专利名称：电力车辆蓄电池充电器的制作方法
以下给出的美国申请作为直接申请与本申请同日提出，本申请有赖于它们，并作为参考包含于本申请中。
同日一并提出的名为“平顶原理”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,295；同日一并提出的名为“感应电动机及相关的冷却方法”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,332；同日一并提出的名为“电力车辆用的汽车12V系统”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,333；同日一并提出的名为“电力车辆推进系统用的直冷式开关件”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,334；同日一并提出的名为“电力车辆推进系统”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,335；同日一并提出的名为“高压电动机控制用的速度控制及引导技术”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,336；同日一并提出的名为“电力车辆推进系统电机控制器用的矢量控制板”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,337；同日一并提出的名为“带整体测试和控制的数字脉冲宽度调制器”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,338；同日一并提出的名为“电力车辆的控制机构”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,339；同日一并提出的名为“改进的功率变换器EMI过滤器布局”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,340；同日一并提出的名为“电源与底盘间灵敏泄漏电流的故障检测电路”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,341；
同日一并提出的名为“电力车辆的继电组件”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,342；同日一并提出的名为“三相电桥组件”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,343；同日一并提出的名为“带自检测的电力车辆推进系统电桥”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,344；同日一并提出的名为“测试电力车辆推进系统用电桥的方法”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,345；同日一并提出的名为“电力车辆的配电组件”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,346；同日一并提出的名为“电力车辆底盘控制器”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,347；同日一并提出的名为“电力车辆系统控制单元的机壳”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,348；同日一并提出的名为“电力车辆系统控制单元的低成本液冷式机壳”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,349；同日一并提出的名为“电力车辆冷却泵组件”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,350；同日一并提出的名为“散热变压器线圈”的美国申请，标有代理人备审案件目录No.58,351。
本发明涉及电力车辆，具体地说，涉及安装在车上的蓄电池充电器。虽然本发明是以广泛的应用为条件的，但它特别适用于利用蓄电池或电池与其它能源，如与交流发电机耦接的热力发动机为动力源的电力车辆，并将就此予以特别地描述。
长期以来，内燃机已承担了世界运输需求的重要份额。然而，可以料到的是，作为供给全球内燃机车、舰船所用燃料的石油储量很快或者最近就将减少到一个内燃机车燃料的成本成为无法接受的点。另一个使内燃机车的特点黯然的因素是对这种车辆的排出物日渐严格的管理规章。这些以及其它因素已导致加大努力，去开发商业上具有生命力的对内燃机车辆的替换，即采用电力推进系统。
对于商业上具有生命力的电力车辆而言，其成本和运转性能应该是与它的内燃对手不相上下的。有代表性的是，车辆的推进系统以及蓄电池对车辆的成本及运转性能是比较有贡献的主要因素。特别是，由于电力车辆将没有足够的续航力返回车站去给它的蓄电池充电的缘故，用户可能不愿意为电力车辆而抛弃他们的内燃车辆。由于没有准确的方法测定蓄电池中所保持的电量，以及在寒冷的气候条件下蓄电池受到的有效续航力下降引起的诸多不确定因素证明了这种缘故。此外，大多数用户希望他们的蓄电池能在家很快地充电。因此，在接受并采用电力车辆的过程中，能将其插入标准的额定230V插座的车载蓄电池充电器是一个重要的因素。
到目前为止，尚无有关用于电力车辆的蓄电池的标准。有些较为通用类型的蓄电池包括普通铅酸蓄电池、高浓度铅酸蓄电池、深度放电铅酸蓄电池、镍-镉蓄电池、镍-金属蓄电池，以及镍-金属-氢化物蓄电池。比较新的并且更先进类型的蓄电池目前在发展中。在电力车辆被销售以后，更新、更便于使用的蓄电池很快就能成为适用的，同时造成一种刺激，将新型电池安装在车辆上。
