DE102012004782B4 - Ladegerät für elektrische Fahrzeuge - Google Patents

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Abstract

Ladegerät für elektrische Fahrzeuge, welches aufweist:ein mit einer kommerziellen Leistungsquelle verbundenes Störungsfilter, um Hochfrequenzstörungen zu entfernen;eine Leistungsfaktorkorrektur(PFC)-Verschachtelungseinheit, die mit dem Störungsfilter verbunden ist, um mit einem Leistungsfaktor in einem kontinuierlichen gegenwärtigen Modus zu korrigieren;einen Gleichspannungswandler, der mit der PFC-Verschachtelungseinheit verbunden ist, um eine Gleichspannung über eine Weichschaltoperation unter Verwendung einer Phasensteuerung umzuwandeln; undeine Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit, die mit dem Gleichspannungswandler verbunden ist, um eine Gleichspannung von 150 V bis etwa 420 V durch Änderung eines Windungsverhältnisses eines Erhöhungstransformators auszugeben.

Description

  • Hintergrund
  • 1. Gebiet
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Ladegerät für elektrische Fahrzeuge, das einen weiten Ausspannungsbereich hat.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine schwerwiegende globale Verunreinigung erhöht die Wichtigkeit der Verwendung sauberer Energie. Insbesondere wird die Luftverschmutzung in größeren Städten schlechter und ein Grund hierfür sind die Abgase von Fahrzeugen.
  • In dieser Situation wird eine Studie zur Kommerzialisierung sogenannter elektrischer Fahrzeuge, deren Leistungsquelle die Elektrizität ist, die eine verschmutzungsfreie Energie ist, aktiv vorangetrieben. Elektrische Fahrzeuge laden ein Batterie mit elektrischer Energie, die von einer externen Station geliefert wird, und erhalten mechanische Energie von der Spannung der geladenen Batterie über einen mit Fahrzeugrädern gekoppelten Motor.
  • Somit enthalten die elektrischen Fahrzeuge, um den Motor unter Verwendung der Spannung der geladenen Batterie anzutreiben, eine wieder aufladbare Batterie hoher Kapazität und ein Batterieladegerät zum Laden der wiederaufladbaren Batterie hoher Kapazität.
  • Batterieladegeräte sind klassifiziert in ein schnelles Ladegerät und ein langsames Ladegerät auf der Grundlage der Ladezeit. Das schnelle Ladegerät ist an einem Platz zur unmittelbaren Aufladung während einer Fahrt installiert, die an einer Aufladestation und benötigt etwa 20 Minuten zum Aufladen. Andererseits ist das langsame Ladegerät an einer Stelle installiert, an der ein längeres Parken erwartet wird, wie auf einem Parkplatz oder einem Einkaufszentrum, und benötigt etwa 5 Stunden für das Aufladen.
  • Diese Batterieladegeräte sind nicht so ausgebildet, dass sie alle Eingangswechselspannungen verwenden, dass heißt, kommerzielle Spannungen von 110/ 220 V, sondern ausgebildet zur Verwendung einer einzelnen Eingangswechselspannung, und sie haben einen engen Ausgangsspannungsbereich bei der Aufladung.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte Ladegeräte mit Vorrichtungen zum Steuern von Ladevorgängen unter Verwendung von Wechselspannungen, die dazu Filter und Gleichrichter aufweisen, sind z.B. in den Druckschriften US 2012/0 049 794 A1 und US 2007/ 0153 560 A1 beschrieben. Filter zum Vermeiden von Hochfrequenzstörungen sind auch aus anderen Zusammenhängen an sich bekannt. So zeigt z.B. die Druckschrift US 2005/0 050 878 A1 ein Steuergerät für einen Turbolader, das mit einem solchen Tiefpass-Filter ausgestattet ist.
  • Zusammenfassung
  • Es ist daher ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Ladegerät für elektrische Fahrzeuge vorzusehen, das ein Typ vom langsamen Ladegerät ist, dessen Konfiguration geändert ist, um auf einen weiten Ausgangsspannungsbereich sowie eine Ausgangsänderung zu antworten.
