用于電動交通工具的電池充電系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在至少具有高電壓電池和低電壓電池的電動交通工具中使用的電池充電系統。尤其是，該電池充電系統被配置以經由外部電源給高電壓電池充電，以及或者從高電壓電池或者從外部電源給低電壓電池充電。
【背景技術】
[0002]常規地，在插電式混合動力或電動交通工具中，各種部件由12或24伏特的標準低電壓(12V/24V，以下稱為低電壓電池)供給。此電壓由連接至高電壓電源(如，推進電池(propuls1n battery))的獨立的DC/DC轉換器產生，其中該DC/DC轉換器將高電壓轉換為12V或者24V低電壓。在一些情況下，采用由內燃機旋轉部件驅動的獨立的12V或24V發電機。
[0003]為了在緊急情況提供用于所有的低電壓供給的功能運行的充足的電力，這樣的常規DC/DC轉換器的典型輸出功率在轎車應用的12V系統中達到4kW，在商業或非公路用車(工程機械車)應用的24V系統中達到12-15kW。
[0004]如本文所述，交通工具為了從外部電源給其高電壓電池充電，交通工具通常包括板載充電器(on-board charger, OBC)。可適配該板載充電器給高電壓電池盡可能快和/或高效地充電，并且在遵守關于設備至公共電網系統的連接的安全法規的同時，利用來自外部電源(例如公共電網)的可用電力。
[0005]當將交通工具插入到公共電網一段時間，這段時間比給高電壓電池充電所必須的時間長，由于例如控制板載充電器的控制邏輯與其它板載控制和安全功能由低電壓電池供電，12V或24V電池(低電壓電池)將被耗盡。因此，為了保證12V或24V低電壓電池的電量水平，DC/DC轉換器必須是活動的，至少周期性活動的，以便經由DC/DC轉換器從高電壓電池給12V或24V低電壓電池充電。此外，為了管理充電系統所需的功能，必須啟動交通工具控制系統的幾個其它部件。這些部件的啟動可能將消耗來自交通工具高電壓電池的能量，因此可從公共電網消耗甚至更多的能量以保持適當的電量水平，從而降低了交通工具的總效率。
[0006]進一步地，為了保持12V或24V低電壓電池的電量水平，不論交通工具板載充電器是否插入公共電網，必須在常規基礎上或以期望的最小電量水平啟動DC/DC轉換器。就是說，為了不耗盡低電壓電池，DC/DC轉換器(其為大功率DC/DC轉換器)必須是活動的，至少是周期性活動的，諸如在從高電壓電池給低電壓電池充電期間，以通常低于最佳或最高容量的10%的最低電力水平。大功率DC/DC轉換器不是通常設計以這樣的低電力輸出來提供最佳效率。進一步地，大功率DC/DC轉換器邏輯帶來的“無功”電流，以及其它要求處于活動狀態的支撐系統部件，也可導致更高的綜合能耗。至少因為上述理由，交通工具的總效率在其使用周期降低，并且負擔會加至DC/DC轉換器，從而潛在地降低它的使用壽命。
[0007]上述問題的一個可能的解決方案是包括附加的板載電源，所述附加的板載電源用于在充電之前、充電期間以及充電之后提供控制和監管邏輯，以保持低電壓電池的電量水平。因為運行附加的板載電源所要求的功率可以為數百瓦，應用各種諸如對功率因數校正(PFC)等的要求。
[0008]以引用的方式并入本文的給Yoshimoto的美國專利申請公開US2011/0273136，公開了一種電動車，該電動車具有用于從外部AC電源充電的充電器、用于驅動車輛的高電壓電池、以及用于從高電壓電池對驅動附件的附屬低電壓電池充電的小DC/DC轉換器。采用變壓器將高電壓電路從低電壓電路隔離。US2011/0273136公開了一種結構，其中三個繞阻(高電壓主電池繞阻、AC電源繞組，以及低電壓電池繞阻)共享單個變壓器，電力變換由共同芯的方式來實現。但是，此方法的缺點是用共同芯整合以不同電壓運行的兩個電池充電器很復雜。進一步地，沒有提供AC主電池與低電壓電池之間的電屏障(galvanicbarr i er)，這是一個潛在的安全問題，并且可能不滿足現有的安全法規。
