CN102299661B - 用于控制开关臂的开关的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于配置为通过电力充电设备充电蓄电装置的方法，该电力充电设备包括分别包含第一开关和第二开关的开关臂(A，B，C)，其特征在于该方法包括如下步骤：命令预定数量的第一开关分别闭合达相关联的闭合时间(tf_A，tf_B，ta_C)，以及当先前闭合的第一开关的每个打开时，命令另一第一开关闭合达相关联的闭合时间(tf_A，tf_B，tf_C)，从而同时闭合恒定数量的第一开关。本发明也涉及用于实现此类充电方法的充电设备。

Description

用于控制开关臂的开关的方法

技术领域

本发明涉及控制开关臂的开关，并且特别应用于由可再充电电池供电的发动机(motor)或交流发电机的领域。本发明应用于电机车辆的领域是有利的，其中电池能够经由逆变器对发动机供电并且当机动车辆停止时可以被再充电。

然而，虽然特别设计用于此类应用，但是能够在其他领域中、特别在风轮机或水力类型的能量产生设备中使用该设备和相关的方法。

背景技术

传统地，电动车辆装备有向逆变器传递直流电流的高电压电池，该逆变器将该直流电流变换为可以对电动发动机供电的交流电流，该电动发动机此后使得该车辆运动。

为了这些高电压电池的再充电，公知地要对车辆装备有并入电动车辆中的充电设备，其包括不具有二极管桥的电力控制转换器，也熟知为叫“无桥PFC”。

由转换器的切换产生的共模电流在由相对于底盘的电子、或相对于底盘的发动机或甚至相对于底盘的电池表现出的寄生电容器中流通。这些电流经由底盘、链接到电网络的地线循环回来。因此充电器对电网络发出干扰。各标准限制了对电网络的高频干扰的发送。

无源滤波解放方案可以帮助解决该问题。例如，这涉及将共模滤波器置于充电器的输入端。因此，共模电流经由该滤波器而非经过网络而循环回来。然而，除了成本和音量(volume)外，滤波器的缺点还在于其将在主线(main)和地之间产生低频泄露电流(达50Hz/60Hz的量级)。

发明内容

因此本发明的示范实施例目的是通过阻止寄生电容器被电压变化激励来限制产生共模电流。

为此，本发明的示范实施例提供一种用于控制开关臂的开关的方法，每个开关臂分别包括第一开关和第二开关，该方法包括如下步骤：

a)命令预定数量的第一开关分别闭合达相关联的闭合时间，以及

b)当先前闭合的第一开关的每个打开时，命令另一第一开关闭合达相关联的闭合时间，从而同时闭合恒定数量的第一开关。

本发明的其他示范实施例提供一种用于通过电力充电设备充电蓄电装置的方法，该电力充电设备包括分别包含第一开关和第二开关的开关臂，其特征在于该方法包括上述控制方法的步骤a)和b)，根据如下的步骤：

a)命令预定数量的第一开关分别闭合达相关联的闭合时间，以及

b)当先前闭合的第一开关的每个打开时，命令另一第一开关闭合达相关联的闭合时间，从而同时闭合恒定数量的第一开关。

在相同时间闭合开关臂上处于同一级别的恒定数量的开关的事实，尤其当充电蓄电装置时，使得可以施加恒定的中性电压。电压变化可能激励寄生电容器，因此减少共模电流。

与第二开关相比，第一开关可以全部具有相同的位置。例如第一开关位于开关臂的上部，而第二开关位于开关臂的下部。

所述控制或充电方法也可以单独地或组合地包括一个或多个以下特征：

通过发送脉冲宽度调制PWM控制信号来命令所述第一开关闭合，

该控制信号是同相的，

该控制信号是相移的，

所述充电设备是三相的并且所述充电设备的相位的平均调制等于1/3。

在在相同时间闭合的第一开关的数量与在相同时间闭合的第一开关和第二开关的总数量之间的比率是1/3。

本发明的其他示范实施例也提供用于实现如上定义的控制或充电方法的对应的充电设备。用于充电蓄电装置的电力充电设备包括：

分别包括第一开关和第二开关的开关臂，和

用于控制所述开关的控制设备，该控制设备被配置为：在蓄电装置的充电期间，命令预定数量的第一开关分别闭合达相关联的闭合时间，以及当先前闭合的第一开关的每个打开时，命令另一第一开关闭合达相关联的闭合时间，从而同时闭合恒定数量的第一开关。