  • Es ist ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Ladegerät für elektrische Fahrzeuge vorzusehen, das einen begrenzten Schaltverlust und verringerte Störungen über ein Weichschaltoperation unter Verwendung einer Phasensteuerung erzielt, wodurch eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) mit hohem Wirkungsgrad und großer Leistung und ein zunehmender Umwandlungswirkungsgrad eines Gleichspannungswandlers ermöglicht werden.
  • Zusätzliche Aspekte der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargestellt und ergeben sich teilweise als offensichtlich aus der Beschreibung, oder sie können durch Ausüben der Erfindung erfahren werden.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Ladegerät für elektrische Fahrzeuge eine Störungsfilter, das mit einer kommerziellen Leistungsquelle verbunden ist, um eine Hochfrequenzstörung zu entfernen, eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC)-Verschachtelungseinheit, die mit dem Störungsfilter verbunden ist, um einen Leistungsfaktor in einem kontinuierlichen gegenwärtigen Modus zu korrigieren, einen Gleichspannungswandler, der mit der PFC-Verschachtelungseinheit verbunden ist, um eine Gleichspannung über eine Weichschaltoperation unter Verwendung von Phasensteuerung umzuwandeln, und eine Reihen-/Parallel-Umwandlungseinheit, die mit dem Gleichspannungswandler verbunden ist, um eine Gleichspannung von etwa 150 V bis etwa 420 V durch Änderung eines Windungsverhältnisses eines Saugtransformators auszugeben.
  • Das Ladegerät kann weiterhin eine Steuervorrichtung enthalten, die Schaltsignale ausgibt, um Operationen der PFC-Verschachtelungseinheit, des Gleichspannungswandlers und der Reihen-/Parallel-Umwandungseinheit zu steuern.
  • Die PFC-Verschachtelungseinheit kann Induktoren für eine Leistungsfaktorkorrektur einer durch eine Gleichrichtungseinheit, die die kommerzielle Versorgungsleistung gleichrichtet, gleichgerichteten Eingangsgleichspannung, eine erste und eine zweite Schaltvorrichtung, die jeweils mit den Induktoren verbunden sind, um den Schaltverlust durch eine Weichschaltungsoperation zu verringern, und einen Treiber zum Betätigen der ersten und der zweiten Schaltvorrichtung bei Empfang der Schaltsignale von der Steuervorrichtung enthalten.
  • Der Gleichspannungswandler kann eine dritte bis sechste Schaltvorrichtung zum Verringern von Schaltverlusten über eine Weichschaltungsoperation, einen Treiber zum Betätigen der dritten bis sechsten Schaltvorrichtung bei Empfang der Schaltsignale von der Steuervorrichtung und einen Transformator zum Erhöhen einer Ausgangsspannung auf der Grundlage eines Windungsverhältnisses enthalten.
  • Die Reihen-/Parallel-Umwandlungseinheit kann eine siebente Schaltvorrichtung enthalten, die bei Empfang der Schaltsignale der Steuervorrichtung betätigt wird, um ein Windungsverhältnis des Transformators über serielles oder paralleles Betreiben von Windungen an einem Ausgangsende des Transformators zu ändern.
  • Figurenliste
  • Diese und/oder andere Aspekte der Erfindung werden ersichtlich und leichter verständlich anhand der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gegeben wird, von denen:
    • 1 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Ladegeräts für elektrische Fahrzeuge gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert; und
    • 2 ist ein detailliertes Schaltungsdiagramm des Ladegeräts für elektrische Fahrzeuge gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Es wird nun im einzelnen Bezug genommen auf das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in den begleitenden Zeichnungen illustriert ist, wobei sich gleiche Bezugszahlen durchgängig auf gleiche Elemente beziehen.
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Ladegeräts für elektrische Fahrzeuge gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert.
  • In 1 enthält das Ladegerät für elektrische Fahrzeuge gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Störungsfilter 10, eine Gleichrichtungseinheit 20, eine Leistungsfaktorkorrektur(PFC)-Verschachtelungseinheit 30, einen Gleichspannungswandler 40, eine Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit 50, eine Batterie 60, eine Steuervorrichtung 70 und eine Steuervorrichtungsbereichsnetz(CAN)-Kommunikationseinheit 80.
  • Das Störungsfilter 10 ist mit einer kommerziellen Versorgungsquelle 1 verbunden, die eine Wechselspannung von 108 V bis 264 V eingibt. Das Störungsfilter 10 hat die Funktion, extern erzeugte Hochfrequenzstörung und intern erzeugte Hochfrequenzstörungen zu unterdrücken.