即使是单个的蓄电池，根据其充电的情况，其端电压也在较宽的范围变化。于是，所期望的电力车辆电池的端电压可从100V左右直至并超过600V变化。对每种特定种类蓄电池或电池组的组合电压设计一种单独的蓄电池充电器，从经济上讲是不合理的。若电池种类是高级的，或者换句话说是变化的时候，更换电池充电器对二者似乎都不是经济的。所以，就存在对通用的车载蓄电池充电器的需求，它能在整个端电压的宽范围内供给充电电流。
对车载蓄电池充电器的另一个要求是，它应该小而轻，因为车辆所带来的每一磅超重都意味着在“中途加油”(再充电)之前所能运行的距离更短。因为12V电源、泵、冷却液，或者其它辅助支撑能力并非总是合适的，所以，蓄电池充电器还必须是自给的。因此，蓄电池充电器必须是风冷的，而且还必须从230V充电电源供给它自身的工作动力。由于蓄电池充电器被安置在车上，它必须存在于车辆的环境内，并能从-40℃到+85℃工作。此外，由于要把充电器插入电气输出端，那里存在致命的电压，所以，在工作期间，必须伪装不安全的危害。保证安全工作的唯一办法是，像在住宅环境中一般采用监视器并保护故障电路那样，通过规范的接地故障电路断续器(GFCI)，提供蓄电池充电器工作的能力。尚无电力车辆的蓄电池充电器普遍地满足上面列出的全部要求。
因此，本发明针对一种电力车辆的蓄电池充电器，它实质上消除了一个或多个由相关领域的限制和缺陷所引起的问题。
在下面的描述中，将列出本发明的优点或进步，而且有一部分从这些描述中是很明显的，或者可通过本发明的实践而得以认清。由本申请所写的说明书和权利要求书以及附图所特别指出的方法和装置，将认识并实现本发明的目的和其它优点。
为实现这些以及其它优点和本发明的目的，作为具体描述和一般描述，本发明提供一种电力车辆的蓄电池充电器，它包括一个输入电路，用以接受具有在第一和第二值之间变化的电压的交流输入功率，还包括功率因数控制电路，用以维持交流输入电源的功率因数超过基本的功率因数值。所述功率因数控制电路包括一个输出电容器、用以建立输出电容器的输出电压的升压调节电路，和一个调节控制电路，用以维持输出电压超过第二交流输入电压值。本蓄电池充电器还包括一个变换电路，用以将所述输出电容器中储存的能量转换成充电电压下的直流充电电流，以便给车辆的蓄电池充电。
另一方面，本发明提供一种电力车辆的蓄电池充电器，它包括输入电路、功率因数控制电路和变换电路。所述变换电路还包括两对MOS控制的晶闸管(MCT)，每个管都有栅极和第一、第二开关电极。每对MCT中之一的第一开关电极被耦接到所述功率因数控制电路输出电容器的第一线端，每对MCT中另一个的第二开关电极被耦接到所述输出电容器的第二线端，并保持每对MCT的各开关电极连到各个MCT的连接点。所述变换电路还包括输出整流电路、电路公用连线和输出变压器。所述输出变压器具有连到输出整流电路的次级绕组、接到电路公用连线的中心抽头、具有耦接于一个MCT连接点的第一线端的初级绕组和漏电感。所述变换电路还包括具有耦接于另一个MCT连接点的第一线端以及耦接于所述初级绕组第二线端的谐振电容器。所述谐振电容器和漏电感产生变换电路谐振频率，比输入电源的频率大至少500倍。
应当理解，上面的一般描述以及下面的详细描述都是举例的和说明性的，并且应当延伸它们，给出作为权利要求的本发明的说明。
为进一步理解本发明所包含的，并且被结合到本说明书且构成它的一部分的各附图示出本发明的优选实施例，而且它们与叙述一起用来说明本发明的组成部分。这些附图中，
图1是本发明优选实施例电力车辆推进系统的方框图；图2是图1电力车辆推进系统的配电图；图3是图1电力车辆推进系统的工作原理图；图4是图1-3所示蓄电池充电器的方框图；图5是图4的电涌限制电路和功率因数控制电路的电路简图；图6是图5的栅极驱动电路的电路简图；图7是图4的变换电路的电路简图；图8是图7所示栅极驱动电路的电路简图。
以下将详细论及本发明的优选实施例，附图示出本发明的一个实例。
如图1所示，给出一个电力车辆推进系统10，它包括系统控制单元12、电动机总成24、冷却系统32、蓄电池40和DC/DC变换器38。所述系统控制单元12包含散热板14、蓄电池充电器16、电动机控制器18、配电组件20和底盘控制器22。电动机总成24包括解析器26、电动机28和滤波器30。冷却系统32包括油泵单元34和水箱/风扇36。
图2是电力车辆推进系统10的配电图。如图2所示，蓄电池40用为电力车辆推进系统10的主电源，它包括比如密封铅酸蓄电池、单极锂-金属-硫化物蓄电池、双极锂-金属-硫化物蓄电池等，给出320V输出。电力车辆推进系统10最好在比如120V到400V的整个宽电压范围工作，以适应蓄电池40输出电压因放电负载或放电深度所致的变化。不过，电力车辆推进系统10最适合于大约320V的额定电池电压。
配电组件20与蓄电池40的输出端耦接，而且其中包括保险丝、导线，以及将蓄电池40的320V输出分配给电力车辆推进系统10各部件的连接器。譬如，配电组件20将蓄电池40的320V输出分配给电动机控制器18、DC/DC变换器38、油泵单元34和蓄电池充电器16。配电组件20还把蓄电池40的320V输出分配给电力车辆推进系统10以外的车辆各辅助设备。这些车辆辅助设备包括比如空调系统、加热系统、动力转向系统，以及一切可能需要320V电源的其它辅助设备。与本申请同日提出的名为“电力车辆的配电组件”的美国系列专利申请No.08/258157(西屋公司案号No.58,346)公开了有关配电组件20的附加细节。
