专利名称：充电器和充电方法
技术领域：
本公开总体涉及充电器和用于对待充电储能设备充电的充电方法。特别地，本公 开涉及用于至少一个待充电储能设备的受控充电的充电控制方法和执行该充电方法的充 电器。
背景技术：
对待充电的储能设备进行充电的充电方法可以依赖于待充电的储能设备的充电 状态。这样，能够根据待充电储能设备的电参数，例如可在给储能设备充电期间测量的电存 储设备参数给储能设备充电。电参数可以是在储能设备的接线端子测量的储能设备电压、 流入待充电的储能设备的充电电流和储能设备温度。待充电的储能设备从设置在充电器外部的电源接收到其充电功率。外部电源的工 作状态可以在通过充电器为待充电储能设备充电的期间变化。
发明内容
鉴于以上所述，提供了适用于通过由电力电源电网提供的电力充电功率对至少一 个待充电储能设备充电的充电器，该充电器包括适用于检测电力电源电网的至少一个电力 电网参数并且根据至少一个检测的电力电网参数输出电网参数检测信号的电网参数检测 器单元，适用于接收电网参数检测信号并且根据接收的电网参数检测信号确定控制信号的 控制单元，和适用于接收控制信号并且根据控制信号调整电力充电功率的充电功率调整单元。根据另一方面，提供包括充电器和待充电储能设备的电动汽车，该充电器包括适 用于检测电力电源电网的至少一个电力电网参数并且根据至少一个检测的电力电网参数 输出电网参数检测信号的电网参数检测器单元，适用于接收电网参数检测信号并且根据接 收的电网参数检测信号确定控制信号的控制单元，和适用于接收控制信号并且适用于根据 控制信号调整电力充电功率的充电功率调整单元。还根据另一方面，提供了通过电力电源电网对至少一个待充电储能设备充电的方 法，该方法包括以下步骤通过电力电源电网提供电力充电功率、接收电力电源电网的至少 一个电力电网参数、根据接收的电力电网参数确定控制信号和根据控制信号为待充电储能 设备调整电力充电功率。进一步的示例性实施例是根据从属权利要求、说明书和附图的。
对本领域普通技术人员之一的包括其最佳模式的全部的和使能的公开在说明书 剩余部分中被更具体地阐述，该说明书包括对如下附图的参考，其中图1示出了根据典型实施例的充电器结构的示意性框图；图2是根据另一典型实施例的具有用于控制充电器的充电工作条件的控制单元的对待充电储能设备充电的充电器的更详细的框图；图3是根据又一典型实施例的具有能够监控充电功率调整单元的控制单元的对 待充电储能设备充电的充电器的详细的框图；图4是根据又一典型实施例的具有根据至少一个电网参数检测信号和至少一个 存储设备参数检测信号提供充电工作条件的控制单元的对待充电储能设备充电的充电器 的详细的框图；图5是根据又一典型实施例的具有用于过滤电力电网参数信号的滤波器单元的 对待充电储能设备充电的充电器的详细的框图；图6是显示了根据电力电网参数的相对充电功率的图，其中该电力电网参数是电 网频率，从而提供了频率充电曲线；图7是显示了根据电力电网参数的相对充电功率形式的电压充电曲线，其中电电 力电网参数是电网电压；图8是用于对待充电储能设备充电的充电方法的流程图；和图9是说明充电功率调整细节的对待充电储能设备充电的充电方法的流程图。
具体实施例方式现在，将详细参考各种示例性实施例，其中一个或更多例子在附图中进行了说明。 每个例子通过解释方式被提供并且不意味着作为限制。例如，作为一个实施例一部分被说 明或描述的特征可以被用于其它实施例或与其它实施例相结合以产生进一步的实施例。意 图在于本发明包括这样的修改和变形。许多实施例将在下面进行说明。在这种情况下，相同的结构特征在附图中用相同 参考符号进行标识。图中显示的结构不是按真实的比例进行描绘的，而只是为了更好地理 解这些实施例。图1是用于对待充电储能设备300充电的充电器100的示意图。该储能设备300 可以是电池、电容器、燃料电池和超级电容(ultraCap)的至少一个。