專利名稱：車輛電池充電器及操作該電池充電器的方法
技術領域：
本申請涉及一種車輛電池充電器及操作該電池充電器的方法。
背景技術：
實際功率是在特定時間內用于執(zhí)行工作的電路的容量。表觀功率是電路的電壓和電流的乘積。由于儲存在負載中且返回到源的能量，或者由于使從源獲得的電流的波形失真的非線性負載，使得表觀功率可能大于實際功率。AC電力系統(tǒng)的功率因子可被定義為流動到負載的實際功率與表觀功率的比率(在O和I之間的數(shù))。在電力系統(tǒng)中，對于傳輸?shù)南嗤康挠行Чβ剩哂械凸β室蜃拥呢撦d獲得的電流比具有高功率因子的負載獲得的電流大。電流越大，越可能使在分配系統(tǒng)中損失的能量增加，且可能需要更粗的線及其他設備。由于浪費的能量及更大的設備所帶來的成本，使得電力公司可能向具有低功率因子的消費者收取更高的費用。在純電阻AC電路中，電壓的波形和電流的波形同相，從而在每個周期的相同時刻改變極性。在存在無功負載(例如，電容器或電感器)的情況下，儲存在負載中的能量導致在電流的波形和電壓的波形之間產生時差(相位差)。儲存的能量返回到源，并不能用于在負載上做功。因此，與具有高功率因子的電路相比，具有低功率因子的電路將具有更大的電流，以傳輸給定量的實際功率。AC功率流具有三種成分:以瓦特(W)為單位測量的實際功率(P);以伏特-安培(VA)為單位測量的表觀功率(S);以無功的伏特-安培(VAr)為單位測量的無功功率(Q)。因此，功率因子可被定義為:P/S (I)在完美的正弦波形的情況下，P、Q及S可被表示為形成矢量三角形的矢量，從而:S2=P2+Q2 (2)如果Θ是電流和電壓之間的相位角，則功率因子等于cos Θ，以及P=SX I cos Θ I (3)當功率因子等于O時，在每個周期能量流完全不做功，且在負載中儲存的能量返回到源。當功率因子等于I時，由源供應的所有能量被負載消耗掉。功率因子可表示為“領先于”或“滯后于”，以指示相位角的符號。如果純電阻負載連接到電源，則電流和電壓將同相地改變極性，功率因子將為1，在每個周期電能將在網(wǎng)絡中沿著單個方向流動。電感性負載(例如，變壓器和電機)消耗功率，使得電流的波形滯后于電壓的波形。電容性負載(例如，電容器組或埋地電纜)產生無功功率流，使得電流的波形領先于電壓的波形。在AC周期的一部分時間期間，這兩種類型的負載均將吸收能量(該能量儲存在裝置的磁場或電場中)，在AC周期的其余時間期間，這兩種類型的負載僅僅使所述能量返回到源。例如，如果功率因子為1，則為了獲得IkW的實際功率，需要傳輸IkVA的表觀功率(lkW+l=lkVA)。然而，在功率因子的值較小時，需要傳輸較大的表觀功率，以獲得相同的實際功率。為了在功率因子為0.2時獲得IkW的實際功率，需要傳輸5kVA的表觀功率(lkW+0.2=5kVA)。

發(fā)明內容
一種車輛可包括牽引電池和電池充電器。電池充電器可接收來自相隔較遠的電分配電路的電力，并且以響應于除了電池充電器之外的負載是否與電分配電路電連接而選擇的速率給牽引電池充電。電池充電器可接收來自包括中性線和接地線的電分配電路的電力，并基于中性線和接地線之間的測量電壓來操作。電池充電器還被構造成測量中性線和線之間的電壓。一種電池充電系統(tǒng)包括:電池充電器，被構造成接收來自包括中性線和接地線的電分配電路的電力，并基于中性線和接地線之間的測量電壓來操作。電池充電器還被構造成基于測量的電壓檢測除了電池充電器之外的與分配電路電連接的至少一個負載。電池充電器還被構造成基于是否檢測到除了電池充電器之外的至少一個負載來選擇充電速率。電池充電器還被構造成如果檢測到除了電池充電器之外的至少一個負載，則電池充電器選擇第一充電速率，以及如果未檢測到除了電池充電器之外的至少一個負載，則電池充電器選擇大于第一充電速率的第二充電速率。電池充電器還被構造成測量中性線和接地線之間的電壓。


圖1是電分配電路的示意圖。圖2是圖1的電池充電器的框圖。圖3是電分配系統(tǒng)的框圖。圖4是電池充電器的框圖。
