包括三个端口的多向转换器和用于电动车辆的单个变压器的制造方法

包括三个端口的多向转换器和用于电动车辆的单个变压器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种充电装置，该充电装置包括可逆AC/DC转换器，该可逆AC/DC转换器使得能够向具有不同电压的两个出口提供电力。所述充电装置特别适合用作车载电动车辆装置。该装置使得既能够以相对较高的电压向牵引用电池供应电力又能够向来自非常低电压的电网中的设备供应电力。所述装置具有较小的整体尺寸和较低重量。本发明在于一种包括单个变压器的具有多个可逆出口的DC/DC转换器(在AC/DC转换器中)。
【专利说明】包括三个端口的多向转换器和用于电动车辆的单个变压器

【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种充电装置，该充电装置包括用于以不同的电压供应两个输出的可逆AC/DC转换器。该充电装置特别适合用作电动车辆中的车载装置。

【背景技术】
[0002]很多移动机器利用电能并且配备有电池，例如电动车、平台、拖板车等。这些机器通常包括车载充电器，即，直接安装在移动机器上的电池充电器。这些机器还可以利用外部电池充电设备来使用。
[0003]这些充电器的主要功能是利用配电网络上的可用电力对电池进行再充电。因此，这些充电器将交流电转换成直流电。
[0004]由于范围和效率的缘故，牵引用电池(用于为上述机器提供牵引系统，即，驱动)具有高电压(例如，48V、60V或甚至400V及更高)，而车载电子产品需要较低的电压。最普遍的额定电压为12V:该额定电压对应于传统上用在汽车环境中的设备。
[0005]因此，有必要添加DC/DC电压转换器，该DC/DC电压转换器将牵引用电池的电压降低至车载设备所需要的值。
[0006]这有利于将该DC/DC转换器和用于对牵引用电池进行充电的装置集成在相同的充电装置中，便于节省体积、重量、连接及可靠性，并且便于将该设备集成到车辆或其它机动机器中。
[0007]然而，仍然期望降低这种类型的充电装置的整体尺寸和重量。


【发明内容】

[0008]本发明首先涉及用于机动装置的充电装置，该机动装置包括电池和设备，该充电装置包括第一转换模块和与该第一转换模块连接的第二转换模块，其中:
[0009]-该第一转换模块还适合于与交流电源连接；
[0010]-该第二转换模块还适合于与该电池连接并且与该设备连接，并且所述第二转换模块包括单个变压器；
[0011]该充电装置适合于:
[0012]-通过交流电源被供应输入交流电，在第一转换模块中将该输入交流电转换成具有第一电压的直流电，而且:
[0013].在第二转换模块中将具有第一电压的直流电转换成具有第二电压的直流电，并且为该电池提供该具有第二电压的直流电，以及
[0014].在第二转换模块中将具有第一电压的直流电转换成具有第三电压的直流电，并且为该设备提供该具有第三电压的直流电供；以及
[0015]-通过电池被供应具有第二电压的直流电，在第二转换模块中将该具有第二电压的直流电转换成具有第三电压的直流电，并且为该设备提供该具有第三电压的直流电。
[0016]优选地，二次电池出现在该设备当中，并且该装置适合于通过该二次电池被供应具有第三电压的直流电，并且在第二转换模块中将该具有第三电压的直流电转换成具有第一电压的直流电，以便于供应第一转换模块。
[0017]根据一个实施方式，充电装置还适合于:
[0018]-通过电池被供应具有第二电压的直流电，在第二转换模块中将该具有第二电压的直流电转换成具有第一电压的直流电，在第一转换模块中将该具有第一电压的直流电转换成输出交流电，并且为交流电源提供该输出交流电。
[0019]根据一个实施方式，第二转换模块包括与第一转换模块连接的第一转换电路、适合于与电池连接的第二转换电路以及适合于与设备连接的第三转换电路，这三个转换电路与单个变压器连接，充电装置优选地包括用于控制这三个转换电路的单元。
[0020]根据一个实施方式，充电装置适合于为电池提供具有第二电压的直流电，同时为设备提供具有第三电压的直流电，充电装置优选地包括用于独立于第二电压来调整第三电压的装置。