  • Die PFC-Verschachtelungseinheit 30 ist mit dem Störungsfilter 10 verbunden und führt eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und harmonischen Steuerung über eine verschachtelte Operation durch.
  • Die Gleichrichtungseinheit 20 ist zwischen das Störungsfilter 10 und die PFC-Verschachtelungseinheit 30 geschaltet und hat die Funktion, eine durch das Störungsfilter 10 hindurch gegangene Eingangswechselspannung von 108 V bis 264 V gleichzurichten.
  • Der Gleichspannungswandler 40 ist mit der PFC-Verschachtelungseinheit 30 verbunden. Der Gleichspannungswandler 40 kann ein Wandler sein, der mit Impulsbreitenmodulation arbeitet, wie ein Vorwärtswandler und ein Halbbrückenwandler, ein quasi Resonanz-Sperrwandler mit verbesserten Schalteigenschaften oder ein Resonanzwandler mit logischer Verbindungssteuerung (LLC).
  • Im allgemeinen erzeugt der Gleichspannungswandler 40 ein Impulssignal durch Schalten einer Eingangsgleichspannung, erhöht oder verringert das Impulssignal unter Verwendung einer Spule, eines Kondensators, eines Transformators usw. wie erforderlich, und führt danach wieder eine Gleichrichtung des Impulssignals durch, um das Impulssignal in eine gewünschte Ausgangsgleichspannung umzuwandeln.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel erreicht der Gleichspannungswandler 40 einen begrenzten Schaltverlust und verringerte Störungen über eine Weichschaltoperation, die eine Phasensteuerung verwendet, wodurch der Gleichspannungs-Umwandlungswirkungsgrad erhöht wird.
  • Die Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit 50 ist mit dem Gleichspannungswandler 40 verbunden. Die Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit 50 hat die Funktion, die von dem Gleichspannungswandler 40 umgewandelte Ausgangsgleichspannung zu erhöhen und eine Gleichspannung mit einem weiten Ausgangsbereich von 150 V bis 420 V auszugeben.
  • Die Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit 50 hat weiterhin die Funktion, ein Windungsverhältnis über eine Vollbrücken-Phasensteuerung zu ändern, wenn ein weiter Ausgangsgleichspannungs-Spannungsbereich erforderlich ist.
  • Die Batterie 60 ist eine wieder aufladbare Batterie, die mit dem weiten Ausgangsbereich der von der Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit 50 ausgegebenen Gleichspannung geladen wird.
  • Die Steuervorrichtung 70 steuert die Operationen der PFC-Verschachtelungseinheit 30, das Gleichspannungswandlers 40 und der Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit 50.
  • Zusätzlich steuert die Steuervorrichtung 70 den Schaltvorgang der PFC-Verschachtelungseinheit 30 auf der Grundlage einer Eingangsspannung und einer erforderlichen Ausgangsspannung, um leicht auf die Leistungsumwandlung zu antworten und steuert auch den Schaltvorgang der Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit 50, um auf einen weiten Ausgangsbereich der Gleichspannung zu antworten.
  • Die CAN-Kommunikationseinheit 80 führt eine Kommunikation mit der Steuervorrichtung 70 und anderen Steuervorrichtung durch.
  • 2 ist ein detailliertes Schaltungsdiagramm des Ladegeräts für elektrische Fahrzeuge gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • In 2 erzielt die PFC-Verschachtelungseinheit 30 eine PFC mit hohem Wirkungsgrad und großer Leistung, um auf einen weiten Ausgangsspannungsbereich und eine Ausgangsänderung in einem kontinuierlichen gegenwärtigen Modus zu antworten. Die PFC-Verschachtelungseinheit 30 enthält zwei Induktoren L1 und L2 für eine Leistungsfaktorkorrektur einer Eingangsgleichspannung Vin, die von der Gleichrichtungseinheit 20 gleichgerichtet wurde, eine erste und eine zweite Schaltvorrichtung Q1 und Q2, die jeweils mit den beiden Induktoren L1 und L2 verbunden sind, um einen Schaltverlust über einen Weichschaltvorgang zu verringern, einen Treiber 31, der mit der ersten und der zweiten Schaltvorrichtung Q1 und Q2 verbunden ist und Schaltsignale der Steuervorrichtung 70 an die erste und die zweite Schaltvorrichtung Q1 und Q2 anliegt, um die erste und die zweite Schaltvorrichtung Q1 und Q2 zu betätigen, Dioden DP1, DP2, DS1 und DS2, die mit der ersten und der zweiten Schaltvorrichtung Q1 und Q2 verbunden sind, und einen Ausgangskondensator CP, der mit durch die erste und die zweite Schaltvorrichtung Q1 und Q2 zugeführter Energie geladen wird, um eine Gleichspannung auszugeben.
