CN112106285A - 用于连接电网、电池存储器和其它源的用于电动车辆的充电***的高效变流器装置 - Google Patents

用于连接电网、电池存储器和其它源的用于电动车辆的充电***的高效变流器装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种充电***(1)，其具有至少一个直流功率接头(2，3)和至少一个交流功率接头(8)以及电池功率接头(6)，其中，电池功率接头(6)能够与电池(7)、特别是车辆高压电池(7)连接，其中，至少一个交流功率接头(8)与整流器(10)连接，其中，存在第一直流电压转换器(11)。通过以下方式，能够以高效并且效率优化的方式来分配电能或电流，即，第一直流电压转换器(11)与整流器(10)的直流侧连接，其中，第一直流电压转换器(11)被构造为升压/降压转换器，其中，电流隔离元件(12)能够与第一直流电压转换器(11)和电池功率接头(6)连接，其中，至少一个直流功率接头(2，3)经由第一开关组(S1a)能够与整流器(10)以及与第一直流电压转换器(11)连接，并且经由第二开关组(S1b)能够与第一直流电压转换器(11)以及与电流隔离元件(12)连接。

Description

用于连接电网、电池存储器和其它源的用于电动车辆的充电 ***的高效变流器装置
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的充电***。
背景技术
由于向可再生能源和电动车辆转变对能量供应提出了不同的要求，因此未来住宅中的能量供应将比今天复杂得多。除了标准交流电网连接之外，将来还将增加其它直流电源，例如光伏设备或家用存储器(Heimspeicher)。此外，电动汽车将成为在家用电气设备的现在的电网基础设施中未设置的大的能量消耗设备。
当直流电源或能量汇(Senke)与房屋的交流电网连接时，通常需要双向的整流器/逆变器，还需要附加的升压/降压转换器。由于安装的电力电子设备，这导致重复进行转换的大的损耗以及高的成本。通常，每个源，或者是光伏设备、或者是家用存储器、或者是车辆，利用自己的电力电子设备连接到已有的交流电网。例如，来自光伏设备的太阳能电流可以经由升压/降压转换器(效率例如为98％)和光伏设备的逆变器(效率例如为97％)以及双向整流器(效率例如为97％)、升压/降压转换器(效率例如为98％)临时存储到直流高压存储器(DC-HV家用存储器)中。此时，如果在晚上对车辆充电，则来自DC-HV家用存储器的太阳能电流经由双向整流器(效率例如为97％)经由升压/降压转换器(效率例如为98％)传输到房屋的交流电网中。借助具有升压/降压转换器和电流隔离的整流器(效率例如为97％)，从房屋的交流电网对直流高压电池充电。其结果是，例如实现79％的总效率。对于家庭应用而言，这种效率显然太低。
从DE 10 2011 083 020 A1中已知一种特别是用于具有至少两个功率输入接头的机动车的充电装置。功率输入接头可以分别与不同的电源耦合。此外，存在可以与电池、特别是车辆高压电池耦合的功率输出接头。此外，存在可控的开关装置，其被构造为用于接通和/或中断功率输入接头中的至少一个与功率输出接头之间的电连接。因此，充电装置具有可控的开关设备，利用该可控的开关设备，可以将不同的能量源与电池连接，从而可靠地提供用于对电池充电的直流电压。由于可以多次使用多个部件，因此更简单地以更低的成本构建充电设备。在此，对于多个交流电压源，可以使用单个整流器。对于所有的功率输入接头，存在单个转换器电子设备。这种转换器电子设备布置在功率输入接头与开关装置之间。转换器电子设备具有可控的整流器和可控的电压转换器。由此，可以将不同大小的直流电压和交流电压转换为对电池充电所需的直流电压。这使得能够将不同的充电***集成到单个充电装置中。在一个实施方式中，转换器电子设备不布置在功率输入接头中，而是与功率输出接头相关联。因此，车辆可以具有与相应的充电装置耦合的车辆高压电池。充电装置是机动车的一部分。充电装置提供三个功率输入接头，这些功率输入接头分别经由两个自己的电气线路与相应的开关设备耦合。在此，开关设备分别具有用于每个功率输入接头的开关。在输出侧，开关装置与功率输出接头耦合。功率输入接头中的两个分别与整流器形式的转换器电子设备连接。另一个功率输入接头与直流电压大能量源耦合。另外两个功率输入接头可以与家用电流源或与无线能量源耦合。公开了设置有单个组合的转换器电子设备，其具有可控的整流器和电压转换器。电压转换器电子设备可以具有降压-升压转换器(Buck-Boost-Wandler)，即不与存储器扼流圈电流隔离的直流电压转换器。
从DE 10 2013 220 704 A1中已知一种将变流器用于对电动车辆进行导电充电和感应充电的双重使用。相应的电路具有直流电压转换器、电流转换器电路和转换开关。直流电压转换器由降压转换器形成。直流电压转换器可以在直流电压输入端与直流电压输出端之间具有电流隔离。电流转换器电路与直流电压接头连接，其中，转换开关被构造为，以可切换的方式将电流转换器电路与导电接头或感应接头耦合。
从JP H-07250405 A中已知借助一个充电***对两个电池充电，其中，该充电***具有变流器和定时开关。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，对充电***进行设计，使得能够以高效并且效率优化的方式分配能量或电流。
上述技术问题通过具有权利要求1的特征的充电***来解决。该充电***具有至少一个直流电压接头(下面也将其称为直流功率接头)和至少一个交流电压接头(下面也将其称为交流功率接头)以及电池功率接头，其中，电池功率接头可以与电池、特别是车辆高压电池连接。充电***具有整流器，其中，整流器与交流功率接头连接。此外，充电***具有第一直流电压转换器。整流器一方面与交流功率接头连接，另一方面与第一直流电压转换器连接。第一直流电压转换器与整流器的直流电压侧连接。第一直流电压转换器特别是被构造为升压/降压转换器。此外，充电***具有电流隔离元件、特别是第二直流电压转换器形式的电流隔离元件。第一直流电压转换器一方面与整流器连接，另一方面与电流隔离元件连接。电流隔离元件一方面与第一直流电压转换器连接，另一方面与电池功率接头连接。至少一个直流功率接头经由第一开关组与整流器以及第一直流电压转换器连接或可连接，并且经由第二开关组与第一直流电压转换器以及电流隔离元件连接或可连接。通过充电***的这种设计，提供具有多个接头或接口的充电***。这种充电***可以从任意一个接头向另一个接头进行充电。整流器、第一直流电压转换器和电流隔离元件双向工作。这里，特点是共同的直流电压基准网络以及仅使用一个升压/降压转换器，通过智能接线，该升压/降压转换器可以经由相应的接头形成源与汇的完全的可变连接。