[0021]根据一个实施方式:
[0022]-输入交流电具有80V到300V、优选的85V到265V的电压，和/或0.5kff到35kW、优选的IkW到6kW的功率；和/或
[0023]-第一电压等于270V到440V、优选的290V到430V;和/或
[0024]-第二电压等于20V到550V、优选的24V到500V;和/或
[0025]-第三电压等于5V到20V、优选的1V到15V，例如大约12V。
[0026]根据一个实施方式，设备包括从二次电池、传感器、指示灯、车载计算机、照明装置和汽车收音机中选择的一项或多项设备。
[0027]根据一个实施方式，机动装置是车辆，优选地是电力供应的机动车辆。
[0028]本发明还涉及一种机动装置，该机动装置包括如上所述的充电装置、电池以及设备，该设备优选从二次电池、传感器、指示灯、车载计算机、照明装置以及汽车收音机中选择。
[0029]根据一个实施方式，机动装置是车辆，优选地是电力供应的机动车辆。
[0030]本发明还涉及一种用于对电池进行充电并且提供机动装置的设备的方法，所述方法包括以下步骤:
[0031]-根据第一操作模式，提供输入交流电，将该输入交流电转换成具有第一电压的直流电；以及:
[0032].将具有第一电压的直流电转换成具有第二电压的直流电，并且为电池提供该具有第二电压的直流电；和/或
[0033].将具有第一电压的直流电转换成具有第三电压的直流电，并且为设备提供该具有第三电压的直流电；
[0034]-根据第二操作模式，通过电池提供具有第二电压的直流电，将该具有第二电压的直流电转换成具有第三电压的直流电，并且为该设备提供该具有第三电压的直流电；
[0035]第一操作模式和第二操作模式适时地单独执行；
[0036]其中，直流电向具有不同电压的另一直流电的每个转换包括借助于同一单个变压器转换成中间交流电的步骤。
[0037]优选地，二次电池出现在设备当中，并且该方法包括，根据第三操作模式，通过该二次电池提供具有第三电压的直流电，将该具有第三电压的直流电转换成具有第一电压的直流电，以及将该具有第一电压的直流电转换成交流电。
[0038]根据一个实施方式，充电方法还包括:
[0039]-根据第四操作模式，通过电池提供具有第二电压的直流电，将该具有第二电压的直流电转换成具有第一电压的直流电，以及将该具有第一电压的直流电转换成输出交流电，并且向外部电网提供该输出交流电。
[0040]根据一个实施方式，在第一操作模式下，为电池提供具有第二电压的直流电和为设备提供具有第三电压的直流电是至少部分地同时的，方法优选地包括独立于第二电压来调整第三电压。
[0041]根据一个实施方式:
[0042]-输入交流电具有80V到300V、优选的85V到265V的电压，和/或0.5kff到35kW、优选的IkW到6kW的功率；和/或
[0043]-第一电压等于270V到440V、优选的290V到430V;和/或
[0044]-第二电压等于20V到550V、优选的24V到500V;和/或
[0045]-第三电压等于5V到20V、优选的1V到15V，例如大约12V。
[0046]根据一个实施方式，设备包括从二次电池、传感器、指示灯、车载计算机、照明装置和汽车收音机中选择的一项或多项设备。
[0047]根据一个实施方式，机动装置是车辆，优选地是电力供应的机动车辆。
[0048]本发明克服了现有技术的缺点。更具体地，本发明提供了一种充电装置，该充电装置用于以相对较高的电压供应牵引用电池并且在所谓的“非常低的电压”网络中供应设备，该充电装置具有与现有技术相比更小的整体尺寸和重量。
[0049]本发明还使连接简化、提供更可靠的系统并且促进充电装置集成在机动装置中。
[0050]这是借助于开发用于既供应牵引用电池又供应非常低电压的设备的DC/DC转换器(在本申请的上下文中被称为第二转换模块)来实现的，所述DC/DC转换器是可逆的，即，能够通过外部源和牵引用电池两者被供应，并且是基于单个变压器的。