图1显示了根据典型 实施例的包括电网参数检测器单元101的充电器200的工作原理，该电网参数检测器单元 101被提供用于检测电力电源电网200的至少一个电参数，该电力电源电网200被使用作为 用于对储能设备300充电的电源。电力电源电网200可以是，但不限于电力网络、主电源、 国家电网或者任何其它电源系统。为理解本公开，唯一必要的是可以提供电网连接，其用于将电力充电功率209传 递到充电功率调整单元102，该充电功率调整单元102随后根据预定的参数调整电力充电 功率以便能够获得对待充电储能设备300的高效充电。充电功率调整单元102随后为储能设备300提供受控的电力充电功率203。存储 设备参数，诸如储能设备电压、充电电流和储能设备温度，可以被存储设备参数检测器单元 103测量，其输出信号被提供给充电功率调整单元102以便提供合适的充电功率调整。因此，电力电源电网200 —方面提供了由充电功率调整单元调整的电力充电功率 209形式的电功率，另一方面提供了与由电网参数检测器单元101检测的电力电源电网200 的参数有关的信息。根据典型实施例，电力电源电网200可以是国家电网，并且至少一个待充电的储能设备300可以是具有电驱动系统的车辆如电动汽车的电池。下面是基于在特定时刻，电动汽车的百分比合计为5%的假设的示例性计算。此外假定，当电动汽车的储能设备必须被充电时，电动汽车的平均功耗大约是 10kW，并且充电时间为2小时，于是必须被提供的能量根据下面的公式进行计算IOkff · 2h = 20kwh.而且，如果提供80%的充电/放电效率并且使用230V交流电压L/N电网的三相， 其中每相的电流合计为10A，那么给电动汽车的储能设备300充电所需的充电功率合计为 6.90kW。那么充电时间可以根据下面的公式确定20kffh 6. 90kw 0. 8 = 3. 62h这样，假定80%的充电/放电效率的总充电时间合计为3. 62小时。在2008年1月，大约40，000, 000辆汽车已经被许可，从而所假定的电动汽车的 5%合计对电力电源电网的峰值负载达到40，000, 000 · 0. 05 · 6. 90kff = 13. 8GW这样，假定电动汽车的待充电电池同时充电，必须提供大约50，OOOMWh的总充电
能量°在德国可用的当前国家电力电网不能应付这样量的充电能量。于是，大电池诸如 用在电动汽车中的电池的充电可以根据由电网参数检测器单元101检测的电网参数进行 充电。电网参数可以包括，但不限于电网频率、电网电压和电网电流。为了提供稳定的电网 操作，根据下面的等式(1)，馈送(fed-in)功率应该和负载功率相等P馈送=P负载 (1)其中P·是由电力电源电网提供的馈送功率，P_是对至少一个待充电的储能设 备充电所需的负载功率。发电厂中的能量转换由具有旋转质量(rotating masses)的发电 机提供。该旋转频率确定电网频率。为发电机提供的机械功率可以根据下面的等式(2)进 行计算Pmech = M · 2 · π · n (2)其中M是发电机轴处的扭矩并且η表示发电机轴每秒的转数。根据下面的等式 (3)，在该发电机输出端的电功率合计为Pel Pel = U · I (3)因此，电网频率依赖于发电机的旋转频率并且在被连接到发电机的电力电源电网 内的所有位置上是相同的。该电网电压依赖于在发电机处的感生电压和功率传输线中的压 降。该感生电压是根据下面的等式(4)的dU= d/φdt(4)其中(1Φ是磁通量变化。如果例如为待充电的电池充电的高负载被连接到电力电 源电网200，不能提供根据等式(2)的机械功率，从而发电机的旋转频率下降导致电网频率 的下降。在2007年，德国最大的发电机功率合计大约为130Gw，其中平均能量转化合计为 大约75GW。1 %之内的电网频率改变是可容忍的，其中大于2%的电网频率波动弓丨起必要的 校正。