CN102904322A - 电池充电*** - Google Patents

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Abstract

在本发明的一个方案中，电池充电***具有：第一整流器，适于将其输入端处的交流电压转换成其输出端处的第一直流电压；功率因数校正(PFC)电路，耦接至所述第一整流器，用于校正所述电池充电***的功率因数并输出第二直流电压；第一电源转换器，耦接至所述PFC电路，用于将所述第二直流电压转换成第三直流电压；第二电源转换器，耦接至所述第一电源转换器，用于将所述第三直流电压转换成将被传送给电池的第四直流电压；以及第一控制器，适于感测所述第二电源转换器的输出端处的所述第四直流电压，以将所述第二电源转换器调节为使所述第四直流电压保持在预定值。

Description

电池充电***
技术领域
本发明涉及一种电池充电***，尤其涉及一种三级(three-stage)电池充电***。
背景技术
众所周知，矿物燃料被广泛地用在传统汽车中来产生动力。然而，矿物燃料的来源非常有限。此外，矿物燃料的使用已经导致了越来越严重的环境污染。近来，电动车辆与插电式混合动力电动车辆(plug-in hybrid electricvehicle)已经被研究和开发出来。电动车辆与插电式混合动力电动车辆使用电动机来生成动力。电动车辆或插电式混合动力电动车辆具有内置电池，作为用于提供动力的稳定能源。并且，需要高效、高稳定性以及高安全性的充电***来对电池充电。
因此，在已有技术中存在迄今未解决的需求，用于解决上述缺陷和不足。
发明内容
在一个方案中，本发明涉及一种电池充电***。在一个实施例中，电池充电***包括：第一整流器，其适于将其输入端处的交流(AC)电压转换成其输出端处的第一直流(DC)电压；以及功率因数校正(PFC)电路，其具有一输入端和一输出端，所述PFC电路的输入端耦接至所述第一整流器的输出端，其中所述PFC电路适于校正所述电池充电***的功率因数并在其输出处输出第二DC电压。在一个实施例中，所述PFC电路具有两个彼此线路交错连接(interleave)的升压斩波(Boost)转换器。
所述电池充电***还包括：第一电源转换器，其具有一输入端和一输出端，所述第一电源转换器的输入端耦接至所述PFC电路的输出端；以及第二电源转换器，其具有一输入端和一输出端，所述第二电源转换器的输入端耦接至所述第一电源转换器的输出端。
所述第一电源转换器适于将所述第二DC电压转换成其输出端处的第三DC电压。在一个实施例中，所述第一电源转换器被配置为将其输出端与其输入端相隔离。
在一个实施例中，所述第一电源转换器具有变压器，所述变压器具有至少一个初级绕组和至少一个次级绕组，其中所述变压器的至少一个初级绕组包括两个或多个彼此串联连接的初级绕组，并且所述变压器的至少一个次级绕组包括两个或多个彼此串联连接的次级绕组。所述第一电源转换器具有耦接至所述第一电源转换器的输入端的桥式电路，其中所述桥式电路为全桥电路。此外，所述第一电源转换器具有耦接至所述桥式电路和所述变压器的至少一个初级绕组的谐振回路，其中所述谐振回路包括彼此串联连接的电感器和电容器。此外，所述第一电源转换器具有耦接至所述变压器的至少一个次级绕组和所述第一电源转换器的输出端的第二整流器。此外，所述第一电源转换器包括第二控制器，所述第二控制器适于感测所述变压器的至少一个初级绕组处的电压，以调节所述第一电源转换器的输出。另外，所述第一电源转换器可包括第二控制器，所述第二控制器适于感测所述第一电源转换器的输入电压和输出电压，以调节所述第一电源转换器的输出。
所述第二电源转换器适于将所述第三DC电压转换成其输出端处的将被传送给电池的第四DC电压。在一个实施例中，所述第二电源转换器为Buck转换器，其中所述Buck转换器包括两个彼此线路交错连接的Buck转换器。