由此，可以在每个直流源处，例如在光伏设备或家用存储器处，省去逆变器和升压/降压转换器。这种充电***可以实现能量汇与源的智能连接，从而仅必须实现最低可能的硬件使用。由于硬件部分减少，整个***的效率和效益提高。为此所需的开关或开关组可以将每个源与每个汇连接。由此，例如在从已经借助太阳能电流充电的家用存储器对电动车辆充电时，得到提高的效率。
相应地可以借助相应的另外的开关将电流隔离元件的输入端和输出端旁路。由此可以进一步提高效率。上面提到的功率路径被缩短到光伏设备、升压/降压转换器、直流高压存储器以及升压/降压转换器和车辆，其中，将电流隔离元件旁路。在不考虑家用存储器中的损耗的情况下，这产生例如96％的总效率。此外，通过两个开关组，可以进一步提高从诸如光伏设备、家用存储器或燃料电池的直流电压源对车辆充电的效率，因为这里，尤其是遵循标准要求的低压电网，即所谓的IT电网(Isolé Terre-Netz)，并且由此可以将电流隔离旁路，因为家用存储器和光伏设备已经具有地。由此，例如在直接从太阳能电源、即光伏设备对电动车辆充电时，得到提高的效率，功率路径缩短到光伏设备、降压转换器和车辆。这得到98％的总效率。可以通过升压/降压转换器对各个源与汇之间的电压水平进行调整。这可以实现比当前的现有技术更紧凑并且更有利的充电***。
附图说明
现在，有多种可能性来设计和扩展充电***。首先可以参考从属于权利要求1的权利要求。下面，参照附图和相关联的描述来更详细地说明本发明的优选设计方案。附图中：
图1以非常示意性的视图示出了根据本发明的充电***以及多个源和能量汇。
具体实施方式
图1示出了充电***1，其具有至少一个、特别是多个直流电流接头，下面将其称为直流功率接头2、3。例如家用存储器4可以连接到直流功率接头2，并且例如光伏设备5可以连接到直流功率接头3。此外，充电***1具有电池功率接头6，其中，电池功率接头6与或可以与电池7、特别是车辆高压电池7连接。此外，充电***1具有交流电压接头，下面将其称为交流功率接头8。交流功率接头8与交流电网9连接。交流电网9例如可以由220伏特或110伏特以及频率为50Hz的交流电网形成。
充电***1具有整流器10，其中，整流器10一方面与交流电网9连接，即与交流功率接头8连接，并且在直流电压侧与第一直流电压转换器11连接。第一直流电压转换器11特别是被构造为升压/降压转换器。第一直流电压转换器11与整流器10的直流侧连接。现在，第一直流电压转换器11在另一侧与电流隔离元件12连接。电流隔离元件12可以由第二直流电压转换器形成。电流隔离元件12一方面与第一直流电压转换器11连接，另一方面与交流功率接头8连接。电流隔离元件12可以实现电流隔离。在此，可以通过开关S2a和S2b将电流隔离元件12旁路。
此时，充电***1具有第一开关组S1a和第二开关组S1b。开关组S1a和S1b分别具有可相互独立地操作的多个开关，这些开关分别与连接的源、直流功率接头2、3相关联。现在，至少一个直流功率接头2、3经由第一开关组S1a与整流器10以及第一直流电压转换器11连接或可连接。此外，至少一个直流功率接头2、3可以经由第二开关组S1b与第一直流电压转换器11以及电流隔离元件12或第二直流电压转换器连接。现在，该充电***1具有直流功率接头2、3、交流功率接头8和电池功率接头6形式的多个接口。该充电***1可以从任意的接头到另一个接头进行充电。使用共同的直流电压基准网络。此外，仅使用第一直流电压转换器11形式的单个升压/降压转换器，其可以通过智能接线，形成具有源和汇(Senke)的连接的完全变化。由此，可以在每个直流源、例如家用存储器4或光伏设备5处省去变流器和升压/降压转换器。通过该充电***1，可以实现上面提到的不同电气源的汇的智能接线，从而仅必须实现最低可能的硬件使用。由于硬件部分减少，整个***的效率和效益提高。为此所需的开关模块S1a和S1b可以通用地与每一个源和汇连接。
现在，经由整流器10、升压/降压转换器11和第二直流电压转换器12，实现从交流电网9到车辆、即到电池7的功率流。通过使第一开关组S1a保持在断开位置，并且使第二开关组S1b中的相应的开关闭合，从而提供光伏设备5、升压/降压转换器11和整流器10、一直到交流功率接头8、即交流电网9之间的连接，来实现光伏设备5与交流电网9之间的功率流。
通过使开关组S1a保持在断开位置，并且使开关组S1b中相应的开关闭合，由此提供交流电网经由整流器10、升压/降压转换器11和家用存储器4的连接，来实现交流电网9与家用存储器4之间的功率流。通过使第一开关组S1中的相应的开关闭合，并且断开第二开关组S1b，从而实现家用存储器4经由升压/降压转换器11到车辆电池7的连接，来提供家用存储器4与机动车、即电池7之间的功率流，其中，使开关S2a、S2b闭合，以将电流隔离元件12旁路。通过断开第一开关组S1a，并且使第二开关组S1b中的相应的开关闭合，使得光伏设备5直接与车辆连接，在光伏设备5与电池7形式的车辆之间产生功率流。家用存储器4和光伏设备5分别具有地(Erdung)，从而在从家用存储器4或光伏设备5对车辆电池7充电时，可以将电流隔离元件12旁路。由此进一步提高效率。
可以通过使开关组S1a和开关组S1b中与光伏设备5和家用存储器4相关联的开关闭合，从而使光伏设备5经由升压/降压转换器11与家用存储器4连接，在光伏设备5与家用存储器4之间提供功率流。
充电***1形成智能充电站，其可以以效率优化的方式连接光伏设备5和家用存储器4。其它接口例如可以是燃料电池、风力涡轮机、电解槽等。这种充电***也可以在许多应用中使用，例如在电动交通工具、航运、航空航天、家庭应用或工业应用中使用。
附图标记列表
1 充电***
2 直流功率接头
3 直流功率接头
4 家用存储器
5 光伏设备
6 电池功率接头
7 电池/车辆高压电池
8 交流功率接头
9 交流电网
10 整流器
11 第一直流电压转换器/升压/降压转换器
12 电流隔离元件
S1a 第一开关组
S1b 第二开关组
S2a 第三开关
S2b 第四开关

