用于对能量存储装置进行充电的高功率充电装置

摘要

本发明公开了一种用于对能量存储装置进行充电的充电装置。该充电装置包括：用于被动抑制存在于交流(AC)电源中的传导干扰的电磁干扰/射频干扰(EMI/RFI)滤波器；可选地，用于在不改变频率的情况下变换来自AC电源的功率的变压器；用于将AC输入转换成直流(DC)输出的整流器；以及用于从AC电源提供具有输出电压和输出电流的高功率输出的电压控制式充电器，其中，来自电压控制式充电器的输出电压和输出电流是脉动DC信号。优选地，高功率输出具有下述的功率因数值：大于约0.70、大于约0.80、大于约0.90、大于约0.95或者大于约0.97。优选地，高功率输出是下述的瓦特数：大于约40W、大于约50W、大于约60W或者大于约70W。

权利要求

1.一种用于对能量存储装置进行充电的充电装置，所述充电装置包括：

（a）电磁干扰/射频干扰（EMI/RFI）滤波器，所述电磁干扰/射频干扰滤波器用于被动抑制存在于交流（AC）电源中的传导干扰；

（b）变压器，所述变压器用于在不改变频率的情况下变换来自所述AC电源的功率；

（c）整流器，所述整流器用于将AC输入转换成直流（DC）输出；以及（d）电压控制式充电器，所述电压控制式充电器用于从所述AC电源提供具有输出电压和输出电流的高功率输出，其中，来自所述电压控制式充电器的所述输出电压和所述输出电流是脉动DC信号。

2.根据权利要求1所述的充电装置，其中，所述高功率输出具有选自组中的功率因数值，所述组包括大于约0.70、大于约0.80、大于约0.90、大于约0.95以及大于约0.97。

3.根据权利要求1所述的充电装置，其中，所述高功率输出是选自组中的瓦特数，所述组包括大于约40W、大于约50W、大于约60W以及大于约70W。

4.一种用于对能量存储装置进行充电的充电装置，所述充电装置包括：

（a）电磁干扰/射频干扰（EMI/RFI）滤波器，所述电磁干扰/射频干扰滤波器用于被动抑制存在于交流（AC）电源中的传导干扰；

（b）整流器，所述整流器用于将AC输入转换成直流（DC）输出；以及（c）电压控制式充电器，所述电压控制式充电器用于从所述AC电源提供具有输出电压和输出电流的高功率输出，其中，来自所述电压控制式充电器的所述输出电压和所述输出电流是脉动DC信号。

5.根据权利要求4所述的充电装置，其中，所述高功率输出具有选自组中的功率因数值，所述组包括大于约0.70、大于约0.80、大于约0.90、大于约0.95以及大于约0.97。

6.根据权利要求4所述的充电装置，其中，所述高功率输出是选自组中的瓦特数，所述组包括大于约40W、大于约50W、大于约60W以及大于约70W。

说明书

用于对能量存储装置进行充电的高功率充电装置

[0001] 技术领域与背景技术

[0002] 本发明涉及用于对能量存储装置进行充电的高功率充电装置。

[0003] 用于个人以及商业用途的现代电子设备正在变得无所不在。怎么强调也不过分的是随着这样的装置的演化，移动性已经成为在技术创新的特性增强方面的关键驱动因素。智能电话、平板电脑、膝上型电脑、超极本等(正获得越来越小的规格)的激增已使得充电时间成为关键，原因是消费者渴望具有在再充电周期之间的越来越长的装置使用时间，而不用增加这样的装置的重量和所占台面面积的分量。

[0004] 这些方面也同样适用于电动汽车例如Tesla Model S和Chevy Volt。目前，占主导地位的能量存储装置仍为电池，特别是锂离子电池，锂离子电池对几乎每一种便携式电子装置以及几乎每一种电动汽车提供电力。电动车辆电池可以以与移动装置相同的技术来运行，电动车辆电池中部署有大约7000个以上的电池单元。

