CN110661426A

CN110661426A - 电力***和用于检测过载的方法

Info

Publication number: CN110661426A
Application number: CN201910568132.7A
Authority: CN
Inventors: 周欢; 杨刚
Original assignee: Valeo Siemens eAutomotive France SAS
Current assignee: Valeo eAutomotive France SAS
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2020-01-07
Also published as: EP3588719B1; EP3588719A1; FR3083395A1; FR3083395B1

Abstract

本发明涉及一种允许将直流电压转换成另一直流电压的电力***，包括：谐振直流对直流转换器(1)，包括谐振转换器电路；控制单元，包括：第一确定模块(TN1)，用于确定“谐振电流(Ir)”的平均值(Ir_avrg)，第二确定模块(TN2)，用于使用谐振电流的平均值(Ir_avrg)来确定每一谐振电容器(Cr/2)的端子处的电压的最大值(Vr_max)和每一谐振电容器(Cr/2)的端子处的电压的最小值(Vr_min)；比较模块(TNC)；切断元件(UP)，配置成在过载的情况下停止谐振直流对直流DC‑DC转换器(1)的操作。也提供一种用于检测过载的方法。

Description

电力***和用于检测过载的方法

技术领域

本发明涉及用于为电设备和/或电子设备供电的***的领域，确切地说，所述***配置成装载在机动车上，特别是电动或混合动力车辆上的电力***和用于检测过载的方法。更确切地说，本发明涉及直流对直流(DC-DC)转换器领域，即有可能将直流输入电压转换成小于或大于所述输入电压的直流输出电压的电力***。

以已知方式，电动或混合动力车辆包括经由车载高压电力网络由高压供应电池供电的电动机动***，和经由车载低压电力网络由低压供应电池供电的多个辅助电气设备。

背景技术

图1示出现有技术水平的车载电力***的功能框图。因此，高压供应电池HV提供允许推进车辆的电动机动***ENG的能量的供电功能。低压供应电池LV为辅助电气设备AUX供电，所述辅助电气设备如车载计算机、窗口电动机、多媒体***等。高压供应电池HV通常提供100伏与900伏之间、更优选地100伏与500伏之间的电压，而低压供应电池LV通常提供约12伏、24伏或48伏的电压。这两种高压供应电池HV和低压供应电池LV必须能够进行充电。

以已知方式通过经由车辆高压电力网络将高压供应电池HV连接到外部电力供应网络(例如，交流电家用供应网络G1)来实施利用所述高压供应电池的电能的再充电。最后，仍参考图1，以已知方式通过高压供应电池HV来实施低压供应电池LV的充电。出于此目的，***包括在高压供应电池HV与低压供应电池LV之间或在两个高压供应电池HV之间这两种情况下使用的DC-DC转换器DC10。

图2中示出的谐振转换器LLC10是已知的，所述谐振转换器包括两个谐振电容器C3、谐振电容器C4、谐振线圈L1以及变压器。在电路的输出电压Vout增大的情况下，变压器的谐振电流也增大，且最后，每一谐振电容器C3、谐振电容器C4的端子处的电压Vr的幅值增大。当电压Vr的幅值的变化过大时，所述变化可在谐振电容器C3和谐振电容器C4中和在电路的输出端处引起过载。

以已知方式，参考图3，为了在过载后防止电路的电位降低，必须通过限制谐振电容器C3和谐振电容器C4的相应端子处的电压来保护所述谐振电容器。为此，第一解决方案在于与谐振电容器C3和谐振电容器C4并联地放置“超快”二极管，所述超快二极管表示在极高频率下(如在当前情况中，在大于275千赫(KHz)下)切换的二极管。因此，当电压Vr严格为正时，二极管断开，但当电压Vr严格为负时，二极管接通且使电容器短路。这修改电路的结构，因此所述电路的结构不再是电路LLC10且不再与此类电路一样操作，因此防止谐振电容器C3和谐振电容器C4过载。

