CN110875624B - 功率电子器件的充电进程控制 - Google Patents

Abstract

一种对功率电子器件进行充电进程控制的方法，由功率电子器件提供充电功率，由充电控制器控制由用户操作的、将充电功率传送给电池的充电单元，至少在功率电子器件的控制装置与充电控制器之间执行通信交换，预先确定多个充电过程状态，将充电过程状态之间的进程储存在流程进程图中，将流程进程图用于对功率电子器件进行充电进程控制，针对故障情况，预先确定充电过程状态“充电未就绪”和“充电过程故障”，如果未出现故障，一旦相应任务终止和/或通过与充电控制器进行通信交换触发变换，则相应变换为下一充电过程状态；如果出现故障，则变换为充电过程状态“充电过程故障”或“充电未就绪”且在消除故障后，变换为充电过程状态“充电就绪”。

Description

功率电子器件的充电进程控制

技术领域

本发明涉及一种用于对功率电子器件进行充电进程控制的方法，该方法涉及给充电停车场中的电动车辆充电。此外还要求保护一种***，该***包含对功率电子器件进行充电进程控制。

背景技术

为了利用高的直流电压或直流电流给电动车辆充电或者快速充电，提供有充电停车场。这些充电停车场能够具有多个充电单元，例如充电桩或充电站，并且能够包括多个部件，例如冷却单元(也被称为冷却箱，CoolingBox)，和/或实现高的直流电压或直流电流的功率电子器件，该功率电子器件或者形成为具有功率电子器件控制装置的单独存在的模块(也被称为LEM)、或者集成在具有作为控制装置的充电箱控制器的所谓的充电箱(ChargeBox，也被称为CBX)中。对于如今在大多数情况下所安装的充电停车场而言，必须假设各种部件局限于充电桩或充电站。由于相应的充电桩内部的这些空间上的单元，虽然这些部件可以由唯一的主控制装置进行管理，但是也可以设想充电站中存在的多个部件的进行通信。后者在文件DE 10 2011 113 355 A1中进行了说明，其中充电站的部件的状态信息与中央计算机进行交换。

反之，如果这些部件在空间上分布，则相应的部件或其控制装置之间的通信是不可避免的。在此，可能变得必要的是，还运行相应的充电站与中央管理器(例如就有待提供的充电功率而言)之间的通信。为此，文件DE 10 2009 036 816 A1公开了一种用于控制电动车辆的充电站的方法和设备，该方法应通过多个同时充电的电动车辆使峰值负载要求最小化。优选地，为此将多个充电站组合成一组并且通过与相应组的通信借助中央计算机估算每组的相应待引入的充电功率。

目前，世界范围内使用的充电站都配备有不同的、彼此通信的部件，其中通信必须对应地相协调。此外，这些部件必须向外部符合标准地实施充电进程。为此，工业标准DINEN 61851和DIN SPEC 70121(非常详细地)描述了在电力线通信(也被称为PLC)层面上的充电进程。然而可以设想的是，能够使各个部件之间的更简单的通信相一致。

发明内容

在此背景下，本发明的目的在于提供一种方法，该方法确保在空间上分布的部件(尤其具有位于充电单元外部的功率电子器件)中进行简单的通信。为此，应研究出合理的状态，这些状态可以通过充电进程实现明确且可靠的经过。在此，对与之相关的充电进程控制的编程耗费应当设计得尽可能简单，从而使得充电进程获得简单的进程协议，该进程协议包含所有基本特征。此外，该充电进程应当考虑到所有不同的充电标准。此外本发明的目的是，提供一种对应设计的功率电子器件。