[0005] 大部分移动装置充电器不是真正的充电器，而只是给充电电路提供电源的电源适配器，充电电路通常包含在移动装置中。移动装置充电器仅仅是AC到DC的转换器。这样的充电器将86至260伏特AC(RMS)的输入转换成大约5伏特DC的输出电压。通常，充电器的输出电压在5到5.5伏特DC的范围内(例如，适用于手机)。具有内部可再充电电池的移动装置需要用比由简单移动装置充电器供应的电池电压略高的DC电压来进行充电。

[0006] 这样的简单充电器通过下述步骤来工作：首先接受AC电源(例如AC壁式插座)；经由变压器将电源向下转换至更低的AC电压；然后使输出电压通过AC-DC转换器(即整流器)。最终使输出电压通过滤波器电路以向充电器插脚提供干净的输出电压。

[0007] 参考附图，图1是根据现有技术的典型电源适配器配置的电气示意图。图1的电源适配器配置包括：电磁干扰/射频干扰(EMI/RFI)滤波器、整流器、第一电容器、电子开关电路、高频变压器、高频整流器以及第二电容器。例如，这样的电源适配器的输出电压被用来对移动装置进行充电。

[0008] 图2是根据现有技术的典型电源适配器/充电器配置的电气示意图。图2的电源适配器/充电器配置包括图1的所有元件部分加上第二电容器后的电压控制式充电器。充电器通常位于移动装置内，其中输出电压和输出电流被用于对电池或其他能量存储装置(例如超级电容器)进行充电。

[0009] 当充电器的功率增加时，严格的局限性变得显著。尤其是通过下述要求，这样的高功率充电器约束性能分布：

[0010] 归因于高功率的高效率工作，因为效率的小幅下降将导致在充电器本身中浪费大量的功率损耗，使得用于处理这样的功率损失的热管理方面复杂化；

[0011] 功率因数统一性(即等于或接近1)的维持，通常在充电器设计中要求功率因数校正(PFC)电路；

[0012] 低EMI/RFI，也要求PFC电路；以及

[0013] 强烈期望成本和重量最小化。

[0014] 用于谐波消减的PFC调整脱机电源的输入电流以最大化可以从电力网(main)得到的实际功率(即线路功率)。理想的情况下，电气装置应该提供模拟纯电阻器的特性的负载，在纯电阻器中由装置汲取的无功功率为零。这样的情况固有地排除了任何输入电流谐波，电流完全模拟输入电压并且恰好与输入电压同相。在这样的情况下，根据执行必要任务所需要的实际功率来最小化从电力网汲取的电流。从而，不仅与配电关联而且还与过程中所涉及的发电和资本设备关联的损耗和成本均被最小化了。

[0015] 在电力系统中，对于传输的相同量的有效功率，具有较低功率因数的负载比具有较高功率因数的负载汲取更大的电流。更高的电流增加在分配系统中损耗的能量，并且要求更大的电线和不同的设备。当低功率因数存在时，由于更大的设备和浪费的能量的成本，电气设施通常向工业或商业客户收取更高的费用。

[0016] 缓解谐波的问题还使与由相同电源提供电力的其他装置之间的干扰最小化。此外，为了符合针对电源的规定要求，需要PFC。现今，在欧洲和日本，电气设备必须符合IEC61000-3-2。这样的规定要求适用于具有75W输入功率(D类设备)或更大输入功率的大部分电气设备。此外，许多能效要求也使PFC需求成为必要。随着所有设备的功率水平的增加和谐波消减标准的适用性的扩大，越来越多的电源设计并入了PFC功能。

[0017] 设计者面临着以下艰巨任务：并入PFC，同时满足其他规定要求，例如待机功率降低、活动模式效率、以及EMI/RFI限制。图3是根据现有技术的并入了PFC电路的典型电源适配器/充电器配置的电气示意图。图3的电源适配器/充电器配置包括图2的所有元件部分加上在整流器与电子开关电路之间的PFC电路，其中高压电容器替换第一电容器。输出电压和输出电流被用于对电池或其他能量存储装置进行充电。PFC电路显著地增加了电源制造成本以及该单元的重量和尺寸。

[0018] 期望地是具有用于对能量存储装置进行充电的高功率充电装置。这样的装置尤其克服上述各种限制，并且为移动装置、电动车辆、以及超级电容器的充电器技术提供新型优势。

