專利名稱：蓄電池充電裝置和用于該蓄電池充電裝置運(yùn)行的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蓄電池充電裝置和用于該蓄電池充電裝置運(yùn)行的方法。
背景技術(shù)：
電動(dòng)轎車的設(shè)計(jì)基于如下原理，即從電網(wǎng)_或者換句話說(shuō)"從插座"中獲取用來(lái)使 驅(qū)動(dòng)蓄電池充電的電能。為此蓄電池充電裝置是必需的。在私人家庭中常見(jiàn)的是可從插 座中獲取的功率在目前常見(jiàn)的帶有16A保險(xiǎn)裝置的保護(hù)裝置中約為3. 5kW。對(duì)蓄電池充電 裝置的要求是，該蓄電池充電裝置從電壓電源中獲取正弦形的電源電流，并且蓄電池通過(guò) 充電裝置(例如通過(guò)隔離變壓器)從電源上電流隔離。 在圖7中示出滿足上述要求的目前的蓄電池充電裝置的基本結(jié)構(gòu)。公知的蓄電池 充電裝置300借助其輸入端4接在電源6上并借助其輸出端8接在蓄電池10上。供電網(wǎng) 6的電源電壓Uw在這里在50-60Hz的電源頻率時(shí)處于100-250v的范圍內(nèi)。蓄電池10的蓄 電池電壓UB例如處于在250v到450v寬的電壓范圍內(nèi)，并且依賴于蓄電池充電狀態(tài)。
在蓄電池充電裝置300內(nèi)，輸入端4通到向PFC 312 (Power-factor-Corrector-升 壓變換器)供電的第一整流器310上。該P(yáng)FC 312包含電感線圈L1的電抗器313、短路開 關(guān)315和續(xù)流二極管317。 PFC 312將中間電路電容器314充電到例如380V的恒定調(diào)節(jié)的 中間電路電壓Uz。 實(shí)施為H電橋的逆變器316后置于中間電路電容器314，該逆變器316借助中高頻 發(fā)出脈沖并在其輸出端上產(chǎn)生所調(diào)節(jié)的中高頻電壓U『電壓Uw供給可以小而輕地實(shí)施的 HF變壓器318的初級(jí)側(cè)或初級(jí)繞組。HF變壓器318通過(guò)將電壓Uw傳遞到該HF變壓器318 次級(jí)側(cè)或次級(jí)繞組上來(lái)進(jìn)行匹配。同時(shí)，HF變壓器318使蓄電池10與電源6電流隔離或 使蓄電池充電裝置300的次級(jí)側(cè)與該蓄電池充電裝置300的初級(jí)側(cè)電流隔離。在次級(jí)側(cè)上 第二整流器20后置于HF變壓器318，該第二整流器20通過(guò)電感線圈L2的電抗器322通到 輸出端8上。 蓄電池電壓UB在這里通過(guò)在逆變器316內(nèi)實(shí)現(xiàn)的、有針對(duì)性的脈沖方法，尤其是 脈沖寬度調(diào)制(P麗)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 蓄電池充電裝置300因此滿足上述的基本要求，尤其是從電源6中在輸入端4上 獲取正弦形的電源電流I『 為了避免不可控制的或過(guò)高的電容器充電電流(例如接通蓄電池充電裝置300時(shí) 不允許很高的浪涌電流(Inrush-Current))，公知整流器310不是像在圖8中那樣構(gòu)造為 二極管電橋，而是構(gòu)造為帶有晶閘管的受控制的半橋。 蓄電池充電裝置300按照教科書式的設(shè)計(jì)來(lái)構(gòu)造，在該設(shè)計(jì)中，總共四個(gè)轉(zhuǎn)換器 一個(gè)接一個(gè)地串聯(lián)，即整流器310、PFC 312、逆變器316和整流器20。總體上使用大量的半 導(dǎo)體開關(guān)或無(wú)源元件。能量流動(dòng)方向限制在從電壓電源6到蓄電池20的方向上，不能實(shí)現(xiàn) 將能量回收到電源中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種改善的蓄電池充電裝置和一種用于該蓄電池充電裝
置運(yùn)行的相應(yīng)方法。 該目的在裝置方面通過(guò)權(quán)利要求1所述的蓄電池充電裝置得以實(shí)現(xiàn)。該蓄電池充 電裝置包含具有初級(jí)繞組和初級(jí)繞組的HF儲(chǔ)能式變壓器(高頻儲(chǔ)能式變壓器)。初級(jí)繞組 通過(guò)脈沖開關(guān)在雙極輸入端上接上。脈沖開關(guān)在這里為雙向開關(guān)，也就是說(shuō)，電流可以在兩 個(gè)方向上流過(guò)該開關(guān)。在運(yùn)行中，在那里例如從供電網(wǎng)供給蓄電池充電裝置交流電壓。HF 儲(chǔ)能式變壓器的次級(jí)繞組根據(jù)反激變換器的類型與整流器的輸入端，尤其是二極管整流器 的輸入端接線。整流器在其輸出端上具有雙極輸出端。在該雙極輸出端上，可以接上在運(yùn) 行中待充電的蓄電池。蓄電池充電裝置此外具有測(cè)量單元，該測(cè)量單元檢測(cè)輸入端上的電 流和電壓的瞬時(shí)值-即在接到供電網(wǎng)上時(shí)檢測(cè)其瞬時(shí)的電源電壓和相應(yīng)地流到蓄電池充 電裝置內(nèi)的電流。 