充电装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于无线接收能量的充电装置。


背景技术：

2.在用于电动车辆的感应充电系统中，能量能够从永久安装在初级侧的装置传输到次级侧的安装在电动车辆中的充电装置。为此，初级侧装置包括初级充电线圈，而次级侧充电装置包括次级充电线圈，它们能够借助于磁场彼此耦合。通过彼此耦合的充电线圈，能量从初级侧装置无线传输到次级侧充电装置，并且如果需要，存储在电动车辆的电池中。为了增加充电系统中传输能量时的能量密度，感应充电系统通常以高频率运行。
3.感应充电系统的主要挑战是电动车辆的电池通常具有较大的电压范围。在充电期间，电池的电池电压持续增加。因此，当电池以恒定功率充电时，电池的等效负载阻抗变化极其剧烈。除此之外，希望避免在感应充电系统中使用较大的电容器和较大的电感器。由于这个原因，感应充电系统实际上包含大量谐波振荡。不利的是，谐波振荡能够导致感应充电系统的实际系统特性与预期系统特性相差巨大。
4.us10707693b2公开了一种具有辅助电路和整流器的充电装置，该充电装置连接在阻抗匹配网络与电动车辆的电池之间。辅助电路将输入电流分成两个分量电流，这两个分量电流之间存在相角差。如果在充电期间电池的电池电压增加，则两个分量电流之间的相角差也会减小。通过这种方式，随着电池电压上升，输入阻抗的实分量的变化范围能够被大大压缩。然而，不利的是，由于谐波，分量电流能够是不对称的，这会使感应充电系统的热设计复杂化。此外，充电装置的构造非常复杂，并且包括大量的组件。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是为通用类型的次级侧充电装置提出一种改进的或至少可替换的实施例，其中克服了所描述的缺点。尤其是，在能量的无线接收和存储期间，应尽可能压缩输入阻抗的实分量随电池的电池电压上升的变化范围。优选应尽可能简单地设置充电装置。尤其是，应尽可能减少充电装置中的谐波的影响。
6.根据本发明，这个目的通过独立权利要求1的主题来解决。有利的实施例是从属权利要求的主题。
7.根据本发明的充电装置被设置用于无线接收能量。此处，充电装置包括无源辅助电路和连接在辅助电路下游的整流器。无源辅助电路包括第一输入节点和第二输入节点以及第一输出节点、第二输出节点和第三输出节点。特别地，无源辅助电路具有恰好一个第一输入节点和恰好一个第二输入节点以及恰好一个第一输出节点、恰好一个第二输出节点和恰好一个第三输出节点。特别地，无源辅助电路具有恰好两个输入节点和恰好三个输出节点。在第一输入节点与第一输出节点之间连接有第一阻抗。在第一输入节点与第二输出节点之间连接有第二阻抗。此处，第一阻抗的虚分量具有正的非零值，第二阻抗的虚分量具有负的非零值，或者相反。
8.应当理解，各阻抗的相应虚分量是频率相关的。由于这个原因，在相同的组件中，虚分量根据频率具有正的或负的非零值。这里定义的各阻抗的虚分量的值与充电装置的给定的固定工作频率有关。有利地，给定的固定工作频率能够是例如85khz。
9.通过根据本发明的充电装置，输入阻抗的实分量随电动车辆的电池的电池电压的增加的变化范围能够被有效地压缩。有利地，根据本发明的充电装置中的组件选择在成本和安装空间方面被优化。与有源整流器相比，在根据本发明的充电装置中仅使用无源部件，而不需要控制系统。
10.有利地，充电装置能够被设置用于机动车辆的感应充电。有利地，充电装置能够是次级侧充电装置。有利地，充电装置能够被设置用于电动车辆。有利地，充电装置能够电磁耦合到初级侧装置，用于无线接收能量。有利地，充电装置能够电磁耦合到初级侧装置的初级充电线圈，用于经由次级充电线圈无线接收能量。有利地，充电装置能够是感应充电系统的一部分。有利地，初级侧装置能够是感应充电系统的一部分。
11.有利地，能够规定，第一阻抗的虚分量的正值和第二阻抗的虚分量的负值具有相等的量。然而，应当理解，在实践中，第一阻抗的虚分量能够与第二阻抗的虚分量相差高达20％。
12.有利地，能够规定，在辅助电路的第二输入节点与第三输出节点之间连接有第三阻抗。此处，第三阻抗的虚分量能够具有负的或正的非零值，或者在谐振情况下等于零的值。换句话说，第三阻抗的虚分量能够具有负的或正的非零值，或者与基波谐振地连接。如上所述，第三阻抗的虚分量的定义值与充电装置的给定的固定工作频率有关。有利地，给定的固定工作频率能够是例如85khz。