所述充电设备也可以单独地或组合地包括一个或多个以下特征：

所述设备包括三个开关臂，

所述设备包括分别由两个开关臂形成的三个H型桥结构，

开关分别包括晶体管和反向二极管，

所述设备包括包含所述开关臂的逆变器，

所述设备包括在逆变器和蓄电装置之间的DC/DC转换器，

所述设备包括三相交流电发动机，

控制设备被配置为控制开关从而从用于对所述发动机供电的供电模式切换到用于充电蓄电装置的充电模式，以及进行相反的切换。

充电设备可以包括电感器，电感器在合适的情况下由电动发动机的各相的绕组形成。在三相发动机的情况下，三个电感器因此可以由发动机的绕组形成。

使能到电网络的连接的连接器***可以被并入该设备。

附图说明

根据附图，通过非限制性示例提供的以下描述，本发明的其他特征和优点将显现，其中：

图1示意地表示用于机动车辆的具有三相电网络的三相充电设备；

图2以简化的方式表示根据第一实施例的充电设备的一部分；

图3说明在根据本发明的充电方法中表示图2的设备的控制信号的时序图；

图4以示意和简化的方式表示充电设备的第二实施例；

图5说明在充电方法中表示图4的设备的控制信号的时序图。

在这些附图中，以及在说明书的下文中，基本上相同的组件由相同的参考数字表示。

具体实施方式

第一实施例：具有三个开关臂的逆变器

设备

参考图1和2，能够看到示意表示的用于充电例如混合的或电动的机动车辆V的设备1的示范实施例，其具有包括三个开关臂A、B、C的开关装置4和电感器7。该设备1使得可以再充电形成车辆V的电池B的蓄电装置5。

每个开关臂A、B、C在描述的示例中包括分布于臂A到C之上的两个开关12a、12b；第一开关12a相对于图2在开关臂的上部而第二开关12b在开关臂的下部。

能够对这些开关装置4做出安排以并入设备1的逆变器2中。

也能够对电感器7做出安排以通过部分示出的交流电三相发动机6的绕组来形成。在这种情况下，开关臂通过它们的中间点(mid-point)连接到发动机6的各相。

设备1在图1和图2示出的示例中也包括连接器***8，该连接器***8使得可以连接到三相电网络11的插座。该连接器***可以包括锁定装置(未在附图中示出)，使得可以在设备1通电时阻止对电插座的接入。连接器***8也可以与第二锁定装置(未示出)关联以便在供电模式期间阻止用户接入导体(它们然后继续存在)。

充电设备1然后可以通过利用电感器7从接地的电网络11对电池B充电。

在示出的实施例中，充电设备1也包括用于驱动开关12a、12b的控制电路9。在各图中，在控制电路9和开关12a、12b之间的链路没有示出以使得更容易理解各图。

设备1也可以包括位于逆变器2和蓄电装置5之间的DC/DC转换器10。使用DC/DC转换器10使得可以适配电压并由此优化逆变器的尺寸而不降低效率。事实上，蓄电装置5的电压随它们的电荷改变，改变范围从单被到双倍，使用DC/DC转换器10使得可以使逆变器2形成用于低电压的尺寸，低电压必须允许一半电流通过。

作为示例，该逆变器10包括连接到蓄电装置5的电感器101、其中间点连接到电感器101的两个开关102和连接两个开关102的端子的电容器103。

操作

在充电模式中，其中设备1通过利用电感器7从接地的电网络11对电池B充电，控制电路9驱动臂A到C从而在任何时刻同一级别的恒定数量n的开关同时闭合，例如在上部的第一开关12a。显然，也可以选择在下部的第二开关12b。

也通过参考图3，在充电电池B的方法中，例如在给定时间段T中：

命令第一臂A的第一开关12a闭合达闭合时间tf_A，

当第一臂A的第一开关12a的闭合时间tf_A完成并且第一开关12a打开时，命令第二臂B的第一开关12a闭合达闭合时间tf_B，以及

当第二臂B的第一开关12a的闭合时间tf_B完成并且第一开关12a打开时，命令第三臂C的第一开关12a闭合达闭合时间tf_C。

因此，其中各开关12a闭合的时间间隔是不同的。该同步使得可以在时间段T中让一个开关12a在一段时间中闭合。不存在控制信号的重叠。因此在网络11的中性线N处确保恒定电压。

