專利名稱：對特別是超級電容器的電能存儲元件充電的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及從例如電池的另 一個儲存元件向例如超級電容器的電能存儲元件進行充電的方法。
本發明也涉及用于實現該方法而設計的充電設備，特別是在機動車輛上的雙電壓供電網絡。
背景技術：
在這類網絡中，兩個存儲元件具有不同的額定直流服務電壓，并且需要
一個被安置在兩個元件之間的、本領域技術人員稱之為DC/DC轉換器的可逆轉換器，以便執行從一個到另一個的能量轉移。
已知的問題是具有較高額定電壓的存儲元件被另一個元件進行的初始充電，其中充電直到后者的額定電壓。
當目標是從例如12V的電池向幾十甚至幾百法拉的超級電容器充電時，技術問題特別難以解決，因為這會出現一個非常大的初始電流需求。
通常，DC/DC轉換器自身不能提供這個電流。因此使用一個額外的設備來執行初始充電。
最簡單的已知設備包括被插入到兩個存儲元件之間的電阻器。
這個簡單方案有幾個缺點
-如杲電阻器具有低的歐姆值，為了減小初始充電的持續時間，則充電電流非常大，導致高功率、高成本電阻器的使用；
畫如果選擇根據功率消耗可接受的電阻值，例如1歐姆，則充電的持續時間變得不能容忍(超過15分鐘)；
-在元件之間永久連"l妄的電阻器導致相當大的泄漏電流，以及從一個元件到另一個元件的放電。
在專利申請FR2838572中，VALEO公司公開了 一種消除上述缺點的解決方案。
在具有高額定電壓的第一元件的初始充電期間，這個解決方案包括將
4和DC-DC轉換器的輸入之間投入使用，直到第一元件端子電壓等于第二元
件額定電壓的時刻為止。
降壓轉換器("buck轉換器"對本領域技術人員來說更有名)實質上包括例如"MOSFET"型晶體管的靜態開關，與斷開時間有關的閉合時間^吏得控制平均充電電流成為可能。
由于晶體管的開關功能，消除了電阻器熱耗高的缺點。然而，這個解決方案有如下缺點它減小了在存儲元件之間能量轉移的總專俞出。
事實上，當第一元件的端子電壓低于第二元件的額定電壓時，僅僅在從第二元件向第一元件充電的初始階段使用降壓轉換器。
在針對機動車輛的應用中，第一元件是超級電容器并且第二元件是電池的應用情況中，這種情形是不常見的。
在大部分時間里，超級電容器的端子電壓高于電池電壓，并且降壓轉換器的靜態開關構成一個減損系統性能的串聯電阻性充電，即使這個開關是永久閉合的。
另外，被布置在降壓轉換器上游的、并且被設計為對被這個降壓轉換器以及DC/DC轉換器切換的電流進行濾波的濾波器，必須對由這個降壓轉換器所引起的截止點電平(cut-off)進行濾波，這意味著這個濾波器必須很大。
發明內容
因此，本發明的目標是對從特別是電池的第二電能存儲元件向特別是超級電容器的第一電能存儲元件充電的已知方法進行改進。
因為第一元件具有第一額定直流服務電壓，并且第二元件具有低于所述第一電壓的第二額定直流服務電壓，根據本發明的充電方法是在以已知的方式實現被安置在第一和第二元件之間的可逆DC/DC轉換器的類型。
根據本發明的方法，其特征為
-當第一元件的充電電壓低于第二電壓時，將一皮安置在DC/DC轉換器和第一元件之間的降壓轉換器額外地才殳入使用，并且將DC/DC轉換器退出使用。
-當第一元件的充電電壓高于或等于第二電壓時，將降壓轉換器退出使用，并且將DC/DC轉換器投入使用。
更適宜地，當降壓轉換器被投入使用時，借助于分路器，并且通過改變被安置在降壓轉換器輸入和輸出端子之間的第 一靜態開關的命令信號的循環比，來控制第一元件的充電電流。