13.有利地，能够规定，各阻抗由线圈形成。替代地，能够规定，各阻抗由串联连接的线圈和电容器形成。有利地，在各阻抗的该实施例中，线圈能够具有较高的值，并且充电装置中的谐振能够被较好地抑制。
14.在充电装置的有利的进一步发展中，能够规定，充电装置包括连接在无源辅助电路与整流器之间的换向(commutation)电路。此处，换向电路包括至少一个换向电容器。至少一个换向电容器连接在辅助电路的相应输出节点中的两个之间。通过换向电路，能够有效地减少或补偿充电装置中的谐振影响。换向电容器有利地导致从辅助电路的各个输入节点到辅助电路的各个输出节点的支路中至少一些的负载更加对称。
15.在换向电路的有利配置中，换向电路能够包括第一换向电容器、第二换向电容器和第三换向电容器。第一换向电容器连接在辅助电路的第一输出节点与第二输出节点之间。第二换向电容器连接在辅助电路的第二输出节点与第三输出节点之间。第三换向电容器连接在辅助电路的第一输出节点与第三输出节点之间。换向电容器被有利地配置为使得电流换向时机是理想的。
16.有利地，能够规定，整流器包括第一输入节点、第二输入节点和第三输入节点以及第一输出节点和第二输出节点。此处，整流器的相应输入节点分别连接到辅助电路的相应输出节点。有利地，整流器能够包括三个二极管半桥。此处，各二极管半桥分别连接在整流器的相应输入节点之一与整流器的相应输出节点中的两个之间。有利地，整流器能够包括补偿电容器。此处，输出电容器能够连接在整流器的输出节点之间。
17.有利地，能够规定，充电装置包括用于无线接收能量的次级充电线圈和用于补偿
无功功率的无功功率补偿网络。此处，次级充电线圈连接在无功功率补偿网络的上游，并且无功功率补偿网络连接在辅助电路的上游。此处，次级充电线圈能够电磁地和无线地耦合到初级侧装置的初级充电线圈。
18.有利地，能够规定，充电装置包括用于存储接收到的能量的电池。此处，电池连接在整流器的下游。此处，电池能够安装在电动车辆中并且被设计用于将存储的能量输出到电动车辆的驱动马达。
19.本发明的其他重要特征和优点从从属权利要求、附图和参照附图的相关附图描述中获得。
20.应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，上述以及将在下文中解释的特征不仅能够在分别提出的组合中使用，还能够在其他组合中或者单独使用。
附图说明
21.在附图中示出了本发明的优选示例性实施例，并且在以下描述中对其进行了更详细的解释，其中相同的附图标记表示相同或相似或功能相同的部件。
22.分别示意性地示出了：
23.图1示出了根据本发明的充电装置的电路图；
24.图2示出了分别以不同方式设计的充电装置中的输入阻抗的实分量随电池的电池电压变化的比较图；
25.图3示出了分别以不同方式设计的充电装置中的输入阻抗的虚分量随电池的电池电压变化的比较图；
26.图4至图7示出了在不同电池电压下根据本发明的充电装置中的两个分量电流和两个分量电压随时间变化的图表；
27.图8和图9示出了分别以不同的方式设计的充电装置中的两个分量电流随电池的电池电压变化的比较图；
28.图10示出了分别以不同的方式设计的充电装置中的两个分量电流之间的相角差随电池的电池电压变化的图表；
29.图11和图12示出了分别以不同的方式设计的充电装置中的两个分量电流和两个分量电压随时间变化的比较图。
具体实施方式
30.图1示出了根据本发明的充电装置1的电路图。此处，充电装置1包括辅助电路2、换向电路3和整流器4。此处，换向电路3连接在辅助电路2的下游和整流器4的上游。此外，充电装置1包括连接在整流器4下游的电池rb。
31.辅助电路2是无源的。辅助电路2包括恰好两个输入节点(在此为第一输入节点h-ek1和第二输入节点h-ek2)以及恰好三个输出节点(在此为第一输出节点h-ak1、第二输出节点h-ak2和第三输出节点h-ak3)。在第一输入节点h-ek1与第一输出节点h-ak1之间连接有具有线圈l
rec1
和电容器c
rec1
的第一阻抗。此处，第一阻抗包括虚分量x1。在第一输入节点h-ek1与第二输出节点h-ak2之间连接有具有线圈l
rec2
和电容器c
rec2
的第二阻抗。此处，第二阻抗包括虚分量x2。在第二输入节点h-ek2与第三输出节点h-ak3之间连接有具有线圈l
rec3
和电容器c
rec3