在该示例中，同时必须闭合的第一开关12a的恒定数量n等于1。基于如下详述的平均调制来计算该数量。

脉宽调制技术(叫做PWM)来调制每个臂A到C利用。如前面规定的，这些臂A到C被调制从而在每个相位产生正弦电流。在三相充电设备的情况下，每个相位被相移2π/3并且调制深度m相等。因此根据以下公式(1)计算每个相位的调制：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_a\left(t\right)=k+m*\cos \left(\mathrm{wt}\right)\\ m_b\left(t\right)=k+m*\cos (\mathrm{wt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ m_c\left(t\right)=k+m*\cos (\mathrm{wt}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，K是平均调制，而m_a(t)，m_b(t)和m_c(t)是每个相位a、b、c的调制。

因此调制m_x的和等于3k，从而不具有任何重叠，关键是调制的和等于1，从而由此平均调制k必须等于1/3(见关系式(2))：

$\mathrm{\&Sigma;}{m}_x=3k<1\&DoubleRightArrow;k=\frac{1}{3}---\left(2\right)$

因此，在同时闭合的第一开关12a的数量和同时闭合的开关12a、12b的总数量之间的比率是1/3。

根据第一实施例，存在三个开关臂A、B、C和分布于这三个臂A到C之上的六个开关12a、12b。因此，当三个开关12a、12b闭合时，其他三个开关12a、12b打开。在闭合的三个开关中，1/3必须是在开关臂的上部的第一开关12a，闭合的另外两个开关是在开关臂的下部的第二开关12b。

因此存在恒定数量n的第一开关12a被闭合(关系式(3))：

n＝1(3)

显然，上述的三相充电设备1能够推广到多相***。

另外，在其中开关装置4并入逆变器2的特定情况中，除了充电模式(其中设备1通过利用发动机6的绕组7作为电感器从接地的电网络11对电池B充电)之外，设备1设计来根据供电模式(其中它从电池B提供用于发动机6的交流电流电源)来操作。

然后，通过控制电路9管理从供电模式到充电模式的切换。

在供电模式中，控制电路9驱动臂A到C从而允许交流电流在发动机6的对应相位中流通。在发动机的三相中流通的交流电流一般用于调整发动机旋转。在本示例中作为具有反向安装的二极管的功率晶体管的开关12a、12b能够根据传统正弦PWM(脉冲宽度调制)命令来驱动。

在充电模式中，控制电路9如前所述地驱动臂A到C。

第二实施例：具有六个开关臂的逆变器

设备

现在参考图1和4，根据其中设备1具有形成三个H型桥3、3’、3”的六个开关臂来描述第二实施例，所述桥例如并入逆变器2中。

因此开关装置4包括六个开关臂A、B、C、D、E、F。

每个开关臂A、B、C、D、E、F如前一样包括分布在六个臂A到F之上的两个开关12a、12b，第一开关12a相对于图4在开关臂的上部而第二开关12b在开关臂的下部。

与传统三相桥相比H型桥的一个优点在于它的使用将应用于发动机6的相位的电压加倍一个相同的电压，从而，虽然它包括成倍数量的开关12a、12b，但是对H型桥使用的硅表面面积将和用于传统三相桥的一样；这是因为事实上相电流被除以二。

H型桥的使用也使得可以减少由于开关动作引起的损耗。

根据第二实施例，存在六个开关臂A、B、C，因此有十二个开关12a、12b。当六个开关12a、12b闭合时，其他六个开关12a、12b打开。在闭合的六个开关中，1/3必须是在开关臂的上部的第一开关12a。

因此，在整个闭合的六个开关中存在恒定数量n为2的第一开关12a被闭合，因此闭合的其他四个开关是在开关臂的下部的第二开关12b(关系式(4))：

n＝2(4)

操作

也参考图5，在充电电池B的方法中，例如：

一方面，命令第一臂A的第一开关12a闭合达闭合时间tf_A，以及

另一方面，命令第四臂D的第一开关12a闭合达闭合时间tf_D。

用于开关臂A和D的控制信号可以是相移的，如示例所示，或根据替换的例子，这些控制信号可以是同相的。

当第一臂A的第一开关12a的闭合时间tf_A完成并且该第一开关12a打开时，命令第三臂C的第一开关12a闭合达闭合时间tf_C。然后，当第三臂C的第一开关12a的闭合时间tf_C完成并且该第一开关12a打开时，命令第五臂E的第一开关12a闭合达闭合时间tf_E。

