CN114094850A - 具有脉动缓冲器的板载充电器的***和方法 - Google Patents

具有脉动缓冲器的板载充电器的***和方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及具有脉动缓冲器的板载充电器的***和方法。在至少一个实施例中，装置包括脉动缓冲器(PB)转换器。提供了包括壳体、印刷电路板(PCB)、至少一个电感器和至少一个电容器的PB转换器。PCB被定位在壳体中并且包括被定位在其上的至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关。至少一个电感器被定位在壳体中并在PCB的板外，以与至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关对接。至少一个电容器被定位在壳体中并在PCB的板外，以与至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关对接，从而在充电操作期间调节到一个或更多个交通工具电池的能量输出。

Description

具有脉动缓冲器的板载充电器的***和方法
技术领域
本文公开的方面总体上可以涉及用于为板载充电器(on-board charger)提供脉动缓冲器的***和方法。在一个示例中，所公开的板载充电器和脉动缓冲器可以与交通工具板载充电结合使用。下面将更详细地讨论这些方面和其它方面。
背景
电动交通工具的板载充电器(OBC)用于给交通工具的牵引电池充电。OBC将从AC电源吸收的电力转换成DC电力，并用DC电力对电池充电。
概述
在至少一个实施例中，提供了一种包括脉动缓冲器(PB)转换器的装置。PB转换器将能量输出提供给一个或更多个交通工具电池。PB转换器包括壳体、印刷电路板(PCB)、至少一个电感器和至少一个电容器。至少一个电感器被定位在壳体中并在PCB的板外，与至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关对接。至少一个电容器被定位在壳体中并在PCB的板外，与至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关对接，从而在充电操作期间调节到一个或更多个交通工具电池的能量输出。
在至少另一个实施例中，提供了一种包括脉动缓冲器(PB)转换器的装置。提供了包括壳体、印刷电路板(PCB)、至少一个电感器和至少一个电容器的PB转换器。PCB被定位在壳体中，并且包括被定位在PCB上的至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关。至少一个电感器被定位在壳体中并在PCB的板外，与至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关对接。至少一个电容器被定位在壳体中并在PCB的板外，与至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关对接，从而在充电操作期间调节到一个或更多个交通工具电池的能量输出。
在至少一个实施例中，提供了一种装置，该装置包括印刷电路板(PCB)、至少一个电感器和至少一个电容器。印刷电路板(PCB)被定位在壳体中，并且包括被定位在印刷电路板上的至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关。至少一个电感器被定位在壳体中并在PCB的板外，与至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关对接。至少一个电容器被定位在壳体中并在PCB的板外，与至少一个电感器、至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关对接，从而在充电操作期间提供能量输出以在一个或更多个交通工具电池上存储第一电压或第二电压。
附图简述
在所附权利要求中特别指出了本公开的实施例。然而，通过结合附图参考下面的详细描述，多个实施例的其它特征将变得更明显且将被最好地理解，其中：
图1描绘了具有板载充电器(OBC)的电气***的框图；
图2描绘了OBC的框图，其中OBC是三相OBC；
图3描绘了根据实施例的OBC的电气示意图，其中OBC是单相OBC；
图4描绘了根据另一个实施例的OBC的电气示意图，其中OBC是三相OBC；
图5描绘了根据另一个实施例的OBC的电气示意图，其中OBC是三相OBC；