[0051]因此，避免了使用至少两个变压器，S卩，用于供应牵引用电池的变压器和用于供应非常低电压的设备的变压器，如同根据现有技术的情况一样。
[0052]单个变压器提供流入系统的三种类型的直流电之间的电流隔离，使得能够满足安全性方面的标准要求，特别是当电池电压较高时，因此必须与车载设备隔离开。
[0053]由于使用单个变压器，该变压器可以向主电池并且从主电池传送相同的电力。因此，在不增加充电装置的重量和体积的情况下，对于车载设备来说，在运行模式下可以使用大功率。这是更加有利的，由于车载设备眼下在运行模式下具有消耗越来越多的电力的趋势，例如，对于电动车设备来说，消耗峰值为2kW。

【专利附图】

【附图说明】
[0054]图1是根据本发明的、集成在机动装置中的、根据第一操作模式(充电模式)运行的充电装置的示意图。
[0055]图2是根据本发明的、集成在机动装置中的、根据第二操作模式(运行模式)运行的充电装置的示意图。
[0056]图3是根据本发明的、集成在机动装置中的、根据第四操作模式(再分配模式)运行的充电装置的示意图。
[0057]图4是在本发明的范围内使用的第二转换模块的实施方式的示意图。
[0058]图5是根据本发明的、集成在机动装置中的、根据第三操作模式(再分配模式)运行的充电装置的示意图。

【具体实施方式】
[0059]在下面的描述中将以非限制性的方式且更加详细地描述本发明。
[0060]参照图1、图2和图3，根据本发明的充电装置2适合于安装或集成在包括电池5和设备7a、7b、7c的机动装置6中。
[0061]根据优选的实施方式，机动装置6是电力供应的车辆，特别地，是电力供应的机动车辆。在其它的实施方式中，机动装置6可以是诸如电梯平台、升降车或者拖板车的操作机器。
[0062]电池5最好表现为车辆(或机器)的牵引用电池，也就是说，电池负责对车辆(或机器)的电机的供应。自然地，该电池5可以表现为单个电池或一组电池。
[0063]设备7a、7b、7c可以包括传感器、指示灯、车载计算机、照明装置、汽车收音机等。
[0064]还可以包括二次电池7a，该二次电池本身能够供给其余的设备7b、7c。
[0065]充电装置2包括第一转换模块3 (AC/DC转换模块)和第二转换模块4 (DC/DC转换模块)，该第二转换模块4与该第一转换模块3连接，并且当充电装置2集成在机动装置6中时，该第二转换模块4与电池5以及设备7a、7b、7c连接。
[0066]在第一操作模式下(该第一操作模式是指图1中描述的充电模式)，电源I (例如电网)与第一转换模块3连接并且为该第一转换模块3供应交流电。该电源I可以是单相、双相或三相源，或者是任何其它电源。
[0067]第一转换模块3将输入交流电转换成具有第一电压(表不为电压VI)的直流电，并且向第二转换模块4供应该电压Vl的电流。
[0068]第二转换模块4将具有电压Vl的直流电转换成具有第二电压(表示为电压V2)的直流电，该具有第二电压的直流电供应给电池5 (因此该电池被充电)。
[0069]可选地，第二转换模块4还将具有电压Vl的直流电转换成具有第三电压(表示为电压V3)的直流电，该具有第三电压的直流电被供应给设备7a、7b、7c。
[0070]在第二操作模式下(该第二操作模式是指图2中所描述的运行模式)，充电装置与任何外部电源分离。在该操作模式下，电池5向第二转换模块4提供具有电压V2的直流电，该第二转换模块4将该电流转换成供应给设备7a、7b、7c的具有电压V3的直流电。
[0071]两种再分配模式还可以是:图5中所描述的第三操作模式和图3中所描述的第四操作模式(可选的)。
[0072]在第四操作模式下，电池5向第二转换模块4提供具有电压V2的直流电，该第二转换模块4将该电流转换成供应第一转换模块3的具有电压Vl的直流电，并且第一转换模块3将该具有电压Vl的直流转换成输出交流电，该输出交流电被提供到机动装置6的外部，也就是说例如，该输出交流电被再分配给电网，在电能的所谓的“智能”管理的情况下，可以通过依靠与所述网络连接的机动装置的电池而具体地响应于电网上的消耗峰值。
