到中间电路中；利用直流电压转换器将来自中间电路的中间电路电压转换成第一供电电压以用于通过电池充电设备给车载电源电池充电；以及同时利用升压/降压转换器将来自中间电路的中间电路电压降压到第二供电电压以用于通过电池充电设备给牵引电池充电。
[0008]本发明的优点
本发明的构思在于，将车载电源供电级的匹配级用于为车载电源供电的直流电压转换器以及用于电池充电设备。通过这种方式，可以按照类似的功率或类似的输入或输出电压配置来设计车载电源供电级的直流电压转换器和电池充电设备。在将升压/降压转换器用作匹配级的情况下，车载供电级的直流电压中间电路可以与车载电源供电级的直流电压转换器以及与电池充电设备的输出接线端子连接。
[0009]这一方面提供的优点是，在电池充电设备中可以放弃充电设备的输出端处的单独的降压转换器。另一方面，电池充电设备可以按照车载供电级的中间电路电压来设计，所述中间电路电压具有几乎恒定的电压配置(Spannungslage)并且因此使得能够最优地设计电池充电设备的电压转换部件。
[0010]此外，电池充电设备可以有利地以提高的输出功率运行，因为车载电源可以经由车载电源供电级的直流电压转换器，而且高压电源、例如牵引电池可以经由升压/降压转换器同时由电池充电设备来供应电流。由此，由电池充电设备馈入到直流电压中间电路中的功率被划分，使得直流电压转换器以及升压/降压转换器仅须分别按照由电池充电设备所提供的全部功率的一小部分来设计。
[0011]此外，改善了在给车载电源的储能器充电时车载电源供电级的效率，因为电池充电设备的传输功率不必经由升压/降压转换器来传导，而是可以直接输出给车载电源。
[0012]另一优点在于,在相应的功率设计时,不隔离电势的电池充电设备可以仅由功率校正级构成，因为车载电源供电级的升压/降压转换器已经作为电池充电设备的降压转换器存在于该系统中。
[0013]车载电源直流电压转换器有利地可以是电流去耦合的。分开的电流去耦合的直流电压转换器在其功率设计方面由于所使用的用于电流去耦合的部件而受到限制。因此，该系统利用共同使用的升压/降压转换器而提供的优点是，既提供用于车载电源直流电压转换器的匹配级又提供电池充电设备。
[0014]在一个优选的实施方式中，电池充电设备可以具有功率因子校正级，该功率因子校正级被设计为将电池充电设备的供电电压转换成充电电压并且将充电电压提供给输出接线端子。通过功率因子校正级，可以将充电电压在其电压配置方面与中间电路电压匹配。
[0015]此外，电池充电设备有利地可以具有电源滤波器，该电源滤波器与功率因子校正级连接并且被设计为从干扰信号中滤波可施加到电源滤波器的输入接线端子处的供电电压并且将其作为经滤波的供电电压提供给功率因子校正级。这在从用于车载电源的储能器的电源设备、例如充电站给车载电源供应电流时可以是特别有利的，以便有效地抑制电源设备的干扰信号。
[0016]附加地，电池充电设备此外可以具有电流去耦合的直流电压转换器，其耦合在功率因子校正级与输出接线端子之间并且被设计为转换充电电压的电压配置。通过电流去耦合，可以进一步改善该系统的电磁兼容性以及安全性。
[0017]在一个有利的实施方式中，升压/降压转换器可以被设计为对由电池充电设备所提供的充电电压进行降压。通过这种方式，电池充电设备可以同样地给牵引电池以及车载电源的储能器充电。通过划分充电能，可以提高电池充电设备的总功率，而不必提高升压/降压转换器或车载电源直流电压转换器的功率接收能力。
[0018]本发明的实施方式的另外的特征和优点从参考附图的下面的描述中得出。【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1示出了根据本发明的一个实施方式的具有电池充电设备和车载电源供电级的系统的不意图，
图2示出了根据本发明的另一实施方式的升压/降压转换器的示意图，
图3示出了根据本发明的另一实施方式的功率因子校正级的示意图，
图4示出了根据本发明的另一实施方式的电源滤波器的示意图，
图5示出了根据本发明的另一实施方式的用于运行具有电池充电设备和车载电源供电级的系统的方法的示意图，以及