具體實施例方式在此描述本公開的實施例；然而，應該理解到，公開的實施例僅僅是示例，且其他實施例可采用各種和可選的形式。附圖不一定按照比例繪制；可夸大或最小化一些特征，以示出具體部件的細節(jié)。因此，在此公開的具體結構和功能性細節(jié)不被解釋為限制，而僅僅作為用于教導本領域的技術人員以各種方式使用本發(fā)明的代表性基礎。如本領域的普通技術人員將理解的，參照任一附圖描述和示出的各種特征可與在一個或多個其他附圖中示出的特征組合，以產生未被明確示出或描述的實施例。示出的特征的組合為典型應用提供代表性實施例。然而，與本公開的教導一致的特征的各種組合和變型可被期望用于具體應用或實施方式。
現(xiàn)在，參照圖1，電分配電路10可包括電力線(線)12，12'，返回線(中性線)14，14;及接地線(地)16，在一些實施例中，電分配電路10可類似于在住宅建筑物或商業(yè)建筑物中找得到的電分配電路。保險絲盒18、電池充電器20及其他負載22與分配電路10電連接(例如，電池充電器20可以是獨立的單元或集成在車輛內)。線12和中性線14是電路10的電連接在保險絲盒18和負載22之間的部分。線12'和中性線14'是電路10的電連接在充電器20和負載22之間的部分。保險絲盒18包括與線12電連接的保險絲23。儲能單元24 (例如，車輛牽引電池)可與電池充電器20電連接(并通過電池充電器20來進行充電)。如普通技術人員所知道的，來自電源25 (例如，公用電網(wǎng)等)的電力通過保險絲盒18輸送到分配電路10 (因此，輸送到電池充電器20和負載22)。如果想要從分配電路10獲得超過分配電路10的容量的電流，則可切斷保險絲盒18內的保險絲。在圖1的實施例中，負載22 (例如,冰箱壓縮機等)可具有實際功率部件和無功功率部件，導致AC電流滯后于AC電壓。該滯后電流(如果存在的話)將導致無功功率在負載22和電源25之間流動。這種無功功率流動將導致通過保險絲23的電流大于在不存在這種無功功率流動的情況下通過保險絲23的電流。負載22可減小與分配電路10相關的功率因子，并減少對于給定量的表觀功率的可用的實際功率?，F(xiàn)在，參照圖1和圖2，電池充電器20的實施例可包括橋式整流器26、功率因子(PF)控制的升壓調節(jié)器28、降壓調節(jié)器30及微處理器32。當然，電池充電器20可具有任何合適的構造。橋式整流器26可與分配電路10的線12'、中性線14'及接地線16電連接。PF控制的升壓調節(jié)器28與橋式整流器26和降壓調節(jié)器30電連接。降壓調節(jié)器30可與儲能單元24電連接。PF控制的升壓調節(jié)器28和降壓調節(jié)器30處于微處理器32的命令/控制下。電池充電器20還可包括電壓傳感器34、36及電流傳感器38。電壓傳感器34測量線12'和中性線14'之間的電壓。傳感器36測量中性線14'和接地線16之間的電壓。如普通技術人員清楚的，該電壓取決于通過中性線14、14'的電流。傳感器38測量通過中性線14'的電流。傳感器34、36、38與微處理器32通信。如果充電器20不工作，則由于負載22使得所有的負載電流均通過中性線14。具有內阻R14的中性線14在負載22和保險絲盒18之間經(jīng)歷壓降，該壓降與通過負載22的電流成比例，且與通過負載22的電流同相?？赏ㄟ^傳感器34、36中的任何一個在充電器20處測量該壓降。因此，通過傳感器36測量的電壓指示負載22的存在；通過傳感器34測量的電壓的改變指示負載22的存在。如果負載22包含無功部件，則通過傳感器36測量的電壓將與通過傳感器34測量的電壓不同相。因此，可從(5)(下面討論)計算功率因子。如果不存在負載22，則充電器20可通過以一定的速率充電而產生相同的壓降，該壓降使得電流通過中性線14、14'，該壓降等于:((R14+R14, ) XI_J/R14 (4)其中，R14,是中性線14'的內阻，I 是通過充電器20的電流(通過傳感器38的電流)。