此外，蓄電池充電裝置具有控制裝置，該控制裝置依賴于由測(cè)量單元所測(cè)得的電 流和電壓的數(shù)值來(lái)操作脈沖開關(guān)，即接通或者斷開。在此，斷開促使從輸入端到初級(jí)繞組的 電流流動(dòng)中斷。HF儲(chǔ)能式變壓器促使面向輸入端的初級(jí)側(cè)和面向輸出端的次級(jí)側(cè)電流隔離。 本發(fā)明在此基于下列認(rèn)識(shí)或考慮公知的蓄電池充電裝置具有中間電路電容器， 該中間電路電容器從輸入端的角度來(lái)看是一種注入電壓的負(fù)載。因?yàn)榇由系碾妷弘娫词?一種注入電壓的源頭，所以在輸入端與中間電路電容器之間必須裝入第一電抗器。出于相 同的原因，在中間電路電容器與輸出端(即蓄電池)之間必須裝入另一個(gè)電抗器。
高頻變壓器由于電流隔離必須保留在蓄電池充電裝置內(nèi)。但該高頻變壓器已經(jīng)具 有初級(jí)和次級(jí)繞組，該初級(jí)和次級(jí)繞組必須既針對(duì)最大可能的從電壓電源流出的電流，又 針對(duì)最大的蓄電池充電電流來(lái)確定尺寸。HF變壓器的繞組現(xiàn)在依據(jù)本發(fā)明也可以用于上述 電感線圈或電抗器的結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，變壓器的繞組除了其變壓器傳輸?shù)谋緛?lái)的目的之外， 還應(yīng)滿足作為配屬于輸入端和輸出端或電壓電源和蓄電池的電抗器的雙重功能。
無(wú)源構(gòu)件的數(shù)量與公知的蓄電池充電裝置相比應(yīng)該有所減少。如果為此從電路中 取消中間電路電容器，那么依據(jù)本發(fā)明的裝置更小且更輕，但不再具有電容的儲(chǔ)能能力。從 電壓電源中獲取的功率然后必須在無(wú)電容的中間存儲(chǔ)裝置的情況下直接傳輸?shù)叫铍姵亍?
因此依據(jù)本發(fā)明，輸入端整流器、升壓變換器、中間電路電容器和逆變器通過(guò)唯一 的單元來(lái)替代。也就是說(shuō)，來(lái)自供電網(wǎng)的輸入電壓或電流直接通過(guò)脈沖開關(guān)傳遞到作為以 HF變壓器初級(jí)繞組形式出現(xiàn)的電抗器的電感線圈上。該初級(jí)線圈k將能量傳遞到以HF 變壓器次級(jí)繞組形式出現(xiàn)的電感線圈L2上。電感線圈和L2以初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的形 式緊密耦合并纏繞在帶有氣隙的磁芯上。按照這種方式，電感線圈和L2形成高頻變壓器 并同時(shí)使初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)電流隔離。 依據(jù)本發(fā)明的蓄電池充電裝置現(xiàn)在由控制裝置在其脈沖開關(guān)方面以可變長(zhǎng)度的 開關(guān)周期運(yùn)行。也就是說(shuō)，該開關(guān)周期具有分配給初級(jí)側(cè)的第一時(shí)間間隔，在該第一時(shí)間間 隔內(nèi)脈沖開關(guān)閉合。在分配給次級(jí)側(cè)的第二時(shí)間間隔內(nèi)斷開脈沖開關(guān)。通過(guò)各自開關(guān)時(shí)間 的持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)電量，即調(diào)節(jié)蓄電池充電裝置的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的各自電流。
控制裝置首先在運(yùn)行中測(cè)定電源電壓的時(shí)間分布。利用任意但固定選擇的標(biāo)度系數(shù)，該控制裝置將電源電壓的曲線形狀映射(abbilden)到用于電流值的與該電源電壓的 曲線形狀同相的極限曲線上。該極限曲線也可以按照其他方式來(lái)測(cè)定，例如通過(guò)測(cè)定電源 電壓的過(guò)零點(diǎn)和所期望的振幅的正弦形預(yù)定值。 每個(gè)第一時(shí)間間隔開始時(shí)接通脈沖開關(guān)并測(cè)量實(shí)際流到蓄電池充電裝置內(nèi)的、由
于作為電抗器作用的初級(jí)繞組而逐漸升高的電流。如果電源電流達(dá)到相應(yīng)于極限曲線的瞬
時(shí)值的極限值，那么脈沖開關(guān)斷開。第一時(shí)間間隔結(jié)束并且第二時(shí)間間隔開始。 根據(jù)反激變換器的功能性，電流現(xiàn)在才通過(guò)初級(jí)繞組流向蓄電池，并且存儲(chǔ)在變
壓器內(nèi)的能量流向蓄電池。在HF變壓器內(nèi)，因此先前在初級(jí)繞組內(nèi)流動(dòng)的電流傳輸?shù)酱渭?jí)
繞組內(nèi)，這意味著，能量被轉(zhuǎn)移到蓄電池上。第二時(shí)間間隔通過(guò)如下方式選擇，即，使開關(guān)周