由于知晓每个电路需要两个超快二极管，因此这种解决方案具有缺点，即这些“超快”二极管的高成本。此外，两个“超快”二极管不能同时短路。最后，由于短路阈限电压是二极管固有的，因此不能调整通过二极管短路的阈限电压。

图4示出用于通过使用电压测量装置来抵消谐振电容器C3和谐振电容器C4的过载影响的第二可能解决方案。实际上，测量装置AM连接在谐振电容器C4的端子处，且实时地测量这一谐振电容器C4的端子处的电压Vr的值。随后，数字信号处理器(Digital signalProcessor；DSP)恢复所测量的电压值Vr，且自身检测存在还是不存在过载。在检测到的过载的情况下，DSP停止DC-DC转换器DC10的操作。

然而，测量装置必须能够极精确地测量电压，以便检测谐振电容器的过载。因此，这一类型的测量装置是昂贵的。

为了克服这些缺点，本发明提出一种电力***，所述电力***配置成使用用于基于电流测量值来检测谐振电容器的过载的方法。

发明内容

更精确地，本发明涉及一种允许将直流电压转换成另一直流电压的电力***，所述电力***包括：

·谐振DC-DC转换器，包括谐振转换器电路，所述谐振转换器电路包括谐振电感、两个谐振电容器以及变压器，确切地说，变压器的初级线圈，

·控制单元，包括：

ο第一确定模块，用于确定称作“谐振电流”的电流的平均值，所述电流在称作“评估持续时间”的持续时间内在包含变压器的谐振转换器电路的支路中循环，

ο第二确定模块，用于使用谐振电流的平均值来确定在评估持续时间内的每一谐振电容器的端子处的电压的最大值和每一谐振电容器的端子处的电压的最小值，

ο比较模块，用于在最大电压阈值与每一谐振电容器的端子处的电压的最大值之间和在最小电压阈值与每一谐振电容器的端子处的电压的最小值之间进行比较，

ο切断元件，配置成在以下情况下切断谐振DC-DC转换器的操作：

·所述最大电压值大于或等于最大电压阈值，

·所述最小电压值小于或等于最小电压阈值。

确切地说，谐振DC-DC转换器包括开关，例如晶体管，所述开关提供转换器电路的开关模式供应功能。确切地说，第一开关与谐振DC-DC转换器的高输入端子连接，且第二开关连接到谐振DC-DC转换器的低输入端子，其中两个开关在中点上连接到其另一端子。确切地说，包括谐振电感和变压器的转换器电路的支路连接在开关的中点处。确切地说，开关周期性地切换。确切地说，开关在具有50％占空比的操作时间段(称作“切换时间段”)内以互补方式切换。根据DC-DC转换器电路的输入端处和/或输出端处的情况来调适对应切换频率。

确切地说，第一谐振电容器与谐振DC-DC转换器的高输入端子连接，且第二谐振电容器连接到谐振DC-DC转换器的低输入端子，其中两个电容器在中点上连接在其另一端子处。确切地说，包括谐振电感和变压器的转换器电路的支路连接在谐振电容器的中点处。确切地说，两个谐振电容器是相同的。

确切地说，评估持续时间对应于一个或几个切换时间段。评估持续时间可包括或等于切换时间段的一部分。

确切地说，谐振转换器电路包括第二谐振电感，确切地说，所述第二谐振电感由变压器的磁化电感形成。

根据一实施例，第一确定模块配置成使用测量点处的电流的测量值来确定谐振电流，所述测量点来自位于谐振DC-DC转换器的输入端处的第一测量点、位于包括谐振电容器的支路中的第二测量点以及位于包括变压器的支路中的第三测量点。

根据一实施例，第二确定模块配置成使用谐振DC-DC转换器的输入电压、谐振电流的平均值、谐振DC-DC转换器的切换频率以及谐振电容器的值来确定最大电压值和最小电压值。