为了实现上述目的，提出一种用于对功率电子器件进行充电进程控制的方法，其中由该功率电子器件来提供充电功率，其中由充电控制器或充电控制装置来控制由用户操作的、将该充电功率传送给电池的充电单元，其中至少在该功率电子器件的控制装置与该充电控制器之间执行通信交换，其中预先确定多个充电过程状态，其中将这些充电过程状态之间的进程储存在流程进程图中，并且其中将该流程进程图用于对该功率电子器件进行充电进程控制，其中从接通过程开始，预先确定充电过程状态“初始化”、“充电就绪”、“初始化充电接口”、“绝缘测量”、“预充电”、“充电”、“充电过程终止”、“充电过程完成”；并且针对故障情况，预先确定充电过程状态“充电未就绪”和“充电过程故障”，其中给相应的充电过程状态施加或关联至少一个相应的任务和/或使其由至少一条相应的状态信息形成，其中与充电控制器进行该通信交换由这些状态信息中的至少一条状态消息形成，其中，如果没有出现故障，一旦相应的任务终止和/或通过与该充电控制器进行通信交换而触发变换，则(在适当时根据延迟时间)相应地变换为下一个充电过程状态；并且其中，如果出现故障，则变换为充电过程状态“充电过程故障”或者“充电未就绪”并且在消除故障后，变换为充电过程状态“充电就绪”。

在根据本发明的方法的一个实施方式中，该功率电子器件的控制装置由功率电子控制装置形成。功率电子器件连同功率电子控制装置可以在充电停车场内形成自己的模块，本领域技术人员称之为LEM。

在根据本发明的方法的另一实施方式中，该功率电子器件的控制装置由充电箱控制器形成。在此，用于提供充电功率的充电箱尤其具有功率电子器件和作为控制装置的充电箱控制器。

在根据本发明的方法的一个实施方式中，该功率电子器件连同控制装置与该充电控制器在空间上分离地布置。在适当时，给在运行中产生热量的功率电子器件施加冷却单元并且使其以与对充电控制器进行定位的充电单元相距适当距离的方式布置，以使充电单元的用户不受有噪声的冷却单元的影响。

在本公开的框架下，通信交换是指：在功率电子器件或功率电子器件的控制装置与充电停车场或电动车辆的其他部件和/或控制装置(尤其充电控制器或充电控制装置)之间传输相应的消息或信号。

在根据本发明的方法的还另一实施方式中，该通信交换借助以太网和/或电力线通信和/或WLAN和/或LAN和/或CAN总线和/或移动无线电来实施。所提到的通信手段应当仅为示例性的选择并且不限制通信交换的其他可能的形式。例如，可以设想的是，充电控制器与功率电子器件之间的通信交换藉由固定安装的传输线缆、例如LAN中的以太网来进行，然而藉由移动无线电与有待充电的电动车辆进行通信。

下面描述了功率电子器件的控制装置上进行充电进程控制的可能的流程进程图。功率电子器件的控制装置至少与充电控制器进行通信交换。示例性地，将功率电子控制装置用作功率电子器件的控制装置，因此借助功率电子器件模块(如上面提到地称作LEM)来描述流程进程图。以同样的方式，可以设想也具有充电箱的充电箱控制器(代替LEM的功率电子控制装置)的流程进程图。经过充电过程状态的通道以如下方式进行，使得相应的充电过程状态施加或关联有至少一个任务(例如初始化的任务)和/或形成状态信息，例如“我(所提到的相应部件)已经充电就绪”或(与上述任务相关地)“我(所提到的相应部件)已经完成初始化”。如果已形成状态信息，则由此与充电控制器进行通信交换。除了出现故障或者(例如由充电单元的用户)中断充电过程，只有当通过与充电控制器进行通信交换由充电控制器请求时，才变换为在流程进程图中提供的下一个充电过程状态。

该流程进程图在LEM的断开状态下开始，并且通过LEM的接通(例如通过用户方的动作)来进行。因此，该流程进程图首先具有充电过程状态“初始化”。如果出现故障，则变换为充电过程状态“充电未就绪”。该故障可能基于例如不完全的初始化、LEM中发生的另一个内部***故障或者与LEM相关联的外部***故障(例如充电单元的***故障)。如果没有出现故障，则充电过程状态“初始化”被视为已完成。为此，可能还需要与充电单元的充电控制器进行通信交换，该充电单元已经确认或预先设定充电过程状态“初始化”。