[0073]必须强调的是，在该再分配模式的情况下，还可以通过第二转换模式4为设备7a、7b、7c提供具有电压V3的直流电，如在运行模式下一样。
[0074]参照图5，在第三操作模式下(该第三操作模式假设设备7a、7b、7c包括二次电池7a)，所述二次电池为第二转换模块4提供具有电压V3的直流电，例如用于转换成具有电压Vl的直流电并且供应第一转换模块3。
[0075]因此在第一转换模块3的输出产生的交流电能够被重新分配给电网，正如第四操作模式下一样。另选地，且如附图中所例示的，可以用来为与机动装置连接的辅助设备12 (例如，诸如膝上型计算机、移动电话、数字平板等这样的可移动电子设备)优选地提供相对较低的功率。有利地，该辅助设备可以借助于传统的插座进行连接，所述传统的插座还适合于将该辅助设备连接到电源。
[0076]输入交流电可以是单相或双相的或多相的，该单相例如具有85V到265V的电压，该双相例如具有200V到250V的电压，该多相具体为三相，例如具有380V到420V的电压。
[0077]第一转换模块3通常包括功率因数校正(PFC)电路，以限制输入电流谐波。该电路还具有在较宽的输入电压范围内运行的优势。
[0078]从第一转换模块3中产生并且供应第二转换模块4 (或可选地反之亦然)的直流电的电压Vl通常为270V到440V，优选地是290V到430V。通过示例，该电流可以具有大约400V的电压。
[0079]从第二转换模块4中产生并且供应电池5 (或反之亦然)的直流电的电压V2通常为20V到550V，优选地是24V到500V。根据一个实施方式，电压V2等于或者实际上等于电压VI。因此它大约可以为400V。根据另一实施方式，电压V2小于电压VI。例如，电压V2可以大约为60V。
[0080]应当注意的是，电压V2的值可以随着时间的推移而变化:原理上是电池5 (及其充电电平)赋予了电压V2的值。
[0081 ] 电压Vl还可以根据电压V2而变化，例如根据电池的充电电平，借助于第一转换模块3的工作条件向传递的电压V2的适应。
[0082]从第二转换模块4中产生并且供应设备7a、7b、7c (可选地或相反地)的直流电的电压V3通常小于电压Vl并且小于电压V2。
[0083]其通常为5V到20V，优选地是1V到15V，例如大约12V。
[0084]参照图4，描述了根据本发明的第二可逆转换模块4的示例。
[0085]因此，第二转换模块4包括第一转换电路8、第二转换电路9和第三转换电路10。
[0086]这三个转换电路8、9、10与单个变压器11 (即，包括单个磁性元件和与这三个转换电路8、9、10中的每一个相连接的至少三个绕组的变压器)连接。
[0087]第一转换电路8通过其端口中的与连接到变压器11的一端相对的一端与第一转换模块3连接。因此，该第一转换电路8将具有电压Vl的输入直流电转换成供应变压器11的中间交流电，或者可选地，反之亦然。
[0088]第二转换电路9通过其端口中的与连接到变压器11的一端相对的一端与电池5连接。因此，该第二转换电路9将从变压器中产生的中间交流电转换成具有电压V2的直流电，作为供应电池5 (在充电模式下)的输出，或者反之亦然(在运行模式或再分配模式下)。
[0089]第三转换电路10通过其端口中的与连接到变压器11的一端相对的一端与设备7a、7b、7c连接。因此，该第三转换电路10将从变压器11中产生的中间交流电转换成具有电压V3的直流电，作为供应设备7a、7b、7c的输出(在充电或运行模式或者可选地在再分配模式下)，或者可选地反之亦然(在再分配模式的某些实施方式中)。
[0090]因此，优选地，第一转换电路8、第二转换电路9以及第三转换电路10是可逆的，也就是说，它们能够在“正常”模式下或者在“逆转”模式下运行，正常模式下的电路的输入对应于逆转模式下的电路的输出，并且正常模式下的电路的输出对应于逆转模式下的电路的输入。
[0091]上述的中间交流电是具有优选的相对较高的斩波频率的交流电。
[0092]各个转换电路8、9、10包括例如一组开关元件(在图4中表示为Q1、Q2、Q3、Q4 ;Q5、Q6、Q7、Q8 ;以及Q9、Q10、Q11、Q12)。根据电路的使用的方向，这些开关元件被同时激活，以将直流电斩波成交流电或者将交流电整流成直流电。