根据一实施例，谐振DC-DC转换器包括连接在变压器的输出端处，确切地说，连接在变压器的次级线圈上的整流器。

根据一实施例，电力***包括连接在谐振DC-DC转换器的输出端处的滤波器。

根据一实施例，比较模块以一种方式配置，所述方式使得

所述最大电压阈值限定在谐振电容器的端子处授权的最大电压值，确切地说，如果超过所述最大电压值，那么所述电容器过载，且

所述最小电压阈值限定在谐振电容器的端子处授权的最小电压值，确切地说，如果低于所述最小电压值，那么所述谐振电容器过载。

本发明还涉及一种在具有谐振DC-DC转换器的电力***中实施的用于检测谐振DC-DC转换器的过载的方法，所述谐振DC-DC转换器包括谐振转换器电路，所述谐振转换器电路包括谐振电感、两个谐振电容器以及变压器，

所述方法的显著特征在于其包括以下步骤：

·确定称作“谐振电流”的电流的平均值，所述电流在称作“评估持续时间”的持续时间内在包括变压器的谐振转换器电路的支路中循环，

·使用在前一步骤中确定的平均值来确定在评估持续时间“T”内的每一谐振电容器的端子处的电压的最大值和每一谐振电容器的端子处的电压的最小值，

·在最大电压阈值与每一谐振电容器的端子处的电压的最大值之间和在最小电压阈值与每一谐振电容器的端子处的电压的最小值之间进行比较，

·如果所述最大电压值大于或等于最大电压阈值，

和/或如果所述最小电压值小于或等于最小电压阈值，那么检测到谐振电容器的过载。

根据一实施例，方法包括在检测过载的步骤后的切断谐振DC-DC转换器(1)的步骤，其中谐振DC-DC转换器(1)的操作停止。

根据一实施例，根据以下公式来确定每一谐振电容器的端子处的电压的最大值

且

根据以下公式来确定每一谐振电容器的端子处的电压的最小值

其中V_in是谐振DC-DC转换器的输入电压且F_S是谐振DC-DC转换器的切换频率。

确切地说，输入电压和切换频率在评估持续时间内是恒定的。

附图说明

当阅读仅作为实例给出的以下描述且参考作为非限制性实例给出的附图，将更好地理解本发明，其中相同的参考给予类似的对象，且其中：

图1(上文已论述)是根据现有技术水平的电力***的功能框图。

图2(上文已论述)是根据现有技术水平的电力***的电子图。

图3(上文已论述)是根据现有技术水平的电力***的电子图。

图4(上文已论述)是根据现有技术水平的电力***的电子图。

图5是根据本发明的电力***的功能框图。

图6是图5的电力***的电子图。

图7是示出根据本发明的检测过载的方法的框图。

应注意，附图以用于实施本发明的具休方式来公开本发明，所述附图当然能够在适用时用以更好地定义本发明。

具体实施方式

应注意，下文中使用各种非限制性实施例来描述本发明，且在本发明还涉及的领域的技术人员的范围内能够在替代例中实施本发明。

图5示出根据本发明的电力***的实施例的功能框图。确切地说，这一电力***配置成安装于电动或混合动力车辆中。本发明涉及谐振DC-DC转换器。

参考图5，电力***包括谐振DC-DC转换器1，所述谐振DC-DC转换器包括转换器电路10、连接在所述转换器电路10的输出端处的整流器20以及连接在所述整流器20的输出端处的滤波器30。滤波器30可省略。谐振DC-DC转换器1使得有可能将直流电压转换成另一直流电压，这一转换器的详细拓扑应详细地部分描述于下文中。转换器电路10包括第一电路10-1和第二电路10-2，这使得有可能从直流电压获得特别是方波交流电压，换句话说，正弦电流。整流器20使得有可能将方波交流电压转换成脉冲整流电压，即可变电压但具有恒定符号。滤波器30使得有可能使上文所获得的电压“平滑”，即在滤波器30的输出端处获得滤波器30的输入电压的平均值。

图6示出图5中所示出的(即谐振DC-DC转换器1的)电力***的详细拓扑。在这一详细实施例中，谐振DC-DC转换器1的转换器电路的第一电路10-1包括称作“半桥式开关(HalfBridge Switch；HBS)”的电路。此外，转换器电路10的连接到第一电路10-1的第二电路10-2包括谐振转换器电路。

