用於電池充電器並聯運行的電路布置的製作方法

2023-05-26 11:37:56

專利名稱：用於電池充電器並聯運行的電路布置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於電池充電器並聯運行的電路布置，該電池充電器各自
被設計為用於相應的預定充電電力並由交流幹線電源(mains supply)饋送，其中，各個電池充電器包含直流輸出端子的相應的對，用於連接到將
被充電的電池，在輸出端子對之間，脈沖直流電壓的重複序列可被測量，其中，序列中的脈衝與饋送交流的脈衝對應地發生，脈衝直流電壓的峰值高於將被充電的電池的標稱端子電壓。
背景技術：
對於運行更高數量電池的用戶，由於對使用這樣的電池充電器的需要而產生困難該電池充電器被設計為對與所用電池的電荷存儲容量一致的所需電力進4亍充電。電池充電器製造者出售具有不同電力額定值的電池充電器類型。在用戶方，所需總體充電電力常常變化，不存在如何通過可用電池充電器的並聯連接來增大可用充電電力的實際方案，或者，這種方案具有幾種限制。
合併幾個個體充電器的電力中的這些困難的原因可被容易地理解，這是因為傳統的電池充電器被設計為直流電壓發生器，其中，端子電壓隨負載在狹窄範圍內變化。可從電池充電器獲得的電力基本上由電池充電器標稱輸出電壓和充電下的電池的實際端子電壓之間的電壓差決定。如果電池電壓高於充電器電路的標稱輸出電壓，則充電電流可迅速減小，在相反的情況下，充電電流將迅速增大。
例如，如果對於電池的充電需要10kW的電力，且該電力被提供給分別具有5kW、 3kW、 2kW額定電力的三個充電器的並聯連接，則必須保證所有並聯連接的充電器的電壓-電流曲線是相同的。如果任何充電器過載並且不能供給成比例地向其分配的電流，則其他充電器也將過載，並將停止其運行或被損壞。
如果適當的檢查和控制電路被附加地使用的話，具有電壓發生器設計的電池充電器僅能以臨時方式並聯連接，這種特性對充電器的靈活使用施加了嚴重的限制，由於需要複雜的控制，投資成本將會較高。
在美國專利7,135,836中，介紹了對於上面介紹的類型的電池充電器並聯連接的實例，其中，使用主控制單元來檢查相應的充電器全部才艮據測得的充電參數受到主控制電路的調節。在此電路布置中，所用的充電器電路全部具有相同的額定電力和設計，充電器的輸出端子僅僅對於由控制限定
的時間段通過受控開關並聯連接，而不是如基於對其並聯運行的介紹人們可能期望的那樣以永久的方式。
其他的電池充電器電路是已知的，其具有不能被看作屬於電壓發生器類充電器的內部i殳計。在國際公開WO 01/06614中所介紹的電池充電器電路中，瞬間充電電壓由充電的電容器和^皮激勵的電感的能量的矢量和提供。此通電電感通過幹線變壓器(mains transformer )的副方繞組實現。電路使用交流幹線電壓的兩個半周期，並提供具有高輸出電流的特定的充電過程。輸出電壓的一個分量由一個或一個以上的電容的電壓構成的事實j吏得充電過程靈活，因為將被充電的電池的任何可能的短路不能損害電路的運行，電池的端子電壓可以以合適的方式控制充電過程。
類似的進一步的電池充電器電路已經在我們的三個一併待準的專利申請"Battery charger circuit" 、 "Battery charger operated from a three-phasemains" 、 "Battery charging circuit for charging two batteries"中介紹。這些充電電路類似於此公開的設計，因為與其充電電流路徑線相串聯，其包含一個或更多的具有預定電荷的電解電容器和適當激勵的電感，優選為變壓器的副方繞組和至少一個二極體。

發明內容
本發明的目的在於提供一種用於電池充電器電路並聯連接的電路布置，其中，相應的充電器電路衝艮據其特定的額定電力對充電過程產生貢獻，且其中，將不會發生上面提到的來自充電器電路並聯連接的問題。