更適宜地，當DC/DC轉換器處于服務中時，通過交替地斷開和閉合被安置在DC/DC轉換器中，并且在降壓轉換器輸入端子上形成并聯分割橋的第二和第三靜態開關，來控制第一元件的充電電流，將橋的中點連接到與分路器串聯的第一有感電阻器。
更適宜地，通過閉合第二開關和斷開第三開關，使DC/DC轉換器退出服務。
非常有利地，通過斷開第一和第二開關避免了所述第一元件的放電。
本發明還涉及為實現上述方法而設計的、從特別是電池的第二電能存儲設備向特別是超級電容器的第 一 電能存儲元件進行充電的設備。
因為第一元件具有第一額定直流服務電壓，以及第二元件具有低于所述第一電壓的第二額定直流服務電壓，根據本發明的充電設備是包含以已知方式的被安置在第一和第二元件之間的可逆DC/DC轉換器的一類設備。
根據本發明的充電設備的特征在于它額外地包括降壓轉換器，被安置在DC/DC轉換器和第一元件之間；以及開關和受控部件，以便當第一元件的充電電壓低于第二電壓時，把降壓轉換器投入服務并且使DC/DC轉換器退出服務，當第一元件的充電電壓大于等于第二電壓時，把降壓轉換器退出服務并且將DC/DC轉換器4^v服務。
更適宜地，通過被安置在降壓轉換器輸入和輸出端子之間的第一靜態開關，以及被并行地安置在這個降壓轉換器輸出端子上的二極管來形成降壓轉換器。
更適宜地，DC/DC轉換器包括第二和第三靜態開關，形成并聯在降壓轉換器輸入端子上的分割橋，將橋的中點連接到與分路器串聯的第一有感電阻器，以及還包括并聯在分割橋上的第一電容器。
另外，非常有利地，根據本發明的充電設備包括第一濾波器，被安置在第二元件和DC/DC轉換器之間；以及第二濾波器，被安置在降壓轉換器和第一元件之間。
更適宜地，第一濾波器是由第二有感電阻器、以及第二和第三電容器所組成的"型濾波器。
更適宜地，第二濾波器還是由第三有感電阻器和第四電容器形成的^f氐通濾波器。
有利地，第 一和第二濾波器中的每一個包括分別與第二和第三有感電阻器串聯的保險絲。
也應當注意，有利地，能夠裝配在機動車輛上的根據本發明的充電裝置
能夠包括受控部件用于從第二存儲元件特別是處于不良充電狀態的電池以低電流向第 一存儲元件充電，以便允許由即使處于不良充電狀態的電池也可以啟動車輛的熱引擎。
這幾個主要技術說明將使本領域技術人員容易理解相比于現有技術由根據本發明的充電方法和設備所帶來的優點。
在下文結合附圖的描述中給出了本發明的詳細規范說明。應當注意，這些附圖僅僅用于圖解描述的文本，并不構成對發明范圍的限制。
圖la和lb示意性說明從另一個元件向儲能元件充電的現有已知的方法。
圖2a和2b示意性說明根據本發明的從另一個元件向儲能元件充電的方法。
圖3表示從另 一個元件向儲能元件充電的現有已知的設備的框圖。圖4表示從另一個元件向儲能元件充電的、根據本發明的設備的優選實施例的框圖。
具體實施例方式
圖la、 lb、 2a和2b示意性地顯示由超級電容器1所構成的第一電能存儲元件，它與由電池2所構成的第二電能存儲元件相關聯。
在機動車輛的車載電網上，超級電容器1端子上的額定直流服務電壓能夠乂t人例如14V變化到28V，而電池2端子上的電壓基本上為12V。
可逆DC/DC轉換器3根據車輛的不同單元和配件的電力需求，保證在兩個存儲元件l、 2之間的能量轉移。
當目標是將這個電容器1充電到0V到12V電池2的額定電壓之間時，即可逆DC/DC轉換器3的操作范圍之外時，會發生超級電容器1的初始充電問題，本領域技術人員也稱之為"預充電"問題。
已經由VALEO公司在申請FR2838572中所^是出的、并且如圖3中所示的解決方案包括在預充電期間將電池2和可逆DC/DC轉換器3之間的降壓轉換器4投入使用。
