用于给至少一个电动汽车的电池充电的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种用于向至少一个电动汽车的电池充电的系统，包括：第一变流器，适于提供第一直流电压；至少一个变压器；至少一个第二变流器，每个第二变流器被耦接到至少一个变压器中相应的一个的输出端，以提供第二直流电压；以及第一控制器；其中：第一变流器的输出端被设置成与第二变流器中相应的一个的输出端连接，从而为多个电动汽车电池分别提供作为充电电压的第一直流电压和第二直流电压的组合；并且第一控制器适于考虑到第一变流器所提供充电电压的电动汽车电池的充电电流的测量值来控制第二变流器，由此响应于电动汽车电池而调节第二直流电压。通过具有该电动汽车电池充电系统，能够同时充电的电动汽车电池的总数与第二变流器的数量相关。
【专利说明】
用于给至少一个电动汽车的电池充电的系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及用于给电动汽车的电池充电的系统的领域，尤其涉及用于给至少一个电动汽车的电池充电的系统。
【背景技术】
[0002]随着电动汽车(EV)的发展，为电动汽车设计了电动汽车充电器并且在全球范围内修建了中央充电站。PCT申请W02012/119300 Al公开了一种电动汽车充电器单元。根据W02012/119300 Al的图1，为了进行交流-直流(AC-DC)转换，电动汽车充电器单元中采用了标准IGBT桥，之后直流-直流变流器将被用来匹配电池的期望电压电平。
[0003]图1是示出常规电动汽车充电器单元(CHAdeMo，电动汽车的快速充电器的技术规范，2012年I月31日)的框图。如图1所示，电动汽车充电器单元I包括串联连接的交流/直流变流器10和直流/直流变流器11。
[0004]电动汽车充电站可包括至少一个电动汽车充电器单元，从而它能够给至少一个电动汽车的电池充电。取决于母线的类型，电动汽车充电站可被定义成两种类型:基于交流母线的站和基于直流母线的站。图2和3分别示出了常规的基于交流母线的电动汽车充电站和常规的基于直流母线的电动汽车充电站。如图2所示，基于交流母线的电动汽车充电站2包括耦接至交流母线21的至少一个电动汽车充电器单元20。鉴于交流-直流变流器随电动汽车充电器单元20分布在基于交流母线的电动汽车充电站2中，每个电动汽车充电器单元20中使用的交流-直流变流器200被称为分布式交流/直流变流器。关于W02012/119300 Al的图2和图3的描述也教导了基于交流母线的电动汽车充电站。如图3所示，基于直流母线的电动汽车充电站3包括共享同一交流/直流变流器300的至少一个电动汽车充电器单元30，但是每个电动汽车充电器单元30均包括单独的直流/直流变流器301。直流/直流变流器301的输入端通过直流母线31耦接至交流/直流变流器300的输出端。与图2比较，基于直流母线的电动汽车充电站中，交流/直流变流器300被用来替换分布式交流/直流变流器200并且因此被称为中央交流/直流变流器。
[0005]在基于交流和基于直流的电动汽车充电站方案中，被用作电动汽车充电器的全部变流器是全功率变流器。以50kWX10的充电站为例，变流器系统的总容量为1000kW，总容量实际上加倍了(交流/直流级50kW X 10，直流/直流级50kW X 10)。全功率变流器带来了高成本、尚损耗和大的占用空间/重量。
【实用新型内容】
[0006]因此，本实用新型的目的是提供一种用于给至少一个电动汽车的电池充电的系统，包括:第一变流器，适于提供第一直流电压;至少一个变压器;至少一个第二变流器，每个第二变流器被耦接到至少一个变压器中相应的一个的输出端，以提供第二直流电压；以及第一控制器;其中:第一变流器的输出端被设置成与第二变流器中相应的一个的输出端连接，从而为多个电动汽车电池分别提供作为充电电压的第一直流电压和第二直流电压的组合;并且第一控制器适于考虑到第一变流器所提供充电电压的电动汽车电池的充电电流的测量值来控制第二变流器，由此响应于电动汽车电池而调节第二直流电压。