為了實現此目標，我們已經認識到，上面介紹的傳統電池充電器的問題與這種充電器作為電壓發生器的設計相關聯且因此它們不能完全消除。根據本發明，我們已經認識到，在主充電電路中包含電解電容器與電感的電池充電器的情況下，輸出電壓的值可僅僅控制充電過程，而不會以根據電壓發生器原理構建電池充電器的情況下那樣的程度限制此過程。在前一種設計的電池充電器中，即在包含與電感串聯的電容器的設計中，處於充電之下的電池的電壓在短暫的充電時間段內將輸出電壓保持為恆定，因此，到這種限度，可在電感上(即在變壓器的副方繞組上)測量的電壓增大，充電電容器上的電壓將減小，而充電電流的限度將會由電容器的電荷損耗以及電感的變換能量的組合效應決定。
前面提到的設計的電池充電器因此將會在其相關聯的充電周期內在電池中"泵入"其充電能量。在充電周期內，電池可4皮看作線性裝置，其中，
電池電壓在交流幹線電源的整個或半周期內(例如在20ms或10ms內)不能改變。並聯連接的電池充電器的相應的充電電流將會彼此疊加(如果其相應的充電周期彼此覆蓋或重疊的話)，因此，這些電池充電器將彼此獨立地運行。
有鑑於此，通過使用前面介紹的特性，本發明已經為電池充電器的並聯連接提供了 一種電路布置，該電池充電器各自被設計為用於相應的預定充電電力並由交流幹線電源饋送，其中，各個電池充電器包含直流電流輸出的相應的端子對，用於連接到將被充電的電池，在輸出端子對之間，脈衝直流電壓的重複序列可被測量，其中，序列中的脈衝與饋送交流的脈沖對應地發生，脈衝直流電壓的峰值高於將被充電的電池的標稱端子電壓，根據本發明，各個電池充電器包含與以充電電流流動方向解釋的電流路徑串聯的至少一個具有高電容值的電解電容器、電感、在充電電流流動方向斷開的至少一個半導體裝置，電池充電器的輸出端子彼此並聯連接，對於各個電池充電器，相應的充電周期中，電解電容器和電感上的瞬時電壓的矢量和至少對於由將被充電的電池的實際電壓限定的充電周期的持續時間達到電池的瞬時端子電壓，在此充電周期中或在其一部分中，特定電池充電器中的電解電容器的放電電流流入將被充電的電池。
供電的最簡單的方式由幹線(mains line)發生。例如，在車輛中，不同的供電可以通過將車輛中的已有AC發生器用於需要的供電。
由幹線負載分配和平滑充電的觀點來看，如果電池充電器由多相干線電源的不同相線饋送是優選的。
實際電池充電任務可以在用戶處以較為容易的方式解決，如果用戶具有這樣的電池充電器的話其具有不同的標稱充電電力，可才艮據實際充電電力需求互連。
可以進行互連，使得並聯連接的電池充電器的數量被選擇為產生這些電池充電器的標稱充電電力總和與對電池充電所需的充電電力之間的平衡，其中，電力總和應當高於所需要的充電電力或至少與"M目等。
當交流幹線電源的頻率在50/60Hz左右時，如果各個電解電容器的電容高於100nF並優選為可達到幾千iLiF，電容器中存儲的能量將會是足夠的。採用增大的頻率，最小電容可成比例地減小。
如果電池充電器包含具有類似的高電容值的至少一個進一步的電解電容器以及將所述至少一個進一步的電解電容器與第一電解電容器並聯連接的受控半導體開關，可進行適當的電容的選擇。
由這樣的電池充電器電路實現的充電過程獨立於這些充電器祐:供電的方式，且不同的各個並聯電池充電器由以不同頻率運行的不同交流幹線電源饋送也是可能的。通過這樣的方案，例如由幹線供電的電池充電器可與由本地電動機驅動的發電機供給的另 一電池充電器並聯連接，如果所需要的充電能量高於可從可用幹線取出的電力，此第二電池充電器可,皮切換到運行。
現在將結合其優選實施例對本發明進行介紹，在介紹中，將參照附圖。


在附圖中
圖l示出了並聯連接的幾個電池充電器的原理電路圖； 圖2示出了不同充電版本特有的時間曲線。
具體實施例方式
圖1示出了 n個分立電池充電器Chl、 Ch2、 Ch3……Chn，其各自在 內部被設計為如例如上面提到的國際公開WO 01/06614的圖7所示，充電 器在交流幹線電壓的各個周期中向被充電的電池產生相應的連續充電脈衝 對。為了更好地形象化，電池充電器Chl、 Ch2、 Ch3……Chn已經通過 布置在其主充電電路中的部件原理性地示出，即通過具有高電容值(例如 超過100jiiF)的電解電容器C1、 C2、 C3……Cn，通過串聯電感L1、 L2、
L3、……Ln，通過由充電電流全部前向偏置的二極體Dl、 D2、 D3.......