图6描绘了OBC轨道的电气示意图以及分别与电气***的干线电源(mainssupply)、OBC的AC/DC转换器的初级侧电源开关桥和次级侧电源开关桥、OBC的脉动缓冲器(PB)转换器以及电气***的牵引电池相关联的电压/电流波形图；
图7描绘了根据一个实施例的支持两个电压域的多个DC/DC转换器的示例；
图8描绘了根据一个实施例的图7中所示的脉动缓冲器(PB)转换器的更详细的示例；
图9描绘了根据一个实施例的在PB转换器处处理的电流和电压的曲线图；
图10描绘了根据一个实施例的在PB转换器处处理的电流和电压的另一个曲线图；
图11描绘了根据一个实施例的另一个PB转换器；
图12描绘了根据一个实施例的图11的PB转换器处的处理的电流和电压的曲线图；和
图13描绘了根据一个实施例的包括PB转换器的OBC的示例。
详细描述
根据要求，本文公开了本发明的详细的实施例；但是，要理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可以以各种各样的和替代性的形式来体现。附图不一定按比例绘制，某些特征可能被放大或最小化以显示特定部分的细节。因此，本文所公开的具体的结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅作为用于教导本领域中的技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。
要认识到的是，如本文中所公开的控制器可以包括各种微处理器、集成电路、存储器设备(例如闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、或它们的其他合适的变型)、以及彼此协作以执行本文中所公开的操作的软件。另外，所公开的这些控制器使用一个或更多个微处理器来执行计算机程序，该计算机程序被包含在非暂时性计算机可读介质中，该计算机程序被编程为执行所公开的任意数量的功能。此外，如本文所提供的控制器包括壳体和被定位在该外壳内的各种数量的微处理器、集成电路、和存储器设备(例如，闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))。所公开的控制器还包括基于硬件的输入端和输出端，以如本文所讨论的那样分别从基于其他硬件的设备接收数据和向基于其他硬件的设备发送数据。
板载的示例
图1总体上示出了具有板载充电器(OBC)12的电气***10的框图。在2019年11月13日提交的题为“ON-BOARD CHARGER(OBC)SINGLE-STAGE CONVERTER”的序列号为16/731,106(“’106申请”)的未决美国申请中阐述了OBC的一个示例，该美国申请的公开内容据此通过引用以其整体并入。OBC 12通常“板载”定位在电动交通工具13上。术语“电动交通工具”在本文中可以包括使用电力用于交通工具推进的任何类型的交通工具，并且包括纯电池电动交通工具(BEV)、混合电动交通工具(HEV)、***式混合电动交通工具(PHEV)等等。OBC 12可以用于给电动交通工具13的牵引电池14充电。牵引电池14可以是如根据针对电动交通工具推进的电能要求所规定的高电压(HV)直流(DC)牵引电池。
电气***10还包括交流(AC)电源(例如电网的干线电源16)。OBC 12使用来自干线电源16的电力给牵引电池14充电。OBC 12包括输入端，该输入端经由外部电动交通工具供应设备(EVSE)18连接到干线电源16，以吸收来自干线电源16的电力。OBC 12包括连接到牵引电池14的输出端。OBC 12将从干线电源16吸收的电力转换成DC电力，并且用DC电力对牵引电池14进行充电。
控制器20可操作地耦合到OBC 12。控制器20可以是板载定位在电动交通工具13上的电子设备，例如至少一个处理器、至少一个微控制器等(例如，计算机)。控制器20可以被定义为交通工具控制器。控制器20可操作地耦合到OBC 12以控制OBC 12的操作。控制器20控制OBC 12以将来自干线电源16的电力转换成DC电力，并且用DC电力对牵引电池14进行充电。例如，控制器20选择性地控制定位在OBC 12中的电源开关(未示出)的切换和切换持续时间。电源开关可用于将从干线电源16接收的电力转换成预定量的DC电力。控制器20可以通信和控制电气***10和电动交通工具13的其它节点(包括充电应用中涉及的节点)。
各种OBC可以包括双级架构，该双级架构包括功率因数校正器(PFC)和DC/DC转换器(未示出)。PFC和DC/DC转换器可以经由电容性能量缓冲器(或“DC链路电容器”)(也未示出)电耦合。PFC可以连接到干线电源16，并且DC/DC转换器连接到牵引电池14。PFC执行AC/DC转换并且由控制器20控制以确保输入端的高功率因数。控制器20控制DC/DC转换器，以将DC链路电容器处的高电压稳定输入转换为牵引电池14的DC电池电平(battery level)。在这点上，DC/DC转换器使输出电压/电流适应牵引电池14的要求。总之，PFC用作电网前端，并且DC/DC转换器使输出适应牵引电池14的范围。