期(即第一時(shí)間間隔和第二時(shí)間間隔的總和)相應(yīng)于HF變壓器的允許工作頻率。連續(xù)開
關(guān)周期的持續(xù)時(shí)間在此可以不斷變化，這是因?yàn)橛绕涫窃诘谝粫r(shí)間間隔內(nèi)的電流到極限值
的上升持續(xù)不同的時(shí)間。 換句話說(shuō)，在開關(guān)周期的第一部分內(nèi)，從源頭中獲取能量并存儲(chǔ)在初級(jí)側(cè)的電感 線圈內(nèi)。在開關(guān)周期的第二部分內(nèi)，來(lái)自次級(jí)側(cè)電感線圈中的能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載上。能量的 交換或分配在初級(jí)側(cè)的電感線圈與次級(jí)側(cè)的電感線圈之間的HF變壓器的內(nèi)部進(jìn)行。
能夠?qū)崿F(xiàn)兩種可選方案在第一種可選方案中，在開關(guān)周期的第二部分中全部能 量轉(zhuǎn)移到蓄電池上，這些能量存儲(chǔ)在HF變壓器內(nèi)或在開關(guān)周期的第一部分中供給到該HF 變壓器內(nèi)。HF變壓器然后在開關(guān)周期的隨后的第一部分內(nèi)重新充電。在第二種可選方案 中，在開關(guān)周期的第二部分中僅一部分存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移到蓄電池上。然后在開關(guān)周期的隨 后的第一部分中，將添加的其他能量供給到HF變壓器內(nèi)。 依據(jù)本發(fā)明的蓄電池充電裝置滿足上述要求，但為此需要少量的電路元件。在依 據(jù)本發(fā)明的蓄電池充電裝置中，尤其是無(wú)源元件的數(shù)量明顯減少。必須用于完整的轉(zhuǎn)換器 功率來(lái)確定尺寸的中間電路電容器被移去。電源功率無(wú)需中間存儲(chǔ)直接傳輸?shù)叫铍姵厣稀?電源電壓通過(guò)雙向開關(guān)直接接到電感線圈1^上。在待充電的蓄電池上可以借助其輸出端 并聯(lián)多個(gè)依據(jù)本發(fā)明的蓄電池充電裝置并使它們運(yùn)行，其中，每個(gè)裝置可以將如同各個(gè)蓄 電池充電裝置所能提供的同樣多的功率供給到蓄電池中。 電感線圈和L2相互緊密耦合并纏繞在唯一的磁芯上，從而它們共同地形成用于 將初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)電流隔離的高頻變壓器。高頻變壓器同時(shí)還是用于初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的電 抗器。適用于高頻變壓器的是，每個(gè)初級(jí)繞組的電源電壓和時(shí)間的乘積等于每個(gè)次級(jí)繞組 的輸出電壓和時(shí)間T2的乘積。對(duì)于初級(jí)繞組的輸入電壓^ (t)、次級(jí)繞組的輸出電壓ujt)、 從T。到1\的第一時(shí)間間隔和從1\到T2的第二時(shí)間間隔以及初級(jí)側(cè)繞組匝數(shù)K和次級(jí)側(cè) 繞組匝數(shù)^有效的是 換句話說(shuō)，每個(gè)開關(guān)周期在HF儲(chǔ)能式變壓器內(nèi)每個(gè)繞組伏特秒的和等于零。蓄電 池充電裝置適用于二象限運(yùn)行，也就是適用于從輸入端到輸出端的功率流，也就是從供電 網(wǎng)到蓄電池的功率流。 在本發(fā)明一種具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式中，在HF儲(chǔ)能式變壓器的初級(jí)繞組上接上續(xù) 流支路或者為其分配續(xù)流支路。續(xù)流支路包含可由控制裝置操作的續(xù)流開關(guān)。通過(guò)續(xù)流開關(guān)可以將續(xù)流支路閉合或者斷開。如果該續(xù)流支路斷開，那么續(xù)流支路在蓄電池充電裝置 中不起任何作用。如果續(xù)流開關(guān)閉合，那么也可以在脈沖開關(guān)斷開后，將已經(jīng)從電壓電源獲 取的并存儲(chǔ)在HF變壓器內(nèi)的能量保留在那里或者使流入到該HF變壓器的初級(jí)繞組內(nèi)的電 流繼續(xù)流動(dòng)。能量不必傳遞到蓄電池上。有益的是，蓄電池例如已經(jīng)充滿電，但蓄電池充電 裝置仍在運(yùn)行中。 在另一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，可選地或者附加地在HF儲(chǔ)能式變壓器的初級(jí)繞組 上接上相應(yīng)的續(xù)流支路。流動(dòng)的電流然后通過(guò)次級(jí)繞組繼續(xù)流動(dòng)。能量因此同樣保持在HF 變壓器內(nèi)。 在另一種具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式中，用于HF儲(chǔ)能式變壓器次級(jí)繞組的續(xù)流支路也
可以集成到設(shè)置在次級(jí)側(cè)上的整流器中。整流器始終具有一種本來(lái)連接次級(jí)繞組兩端的布