类似地，当第四臂D的第一开关12a的闭合时间tf_D完成并且该第一开关12a打开时，命令第六臂F的第一开关12a闭合达闭合时间tf_F。然后，当第六臂F的第一开关12a的闭合时间tf_F完成并且该第一开关12a打开时，命令第二臂B的第一开关12a闭合达闭合时间tf_B。

如前一样，该同步使得可以同时让两个开关12闭合。因此在网络11的中性线N处确保恒定电压。

总之，通过先前描述的充电设备1，恒定电压维持在网络11的中性线N的电平，从而即使在脉冲边缘的不完美同步的情况中也减少可能引入的共模电流。

本发明不局限于上述的示范实施例并且尤其可以不管电动车辆的蓄电装置是否被充电而实现。本发明更广泛地用于控制开关臂的开关以减少共模电流。

Claims (13)

1.一种用于控制具有形成三个H型桥(3,3’,3”)的六个开关臂(A,B,C,D,E,F)的电力充电设备(1)的开关(12a、12b)的方法，每个开关臂分别包括第一开关(12a)和第二开关(12b)，其中每一个第一开关位于相应的开关臂的上部，而每一个第二开关位于相应的开关臂的下部，该方法包括如下步骤：

a)命令预定数量的第一开关(12a)分别闭合达相关联的闭合时间(tf_A,tf_B,tf_C,tf_D,tf_E,tf_F)，以及

b)当先前闭合的第一开关(12a)的每个打开时，命令另一第一开关(12a)闭合达相关联的闭合时间(tf_A,tf_B,tf_C,tf_D,tf_E,tf_F)，从而同时闭合恒定数量的第一开关(12a)，所述恒定数量为2。

2.一种用于经由电力充电设备充电蓄电装置(5)的方法，该电力充电设备包括分别包含第一开关(12a)和第二开关(12b)的开关臂(A,B,C,D,E,F)，该方法至少包括权利要求1所述的方法。

3.根据权利要求1所述的方法，通过发送脉冲宽度调制PWM控制信号来命令所述第一开关(12a)闭合。

4.根据权利要求3所述的方法，该控制信号是同相的。

5.根据权利要求3所述的方法，该控制信号是相移的。

6.根据权利要求2所述的方法，充电设备是三相的并且充电设备的相位的平均调制等于1/3。

7.根据权利要求6所述的方法，在同时闭合的第一开关(12a)的数量与同时闭合的第一开关(12a)和第二开关(12b)的总数量之间的比率是1/3。

8.一种用于充电蓄电装置(5)的电力充电设备，该电力充电设备包括：

三个H型桥(3,3’,3”)，各自由两个开关臂(A,B,C,D,E,F)形成，所述开关臂(A,B,C,D,E,F)分别包含第一开关(12a)和第二开关(12b)，其中每一个第一开关位于相应的开关臂的上部，而每一个第二开关位于相应的开关臂的下部

和

用于控制所述第一开关和第二开关(12a、12b)的控制设备(9)，

在蓄电装置(5)的充电期间，该控制设备(9)被配置为：

命令预定数量的第一开关(12a)分别闭合达相关联的闭合时间，以及

当先前闭合的第一开关(12a)的每个打开时，命令另一第一开关(12a)闭合达相关联的闭合时间，从而同时闭合恒定数量的第一开关(12a)，该恒定数量为2。

9.根据权利要求8所述的电力充电设备，所述第一开关和第二开关(12a、12b)分别包括晶体管和反向二极管。

10.根据权利要求8所述的电力充电设备，包括包含所述开关臂(A,B,C,D,E,F)的逆变器(2)。

11.根据权利要求10所述的电力充电设备，包括在逆变器(2)和蓄电装置(5)之间的DC/DC转换器(10)。

12.根据权利要求8所述的电力充电设备，包括三相交流电发动机。

13.根据权利要求12所述的电力充电设备，控制设备(9)被配置为控制所述第一开关和第二开关(12a、12b)从而从用于供电发动机(6)的供电模式切换到用于充电蓄电装置(5)的充电模式，以及进行相反的切换。