PFC通常包括一个或更多个电感器，这些电感器可能是体积大且昂贵。普通OBC的能量转换方案本质上需要能量储存元件来存储/提供瞬时输入功率和输出功率之间的差，瞬时输入功率是符合电磁兼容性(EMC)标准的正弦曲线，输出功率预期是恒定的。当前，由于高功率要求，所利用的能量储存元件可能涉及电解电容器(例如，DC链路电容器)的配置。可能需要的高容量可能通常导致降低功率密度(例如，约30％的体积)的体积大的电容器(bulky capacitors)(即，DC链路电容器)，并且对最高工作温度和估计寿命(例如，平均故障间隔时间(MTBF))具有重要影响。
另外，对于OBC 12的每个轨道，可以存在PFC和DC/DC转换器。因此，三相普通OBC可以包括三组PFC和DC/DC转换器。如上所述，每个组包括几个能量存储元件。即，每个轨道在PFC级包括一个或更多个电感器，并且在DC/DC转换器级包括电解电容器。该方面可能导致相对较差的功率密度和相对较差的MTBF以及增加的成本。
现在参考图2，继续参考图1，示出了OBC 12的框图。OBC 12可以是n相OBC，其中n是大于或大于等于1的整数。在图2所示的实施例中，OBC 12可以是具有第一轨道、第二轨道和第三轨道22a、22b和22c的三相OBC。
轨道22a、22b、22c每个可以包括以“模数转换器”的形式的相同类型的电路，轨道22a、22b、22c分别包括AC/DC转换器24a、24b、24c。每个AC/DC转换器24a、24b、24c是单级拓扑结构。因此，不同于具有包括用于每个轨道的PFC、DC链路电容器和DC/DC转换器的双级架构的普通OBC，OBC 12可以包括单级架构，该单级架构针对每个轨道22a、22b、22c包括一个AC/DC转换器。
OBC 12还包括脉动缓冲器(PB)转换器26。PB转换器26由AC/DC转换器24a、24b、24c共享。特别地，如图2所示，AC/DC转换器24a、24b、24c可以单独级联连接到PB转换器26。AC/DC转换器24a、24b、24c在其相应的输入端可连接到干线电源16，并且在其相应的输出端连接到PB转换器26的输入端。PB转换器26的输出端连接到牵引电池14。AC/DC转换器24a、24b、24c与PB转换器26一起用于将来自干线电源16的电力转换成用于对牵引电池14充电的DC电力。更具体地，控制器20根据用于OBC 12的控制策略来控制AC/DC转换器24a、24b、24c的操作以及PB转换器26的操作，以将来自干线电源16的电力转换成用于对牵引电池14充电的DC电力。
AC/DC转换器24a、24b、24c包括相同类型的电路并且功能相同。因此，将仅更详细地描述AC/DC转换器24a。一般来说，AC/DC转换器24a包括忽略对经典PFC及其相关联的电感器的使用的转换器拓扑结构。AC/DC转换器24a可以与脉动缓冲器(PB)转换器26结合，以关于牵引电池14最大化对能量储存电容器的使用(例如，能量储存电容器与转换器26并联)。该方面可以显著减小电容器尺寸要求。
在操作中，AC/DC转换器24a将来自干线电源16的输入AC直接转换成DC电压和正振荡电流(即，“电流纹波”)。如所理解的，来自干线电源16的输入AC是正弦曲线。AC/DC转换器24a的输出是DC电压和电流纹波。PB转换器26对AC/DC转换器24a的DC电压和电流纹波输出进行后处理，以优选地消除或基本上消除(或最小化或至少减少)电流纹波，并将AC/DC转换器24a的输出变换成电池电平DC输出。
现在参考图3，继续参考附图1和图2，示出了OBC 12的电气示意图，其中OBC 12是单相OBC。图3中对OBC 12的描绘表示单相直接OBC的实现方式(单向)。如图3所示，OBC 12包括AC/DC转换器24和脉动缓冲器(PB)转换器26。AC/DC转换器24连接到干线电源16。PB转换器26连接到牵引电池14。
如图3进一步所示，AC/DC转换器24包括一组四个二极管，这些二极管在AC/DC转换器24的前端形成全二极管桥式整流器28。整流器28连接到干线电源16，以对AC/DC转换器24的AC输入进行整流。AC/DC转换器24还包括第一组四个电源开关，该第一组四个电源开关在变压器Tx的初级侧上形成初级侧电源开关桥30。AC/DC转换器24还包括第二组四个电源开关，该第二组四个电源开关在变压器Tx的次级侧上形成次级侧电源开关桥32。在改进时，可以在变压器Tx的次级侧提供多个次级侧电源开关桥32(每个优选地具有Tx的单独的次级线圈)。