[0007]通过具有所述的电动汽车电池充电系统，能被同时充电的电动汽车电池的总数量与第二变流器的数量相关。
【附图说明】
[0008]参照附图中示出的优选的示例性实施例，下文中将更详细地讲解本实用新型的主题。其中:
[0009]图1是示出CHAdeMo的常规的电动汽车充电器单元的框图；
[0010]图2和图3分别示出了常规的基于交流母线的电动汽车充电站和常规的基于直流母线的电动汽车充电站；
[0011]图4示出了根据本实用新型的用于给至少一个电动汽车的电池充电的系统的实施例；
[0012]图5示出了根据本实用新型的实施例的第一变流器和第二变流器的组合；
[0013]图6示出了根据本实用新型的用于给至少一个电动车辆的电池充电的系统的又一实施例。
[0014]在附图标记列表中以总结的形式列出了图中使用的附图标记及其含义。原则上，图中的相同的部件具有相同的附图标记。
【具体实施方式】
[0015]图4示出了根据本实用新型的用于给至少一个电动汽车的电池充电的系统的实施例。如图4所示，用于给至少一个电动汽车的电池充电的系统4包括第一变流器40、十个第二变流器410-419、十个变压器420-429和第一控制器43。本领域的技术人员应理解第二变流器的数量和变压器的数量可以等于或大于一个，这取决于根据需要同时充电的电动汽车电池的数量的实际设计。为了第一变流器40和第二变流器420-429的输入端之间的电气隔离(或电隔离)而提供变压器420-429，并且因此第一变流器40和第二变流器420-429的输入电压相对于彼此浮动。
[0016]第一变流器40可通过对来自外部交流电源的交流电压进行整流来向电动汽车的电池提供作为充电电压的一部分的第一直流电压U1。第一变流器40的交流侧可通过主变压器耦接到外部配电网，以便接收提供自外部交流电源的电力，并且第一变流器40的直流侧具有第一和第二输出端子40a、40b，第一和第二输出端子40a、40b分别与直流母线44的第一和第二极44a、44b耦接并且向直流母线44提供第一直流电压U1。
[0017]第二变流器410-419中的每一个可通过对来自外部交流电源的交流电压进行整流来向耦接到第二变流器410-419中的每一个的电动汽车的电池提供作为充电电压的另一部分的第二直流电压U2。第二变流器410-419的交流侧可通过主变压器耦接至外部配电网，以便接收提供自外部交流电源的电力，并且第二变流器410-419中的每一个的直流侧具有第一和第二输出端子410a、410b-419a、419b，并且通过它们的输出端子410a、410b-419a、419b提供第二直流电压U2。
[0018]第一变流器40的输出端与第二变流器410-419中的每一个的输出端串联连接，从而向电动汽车的电池提供第一直流电压Ul和第二直流电压U2的组合，并且充电功率通过并联的两条通道从外部交流电源、第一变流器和第二变流器被提供给电动汽车电池。特别地，将第一变流器40和其中一个第二变流器410的组合看作示例，第二变流器41的第二输出端子410b耦接到直流母线44的第一极44a。当对电动汽车电池充电时，由第二变流器410提供的第二直流电压U2被加在由第一变流器40提供的第一直流电压Ul上，从而在第一变流器410的第一输出端子410a和直流母线44的第二极44b之间提供电动汽车电池充电电压Ul +U2。这个原理可应用到第一变流器40与任何的其它第二变流器411-419的组合。从箭头所示的能流的角度看，第一变流器40和其中一个第二变流器410—起工作以便为一个电动汽车电池BO提供充电功率，第一变流器40与另一个第二变流器411 一起工作以便为另一电动汽车电池BI提供充电电压，其它第二变流器412-419和其它电动汽车电池B2-B9也是如此。