CN101712284A - 用于将功率逆变器与变压器联接的汽车电气*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将功率逆变器与变压器联接的汽车电气***。提供了用于具有功率逆变器的汽车电气***的***和/或装置，通过利用变压器联接功率逆变器。电气***包括升压变换器，其中变压器的第一绕组联接在升压变换器的输入节点和第一参考节点之间，升压变换器还包括联接在第一参考节点和第二参考节点之间的开关以及联接在第一参考节点和升压变换器的输出节点之间的二极管。能量源联接在输入节点和第二参考节点之间并且第一电力负载联接在输出节点和第二参考节点之间。电气***还包括电压变换器，电压变换器具有联接到变压器的第二绕组的输入端，并且第二电力负载联接到电压变换器的输出端。

Description

用于将功率逆变器与变压器联接的汽车电气***

技术领域

在此描述的主题的实施例总的涉及电气***，如电动车和混合动力车驱动***。更特别地，主题的实施例涉及一种升压变换器，其配置成向车辆牵引***和辅助电气***提供功率。

背景技术

近年来，技术的前进以及风格上不断进化的鉴赏力导致汽车设计的相当大的变化。变化之一涉及汽车，特别是代用燃料车如混合动力车、电动车和燃料电池车内，不同电气***的功率使用和复杂性。

许多电动车需要高的初级工作电压，例如400伏特DC。典型的燃料电池在负荷下提供不到一伏特的DC，因而，常常将大量的单个燃料电池串联地配置或“堆叠”以提供燃料电池组，燃料电池组能提供车辆所需的高的初级工作电压。功率逆变器，如直流-直流(DC/DC)升压变换器，典型地用来将燃料电池组的电压电平升高到在高电压公共汽车上所需的电平。

大部分车辆还包括一个或多个在较低电压工作的辅助电气***。例如，大部分车辆包括一个或多个适合于在12伏特DC工作的辅助电气***。通常，降压式DC/DC变换器(或降压变换器)用来将高电压的总线电压降低到辅助电气***所需的工作电平。虽然是老生常谈，但额外的功率逆变器的使用增加了车辆电气***的部件成本、尺寸和复杂性。

发明内容

提供了一种装置用于在车辆中使用的电气***，电气***包括变压器，变压器具有第一绕组和第二绕组。电气***还包括升压变换器，其中变压器的第一绕组联接在升压变换器的输入节点和第一参考节点之间。升压变换器还包括联接在第一参考节点和第二参考节点之间的开关以及联接在第一参考节点和升压变换器的输出节点之间的二极管。能量源联接在输入节点和第二参考节点之间并且第一电力负载联接在输出节点和第二参考节点之间。电压变换器具有联接到变压器的第二绕组的输入端，并且第二电力负载联接到电压变换器的输出端。当开关被调节时，能量源向第一电力负载和第二电力负载提供能量。

在另一个实施例中，提供了一种装置用于汽车电气***。汽车电气***包括升压变换器，升压变换器具有输入端、输出端、和配置为变压器的初级绕组的感应器。能量源联接到升压变换器的输入端，电压变换器具有联接到变压器次级绕组的输入端。控制器联接到升压变换器并配置成激活升压变换器以从能量源向升压变换器的输出端提供能量电势并且向电压变换器的输入端提供能量电势。

在又一个实施例中，提供了一种汽车驱动***。汽车驱动***包括升压变换器，升压变换器包括联接在升压变换器的输入节点和参考节点之间的感应元件，其中感应元件配置为变压器的初级绕组。升压变换器还包括联接在参考节点和***参考节点之间的开关以及联接在参考节点和升压变换器的输出节点之间的二极管。汽车驱动***还包括联接在升压变换器的输入节点和***参考节点之间的第一能量源。车辆牵引***联接在升压变换器的输出节点和***参考节点之间，降压变换器具有联接到变压器次级绕组的输入端，第二能量源联接到降压变换器的输出端，控制器联接到升压变换器的开关并且配置成激活开关以从第一能量源向车辆牵引***和第二能量源提供能量。