[0009]以引用的方式并入本文的給Ichikawa的美國專利申請公開US2010/0019723，公開了一種車輛充電系統，該車輛充電系統經由商用電源和低電壓發電單元向高電壓主電池充電，當該低電壓發電單元當連接至商用電源時，被動產生低電壓電。特別地，在經由商用電源充電期間，低電壓發電單元給副電池充電，因此使得控制器經由副電池來被操作。但是，根據US2010/0019723，為了使得低電壓發電單元給副電池充電，必須將低電壓發電單元連接至商用電源。進一步地，當連接了商用電源，副電池和主電池都被充電。
[0010]希望提供一種電池充電系統，其中高電壓電池從外部電源充電，低電壓電池或者直接從外部電源或者從高電壓電池充電，與現有的電池充電系統相比，該電池充電系統降低了復雜性、提高了效率，并增加了安全性。
【發明內容】
[0011]提供了一種諸如電動交通工具的交通工具的電池充電系統，以及用于從高電壓電池或外部電源給低電壓電池充電的方法。因此，根據本發明的第一方面，提供了一種用于交通工具的電池充電系統，包括:板載充電器、高電壓電池、大功率DC/DC轉換器以及低電壓電池，板載充電器被配置以連接至外部電源，所述板載充電器包括充電DC/DC轉換器；高電壓電池被連接至所述充電DC/DC轉換器的輸出，所述高電壓電池被配置以當連接至所述外部電源時，通過所述板載充電器充電；大功率DC/DC轉換器被連接至所述高電壓電池；以及低電壓電池被配置以通過所述外部電源充電，所述系統的特征在于，低功率DC/DC轉換器，其被適配以在第一和第二操作模式運行，其中所述低功率DC/DC轉換器在所述第一操作模式連接至所述充電DC/DC轉換器的輸入，且在所述第二操作模式連接至所述充電DC/DC轉換器的輸出；其中，配置所述低電壓電池以當所述低功率DC/DC轉換器在所述第一操作模式時，經由所述板載充電器通過所述外部電源充電，并且配置所述低電壓電池以當所述低功率DC/DC轉換器在所述第二操作模式時，通過所述高電壓電池充電。
[0012]電池充電系統優選地除第一、大功率DC/DC轉換器之外至少包括低功率或“第二” DC/DC轉換器，所述第一、大功率DC/DC轉換器連接至高電壓電池，其中配置所述第二DC/DC轉換器從而除向OBC內部負載之外，向外部負載/電器(consumers)(即，輔助負載)提供電力，其中優選地將可切換的輸入并入0BC，這樣第二 DC/DC轉換器輸入可在外部電源和交通工具內的高電壓電池之間交替從而滿足最佳負載要求。因此優選地，將低功率DC/DC轉換器連接至開關，所述開關具有用于將所述低功率DC/DC轉換器連接至所述充電DC/DC轉換器的輸入的第一位置以，以及將所述低功率DC/DC轉換器連接至所述充電DC/DC轉換器的輸出的第二位置；其中配置所述低電壓電池以當所述開關在所述第一位置時經由所述板載充電器通過所述外部電源充電，并且配置所述低電壓電池以當所述開關在所述第二位置時，通過所述高電壓電池充電。
[0013]特別地，將第二 DC/DC轉換器或者連接至功率因數校正(PFC)單元的輸出側(因此間接地連接至由外部電源供給的AC電壓)，或者連接至高電壓電池的高電壓軌。因此，優選的，板載充電器包括功率因數校正電路，其中功率因數校正電路的輸入連接至外部電源輸入，且功率因數校正電路的輸出連接至充電DC/DC轉換器的輸入。
[0014]優選地，來自PFC單元的輸出電壓是DC電壓，且因此無需提供附加的AC/DC轉換器來提供DC電壓饋給第二 DC/DC轉換器。因此可優化第二 DC/DC轉換器(低功率DC/DC轉換器)的設計從而比采用降低的性能的、OBC外部的、主要或第一高電壓DC/DC轉換器更有效地給低電壓電池充電以及向低電壓附屬部件提供電力
[0015]根據本發明，提供控制單元來控制電池充電系統的運行，包括利用高電壓電池的大功率系統和利用低功率電池的低功率系統。特別地，可這樣操作第二 DC/DC轉換器，從而當將交通工具連接至外部電源且不需要高電壓電池時，控制單元關閉大功率系統，并切換第二 DC/DC轉換器至PFC單元。由此，可經由外部電源給低電壓電池和/或輔助負載提供電力而無需供電大功率系統或消耗高電壓電池。替代地或當沒有連接至外部電源時，可將低功率DC/DC轉換器連接至高電壓電池，其可用來給低電壓電池充電。進一步地，如果外部電源不可用