第一控制器40可以通过考虑到电动汽车电池(向该电动汽车电池提供充电电压)的充电电流的测量值来设定驱动信号从而控制第二变流器410、411、-_、419，由此响应于电动汽车电池而调节第二直流电压U2。特别地，第一控制器43可考虑到电动汽车电池BO的充电电流的测量值来控制第二变流器410，由此响应于电动汽车电池BO的电压而调节其第二直流电压U2，第一控制器43可考虑到电动汽车电池BI的充电电流的测量值来控制第二变流器411，由此响应于电动汽车电池BI的电压而调节其第二直流电压U2，其它第二变流器412-419和其它电动汽车电池B2-B9也是如此。电流测量设备可用来测量充电电流，电流测量设备可布置在第二变流器410-419中的每一个的输出端。
[0019]通过具有根据图4的电动汽车电池充电系统，能够同时充电的电动汽车电池的总数与第二变流器41的数量相关。例如，从图4所示，第二变流器41的数量是十，并且电动汽车电池的总数量是十。本领域的技术人员应该理解第二变流器41的数量可以等于或大于一，电动汽车电池的数量也是如此。假设电动汽车电池需要的充电容量为50kW并且能够同时充电的电动汽车电池数量为十，则系统的总充电容量为50kW X 1 = 500kW。如上所述，电力经由第一变流器40和并联的第二变流器410、…、419被提供到电动汽车电池，系统的总容量可在第一变流器和第二变流器410-419中分配。例如，第一变流器40的容量可等于450kW，而第二变流器410-419中的每一个的容量可等于5kW。与充电容量为50kWX10 = 500kW的常规的电动汽车电池充电站比较，根据本实用新型的实施例的变流器的总容量降低至500kW，低于常规的变流器的I OOOkW的总容量。总的来说，本实用新型的电动汽车电池充电系统有助于在维持充电容量的同时减小变流器容量。因此，减小了涉及电能转换的电动汽车电池充电系统的成本。
[0020]图5示出了根据本实用新型的实施例的第一变流器和第二变流器的组合。如图5所示，第一变流器40可是全桥的，并且它的每个桥臂401、402、403均具有两个串联连接的可控开关S1、S2、S3、S4、S5、S6;可控开关被用于控制桥臂与由第二控制器(未示出)设定的某个模式(例如，触发角控制、调制指数控制等)的通信，以通过对来自外部交流电源的交流电压进行整流来提供稳定输出的第一直流电压U1。基于IGBT的两电平电压源型变流器(VSC)被用作第一变流器40。
[0021]第二变流器410也可是全桥的，并且它的每个桥臂4100、4101、4102均具有两个串联连接的可控开关T1、T2、T3、T4、T5、T6;可控开关被用来控制桥臂与由第一控制器43设定的某个模式(例如，触发角控制、调制指数控制等)之间的换相以提供稳定输出的正或负第二直流电压U2 ο例如，基于6脉冲晶闸管的电网换相变流器(LCC)可被用作第二变流器410-419。基于晶闸管的变流器被用作第二变流器，不仅是因为大的电流能力，而且因为阻止来自电动汽车电池的反向电流(晶闸管的单向电流特性)以及较大的直流电压调节能力。晶闸管变流器可产生正或负的直流电压(取决于操作模式:作为整流器或作为逆变器)，这意味着电动汽车中的电池电压可高于或低于第一直流电压VI。作为替代，相似的功能也可被基于IGBT的变流器(例如，2象限H桥VSC变流器，但是需要更多(具有高电流低电压的)半导体)实现。然而，对于降压型直流/直流变流器方案(高电压高电流)，所需要的是电动汽车中的电池电压总是低于输入直流电压，否则由于反向并列二极管，电动汽车充电器将失去直流充电电流的控制能力并且被电动汽车反向地充电。降压型直流/直流变流器方案的这个缺点可导致较大的直流/直流比(进而导致中央变流器和较大的降压型直流/直流变流器的较高尺寸)或具有更多半导体的修改的拓扑结构，以阻止反向充电。要解决这个问题，转而根据本实用新型的实施例，电动汽车电池充电系统具有在第二变流器410的输出端和电动汽车电池之间的二极管，从而阻止电池的回充电。