如上所述，DC/DC变换器38耦接于配电组件20的320V输出端，将配电组件20的320V输出变换成12V。然后，DC/DC变换器38将它的12V输出作为工作电源送至蓄电池充电器16、电动机控制器18、底盘控制器22、油泵单元34和水箱/风扇36。DC/DC变换器38还将它的12V输出作为工作电源送至电力车辆推进系统10以外的车辆各辅助设备。这些车辆辅助设备包括比如车辆的灯光、音响系统，以及一切可能需要12V电源的其它辅助设备。应当理解，DC/DC变换器38免除了对一个单独的12V蓄电池的需求。与本申请同日提出的名为“电力车辆用的汽车12V系统”的美国系列专利申请No.08/258142(西屋公司案号No.58,333)，和名为“散热变压器线圈”的美国系列专利申请No.08/258141(西屋公司案号No.58,351)公开了有关DC/DC变换器38的附加细节。
如图3所示，电力车辆推进系统10的各组件经各数据总线互相连接。所述总线可以是本领域所公知的电学类、光学类或者电-光类型的。
蓄电池充电器16接受来自电动机控制器18指令信号，并将多种状态信号送给电动机控制器18，以给蓄电池40充电。蓄电池充电器16从外部交流电源(图3未示出)提供受到控制的蓄电池充电电流。正像下面将要叙述的，在功率因数接近1并且非线性畸变较低的条件下，按预期的目标功率质量标准，从外部电源取出交流电流。另外，将蓄电池充电器16设计成适合于标准的接地故障电流断续器以及在住宅地段正常得到的单相电源。
以下参照图4，它表示图1-3所示蓄电池充电器的方框图。从标准的住宅区插座50的交流230V/50或60Hz将交流功率送至蓄电池充电器16。虽然额定电压是230V(AC)，但实际上这个电压可从大约185V(AC)的第一值变化至大约265V(AC)的第二值。引进的电功率被送至输入电路，所述输入电路包含线路滤波器52，它用来减少传入交流电源网络的高频谐波；所述输入电路还转换蓄电池充电器16产生的瞬态。滤波器52的设计是常规的，将不再更详细地描述。
来自滤波器52的滤波交流功率被送给电涌限制电路54。当蓄电池充电器16第一次被启动时，这个电路确保不出现大的初始启动电流。实际上，一般的说，电涌限制电路54将流入蓄电池充电器16的电流限制到1.75安培的初始启动电流值，在RC时间常数为0.46秒情况下，它衰减为0。
电涌限制电路54的输出被送给功率因数控制电路55。功率因数控制电路55维持接到插座50的交流电源线路的功率因数基本为1，以防止产生电源线路的高频谐波。正如将要更为详细描述的那样，功率因数控制电路55促使通过蓄电池充电器16的电流波形，使之与电压波形配合。功率因数控制电路55还用来把蓄电池充电器16加给的电流限制为预定值。
功率因数控制电路55包括升压调节电路56、调节器控制电路57和输出电容器58。在蓄电池充电器16正常工作时，升压调节电路56使输出电容器58充电至超过285V的第二输出交流电压值的电压，就像由调节器控制电路57所建立的一样。在本优选实施例中，调节器控制电路57在输出电容器58上建立385V的电压值。
功率因数控制电路55的输出被送给变换电路59，该变换电路包括谐振变换器60、控制电路61、独立电源62和整流电路64。整流电路64的输出端将直流充电电流送给蓄电池40。
现在参照图5，更为详细地描述电涌限制电路54。电涌限制器54包括四支路桥式整流电路70，它有第一二极管72、第二二极管74、由硅受控整流管(SCR)76组成的第一受控整流装置和由SCR78组成的第二受控整流装置。
经过滤波的交流输入功率从滤波电路52经第一和第二输入导线80、82被送入。第一输入导线80连到二极管72与SCR76的连接点。第二输入导线82连到二极管74与SCR78之间的连接点。整流桥式电路70的第一输出端84连到第一和第二SCR76、78的连接点。整流桥70的第二输出端86连到二极管72、74的连接点。整流桥70的第二输出端86经电流灵敏电阻器88连到电路公共接点90。限制电涌的电阻器92和由二极管94组成的启动整流管被串联连到送入导线80与整流桥70的第一输出端84之间。
本发明包括被耦接到功率因数控制电路的装置，用以在蓄电池充电器启动之后，以选择方式启动受控滤波器件的控制端。正如这里的实施例中，所述选择启动装置包括启动电路98和电涌限制电路54的变压器118。启动电路98包括一对二极管100、102；电容器104、106和108；以及电阻器110、112。电阻器110连到SCR78的控制端，电阻器112连到SCR76的控制端。
电涌限制电路54还包括变压器118的次级绕组114和116。变压器118还包括要与功率因数控制电路55一起更为全面描述的初级绕组120。次级绕组114连到二极管100和102的连接点，并且连到电容器104和106的连接点。
次级绕组116连到滤波电路122的输入端，该滤波电路把直流控制信号送给晶体管126的栅极124。晶体管126的集电极172连到整流电路130的一个输出端，此整流电路的输入端连到变压器134的次级绕组132。变压器134还包括五个附加的次级绕组135a、135b、135c、135d和135e。整流电路130的另一个输出端连到功率因数控制芯片136的15V电源。
变压器134整个次级绕组132和135a-135e给出大约30V的交流输出。整流电路130为常规结构，并给出大约直流20V的滤波的直流工作电源，供以下要更全面描述的功率因数控制芯片136用。
如图5所示，功率因数控制电路55包括功率因数控制芯片136。该功率因数控制芯片136商业上适用的可以是线性技术公司(Linear Technologies，Inc.)的LT1248型集成电路。功率因数控制电路55还包括电压波形灵敏电路，此电路包括电阻器138和电容器140。电阻器138的第一端连到桥式整流电路70的输出导线84。电阻器138的另一端连到电容器140的一端及芯片136的交流电流灵敏输入端142。电容器140的另一端连到电路公共接点90。