图6示出了根据本发明的另一实施方式的具有带电池充电设备和车载电源供电级的系统的电运行车辆的示意图。
【具体实施方式】
[0020]图1示出了具有电池充电设备20和车载电源供电级10的系统100的示意图，该车载电源供电级10例如可以给12V车载电源供电。车载电源供电级10可以具有车载电源直流电压转换器11、直流电压中间电路13以及升压/降压转换器12。在车载电源供电级10的输入接线端子12a、12b处可以施加输入电压1、例如来自高压电源(例如电运行车辆、如混合动力车辆或电动车辆的牵引电池)的中间电路的输入电压。输入电压Uhv例如可以为50V至500V之间并且可以通过升压/降压转换器12被升压。在此，升压/降压转换器12可以为了保证充分的调节而将输入电压Uhv例如升压25V。
[0021]在图2中，以示意图示出了升压/降压转换器12的示例性构型。图2中的升压/降压转换器12具有两个输入接线端子12a和12b，在所述接线端子处可以施加输入电压Um。输入接线端子12a经由储能器节流器12g与两个并联电路12e和12f之间的节点连接，所述并联电路12e和12f分别由开关元件——例如半导体开关、如MOSFET开关、IGBT开关或BJT开关——和空转二极管构成。通过并联电路12f的开关元件和并联电路12e的空转二极管12e，可以借助于储能器节流器12g来保证升压/降压转换器12的升压功能，使得在升压/降压转换器12的输出接线端子12c和12d处施加与输入电压Uhv相比被升压的输出电压。
[0022]经升压的输入电压Um通过升压/降压转换器12作为中间电路电压被馈入到车载电源供电级10的直流电压中间电路13中。在此，中间电路电压与由于变化的条件而波动的输入电压Uhv相比可以是恒定的或几乎恒定的。因此，可以保证恒定的电压配置作为直流电压转换器11的输入电压，该直流电压转换器11由此可以被设计在相对小的工作范围中。车载电源供电级10的直流电压转换器11将来自直流电压中间电路13的中间电路电压转换成车载电源供电电压、也即用于车载电源的直流电压，该直流电压可以在车载电源供电级10的输出接线端子la、lb处提供给车载电源。利用输出接线端子la、lb处的直流电压，例如可以给车载电源的储能器I或电负载2供电。在此，车载电源供电电压例如可以是12V或 14V。
[0023]车载电源供电级10的直流电压转换器11优选地可以是电流去耦合的、也即隔离电势的直流电压转换器11。这可以有助于保证在次级侧连接的车载电源中的针对高电压的安全性以及电磁兼容性。尤其是在电运行车辆的情况下可以出于安全原因而规定:使用电流去耦合的直流电压转换器11，从而对于车辆用户一其可以自由接近具有非危险运行电压的12V车载电源或类似车载电源以及尤其是车载电源的储能器I—不存在由于来自牵引电池的电源的高电压造成的危险。
[0024]电池充电设备20可以具有充电接线端子24a、24b，在所述接线端子处可以施加供电电压队。供电电压队例如可以由充电站、电源接线端子、或类似电源设备来提供。在此，供电电压队可以是交变电压并且例如具有100V至260V的电压配置。
[0025]充电接线端子24a、24b可以是电池充电设备20的电源滤波器24的输入接线端子。在图4中以示意图示出了电源滤波器24的示例性实施方式。在此，图4的电源滤波器24可以具有节流器24e和滤波器级24f、24g。在此，节流器24e可以具有电流补偿的节流器24e，其例如可以被设计为对充电接线端子24a、24b处的供电电压Ul的共模干扰信号进行滤波。在此，滤波器级可以具有连接在充电接线端子24a、26b之间的抗干扰电容器。在图4中示例性地示出了:滤波器级24f，其具有所谓的X电容器以用于抑制相导线和中性导线上的共模干扰信号；以及滤波器级24g，其具有所谓的Y电容器以用于抑制相导线/中性导线与保护导线之间的共模干扰信号。在此，在电源滤波器24的输出接线端子24c、24d处可以提供经滤波的供电电压队。在此，各个滤波器级24f、24g和节流器24e的数目和设计可以不同于图4中所示的数目和设计，并且与相应的应用、电压和功率范围匹配。