[0022]假设直流母线44需要稳定的450V直流电压而电动汽车电池需要500V直流电压来产生用于快速充电的100A直流电流。为了满足充电需求，第一变流器40将采用整流器模式工作并且将交流电压转换成450V直流电压。第二变流器410将采用整流器模式工作并且将交流电压转换成50V直流电压。通过使用5kW交流/直流变流器实现50kW充电容量。凭借用第一控制器43改变第二变流器410的驱动信号，第二变流器410的直流电压输出(第二直流电压V2)可顺应充电容量需求。例如，电动汽车电池的电压将在充电期间增加。然后，可减小第二变流器410的驱动信号角以增加第二直流电压U2，从而维持充电电流。当电动汽车电池的电压低于直流母线44的电压时，第二变流器410可采用逆变器模式操作(触发角大于90度)，以满足电动汽车需求。当给至少一个电动汽车充电时，第一变流器40的基准电压是电动汽车电池的电压的函数，例如根据电动汽车电池的电压的平均值。并且，用于控制第二变流器410-419的第一控制器43可相应地调节它们的输出(第二直流电压U2)来满足所需的充电需求(充电电流)。这带来了以下优点:由于它的两级电压控制而引起的更广的输入/输出电压比，更高的冗余以及对电动汽车电池充电系统的多种电动汽车电池电压电平的灵活适应性；以及由于它在它的输出阶段使用可控制的变流器而不是二极管整流器而引起的减小的输出谐波。
[0023]此外，分布式第一和第二变流器(基于IGBT的VSC或基于晶闸管的LCC)能够在直流母线44上存在直流短路故障时阻止直流故障电流，由此保护电动汽车电池。
[0024]优选地，为了降低变压器的成本，一个可行的方案是使用高频率的转换变压器420-429并且形成用于全部变压器的内部高频率公用交流母线，以减少变压器的占用空间/重量/成本。这也有助于减小由晶闸管变流器产生的谐波并限制电动汽车电池充电系统内部的谐波。关于电能质量问题，基于IGBT的第一变流器也可提供电能滤波器和/或交流电网的STATC0M功能，这有助于满足电网干扰标准。
[0025]图6示出了根据本实用新型的用于给至少一个电动汽车的电池充电的系统的另一实施例。与根据图4的实施例比较，用于给至少一个电动汽车的电池充电的系统6还包括逆变器60。逆变器60的输入端耦接到直流母线44的第一极和第二极44a、44b，以便接收第一直流电压Ul处的输入功率并且将第一直流电压Ul转换成交流电压，并且逆变器60的输出端耦接到变压器420-429中的每一个的输入端以便向变压器420-429中的每一个提供交流电压，变压器420-429中的每一个进而向第二变流器410-419中相应的一个提供被转换的交流电压。逆变器60的容量等于全部第二变流器410-419的总容量。第一变流器40的输出端与第二变流器410-419中的每一个的输出端串联连接，从而向电动汽车的电池提供第一直流电压Ul和第二直流电压U2的组合，因此充电功率通过第一变流器40的一个通道被提供给电动汽车电池，充电功率的一部分在逆变器60上集中并在第二变流器410-419之间分配。假设电动汽车电池所需的充电容量为50kW，并且能够同时充电的电动汽车电池的数量为十，则系统的总充电容量为50kWX10 = 500kW。第一变流器40的容量可等于500kW，并且逆变器60的容量等于50kW，并且第二变流器410-419中的每一个的容量可等于5kW。与具有50kW X 10 =500kW的充电容量的常规电动汽车电池充电站比较，根据本实用新型的实施例的变流器的总容量降低至600kW，低于常规的变流器的100kW的总容量。本实用新型的电动汽车电池充电系统有助于在维持充电容量的同时减小变流器容量。因此，减小了涉及电能转换的电动汽车电池充电系统的成本。
[0026]优选地，为了降低变压器的成本，一个可行的解决方案是使用高频率的转换变压器420-429和高频率的逆变器60，并且形成用于全部变压器的内部高频率公用交流母线，以减小变压器的占用空间/重量/成本。