输出端86和电流灵敏电阻88的连接点经导线144连到功率因数控制芯片136的电流灵敏端146。
变压器118的初级绕组120连到输出端84和开关场效应晶体管(FET)150的漏极148。本优选实施例中，FET150为国际整流器公司(International Rectifier Co.)制作的IRFP450型开关FET。FET150最好具有连续的14安培额定电流值和500V额定电压值。FET150的源极152连到电路公共接点90。FET150的栅极154连到栅极驱动电路156的输出端，此栅极驱动电路156的输入端连到功率因数控制芯片136的栅极驱动输出端158。
FET150的漏极148还连到二极管160的一端，该二极管的另一端连到输出电容器58。本优选实施例中，在正常工作期间，输出电容器58被充电到385V的工作电压，其中蓄电池充电器16给蓄电池40送出20安培的充电电流。因此，本优选实施例中，输出电容器58为具有直流450V额定电压的2200微法铝电解电容器。
由一对电阻164和166构成的分压器并联在电容器58的两端。连到电阻164和166连接点的电压读出线168被送到功率因数控制芯片136的电压读出端170。
整流电路130经导线174连到功率因数控制芯片136的输入电源端176。电阻177也连到导线174以及输出电容器58。
变压器134经其次级绕组132耦接到晶体管126，它有带中心抽头的初级绕组178，该初级绕组178连到低功率变换电路180的输出端。低功率变换电路180的输入端连到稳压器芯片182。从滤波电路52的输出端80和82将滤波的交流功率经电容器181和整流电路184送给稳压器芯片182。整流电路184包括桥式整流器184a、电容器184b和齐纳二极管184c。本优选实施例中，整流电路184和电容器181用作对稳压器芯片182提供15V滤波直流功率的电流源，所述芯片商业上适用的可为新罕布什尔Unitrode IntegratedCircuits Corporration of Merrimack的UC2526ADW型稳压器芯片。稳压电路182用作对多个与次级绕组135a-135e相连的浮置电源的公用电源控制电路，这将与变换电路59一起更为全面地描述。低功率变换电路180给初级绕组178提供经转换的直流输入功率。电路180为常规结构，它可包括一对商业上适用的国际整流器公司(International Rectifier Co.)IRFR110型开关FET。
图6表示图5的栅极驱动电路的电路简图。栅极驱动电路156包括电阻器183，它有一端连到功率因数控制芯片136的栅极驱动输出端158。电阻器183的另一端连到开关FET150的栅极154。
另一个电阻器185的一端也连到栅极154。电阻器185的另一端连到电阻器186的一端。电阻器186的另一端连到二极管187的阳极，该二极管的阴极连到电路公共接点90。电容器188与电阻器185并联连接。另一个电容器189连在功率因数控制芯片136的栅极驱动输出端158与电阻器185和186的连接点之间。
图7表示变换电路59的电路简图。变换电路59包括电源62，给变换电路59内的电路提供工作电源。具体地说，电源电路62包括整流电路184、稳压电路182、低功率变换电路180和变压器134(图5)。电源电路62还包括四个独立的浮置栅极驱动电源190a、190b、190c和190d。浮置栅极驱动电源190a-190d中的每一个连到单独一个次级绕组135a、135b、135c和135d。栅极驱动电源190a-190d都是一样的，所以，将只详细描述栅极驱动电源190a。
一般说来，栅极驱动电源190a包括桥式整流电路192、电阻器194、电容器196和198，以及由调节齐纳二极管200组成的基极负载器件。将大约15V水平的交流输入电源供给桥式整流电路192的输入端。电阻器194、电容器196和198，以及由调节齐纳二极管200组成的基极负载器件并联跨接在桥式整流电路192的输出端。于是，浮置栅极驱动电源190a经导线202a给谐振变换电路60的栅极驱动电路204a提供15V的直流工作电源。按照同样的方式，栅极驱动电源190b、190c和190d分别经导线202b、202c和202d给对应的栅极驱动电路204b、204c和204d提供工作电源。本优选实施例中，栅极驱动电路204a-204d中的每一个都是商业上适用的加利福尼亚Teledyne Semiconductor Corporation of MountainView的TC4425EOA型双栅驱动器芯片。
各栅极驱动电源190a-190d中的调节齐纳二极管200与电容器181及整流电路184一起起作用，使电容器181及整流电路184严格地起电流源的作用。特别是将电容器181的值选成为在所加电压条件下允许所需电流而提供必要的特定阻抗，并且即使在栅极驱动电路204a-204d没有共同得出所需的电流的情况下，电源190a-190d中的基极负载器件200在所需电压条件下确保所需电流将能流过。
本优选实施例中，需要在交流230V条件下提供0.5安培的电流。所以，电容器181的值被选成8微法。
现在参照图8，它表示栅极驱动电路204a的电路简图。栅极驱动电路204b、204c和204d与栅极驱动电路204a是一样的。所以，将只详细描述栅极驱动电路204a。如上所述，栅极驱动电路204a包括TC4425EOA型双栅驱动器芯片250。芯片250包括非反相放大电路252和反相放大电路254，每个都连到公共电源输入端256和公共接地端258。端点256和258连到导线202a。电容器260跨接到端点256和258上。