在变压器Tx的相应侧上具有初级侧电源开关桥30和次级侧电源开关桥32的AC/DC转换器24包括基于双有源桥(DAB)拓扑结构的结构。控制器20控制电源开关桥30、32，以将从整流器28输入的整流的电压转换成DC电压和电流纹波输出。DC电压和电流纹波输出从AC/DC转换器24输出到PB转换器26。
如图3进一步所示，PB转换器26包括一对电源开关34、电感器Lr和能量储存电容器Cb。因此，PB转换器26具有基于脉动缓冲器拓扑结构的电流纹波处理。PB转换器26接收从AC/DC转换器24输出的电流纹波。控制器20控制一对电源开关34，以消除电流纹波，并将AC/DC转换器24的输出变换成用于对牵引电池14充电的电池电平DC输出。
如图3所示，AC/DC转换器24的初级侧电源开关桥30和次级侧电源开关桥32的电源开关和PB转换器26的电源开关对34的电源开关是MOSFET。
在OBC 12中，只有单个磁性部件(即变压器Tx)在AC/DC转换器24的DC/DC块中。PB转换器26取代了普通OBC的DC链路电容器补偿功能。PB转换器26补偿从AC/DC转换器24输出到PB转换器26的电流纹波，以提供平滑的DC输出电压，从而显著减小PB转换器26的能量储存电容器Cb的尺寸。
现在参考图4，继续参考图1、图2和图3，示出了根据实施例的OBC 12的电气示意图，其中OBC 12是三相OBC。图4中对OBC 12的描绘表示三相直接OBC实现方式(单向)。如图4所示，OBC 12包括分别具有AC/DC转换器24a、24b、24c的三条轨道22a、22b、22c。AC/DC转换器24a、24b、24c在干线电源16和PB转换器26之间相互并联连接。关于这一点，AC/DC转换器24a、24b、24c的输入端连接到干线电源16，而PB转换器26的输出端连接到牵引电池14。
每条轨道22a、22b、22c吸收来自干线电源16的电力并将电力转换成用于对牵引电池14充电的DC电力。例如，每条轨道22a、22b、22c可以输送3.6kW的电力以用于对牵引电池14充电。这样，在这种情况下，图4中所示的三相OBC 12可以输送10.8kW(3*3.6kW)的电力以用于对牵引电池14充电。
如所描述的和如所图示的，OBC 12具有模块化实现方式，其能够实现如图3所示的单相OBC实现方式和例如如图4所示的三相OBC实现方式的多相OBC实现方式。除了先前提到的单相OBC实现方式的益处，多相OBC实现方式还具有共享单个PB转换器26从而进一步实现成本降低的益处。此外，由于多相OBC实现方式，AC/DC转换器24a、24b、24c的输出端处的纹波可以减少。由于在多相OBC实现方式中的该减少，这种情况可以实现对PB转换器26的较小的电感器Lr和能量储存电容器Cb部件的使用(通常，对于三相OBC实现而言，为3：1尺寸对(vs.)功率降低)。
如所示，图3和图4中的每一个图中所示的OBC 12是单向的，因为功率流是从干线电源16到AC/DC转换器24到PB转换器26到牵引电池14。然而，OBC 12可以是双向的。例如，通过以下方式使图3和图4中的每一个中示出的OBC 12成为双向的：用有源开关(例如，MOSFET开关(如图5所示))取代AC/DC转换器24的整流器28的二极管，从而使整流器成为双向的。因此，OBC 12的拓扑结构可以使用同步整流器(双向)来实现，从而实现双向功率流：电网到交通工具(G2V)和交通工具到电网(V2G)。
现在参考图5，继续参考图1、图2、图3和图4，示出了根据另一实施例的OBC 12的电气示意图，其中OBC 12是三相OBC。图5中对OBC 12的描绘表示三相直接OBC实现方式(双向)。如图5所示，OBC 12包括分别具有AC/DC转换器24a、24b、24c的三条轨道22a、22b、22c。OBC 12还包括PB转换器26x。PB转换器26x与AC/DC转换器24a、24b、24c级联连接。AC/DC转换器24a、24b、24c彼此并联连接，其中它们的输入端连接到干线电源16，并且它们的输出端与PB转换器26x一起连接到牵引电池14。在操作中，所有三个AC/DC转换器24a、24b、24c向PB转换器26x提供能量，该PB转换器26x补偿能量(即，补偿AC/DC转换器的能量输出)，以提供DC电力(即，恒压、恒流输出)以用于对牵引电池14充电。
