CN102577063A - Dc/dc变换器电路和电池*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电池***的半桥式转换器和电池***。本发明的DC/DC变换器电路包括至少两个DC/DC变换器（1）和低通滤波器（11），其中DC/DC变换器（1）分别具有一个输入侧和一个输出侧并且DC/DC变换器（1）在其输出侧上相互串联，并且低通滤波器（11）连接在相互串联连接的DC/DC变换器（1）之后，用于平滑由DC/DC变换器（1）在其输出侧上产生的输出电压。

Description

DC/DC变换器电路和电池***
技术领域
本发明涉及一种具有多个DC/DC变换器的DC/DC变换器电路和包括DC/DC变换器电路的电池***。
背景技术
在未来不论是在固定的应用例如在风力设备中、还是在汽车例如混合动力汽车和电动汽车中，越来越多地使用新的电池***，这些电池***必须满足关于可靠性的高要求。高要求的原因在于，电池***的故障可能导致整个***的故障（例如在电动汽车的情况下牵引电池故障导致所谓的停滞“Liegenbleiber”）或者甚至可能导致安全相关的问题（在风力设备中例如使用电池***来在强风情况下通过转子叶片调整来保护设备以防不可靠的运行状态）。
已知，由电池提供使用的电压借助DC/DC变换器（也称为直流调节器）被变换为另外的电压。通过电池提供的恒定的输入电压至与其不同的输出电压的变换通常通过DC/DC变换器的周期性的开关来进行。作为常见的DC/DC变换器例如已知升压转换器、正向转换器、半桥式转换器和全桥式转换器。
图1示出了已知的半桥式转换器31。已知的半桥式转换器31包括初级回路42和次级回路43。初级回路42具有初级侧的变压器线圈34a，次级回路43具有次级侧的变压器线圈34b，其中初级侧的变压器线圈34a和次级侧的变压器线圈34b在构成变压器的情况下相互耦合。
初级回路42包括H桥电路，该H桥电路具有从第一节点36延伸至第二节点37的第一支路和第二支路以及处于第一支路和第二支路之间的桥式支路。初级侧的变压器线圈34a设置在桥式支路中。在第一支路中设置有第一开关35a和第一电容器37a，在第二支路中设置有第二开关35b和第二电容器37b。与第一电容器38a并联有第一电阻44a，与第二电容器38b并联有第二电阻44b。第一支路与地39连接。此外，第一初级回路42具有第一输入50a和第二输入50b，电池49连接在第二输入50b上。
次级回路43包括整流器电路40和低通滤波器41。整流器电路40包括三个二极管45a、45b、45c，借助其对由次级侧的变压器线圈34b产生的电压进行整流。在次级侧的变压器线圈34b上的电压的分接在此借助中心抽头来进行。低通滤波器41具有线圈46和电容器47。在次级回路43中产生的电压可以在第一输入48a上和在第二输出48b上被分接。
在图1中示出的半桥式转换器1的功能原理如下：电池49提供电压可用，该电压通过对称电阻44a、44b将电容器38a、38b充电到电池电压的一半。开关35a和35b现在交替地断开和闭合，从而通过初级侧的变压器线圈34a得到具有相应于电池电压一半的幅度的交变电压。该交变电压借助次级侧的变压器线圈34b被输入耦合到次级回路43中并且通过直流电路40整流。相应于开关35a、35b的占空比地这样产生的经整流的脉冲形输出电压通过低通滤波器41被平滑。
发明内容
本发明的主题是DC/DC变换器电路，其包括至少两个DC/DC变换器和低通滤波器，其中DC/DC变换器分别具有一个输入侧和一个输出侧并且DC/DC变换器在其输出侧上相互串联连接，并且低通滤波器连接在相互串联连接的DC/DC变换器之后，用于平滑由DC/DC变换器在其输出侧上产生的输出电压。