[0093]优选地，设有数字编程器的集中控制单元具体地经由开关元件来控制三个转换电路8、9、10。
[0094]该控制单元可以具体地包括用于独立于(以不相关的方式)电压V2来调整电压V3的装置。这具体有利于便于根据对非常低电压的网络的电力供应有任何影响的电池5的充电电平来防止电压V2的变化。
[0095]当正在使用一个转换电路(例如运行模式下的第一转换电路8)时，可以通过开关元件(继电器)断开连接。
[0096]各个转换电路8、9、10，并且具体地第三转换电路10，可以包括同步整流装置，可以通过积极地同步地控制二极管和MOSFET类型的部件来提高效率。
【权利要求】
1.一种用于机动装置￠)的充电装置(2)，所述机动装置(6)包括电池(5)和其中具有二次电池(7a)的设备(7a、7b、7c)，所述充电装置包括第一转换模块(3)和连接至所述第一转换模块(3)的第二转换模块(4)，其中: -所述第一转换模块(3)还适合于连接至交流电源(I); -所述第二转换模块(4)还适合于连接至所述电池(5)并且连接至所述设备(7a、7b、7c)，并且所述第二转换模块(4)包括单个变压器(11); 所述充电装置(2)适合于: -通过所述交流电源(I)被供应输入交流电，在所述第一转换模块(3)中将所述输入交流电转换成具有第一电压的直流电，而且: ?在所述第二转换模块(4)中将具有所述第一电压的所述直流电转换成具有第二电压的直流电，并且为所述电池(5)提供具有所述第二电压的所述直流电，以及 ?在所述第二转换模块(4)中将具有所述第一电压的所述直流电转换成具有第三电压的直流电，并且为所述设备(7a、7b、7c)提供具有所述第三电压的所述直流电；以及 -通过所述电池(5)被供应具有所述第二电压的直流电，在所述第二转换模块(4)中将具有所述第二电压的所述直流电转换成具有所述第三电压的直流电，并且为所述设备(7a、7b、7c)提供具有所述第三电压的所述直流电；以及 -通过所述二次电池(7a)被供应具有所述第三电压的直流电，并且在所述第二转换模块(4)中将具有所述第三电压的所述直流电转换成具有所述第一电压的直流电，以供应所述第一转换模块(3)。
2.根据权利要求1所述的充电装置(2)，所述充电装置(2)还适合于: -通过所述电池(5)被供应具有所述第二电压的直流电，在所述第二转换模块(4)中将具有所述第二电压的所述直流电转换成具有所述第一电压的直流电，在所述第一转换模块(3)中将具有所述第一电压的所述直流电转换成输出交流电，并且为所述交流电源(I)提供所述输出交流电。
3.根据权利要求1或2所述的充电装置(2)，其中，所述第二转换模块(4)包括与所述第一转换模块(3)连接的第一转换电路(8)、适合于与所述电池(5)连接的第二转换电路(9)以及适合于与所述设备(7a、7b、7c)连接的第三转换电路(10)，这三个转换电路(8、9、10)与所述单个变压器(11)连接，所述充电装置(2)优选地包括用于控制这三个转换电路(8、9、10)的单元。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的充电装置(2)，所述充电装置(2)适合于为所述电池(5)提供具有所述第二电压的直流电，同时为所述设备(7a、7b、7c)提供具有所述第三电压的直流电，所述充电装置(2)优选地包括用于独立于所述第二电压调整所述第三电压的装置。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的充电装置(2)，其中: -所述输入交流电具有80V到300V、优选的85V到265V的电压，和/或0.5kff到35kW、优选的IkW到6kW的功率；和/或 -所述第一电压等于270V到440V、优选的290V到430V ;和/或 -所述第二电压等于20V到550V、优选的24V到500V ;和/或 -所述第三电压等于5V到20V、优选的1V到15V，例如大约12V。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的充电装置(2)，其中，所述设备(7a、7b、7c)还包括从传感器、指示灯、车载计算机、照明装置和汽车收音机中选择的一项或多项设备。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的充电装置(2)，其中，所述机动装置(6)是车辆，优选地是电力供应的机动车辆。