同時，如圖la的符號表示，通過將DC/DC轉換器3輸入和輸出連接起來的第一閉合開關5，將此后不再使用的可逆DC/DC轉換器3放置在盡可能透明即被實際分路的狀態。
在預充電期間，通過電池2和降壓轉換器4對超級電容器l供電，控制它的輸出電壓以便限制瞬時充電電流。
當超級電容器1的端子電壓達到電池2的額定電壓時，將可逆DC/DC轉換器3重新投入使用，如圖lb中的第一打開開關5的符號表示。
如圖lb的符號表示，通過連接降壓轉換器4的輸入和輸出的第二閉合開關6,將降壓轉換器4置于在可逆DC/DC轉換器3的電路中具有最低可能電阻的狀態。
在超級電容器1和電池2之間轉換能量的已知方法也實現了在存儲元件1、 2的端子處的低通濾波器7、 8,以便對開關切換的電流濾波。
在圖2a和2b中所示的根據本發明的方法不同于在圖la和lb中所示的已知方法，基本區別在于在可逆DC/DC轉換器3和第一儲能元件1之間實現了降壓轉換器4,而不是在第二儲能元件2和可逆DC/DC轉換器3之間實現了這個轉換器。
在預充電期間(圖2a)，閉合的第一開關5通過符號所示，將可逆DC/DC轉換器3退出使用，而斷開降壓轉換器4的輸入和輸出之間的第二開關6。
相反，當結束預充電時，將可逆DC/DC轉換器3重新投入使用，并且通過第二開關6的閉合來象征分路降壓轉換器4 (圖2b)。
與圖la和lb中所表示的方法相比，圖2a和2b所表示的方法提供了設備在總體性能方面的改善。
實際上，因為在正常操作(圖2b)中第一存儲元件1的端子電壓高于第二存儲元件2的端子電壓，對于由降壓轉換器4退出使用所提供的給定等價電阻來說，針對相同的轉移功率，在根據本發明的方法中穿過這個等Y介電阻的電流要低于當如已知方法將這個等價電阻插入到可逆DC/DC轉換器3和第二存儲元件2之間時的電流。
將圖4中給出的實現圖2a和2b中所示方法的設備的優選實施例的框圖 與圖3中顯示的實現圖la和lb中所示的已知方法的設備的框圖進行詳細比 較，將會理解本發明相對于現有技術的其它優點。
降壓轉換器4包括第一靜態開關9，優選為MOSFET型的功率晶體管， 被安置在輸入和輸出之間；以及二極管IO或者另一個MOSFET，被并聯地 安置在輸出上。
與圖3中所示的降壓轉換器4的同一框圖相比，在可逆DC/DC轉換器 3和超級電容器1之間連接這個轉換器4提供了一個優點保護可逆DC/DC 轉換器3免受超級電容器1端子處的逆電壓的損害。然而應當注意，在其它 實施例中通過安裝在輸入端的保險絲能夠保證此類的保護。
如圖4中清楚地顯示，可逆DC/DC轉換器3包括第二和第三靜態開關 11、 12，在降壓轉換器4的輸入端子上并聯地形成一個分割橋。將橋ll、 12 的中點連接到與分路器14 (具有非常低的電阻值)串聯的第一有感電阻器 13。另外，可逆DC/DC轉換器3具有并聯在分割橋11、 12上的第一電容器 15。
與圖3中的框圖相比，圖4中所示的可逆DC/DC轉換器3的根據本發 明的安置提供了如下優點在預充電期間，通過由第一有感電阻器13和第 一電容器15的組合所構成的低通濾波器，以及由第一濾波器7所獲得的濾 波對充電電流進行濾波，其中，第一濾波器7由第二有感電阻器16和存在 于兩個組件中的第二和第三電容器17、 18所組成。
因此，與如圖3中所示的已知布置相比能夠減小這個第一濾波器7的尺 寸(和成本)。
在圖4中安裝了第二濾波器8。這是一個由第三有感電阻器19和第四電 容器20所構成的低通濾波器。與圖3中的組件相比，這個第二濾波器8包 括與第三有感電阻器19串行連接的保險絲21,并且與降壓轉換器4輸出端 的二極管10組合起來全面地保護可逆DC/DC轉換器3。