DC/DC变换器能够实现：在输入侧并联和/或串联连接多个能量源尤其是电池模块。由于这种连接，例如这样连接的电池模块的端子电压小于没有DC/DC变换器直接串联连接的电池模块的连接。通过这种方式能够实现：在DC/DC变换器的输入侧上没有如下电压，该电压例如在更换电池模块或电池模块的单个电池单元的情况下使得具有电池模块的单独的旁路成为必须的。通过合适地连接DC/DC变换器，尤其是串联和/或并联，在DC/DC变换器输出侧可提供所希望的输出电压或者所希望的电流可用。该装置此外能够实现根据工作状况合适的总电压的选择，因为单个DC/DC变换器的输出电压可以按照已知的方式被调整。附加地，输出电压与连接在输入侧的电池模块不相关。由此，由电池模块和变换器电路构成的***的设计可以单纯地按照能量和功率标准与为各自的应用所需的总电压无关地进行。另外的优点在于，可以取消用于关断这种***的昂贵的功率开关，因为在DC/DC变换器输出侧的电压可以通过DC/DC变换器的关断来实现。
连接在后面的低通滤波器能够实现：对由单个DC/DC变换器的输出电压产生的总电压进行平滑，也即，消除在总电压中的高频分量。通过该低通滤波器的后面连接，尤其能够实现：取消在各个DC/DC变换器中的低通滤波器，该低通滤波器仅仅针对各自的DC/DC变换器平滑输出电压。按照本发明，后者是有利的。通过各个DC/DC变换器的多相控制能够实现这样地调整各个DC/DC变换器的输出电压的相位，使得在DC/DC变换器的各个输出电压之和中至少部分地对各个输出电压的电压峰值取出平均。这能够实现，对于低通滤波器使用较小并且成本较低的组件。
“电池模块”在本发明的范围中理解为单个电池单元或者多个电池单元的电路。多个电池单元尤其是可以串联和/或并联连接。电池单元尤其是可以作为可再充电蓄电池单元来实施。
本发明的有利的实施形式规定：至少两个DC/DC变换器中的至少一个DC/DC变换器包括初级回路和次级回路，其中初级回路具有初级侧变压器线圈，次级回路具有次级侧变压器线圈，并且初级侧变压器线圈和次级侧变压器线圈在构成变压器的情况下相互耦合。这能够实现，次级回路和初级回路电流去耦。
本发明的另一有利的实施方式规定，初级回路包括半桥电路，该半桥电路具有从第一节点延伸至第二节点的第一支路、从第一节点延伸至第二节点的第二支路以及处于第一支路和第二支路之间的桥式支路，其中初级侧变压器线圈设置在桥式支路中，在第一支路中设置有第一开关和用于连接第一电池模块的第一连接端，在第二支路中设置有第二开关和用于连接第二电池模块的第二连接端。
有利的实施方式基于如下认识，连接在第一连接端上的和连接在第二连接端上的电池模块能够承担电容器和电阻的功能，如其按照所描述的现有技术使用在这样的变换器的次级回路中一样。这样构造的DC/DC变换器由此能够实现，在初级回路中取消电容器和电阻。这样的变换器的结构由此可以显著地被简化。
本发明的另外的主题是电池***，该电池***包括至少一个本发明的DC/DC变换器电路和至少两个电池模块，其中所述至少两个DC/DC变换器分别具有一个输入侧，至少一个电池模块在DC/DC变换器的输入侧分别连接在DC/DC变换器上。
本发明的另外的有利的实施方式是从属权利要求的主题。
附图说明
下面借助由附图表示的实施方式进一步阐述本发明。其中示出了：
图1按照现有技术的DC/DC变换器的原理电路图，
图2具有本发明的DC/DC变换器电路的本发明的电池***的第一实施方式的原理电路图，以及
图3具有本发明的DC/DC变换器电路的本发明的电池***的第二实施方式的原理电路图。
具体实施方式
在图中相同的或相应的部件被设置同样的参考标记。
图1以原理电路图示出本发明电池***的第一实施方式。该电池***包括一个DC/DC变换器电路和三个电池模块3。
DC/DC变换器电路包括三个DC/DC变换器1。每个DC/DC变换器1具有一个输入侧，在该输入侧上可以施加输入电压，并且具有输出侧，在该输出侧上可以分接由DC/DC变换器1变换的输出电压。在该实施例中，在每个DC/DC变换器1的输入侧上分别连接一个电池模块3，使得恒定的输入电压可供各自的DC/DC变换器1使用。