在充电过程状态“初始化”无故障地完成之后，在流程进程图中接着进行充电过程状态“充电就绪”。如果出现故障(该故障可以为内部性质以及外部性质)，则变换为充电过程状态“充电未就绪”。一旦在那里充电就绪(在适当时在与充电控制器进行通信交换后)被视为已完成，由此进而接着采用充电过程状态“充电就绪”。如果没有出现故障并且充电过程状态“充电就绪”在适当时由充电控制器(该充电控制测定电动车辆与充电单元的充电插头之间产生连接)通过通信交换确认，则在流程进程图中采用下一个充电过程状态“初始化充电接口”。

在充电过程状态“初始化充电接口”中，由充电控制器通过通信交换向LEM传输预先确定的充电***的选择并且由电动车辆的充电参数传输。如果在此期间将充电插头与电动车辆分离，则返回到先前的充电过程状态“充电就绪”。此外，如果识别出故障，则转为充电过程状态“充电过程故障”。然而，如果没有出现故障并且充电控制器通过通信交换请求对功率电子器件的绝缘测量，则由此接着进行充电过程状态“绝缘测量”。此外，在预先终止充电过程(例如通过在充电站处由用户中断)，可以从充电过程状态“初始化充电接口”变换为充电过程状态“充电过程终止”。

在LEM中，通过变换为充电过程状态“绝缘测量”，请求对功率电子器件的绝缘测量并且根据充电标准也请求对充电线缆的绝缘测量，并且等待这个绝缘测量的结果。如果在绝缘测量中出现故障，则变换为充电过程状态“充电过程故障”。如果没有出现故障并且LEM发出积极的结果，则接下来是下一个充电过程状态“预充电”(只要该充电控制器也请求这个充电过程状态)。此外，在预先终止充电过程时，也可以从充电过程状态“绝缘测量”变换为充电过程状态“充电过程终止”。

在充电过程状态“预充电”中，充电线缆、功率电子器件和在适当时位于电动车辆侧的电容器都被预充电。如果出现故障，则变换为充电过程状态“充电过程故障”。然而，如果执行预充电并且由电动车辆预先设定的充电参数被LEM确认(例如通过设定充电电压)，则接下来是下一个充电过程状态“充电”(只要该充电控制器也请求启动该充电过程)。此外，在预先终止充电过程时，也可以从充电过程状态“预充电”变换为充电过程状态“充电过程终止”。

在充电过程状态“充电”中，以与充电***选择相对应的充电功率来给电动车辆的电池充电。通过电动车辆、充电控制器与LEM之间的通信交换，电动车辆的充电参数不断地进行交换。如果出现故障，则变换为充电过程状态“充电过程故障”。然而，如果没有出现故障，则给电池充电直到充满，并且在请求终止充电过程时，由充电控制变换为充电过程状态“充电过程终止”，或者在预先终止充电过程时无论如何向此变换。

在充电过程状态“充电过程终止”中，LEM在功率电子器件的输出端无电流且无电压产生，并且所有直流电压接触器断开。如果出现故障，则变换为充电过程状态“充电过程故障”。如果没有出现故障并且由LEM确认无电流且无电压并且直流电压接触器断开，则变换为充电过程状态“充电过程完成”。

充电过程状态“充电过程完成”是附加的安全状态，在该安全状态中应再次确认无电流且无电压并且直流电压接触器的断开，以使最终与LEM连接的充电插头在电动车辆远离时必然解除接通。在这个充电过程状态中，可以识别车辆的接触器的粘附或者焊接。为此，电压测量在断开接触器之前在充电桩的方向上执行，并且藉由充电控制器向电动车辆传输结果。如果出现故障，则变换为充电过程状态“充电过程故障”。如果没有出现故障并且已经无电流且无电压产生，则一旦由充电控制器请求，就变换为充电过程状态“充电就绪”。