电路252和电路254各自还包括输入端262和264。栅极驱动电路204a中的输入端262和264连接在一起，形成一个输入端266，它连到光隔离电路216a的输出端。芯片250还包括一对输出端268和270，它们分别连到MCT220a的源极和栅极。
工作时，栅极驱动电源190a对栅极驱动电路204a的端点256和258提供单端15V直流工作电源。光隔离电路216a对输入端266产生一个在直流电压0至+15V之间变化的脉冲信号。从而，栅极驱动电路204a将光隔离电路216a提供的15V脉冲信号变换成微分15V的MCT驱动脉冲信号，经端点268和270被送给MCT220a的源极和栅极。虽然采用独立的浮置栅极驱动电源190a-190d，仍可将微分驱动信号送至MCT220a-220d，而无需负电压源。
变换电路59的控制电路61被供送来自电动机控制器18的电池能量控制系统(BEMS)的脉冲宽度调制(PWM)信号208，所述电动机控制器18监视蓄电池40的充电情况，以确定所需的充电电流的量。PWM信号208被送给PWM-DC转换电路210。转换电路210根据由BEMS控制的、拟由蓄电池充电器16传送给蓄电池40的蓄电池充电电流大小产生一个直流电压，在本优选实施例中，此电压在4-14V之间变化。转换电路210将此变化的直流电压送给控制电压的振荡器(VCO)212。VCO212产生一个脉冲信号，本优选实施例中，此信号随着转换电路210所产生的直流4-14V信号在4KHz-85KHz之间变化。
VCO212产生的脉冲信号被送给栅极驱动逻辑电路214。栅极驱动逻辑电路214调整由VCO212所产生的脉冲信号，以产生其宽度与下面将特别详细描述的谐振变换电路60的谐振频率相适应的脉冲信号。本优选实施例中，栅极驱动逻辑电路214所产生的脉冲的宽度是5微秒。此后，栅极驱动逻辑电路214通过光隔离电路216a、216b、216c和216d将脉冲信号送到栅极驱动电路204a、204b、204c和204d。栅极驱动逻辑电路214还有温度断路特性，这使得当蓄电池充电器16的温度超过预定值，如100℃时，栅极驱动逻辑电路214中断产生输出信号。
栅极驱动逻辑电路214还接受来自BEMS的ENABLE信号，该信号允许BEMS以选择的方式中断蓄电池充电器16的工作一段较短的时间，以允许BEMS监视蓄电池40的充电情况。栅极驱动逻辑电路214还包括内监视电路，它监视来自BEMS的PWM占空因数，使栅极驱动逻辑电路214只在PWM占空因数在5％至95％之间时工作。
与次级绕组135e(图5)耦接的电源电路215对转换电路210、VCO212及栅极驱动逻辑电路214提供工作电源。
谐振变换电路60的栅极驱动电路204a-204d的每一个各自连到MOS控制的晶闸管(MCT)220a、220b、220c和220d。每个MCT220a-220d都包括带一对转换输出端的电子开关，所述输出端以选择方式由栅极驱动电路204a-204d产生的栅极驱动信号启动。
MCT220b和220c的输出端以串联方式跨接在一对导线222间，这对导线回连到输出电容器58的输出端。同样地，MCT220a和220d的输出端以串联方式跨接在导线222间。MCT220b和220c的连接点接到谐振电容器224的一端。谐振电容器224的另一端连到变压器228初级绕组227的一端226。初级绕组227的另一端229由导线230连到MCT220a和220d的连接点。
变压器228包括在整流电路64中的中心抽头的次级绕组232。次级绕组232的一端连到二极管234的第一端。次级绕组232的另一端连到另一个二极管236的第一端。二极管234和236的第二端连到电容器238的一端，电容器238的另一端连到蓄电池的负引线239。二极管234和236的的连接点还连到输出电感240的一端。输出电感240的另一端连到一个输出端241，这一端将蓄电池充电电流送到蓄电池40的正极。于是，二极管234和236、电容器238和输出电感240形成整流电路64。
谐振变换电路60包括由电容器224和变压器228的漏电感组成的谐振功率电路。电容器224和变压器228的漏电感之间的谐振作用放大了电容器224两端的电压，这大大增加了电容器224中的能量，因为该能量与电容器224两端电压的平方成正比。
本优选实施例中的变压器228被绕在铁氧体磁心上，所述磁心在25℃下的磁导率为2700，其形状包括两部分—一个成“矩形C”状，一个为棒状，组成闭合磁路。变压器228的初级绕组227由36匝1.2英寸宽、5密尔厚的铜金属薄片构成。次级绕组232由47匝同样的铜金属薄片构成。本优选实施例中，变压器228的漏电感在90到100微亨范围内，最好为95微亨。
以下将说明蓄电池充电器16的工作情况。当把蓄电池充电器16插入插座50(图5)中时，交流230V的电源经线路滤波器52被供给，并出现在输入导线80和82上。充电电流流过限制电涌的电阻器92、二极管94、初级绕组120和二极管160，给输出电容器58充电。虽然还将输入电流送至整流电路70，但SCR76和78最初处在未导通状态，所以没有电流流过整流电路70的下半部。这时，线端124使晶体管126不导通。于是，只有出现在导线174上的电压通过连到输出电容器58的电阻177。于是，输出电容器58在受到流过电阻器92的电流所限定的慢速率下充电。
在预定的时间之后，输出电容器58充电到一个足以在导线174上产生15.5V电压的值。随之，由于周期性地启动栅极驱动端158和栅极驱动电路156，使晶体管150周期性开关，所以功率因数控制芯片136开始工作。这在变压器118的初级绕组120上引起周期性的电压极性变换，这回过来在次级绕组114和116两端感应一个交流电压。