因此，上面评估的13. 8GW的负载是不能被忽视的对电力电源电网200的负载贡献(loadcontribution)。因此，图1所示的充电器100的典型实施例、其主要结构考虑了电力电网参数201 的波动。例如，如果在电力电网参数处的电网频率被测量，如果电力电源电网超载了，电网 频率将降低。充电器100现在可以减少用于对待充电储能设备300充电的充电功率。充电器将 从电力电源电网接收更少的功率以便电网变得稳定，因此上面提到的等式⑴得到满足。 另一方面，如果电力电源电网200是欠载的，那么电网频率将增加。接着充电器将用在具有标准电网频率的标准工作中。如果电网频率增加，充电器 将为待充电储能设备300增加充电功率。充电器因此将从电力电源电网200接收更多的功 率，这时电网变得不稳定。因此根据图1中所示典型实施例的充电器100具有用于提供电 网稳定性的方式，即使需要高的电力充电功率。图2是充电器100更详细说明的示意性框图。如图2中所示，提供电力电源电网 200作为用于待充电储能设备300的充电功率的电源装置。为此，将电力充电功率209形式 的充电功率提供给充电功率调整单元102。而且，通过电网参数检测器单元101检测至少一 个电力电网参数201。至少一个电力电网参数201可以是电网频率、电网电压和电网电流的至少一个。 电网参数检测器单元101适用于根据从电力电源电网检测的至少一个电力电网参数输出 电网参数检测信号202。而且，提供了控制单元105，其适用于通过控制信号207控制充电功率调整单元 102，该控制信号207是根据电网参数检测信号202确定的。可以根据将在下面关于图6和 7描述的频率充电曲线和/或电压充电曲线提供通过控制信号207的对充电功率调整单元 102的控制。通过控制信号207的对充电功率调整单元102的控制导致修改的电力充电功率， 即，受控的电力充电功率203。该受控的电力充电功率203的大小根据检测的至少一个电力 电网参数201被控制。因此能够在电力电源电网200的不同的操作条件下对大数量的待充 电电池300进行充电图3是根据又一典型实施例的又一充电器100的详细框图。和图2中所示的充电 器100相比，图3中所示的充电器还具有从充电功率调整单元102到控制单元105的反馈 线路。通过这个反馈线路，可以为控制单元105提供表示充电功率调整单元102的状态的 状态信号206。这样，用于控制充电功率调整单元102的控制信号207可以一方面根据电网参数 检测信号202，另一方面根据表示充电功率调整单元102状态的状态信号206来确定。因 此，受控的电力充电功率203通过充电功率调整单元102根据状态信号206和电网参数检 测信号202进行调整。这里注意的是根据图3的充电器100中包括的并且与已经关于图2描述的部件相 对应的部件在这里没有被详细描述以便避免多余的描述。图4是根据又一优选实施例的充电器100的详细框图。在图3中所示的结构之外， 根据图4的充电器100的结构还包括适用于检测从待充电储能设备300获得的至少一个存 储设备参数205的存储设备参数检测器单元103。待充电储能设备300的至少一个存储设备参数205是储能设备电压、储能设备电流和储能设备温度的至少一个。储能设备参数检测器单元103根据储能设备300的存储设备参数205提供存储设备参数检测信号。该存储设备参数被检测提供给控制单元105以用于根据电网参数检测信 号202和存储设备参数检测信号204的至少一个确定控制信号207，其中该控制信号207适 用于控制充电功率调整单元102。特别地，根据图4的充电器100的结构中的控制信号207是根据电网参数检测信 号202、充电功率调整单元102的状态信号206和存储设备参数检测信号204确定的。为了 避免多余的描述，这里没有详细描述图4中显示的剩余部件，因为这些部件对应于图2和/ 或3中显示的相应部件。