此外，所述电池充电***包括第一控制器，所述第一控制器适于感测所述第二电源转换器的输出端处的所述第四DC电压，以将所述第二电源转换器调节为使所述第四DC电压保持在预定值。
在一个实施例中，所述第一控制器还适于感测所述电池充电***的环境温度，以保护所述电池充电***。
在一个实施例中，所述电池充电***还可具有耦接至所述PFC电路的输出端的第一储能电容器。在另一个实施例中，所述电池充电***还可具有耦接至所述第一电源转换器的输出端的第二储能电容器。
在本发明的另一个方案中，一种电池充电***包括：第一整流器，其适于将其输入端处的AC电压转换成其输出端处的第一DC电压；功率因数校正(PFC)电路，其具有输入端和输出端，所述PFC电路的输入端耦接至所述第一整流器的输出端，其中所述PFC电路适于校正所述电池充电***的功率因数并在其输出端处输出第二DC电压；第一电源转换器，其具有输入端和输出端，所述第一电源转换器的输入端耦接至所述PFC电路的输出端，其中所述第一电源转换器适于将所述第二DC电压转换成其输出端处的第三DC电压，并包括(i)耦接至所述第一电源转换器的输入端的桥式电路，(ii)具有至少一个初级绕组和至少一个次级绕组的变压器，(iii)耦接至所述桥式电路和所述变压器的至少一个初级绕组的谐振回路，(iv)耦接至所述变压器的至少一个次级绕组和所述变压器的输出的第二整流器；第二电源转换器，其具有输入端和输出端，所述第二电源转换器的输入端耦接至所述第一电源转换器的输出端，其中所述第二电源转换器适于将所述第三DC电压转换成其输出端处的将被传送给电池的第四DC电压；以及第一控制器，适于感测所述第二电源转换器的输出端处的所述第四DC电压，以将所述第二电源转换器调节为使所述第四DC电压保持在预定值。
在一个实施例中，所述第一控制器还适于感测所述电池充电***的环境温度，以保护所述电池充电***。
在一个实施例中，所述第一电源转换器还具有第二控制器，所述第二控制器适于感测所述变压器的至少一个初级绕组处的电压，以调节所述第一电源转换器的输出。在另一个实施例中，所述第一电源转换器还具有第二控制器，所述第二控制器适于感测所述第一电源转换器的输入端电压和输出端电压，以调节所述第一电源转换器的输出。
在一个实施例中，所述第二电源转换器为Buck转换器，其中所述Buck转换器包括两个彼此线路交错连接的Buck转换器。
在一个实施例中，所述第一整流器包含用于滤除并抑制电磁干扰的电路。
尽管在不背离本发明的新颖性概念的精神和范围可实现其中的变型和修正，但从结合如下附图的如下优选实施例的描述中，本发明的这些和其它方案将变得显而易见。
附图说明
附图示出了本发明的一个或多个实施例，与书面描述一起，用来说明本发明的原理。如有可能的话，在附图中通篇使用相同的附图标记来指代实施例的相同或类似的元件，并且其中：
图1示出根据本发明一个实施例的电池充电***的方框图；
图2示出根据本发明另一个实施例的电池充电***的方框图；
图3示出根据本发明一个实施例的、图2中所示的电池充电***中所使用的功率因数校正(PFC)电路的电路图；
图4示出根据本发明一个实施例的、图2中所示的电池充电***中所使用的谐振DC电源转换器的电路图；
图5示出根据本发明另一个实施例的、图2中所示的电池充电***中所使用的半调节式谐振DC电源转换器的电路图；
图6示出根据本发明再一个实施例的、图2中所示的电池充电***中所使用的调节式谐振DC电源转换器的电路图；以及
图7示出根据本发明一个实施例的、图2中所示的电池充电***中所使用的包括控制器的Buck电源转换器的电路图。
具体实施方式
现将参考附图(其中示出了本发明的示例实施例)在下文中更全面地描述本发明。然而，可以由多种不同形式来实施本发明，并且本发明不应被解释为限于本文所提出的实施例。更确切地说，提供这些实施例，从而本披露内容将为深入的和完整的，并且将向本领域普通技术人员全面地传达本发明的范围。类似的附图标记通篇指代类似的元件。