[0026]电源滤波器24的输出接线端子24c、24d可以与功率因子校正级23的输入接线端子23a、23b连接。在图3中，以示意图示出了功率因子校正级23的示例性的构型可能。功率因子校正级23包括:整流器级23e，其可以包括二极管的全桥电路；以及升压转换器23f，其例如可以具有储能器节流器23g、空转二极管23h以及开关元件23i，例如半导体开关，如MOSFET开关、IGBT开关或BJT开关。在此，功率因子校正级23例如可以用于对由电源设备向电池充电设备20输出的功率进行无功功率补偿。在功率因子校正级23的输出接线端子23c、23d处可以提供用于充电设备内部的中间电路22的充电电压、尤其是直流电压。
[0027]此外，电池充电设备20可以具有直流电压转换器21、尤其是电流去耦合的直流电压转换器21，其将中间电路22中的充电电压转换成所述电压配置并且可以向电池充电设备20的输出接线端子20a、2b输出。
[0028]电池充电设备20经由输出接线端子20a、20b与车载电源供电级10的中间电路节点14a、14b连接。通过这种方式，可以在给车载电源的储能器I充电时使用电池充电设备20的如下输出电压配置:该输出电压配置与车载电源供电级10的直流电压中间电路13的中间电路电压匹配。同时，当电池充电设备20被用于给高压电源的牵引电池充电时，车载电源供电级10的升压/降压转换器12可以用作电池充电设备20的输出侧或次级侧的降压转换器。
[0029]图5示出了用于尤其是在使用结合图1至4所阐述的系统100的情况下给牵引电池和车载电源电池充电的方法30的示意图。在第一步骤31中，对供电电压队进行整流并利用电池充电设备20将供电电压队升压到中间电路电压。在此，例如可以使用如图1所示的电池充电设备20。在此，电池充电设备20的部件可以按照中间电路电压的电压配置来设计。
[0030]在第二步骤32中，将中间电路电压馈入到中间电路、尤其是车载电源供电级10的直流电压中间电路13中。在此有利的是，按照与电池充电设备20的所馈入的中间电路相对应的中间电路电压来设计车载电源供电级10的部件、尤其是车载电源供电级10的升压/降压转换器12。
[0031]在第三步骤33和第四步骤34中，在充电模式下同时利用直流电压转换器11将来自直流电压中间电路13的中间电路电压转换成第一供电电压以用于通过电池充电设备20给车载电源电池I充电并且利用升压/降压转换器12将来自中间电路13的中间电路电压降压成第二供电电压以用于通过电池充电设备20给牵引电池充电。在此，升压/降压转换器12被用作电池充电设备20的次级侧的降压转换器。
[0032]该处理方式所提供的优点是，可以同时以较高的充电功率、例如3.3kff从电池充电设备20给牵引电池和车载电源电池I充电，因为功率的一部分、例如高达500W经由直流电压转换器11流入到车载电源中。在此，电池充电设备20的输出电压的电压配置已经与车载电源供电级10的直流电压中间电路13的中间电路电压匹配，使得不再必须降压来与直流电压转换器11匹配。
[0033]同时，充电功率的其余部分经由作为降压转换器的升压/降压转换器12被输出到高压电源中以用于给牵引电池充电。由于已经有充电功率的一部分流入到车载电源中，因此升压/降压转换器12不必针对电池充电设备20的例如3.3kff的完全充电功率来设计，而是可以按照例如2.6至3kW的较低功率来设计。
[0034]在系统100中，原则上还可能的是，将用于车载电源供电的直流电压转换器11集成到电池充电设备20中。在这种情况下可以规定:通过电池充电设备20的升压/降压转换器12来替代升压/降压转换器12。
[0035]图6示出了将系统100用在电运行车辆40、例如混合动力车辆或电动汽车中的示例性实施方式。车辆40包括牵引电池41，其经由中间电路44与车载电源供电级10连接。车载电源供电级10被设计为提供用于车辆40的车载电源42的供电电压，并且在此尤其是可以对应于图1中的车载电源供电级10。如同样在图1中所示的，车载电源供电级10与电池充电设备20耦合。电池充电设备20例如可以是集成到车辆40中的电池充电设备20，并且经由充电接线端子24a、24b与电源设备43、例如公共电力网、充电站或类似的设备连接。可替代地同样可能的是，将电池充电设备20作为外部设备连接到车辆40上。在这种情况下，车载电源供电级10具有接线端子，经由该接线端子可以将外部电池充电设备20与车载电源供电级10的中间电路节点14a、14b连接。