在次级绕组116两端产生的交流电压被整流电路122整流，在晶体管126的基极124上产生一个信号。然后使晶体管126变成导通。在首先将蓄电池充电器16接到插座50的情况下，变压器134的初级绕组178已经通过整流电路184和稳压器芯片182的作用，由低功率变换器180被预先供给能量。于是，次级绕组132两端呈现的输出电压被整流电路130整流，并被送到线端176，对功率因数控制芯片136提供调节状态的工作电源。
当输出电压出现于变压器118次级绕组114的两端时，启动电路98对SCR76和78的控制端产生启动信号。然后，整流电路70可起全波桥式整流器的作用，具有从输出导线84和86供给充分的蓄电池充电电流的能力。本优选实施例中，充分的蓄电池充电电流被确定为20安培。
功率因数控制芯片136包括缓慢启动电路，在把工作电源加给芯片136之后，此电路缓慢地使得晶体管150和变压器118初级绕组120起升压调节器的作用。本优选实施例中，调节器控制电路57包括LT1248型功率因数控制芯片136的积分部分。通过监视送给电压读出端170的电压，功率因数控制芯片136的调节控制性能将输出电容器58两端的电压调节在所需的385V输出电压。当然，通过适当调节功率因数控制芯片136，也可以得到别的输出电压。正如在应用有关LT1248型芯片出版的文献中所描述的那样，设定输出电压的过程是本领域所公知的。
功率因数控制芯片136的升压调节器功能允许所要采用的蓄电池充电器16从插座50供给的交流输入电压有较宽的变化。当输出电容器58上保持所需的输出电压时，通过功率因数控制芯片136使FET150在较高的占空因数控制下工作，可得到较低的线路电压。在交流插座50的输入电压较高的情况下，功率因数控制芯片136在较低的占空因数下控制FET150。本优选实施例中，通过将输出电容器58上的输出电压设定在高于插座50供给的最高交流线路电压的峰值电压，蓄电池充电器16维持交流输入插座50处的功率因数值基本上为1。
维持交流输入电源线路的功率因数基本为1，可防止发生电源线路的频率谐振。通过在波形输出端142读出电阻器138和电容器140两端的电压波形，并迫使通过电阻器88的电流波形与所述电压波形成比例并且同相，可由所述功率因数控制芯片达到功率因数1。通过在插座50处的交流输入电压频率条件下改变开关FET150的占空因数，功率因数控制电路56迫使通过电阻器88的电流波形与电压配合。
功率因数控制电路56还经导线144和电流读出输入端146读出通过电阻器88的电流，以便按两种方法限制此电流。第一种方法是，通过适当设置功率因数控制芯片136，将输入电流限制为所需的值，如30安培。如果变换电路59所需超过30安培，则功率因数控制芯片136降低输出电容器58处所供给的输出电压，直至由30安培来满足功率需求。第二种限制电流的方法是过电流瞬态情况下使用的保护特性，功率因数控制芯片136中所提供的控制循环要想跟上这种瞬态，这种瞬态太快。把这种保护特性被设定在一个比30安培的限制高接近10％的值情况，并通过把过电流保护特性并入功率因数控制芯片136中来实现这种保护特性。如果变换电路59所需的峰值电流大于这个保护特性值，功率因数控制芯片136就在栅极驱动控制端158处中止信号，从而阻断了开关FET150的开关功能，也阻断了升压的功能，直至过电流情况被消除。如果实现了限制保护电流的特性，则由所述功率因数控制芯片利用缓慢导通特性开始恢复正常工作，这种缓慢导通特性逐渐增大输出电容器58的设定值输出电压，直至达到所需的输出值。按照这种方法，功率因数控制电路56限制连到插座50的交流线路上产生大电流电涌。
以下将参照图6描述栅极驱动电路156的工作情况。图6中的开关FET150包括由电容器153代表的栅-源电容。在比如晶体管150这样的电源开关FET中，这个电容值可以是很大的。为导通FET150，必须使这个电容充电，超过给定的阈值电压。为断开FET150，必须使栅-源电容153放电。为了快速开关，公知的是过充电该电容，从而快速达到所述阈值电压。为尽快断开FET，必须按另一方向过充电该电容。这就需要必须消极地关于源极152驱动栅极154。这一般需要负电源。然而，栅极驱动端158构成单端电源，并且在电力车辆的车载蓄电池充电器中装设负电源的措施不方便而且费钱。
因此，本发明提供一种由电阻器183、185和186形成的电阻分压器。该分压器包括构成栅极驱动电路156输入端的第一端和连到二极管187阳极的第二端。所述电阻分压器还形成一对连接点，其中第一点构成电阻器183与185之间的连接点，第二点构成电阻器185与186之间的连接点。
本优选实施例中，电阻器183、185和186中的每一个都有同样的50Ω的值。于是，当功率因数控制电路158的栅极驱动输出端被提高到比如15V时，栅极154处的电压将是这个值的2/3，或者是大约10V。10V是大于FET150的阈电压的，并且FET150被导通。随后，电容器189被充电到大约10V。电容器188被充电到大约5V，并且。栅-源电容153被充电到大约10V。
这种情况从栅极驱动输出端158上产生的第一脉冲开始，并且当电容器188和189至少比栅-源电容153大10倍并且当电阻器183、185和186与电容器188和189形成的时间常数比晶体管150的转换间隔长几倍时，所述情况形成于几个转换间隔内。在该优选实施例中，电容器188和189的值均为0.47微法。
当栅极驱动输出端158的电压值为15V，并且晶体管150的源极152被连到电路公共接点时，电容器188、189和153也对此电压分压，但不是均等地分压。当栅极驱动输出端158被启动至电路公共接点的电位时，电容器188、189以及栅-源电容153两端电压总和必定变成0。但是电流只能流过电容器188、189，为快速改变此二电容器两端的电压，电流还需流过栅-源电容153。由于与电容器188、189相比，栅-源电容153更小，所以电流流过它会引起栅-源电容153两端比电容器188、189任一个大得多的电压改变。