提供这个总结以便以简化形式介绍概念的选择，在下面会以详细说明进一步对其进行描述，这个总结不是用来标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不是用来帮助确定所要求保护的主题的范围。

附图说明

通过结合下面的附图参考详细说明和权利要求，可以更完全地理解主题。

图1是根据一个实施例的适合于用在车辆中的电气***的示意图。

具体实施方式

下面的详细说明性质上仅仅是说明性，不是用来限制主题的实施例或这些实施例的应用和用途。当用在这里时，词语“示范性的”意思是“用作例子、实例或例证”。在此作为示范性例子描述的任何实施方式不必被解释为比其他实施方式优选或有利。此外，不打算被存在于前述技术领域、发明背景、发明内容、或下面的具体实施方式中的任何表达的或暗示的理论所约束。

当用在这里时，“节点”意思是任何内部或外部的参考点、连接点、接合点、信号线、导电元件等等，在该处存在特定信号、逻辑电平、电压、数据模式、电流或参量。此外，可以通过一个物理元件实现两个或更多节点(并且即使两个或更多信号被以共模接收或输出，也能将两个或更多信号多路传输、调制或以其他方式区别)。

下面的说明涉及被“联接(或耦合)”在一起的元件或节点或功能部件。当用在这里时，除非另外清楚地说明，否则“联接(或耦合)”意思是一个元件/节点/功能部件直接或间接连接到另一个元件/节点/功能部件(或者直接或间接与其通信)，并且不必是机械地连接。因而，虽然在图1中示出的示意图描绘了元件的一个示范性布置，但另外的居间元件、设备、功能部件或部件可以存在于所述主题的实施例中。

另外，仅仅为了参考，确定的术语也可以用在下面的说明中，因而其不是用来进行限制。例如，术语“第一”、“第二”和涉及结构的其他这种用数字表示的术语并不意味着顺序或次序，除非被上下文清楚地指出。

为了简洁，在此可能不详细描述与车辆电气***、电力***、信号设备、基于晶体管的开关控制和***的其他功能方面(和***的单独工作部件)有关的传统技术。此外，在这里包含的不同图中示出的连接线用来代表不同元件之间的示范性功能关系和/或物理联接。应该注意，在主题的实施例中可以存在许多备选的或另外的功能关系或物理连接。

在此描述的技术和/或概念总的涉及带有升压变换器的电气***，其用在汽车驱动***中。升压变换器的感应元件配置为变压器的初级绕组，并且变压器的次级绕组配置为第二变换器的输入。通过调节升压变换器中的开关来控制向第二变换器的输入和升压变换器的输出处的电压电平。

参考图1，在示范性实施例中，适合于在车辆102中用作汽车驱动***一部分的电气***100包括，但不局限于，第一能量源104、升压变换器106、电压变换器108和控制器110。控制器110联接到升压变换器106和电压变换器108，且合适地配置成支持电气***100的操作，如在下面更详细地描述的。在示范性实施例中，电气***100配置成从第一能量源104向电压变换器108的输入端和升压变换器106的输出端提供能量电势，如在下面更详细地描述的。应该懂得，图1是电气***100的简化表示，不是用来以任何方式限制主题。

在示范性实施例中，升压变换器106联接到电气***100的参考节点112。升压变换器106的输入节点114联接到第一能量源104，第一能量源104又联接到参考节点112。更具体地说，输入节点114对应于第一能量源104的正极端子，参考节点112对应于第一能量源104的负极端子。在示范性实施例中，升压变换器106是具有输出节点116的DC至DC变换器，输出节点116配置成向电力负载提供电力。在示范性实施例中，第二能量源118联接在升压变换器106的输出节点116和参考节点112之间。更具体地说，输出节点116对应于第二能量源118的正极端子，参考节点112对应于第二能量源118的负极端子。电容器120、121可以联接在输入节点114、输出节点116和参考节点112之间以降低输出电压脉动并使升压变换器106和能量源104、118之间的电压平滑，这在本领域中将被理解。在示范性实施例中，第二能量源118能在高得足够驱动车辆牵引***122的电压操作，车辆牵引***122也联接在升压变换器106的输出节点116和参考节点112之间。