电池模块3包括多个串联连接的电池单元2。在该实施例中电池单元2是蓄电池单元，例如锂离子单元。代替地，电池模块3可以仅仅包括一个唯一的电池单元2。此外，同样可能的是，电池单元2至少部分地并联连接。
DC/DC变换器1在其输入侧通过第一输出18a和第二输出18b相互串联连接。总电压处于外部的DC/DC变换器1的第一输出18a上和在另外的外部的DC/DC变换器1的第二输出18b上，该总电压由各个DC/DC变换器1的输出电压之和得到。
此外，DC/DC变换器电路包括低通滤波器11。低通滤波器11连接在相互串联连接的DC/DC变换器1之后并且对由各个DC/DC变换器的输出电压产生的总电压进行平滑。
低通滤波器11被构造为LC低通滤波器。低通滤波器11包括以线圈形式的电感L16和以电容器形式的电容C17。
在通过低通滤波器11对总电压滤波之后，可以在电池***的第一抽头14a和第二抽头14b上分接出通过滤波平滑的总电压。
这三个DC/DC变换器1例如可以实施为半桥式转换器、正向转换器、推拉转换器和全桥式转换器。
图3以原理电路图示出本发明电池***的第二实施方式。 
按照第二实施方式的电池***是按照第一实施方式的电池***的变型。第二电池***的DC/DC变换器1在该实施方式中被构造为专门的半桥式变换器。
该半桥式变换器1包括初级回路12和次级回路13。初级回路12具有具有初级侧变压器线圈4a，次级回路13具有次级侧变压器线圈4b，其中初级侧变压器线圈4a和次级侧变压器线圈4b在构成变压器的情况下相互耦合。
此外，初级回路12包括半桥电路，该半桥电路具有从第一节点6延伸至第二节点7的第一支路、从第一节点6延伸至第二节点7的第二支路以及处于在第一支路和第二支路之间的桥式支路。初级侧变压器线圈4a设置在桥式支路中。在第一支路中设置有第一开关5a和用于连接第一电池模块8a的第一连接端7a，在第二支路中设置有第二开关5b和用于连接第二电池模块8b的第二连接端7b。第一支路此外在第一连接端7a和第一开关5a之间与地9连接。
次级回路13还包括整流器电路10用于对通过变压器变换的电压进行整流。该整流器电路10包括两个二极管15a和15b。二极管15a和15b在支路整流器（Zweigweggleichrichter）的类型中设置次级回路中。在次级侧的变压器线圈4b上的电压的分接通过中心抽头来进行。
第一电池模块8a和第二电池模块8b这样连接在次级回路12的第一连接端7a或者第二连接端7b上，使得在该电路中第一电池模块8a和第二电池模块8b的不同极相对置。
第一电池模块8a和第二电池模块8b可以被实施为单个电池单元。代替地，电池模块8a、8b可以包括多个电池单元，其中这些电池单元至少部分地串联和/或并联连接。电池模块8a、8b也可以由电池组构成。电池模块8a、8b优选包括电池单元，这些电池单元被实施为蓄电池。电池单元优选实施为锂离子电池。
半桥式变换器1的功能原理如下：如果第一开关5a被连接，则第一电池模块8a的电压处于初级侧变压器线圈4a上。该电压通过次级侧的变压器线圈4b被传输到次级回路13中。当第一开关5a又被断开，则在初级侧变压器线圈4a中存储的能量以电流的形式减少，所述能量流到第二电池模块8b中。在第二开关5b闭合的情况下，以相反方向重复这个过程。通过选择第一开关5a和第一开关5b的占空比，可以以这种方式不仅调整在半桥式变换器1的输出18a、18b上的电压，而且同时也执行在电池模块8a和8b之间的充电平衡。
此外，DC/DC变换器电路包括低通滤波器11。低通滤波器11连接在相互串联连接的DC/DC变换器1之后并且对由各个DC/DC变换器1的输出电压产生的总电压进行平滑。