充電器20可以以一定的速率給儲能單元24充電，該速率取決于是否檢測到負載22的存在。例如，如果檢測到負載22，則充電器20可以以600W的速率給儲能單元24充電。如果未檢測到負載22，則充電器可以以1200W的速率給儲能單元24充電。在其他示例中，充電速率可與通過傳感器36測量的電壓相反地改變或與傳感器34相關的電壓的改變相反地改變。如果充電器20工作且存在負載22，則由于這些組合負載而導致的無功功率部件將具有相關電流，可基于測量的電壓36確定所述相關電流。由于這種成分的電流，使得在傳感器36處測量的電壓波形(VNe)將與在傳感器34處測量的電壓波形(Vm)不同相。如果充電器20被命令，以具有無功功率的負載工作，使得在傳感器36處測量的電壓波形與在傳感器34處測量的電壓波形基本上對齊，則在保險絲盒18處的功率將具有極少的無功成分或者沒有無功成分。從(4)得到，如果R14,小于R14,則修正VNe的相位并使VNe的相位與Vm的相位對齊所需要的充電器電流將約等于上述示例的電流的幅度和相位，在上述示例中，充電器20不工作，因此，由于負載22而使得所有的負載電流通過中性線14。如果R14,不小于R14，則仍然可在保險絲盒18處觀察到一部分無功功率。微處理器32可基于來自傳感器34、36的信息確定分配電路10的功率因子(因此，確定電壓和電流之間的相位差)。例如，微處理器32可基于通過傳感器34測量的電壓波形的周期T以及通過傳感器34，36測量的電壓波形之間的相位差來確定功率因子。然而，還可以使用其他合適的技術。為了獲得T，例如，微處理器32可確定通過傳感器34測量的電壓波形的兩個連續(xù)零交點之間的時間，將該時間乘以因子2?？蛇x地，微處理器32可確定通過傳感器34測量的電壓波形的隔一零交點之間的時間。其他方案也是可行的。為了獲得通過傳感器34，36測量的電壓波形之間的相位差，微處理器32可確定通過傳感器34測量的電壓波形的零交點和通過傳感器36測量的電壓波形的緊隨其后的零交點之間的時間t。然后，微處理器32可獲得分配電路10的功率因子，為:PF=Cos ((t/T) X 360) (5)微處理器32可將該功率因子發(fā)送到PF控制的升壓電路28。PF控制的升壓電路28可控制獲得的功率，以修正由于負載22而導致的無功功率(PF控制的升壓電路28可采用在由Philip C.Todd于1999年編著的UNITR0DE應用指南“UC3854控制的功率因子修正電路設計”中描述的電路的形式，或者任何其他已知和/或合適的形式)。例如，在信號被PF控制的升壓電路28處理之前，通過使經(jīng)由傳感器38測量的電流增加數(shù)字或模擬領先/滯后(或者通過使經(jīng)由傳感器34測量的電壓領先/滯后)，可實現(xiàn)這樣的控制。在本示例中，電流信號的滯后將在充電器20的輸入處使功率因子產生對應的領先，PF控制的升壓電路28將不再如最初計劃那樣在其輸入處獲得值為I的PF。相反，電流信號的領先將在充電器20的輸入等處使功率因子產生對應的滯后。例如，如果負載22是電機，則負載22通常將具有感抗X1,這將導致滯后的功率因子?？稍O置等于容抗Xe的領先的功率因子，使得Xe Xp對于這種近似的匹配，極少或沒有無功功率將在線12和中性線14上流動，而是，無功功率將在線12'和中性線14'上流動。如果已知了修正由于負載22而導致的無功功率所需要的無功功率，則PF控制的升壓電路28可被控制，以產生需要的(互補的)無功功率?？蛇x地，考慮到(4)及之前對于在傳感器36處產生電流的電壓的討論，如果R14,相對于R14來說具有小值，則極少或沒有無功功率將流過線12、中性線14及保險絲23，Vng將與Vm同相。即使R14,具有較大值，當Nm與Vm同相時，流過線12、中性線14及保險絲23的無功功率也將減少。當然，如果已知了負載22的無功功率，則可直接計算并控制產生無功功率的電流。