在发生故障时，从相应的充电过程状态“初始化充电接口”、“绝缘测量”、“预充电”、“充电”、“充电过程终止”和“充电过程完成”达到充电过程状态“充电过程故障”。如果可以消除故障并且不再存在故障或者电动车辆不再与充电单元连接，则变换为充电过程状态“充电就绪”。然而，如果不能够消除故障，则变换为充电过程状态“充电未就绪”。

最后，只有当例如已经通过故障消除再次产生充电就绪时，才可以从充电过程状态“充电未就绪”向充电过程状态“充电就绪”变换。

在根据本发明的方法的一个实施方式中，实施快速充电过程，该快速充电过程的高充电功率或者由高的直流电压和/或者由高的直流电流提供。

此外，要求保护一种用于对功率电子器件进行充电进程控制的***，该***具有该功率电子器件、用于该功率电子器件的控制装置、以及包括充电控制器的充电单元，并且其中该***为此设计成用于给(例如电动车辆的)有待与充电单元连接的电池充电、并且用于执行根据本发明的方法的实施方式。多个根据本发明的***能够形成所谓的充电停车场。将根据本发明的***划分为单独的部件(这些部件在适当时在空间上分散地布置)是有利的，因为由此例如可以实现在道路交通中作为充电单元的、具有较小视觉障碍的细长的充电桩。

在根据本发明的***的一个构型中，该***还包括功率电子控制装置。该功率电子控制装置和功率电子器件能够在充电停车场内形成自身的模块(该模块被本领域技术人员称为LEM)，并且可以远离由用户操作的充电桩而布置。

在根据本发明的***的另一个构型中，该***还包括充电箱控制器。该充电箱控制器在充电箱内尤其控制功率电子器件。即使在充电箱的情况下，充电桩也可以最远达100m地竖立并且因此被引向停放的车辆。

该***为此是借助根据本发明的流程进程图设计的，以便确保与本领域技术人员已知的充电标准(例如ChaDeMo、GB/T或CCS)兼容。

附图说明

本发明的其他优点和设计方案从说明书和附图中得出。

不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，以上提到的这些特征以及仍将在以下说明的特征不仅能够在相应给出的组合中使用，而且还可以在其他组合中或者单独地使用。