[0027]作为本实用新型的实施例的替代方式，可使用电池系统或太阳能光伏发电系统或者光伏加(plus)电池的系统来替换第一变流器40。通过这个替换，有助于减小充电设施对电网的依赖，减小充电操作对电网的负面影响，并且减小从交流电网吸收的功率。因此，电动汽车充电设施可在偏远地区(例如，具有弱电网(或甚至没有电网)的路边)实施。
[0028]虽然已经基于一些优选的实施例描述了本实用新型，但是本领域技术人员应该理解这些实施例决不限制本实用新型的范围。在不背离本实用新型的精神和构思的情况下，实施例的任何变体和修改都在具有本领域普通知识和技术的人员的理解内，并且因此落入由所附权利要求所限定的本实用新型的范围内。
【主权项】
1.一种用于给至少一个电动汽车的电池充电的系统，包括: 第一变流器，适于提供第一直流电压； 至少一个变压器； 至少一个第二变流器，每个第二变流器被耦接到所述至少一个变压器中相应的一个的输出端，以提供第二直流电压； 第一控制器；以及 逆变器，所述逆变器的输入端耦接至所述第一变流器的输出端，并且所述逆变器的输出端耦接至所述变压器的输入端； 其中: 所述第一变流器的输出端被设置成与第二变流器中相应的一个的输出端串联连接，从而为多个电动汽车电池分别提供作为充电电压的所述第一直流电压和所述第二直流电压的组合； 所述第一控制器适于考虑到所述第二变流器所提供充电电压的电动汽车电池的充电电流的测量值来控制所述第二变流器，由此响应于电动汽车电池而调节所述第二直流电压； 所述第一变流器的输入端能够被耦接至外部交流电压源； 所述第一变流器向所述逆变器提供通过对交流电压进行整流而得到的所述第一直流电压；以及 所述第二变流器通过对来自所述变压器的交流电压进行整流来提供所述第二直流电压。2.根据权利要求1所述的向至少一个电动汽车的电池充电的系统，其特征在于: 所述第二变流器是全桥的，所述第二变流器的每个桥臂具有两个串联连接的可控开关;并且 用于所述第二变流器的第一控制器适于设定所述可控开关的到所述第二变流器的驱动信号，以实现正或负的第二直流电压。3.根据权利要求1或2所述的向至少一个电动汽车的电池充电的系统，其特征在于: 所述第二变流器是基于晶闸管的。4.根据权利要求1或2所述的向至少一个电动汽车的电池充电的系统，其特征在于: 所述第二变流器是基于IGBT的。5.根据权利要求4所述的向至少一个电动汽车的电池充电的系统，其特征在于: 所述第二变流器还包括: 二极管，所述二极管设置在所述第二变流器的输出端与相应的一个电动汽车的电池之间，以便阻止电池的回充电。6.根据权利要求1或2所述的向至少一个电动汽车的电池充电的系统，其特征在于: 所述第一变流器的输入端与每个所述第二变流器的输入端适于耦接至外部交流电压源； 其中: 所述第一变流器适于通过对来自所述外部交流电压源的交流电压进行整流来提供所述第一直流电压;并且 所述第二变流器适于通过对来自所述外部交流电压源的交流电压进行整流来提供所述第二直流电压。7.根据权利要求1所述的向至少一个电动汽车的电池充电的系统，其特征在于: 所述变压器和所述逆变器都能够在高频率下操作。8.根据权利要求1或2所述的向至少一个电动汽车的电池充电的系统，还包括: 第二控制器； 其中: 所述第一变流器是全桥的，所述第一变流器的每个桥臂具有两个串联连接的可控开关;并且 所述第二控制器适于控制所述第一变流器，以便基于电动汽车电池电压实现所述第一直流电压的稳定输出。9.根据权利要求1或2所述的向至少一个电动汽车的电池充电的系统，其特征在于: 所述第一变流器被电池系统或太阳能光伏发电系统或者光伏加电池的系统替换。
【文档编号】H02M7/23GK205565845SQ201490000986
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2014年7月2日
【发明人】姚大伟, 杨晓波, 陈瑶
【申请人】Abb技术有限公司