电路HBS包括两个晶体管T1和晶体管T2，确切地说，多个晶体管，且归功于经由切换的晶体管操作，提供开关模式供应功能。损耗可在晶体管的激活和去激活期间出现。电容器C1、电容器C2可分别并联连接到晶体管T1、晶体管T2，以便允许零电压切换(或ZVS)，且以使因切换所致的损耗最小化，且因此获得用于晶体管T1和晶体管T2的较高切换频率。仍参考图6，第二电路10-2的谐振转换器包括谐振电感Lr、两个谐振电容器Cr/2(与第一电路10-1的高端子连接的第一电容器以及连接到第一电路10-1的低端子的第二电容器，其中两个电容器在中点上连接在其另一端子处)和变压器Tr(包括初级线圈处的电感和磁化电感)。

整流器20可以是四个二极管M1到M4的桥接件，以便允许电压整流。实际上，从正切换到负的方波交流电压整流为具有恒定符号(正或负)的周期性电压。

此外，仍参考图6，滤波器30可包括并联安装的电阻器R1和电容器C3，或仅包括并联安装到整流器20的电容器或LC滤波器。当滤波器30的输入电压(对应于整流器20的输出电压)增大时，电容器C3充电。随后，当滤波器30的输入电压减小时，电容器C3放电。然而，以已知方式，电容器“缓慢地”充电和放电，且因此在滤波器30的输出端处提供的电压的幅值比滤波器30的输入电压的幅值低得多，甚至将近零。因此，滤波器30的输出端处的电压实际上是连续的。

使用穿过变压器Tr的初级线圈的谐振电流Ir来获得谐振电容器Cr/2中的一个的潜在过载的检测。参考图6，可通过测量测量点B1、测量点B2、测量点B3中的一个上的电流来确定谐振电流Ir，其中：

-在谐振转换器的输入端处以一种方式截取测量点B1，以便测量在谐振转换器的输入端处提供的电流，

-在包括谐振电容器的支路中，确切地说，在谐振电容器Cr/2中的一个的端子处以一种方式截取测量点B2，以便测量穿过谐振电容器Cr/2的电流，

-在包含变压器Tr的初级线圈的电路的支路中以一种方式截取测量点B3，以便测量在变压器的初级线圈中或在谐振电感Lr中循环的电流。

此外，仍为了检测谐振电容器Cr/2的潜在过载，电力***包括控制单元。确切地说，控制单元是数字处理装置。所述控制单元包括第一确定模块TN1、第二确定模块TN2(包括比较模块TNC)以及切断元件UP。确切地说，控制单元由其第一确定模块TN1连接到测量点B1、测量点B2、测量点B3当中的测量点。切断元件UP可以是晶体管的控制单元，通常被所属领域的技术人员称为“驱动器”。

图7示出用于检测谐振DC-DC转换器1的过载的方法的实施例。首先，第一确定模块TN1确定在评估持续时间内在谐振DC-DC转换器1的支路中循环的电流Ir的平均值Ir_avrg，所述谐振DC-DC转换器包含变压器Tr。评估持续时间可在一个或几个切换时间段内延长，且可包含切换时间段的一部分。确切地说，评估持续时间等于一个或几个切换时间段。

谐振电流Ir的这一测量可直接实施于第三测量点B3中或间接实施于第一测量点B1和第二测量点B2中。实际上，测量点B1、测量点B2、测量点B3放置在谐振DC-DC转换器1的不同支路上，但穿过这些测量点B1、测量点B2、测量点B3的电流的值相连。I_B1由穿过第一测量点B1的电流定义，I_B2由穿过第二测量点B2的电流定义且I_B3由穿过第三测量点B3的电流定义。以下近似值使得有可能根据I_B3来定义I_B1和I_B2：