图1示出一种与根据本发明的方法的实施方式对应的流程进程图。

具体实施方式

在图1中示出一种与根据本发明的方法的实施方式对应的流程进程图100。选择功率电子控制装置作为功率电子器件的与充电控制器通信的控制装置。然而，也可能设想以充电箱控制器进行相同的流程进程。此外，在根据本发明的方法的所示实施方式中，充电控制器与充电插头控制装置通信，该充电插头控制装置控制充电插头，该插头位于与充电单元连接的充电线缆的末端并且在电动车辆所包括的电池的充电过程中被***电动车辆上的对应充电插座中。功率电子器件和功率电子控制装置布置在功率电子器件模块(缩写为LEM)中。流程进程图100在LEM的断开状态110中开始，并且通过接通111转换为进行初始化11的充电过程状态“初始化”10，该接通例如通过用户的特定动作(例如通过将充电插头***有待充电的电动车辆的充电插座中、或者通过将充电插头从充电桩上拔下、或者通过触摸充电桩显示屏)来触发。如果出现故障(该故障可能基于例如不完全的初始化、LEM中发生的另一个内部***故障或者与LEM相关联的外部***故障)，则实施变换108为充电过程状态“充电未就绪”8。如果没有出现故障，则充电过程状态“初始化”10被视为已完成。为此，可能还需要与充电单元的充电控制器进行通信交换，该充电单元确认或请求充电过程状态“初始化”10。在充电过程状态“初始化”10无故障地完成之后，在流程进程图中接着进行充电过程状态“充电就绪”1。如果在这个充电过程状态中出现故障(该故障可以为内部性质以及外部性质)，则变换18为充电过程状态“充电未就绪”8。一旦在那里充电就绪88(在适当时在与充电控制器进行通信交换后)被视为已完成，由此进而变换81为充电过程状态“充电就绪”1。如果没有出现故障并且充电过程状态“充电就绪”1在适当时由充电控制器(该充电控制器测定电动车辆与充电单元的充电插头之间产生连接)通过通信交换确认，则在流程进程图中变换12为充电过程状态“初始化充电接口”2。在充电过程状态“初始化充电接口”2中，由充电控制器通过通信交换22向LEM传输在充电***预先确定的可能性中的选择并且由电动车辆的充电参数传输。如果在此期间将充电插头与电动车辆分离，则促使变换21为充电过程状态“充电就绪”1。此外，如果发现故障，则变换29为充电过程状态“充电过程故障”9。然而，如果没有出现故障，并且(在适当时由电动车辆促使)充电控制器通过通信交换请求对功率电子器件的绝缘测量33，则由此变换23为充电过程状态“绝缘测量”3。此外，在预先终止充电过程(例如在充电站处由用户中断)时，可以从充电过程状态“初始化充电接口”2变换26为充电过程状态“充电过程终止”6。如果在绝缘测量33中出现故障，则变换39为充电过程状态“充电过程故障”9。如果没有出现故障并且LEM发出积极的结果，则变换34为充电过程状态“预充电”4(只要该充电控制器通过与LEM进行通信交换也请求这个充电过程状态)，其中这也可以在进行充电控制时事先由电动车辆的控制装置请求。此外，在预先终止充电过程时，从充电过程状态“绝缘测量”3向充电过程状态“充电过程终止”6变换36。在充电过程状态“预充电”4中，在适当时充电线缆和在适当时位于电动车辆侧的电容器以及可能地功率电子器件都被预充电，其中这也可以由电动车辆本身来完成。如果出现故障，则变换49为充电过程状态“充电过程故障”9。然而，如果执行预充电44并且由电动车辆预先设定的充电参数被LEM确认(例如通过设定充电电压)，则变换45为充电过程状态“充电”5(只要该充电控制器通过与LEM的通信交换也请求启动这个充电过程状态)，其中在此，这也可以在进行充电控制时事先由电动车辆的控制装置请求。此外，在预先终止充电过程时，也可以从充电过程状态“预充电”4向充电过程状态“充电过程终止”6变换46。在充电过程状态“充电”5中，以与充电***选择和电动车辆的充电参数相对应的充电功率来对电动车辆的电池进行充电。通过电动车辆、充电控制器与LEM之间(尤其电动车辆与充电控制器之间以及充电控制器与LEM之间)的通信交换55，电动车辆的充电参数不断地进行交换。如果出现故障，则变换59为充电过程状态“充电过程故障”9。然而，如果没有出现故障，则给电池充电直到充满，并且在请求终止充电过程时，通过电动车辆和/或通过充电控制器变换56为充电过程状态“充电过程终止”6，或者在预先终止充电过程时无论如何向此变换。在充电过程状态“充电过程终止”6中，作为LEM的动作66在功率电子器件输出端处无电流且无电压产生并且断开相关的直流电压接触器。如果出现故障，则变换69为充电过程状态“充电过程故障”9。如果没有出现故障并且由LEM确认无电流且无电压并且直流电压接触器断开，则变换67为充电过程状态“充电过程完成”7。充电过程状态“充电过程完成”7是附加的安全状态77，在该安全状态中应通过功率电子控制装置再次确认无电流且无电压并且直流电压接触器断开，以使藉由电导线最终与LEM连接的充电插头在电动车辆远离时必然无电流或无电压地接通。此外，在这个充电过程状态中可以检查电动车辆的接触器的粘合。如果出现故障，则变换79为充电过程状态“充电过程故障”9。如果没有出现故障并且已经无电流且无电压产生，则变换71为充电过程状态“充电就绪”1，这可以由充电控制器请求或者自动地进行。在发生故障时，从相应的充电过程状态“初始化充电接口”2、“绝缘测量”3、“预充电”4、“充电”5、“充电过程终止”6和“充电过程完成”7达到充电过程状态“充电过程故障”9。如果成功做到消除99故障或者不再存在故障或者故障已经由电动车辆引起并且该电动车辆不再与充电单元连接，则变换91为充电过程状态“充电就绪”1。然而，如果不能够消除故障，则变换98为充电过程状态“充电未就绪”8。最后，只有当例如已经通过故障消除88再次产生充电就绪时，才可以进行从充电过程状态“充电未就绪”8向充电过程状态“充电就绪”变换81。