的第三阻抗。此处，第三阻抗包括虚分量x3。
32.换向电路3连接在辅助电路2的下游，并且包括第一换向电容器c
c1
、第二换向电容器c
c2
和第三换向电容器c
c3
。第一换向电容器c
c1
连接在辅助电路2的第一输出节点h-ak1与第二输出节点h-ak2之间。第二换向电容器c
c2
连接在辅助电路2的第二输出节点h-ak2与第三输出节点h-ak3之间。第三换向电容器c
c3
连接在辅助电路2的第一输出节点h-ak1与第三输出节点h-ak3之间。
33.整流器4包括第一输入节点g-ek1、第二输入节点g-ek2和第三输入节点g-ek3。输入节点g-ek1、g-ek2、g-ek3与辅助电路2的相应输出节点h-ak1、h-ak2和h-ak3一致。此外，整流器4包括第一输出节点g-ak1和第二输出节点g-ak2。此外，整流器4包括六个二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6，它们作为二极管半桥各自连接在整流器4的输入节点h-ek1、h-ek2、h-ek3与整流器4的输出节点g-ak1、g-ak2之间。此外，整流器4包括补偿电容器c0，该补偿电容器连接在整流器4的输出节点g-ak1与g-ak2之间。补偿电容器c0连接在二极管半桥的下游。整流器4的输出节点g-ak1与g-ak2之间的电池rb连接在补偿电容器c0的下游。
34.此处，充电装置1包括次级充电线圈和无功功率补偿网络，这两者在这里都没有示出。次级充电线圈连接在无功功率补偿网络的上游，并且无功功率补偿网络连接在辅助电路2的上游。此处，在次级充电线圈中产生线圈交变电压，并且交变电压u
ac
出现在辅助电路2的输入节点h-ek1和h-ek2上。由于连接在上游的无功功率补偿网络，线圈交流电压和交流电压u
ac
不同。此处，充电装置1具有带实分量r
in
和虚分量x
in
的输入阻抗。在充电装置1的辅助电路2中，第一分量电流i
rec1
在第一输入节点h-ek1与第一输出节点h-ak1之间流动，而第二分量电流i
rec2
在第一输入节点h-ek1与第二输出节点h-ak2之间流动。第一分量电压u
rec1
在输出节点h-ak1与h-ak3之间下降，第二分量电压u
rec2
在输出节点h-ak2与h-ak3之间下降。电池电流lb在电池rb上流动，并且电池电压ub下降。
35.在充电装置1中，第一阻抗的虚分量x1具有正值，而第二阻抗的虚分量x2具有负值，或者相反。这导致第一分量电流i
rec1
与第二分量电流i
rec2
之间的相移。此处，所提到的相移随着电池电压ub变化。因此，随着电池电压ub的上升，输入阻抗的实分量r
in
的变化范围被大大压缩。除此之外，输入阻抗的虚分量x
in
能够通过换向电路3的换向电容器c
c1
、c
c2
和c
c3
减小。换向电路3导致输入节点h-ek1与输出节点h-ak1、h-ak2之间的支路的对称负载。换向电路3是可选的。有利地，第一阻抗的虚分量x1和第二阻抗的虚分量x2能够在量上相同。第三阻抗的虚分量x3能够有利地具有等于零的值。因此，线圈l
rec3
和电容器c
rec3
能够被省略。
36.根据本发明的充电装置1的优点在于优化的组件选择，从而能够节省成本、重量和安装空间。
37.在图2-10中，基于模拟示出了根据本发明的充电装置的特征。模拟中定义的各阻抗的相应虚分量x1、x2、x3的值基于给定的固定工作频率85khz。以下示例值被用于模拟：
38.l
rec1
＝19.48μh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀuac
＝449.7v
39.l
rec2
＝19.27μh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
p至10000w
40.l
rec3
＝18.12μh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
ub＝280v至450v
41.c
rec1
＝1817.9nf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀcc1
＝137pf
42.c
rec2
＝90.89nf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀcc2