輸入到PF控制的升壓電路28的控制信號可以基于在線12'、14'之間(整流的)電壓，以及線14'、16之間的電壓的幅度，當然，該電壓的幅度與通過中性線14、lf的電流成比例。如普通技術人員清楚的，上述控制信號輸入方案允許PF控制的升壓電路28基本上修正分配電路10的功率因子，這不僅僅針對電池充電器20。升壓電路28可以以已知的方式測量來自橋式整流器26的整流后的AC電壓，并以已知的方式控制通過其電感的電流i，使得i的幅度的瞬時值與線14'、16之間的電壓的幅度的瞬時值成比例。如果電池充電器20是分配電路10上的唯一負載，則線12將具有約為I的功率因子。由于電流i與線12上的AC電壓成比例(電流i與線12上的AC電壓同相)，所以分配電路10的功率因子為I。然而，如果存在具有無功部件的附加負載(例如，負載22)，則由于在上面討論的控制輸入方案，使得分配電路10也將在保險絲盒18處具有約為I的功率因子。假設如上面討論的，微處理器32獲得分配電路10的功率因子，則微處理器32可控制PF控制的升壓電路28，以產生無功功率，該無功功率足以等于由于負載22而導致的無功功率(且與由于負載22而導致的無功功率符號相反)。因此，通過PF控制的升壓電路28產生的無功功率將抵消分配電路10的無功功率，并增加給定量的表觀功率的實際功率。從(2)和(3)得到，假設針對分配電路10的滯后的功率因子為0.8且表觀功率為375VA，則實際功率約等于300W，無功功率約等于225VAr (在本示例中，電流滯后于電壓)。因此，PF控制的升壓電路28可操作以產生大約225VAr (電流領先于電壓)的無功功率，并驅使表觀功率到達300VA的值。因此，在未修正功率因子的負載(例如，在圖1中示出的負載22)與分配電路10電連接的情況下，電池充電器20的操作可增加分配電路10傳輸功率的效率。在本示例中，分配電路10將需要提供120V、3.125A的功率，以提供375VA的功率。由于無功功率成分基本上消除，所以分配電路10將僅需要提供120V、2.5A的功率，以提供300W的功率。因此，在不改變流過保險絲23的表觀電流的量的情況下，增加的0.6A的實際電流可被電池充電器20獲得?，F(xiàn)在，參照圖3 (在圖3中，相同的標號具有與圖1類似的描述)，電分配系統(tǒng)140包括電源125和多個電分配電路IlOn (110a、110b、110c等)。圖3的電源125被構造成給分配電路IlOn供電。通過分配電路IlOn與分配系統(tǒng)140電連接的無功負載可導致領先或滯后的凈無功功率。如上面討論的，這種凈無功功率可導致在分配系統(tǒng)140內功率傳輸?shù)男实拖?。在圖3的實施例中，電源125可能請求抵消(領先或滯后的)無功功率，該無功功率通過與參照圖2描述的電池充電器類似的且與分配電路IlOn電連接的任何電池充電器產生/生成。在其他實施例中，電源125可能請求抵消通過其他合適控制的負載或增加的電源產生/生成的無功功率，從而能夠根據(jù)請求，以與在此描述的電池充電器類似的方式修正分配電路IlOn的功率因子。例如，這樣的負載或增加的電源可具有與圖2的電池充電器20類似的結構和輸入控制方案。例如，電源125可包括無線發(fā)送器/收發(fā)器或調制器(用于電力線通信)，以傳輸對于無功功率的這種請求(并從電池充電器接收信息，如下面解釋的)。然而，可使用任何合適的信息傳輸技術。現(xiàn)在，參照圖3和圖4 (在圖4中，相同的標號具有與圖2類似的描述)，電池充電器120的實施例可包括橋式整流器126、PF控制的升壓調節(jié)器128、降壓調節(jié)器130、微處理器132及收發(fā)器133。微處理器132與收發(fā)器133通信。電池充電器120還可包括電壓傳感器134、136及電流傳感器138。收發(fā)器133被構造成以已知的方式發(fā)送和/或接收無線信號。例如，收發(fā)器133可接收對(具有特定符號的)無功功率的請求/命令，所述請求/命令由電源125以已知的方式無線地發(fā)送。