发明内容

[0019] 本发明的目的是提供一种用于对能量存储装置进行充电的高功率充电装置。

[0020] 应指出的是，在本文中使用的表述“示例性”是指实施方式和/或实施方案的示例，而并不意味着必须传达更期望的用例。类似地，在本文中使用的表述“优选的”和“优选地”是指各种设想的实施方式和/或实施方案中的示例，而并不一定意味着传达更期望的用例。因此，根据以上应该理解，“示例性”和“优选的”在本文中可以应用于多个实施方式和/或实施方案。

[0021] 本发明的优选实施方式使得具有高功率因数值的高功率充电装置能够使用设计拓扑结构来对能量存储装置进行充电，在设计拓扑结构中尤其消除了PFC电路和随后的高压电容器。具体地，这样的设计拓扑结构消除了对PFC电路、PFC电路后的高压电容器、高频开关电路、高频变压器、高频开关整流器以及高频电容器的需要。

[0022] 因此，根据本发明，首次提供有一种用于对能量存储装置进行充电的充电装置，该充电装置包括：(a)用于被动抑制存在于交流(AC)电源中的传导干扰的电磁干扰/射频干扰(EMI/RFI)滤波器；(b)用于在不改变频率的情况下变换来自AC电源的功率的变压器；(c)用于将AC输入转换成直流(DC)输出的整流器；以及(d)用于从AC电源提供具有输出电压和输出电流的高功率输出的电压控制式充电器，其中，来自电压控制式充电器的输出电压和输出电流是脉动DC信号。

[0023] 优选地，高功率输出具有选自下述功率因数值中的功率因数值：大于约0.70、大于约0.80、大于约0.90、大于约0.95以及大于约0.97。

[0024] 优选地，高功率输出是选自下述瓦特数中的瓦特数：大于约40W、大于约50W、大于约60W以及大于约70W。

[0025] 根据本发明，首次提供有一种用于对能量存储装置进行充电的充电装置，该充电装置包括：(a)用于被动抑制存在于交流(AC)电源中的传导干扰的电磁干扰/射频干扰(EMI/RFI)滤波器；(b)用于将AC输入转换成直流(DC)输出的整流器；以及(c)用于从AC电源提供具有输出电压和输出电流的高功率输出的电压控制式充电器，其中，来自电压控制式充电器的输出电压和输出电流是脉动DC信号。