除了前面提到的益处之外，图5所示的具有级联PB转换器实现方式的这个三相OBC还具有共享单个优化PB转换器26x从而增加整个OBC的功率密度(例如，由于PB转换器26x中的附加半导体而增加的一些成本开销(penalty))的益处。此外，益处包括独立于牵引电池14的电压最大化地使用PB转换器26x的能量储存电容器Cb，从而实现更高的性能。PB转换器26x的能量储存电容器Cb可以具有高于所需输出电压的最大工作电压。然后，利用图5所示的这种拓扑结构，能量储存电容器Cb可以需要较小电流以较高电压工作(与这个级中的损失直接相关)。
现在参考图6，继续参考图1、图2、图3和图4，示出了OBC 12的轨道的电气示意图以及分别与干线电源16、AC/DC转换器24的初级侧电源开关桥30和次级侧电源开关桥32、PB转换器26和牵引电池14相关联的电压/电流波形图。
在操作中，干线电源16向OBC 12输入电压/电流。电压/电流波形图40表示从干线电源16输入到OBC 12的电压/电流。输入电压/电流包括具有正弦电压波形40a的输入电压(vac)和具有对应的正弦电流波形40b的输入电流(iac)。
AC/DC转换器24的整流器28从干线电源16接收输入的电压/电流，并将输入的电压/电流整流成整流的电压/电流。电压/电流波形图42表示从整流器28输出的整流的电压/电流。整流的输出电压/电流包括具有整流正弦电压波形42a的整流输出电压(vp)和具有对应的整流正弦电流波形42b的整流输出电流(ip)。
变压器Tx的DC/DC初级侧上的AC/DC转换器24的初级侧电源开关桥30接收来自整流器28的整流的输出电压/电流。如下文将更详细描述的，控制器20控制初级侧电源开关桥30的操作，以从整流器28汲取与整流的输出电压相关联的必要量的整流的输出电流，并由此在变压器Tx的初级侧上生成初级侧输出电压/电流。电压/电流波形图44表示初级侧输出电压/电流。初级侧输出电压/电流包括具有整流正弦峰值电压波形44a的初级侧输出电压(vop)和具有镜像的正弦峰值电流波形44b的初级侧输出电流(iop)。
通常，结合控制初级侧电源开关桥30的操作以生成初级侧输出电压/电流(vop)/(iop)，控制器20控制AC/DC转换器24的次级侧电源开关桥32的操作以根据初级侧电压/电流(vop)/(iop)在变压器Tx的次级侧上生成次级侧输入电压/电流。电压/电流波形图46表示次级侧输入电压/电流。次级侧输入电压/电流包括具有DC峰值电压波形46a的次级侧输入电压(vos)和具有镜像的正弦峰值电流波形46b的次级侧输入电流(ios)。
在图6所示的OBC 12的实施例中，OBC还包括在次级侧电源开关桥32和PB转换器26之间并联连接的电容器Cs。电容器Cs利用次级侧输入电压/电流(vos)/(ios)充电，以由此提供次级侧输出电压/电流。电压/电流波形图48表示次级侧输出电压/电流。次级侧输出电压/电流包括正DC源电压(vs)48a和整流的正弦源电流(is)48b。
PB转换器26从电容器Cs汲取与缓冲电压相关联的缓冲电流。如下文将更详细描述的，控制器20控制PB转换器26的一对电源开关34的操作，以使PB转换器26汲取与缓冲电压相关联的必要量的缓冲电流并由此生成目标电池电压/电流。目标电池电压/电流从PB转换器26输出，以对牵引电池14充电。
电压/电流波形图50表示由PB转换器26汲取的缓冲电流(ib)和相关联的缓冲电压(vb)。缓冲电压(vb)是正DC偏移正弦电压50a，以及缓冲电流(ib)具有正弦峰值电流波形50b。
电压/电流波形图52表示从PB转换器26实际输出以对牵引电池14进行充电的电池电压/电流。从PB转换器26输出的电池电压/电流包括正DC电压(vbatt)52a和正DC电流(ibatt)52b。
图7描绘了根据一个实施例的另一个电气***100的示例，该另一个电气***100包括支持两个电压域的多个AC/DC转换器24a-24c。电气***100还包括多个干线电源16a、16b、16c、OBC 120、PB转换器126和牵引电池14。每个干线电源16a、16b、16c分别可操作地耦合到相应的轨道22a、22b、22c。OBC 120可以是n相OBC，其中n是大于或大于等于1的整数。在图2所示的实施例中，OBC 12可以是具有第一轨道、第二轨道和第三轨道22a、22b和22c的三相OBC。每个干线电源16a、16b、16c分别可操作地耦合到相对应的轨道22a、22b、22c。
轨道22a、22b、22c每个可以包括以“模块化转换器”的形式的相同类型的电路，轨道22a、22b、22c分别包括AC/DC转换器24a、24b、24c。每个AC/DC转换器24a、24b、24c是单级拓扑结构。类似于结合图2所讨论的那样，因此，不同于具有包括用于每个轨道的PFC、DC链路电容器和DC/DC转换器的双级架构的普通OBC，OBC 120可以包括单级架构，该单级架构针对每个轨道22a、22b、22c包括一个AC/DC转换器。