在預充電期間，通過保持第二靜態開關11閉合，以及通過利用在它們 的控制4冊極上的適當電壓來保持第三靜態開關12斷開，將可逆DC/DC轉換 器3退出使用。
在這些條件下，通過處在"閉合"狀態的第二靜態開關11的電阻，第一有感電阻器13、分路器14的電阻，以及作用于降壓轉換器4的第一靜態 開關9柵極的命令信號的循環比，來控制充電電流平均強度。
在正常的操作中，可逆DC/DC轉換器3增加電池2的電壓，并且通過 借助作用于其柵極的命令信號來恰當地控制第二和第三靜態開關11、 12的 交替斷開和閉合來控制超級電容器1的充電電流。
上述通過命令信號實現對第二和第三靜態開關11、 12的控制允許通過 相對較低強度的電池電流向超級電容器1進行充電。因此有可能通過處于不 良充電狀態的電池2向超級電容器1充電，并且通過已充電的超級電容器1 啟動熱引擎，盡管電池電量不足。
在正常操作模式中，通過借助在其柵極上所需要的電壓來保持第一靜態 開關9閉合，使降壓轉換器4退出使用。
因此，退出使用的降壓轉換器4所具有的、與工作中的可逆DC/DC轉 換器3串行的電阻，是第一靜態開關9的處于"閉合"狀態的電阻或者"導 通電阻"。
如前所述，組件的這部分4中的電壓高于以前版本中的電壓。對于相同 的轉移功率，在導通電阻9中循環的強度因此較低，結果能量損失較低。
由于類似的原因，當系統處于備用時，換句話說，當所有的靜態開關9、 11、 12斷開時，根據本發明的設備中的損耗也比已知組件中的損耗低，因為 將電阻加入到具有最強電勢的電路部分中。
應當理解，本發明并不簡單地限于前面所述的優選實施例。
特別地，作為一種變化，通過用一個晶體管來代替并聯在降壓轉換器4 輸出端子上的二極管IO，以便減小在預充電(同步整流)期間的損耗，以增 加控制復雜度為代價，增加了系統的總體性能。
因此本發明并入了所有可能的不同實施例，假定這些都保持在以下權利 要求書所定義的范圍中。
權利要求
1. 一種從特別是電池(2)的第二電能存儲元件(2)向特別是超級電容器(1)的第一電能存儲元件(1)充電的方法，所述第一元件(1)具有第一額定直流服務電壓，并且所述第二元件(2)具有低于所述第一電壓的第二額定直流服務電壓，此方法包括實現被安置在所述第一和第二元件(1、2)之間的可逆DC/DC轉換器(3)的類型，其特征在于-當所述第一元件(1)的充電電壓低于所述第二電壓時，將安置在所述DC/DC轉換器(3)和所述第一元件(1)之間的降壓轉換器(4)額外地投入使用，并且將所述DC/DC轉換器(3)退出使用；-當所述第一元件(1)的充電電壓高于或等于所述第二電壓時，將所述降壓轉換器(4)退出使用，并且將所述DC/DC轉換器(3)投入使用。
2. 根據權利要求1的充電方法，其特征在于當將所述降壓轉換器(4) 投入使用時，借助于分路器(14 )并且通過改變被安置在所述降壓轉換器(4 ) 的輸入和輸出端子之間的第一靜態開關(9)的命令信號的循環比，來控制 所述第一元件(1 )的充電電流。
3. 根據權利要求2的充電方法，其特征在于當所述DC/DC轉換器(3 ) 處在使用狀態時，通過交替地命令第二和第三靜態開關(11、 12)斷開和閉 合來控制所述第一元件(1)的充電電流，第二和第三靜態開關(11、 12) 被安置在DC/DC轉換器(3)中，并且形成并聯在所述降壓轉換器(4)的 所述輸入端子上的分割橋，將所述橋的中點連接到與分路器(14)串聯的第 一有感電阻器(13)。
4. 根據權利要求3的充電方法，其特征在于通過閉合所述第二開關 (11)并且斷開所述第三開關(12)，使所述DC/DC轉換器(3)退出使用。