本文所使用的术语仅是为了描述特定实施例，而非倾向于作为本发明的限制。如在本文所使用的，除非文中清楚地另有表示，单数形式“一个”、“一”以及“该”也倾向于包含复数形式。还应理解到，当在本文使用术语“包括”和/或“包括有”、“包含”和/或“包含有”、或“具备”和/或“具有”时，这些术语指定了所陈述的特征、区域、整数(integer)、步骤、操作、元件和/或组件的存在，而并未排除一个或多个其它特征、区域、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或附加。
除了另有界定之外，本文所使用的所有术语(包含技术和科技术语)具有如同本发明所属的本领域普通技术人员通常理解的相同意义。还应理解到，除了本文所明确限定的之外，术语(如在通用字典中所限定的术语)应被解释为具有与在相关技术和本披露内容中的意思相一致的意思，而不被解释为理想化的或过于形式化的意义。
如本文所使用的，“大概”、“约”或“大约”应一般意味着在给定值或范围的20％内，优选在给定值或范围的10％内，更优选在给定值或范围的5％内。此处所给出的数量为大概的，意味着如果没有明确说明，则可推断出术语“大概”、“约”或“大约”的含义。
如本文所使用的，术语“多个”表示大于一的数量。
将结合图1-图7中的附图对本发明的实施例作出说明。根据本发明的目的，如本文体现和广义描述的，在一个方案中，本发明涉及一种电池充电***。
参见图1，根据本发明的一个实施例示出了电池充电***100的方框图。电池充电***100包括电磁干扰(EMI)滤波器和整流器110、功率因数校正(PFC)电路120、DC电源转换器130以及降压斩波(Buck)电源转换器140。EMI滤波器和整流器110具有一输入端和一输出端。EMI滤波器和整流器110的输入端适于耦接到AC输入电压源。EMI滤波器和整流器110包括滤除和抑制可能存在的电磁干扰、并将AC输入电压转换成其输出端处的第一DC电压的电路。PFC电路120具有一输入端和一输出端。PFC电路120的输入端耦接至EMI滤波器和整流器110的输出端。PFC电路包括校正电池充电***的功率因数以降低对AC输入电压的污染、并在其输出端处输出第二DC电压的电路。DC电源转换器130具有一输入端和一输出端。该DC电源转换器130的输入端经由第一DC总线耦接至PFC电路120的输出端。DC电源转换器130包括将其输入端处的第二DC电压转换成其输出端处的第三DC电压的电路。DC电源转换器130还提供了其输入端和其输出端之间的高频隔离。在一个实施例中，DC电源转换器130为脉冲宽度调制(PWM)转换器。在一个实施例中，DC电源转换器130为谐振转换器。Buck电源转换器140具有输入端和输出端。Buck电源转换器140的输入端经由第二DC总线耦接至DC电源转换器130的输出端。Buck电源转换器140包括将其输入端处的第三DC电压转换成输出端处的第四DC电压的电路。Buck电源转换器140的输出端适于耦接到高压电池，以对电池充电。Buck电源转换器还包括根据高压电池的情况来调节第四DC电压的控制电路。电池充电***100还包括分别耦接至PFC电路120的输出端和DC电源转换器130的输出端的第一储能电容器150和第二储能电容器160。
在一个实施例中，Buck电源转换器140的输入端经由第一DC总线耦接至PFC电路120的输出端。并且DC电源转换器130的输入端经由第二DC总线耦接至Buck电源转换器140的输出端。在本实施例中，DC电源转换器130还在其输入端和其输出端之间设置有高频隔离。