Claims (11)

1.一种用于对功率电子器件进行充电进程控制的方法，其中由该功率电子器件来提供充电功率，其中由充电控制器来控制由用户操作的、将该充电功率传送给电池的充电单元，其中所述功率电子器件位于所述充电单元的外部，其中至少在该功率电子器件的控制装置与该充电控制器之间执行通信交换，其中预先确定多个充电过程状态，其中将这些充电过程状态之间的进程储存在流程进程图中，并且其中将该流程进程图用于对该功率电子器件进行充电进程控制，其中从接通过程开始，预先确定充电过程状态“初始化”(10)、“充电就绪”(1)、“初始化充电接口”(2)、“绝缘测量”(3)、“预充电”(4)、“充电”(5)、“充电过程终止”(6)、“充电过程完成”(7)；并且针对故障情况，预先确定充电过程状态“充电未就绪”(8)和“充电过程故障”(9)，其中给相应的充电过程状态施加至少一个相应的任务和/或使其由与相应的充电过程状态相关联的至少一条相应的状态信息形成，其中与充电控制器进行该通信交换由这些状态信息中的至少一条状态消息形成，其中，如果没有出现故障，一旦相应的任务终止和/或通过与该充电控制器进行通信交换而触发变换，则相应地变换为下一个充电过程状态，即从“初始化”(10)变换为“充电就绪”(1)，或者从“充电就绪”(1)变换为“初始化充电接口”(2)，或者从“初始化充电接口”(2)变换为“绝缘测量”(3)，或者从“绝缘测量”(3)变换为“预充电”(4)，或者从“预充电”(4)变换为“充电”(5)，或者从“充电”(5)变换为“充电过程终止”(6)，或者从“充电过程终止”(6)变换为“充电过程完成”(7)；并且其中，如果出现故障，则变换为充电过程状态“充电过程故障”或者“充电未就绪”(8)并且在消除故障后，变换为充电过程状态“充电就绪”(1)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该功率电子器件的控制装置由功率电子控制装置形成。

3.根据权利要求1所述的方法，其中该功率电子器件的控制装置由充电箱控制器形成。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中该功率电子器件连同控制装置与该充电控制器在空间上分离地布置。

5.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中该通信交换借助以太网和/或电力线通信和/或WLAN和/或LAN和/或CAN总线和/或移动无线电来实施。

6.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中实施快速充电过程，该快速充电过程的高充电功率或者由高的直流电压、或者由高的直流电流提供。

7.一种用于对功率电子器件进行充电进程控制的***，该***具有该功率电子器件、用于该功率电子器件的控制装置、以及包括充电控制器的充电单元，其中该***被配置成用于给电池充电，通过在用于该功率电子器件和用于该充电控制器的相应控制装置上进行充电进程控制来执行根据上述权利要求之一所述的方法。

8.根据权利要求7所述的***，其中用于该功率电子器件的控制装置为功率电子控制装置，并且为此被配置成用于实施根据权利要求2、4至6之一所述的方法。

9.根据权利要求7所述的***，其中用于该功率电子器件的控制装置为充电箱控制器，并且为此被配置成用于实施根据权利要求3至6之一所述的方法。

10.根据权利要求7至9之一所述的***，此外，该***具有冷却箱，在充电站处具有充电插头、充电插头控制装置，并且具有配备有该电池的电动车辆，并且为此被配置成用于实施根据权利要求1至6之一所述的方法。

11.根据权利要求7所述的***，其中该***被配置成用于给电动车辆的电池充电。