在示范性实施例中，升压变换器106和电压变换器108通过变压器124耦合。在这点上，变压器124可以被理解为耦合到电压变换器108的输入端125。在示范性实施例中，电压变换器108的输出端127联接到第三能量源130。第三能量源130优选地能在适合于辅助电力负载132的电压操作，辅助电力负载132可以联接到电压变换器108的输出端127。如下面描述的，在示范性实施例中，电压变换器108配置成双向地操作，照此，电压变换器108的输入端125和输出端127之间的区别主要是为了参考。在图1所示和所描述的配置中，变压器124充当车辆102中的主牵引电力***的感应器并充当辅助和主电力***之间的耦合变压器，这在本领域中将被理解。

如图1中所示，在示范性实施例中，开关134联接在第一能量源104和升压变换器106的输入节点114之间。如在下面更详细地描述的，在电气***100的操作期间，开关134在控制器110的控制下操作，以允许车辆牵引***122和/或第二能量源118跨接起动或者允许其利用由电压变换器108提供的来自第三能量源130的能量电势操作。在这点上，二极管135联接在参考节点112和输入节点114之间(如图1中所示，阳极联接到参考节点112，阴极联接到输入节点114)以使得当开关134断开时，电流能通过升压变换器106，这在本领域中将被理解。

取决于实施例，能量源104、118均可以被实现为电池、燃料电池(或燃料电池组)、一个或多个电容器(例如，超级电容器或电容器组)、或另一种合适的电压源。对于这里描述的实施方式，第二能量源118的电压大于或等于第一能量源104。在示范性实施例中，第一能量源104被实现为燃料电池组，第二能量源118被实现为高电压电池。在这点上，燃料电池组典型地包括大约300个单独的燃料电池，在全负荷下，每个燃料电池提供大约0.6伏特DC。高电压电池具有从300伏特DC至400伏特DC的电压范围，甚至可能更高，具有典型地大约360伏特DC的额定电压。本领域中将会理解，取决于(在其他变量中)电池的充电状态和负载条件，电池的实际电压将随着时间的经过而变化。

在示范性实施例中，升压变换器106是升压式DC-DC变换器。感应元件136联接在升压变换器106的输入节点114和节点138之间，二极管140联接在节点138和输出节点116之间(如所示的，二极管140的阳极联接到节点138，二极管140的阴极联接到输出节点116)，升压开关142联接在节点138和参考节点112之间。在示范性实施例中，升压开关142被实现为半导体装置，优选地，绝缘栅双极晶体管(IGBT)。通过以一占空因数调节升压开关142来激活升压变换器106以关于参考节点112在输出节点116处提供一电压，该电压大于输入节点114处的关于参考节点112的电压。

23如图1中所示，在示范性实施例中，感应元件136被实现为感应器，感应器被配置为变压器124的初级绕组。换句话说，变压器124的初级绕组联接在输入节点114和节点138之间。在示范性实施例中，当开关134闭合时，升压开关142被以可变的占空因数调节(即，打开和关闭)，其改变通过感应元件136的电流，从而确定输出节点116处的电压，这在本领域中将被理解。同时，通过感应元件136(即，变压器124的初级绕组)的变化的电流还在变压器124的次级绕组144中感应出电压。即，用于调节升压开关142的占空因数也确定和/或控制在次级绕组144中感应的且在电压变换器108的输入端125处可见的电压量。