[0026] 优选地，高功率输出具有选自下述功率因数值中的功率因数值：大于约0.70、大于约0.80、大于约0.90、大于约0.95以及大于约0.97。

[0027] 优选地，高功率输出是选自下述瓦特数中的瓦特数：大于约40W、大于约50W、大于约60W以及大于约70W。

[0028] 根据下面的详细描述这些实施方式和其他实施方式变得明显。

附图说明

[0029] 在本文中参照附图仅通过示例的方式对本发明进行描述，其中：

[0030] 图1是根据现有技术的典型电源适配器配置的电气示意图；

[0031] 图2是根据现有技术的典型电源适配器/充电器配置的电气示意图；

[0032] 图3是根据现有技术的并入了PFC电路的典型电源适配器/充电器配置的电气示意图；

[0033] 图4是根据本发明的优选实施方式的高功率充电器配置的电气示意图；

[0034] 图5是根据本发明的优选实施方式的用于高电压应用的高功率充电器配置的电气示意图；

[0035] 图6是根据现有技术的带曲线插图的图3的电源适配器/充电器配置的电气示意图，所述曲线插图示出了本电气方案中的各点处的对应电压/电流分布；

[0036] 图7是根据本发明的优选实施方式的带曲线插图的图4的高功率充电器配置的电气示意图，所述曲线插图示出了本电方案中的各点处的对应电压/电流分布；

[0037] 图8是根据现有技术的针对使用依照图3的电源适配器/充电器配置的标准充电器的锂离子可再充电电池的充电分布的曲线图；

[0038] 图9是根据本发明的优选实施方式的针对使用图4的高功率充电器配置的锂离子可再充电电池的充电分布的曲线图。

具体实施方式

[0039] 本发明涉及用于对能量存储装置进行充电的高功率充电装置。参照所附说明书和附图可以更好地理解用于提供根据本发明的这样的装置的原理和操作。

[0040] 图4是根据本发明的优选实施方式的高功率充电器配置的电气示意图。图4的高功率充电器配置包括EMI/RFI滤波器、变压器、整流器以及电压控制式充电器，并且图4的高功率充电器配置在功率因数接近1的情况下以很高的效率工作。这样的性能属性降低了用于能量存储装置的高功率充电器的尺寸、成本、重量、以及复杂度。此外，实现了低EMI/RFI值。输出电压和输出电流被用于对电池或其他存储装置进行充电。应注意的是，在低功率应用中，图2的示意性配置也可以被修改成依照图4的示意性配置。

[0041] 图5是根据本发明的优选实施方式的用于高电压应用的高功率充电器配置的电气示意图。图5的高功率充电器配置包括EMI/RFI滤波器、整流器以及电压控制式充电器。针对高电压应用(例如，对电动车辆进行充电)，图4的变压器是不必要的。

[0042] 图6是根据现有技术的带曲线插图的图3的电源适配器/充电器配置的电气示意图，所述曲线插图示出了本电气方案中的各点处的对应电压/电流分布。曲线插图I示出了EMI/RFI滤波器后的电压/电流分布。曲线插图II示出了整流器后的电压/电流分布。曲线插图III示出了PFC和高压电容器后的电压/电流分布。曲线插图IV示出了高频开关和变压器后的电压/电流分布。曲线插图V示出了高频整流器和第二电容器后的电压/电流分布。

[0043] V1和I1分别是在电压控制式充电器的输入中获得的期望的电压值和电流值(曲线插图V)，电压控制式充电器负责各种充电模式。在标准充电系统的情况下，V1和I1是恒定值。

[0044] 图7是根据本发明的优选实施方式的带曲线插图的图4的高功率充电器配置的电气示意图，所述曲线插图示出了本电气方案中的各点处的对应电压/电流分布。曲线插图A示出了EMI/RFI滤波器后的电压/电流分布。曲线插图B示出了变压器后的电压/电流分布。曲线插图C示出了整流器后的电压/电流分布。

[0045] V1和I1分别是脉动电压信号和脉动电流信号的平均值。充电系统的AC输入(曲线插图A和曲线插图B)是正弦波(在正半周期和负半周期之间交替)，同时由于在整流器的输出端不存在电容器，因此电压输出和电流输出具有相同的波形和相(曲线插图C)。来自充电器的整流输出是具有仅从零到正伏特范围内的波形的“脉动”DC信号，其中信号的负半部分被整流到正半部分。类似地，电流和电压具有相同的波形和相。未观察到电流谐波(曲线插图C)，从而得到高功率因数值。

[0046] 图8是根据现有技术的针对使用依照图3的电源适配器/充电器配置的标准充电器的锂离子可再充电电池的充电分布的曲线图。如图8所示，当电池最初充电时，电池的电压迅速上升，然后在充电周期的剩余部分中达到稳定，同时电流最初是恒定的，然后迅速减小为零。这样的充电特性是所有电池的典型特性。

[0047] 在阶段1中，充电电池的电压以恒定电流上升直到电池电压达到适当的工作电压(例如，～60％)为止。施加的电流是针对电池配置的最大可用电流。在阶段2期间，当达到适当的电池电压时，充电周期变化到施加恒定电压直到电池容量达到100％(即，电流随时间下降到～0％)为止。可以使用图2或图3的标准充电器配置来实现这样的充电特性。

[0048] 图9是根据本发明的优选实施方式的针对使用图4的高功率充电器配置的锂离子可再充电电池的充电分布的曲线图。可以容易地看出的是，可以使用图4(或图5)的充电器配置来对类似电池实现图8的充电特性，图4(或图5)的充电器配置具有如上面图7中所描述的脉动DC电流。

[0049] 虽然已关于有限数目的实施方式对本发明进行了描述，但是应理解，可以对本发明进行许多变型、修改和其他应用。