图2示出根据本发明另一个实施例的电池充电***100的方框图。电池充电***100的输入端电压为范围为约90V到约265V的AC电压。EMI滤波器和整流器110包括全桥或半桥整流器。PFC电路120包括升压斩波(Boost)PFC电路，并输出一约400V的第二DC电压到第一DC总线。DC电源转换器130包括串联谐振回路(如LLC谐振回路)，并且DC电源转换器130输出一约470V的第三DC电压到第二DC总线。Buck电源转换器140将第三DC电压转换成范围为约240V到约450V的第四DC电压，从而将约3.3kW的功率提供给高压电池。
图3示出根据本发明一个实施例的Boost PFC电路120的电路图。BoostPFC电路120包括两个彼此线路交错(interleave)连接的Boost电路。每个Boost电路包括电感器L1/L2、晶体管S1/S2以及二极管D1/D2。Boost PFC电路120提高了电池充电***的功率因数，并输出约400V的第二DC电压。线路交错连接的Boost PFC电路还能够降低输出电压的纹波(ripple)。
在一个实施例中，PFC电路120可为校正电池充电***的功率因数的单个Boost电路。并且在一个实施例中，PFC电路120可为校正电池充电***的功率因数的多于两个的彼此线路交错连接的Boost电路。
图4示出根据本发明一个实施例的DC电源转换器130的电路图。DC电源转换器130包括全桥电路，该全桥电路包括经由第一储能电容器耦接至第二DC电压的四个晶体管S5-S8。在另一实施例中，DC电源转换器130可包括半桥电路。DC电源转换器130还包括变压器T，其包括至少一个初级绕组和至少一个次级绕组。该至少一个初级绕组经由串联谐振回路耦接至全桥电路。串联谐振回路包括彼此串联连接的电容器C1和电感器L5。在一个实施例中，串联谐振回路还包括初级绕组漏电感器，以形成LLC谐振电路。变压器T的至少一个次级绕组经由包括四个二极管D5-D8的全桥整流器耦接至输出端。在一个实施例中，变压器T的至少一个初级绕组包括彼此串联连接的两个或多个初级绕组，以及变压器T的至少一个次级绕组包括彼此串联连接的两个或多个次级绕组。在一个实施例中，DC电源转换器130为不可调节式转换器(unregulated converter)。在一个实施例中，DC电源转换器130为半调节式转换器。并且在另一个实施例中，DC电源转换器130为可调节式转换器。
图5示出根据本发明另一个实施例的DC电源转换器130′的电路图。除了DC电源转换器130′还包括控制器132之外，DC电源转换器130′类似于图4中示出的DC电源转换器130。控制器132包括比较器134。比较器134的第一输入端耦接至电压传感器，该电压传感器对变压器T的至少一个初级绕组处的电压进行取样。比较器134的第二输入端耦接至参考电压。比较器134将取样电压与参考电压进行比较，并根据比较结果输出控制信号以控制全桥电路中的四个晶体管S5-S8。控制信号可包括用于单独控制四个晶体管S5-S8的每一个晶体管的四个独立信号。根据本实施例的DC电源转换器130′为半调节式的。
图6示出根据本发明再一个实施例的DC电源转换器130″的电路图。除了DC电源转换器130″还包括控制器136之外，DC电源转换器130″类似于图4中示出的DC电源转换器130。控制器136包括比较器138。比较器138的第一输入端耦接至第一电压传感器，该第一电压传感器对DC电源转换器130″的输入端电压进行取样。比较器138的第二输入端耦接至第二电压传感器，该第二电压传感器对DC电源转换器130″的输出端电压进行取样。比较器138对DC电源转换器130″的所取样的输入端电压与DC电源转换器130″的所取样的输出端电压进行比较，并根据比较结果输出控制信号以控制全桥电路中的四个晶体管S5-S8。控制信号可包括用于单独控制四个晶体管S5-S8的每一个晶体管的四个独立信号。根据本实施例的DC电源转换器130″能够提供高稳定性的输出电压。