Dn。例如，如果將電池充電器Chl與上面提到的公開的圖7所示的電路相 比較，則當前的圖1的電容器C1對應於圖7的結果得到的串聯電容器C1 或C2，電感Ll對應於其電壓由所變換能量產生的變壓器Tr的副方繞組 的電感。二極體D1是以Graetz電路連接的橋中的前向偏置的二極體。通 常，兩個電解電容器和兩個二極體與電感並聯連接，但為了更好的形象化， 這些元件已經由圖中的一個部件表示。
圖1示出，電池充電器Chl、 Ch2、 Ch3……Chn的輸出簡單地彼此 並聯連接並直接耦合到將被充電的電池B。
此並聯連接可沒有任何困難地實現，且不會出現結合被設計為電池發 生器的電池充電器詳細介紹的問題。運行結合圖2的時間曲線介紹。
儘管如所51用的公開詳細介紹的那樣，上面提到的電池充電器各自產 生隨時間變化的電流脈衝，其中，脈沖的形狀和強度依賴於將被充電的電 池B的端子電壓Ub，圖2的時間曲線顯示出簡化的電流脈衝而不是確切 的波形，因為對於理解本發明來說，沒有必要確切獲知實際的曲線。
圖2的圖a顯示出被變換到電池充電器Chl的電感Ll的整流幹線電 壓的波形，其中^f吏用了全波整流。在幹線具有50Hz頻率的情況下，整個周期(兩個半周期)持續20ms。如果電池充電器Chl的電壓適當地受到 調節，當整流幹線電壓高於閾值水平Uth時，電池充電器Chl傳送充電電 流脈衝。電池充電器Chl的輸出電流脈沖在圖2的圖b中被示為脈沖II。 假設在第一電池充電器Chl具有較小的電力時第二電池充電器Ch2產生其 自己的輸出電流脈衝，因此，由此產生的脈衝12具有與脈衝II相比較小 的強度。在幹線電壓的所選擇的周期中，這些脈衝將出現兩次，其寬度(持 續時間)小於半周期的持續時間。
在20ms的所選擇的短暫周期內，電池B的端子電壓Ub不能改變(因 為與該周期時間相比，電池B的充電過程是非常慢的過程，其可花費甚至 幾個小時)，另外，部分充電的電池B是線性元件，這意味著其可接收無 限量的充電電流(在給定範圍內)，因此，電池充電器Chl、 Ch2的電流 脈衝Il、 12將同樣地流向電池B (對之進行充電)，如同它們對電池單獨 充電一樣，也就是說，如同不存在另一電池充電器一樣。圖2的圖c顯示 出對電池B充電的電流I，其為1=11+12，因此，可以理解，各個電池充電 器Chl、 Ch2向電池供給其自己的額定電力。如果進一步的電池充電器 Ch3……Chn與第一以及第二電池充電器Chl與Ch2的並聯組合併聯連 接，獲得同樣的線性增加。
在使用具有電壓發生器型設計的電池充電器的情況下，問題在於，在 電感L1和L2上出現的電壓UL1與UL2不同，因此，均衡化電流開始在 它們之間流動，或者，僅僅具有較高電壓的源可用於充電，另一電池充電 器(具有較小電壓)不工作。在本發明的情況下，通過電解電容器Cl與 C2的存在，自動保證電壓平衡。這些電容器C1、 C2上的電壓以這樣的方 式變化公式UCl+ULl=Ub=UC2+UL2總是保持成立。在該公式中，二 極管的前向偏置電壓UD1 (典型地為0.3-0.5V,在兩個串聯連接的二極體 的情況下翻倍)沒有計入，但在準確計算的情況下，應當將此考慮在內。 鑑於在充電過程的開始時刻電容器Cl已經被充電(其初始電荷由充電電 路在充電脈衝之間的時間中提供)，其中存儲的能量被添加到充電脈沖Il 的能量。系統的一般7>式將為UC1+UL1=UC2+UL2=UC3+UL3=……=UCn+ULn
如果電池充電器Chl、 Ch2、 Ch3從由三相干線電源的相應相饋送的 交流幹線電壓線供電的話，充電過程將更平滑且更統一。圖2的圖d顯示 出這樣的饋送，其中，可看到2x3個半周期，每個從前一個偏移120° ， 且這也意味著充電脈衝II……13在時間上彼此重疊。電池B將由結果得到 的脈衝1=11+12+13充電，如圖2的圖f所示，其是輕微J^動但^不消失的 電流。
應當注意，充電過程也受到電池B的緩^t變化的端子電壓Ub的控制。 除了此自動調節以外，充電過程可通過幾種其他的方式控制，這樣的可能 性在所引用的關於充電電路的專利申請中詳細介紹。在這些可能中，方便 的一種應當提及，即，具有高電容(例如100 jaF以上)的電解電容器的 電容值可通過插入(或移除)與之並聯的進一步的電解電容器而被改變。 圖1結合最後的電池充電器Chn示出了這種可能，其中，藉助與電容器 Cnl並聯的半導體開關K，另一電容器Cn2 (以及在需要其他電容器的情 況下)可,皮連接。半導體開關的i殳計可以為例如國際/^開WO 2005/07888 中介紹的，其中，串聯電感限制電流的上升BtJL。