＝263pf
43.c
rec3
＝193.48nf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀcc3
＝415pf。
44.图2示出了充电装置1中的输入阻抗的实分量r
in
随电池rb的电池电压ub变化的比较图。在具有换向电路3的情况下根据图1的充电装置1中的输入阻抗的实分量r
in
的曲线用实线示出。此处，在没有换向电路3的情况下根据图1的充电装置1中的输入阻抗的实分量r
in
的曲线用虚线示出。
45.图3示出了充电装置1中的输入阻抗的虚分量x
in
随电池rb的电池电压ub变化的比较图。此处，在具有换向电路3的情况下根据图1的充电装置1中的输入阻抗的虚分量x
in
的曲线用实线示出。此处，在没有换向电路3的情况下根据图1的充电装置1中的输入阻抗的虚分量x
in
的曲线用虚线示出。
46.图4示出了在没有换向电路3、电池电压ub为280v的情况下根据本发明的充电装置1中的分量电流i
rec1
和i
rec2
以及两个分量电压u
rec1
和u
rec2
随时间变化的图表。在上半部分图表中，分量电流i
rec1
用虚线表示，分量电压u
rec1
用实线表示。在下半部分图表中，分量电流i
rec2
用虚线表示，分量电压u
rec2
用实线表示。
47.图5示出了在没有换向电路3、电池电压ub为350v的情况下根据本发明的充电装置1中的分量电流i
rec1
和i
rec2
以及两个分量电压u
rec1
和u
rec2
随时间变化的图表。在上半部分图表中，分量电流i
rec1
用虚线表示，分量电压u
rec1
用实线表示。在下半部分图表中，分量电流i
rec2
用虚线表示，分量电压u
rec2
用实线表示。
48.图6示出了在没有换向电路3、电池电压ub为400v的情况下根据本发明的充电装置1中的分量电流i
rec1
和i
rec2
以及分量电压u
rec1
和u
rec2
随时间变化的图表。在上半部分图表中，分量电流i
rec1
用虚线表示，分量电压u
rec1
用实线表示。在下半部分图表中，分量电流i
rec2
用虚线表示，分量电压u
rec2
用实线表示。
49.图7示出了在没有换向电路3、电池电压ub为450v的情况下根据本发明的充电装置1中的分量电流i
rec1
和i
rec2
以及两个分量电压u
rec1
和u
rec2
随时间变化的图表。在上半部分图表，分量电流i
rec1
用虚线表示，分量电压u
rec1
用实线表示。在下半部分图表中，分量电流i
rec2
用虚线表示，分量电压u
rec2
用实线表示。
50.从图4-7可以看出，分量电流i
rec1
与i
rec2
之间存在相角差，并且相角θ随着电池电压ub的上升而减小。在根据本发明的充电装置1中，例如在图4中，存在分量电压u
rec1
和u
rec2
等于零的时间段。因此存在无载运转。其原因是根据本发明的充电装置1中的整流器4的二极管半桥的换向时刻是不同的。
51.图8示出了在没有换向电路3的情况下图1的充电装置1中的分量电流i
rec1
和i
rec2
的有效值随电池rb的电池电压ub变化的比较图。此处，第一分量电流i
rec1
的曲线用实线示出，第二分量电流i
rec2
的曲线用虚线示出。
52.图9示出了在具有换向电路3的情况下图1的充电装置1中的分量电流i
rec1
和i
rec2
的有效值随电池rb的电池电压ub变化的比较图。此处，第一分量电流i
rec1
的曲线用实线示出，第二分量电流i
rec2
的曲线用虚线示出。
53.图10示出了在具有和没有换向电路3的情况下图1的充电装置1中的分量电流i
rec1
与i
rec2
之间的相角差随电池rb的电池电压ub变化的图表。此处，在具有换向电路3的情况下的相角差用实线示出，在没有换向电路3的情况下的相角差用虚线示出。
54.图11示出了在具有换向电路3、电池电压ub为450v的情况下根据本发明的充电装置1中的两个分量电流i
rec1
和i
rec2
随时间变化的比较图。此处，分量电流i
rec1
用实线绘制，分
量电流i
rec2
用虚线绘制。
55.图12示出了在没有换向电路3、电池电压ub为450v的情况下根据本发明的充电装置1中的两个分量电流i
rec1
和i
rec2
随时间变化的比较图。此处，分量电流i
rec1
用实线绘制，分量电流i
rec2
用虚线绘制。