PB转换器126可以由AC/DC转换器24a、24b、24c共享。特别地，如图7所示，AC/DC转换器24a、24b、24c可以单独级联连接到PB转换器126。AC/DC转换器24a、24b、24c可以在其相应的输入端连接到相对应的干线电源16a、16b、16c，并在其相应的输出端连接到PB转换器126的输入端。
PB转换器126的输出端连接到牵引电池14。如上所述，AC/DC转换器24a、24b、24c与PB转换器126一起用于将来自干线电源16a、16b、16c的电力转换成用于对牵引电池14充电的DC电力。更特别地，控制器20根据OBC 120的控制策略来控制AC/DC转换器24a、24b、24c的操作和PB转换器126的操作，以将来自干线电源16a、16b、16c的电力转换成用于对牵引电池14充电的DC电力。
AC/DC转换器24a、24b、24c包括相同类型的电路并且功能相同。如上所述，每个AC/DC转换器24a、24b、24c包括忽略对经典PFC及其相关电感器的使用的转换器拓扑结构。AC/DC转换器24a可以与PB转换器126(其与牵引电池14并联)结合，最大化对能量储存电容器的使用。这方面可以显著降低轨道电容器的尺寸要求。
在操作中，AC/DC转换器24a将来自干线电源16a的输入AC直接转换成DC电压和正振荡电流(即，“电流纹波”)。如所理解的，来自干线电源16a的输入AC是正弦曲线。AC/DC转换器24a的输出是DC电压和电流纹波。PB转换器126对AC/DC转换器24a的DC电压和电流纹波输出进行后处理，以优选地消除或基本上消除(或最小化或至少减少)电流纹波，并将AC/DC转换器24a的输出变换成电池电平DC输出。应当认识到，AC/DC转换器24b、24c类似于如上面直接提到的AC/DC转换器24a进行操作，以最小化电流纹波并将AC/DC转换器24b、24c的输出变换成电池电平DC输出。OBC 120包括第一开关130a和第二开关130b。第一开关130a可操作地耦合到AC/DC转换器24b的输入端。控制器20选择性地控制干线电源16a、16b中的哪一个向AC/DC转换器24b提供AC能量。控制器20选择性地控制干线电源16b、16c中的哪一个向AC/DC转换器24c提供AC能量。第一开关130a和第二开关130b启用来自三相AC电压源(例如，两个开关130a、130b都断开)或来自单相AC源(两个开关130a、130b都接通)的电源电压。
一般而言，OBC 120的功率值可以由家用插座的供电(sourcing)能力来限定(例如，对于240Vac/16A插座为3.3kW，对于240Vac/32A插座为7.2kW，对于240Vac/48A插座为11kW，并且对于240Vac/96A三相插座为22kW)。为了减少与电流直接相关的耗散损耗或重量，原始设备制造商(OEM)可以将交通工具设计升级到例如800V高电压网络。在以相同的电流(相同的布线)直接(从外部DC电源)进行DC充电时，将电压能力加倍，而减少充电时间。在800V的情况下，PB转换器126以800V操作，并且可以包括可以承受例如1200V的部件。在这样的情况下，由于与400V OBC相比是更高的电压，PB转换器126可以处理30Arms的电流。
参考***100，示出了两个电压域(例如，AC电压域140和800V DC电压域142)，AC电压域140通常与高电压电池域142(或OBC 120的次级)电流(galvanically)隔离。包括AC/DC转换器24a、24b、24c和PB转换器126的电子部件以及各种通电部件(例如，母线、印刷电路板(PCB)、互连件)必须遵守电气间隙和爬电距离，以防止OBC底盘接地(例如，交通工具接地)的电气安全。
图8总体上描绘了根据一个实施例的PB转换器126的更详细的实现方式。在一个示例中，PB转换器126可以被实现为降压型PB转换器126。在这种情况下，PB转换器126可以逐步降低由AC/DC转换器24a、24b、24c中的一个或更多个提供给牵引电池14的DC电压。如图8所示的PB转换器126总体上类似于如图6所阐述的PB转换器26。
PB转换器126包括多个电源开关34a和34b、电感器Lr和能量储存电容器Cb。因此，PB转换器126具有基于脉动缓冲器拓扑结构的电流纹波处理。PB转换器126接收从AC/DC转换器24输出的电流纹波。控制器20控制电源开关34a、34b以消除电流纹波，并将AC/DC转换器24的输出变换成用于给牵引电池14进行充电的电池电平DC输出。降压型PB转换器126通常包括与电感器Lr串联从而形成第一支路180(或节点)的电容器Cb。支路180与形成第二支路182(或节点)的电源开关34b并联。第一开关34a与第一支路180和第二支路182串联。紧接着在下面所述的PB转换器226的布局或布置导致在400伏特的情况下电流从大约61A总体减小到大约31A(参见下面的表1以及第1列和第3列)。