实际上，栅-源电容153两端发生的总电压改变为15V，所以栅极上的电压从+10V变换到-5V。于是，栅极驱动电路156从端点158的单端电源对FET150提供正栅极驱动信号和负栅极驱动信号。按照这种方法，栅极驱动电路156实现所需要的FET150快速开关，而无需提供单独的负电压源。
如果蓄电池40处于全充电条件以外的充电状态，电动机控制器18的电池能量控制系统(BEMS)将送给变换电路59(图7)PWM信号208和ENABL信号211。由电源215将电能供给PWM-DC转换器210、VCO212，以及栅极驱动逻辑电路214，这样就由变压器134的次级绕组135e供给交流电压(图5)。
然后，PWM-DC转换器210将PWM信号208转换成直流电压，这在本优选实施例中是根据蓄电池40的充电情况在4到14V之间变化的。随后，VCO212将直流电压变换成对应的脉冲信号，在本实施例中，其频率可在4至85KHz间变化。继而，此脉冲信号被栅极驱动逻辑电路214转换成四个独立的脉冲信号，通过光隔离电路216a-216d送给栅极驱动电路204a-204d。
送给栅极驱动电路204a-204d的脉冲信号具有如同由VCO212送给的脉冲信号一样的频率，并且具有与谐振变换电路60的谐振频率配合的脉冲宽度。由栅极驱动电路204a-204d送来的信号构成联结MCT220a-220d的栅极和源极的微分信号，足以导通和断开谐振变换电路60的MCT220a-220d。
谐振变换电路60的布局是一个谐振电源电路，由电容器224和变压器228的漏电感构成。随着栅极驱动逻辑电路214导通MCT220b和220d，谐振变换电路60开始工作。电流流过电容器224和初级绕组227，直至在电容器224上达到峰值充电。由于变压器的作用，次级绕组232的上半部中产生电流，通过二极管234，进入电容器238。然后栅极驱动逻辑电路214关断MCT220b和220d，同时导通MCT220a和220c。随之电流沿相反方向流过变压器228的初级绕组227，并对电容器224充电，最大至相反极性的峰值电压。变压器继续起作用，使电流在次级绕组232中流过，但此时是在该绕组的下半部流过。于是，电流流过二极管236，进入输出电容238。每次发生转换时，电容器224中的能量都转给电容器238，而电容器224通过导线222由来自输出电容器58的能量被重新充电。
如上所述，电容器224与变压器228漏电感之间的谐振作用放大了电容器224两端的电压。这大大增加了电容器224中的能量，因为这样的能量与电容器两端电压的平方成正比。本优选实施例中，初级绕组226两端可达到接近1100V的电压。
只要次极绕组232处的电压等于或大于电容器238上的电压，传入电容器238的能量包与该电容器上存在的电压无关。所以，借助来自电容器58的恒定输入电压，并借助绕成升压变压器的变压器228，可在电容器238上得到最高大约600V的任何所需要的电压。由于电流等于电荷量(即能量包的数量)被频率乘，所以，通过电感240送来的输出电流很容易受到MCT220a-220d工作时的频率变化的控制。电感240通过去掉高频分量对送给蓄电池40的充电电流滤波。
本优选实施例中，送给蓄电池的标称功率是6千瓦。用30安培乘线路电压来设定送给蓄电池的最大功率。
因而，本发明提供一种蓄电池充电器，包括谐振变换电路，此电路谐振并工作在相对于输入电源频率的高频条件下。所述谐振频率最好至少是输入频率的500倍。本优选实施例中，谐振变换电路60与50或60Hz交流输入频率相当地谐振于100KHz下，并工作在最大频率85KHz条件下。这种高频工作允许变压器228中使用非常小的磁性元件，从而能明显地减小蓄电池充电器的尺寸和重量。通过在适度变换的谐振布局中采用MCT作为开关器件，在所述开关器件两端电压降极低的条件下达到非常高的峰值电流水平，进一步减小了尺寸，并且大大有助于蓄电池充电器16的高效率。因此，能够通过风冷维持蓄电池充电器16的正常工作温度。
应当理解，对于那些熟悉本领域的人来说，可对本发明作出各种改型和变化，而不会脱离本发明的主旨和范围。因此，本发明的意图在于覆盖本发明的各种改型和变化，它们出自所附各权利要求及它其等同物的范围。
权利要求
1.一种电力车辆蓄电池充电器，它包括一个输入电路，用以接受具有输入电源的频率并在第一和第二值之间变化的电压的交流输入功率；一个与所述输入电路耦接的功率因数控制电路，用以维持交流输入电源的功率因数超过基本的功率因数值，所述功率因数控制电路有一个输出电容器、一个用以在所述输出电容器两端建立输出电压的升压调节电路，和一个调节控制电路，用以维持输出电压超过第二交流输入电压值；一个与所述功率因数控制电路耦接的变换电路，用以将所述输出电容器中储存的能量转换成充电电压下的直流充电电流，以便给车辆的蓄电池充电。
2.一种如权利要求1所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，所述变换电路包括一个谐振变换电路。
3.一种如权利要求2所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，所述输入电路包括线路滤波器。
4.一种如权利要求2所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，还包括电涌限制器，当所述蓄电池充电器被启动时，它将初始启动电流限制在第一启动电流值。