图5是根据又一优选实施例的充电器100又一详细框图。和图4中所示的充电器 100相比，图5中所示的充电器100还包括滤波器单元104。滤波器单元104典型地被设计 为具有典型的400Hz的截止频率的低通滤波器。在图5中所示的典型实施例中，滤波器单元104被提供作为电网参数检测器单元 101的组成部分。因此，能够对由电力电源电网200提供的电力电网参数201的信号进行过 滤。这类过滤提供了电力电网参数的更准确的检测，更典型地，电网频率的检测因为该低通 滤波变得更容易。又要注意的是，为了避免多余的描述，图5中所示的和先前图中所示的部件相对 应的部件这里不详细说明了。图6是显示了频率充电曲线301的图。频率充电曲线显示在将相对充电功率208 和至少一个电力电网参数201相关联的图中。在图6中所示的情况下，至少一个电力电网 参数201是电网频率。该频率与标准化频率fnOT有关，其中相对充电功率被标准化到最大 充电功率Pemax。频率充电曲线301的特性由不同的段确定。可以提供在图6中被表示为Pfl、Pf2、Pf3和Pf4，在图 中被表示为Pvl、Pv2、Pv3和Pv4 的电网参数四个不同的阈值，。Pf2和Pf3之间的范围表示标准工作，即，电网频率变化是在+/-1 %的范围(标准频 率的0. 99到1. 01倍)。Pfl和Pf4之间的范围表示+/-4%的范围，其中在较低的范围充电 功率必须被从Pcf2处的80%的充电功率下降到Pef3处的20%，或者在图的右边部分，可以 被从P。f2处的80%增加到Prfl处的100%。+/-4%变化之外的电网频率变化将导致切断根 据关于图6中所描述的典型实施例的充电功率。利用图6中所示的频率充电曲线301，因此能够通过检测至少一个电力电网参数 将待充电储能设备300的充电条件适应为电力电源电网200的条件。图7是显示了用于根据由电力电源电网200提供的电网电压控制充电过程的电压 充电曲线302。如图7中所示，电压充电曲线302被绘制为作为电力电网参数201的函数的 相对充电功率，在这种情况下，电力电网参数201是被与标准化的电网电压Vnmi相关的电网 电压V，以便根据图6中所示的频率充电曲线301情况，范围PV2和PV3是+/-1%的区域， 其中在最大充电功率P。max的80%处执行充电。在-4 %和-1 %之间的区域，S卩，在Pvi和Pv2之间的区域内，充电功率从Pct2降低到 PCV3'即，从Pcmax的80%下降到20%，从而施加在电力电源电网200上的负载被减少。从标 准化电网电压偏离多于_4 %导致切断充电过程。
另一方面，如果电网提供的电压被增加超过1 %，即，在PV3和PV4之间的区域内，充 电功率被从PCT2处的80%增加到PCT1处的100%。而且，如果电网电压增加甚至高于PV4，充 电功率保持在PCT1处的100%也是可能的。这里要注意的是充电功率调整单元102可以由控制信号207控制，该控制信号207 是根据单独的频率充电曲线301、单独的电压充电曲线302或者频率充电曲线和电压充电 曲线的组合确定的。充电功率PCT2被称作标称充电功率。图8是通过电力电源电网对至少一个待充电的储能设备充电的方法的流程图。该过程在步骤S1开始。然后，在步骤S2，通过电力电源电网提供电力充电功率。 该过程前进到步骤S3，其中检测电力电源电网的至少一个电力电网参数。该电力电源电网 的至少一个电力电网参数可以是电网电压、电网电流和电网频率的至少一个。该过程前进到步骤S4，其中根据检测的电网参数确定控制信号。然后，该控制信号 可被用于控制这里以上关于图1到5描述的充电功率调整单元102。在步骤5，根据控制信 号调整待充电的储能设备的电力充电功率。在步骤6，过程结束。图9是说明了充电功率调整细节的对待充电储能设备充电的充电方法的流程图。步骤S1和S2与这里以上关于图8描述的步骤S1和S2相对应。