[0036]在此，牵引电池41被设计为将输入电压馈入到车载电源供电级10中，所述车载电源供电级利用车载电源电池I提供用于车载电源43的供电电压、尤其是直流电压。经由与电池充电设备20连接的充电接线端子24a、24b，可以连接供电电压以用于给车载电源电池I和牵引电池41充电。
【权利要求】
1.一种系统(100)，具有: 电池充电设备(20 )，其具有输出接线端子(20a, 20b );和 车载电源供电级(10)，其具有: 升压/降压转换器(12)，其被设计为将车载电源供电级(10)的输入电压(Uhv)升压到中间电路电压， 直流电压中间电路(13)，其在中间电路节点(14a，14b)处与升压/降压转换器(12)耦合，和 车载电源直流电压转换器(11)，其在中间电路节点(14a，14b)处与直流电压中间电路(13)耦合，并且被设计为将所述中间电路电压转换成用于车载电源的直流电压， 其中电池充电设备(20)的输出接线端子(20a，20b )经由中间电路节点(14a，14b)与直流电压中间电路(13)耦合。
2.根据权利要求1所述的系统(100)，其中车载电源直流电压转换器(11)是电流去耦合的。
3.根据权利要求1和2之一所述的系统(100)，其中电池充电设备(20)具有: 功率因子校正级(23 ) ，其被设计为将电池充电设备(20 )的供电电压(队)转换成充电电压并且在输出接线端子(20a, 20b )处提供所述充电电压。
4.根据权利要求3所述的系统(100)，其中电池充电设备(20)还具有: 电源滤波器(24)，其与功率因子校正级(23)连接并且被设计为从干扰信号中滤波可施加到电源滤波器(24)的输入接线端子(24a，24b)处的供电电压(?)并且将其作为经滤波的供电电压提供给功率因子校正级(23 )。
5.根据权利要求3和4之一所述的系统(100)，其中电池充电设备(20)还具有: 电流去耦合的直流电压转换器(21)，其耦合在功率因子校正级(23)与输出接线端子(20a, 20b )之间并且被设计为转换所述充电电压的电压配置。
6.根据权利要求3至5之一所述的系统(100)，其中升压/降压转换器(12)被设计为对由电池充电设备(20 )所提供的充电电压进行降压。
7.—种电运行车辆或插电式混合动力车辆(40)，具有: 根据权利要求1至6之一所述的系统(100)； 牵引电池(41)，其被设计为将输入电压(Uhv)馈入到系统(100)的车载电源供电级(10)中； 具有车载电源电池(I)的车载电源(43)，所述车载电源(43)被设计为接收系统(100)的车载电源供电级(10)的直流电压；以及 充电接线端子(24a，24b)，其与电池充电设备(20)连接并且被设计为被施加供电电压(Ul)以用于给车载电源电池(I)和牵引电池(41)充电。
8.一种用于给电运行车辆或插电式混合动力车辆(40)的牵引电池(41)和车载电源电池(I)充电的方法，具有如下步骤: 对供电电压(?)进行整流并且利用电池充电设备(20)将其升压(31)到中间电路电压； 将所述中间电压馈入(32 )到中间电路(13 )中； 利用直流电压转换器(11)将来自中间电路(13 )的中间电路电压转换(33 )成第一供电电压以用于通过电池充电设备(20 )给车载电源电池(I)充电；以及 同时利用升压/降压转换器(12)将来自中间电路(13)的中间电路电压降低到第二供电电压以用于通过电池充电设备(20)给牵引电池(41)充电。
【文档编号】H02J7/00GK103650288SQ201280035508
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年5月21日 优先权日:2011年7月18日
【发明者】E.魏森博恩, J.法斯纳赫特 申请人:罗伯特·博世有限公司