局。通過(guò)裝入適當(dāng)?shù)目砷_關(guān)的構(gòu)件，就可以無(wú)需多大開支地實(shí)現(xiàn)續(xù)流支路。 特別簡(jiǎn)單地可以實(shí)現(xiàn)整流器為二極管整流器，并且整流器的至少兩個(gè)分支形成
各一個(gè)帶有由控制裝置操作的短接的續(xù)流開關(guān)的續(xù)流支路。 二極管中的至少兩個(gè)因此分配給一個(gè)續(xù)流支路。然后可以將可并聯(lián)的短接的旁路 支路補(bǔ)充給二極管，該旁路支路也可以實(shí)現(xiàn)使電流在二極管的阻塞方向上流動(dòng)。示出包括 二極管性能在內(nèi)的相應(yīng)性能的構(gòu)件是IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)。因此二極管整流器的 至少兩個(gè)二極管以特別具有優(yōu)點(diǎn)的方式通過(guò)各一個(gè)IGBT來(lái)替代。旁路支路在此因此始終 包含一個(gè)可由控制裝置操作的短接的旁路開關(guān)。以改良的形成出現(xiàn)的二極管整流器因此滿 足兩個(gè)任務(wù)，即傳輸電流的整流和按要求的續(xù)流特性。 如果二極管整流器的全部二極管分別具有一個(gè)短接的旁路開關(guān)(或相應(yīng)的上述 提到的構(gòu)造方式)，那么形成逆變器。換句話說(shuō)，整流器然后通過(guò)可選的作為這樣的可運(yùn)行 的逆變器來(lái)替代。通過(guò)該逆變器，可以逆變從蓄電池輸出的能量或電流并輸回到HF儲(chǔ)能式 變壓器。蓄電池充電裝置的初級(jí)側(cè)本來(lái)就適用于四象限運(yùn)行，從而由此整個(gè)電路適用于四 象限運(yùn)行。能量因此也可以從蓄電池反饋到電壓電源內(nèi)。這一點(diǎn)對(duì)能源供應(yīng)商有利，它們 可以將大量與供電網(wǎng)接上的電動(dòng)客車作為共同的能量存儲(chǔ)器來(lái)使用。 另一方面，這樣單個(gè)客車內(nèi)例如通過(guò)太陽(yáng)能電池板或者另外產(chǎn)生的能量可以共同 供給到電流電源中。 在另一種具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式中，蓄電池充電裝置還包含同樣可以由控制裝置操 作將輸出端從輸入端隔離開的隔離開關(guān)。隔離開關(guān)在此例如可以將輸出端從剩下的蓄電池 充電裝置隔離開。通過(guò)相應(yīng)的隔離開關(guān)可以將蓄電池從蓄電池充電裝置或者這些蓄電池充 電裝置中的至少一部分或輸入端隔離開并因此從供電網(wǎng)隔離開。 也在這里一種特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，隔離開關(guān)集成在整流器中，這是因?yàn)樵撜?流器是蓄電池充電裝置內(nèi)距輸出端最近的構(gòu)件。在二極管整流器的情況下，例如兩個(gè)支路 可以各自斷開。例如，可以在各自的支路內(nèi)設(shè)置兩個(gè)在相反方向上串聯(lián)的IGBT。
在方法方面，本發(fā)明的目的通過(guò)一種如上已經(jīng)描述的_與優(yōu)點(diǎn)一起_用來(lái)使蓄電 池充電裝置運(yùn)行的方法得以實(shí)現(xiàn)。在該方法中，控制裝置因此以不斷變換的方式使脈沖開 關(guān)接通和斷開。接通在第一時(shí)間間隔期間進(jìn)行，其中，第一時(shí)間間隔在電流上升到極限值時(shí) 結(jié)束。該極限值是測(cè)得的電壓的與標(biāo)度系數(shù)相乘的瞬時(shí)值。第二時(shí)間間隔然后通過(guò)如下方 式選擇，即，使第一時(shí)間間隔和第二時(shí)間間隔的總持續(xù)時(shí)間相應(yīng)于HF儲(chǔ)能式變壓器允許的工作頻率的間隔的周期持續(xù)時(shí)間。換句話說(shuō)HF變壓器一般情況下不僅允許唯一的工作頻
率，而且也允許工作頻率的間隔-例如16kHz到25kHz。為該間隔分配所屬周期持續(xù)時(shí)間的 間隔。第一時(shí)間間隔和第二時(shí)間間隔通過(guò)如下方式來(lái)選擇，即，使該第一時(shí)間間隔和第二時(shí) 間間隔的總和得出處于剛才提到的允許間隔內(nèi)的周期持續(xù)時(shí)間。 換句話說(shuō)，通過(guò)選擇第一時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)電流的包絡(luò)線產(chǎn)生一種曲線，該曲線僅用 于電壓的時(shí)間分布標(biāo)度，也就是與該電壓的時(shí)間分布同相。由此實(shí)現(xiàn)在電壓電源輸入端上 獲取直至電壓的剩余波紋度同形的，也就是一般情況下正弦形的電流，并且蓄電池充電裝 置的功率系數(shù)為1。 