在步骤S2后，关 于在图6中被表示为Pfl、Pf2、Pf3和Pf4以及在图7中被表示为Pvl、Pv2、Pv3和Pv4的电网参数 的四个阈值确定电力充电功率。当电力电网参数低于第一阈值时，电力充电功率被设置为零。然后，过程回到步骤 S3，其中检测电力电源电网的至少一个电力电网参数。当电力电网参数高于第一阈值并且低于比第一阈值大的第二阈值时，电力充电功 率被从第一电力充电功率，图6和7中的P。v3，增加到第二电力充电功率，图6和7中的P。v2。 然后，过程回到步骤S3，其中检测电力电源电网的至少一个电力电网参数。而且，当电力电网参数高于第二阈值并且低于比第二阈值大的第三阈值时，电力 充电功率保持在一个常数值上。然后，过程回到步骤S3，其中检测电力电源电网的至少一个 电力电网参数。当电力电网参数高于第三阈值并且低于比第三阈值大的第四阐值时，电力充电功 率被从第二电力充电功率，图6和7中的Pcv2，增加到第三电力充电功率。然后，过程回到 步骤S3，其中检测电力电源电网的至少一个电力电网参数。最终，当电电力电网参数高于第四阈值时，电力充电功率保持在一个常数值上。典 型地，第三阈值大于第二阈值。而且，电力充电功率中的增加可以根据线性函数。然后，过 程回到步骤S3，其中检测电力电源电网的至少一个电力电网参数。至少一个待充电储能设备根据至少一个预定的充电曲线被充电。至少一个预定的 充电曲线规定充电电压变化。而且，至少一个预定的充电曲线规定充电频率变化。此外，至 少一个预定的充电曲线可以规定充电电压变化和充电频率变化的结合。已经根据被显示在附图中的实施例描述了本发明并且根据其呈现了进一步的优 点和修改。然而，本公开不限于用具体术语描述的实施例，而是可以以适合的方式进行修改 和改变的。其位于将一个实施例的单独特征和特征组合与其它实施例的特征和特征组合以 适当方式组合以便达到进一步实施例的范围内。基于此处的教导，很明显本领域的技术人员可以作出改变和修改而不背离公开的
9内容及其更广的方面。即，此处如上阐述的所有例子意图是说明性的和非限制性的。
No.部件/步骤
100充电器
101电网参数检测器单元
102充电功率调整单元
103存储设备参数检测器单元
104滤波器单元
105控制单元
200电力电源电网
201电力电网参数
202电网参数检测信号
203受控的电力充电功率
204存储设备参数检测信号
205存储设备参数
206状态信号
207控制信号
208相对充电功率
209电力充电功率
300待充电电池
301频率充电曲线
302电压充电曲线
权利要求
一种适用于通过由电力电源电网(200)提供的电力充电功率(209)对至少一个待充电储能设备(300)充电的充电器(100)，该充电器(100)包括适用于检测电力电源电网(200)的至少一个电力电网参数(201)并且根据至少一个检测的电力电网参数(201)输出电网参数检测信号(202)的电网参数检测器单元(101)；适用于接收电网参数检测信号(202)并且根据接收的电网参数检测信号(202)确定控制信号(207)的控制单元(105)；和适用于接收控制信号(207)并且根据控制信号(207)调整电力充电功率(209)的充电功率调整单元(102)。
2.根据权利要求1的充电器(100)，其中电力电源电网(200)的电力电网参数(201) 是电网频率、电网电压和电网电流的至少的一个。
3.根据权利要求1或2的充电器(100)，其中电力充电功率(209) 在电力电网参数(201)低于第一阈值时，被设置为零；和/或在电力电网参数(201)高于第一阈值并且低于比第一阈值大的第二阈值时，被从第一 电力充电功率值(209)增加到第二电力充电功率值(209)；和/或在电力电网参数(201)高于第二阈值并且低于比第二阈值大的第三阈值时，被保持在 一个常数值；和/或在电力电网参数(201)高于第三阈值并且低于比第三阈值大的第四阈值时，被从第二 电力充电功率值(209)增加到第三电力充电功率值(209)；和/或 在电力电网参数(201)高于第四阈值时，被保持在一个常数值。