8.一种机动装置(6)，所述机动装置(6)包括根据权利要求1至7中任意一项所述的充电装置(2)、所述电池(5)以及所述设备(7a、7b、7c)，除了所述二次电池(7a)之外，所述设备(7a、7b、7c)优选地是从传感器、指示灯、车载计算机、照明装置和汽车收音机中选择的。
9.根据权利要求8所述的机动装置￠)，所述机动装置(6)是车辆，优选地是电力供应的机动车辆。
10.—种用于对电池(5)进行充电并供应机动装置(6)的设备(7a、7b、7c)的方法，所述设备(7a、7b、7c)包括二次电池(7a)，所述方法包括以下步骤: -根据第一操作模式，提供输入交流电，将所述输入交流电转换成具有第一电压的直流电；以及: ?将具有所述第一电压的所述直流电转换成具有第二电压的直流电，并且为所述电池(5)提供具有所述第二电压的所述直流电；和/或 ?将具有所述第一电压的所述直流电转换成具有所述第三电压的直流电，并且为所述设备(7a、7b、7c)提供具有所述第三电压的所述直流电； -根据第二操作模式，通过所述电池(5)提供具有所述第二电压的直流电，将具有所述第二电压的所述直流电转换成具有第三电压的直流电，并且为所述设备(7a、7b、7c)提供具有所述第三电压的所述直流电； -根据第三操作模式，通过所述二次电池(7a)提供具有所述第三电压的直流电，将具有所述第三电压的所述直流电转换成具有所述第一电压的直流电，以及将具有所述第一电压的所述直流电转换成交流电； 所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式适时地单独执行； 其中，直流电向具有不同电压的另一直流电的每个转换步骤包括借助于同一单个变压器(11)转换成中间交流电的步骤。
11.根据权利要求10所述的充电和供应方法，所述方法还包括: -根据第四操作模式，通过所述电池(5)提供具有所述第二电压的直流电，将具有所述第二电压的所述直流电转换成具有所述第一电压的直流电，以及将具有所述第一电压的所述直流电转换成输出交流电，并且向外部电网提供所述输出交流电。
12.根据权利要求10或11所述的充电和供应方法，其中， 在所述第一操作模式下，为所述电池(5)提供具有所述第二电压的直流电和为所述设备(7a、7b、7c)提供具有所述第三电压的直流电是至少部分地同时的，所述方法优选地包括独立于所述第二电压调整所述第三电压。
13.根据权利要求10至12中任意一项所述的充电和供应方法，其中: -所述输入交流电具有80V到300V、优选的85V到265V的电压，和/或0.5kff到35kW、优选的IkW到6kW的功率；和/或 -所述第一电压等于270V到440V、优选的290V到430V ;和/或 -所述第二电压等于20V到550V、优选的24V到500V ;和/或 -所述第三电压等于5V到20V、优选的1V到15V，例如大约12V。
14.根据权利要求10至13中任意一项所述的充电和供应方法，其中，除了所述二次电池(7a)之外，所述设备(7a、7b、7c)还包括从传感器、指示灯、车载计算机、照明装置和汽车收音机中选择的一项或多项设备。
15.根据权利要求10至14中任意一项所述的充电和供应方法，其中，所述机动装置(6)是车辆，优选地是电力供应的机动车辆。
【文档编号】H02J7/00GK104471850SQ201380035854
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年7月19日 优先权日:2012年7月20日
【发明者】E·比阿吉尼, F·科斯特 申请人:智能电子系统公司