在另一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，標(biāo)度系數(shù)-例如由控制裝置_從電壓的最大值和在 輸入端上流動(dòng)的最大額定電流強(qiáng)度中測(cè)定。因此，針對(duì)在輸入端上流動(dòng)的電流規(guī)定極限曲 線，該極限曲線作為最大值具有最大的額定電流，并且實(shí)際流動(dòng)的電流因此絕不會(huì)超過(guò)該 極限曲線。與截取的最大電流極限相反，蓄電池充電裝置的電源電流因此始終保持正弦形， 這是因?yàn)檫@些電源電流通過(guò)極限曲線作為整體縮小標(biāo)度。 在另一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，在第一和/或者第二時(shí)間間隔之內(nèi)，使HF變壓器的 初級(jí)側(cè)或者次級(jí)側(cè)在續(xù)流運(yùn)行中運(yùn)行第三時(shí)間間隔長(zhǎng)的時(shí)間。對(duì)此例如上述的續(xù)流支路是 適合的。產(chǎn)生上述可能性的是，將已經(jīng)從電源_或者在能量流動(dòng)的反向上從蓄電池_取得 的能量保留在HF儲(chǔ)能式變壓器內(nèi)或在其作為電抗器作用的繞組內(nèi)，而不將這些能量繼續(xù) 傳輸?shù)叫铍姵鼗蚬╇娋W(wǎng)上。


對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明參閱附圖的實(shí)施例。其中分別以示意性原理圖 圖1示出依據(jù)本發(fā)明的蓄電池充電裝置； 圖2示出圖1中a)脈沖開關(guān)和b)整流器的實(shí)施方式； 圖3示出，其中當(dāng)變壓器與蓄電池之間a)部分和b)全部的能量傳遞時(shí)，圖1中不 同電量的時(shí)間分布； 圖4示出圖1中其他電量的時(shí)間分布； 圖5示出一種具有a、 b)不同的次級(jí)側(cè)和初級(jí)側(cè)的續(xù)流支路的可選的蓄電池充電 裝置； 圖6示出一種具有用于輸出端的隔離開關(guān)的可選的蓄電池充電裝置；
圖7示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的蓄電池充電裝置。
具體實(shí)施例方式
圖1示出具有輸入端4和輸出端8的蓄電池充電裝置2，通過(guò)該輸入端4該蓄電池 充電裝置2在電源6上與電源電壓UN = 230V接上，在該輸出端8上蓄電池10與蓄電池電 壓UB接上。蓄電池充電裝置2基本上包含HF隔離變壓器12，該HF隔離變壓器12的初級(jí) 側(cè)繞組14a具有電感線圈LI并通過(guò)開關(guān)16與輸入端4連接。次級(jí)側(cè)繞組14b具有電感線 圈L2并通到整流器20的輸入端18a上。整流器20的輸出端18b與輸出端8連接，在該輸 出端8施加蓄電池電壓Ue。 蓄電池充電裝置2此外具有測(cè)量單元22，該測(cè)量單元22檢測(cè)在輸出端4上施加的電源電壓UN以及在輸入端4上流入蓄電池充電裝置2內(nèi)的電源電流IN。測(cè)量單元22與控 制裝置24連接，該控制裝置24操作開關(guān)16。開關(guān)16為雙向開關(guān)，也就是說(shuō)，它在閉合狀態(tài) 下既讓正的也讓負(fù)的電源電流Iw(即在通過(guò)箭頭26所示的兩個(gè)流動(dòng)方向上)通過(guò)。在變壓 器12內(nèi)，繞組14a和14b纏繞在未示出的共用的帶有氣隙的磁芯上，并因此使電感線圈LI 和L2相互緊密耦合。HF變壓器12示出蓄電池充電裝置2的初級(jí)側(cè)28a與次級(jí)側(cè)28b之間 的電流的隔離。HF變壓器12為HF儲(chǔ)能式變壓器并根據(jù)反激變換器的類型與整流器20相 互連接。電流因此在HF變壓器12中只能在初級(jí)繞組14a內(nèi)或者在次級(jí)繞組14b內(nèi)流動(dòng)。
圖1此外示出初級(jí)側(cè)28a和/或初級(jí)側(cè)28b的一種可選的構(gòu)造方式可由控制裝 置24接通的續(xù)流支路40或續(xù)流網(wǎng)38可以通過(guò)初級(jí)側(cè)繞組14a或次級(jí)側(cè)繞組14b短接。在 相關(guān)繞組內(nèi)存儲(chǔ)的能量就可以通過(guò)閉合續(xù)流支路40存儲(chǔ)在初級(jí)側(cè)或次級(jí)側(cè)上，而不必將 這些能量送回到電源6上或者到各自其他繞組或者蓄電池10上。 蓄電池充電裝置的另一種可選的實(shí)施方式包含可由控制裝置24開關(guān)的隔離開關(guān) 44，該隔離開關(guān)44在本例中根據(jù)整流器20設(shè)置。該隔離開關(guān)用于將蓄電池10隔開，并且 也可以設(shè)置在次級(jí)側(cè)28b的電路中的其他適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀?在一種可選的、未示出的實(shí)施方式中，多個(gè)依據(jù)本發(fā)明的裝置或這些裝置的一部 分-至少HF變壓器12連同各自配屬的脈沖開關(guān)16-并聯(lián)接入到唯一的電源6與唯一的蓄 電池10之間。 圖2a示出開關(guān)16或者隔離開關(guān)44或者續(xù)流支路40的開關(guān)的具體實(shí)現(xiàn)方式，其 作為兩個(gè)逆阻式IGBT(RBIGBT)30的串聯(lián)電路可雙向變換。 圖2b示出構(gòu)造為二極管整流器的整流器20，該二極管整流器在每一個(gè)分支19a-d 中具有二極管D卜4。運(yùn)行中，相應(yīng)的電流(例如ID1)流過(guò)每個(gè)二極管。 圖3a示出在蓄電池充電裝置2運(yùn)行中不同的電量，通過(guò)時(shí)間t/ms標(biāo)繪出來(lái)。所 示為在-220到+220V之間正弦振蕩的50Hz電源電壓UN20ms的完整振蕩周期。測(cè)量單元 22檢測(cè)該電壓的時(shí)間分布并將其傳送到控制裝置24上。該控制裝置24借助標(biāo)度系數(shù)34 將電源電壓UN的時(shí)間分布標(biāo)度到極限電流Ie的正弦曲線上。標(biāo)度系數(shù)23在此通過(guò)如下方 式確定，即，使極限電流Ie的最大值Imax分別為±16V。 控制裝置24因此現(xiàn)在在時(shí)間點(diǎn)TO上開始將開關(guān)16閉合，并借助測(cè)量裝置2跟蹤 電流強(qiáng)度Iw的分布。只要電流強(qiáng)度Iw達(dá)到極限電流Ic;的數(shù)值(這一點(diǎn)是在時(shí)間間隔ATI =T1-T0之后的時(shí)間點(diǎn)Tl上出現(xiàn)的情況)，控制裝置24就將開關(guān)16再次合上。極限電流 Ie的實(shí)際值在這里因此形成針對(duì)電流IN的極限值I。。隨后控制裝置24將開關(guān)16保持閉合 直到時(shí)間點(diǎn)T2。在本例中，時(shí)間間隔T2-T1的長(zhǎng)度選為恒定。在時(shí)間間隔AT2-T1之后的 時(shí)間點(diǎn)T2上，開關(guān)16再次閉合，并且控制裝置24重新觀測(cè)電流I,何時(shí)等于極限電流Ie，在 此基礎(chǔ)上控制裝置24在更新的時(shí)間間隔AT1之后再次將開關(guān)16斷開。該時(shí)間間隔ATI 一般情況下不等于先前的時(shí)間間隔AT1。開關(guān)16然后再次針對(duì)時(shí)間間隔AT2保持閉合， 但該時(shí)間間隔始終是相同長(zhǎng)度。 開關(guān)保持?jǐn)嚅_的間隔ATI因此取決于電源電流Iw何時(shí)達(dá)到極限電流Ic;并因此是 可變的。各兩個(gè)依次的間隔AT1和AT2的總和示出脈沖開關(guān)16的開關(guān)周期，該開關(guān)周期 示出HF變壓器12的工作頻率的周期持續(xù)時(shí)間。在圖3a中可以看出，僅在電源電壓U,的 半波期間HF變壓器12持續(xù)地以不同的工作頻率來(lái)運(yùn)行。
時(shí)間間隔AT2通過(guò)如下方式選擇，S卩，使產(chǎn)生的工作頻率處于HF變壓器12允許的范圍內(nèi)。針對(duì)電源電壓UN的在圖3中所示的第一個(gè)正的半波，在次級(jí)側(cè)28b上產(chǎn)生通過(guò)二極管Dl的電流lM，該電流ID1在圖3a中同樣示出。當(dāng)開關(guān)16斷開時(shí)，這些電流分別在時(shí)間間隔AT2期間流動(dòng)。通過(guò)電流lM的相應(yīng)產(chǎn)生的電流脈沖使蓄電池10充電，這是因?yàn)槎O管電流在這里直接形成蓄電池電流IB。在圖3a中的第二個(gè)半波中，電路中的電流方向根據(jù)圖1顛倒過(guò)來(lái)，從而現(xiàn)在電流ID2流過(guò)二極管D2。 因此在各自的第一時(shí)間間隔ATI期間，從電源6中取出功率并存儲(chǔ)在初級(jí)繞組14a內(nèi)，在時(shí)間間隔AT2期間，相應(yīng)存儲(chǔ)的功率(通過(guò)未示出的磁芯或其氣隙)通過(guò)繞組14b傳遞到蓄電池10上。在本例中，時(shí)間AT2恒定為100 ii s。 還可以看出的是，電源電壓U,與電源電流Iw或其包絡(luò)線之間的功率因數(shù)為COSCp^或A = 1。包絡(luò)線與極限電流Ie重合。 在圖3a中，在各自的時(shí)間間隔AT2內(nèi)不是全部能量均從HF變壓器12中取出；僅發(fā)生部分的能量傳遞。電流曲線ID1,2因此在各自的間隔端部上不是下降到零，而是被切分開的。在時(shí)間間隔ATI內(nèi)，向初級(jí)線圈14a內(nèi)的電流流動(dòng)也不是在零時(shí)開始，而是在較高的電流強(qiáng)度上被切分開。 圖3b與此相反地示出一種情況，在該情況下在每個(gè)時(shí)間間隔AT2內(nèi)使HF變壓器徹底地向蓄電池10放電。電流曲線ID1,2在每個(gè)時(shí)間間隔AT2內(nèi)下降到零。