电容器Cb并联连接在次级侧电源开关桥32(参见图6的元件32)和PB转换器126之间。电容器Cb以次级侧输入电压/电流(vos)/(ios)充电，以从其提供次级侧输出电压/电流。
PB转换器126从电容器Cb汲取与缓冲电压相关联的缓冲电流。控制器控制PB转换器126的一对电源开关34a、34b的操作，以使PB转换器126汲取与缓冲电压相关联的必要量的缓冲电流，并从其生成目标电池电压/电流。目标电池电压/电流从PB转换器126输出，以对牵引电池14充电。一般而言，PB转换器126被布置为在800V域142(例如，450V-850V)中操作，但是同时利用减少的电流量。例如，OBC 120可以在800V域中操作。
图9描绘了根据一个实施例的在PB转换器126处处理的电流和电压的曲线图150。波形152示出了随时间推移由PB转换器126处理的电流(例如，流过电容器Cb的电流ib)。波形154示出了随时间推移由PB转换器126处理的电压(例如，电容器Cb两端的电压vb)。如上所述，PB转换器126在450V－850V范围内操作。一般而言，电容器Cb中的电压可能由于PB转换器126的降压操作而低于电池电压。在一个操作模式中，电容器Cb的电压可以是可变的，并且可以被设置为略低于电池电压，以减少PB转换器126中的电流，并且因此提高效率。
图10描绘了在PB转换器126处(参见图8)的处理的电流和电压的另一个曲线图160。波形162示出了随时间推移由PB转换器126处理的电流(例如，穿过电容器Cb的电流ib)。波形164示出了随时间推移由PB转换器126处理的电压(例如，电容器Cb两端的电压vb)。PB转换器126在这种情况下可以在400V操作，而不是如上所述的800V变型。对于基于400V的PB转换器126，当与结合800V变型使用的PB转换器126的电流相比时，穿过电容器Cb的电流ib可以被加倍。因此，当功率增加到22kW时，PB转换器126可能必须承受高达60Arms的电流。对用于400V变型的PB转换器126上的如此大电流的处理可能直接影响PB转换器126上的开关34a、34b的数量和电感器Lr的整体尺寸。如图10所示，典型的电池电压可能在250V－450V的范围内，从而迫使电容器Cb两端的峰值电压在最坏的情况(对于250V的电池电平)下达到225V的电压。
图11总体上描绘了根据一个实施例的PB转换器226的更详细的实现方式。在一个示例中，PB转换器226可以被实现为升压型PB转换器226。PB转换器226包括多个电源开关34a和34b、电感器Lr以及能量储存电容器Cb。升压型PB转换器226通常包括与电源开关34a和电源开关34b串联的电感器Lr。开关34a和电容器Cb彼此串联，并形成第一支路184(或第一节点)。支路184与电源开关34b并联。如紧接上面所述的PB转换器226的布局或布置导致在400伏的情况下电流总体上减少到大约15A(参见下面的表1和第2列)。
电容器Cb处的电压可以在较高的电压操作，且然后以相同的能量流在较低的电流下操作(直接参见上文)。这样的较低的电流使损耗最小化，从而提高效率。例如，存储在电感Lr中的能量用于将来自电池14的电压提升到电容器Cb中的更高电压。因此，由于PB转换器226的升压操作，电容器Cb的电压可能高于电池14的电压。这种高电压操作可以确保通过PB转换器226的低电流，并因此确保高效率的操作。PB转换器226可以用于降低400V OBC变型的电流水平。一般而言，处于升压模式的PB转换器226在电容器Cb处以及对于功率设备而言需要高电压。一般而言，PB转换器226可能更适合400-V电池，而不是800-V电池。
图12描绘了根据一个实施例的在图11的PB转换器226处处理的电流和电压的曲线图170。波形172示出了随时间推移由PB转换器226处理的电流(例如，穿过电容器Cb的电流ib)。波形174示出了随时间推移由PB转换器226处理的电压(例如，电容器Cb两端的电压vb)。PB转换器226在400V下操作。一般而言，PB转换器226的电容器Cb两端的电压vb可以针对电容器Cb增加到850V(参见波形174)。在这种情况下，PB转换器226两端的最大电压可以通过设备技术设置，而电容器Cb两端的较低电压可以被设置为450V。因此，如波形172所描绘的，可以降低(例如，多达四倍)相同输出功率的电流水平ib。