5.一种如权利要求4所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，所述电涌限制器包括与所述输入电路耦接的启动整流器；与所述启动整流器串联相连的电涌限制电阻器；一对各有一个控制端的受到控制的整流器件，和一对与所述启动整流器及电涌限制电阻器并联连接的转换端；与所述功率因数控制电路耦接的装置，用以在继蓄电池充电器启动之后以选择方式启动所述受到控制的整流器件的控制端。
6.一种如权利要求1所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，所述变换电路包括MOS控制的晶闸管(MCT)。
7.一种如权利要求6所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，所述变换电路包括多个MCT。
8.一种如权利要求7所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，所述变换电路包括多个MCT栅极驱动电路，每一个都有一个栅极驱动器电路和一个独立的浮置电源。
9.一种如权利要求8所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，每个浮置电源包括单独一个电源，对相应的栅极驱动电路提供正电源输入和负电源输入。
10.一种如权利要求9所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，每个浮置电源包括一个基极负载器件，而且所述变换电路包括一个对各浮置电源的公共电源控制电路，以及一个连在输入电路与所述电源控制电路之间的电流源电路。
11.一种如权利要求10所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，所述电流源电路包括带一个输入端和一个输出端的桥式整流电路，与所述桥式整流电路输入端串联连接的第一电容器，和与所述桥式整流电路输出端并联连接的第二电容器。
12.一种如权利要求1所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，所述功率因数控制电路包括一个单端电源；一个具有栅极、源极和漏极的开关场效应晶体管；以及一个场效应晶体管栅极驱动电路，它从所述单端输入电源提供正栅极驱动信号和负栅极驱动信号。
13.一种如权利要求12所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，还包括电路公共连接端，并且所述场效应晶体管栅极驱动电路包括一个栅极驱动电路输入端，一个具有第一和第二端以及第一和第二连接点的电阻分压器，一个整流器，它具有连到所述电阻分压器第二端的第一端和连到电路公共接点的第二端，所述电阻分压器的第一端被连到所述栅极驱动电路输入端，而所述第一连接点被连到栅极；其中，源极和漏极中的一个被连到所述电路公共接点；所述栅极驱动电路还包括第一电容器，其一端连到所述栅极驱动电路输入端，另一端连到所述第二连接点，还包括连在所述第一和第二连接点之间的第二电容器。
14.一种如权利要求1所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，所述变换电路包括一个谐振变换器，该变换器具有谐振频率并在一个建立充电电压的转换频率下工作，所述谐振变换器还包括一个谐振电容器和一个具有漏电感的输出变压器，建立谐振频率的所述谐振电容器和漏电感的值作为一个比输入电源频率大至少500倍的谐振频率值。
15.一种如权利要求14所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，所述变换电路还包括一个控制电路，它响应于以外部方式对蓄电池充电器产生的脉冲宽度调制信号，以设定所述转换频率。
16.一种如权利要求14所述的电力车辆蓄电池充电器，其特征在于，所述蓄电池充电器供送一个预定的最大电流，所述谐振电容值和漏电感值建立一个谐振频率，蓄电池充电器在此频率下供送所述预定的最大电流。
17.一种电力车辆蓄电池充电器，它包括一个输入电路，用以接受具有在第一和第二电压值之间变化的电压和输入电源的频率的交流输入电源；一个功率因数控制电路，用以维持交流输入电源的功率因数超过基本的功率因数值，所述功率因数控制电路包括一个具有第一端和第二端的输出电容器、一个用以在所述输出电容器两端建立输出电压的升压调节电路，和一个调节器控制电路，用以维持输出电压超过第二电压值；一个变换电路，用以将所述输出电容器中储存的能量转换成充电电压下的直流充电电流，以便给车辆蓄电池充电，所述变换电路包括两对MOS控制的晶闸管(MCT)，每个管都有栅极和第一、第二开关电极，每对MCT中之一的第一开关电极被耦接到所述输出电容器的第一端，每对MCT中另一个的第二开关电极被耦接到所述输出电容器的第二端，并保持每对MCT的各开关电极连到相应MCT的连接点；输出整流电路；电路公用连线；输出变压器，它有连到所述输出整流电路的次级绕组，接到蓄电池负端的中心抽头，具有耦接于一个MCT连接点的第一端的初级绕组，以及漏电感；具有耦接于另一个MCT连接点的第一端以及耦接于所述初级绕组第二端的第二端的谐振电容器，所述谐振电容器和漏电感产生所述变换电路谐振频率，比输入电源的频率大至少500倍。
全文摘要
一种车载电力车辆蓄电池充电器，包括电涌限制电路、功率因数控制电路和谐振变换电路。功率因数控制电路包括升压调节电路，它在一个输出电容器上提供固定的电压。谐振变换电路用一个谐振电容器和输出变压器的漏电感建立一个谐振频率，至少是交流输入电源频率的500倍。
文档编号H02J7/02GK1154765SQ95194193
公开日1997年7月16日 申请日期1995年6月1日 优先权日1994年6月10日
发明者查理斯·S·克福特, 帕特里夏·A·奥唐奈, 小戴维·L·香茨 申请人:诺思路·格鲁曼公司