然后，這些請求/命令可發(fā)送到微處理器132，以進行處理。在其他實施例中，電池充電器120可包括H0MEPLUG類(或類似的)技術，以從電源125接收有線通信和/或將有線通信發(fā)送到電源125。如普通技術人員清楚的，這樣的H0MEPLUG模塊與電力線112'和返回線114'電連接。如本領域所公知的，H0MEPLUG信息以特定頻率施加(supper-1mposed)在AC線上。通過合適的電路,可在接收端讀取該信息。微處理器132可將請求/命令的無功功率用作目標，以將分配電路IlOn的無功功率“調節(jié)”該目標那么多。例如，如果需要總量為5VAr的無功功率(電流領先于電壓)以基本上修正分配系統(tǒng)140的功率因子，且微處理器132使用在此描述的技術已經(jīng)確定可通過充電器120產生IVAr (電流領先于電壓)，則微處理器132響應于來自電源125的對無功功率(電流領先于電壓)的請求，(例如，如上面討論的)可通過控制經(jīng)由傳感器138測量的電流的數(shù)字或模擬領先/滯后(或者經(jīng)由傳感器134測量的電壓的領先/滯后)，來控制PF控制的升壓調節(jié)器128產生IVAr的無功功率(電流領先于電壓)，因此驅使分配電路IlOn的無功功率到達4VAr (電壓領先于電流)。微處理器132還可確定電池充電器120的容量，以使得特定的無功功率存在于分配電路110中，并通過(例如)收發(fā)器133將該信息傳輸?shù)诫娫?25。電源125可聚集來自與電分配系統(tǒng)140電連接的所有這樣的電池充電器的這種信息，并因此(例如，基于聚集容量)發(fā)出針對無功功率的請求?；趶?I)和(2)得到的分配電路IlOn的表觀功率和功率因子,可獲得實際功率和無功功率。然后，利用分配電路IlOn的額定功率/額定電流(例如,可假設額定功率/額定電流由用戶輸入或確定)，可獲得增加了的可用的無功功率。例如，如果實際功率和無功功率分別是10.6W和10.6VAr (電流領先于電壓)，且分配電路IlOn的額定功率是15W，則電池充電器120不能產生額外的領先的無功功率(電流領先于電壓)，這是因為從(2)得到，表觀功率等于分配電路IlOn的額定功率。然而，普通技術人員將認識到，如果需要的話，電池充電器120仍然可產生滯后的無功功率。例如，如果實際功率和無功功率分別是OW和OVAr，且分配電路IlOn的可用額定功率是15W，則電池充電器120具有一定容量，以產生具有任何符號的15VAr的無功功率。在特定實施例中，電源125可測量PF，并使用任何合適的技術確定電壓是領先于還是滯后于電流，且向所有電池充電器廣播命令，以產生(例如)具有與凈無功功率的符號相反符號的IVAr的無功功率。然后，電源125可周期性地測量PF，并向所有電池充電器廣播命令，以增加產生的無功功率(其符號與凈無功功率的符號相反)，直到分配系統(tǒng)140上的凈無功功率已經(jīng)基本上減少和/或消除。在其他實施例中，例如，在電源125和任何電池充電器120之間具有雙向通信的實施例中，電源125可以以已知的方式請求各個電池充電器120 (基于它們各自的容量)產生/生成不同量的無功功率，當然，條件是公布其容量的每個電池充電器還提供識別信息，該識別信息可將電池充電器與其他電池充電器區(qū)分開。其他控制情形也是可行的。雖然在上面描述了示例性實施例，但是并不意味著這些實施例描述了由權利要求包括的所有可能形式。在說明書中使用的詞語是描述性詞語而不是限定性詞語，并且應該理解到，在不脫離本公開和權利要求的精神和范圍的情況下，可進行各種改變。如前面描述的，各個實施例的特征可被組合，以形成可能未被明確描述或說明的本發(fā)明的進一步的實施例。雖然各個實施例已經(jīng)被描述為提供優(yōu)點或相對于一個或多個期望的特性優(yōu)于其他實施例或現(xiàn)有技術的實施方式，但是本領域的普通技術人員認識到，一個或多個特征或特性可進行折衷，以實現(xiàn)期望的整個系統(tǒng)屬性(其取決于具體應用和實施方式)。這些屬性可包括但是不限于:成本、強度、耐久性、生命周期成本、可銷售性、外觀、包裝、尺寸、可用性、重量、可制造性、裝配容易性等。因此，相對于一個或多個特性被描述為比其他實施例或現(xiàn)有技術的實施方式更不令人期望的實施例不在本公開的范圍之外，且可能在具體應用中是令人期望的。