I_B3≈Ir

这些近似值足够定义谐振电流Ir的值。

当直接或间接测量谐振电流Ir时，第一确定模块TN1确定上文所测量的谐振电流Ir的绝对值。随后使用谐振电流Ir的绝对值确定谐振电流Ir的平均值lr_avrg。已在评估持续时间内确定这些绝对值。

第二确定模块TN2使用上文所确定的平均电流Ir_avg来确定每一谐振电容器Cr/2的端子处的电压的最大值Vr_max和每一谐振电容器Cr/2的端子处的电压的最小值Vr_min。为此，使用谐振电容器中的电压的表达式。每一谐振电容器Cr/2的端子处的正弦电压V_r由下式定义：

在这一等式中，V_in表示谐振DC-DC转换器1的输入电压Vin，U₀是恒定的，确切地说，表示周期性电压V_r的幅值，F_S表示谐振转换器的开关的切换频率，且最后，t表示时间。存在两个相同谐振电容器Cr/2、与第一电路10-1的高端子连接的第一电容器以及连接到第一电路10-1的低端子的第二电容器，其中两个电容器在中点上连接在其另一端子处。确切地说，谐振转换器电路在一方面连接在谐振电容器Cr/2的中点处，且在另一方面连接到晶体管T1、晶体管T2的中点。在经由小信号模型的分析中，认为这些电容器并联安装。

在另一方面，电容器中的电流的表达式是已知的，且因此，此处在谐振电容器Cr/2中也是已知的，且谐振电流Ir的表达式：

且

I_r(t)＝I_{r_peak} sin(2πF_st) (3)

其中I_{r_peak}是谐振电流Ir的最大值。在(2)中，通过用其在(3)中给定的表达式替换I_r(t)，得到：

在等式(2-2)中，用其在(1)中的表达式替换电压V_r。因此得到：

因此得到：

通过用其在(4)中的表达式替换(1)中的U₀，得到：

回顾I_{r_peak}＝I_{r_RMS}(定义为谐振电流Ir的有效值)；因此，在(1-b)中，通过用其表达式替换I_{r_peak}，得到：

在另一方面，在当前情况下：

其中I_{r_avrg}定义为在1/F_S秒的时间段内的平均电流。在电压V_r(t)的表达式中，I_{r_RMS}用其表达式替换，因此存在：

因此此处根据谐振电流Ir的平均值I_{r_avrg}得到谐振电容器Cr/2的端子处的电压V_r的表达式。

已知的是V_in和

是恒定值。电压V_r的表达式(1-c)的唯一可变成份是cos(2πF_St)。因此，由于cos(2πF_St)的最大值等于1且cos(2πF_St)的最小值等于-1，因此由其推导电压Vr的最大值V_{r_max}和电压Vr的最小值V_{r_min}：

根据谐振电流的平均值I_{r_avrg}获得最大值V_{r_max}和最小值V_{r_min}的表达式。确切地说，输入电压Vin和切换频率F_s在评估持续时间内是恒定的。

仍参考图7，第二确定模块TN2包括比较模块TNC，所述比较模块在一方面在最大电压阈值与最大值Vr_max之间进行比较且在另一方面在最小电压阈值与最小值Vr_min之间进行比较。确切地说，所述最大电压阈值定义为在谐振电容器的端子处的最大电压值，如果超过所述最大电压值，那么所述电容器过载。此外，确切地说，所述最小电压阈值定义为在谐振电容器的端子处的最小电压值，如果低于所述最小电压值，那么所述谐振电容器过载。

因此，当最大电压值Vr_max大于或等于最大电压阈值时和/或当最小电压值Vr_min小于或等于最小电压阈值时，检测到过载。

仍参考图7，当检测过载时，比较模块将停止消息MS发送到谐振DC-DC转换器1的切断元件UP。电力***的切断元件UP接收含有先前发送的停止命令MS的所述停止消息MS。在接收这一停止消息MS后，切断元件UP停止谐振DC-DC转换器1的操作，因此保护谐振DC-DC转换器1以免其组件劣化，所述劣化归因于过载。