在示范性实施例中，电压变换器108作为降压式DC-DC变换器或降压变换器操作。根据一个实施例，电压变换器108配置成支持输入端125和输出端127之间的双向操作，如在下面更详细地描述的。在这点上，变压器124的次级绕组144联接在第一节点126和第二节点127之间。第一感应器146联接在第一节点126和第三节点128之间，第一开关150联接在第一节点126和第四节点129之间。第二感应器148联接在第二节点127和第三节点128之间，第二开关152联接在第二节点127和第四节点129之间。电容器154联接在第三节点128和第四节点129之间。在示范性实施例中，开关150、152被实现为半导体装置，优选地，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)。

取决于实施例，第三能量源130可以被实现为电池、燃料电池(或燃料电池组)、一个或多个电容器(例如，超级电容器或电容器组)、或另一种合适的电压源。对于这里描述的实施方式，第三能量源130的电压小于第一能量源104的电压。在这点上，变压器124如此配置以使得在电压变换器108的输入端125处的感应电压小于升压变换器106的输出节点116处的电压。例如，变压器124可以如此配置以使得组成第一绕组136的匝数大于组成第二绕组144的匝数，这在本领域中将被理解。在示范性实施例中，第一绕组136的匝数与第二绕组144的匝数之比(即，变压器124的匝数比)大约是五比一，尽管实际上，匝数比可能在一比一到二十比一之间变动，甚至可能更高，这取决于具体应用的需求和能量源104、130各自的电压电平。

根据一个实施例，第三能量源130被实现为12伏特的电池(或与附件、辅助负载或车辆102的相对低的电压需求相关联的任何合适的电压)。在示范性实施例中，第三能量源130能向辅助负载132提供电力，辅助负载132可以被实现为车辆102内的12伏特的电气子***。在备选实施例中，可以没有辅助负载132，且第三能量源130主要用于能量存储或跨接起动和/或操作车辆牵引***122，如下所述。

取决于实施例，控制器110可以被实现为软件、硬件、固件和/或其组合。如图1中所示，控制器110联接到升压变换器106、电压变换器108和开关134。在备选实施例中，控制器110可以被细分和/或利用执行这里描述的多个单独功能的多个不同单独部件来实现。此外控制器110可以与车辆102内的另一个模块如电控单元(ECU)成一整体。

在电气***100的正常操作模式中，控制器110配置成使开关134闭合并以一占空因数调节升压开关142以向输出节点116提供能量电势。由于电气***100内可能高的电压电平，所以优选地，开关134被实现为机械开关装置，如接触器或继电器。根据一个实施例，以选择的占空因数调节升压开关142以使得输出节点116处的电压基本上等于第二能量源118的电压。虽然未示出，但车辆牵引***122优选地被实现为联接到电动机的功率逆变器。功率逆变器配置成将来自输出节点116的直流电变换成交流电以便以传统方式驱动电动机。取决于车辆牵引***122的瞬时功率消耗，在电气***100的操作过程中，第二能量源118可以放出能量或从第一能量源104吸收能量(例如，再充电)。

当开关134闭合时，调节升压开关142也会在第二绕组144中感应出电压，从而在电压变换器108的输入端125提供电压。在示范性实施例中，控制器110配置成操作电压变换器108的开关150、152以使得输出端127处(即，节点128、129之间)的电压基本上等于第三能量源130的电压。在这点上，在输入端125处的高电压电平，控制器110配置成以间断模式操作电压变换器108以便将输出端127处的电压调整成第三能量源130的电压。

在电气***100操作过程中的一些情形中，可能需要或希望从第三能量源130向第二能量源118和/或车辆牵引***122提供电力。例如，第一能量源104和第二能量源118可能不能提供启动车辆牵引***122所需的电流和/或功率量。在示范性实施例中，控制器110配置成断开开关134并通过调节升压开关142来激活升压变换器106以从第三能量源130向车辆牵引***122和/或第二能量源118提供能量。在这点上，控制器110可以操作(即，打开和/或关闭)开关150、152以改变通过次级绕组144的电流和/或调整输入端125处的电压。改变通过次级绕组144的电流会在初级绕组136中感应出电压，然后基于升压开关142的调节，该电压可以传递到输出节点116。如图1中所示，二极管135的阳极联接到参考节点112，且二极管135的阴极联接到输入节点114，以当开关134断开时，允许电流流过升压变换器106。