個體電池充電器的並聯連接不需要任何特定的措施，這不意味著電池 B的緩'漫充電過禾呈不能隨著其充電狀態進4於和變化而受到控制。相應的電 池充電器的充電特性可獨立地變化，但優選為以協調的方式變化。
通過使用本發明，通過使用相對較少數量的具有不同電力額定值的電 池充電器，較大的電池用戶可實現實際上無限的充電電力。從電池充電器 製造商的角度來看，這也是優選的方案，因為具有較高電力額定值的電池 充電器可通過較小電池充電器的增加和並聯連接來實現。這可導致製造者 必須製造例如為單一電力額定值設計的電池充電器的較大的串聯，由此， 從大規模製造的觀點看來，電池充電器的單位成本將會較小。
本發明為用戶產生了多方面的可變性，由此，電池充電 (具有不同 的電力額定值)的所需數量可被減小，臨時需求可得到滿足。
權利要求
1.一種用於電池充電器並聯運行的電路布置，該電池充電器各自被設計為用於相應的預定充電電力並由交流幹線電源饋送，其中，各個所述電池充電器包含直流輸出端子的相應的對，用於連接到將被充電的電池，在所述輸出端子對之間，脈衝直流電壓的重複序列可被測量，其中，所述序列中的脈衝與所述饋送交流中的脈衝對應地發生，所述脈衝直流電壓的峰值高於所述將被充電的電池的標稱端子電壓，其特徵在於，各個所述電池充電器(Ch1，Ch2，......Chn)包含與以充電電流流動方向解釋的電流路徑串聯的至少一個具有高電容值的電解電容器(C1，C2，......Cn)、電感(L1，L2，......Ln)、在所述充電電流流動方向斷開的至少一個半導體裝置(D1，D2，......Dn)，所述電池充電器的所述輸出端子彼此並聯連接，對於各個所述電池充電器(Ch1，Ch2，......Chn)，相應的充電周期中，所述電解電容器(C1，C2，......Cn)和所述電感(L1，L2，......Ln)上的瞬時電壓的矢量和至少對於由將被充電的電池(B)的實際電壓限定的充電周期的持續時間達到電池的瞬時端子電壓，在所述充電周期中或在其一部分中，所述特定電池充電器中的所述電解電容器(C1，C2，......Cn)的放電電流流入所述將被充電的電池(B)。
2. 根據權利要求1的電路布置，其中，所述電池充電器(Chl， Ch2.......Chn)由多相干線電源的不同相線饋送。
3. 根據權利要求l的電路布置，其中，所述預定充電電力對於所述電池充電器(Chl, Ch2，……Chn)中不同的各個是不同的。
4. 根據權利要求l的電路布置，其中，並聯連接的電池充電器(Chl,Ch2.......Chn)的數量被選擇為產生所述電池充電器的標稱充電電力總和與對電池(B)充電所需充電電力之間的平衡，故而所述總和應當高於所述所需充電電力或至少與^目等。
5. 根據權利要求l的電路布置，其中，在所述交流幹線電源的頻率在50/60Hz左右的情況下，各個所述電解電容器(C1, C2，……Cn)的電容高於100 HF。
6. 根據權利要求l的電路布置，其中，所述電池充電器(Chn)包含 具有高電容值的至少一個另外的電解電容器(Cn2)以及將所述至少一個 另外的電解電容器(Cn2)與所述電解電容器(Cn)並聯連接的受控半導 體開關(K)。
7. 根據權利要求l的電路布置，其中，所述並聯電池充電器(Chl， Ch2,……Chn)由以不同頻率運行的不同的交流幹線電源饋送。
全文摘要
一種用於電池充電器並聯運行的電路布置，其中，各個電池充電器(Ch1，Ch2，……Chn)包含與電流路徑串聯的至少一個電解電容器(C1，C2，……Cn)、電感(L1，L2，……Ln)、在充電電流方向斷開的至少一個半導體裝置(D1，D2，……Dn)，電池充電器的輸出端子彼此並聯連接，對於各個電池充電器(Ch1，Ch2，……Chn)，電解電容器(C1，C2，……Cn)和電感(L1，L2，……Ln)上的瞬時電壓的和至少對於充電周期的持續時間達到電池的瞬時端子電壓，在此充電周期中或在其一部分中，電解電容器(C1，C2，……Cn)的放電電流流入將被充電的電池(B)。
文檔編號H02J7/02GK101682206SQ200880013495
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月24日 優先權日2007年4月24日
發明者安德拉斯·法扎卡斯 申請人:安德拉斯·法扎卡斯