图7示出根据本发明一个实施例的Buck电源转换器140的电路图。Buck电源转换器140包括两个彼此线路交错连接的Buck转换器。每个Buck转换器均包括晶体管S3/S4、电感器L3/L4以及二极管D3/D4。Buck电源转换器140还包括控制器142。控制器142具有耦接至电压传感器的第一输入端，该电压传感器用于对电池充电***100的输出端电压进行取样。控制器142被配置为根据所取样的输出端电压输出第一控制信号以调节晶体管S3和S4，从而将电池充电***100的输出端电压维持在预定值。第一控制信号可包括用于单独控制晶体管S3和S4的每个晶体管的两个信号。控制器142还具有耦接至温度传感器的第二输入端，该温度传感器用于对电池充电***的环境温度进行取样。控制器142根据取样温度来输出第二控制信号，以保护电池充电***100。
在一个实施例中，Buck电源转换器140可包括单个Buck电路，以将第三DC电压转换成适于对充电***的电池进行充电的第四输出端电压。并且在一个实施例中，Buck电源转换器140可包括多于两个的彼此线路交错连接的Buck转换器，以将第三DC电压转换成适于对充电***的电池进行充电的第四输出端电压。
简言之，描述了用于对电动车辆电池进行充电的三级电池充电***。该电池充电***提供了高效的功率因数校正、电池与电源的隔离以及一个具有高调节性的输出端电压。该电池充电***还提供了在被充电的电池过热时的保护。
本发明的示例实施例的上述描述仅是为了示出和说明的目的而呈现的，而非倾向于详尽的或将本发明限制为所披露的精确形式。按照上述教导，多个改型和变化是可能的。
选择并描述这些实施例是为了说明本发明的原理和其实践性应用，从而激发本领域普通技术人员利用本发明和各种实施例，并利用适于期望的特殊使用的各种变型。对本发明所属的本领域普通技术人员而言，替代实施例将变得显而易见，而并未背离其精神和范围。因此，通过所附权利要求而不是上述说明书和其中所描述的示例实施例来限定本发明的范围。

Claims (25)

1.一种电池充电***，包括：
(a)第一整流器，其适于将其输入端处的交流电压转换成其输出端处的第一直流电压；
(b)功率因数校正电路，即PFC电路，其具有一输入端和一输出端，所述PFC电路的输入端耦接至所述第一整流器的输出端，其中所述PFC电路适于校正所述电池充电***的功率因数并在其输出端处输出第二直流电压；
(c)第一电源转换器，其具有一输入端和一输出端，所述第一电源转换器的输入端耦接至所述PFC电路的输出端，其中所述第一电源转换器适于将所述第二直流电压转换成其输出端处的第三直流电压；
(d)第二电源转换器，其具有一输入端和一输出端，所述第二电源转换器的输入端耦接至所述第一电源转换器的输出端，其中所述第二电源转换器适于将所述第三直流电压转换成其输出端处的将被传送给电池的第四直流电压；以及
(e)第一控制器，其适于感测所述第二电源转换器的输出端处的所述第四直流电压，以将所述第二电源转换器调节为使所述第四直流电压保持在预定值。
2.根据权利要求1所述的电池充电***，其中所述第一控制器还适于感测所述电池充电***的环境温度，以保护所述电池充电***。
3.根据权利要求1所述的电池充电***，其中所述第二电源转换器为降压斩波转换器。
4.根据权利要求3所述的电池充电***，其中所述降压斩波转换器包括两个彼此线路交错连接的降压斩波转换器。
5.根据权利要求1所述的电池充电***，其中将所述第一电源转换器将其输出端与其输入端相隔离。
6.根据权利要求5所述的电池充电***，其中所述第一电源转换器包括具有至少一个初级绕组和至少一个次级绕组的变压器。
7.根据权利要求6所述的电池充电***，其中所述变压器的至少一个初级绕组包括两个或多个彼此串联连接的初级绕组，以及所述变压器的至少一个次级绕组包括两个或多个彼此串联连接的次级绕组。
8.根据权利要求6所述的电池充电***，其中所述第一电源转换器还包括桥式电路，所述桥式电路耦接至所述第一电源转换器的输入端。