5. 根據權利要求4的充電方法，其特征在于通過斷開所述第一、第 二和第三開關(9、 11、 12)來避免所述第一元件(1)的放電。
6. —種從特別是電池(2)的第二電能存儲元件(2)向特別是超級電 容器U )的第一電能存儲元件(1 )充電的設備，所述第一元件(1 )具有 第一額定直流服務電壓，并且所述第二元件(2)具有低于所述第一電壓的 第二額定直流服務電壓，該類設備包括被安置在所述第一和第二元件(l、 2) 之間的可逆DC/DC轉換器(3)，其特征在于它額外地包括被安置在DC/DC轉換器(3)和所述第一元件(1)之間的降壓轉換器(4)，以及開關(11、 12、 9)和控制(23)部件，以便當所述第一元件(1 )的充電電壓低于所述 第二電壓時，將降壓轉換器(4)投入使用并且將DC/DC轉換器(3)退出 使用，以及當所述第一元件(1)的充電電壓大于或等于所述第二電壓時， 將所述降壓轉換器(4)退出使用，并且將DC/DC轉換器(3)投入使用。
7. 根據權利要求6的充電設備，其特征在于通過被安置在所述降壓 轉換器(4)輸入和輸出端子之間的第一靜態開關(9)以及被并聯安置在所 述降壓轉換器(4)輸出端上的二極管(10)，來形成所述降壓轉換器(4)。
8. 根據權利要求7的充電設備，其特征在于所述DC/DC轉換器(3) 包括第二和第三靜態開關(ll、 12)，形成一個并聯在所述降壓轉換器(4) 的所述輸入端子上的分割橋，將所述橋的中點連接到與分路器(14)串聯的 第一有感電阻器(13),以及包括并聯在所述分割橋上的第一電容器(15)。
9. 根據權利要求8的充電設備，其特征在于它額外地包括第一濾 波器(7)，被安置在所述第二元件(2)和所述DC/DC轉換器(3)之間； 以及第二濾波器(8),被安置在所述降壓轉換器(4)和所述第一元件(1) 之間。
10. 如權利要求9所述的充電裝置，其特征在于:'所述第一濾波器(7) 是由第二有感電阻器(16)以及第二和第三電容器(17、 18)所形成的"型 濾波器。
11. 根據權利要求9的充電設備，其特征在于所述第二濾波器(8) 是由第三有感電阻器(19)和第四電容器(20)所形成的低通濾波器。
12. 根據權利要求11的充電設備，其特征在于所述第一和第二濾波 器(7、 8)的每一個包括與所述第二和第三有感電阻值(16、 19)串聯的保 險絲(22、 21 )。
13. 根據權利要求6到12中任意一個的能夠裝配在機動車輛上的充電 設備，其特征在于它包括受控部件(ll、 12、 23)，用于從特別是處于不 良充電狀態的電池的所述第二存儲元件(2)以低電流向所述第一存儲元件(1)充電，以便即使從處于不良狀充電態的電池(2)也允許啟動車輛的熱 引擎。
全文摘要
根據本發明的從特別是電池的第二電能存儲設備(2)向特別是超級電容器的第一電能存儲元件(1)充電的設備是包括被安置在第一和第二元件之間的可逆DC/DC轉換器(3)的一類設備。按照本發明，所述設備還包括被安置在DC/DC轉換器(3)和第一元件(1)之間的降壓轉換器(4)。有利地，所述設備包括受控(11、12、23)部件，以便從特別是處于不良充電狀態的電池的第二元件(2)以低電流向第一元件(1)充電，以便從即使處于不良充電狀態的電池也能夠啟動機動車輛的引擎。
文檔編號H02M3/158GK101479919SQ200780024644
公開日2009年7月8日 申請日期2007年5月3日 優先權日2006年6月29日
發明者錫德里克·萊伯厄夫 申請人:法雷奧電機設備公司