權利要求
1.一種車輛,包括: 牽引電池； 電池充電器，被構造成接收來自相隔較遠的電分配電路的電力，并且以響應于除了電池充電器之外的負載是否與電分配電路電連接而選擇的速率給牽弓I電池充電。
2.根據(jù)權利要求1所述的車輛，其中，電池充電器還被構造成:如果除了電池充電器之外的負載與電分配電路電連接，則電池充電器以第一速率給牽引電池充電，以及如果除了電池充電器之外的負載未與電分配電路電連接，則電池充電器以大于第一速率的第二速率給牽引電池充電。
3.根據(jù)權利要求1所述的車輛，其中，電池充電器還被構造成檢測除了電池充電器之外的負載是否與電分配電路電連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的車輛，其中，電分配電路包括中性線和接地線，其中，電池充電器還被構造成基于中性線和接地線之間的電壓來檢測除了電池充電器之外的負載是否與電分配電路電連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的車輛，其中，電池充電器還被構造成測量中性線和接地線之間的電壓。
6.根據(jù)權利要求1所述的車輛，其中，電分配電路包括中性線和線，其中，電池充電器還被構造成基于中性線和線之間的電壓的改變來檢測除了電池充電器之外的負載是否與電分配電路電連接。
7.一種用于操作車輛的電池充電器的方法，電池充電器與遠離車輛的電分配電路電連接，所述方法包括: 響應于除了電池充電器之外的負載是否與電分配電路電連接，通過電池充電器選擇充電速率； 以選擇的充電速率給車輛的電池充電。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，所述方法還包括:檢測除了電池充電器之外的負載是否與電分配電路電連接。
9.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，電分配電路包括中性線和接地線，所述方法還包括:測量中性線和接地線之間的電壓，并基于所述電壓來檢測除了電池充電器之外的負載是否與電分配電路電連接。
10.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，電分配電路包括中性線和線，所述方法還包括:測量中性線和線之間的電壓，并基于所述電壓的改變來檢測除了電池充電器之外的負載是否與電分配電路電連接。
11.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，在除了電池充電器之外的負載未與電分配電路電連接的情況下的速率大于在除了電池充電器之外的負載與電分配電路電連接的情況下的速率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種車輛電池充電器及操作該電池充電器的方法，與電分配電路電連接的電池充電器可響應于除了電池充電器之外的負載是否與電分配電路電連接來選擇給車輛電池充電的充電速率，并以選擇的充電速率給車輛電池充電。
文檔編號B60L11/18GK103158573SQ20121053627
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權日2011年12月12日
發(fā)明者艾倫·羅伊·蓋爾, 邁克爾·W·德格內爾, 拉里·迪安·埃里, 保羅·西歐多爾·莫姆西羅維琪 申請人:福特全球技術公司