9.根据权利要求8所述的电池充电***，其中所述桥式电路为全桥电路。
10.根据权利要求8所述的电池充电***，其中所述第一电源转换器还包括谐振回路，所述谐振回路耦接至所述桥式电路和所述变压器的所述至少一个初级绕组。
11.根据权利要求10所述的电池充电***，其中所述谐振回路包括彼此串联连接的电感器和电容器。
12.根据权利要求6所述的电池充电***，其中所述第一电源转换器还包括第二整流器，所述第二整流器耦接至所述变压器的所述至少一个次级绕组和所述第一电源转换器的输出端。
13.根据权利要求6所述的电池充电***，其中所述第一电源转换器还包括第二控制器，所述第二控制器适于感测所述变压器的所述至少一个初级绕组处的电压，以调节所述第一电源转换器的输出端。
14.根据权利要求6所述的电池充电***，其中所述第一电源转换器还包括第二控制器，所述第二控制器适于感测所述第一电源转换器的输入端电压和输出端电压，以调节所述第一电源转换器的输出端。
15.根据权利要求1所述的电池充电***，其中所述PFC电路包括两个彼此线路交错连接的升压斩波转换器。
16.根据权利要求1所述的电池充电***，还包括第一储能电容器，所述第一储能电容器耦接至所述PFC电路的输出端。
17.根据权利要求15所述的电池充电***，还包括第二储能电容器，所述第二储能电容器耦接至所述第一电源转换器的输出端。
18.根据权利要求1所述的电池充电***，其中所述第一整流器包括用于滤除并抑制电磁干扰的电路。
19.一种电池充电***，包括：
(a)第一整流器，其适于将其输入端处的交流电压转换成其输出端处的第一直流电压；
(b)功率因数校正电路，即PFC电路，其具有输入端和输出端，所述PFC电路的输入端耦接至所述第一整流器的输出端，其中所述PFC电路适于校正所述电池充电***的功率因数并在其输出端处输出第二直流电压；
(c)第一电源转换器，其具有一输入端和一输出端，所述第一电源转换器的输入端耦接至所述PFC电路的输出端，其中所述第一电源转换器适于将所述第二直流电压转换成其输出端处的第三直流电压，并包括：(i)耦接至所述第一电源转换器的输入端的桥式电路，(ii)具有至少一个初级绕组和至少一个次级绕组的变压器，(iii)耦接至所述桥式电路和所述变压器的所述至少一个初级绕组的谐振回路，(iv)耦接至所述变压器的所述至少一个次级绕组和所述变换器的输出端的第二整流器；
(d)第二电源转换器，其具有一输入端和一输出端，所述第二电源转换器的输入端耦接至所述第一电源转换器的输出端，其中所述第二电源转换器适于将所述第三直流电压转换成其输出端处的将被传送给电池的第四直流电压；以及
(e)第一控制器，其适于感测所述第二电源转换器的输出端处的所述第四直流电压，以将所述第二电源转换器调节为使所述第四直流电压保持在预定值。
20.根据权利要求19所述的电池充电***，其中所述第一控制器还适于感测所述电池充电***的环境温度，以保护所述电池充电***。
21.根据权利要求19所述的电池充电***，其中所述第二电源转换器为降压斩波转换器。
22.根据权利要求21所述的电池充电***，其中所述降压斩波转换器包括两个彼此线路交错连接的降压斩波转换器。
23.根据权利要求19所述的电池充电***，其中所述第一电源转换器还包括第二控制器，所述第二控制器适于感测所述变压器的所述至少一个初级绕组处的电压，以调节所述第一电源转换器的输出。
24.根据权利要求19所述的电池充电***，其中所述第一电源转换器还包括第二控制器，所述第二控制器适于感测所述第一电源转换器的输入端电压和输出端电压，以调节所述第一电源转换器的输出。
25.根据权利要求19所述的电池充电***，其中所述第一整流器包括用于滤除并抑制电磁干扰的电路。
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