4.根据前述任一权利要求所述的充电器(100)，其中第三阈值大于第二阈值。
5.根据权利要求3的充电器(100)，其中第一、第二、第三和第四阈值是电网电压和电 网频率的至少一个。
6.根据前述任一权利要求所述的充电器(100)，其中储能设备(300)是电池、电容、燃 料电池和超级电容的至少一个。
7.根据前述任一权利要求所述的充电器(100)，其中提供了存储设备参数检测器单 元，其适用于检测至少一个存储设备参数，该存储设备参数被提供给控制单元(105)以 用于根据电网参数检测信号(202)和存储设备参数检测信号的至少一个确定控制信号 (207)，该控制信号(207)适用于控制充电功率调整单元(102)。
8.根据权利要求7的充电器(100)，其中电网参数检测器单元和存储设备参数检测器 单元的至少一个是作为待充电储能设备(300)的组成部分形成的。
9.根据权利要求7的充电器(100)，其中待充电储能设备(300)的存储设备参数是储 能设备电压、储能设备电流和储能设备温度的至少一个。
10.根据前述任一权利要求的充电器(100)在包括待充电储能设备(300)的电动汽车 中的使用。
11.一种通过电力电源电网(200)对至少一个待充电储能设备(300)充电的方法，该方 法包括通过电力电源电网(200)提供电力充电功率(209)； 接收电力电源电网(200)的至少一个电力电网参数(201)； 根据接收的电力电网参数(201)确定控制信号(207)；和根据控制信号(207)为待充电储能设备(300)调整电力充电功率(209)。
12.根据权利要求11的方法，其中至少一个储能设备(300)是根据至少一个预定的充 电曲线而被充电的。
13.根据权利要求12的方法，其中电力充电功率(209)在电力电网参数(201)低于第一阈值时，被设置为零；和/或在电力电网参数(201)高于第一阈值并且低于比第一阈值大的第二阈值时，被从第一 电力充电功率值(209)增加到第二电力充电功率值(209)；和/或在电力电网参数(201)高于第二阈值并且低于比第二阈值大的第三阈值时，被保持在 一个常数值；和/或在电力电网参数(201)高于第三阈值并且低于比第三阈值大的第四阈值时，被从第二 电力充电功率值(209)增加到第三电力充电功率值(209)；和/或在电力电网参数(201)高于第四阈值时，被保持在一个常数值。
14.根据权利要求12或13的方法，其中电力充电功率中的增加是根据线性函数的。
15.根据前述任一方法权利要求的方法，其中检测至少一个存储设备参数，其被提供给 控制单元(105)以用于根据电网参数检测信号(202)和存储设备参数检测信号的至少一个 确定控制信号(207)，该控制信号(207)适用于控制充电功率调整单元(102)。
全文摘要
充电器和充电方法。提供了适用于通过由电力电源电网(200)提供的电力充电功率(209)对至少一个待充电储能设备(300)充电的充电器(100)。该充电器(100)包括适用于检测电力电源电网(200)的至少一个电力电网参数(201)并且根据至少一个检测的电力电网参数(201)输出电网参数检测信号(202)的电网参数检测器单元(101)。控制单元(105)接收电网参数检测信号(202)并且确定控制信号(207)，其中充电功率调整单元(102)根据控制信号(207)调整电力充电功率(209)。
文档编号H02J7/00GK101877492SQ200910262419
公开日2010年11月3日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月19日
发明者A·基奇纳 申请人:通用电气公司