電流IN的充電曲線因此在每個(gè)間隔ATI內(nèi)也在零時(shí)開始。 針對(duì)HF變壓器12與脈沖開關(guān)16的上述并聯(lián)，然后能夠?qū)崿F(xiàn)另一具有優(yōu)點(diǎn)的控制方法在N倍的并聯(lián)時(shí)，單個(gè)脈沖開關(guān)16借助例如360° /N的相移來(lái)進(jìn)行控制。這一點(diǎn)在蓄電池上導(dǎo)致相對(duì)于圖3a、 b來(lái)說(shuō)蓄電池電流IB明顯變平滑的電流曲線，這是因?yàn)橛蓡蝹€(gè)HF變壓器產(chǎn)生的電流借助相應(yīng)的相移疊加。 圖4再次示出圖3中的充電電流ID1和ID2連同蓄電池的充電功率Pp蓄電池充電功率相應(yīng)于電流ID1或ID2乘以蓄電池電壓UB或近似乘以次級(jí)繞組14b的輸出電壓并以雙倍的電源頻率脈動(dòng)。功率峰值等于二乘以平均值。 圖5a、 b示出實(shí)施方式，在這些實(shí)施方式中不同于圖2，開關(guān)16通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)。但尤其是次級(jí)側(cè)上，在整流器內(nèi)的二極管D3和D4通過(guò)各一個(gè)IGBT 36來(lái)替代。換句話說(shuō)，IGBT 36將二極管D3連同可接通的旁路開關(guān)集成在一起并通過(guò)如下方式構(gòu)造續(xù)流開關(guān)37，方法是有針對(duì)性地取消二極管D3的阻塞作用。整流器20的包含二極管D3的支路因此形成續(xù)流支路40。針對(duì)次級(jí)側(cè)的繞組14b，因此通過(guò)二極管和在二極管D3和D4的位置上相應(yīng)導(dǎo)電地接入的IGBT36產(chǎn)生續(xù)流網(wǎng)18或者續(xù)流支路。在脈沖周期A T2期間，可以通過(guò)如下方式獲得存儲(chǔ)在作為電抗器起作用的繞組14b內(nèi)的能量，方法是其電流通過(guò)續(xù)流網(wǎng)38流動(dòng)。 圖5b示出整流器20的一種可選的構(gòu)造方式，在該整流器20中二極管D工和D3通過(guò)IGBT 36來(lái)替代。因此為繞組14b針對(duì)不同的電流方向產(chǎn)生兩種不同的續(xù)流網(wǎng)38。
IGBT 36在所有情況下均在中心由控制裝置24相應(yīng)地操作，以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間點(diǎn)上釋放續(xù)流網(wǎng)38。在初級(jí)側(cè)28a上可以看到相應(yīng)地具體構(gòu)造的續(xù)流支路40或續(xù)流開關(guān)37。
圖6示出蓄電池充電裝置2的另一種實(shí)施方式，在該蓄電池充電裝置2中，在整流器20內(nèi)在二極管D3和D4的位置上串聯(lián)于IGBT還串聯(lián)有反激IGBT 36，以便使蓄電池10與蓄電池充電裝置2完全阻隔，從而在這里可以絕對(duì)沒(méi)有電流流動(dòng)。圖6中整流器20的下半 部分由此可以完全阻塞。二極管D3支路中的兩個(gè)IGBT 36在這里因此作為隔離開關(guān)44起 作用。為了使整流器運(yùn)行，可以將下面的IGBT 36分別導(dǎo)電接入。 在圖6中，此外二極管D1和D2也通過(guò)IGBT 35來(lái)替代。這一點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)使整流 器20作為逆變器42運(yùn)行。因此能夠?qū)崿F(xiàn)從蓄電池10向電源6的能量傳輸。附圖標(biāo)記列表
2蓄電池充電裝置4輸入端6電源8輸出端10蓄電池12HF變壓器14a、b繞組16脈沖開關(guān)18a輸入端18b輸出端19a-d分支20整流器22測(cè)量單元24控制裝置26對(duì)s28a初級(jí)側(cè)28b次級(jí)側(cè)30RBIGBT34標(biāo)度系數(shù)36IGBT37續(xù)流開關(guān)38續(xù)流網(wǎng)40續(xù)流支路42逆變器44隔離開關(guān)300蓄電池充電裝置310整流器312PFC313電抗器314中間電路電容器315短路開關(guān)316逆變器317續(xù)流二極管
318HF變壓器322電抗器uz中間電路電壓uw電壓uB蓄電池電壓uN電源電壓In電源電流t時(shí)間IG極限電流4二極管ID1,2電流PL充電功率工作頻率Lu電感線圈I max最大電流A IV3時(shí)間間隔I0極限值In蓄電池電流
權(quán)利要求
蓄電池充電裝置(2)，具有HF儲(chǔ)能式變壓器(12)，所述HF儲(chǔ)能式變壓器(12)的初級(jí)繞組(14a)通過(guò)脈沖開關(guān)(16)在用于交流電壓(UN)的雙極輸入端(4)上接上，并且所述HF儲(chǔ)能式變壓器(12)的次級(jí)繞組(14b)根據(jù)反激變換器的類型與具有用于蓄電池(10)的雙極輸出端(8)的整流器(20)接線；和檢測(cè)所述輸入端(4)上的電流(IN)和電壓(UN)的測(cè)量單元(22)；和依賴于所述電流(IN)和電壓(UN)來(lái)操作所述脈沖開關(guān)(16)的控制裝置(24)。