相应于第一实施方式，在通过低通滤波器11对总电压滤波之后，可以在电池***的第一抽头14a和第二抽头14b上分接出通过滤波平滑的总电压。
在电池***的所描述的实施方式中可能的是，通过各个DC/DC变换器1的多相控制这样地调整各个DC/DC变换器1的输出电压的相位，使得在DC/DC变换器的各个输出电压之和中至少部分地对各个输出电压的电压峰值取出平均。这例如能够实现，对于低通滤波器11使用小的并且成本最低的、用于电感16和电容17的组件。为了使用这种控制，该电池***例如具有没有更详细描述的用于控制DC/DC变换器1的控制装置，借助该控制装置按照合适的算法多相地控制DC/DC变换器1的开关。
这种电池***例如适于作为机动车的能量供给的组成部分，尤其是作为机动车车载电网的组成部分。

Claims (11)

1. 一种DC/DC变换器电路，包括至少两个DC/DC变换器（1）和低通滤波器（11），其中DC/DC变换器（1）分别具有一个输入侧和一个输出侧并且DC/DC变换器（1）在其输出侧上相互串联连接，并且低通滤波器（11）连接在相互串联连接的DC/DC变换器（1）之后，用于平滑由DC/DC变换器（1）在其输出侧上产生的输出电压。
2. 根据权利要求1所述的DC/DC变换器电路，其特征在于，低通滤波器（11）为LC低通滤波器（11）并且包括电感L（16）和电容C（17）。
3. 根据上述权利要求之一所述的DC/DC变换器电路，其特征在于，所述至少两个DC/DC变换器（1）中的至少一个DC/DC变换器（1）包括初级回路（12）和次级回路（13），其中初级回路（12）具有初级侧变压器线圈（4a），次级回路（13）具有次级侧变压器线圈（4b），并且初级侧变压器线圈（4a）和次级侧变压器线圈（4b）在构成变压器的情况下相互耦合。
4. 根据权利要求3所述的DC/DC变换器电路，其特征在于，初级回路（12）包括半桥电路，该半桥电路具有从第一节点（6）延伸至第二节点（7）的第一支路、从第一节点（6）延伸至第二节点（7）的第二支路以及处于第一支路和第二支路之间的桥式支路，其中初级侧变压器线圈（4a）设置在桥式支路中，在第一支路中设置有第一开关（5a）和用于连接第一电池模块（8a）的第一连接端（7a），在第二支路中设置有第二开关（5b）和用于连接第二电池模块（8b）的第二连接端（7b）。
5. 根据权利要求4所述的DC/DC变换器电路，其特征在于，第一支路和/或第二支路与地（9）连接。
6. 根据权利要求3至5之一所述的DC/DC变换器电路，其特征在于，次级回路（13）具有整流器电路（10）用于对通过变压器变换的电压进行整流。
7. 根据上述权利要求之一所述的DC/DC变换器电路，其特征在于，所述至少两个DC/DC变换器（1）被实施为半桥式转换器、正向转换器、推拉转换器和/或全桥式转换器。
8. 电池***，至少包括按照权利要求1至7之一所述的DC/DC变换器电路和至少两个电池模块（3，8a，8b），其中至少一个电池模块（3，8a，8b）在DC/DC变换器（1）的输入侧相应地被连接在DC/DC变换器（1）上。
9. 根据权利要求8结合权利要求4的电池***，其特征在于，所述至少两个电池模块（8a，8b）中的第一电池模块（8a）被连接在DC/DC变换器（1）的第一连接端（7a），所述至少两个电池模块（8a，8b）中的第二电池模块（8b）被连接在DC/DC变换器（1）的第二连接端（7b）上。
10. 根据权利要求9所述的电池***，其特征在于，第一电池模块（8a）和第二电池模块（8b）被连接为使得在该电路中第一电池模块（8a）和第二电池模块（8b）的不同极相对置。
11. 根据权利要求8至10之一所述的电池***，其特征在于，电池模块（3，8a，8b）包括至少一个单个电池单元（2）。
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