  • Der Gleichspannungswandler 40 ist eine LLC-Erhöhungsschaltung, die einen verringerten Schaltverlust und herabgesetzte Störungen über eine Phasensteuerung verwendenden Weichschaltvorgang erzielt, wodurch der Leistungsumwandlungs-Wirkungsgrad erhöht wird. Der Gleichspannungswandler 40 enthält eine dritte bis sechste Schaltvorrichtung Q3 bis Q6, um durch einen Weichschaltvorgang den Schaltverlust zu verringern, Treiber 41 und 42, die mit der dritten bis sechsten Schaltvorrichtung Q3 bis Q6 verbunden sind und Schaltsignale der Steuervorrichtung 70 an die dritte bis sechste Schaltvorrichtung Q3 bis Q6 anliegen, um die dritte bis sechste Schaltvorrichtung Q3 bis Q6 zu betätigen, zwei Transformatoren T1 und T2 mit jeweils einem Eingangsende und einem Ausgangsende, um eine Ausgangsspannung auf der Grundlage eines Windungsverhältnisses zu erhöhen, und zwei Synchronisationsgleichrichter RB1 und RB2, die mit den Transformatoren T1 und T2 verbunden sind und die Ausgangsspannungen der Transformatoren T1 und T2 wieder gleichzurichten, um die Ausgangsspannungen auf Verbindungsspannungen zu halten.
  • Die Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit 50 dient zur Änderung eines Windungsverhältnisses der Erhöhungstransformatoren T1 und T2 und zum Ausgeben einer Gleichspannung mit einem weiten Ausgangsbereich von 150 V bis 420 V. Die Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit 50 enthält Filterkondensatoren CO1 und CO2 sowie Dioden DO1 und DO2, die für eine Spannungsstabilisierung mit Ausgangsenden der zwei Synchronisationsgleichrichter RB1 und RB2 verbunden sind und eine siebente Schaltvorrichtung Q7, die das Windungsverhältnis der Transformatoren T1 und T2 bis zum zweifachen über ein serielles oder paralleles Betreiben von Windungen an den Ausgangsenden der Transformatoren T1 und T2 ändert. Die siebente Schaltvorrichtung Q7 wird bei Empfang von Schaltsignalen der Steuervorrichtung 70 betätigt.
  • Nachfolgend werden die Arbeitsweise und die Wirkungen des Ladegeräts für elektrische Fahrzeuge mit der vorbeschriebenen Konfiguration erläutert.
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration des Ladegeräts für elektrische Fahrzeuge nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert, und 2 ist ein detailliertes Schaltungsdiagramm des Ladegeräts für elektrische Fahrzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In den 1 und 2 führt die Gleichrichtungseinheit 20 eine Gleichrichtung einer durch das Störungsfilter 10 hindurch gegangenen Eingangswechselspannung von 108 V bis 264 V durch. Die PFC-Verschachtelungseinheit 30 erhöht die gleichgerichtete Spannung in einem kontinuierlichen gegenwärtigen Modus des Weichschaltens.
  • Die PFC-Verschachtelungseinheit 30 gibt eine Gleichspannung aus, um auf einen weiten Ausgangsspannungsbereich und eine Ausgangsänderung über einen Weichschaltvorgang zu antworten, in welchem die erste und die zweite Schaltvorrichtung Q1 und Q2, die einander parallel geschaltet sind, jeweils oder gleichzeitig betätigt werden auf der Grundlage einer Eingangsspannung und einer geforderten Ausgangsspannung.