Claims (6)

1.一种充电***(1)，其具有至少一个直流功率接头(2，3)和至少一个交流功率接头(8)以及电池功率接头(6)，其中，所述电池功率接头(6)能够与电池(7)、特别是车辆高压电池(7)连接，其中，所述至少一个交流功率接头(8)与整流器(10)连接，其中，存在第一直流电压转换器(11)，其特征在于，所述第一直流电压转换器(11)与所述整流器(10)的直流侧连接，其中，所述第一直流电压转换器(11)被构造为升压/降压转换器，其中，电流隔离元件(12)能够与所述第一直流电压转换器(11)和所述电池功率接头(6)连接，其中，所述至少一个直流功率接头(2，3)经由第一开关组(S1a)能够与所述整流器(10)以及与所述第一直流电压转换器(11)连接，并且经由第二开关组(S1b)能够与所述第一直流电压转换器(11)以及与所述电流隔离元件(12)连接。
2.根据权利要求1所述的充电***，其特征在于，一个直流功率接头(2)与光伏设备(5)连接。
3.根据上述权利要求中任一项所述的充电***，其特征在于，一个直流功率接头(3)与家用存储器(4)连接。
4.根据上述权利要求中任一项所述的充电***，其特征在于，一个直流功率接头与燃料电池连接。
5.根据上述权利要求中任一项所述的充电***，其特征在于，所述整流器(10)、所述第一直流电压转换器(11)和所述电流隔离元件(12)双向工作，从而借助所述充电***，能够从任意的接头向另一个接头进行充电。
6.根据上述权利要求中任一项所述的充电***，其特征在于，能够相应地借助相应的另外的开关(S2a，S2b)将所述电流隔离元件(12)的输入端和输出端旁路。
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