在示范性实施例中，二极管156联接在参考节点112和节点138之间以允许电容器121在开关134闭合之前被预充电到第一能量源104的电压电平。如图1中所示，二极管156的阳极联接到参考节点112，且二极管135的阴极联接到节点138，以当开关134断开时，允许电流流过电容器121和/或升压变换器106。例如，在电气***100的起动过程中，电压变换器108(例如，开关150和152)以允许利用变压器124给电容器121充电的方式操作。在这点上，二极管156、初级绕组136和电容器121充当用于控制输入节点114和参考节点112之间的电压电势的整流器。根据一个实施例，控制器110可以配置成操作电压变换器108以使得输入节点114和参考节点112之间的电压电势(例如，存储在电容器121中的电压)基本上等于第一能量源104的电压。控制器110可以确定何时输入节点114和参考节点112之间的电压电势基本上等于第一能量源104的电压并响应地闭合开关134。通过将电容器121预充电，可以在几乎没有或没有造成的浪涌电流的情况下闭合开关134。根据一个实施例，一旦车辆牵引***122跨接起动，控制器110就可以配置成给电容器121预充电并闭合开关134以便返回到正常操作模式。

上面描述的***和/或方法的一个优点在于通过在两个变换器之间分享变压器和升压开关，可以用较少的部件实现汽车电气***。相反，大多数传统设计例如利用单独电路提供与这里描述的特征和功能类似的多个单独特征和功能(例如，从燃料电池向高电压电池传递电力，从燃料电池向12伏特电池传递电力，给电容器预充电，为了跨接起动利用低电压电池给高电压电池充电)。这里描述的电气***将这些特征和功能集成，同时实现了体积、质量和成本的降低。

尽管在前述详细描述中提供了至少一个示范性实施例，但应该理解，存在大量的变型。还应该理解，这里描述的一个或多个示范性实施例不是用来以任何方式限制所要求保护的主题的范围、应用或配置。相反，前述详细描述给本领域技术人员提供了用于实施所描述的一个或多个实施例的方便的指导方针。应该懂得，在不背离权利要求所限定的范围的情况下，能在元件的功能和布置上作出各种改变，权利要求包括在申请本专利申请时已知的等价方案和可预知的等价方案。

Claims (20)

1.一种在车辆中使用的电气***，该电气***包括：

变压器，其具有第一绕组和第二绕组；

升压变换器，其包括：

输入节点、输出节点、第一参考节点和第二参考节点，其中所述变压器的第一绕组联接在所述输入节点和所述第一参考节点之间；

联接在所述第一参考节点和所述第二参考节点之间的第一开关；和

联接在所述第一参考节点和所述输出节点之间的第一二极管；

联接在所述输入节点和所述第二参考节点之间的第一能量源，所述第一能量源具有第一电压；

联接在所述输出节点和所述第二参考节点之间的第一电力负载；

具有输入端和输出端的电压变换器，其中所述输入端联接到所述第二绕组；和

联接到所述电压变换器的输出端的第二电力负载，其中当所述第一开关被调节时，所述第一能量源向所述第一电力负载和所述第二电力负载提供能量。

2.如权利要求1所述的电气***，其中所述第一电力负载包括具有第二电压的第二能量源，所述第二电压大于所述第一电压。

3.如权利要求2所述的电气***，还包括联接到所述第一开关的控制器，所述控制器配置成以一占空因数激活所述第一开关以在所述输出节点和所述第二参考节点之间产生所述第二电压。