Claims

1.一种允许直流电压转换成另一直流电压的电力***，包括：

谐振直流对直流转换器，包括谐振转换器电路，所述谐振转换器电路包括谐振电感、两个谐振电容器以及变压器，

控制单元，包括：

第一确定模块，用于确定称作“谐振电流”的电流的平均值，所述电流在称作“评估持续时间”的持续时间内在包括所述变压器的所述谐振转换器电路的支路中循环，

第二确定模块，用于使用所述谐振电流的所述平均值来确定在所述评估持续时间内的每一谐振电容器的端子处的电压的最大值和每一谐振电容器的所述端子处的所述电压的最小值，

比较模块，用于在最大电压阈值与每一谐振电容器的所述端子处的所述电压的所述最大值之间和在最小电压阈值与每一谐振电容器的所述端子处的所述电压的所述最小值之间进行比较，

切断元件，配置成在以下情况下切断所述谐振直流对直流转换器的操作：

所述最大值大于或等于所述最大电压阈值，

所述最小值小于或等于所述最小电压阈值。

2.根据权利要求1所述的电力***，其中所述第一确定模块配置成使用测量点处的电流的测量值来确定所述谐振电流，所述测量点来自位于所述谐振直流对直流转换器的输入端处的第一测量点、位于包括谐振电容器的支路中的第二测量点以及位于包括所述变压器的支路中的第三测量点。

3.根据权利要求1或2所述的电力***，其中所述第二确定模块配置成使用所述谐振直流对直流转换器的输入电压、所述谐振电流的所述平均值、所述谐振直流对直流转换器的切换频率、所述谐振电容器的值来确定所述最大值和所述最小值。

4.根据权利要求1或2所述的电力***，其中所述谐振直流对直流转换器包括整流器，所述整流器连接在所述变压器的输出端处，确切地说在所述变压器的次级线圈上。

5.根据权利要求1或2所述的电力***，包括滤波器，所述滤波器连接在所述谐振直流对直流转换器的输出端处。

6.根据权利要求1或2所述的电力***，其中所述比较模块以一种方式配置，使得

所述最大电压阈值限定在所述谐振电容器的所述端子处授权的最大电压值，确切地说，如果超过所述最大电压值，那么所述电容器过载，且

所述最小电压阈值限定在所述谐振电容器的所述端子处授权的最小电压值，确切地说，如果低于所述最小电压值，那么所述谐振电容器过载。

7.一种在包括谐振直流对直流转换器的电力***中实施的用于检测谐振直流对直流转换器的过载的方法，所述谐振直流对直流转换器包括谐振转换器电路，所述谐振转换器电路包括谐振电感、两个谐振电容器以及变压器，

所述方法的特征在于其包括以下步骤：

确定称作“谐振电流”的电流的平均值I_{r_avrg}，所述电流在称作“评估持续时间”的持续时间内在包括所述变压器的所述谐振转换器电路的支路中循环，

使用在前一步骤中确定的所述平均值来确定在所述评估持续时间内的每一谐振电容器的端子处的电压的最大值和每一谐振电容器的所述端子处的所述电压的最小值，

在最大电压阈值与每一谐振电容器的所述端子处的所述电压的所述最大值之间和在最小电压阈值与每一谐振电容器的所述端子处的所述电压的所述最小值之间进行比较，

如果所述最大值大于或等于所述最大电压阈值和/或如果所述最小值小于或等于所述最小电压阈值，那么检测到谐振电容器的过载。

8.根据权利要求7所述的方法，包括在检测过载的步骤后的切断所述谐振直流对直流转换器的步骤，其中所述谐振直流对直流转换器的操作停止。

9.根据权利要求8所述的方法，其中根据以下公式来确定每一谐振电容器的所述端子处的所述电压的所述最大值V_{r_max}

且

根据以下公式来确定每一谐振电容器的所述端子处的所述电压的所述最小值V_{r_min}

其中V_in是所述谐振直流对直流转换器的输入电压，C_r是所述两个谐振电容器的总和，且F_S是所述谐振直流对直流转换器的切换频率。