  • Die von der PFC-Verschachtelungseinheit ausgegebene Gleichspannung wird an den Gleichspannungswandler 40 angelegt, der mit einem hinteren Ende der PFC-Verschachtelungseinheit 30 verbunden ist. Der Gleichspannungswandler 40 erzielt einen begrenzten Schaltverlust und verringerte Störungen über einen Weichschaltvorgang, der eine Phasensteuerung verwendet, wodurch die Gleichspannung in eine gewünschte Ausgangsgleichspannung umgewandelt wird.
  • Die von dem Gleichspannungswandler 40 umgewandelte Ausgangsgleichspannung wird an die Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit 50, die mit einem hinteren Ende des Gleichspannungswandlers 40 verbunden ist, angelegt. Die Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit 50 führt ein serielles oder paralleles Betreiben der Windungen an den Ausgangsenden der Transformatoren T1 und T2 auf der Grundlage der Schaltbetätigung der siebenten Schaltvorrichtung Q7 durch, wodurch eine Gleichspannung mit einem weiten Ausgangsbereich von 51 V bis 420 V an die Batterie 60 ausgegeben wird.
  • Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, ist ein Ladungsgerät für ein elektrisches Fahrzeug gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein langsames Ladungsgerät mit einer verbesserten Konfiguration, um auf einen weiten Ausgangsspannungsbereich sowie ein Ausgangsänderung zu antworten. Das Ladegerät kann einen begrenzten Schaltverlust und verringerte Störungen über eine Weichschaltoperation erzielen, wodurch eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) mit hohem Wirkungsgrad und großer Leistung und ein zunehmender Umwandlungswirkungsgrad eines Gleichspannungswandlers ermöglicht werden.
  • Obgleich nur wenige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist für den Fachmann ersichtlich, dass Änderungen dieser Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können, ohne die Prinzipien und den Geist der Erfindung, deren Bereich in den Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist, zu verlassen.

Claims (5)

  1. Ladegerät für elektrische Fahrzeuge, welches aufweist: ein mit einer kommerziellen Leistungsquelle verbundenes Störungsfilter, um Hochfrequenzstörungen zu entfernen; eine Leistungsfaktorkorrektur(PFC)-Verschachtelungseinheit, die mit dem Störungsfilter verbunden ist, um mit einem Leistungsfaktor in einem kontinuierlichen gegenwärtigen Modus zu korrigieren; einen Gleichspannungswandler, der mit der PFC-Verschachtelungseinheit verbunden ist, um eine Gleichspannung über eine Weichschaltoperation unter Verwendung einer Phasensteuerung umzuwandeln; und eine Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit, die mit dem Gleichspannungswandler verbunden ist, um eine Gleichspannung von 150 V bis etwa 420 V durch Änderung eines Windungsverhältnisses eines Erhöhungstransformators auszugeben.
  2. Ladegerät nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Steuervorrichtung, die Schaltsignale ausgibt, um Operationen der PFC-Verschachtelungseinheit, des Gleichspannungswandlers und der Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit zu steuern.
  3. Ladegerät nach Anspruch 2, bei dem die PFC-Verschachtelungseinheit Induktoren für eine Leistungsfaktorkorrektur einer durch eine Gleichrichtungseinheit, die die kommerzielle Leistung gleichrichtet, gleichgerichteten Eingangsgleichspannung, eine erste und eine zweite Schaltvorrichtung, die jeweils mit den Induktoren verbunden sind, über eine Weichschaltoperation den Schaltverlust zu verringern und einen Treiber zum Betätigen der ersten und der zweiten Schaltvorrichtung bei Empfang der Schaltsignale von der Steuervorrichtung enthält.
  4. Ladegerät nach Anspruch 2, bei dem der Gleichspannungswandler eine dritte bis sechste Schaltvorrichtung zum Verringern des Schaltverlusts über eine Weichschaltoperation, einen Treiber zum Betätigen der dritten bis sechsten Schaltvorrichtung bei Empfang der Schaltsignale von der Steuervorrichtung, und einen Transformator zum Erhöhen einer Ausgangsspannung auf der Grundlage eines Windungsverhältnisses enthält.
  5. Ladegerät nach Anspruch 4, bei dem die Reihen/Parallel-Umwandlungseinheit eine siebente Schaltvorrichtung enthält, die bei Empfang der Schaltsignale von der Steuervorrichtung betätigt wird, um ein Windungsverhältnis des Transformators über ein serielles oder paralleles Betreiben von Windungen an einem Ausgangsende des Transformators zu betätigen.
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