4.如权利要求1所述的电气***，其中所述电压变换器是降压变换器。

5.如权利要求1所述的电气***，其中：

所述电压变换器包括变换器输出端；

所述第二电力负载包括联接到所述变换器输出端的第三能量源；和

所述第三能量源具有小于所述第一电压的第三电压。

6.如权利要求5所述的电气***，还包括：

联接在所述第一能量源和所述输入节点之间的第二开关；

联接在所述第二参考节点和所述输入节点之间的第二二极管，所述第二二极管配置成允许电流从所述第二参考节点流向所述输入节点；和

联接到所述第一开关和所述第二开关的控制器，所述控制器配置成：

断开所述第二开关；和

激活所述第一开关以从所述第三能量源向所述第一电力负载提供能量。

7.如权利要求1所述的电气***，其中：

所述第一绕组具有第一匝数；

所述第二绕组具有第二匝数；和

所述第一匝数与所述第二匝数之比大约为五比一。

8.一种汽车电气***，所述汽车电气***包括：

升压变换器，其包括输入端、输出端和感应器，所述感应器配置为变压器的初级绕组；

联接到所述升压变换器的输入端的第一能量源；

具有输入端的电压变换器，所述电压变换器的输入端联接到所述变压器的次级绕组；和

联接到所述升压变换器的控制器，所述控制器配置成激活所述升压变换器以从所述第一能量源向所述升压变换器的输出端提供能量电势，其中所述第一能量源还向所述电压变换器的输入端提供能量电势。

9.如权利要求8所述的汽车电气***，所述电压变换器具有输出端，其中所述汽车电气***还包括联接到所述电压变换器的输出端的电池，所述电池具有适合于给辅助电气***供以动力的电压。

10.如权利要求9所述的汽车电气***，还包括联接到所述升压变换器的输出端的高电压电池。

11.如权利要求10所述的汽车电气***，其中所述高电压电池具有大于大约300伏特的电压。

12.如权利要求9所述的汽车电气***，其中所述电压变换器配置成双向地操作。

13.如权利要求8所述的汽车电气***，还包括联接到所述升压变换器的输出端的车辆牵引***。

14.如权利要求13所述的汽车电气***，还包括：

联接到所述电压变换器的输出端的电池；和

联接在所述第一能量源和所述升压变换器的输入端之间的开关，其中所述控制器联接到所述开关并配置成：

断开所述开关；和

激活所述升压变换器以从所述电池向所述车辆牵引***提供能量。

15.如权利要求8所述的汽车电气***，其中所述第一能量源包括燃料电池。

16.一种汽车驱动***，包括：

第一参考节点；

具有输入节点、第二参考节点和输出节点的升压变换器，所述升压变换器包括：

联接在所述输入节点和所述第二参考节点之间的感应元件，其中所述感应元件配置为变压器的初级绕组；

联接在所述第二参考节点和所述第一参考节点之间的第一开关；和

联接在所述第二参考节点和所述输出节点之间的第一二极管；

联接在所述输入节点和所述第一参考节点之间的第一能量源，所述第一能量源具有第一电压；

联接在所述输出节点和所述第一参考节点之间的车辆牵引***；

具有输入端和输出端的降压变换器，其中所述输入端联接到所述变压器的次级绕组；

联接到所述降压变换器的输出端的第二能量源；和

控制器，其联接到所述第一开关并且配置成激活所述第一开关以从所述第一能量源向所述车辆牵引***和所述第二能量源提供能量。

17.如权利要求16所述的汽车驱动***，其中所述第一能量源包括燃料电池。

18.如权利要求17所述的汽车驱动***，其中所述第二能量源包括电池。

19.如权利要求18所述的汽车驱动***，还包括联接在所述输出节点和所述第一参考节点之间的高电压电池。

20.如权利要求19所述的汽车驱动***，还包括联接在所述第一能量源和所述输入节点之间的第二开关，其中所述控制器配置成：

断开所述第二开关；和

激活所述第一开关以从所述电池向所述车辆牵引***提供能量以便启动所述车辆牵引***。

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