2 按權(quán)利要求l所述的蓄電池充電裝置(2)，具有配屬于所述初級(jí)繞組(14a)的、包含 由所述控制裝置(24)操作的短接的續(xù)流開關(guān)(37)的續(xù)流支路(40)。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的蓄電池充電裝置(2)，具有配屬于所述次級(jí)繞組(14b)的、 包含由所述控制裝置(24)操作的短接的續(xù)流開關(guān)(37)的續(xù)流支路(40)。
4. 按權(quán)利要求3所述的蓄電池充電裝置(2)，在所述蓄電池充電裝置(2)中，所述續(xù)流 支路集成在二極管整流器中。
5. 按權(quán)利要求4所述的蓄電池充電裝置(2)，在所述蓄電池充電裝置(2)中，所述整流 器(20)是二極管整流器，并且所述整流器(20)的至少兩個(gè)分支(19a-d)形成各一個(gè)具有 由所述控制裝置(24)操作的短接的續(xù)流開關(guān)(37)的續(xù)流支路(40)。
6. 按前述權(quán)利要求之一所述的蓄電池充電裝置(2)，具有由所述控制裝置(24)操作 的、將所述輸出端(8)從所述輸入端(4)隔離開的隔離開關(guān)(44)。
7. 按權(quán)利要求6所述的蓄電池充電裝置(2)，在所述蓄電池充電裝置(2)中，所述隔離 開關(guān)(44)包含在所述整流器(20)內(nèi)。
8. 用于使按權(quán)利要求1至7之一所述的蓄電池充電裝置(2)運(yùn)行的方法，在所述方法 中，所述控制裝置(24)以不斷變換的方式使所述脈沖開關(guān)(16)接通第一時(shí)間間隔(ATI) 長(zhǎng)的時(shí)間和斷開第二時(shí)間間隔(AT2)長(zhǎng)的時(shí)間，其中，所述第一時(shí)間間隔(ATI)在所述 電流(IN)上升到極限值(1。)時(shí)結(jié)束，所述極限值(1。)相應(yīng)于所述電壓(UN)的與標(biāo)度系數(shù) (34)相乘的瞬時(shí)值，并且其中，所述第二時(shí)間間隔(AT2)如此長(zhǎng)時(shí)間地選擇，使得第一時(shí) 間間隔(ATI)和第二時(shí)間間隔(AT2)的總持續(xù)時(shí)間相應(yīng)于所述HF儲(chǔ)能式變壓器(12)允 許的工作頻率(fa)的間隔的周期持續(xù)時(shí)間。
9. 按權(quán)利要求8所述的方法，在所述方法中，所述標(biāo)度系數(shù)(34)從所述電壓(UN)的最 大值和在所述輸入端(4)上流動(dòng)的最大額定電流強(qiáng)度(Imax)中測(cè)定。
10. 按權(quán)利要求8至9之一所述的方法，在所述方法中，在所述第一時(shí)間間隔(ATI)和 /或所述第二時(shí)間間隔(AT2)內(nèi)，使所述初級(jí)繞組(14a)或者所述次級(jí)繞組(14b)借助續(xù) 流支路(40)在續(xù)流運(yùn)行中運(yùn)行第三時(shí)間間隔(AT3)長(zhǎng)的時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明涉及蓄電池充電裝置和用于該蓄電池充電裝置運(yùn)行的方法。蓄電池充電裝置，具有HF儲(chǔ)能式變壓器，其初級(jí)繞組通過(guò)脈沖開關(guān)在用于交流電壓的雙極輸入端上接上，其次級(jí)繞組根據(jù)反激變換器的類型與具有用于蓄電池的雙極輸出端的整流器接線；檢測(cè)輸入端上的電流和電壓的測(cè)量單元；依賴于電流和電壓操作脈沖開關(guān)的控制裝置。在其運(yùn)行方法中，控制裝置使脈沖開關(guān)以不斷變換的方式接通第一時(shí)間間隔長(zhǎng)的時(shí)間和斷開第二時(shí)間間隔長(zhǎng)的時(shí)間，第一時(shí)間間隔在電流上升到相應(yīng)于電壓的與標(biāo)度系數(shù)相乘的瞬時(shí)值的極限值時(shí)結(jié)束，第二時(shí)間間隔如此長(zhǎng)時(shí)間地選擇使得第一時(shí)間間隔和第二時(shí)間間隔的總持續(xù)時(shí)間相應(yīng)于HF儲(chǔ)能式變壓器允許的工作頻率的間隔的周期持續(xù)時(shí)間。
文檔編號(hào)H02J7/02GK101783525SQ20101000490
公開日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2010年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
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