参考如结合图8所示的PB转换器126和如结合图11所示的PB转换器226，应该认识到，类似的开关34a和34b以及电感器Lr可以用于两种配置以及用于400V变型和800V变型。例如，PB转换器126、226均可以用于以下OBC配置：11kW/400V、11kW/800W、22kW/400V和22kW/800V。具体而言，可以在PB转换器126和PB转换器226之间使用类似的硬件架构，不同之处在于电感器Lr和电容器Cb的部件值。
Figure BDA0003032003800000161
如上所示，PB转换器126和PB转换器226利用的电容器Cb的电容分别为210μF和190μF。因此，电容器Cb通常是相似的，并且当在OCB120上实现时能够实现相似的占用区域，从而使得相似的设备能够用于400V OBC 120和800V OBC 120。此外，400V OBC 120和800VOBC 120可以被封装在类似尺寸的壳体中，并且由此消除了400V OBC应用和800V OBC应用之间的复杂性。此外，如以上表1所示的与400-V OBC(22kW)结合使用的PB转换器226显示：与针对用于400-V OBC的PB转换器126的第一列所示的流经PB转换器126的电容器Cb的电流(例如为61A)相比，流经电容器Cb的电流(例如，为15A)减少。
图13描绘了根据一个实施例的包括PB转换器126(或226)的OBC120的示例。如上所述，PB转换器126可以是降压型转换器，或者PB转换器226可以是降压型转换器，并且各自都包括壳体201。PB转换器126(或226)包括被定位在壳体201中的电感器Lr(标记为参考标记202)和电容器Cb(标记为多个电容器204a–204c)。应当认识到，电感器202和电容器204a-204c的数量可以基于所需的电压OBC应用而变化。一般而言，除了针对400-V OBC和800-V的公共尺寸(例如，长度、宽度、厚度等)之外，PB转换器126、226还可以分别在降压型转换器和升压型转换器之间提供公共尺寸。例如，如图8至图12所示，OBC 120包括印刷电路板(PCB)206和多个电源开关34a和34b(或MH和ML)。
如图13所示，多个电源开关34a和34b被定位在PCB 206上，而电感器202和电容器204a-204c被定位在PCB 206之外。在这种情况下，OBC 120可以在升压型OBC 120和降压型OBC 120之间并且针对OBC 120的不同电压要求(400V或800V)利用公共的PCB尺寸(例如，长度，宽度，厚度等)。OBC 120还包括也被定位在PCB 206的板外的多个绕组(或线圈)210。如上所述，这也可以使OBC 120能够利用PCB 206的公共尺寸。
在一个示例中，电感器202可以经由端子、铜线、基于硬件的互连件耦合到PCB 206以及各种电源开关34a和34b。例如，电迹线和通孔可以被设置在PCB 206内，并且可以经由端子、铜线、基于硬件的互连件等耦合到电源开关34a和34b。电容器204a-204c也可以经由端子、铜线、基于硬件的互连件耦合到PCB 206以及各种电源开关34a和34b。此外，电迹线和通孔可以被设置在PCB 206内，并且可以经由端子、铜线、基于硬件的互连件等耦合到电源开关34a和34b。
虽然上面描述了示例性实施例，但并不旨在这些实施例描述本发明的所有可能形式。而是，在说明书中使用的词语是描述的词语而非限制的词语，并且应理解，可以做出各种变化而不偏离本发明的精神和范围。此外，实现的各种实施例的特征可以被组合以形成本发明的另外的实施例。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
脉动缓冲器(PB)转换器，其用于向一个或更多个交通工具电池提供能量输出，所述PB转换器包括：
壳体；
印刷电路板(PCB)，其被定位在所述壳体中并且包括被定位在所述印刷电路板上的至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关；
至少一个电感器，所述至少一个电感器被定位在所述壳体中并在所述PCB的板外，与所述至少一个第一电源开关和所述至少一个第二电源开关对接；和
至少一个电容器，所述至少一个电容器被定位在所述壳体中并在所述PCB的板外，与所述至少一个第一电源开关和所述至少一个第二电源开关对接，从而在充电操作期间调节到所述一个或更多个交通工具电池的所述能量输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述PB转换器是用于对所述一个或更多个交通工具电池充电至高达800V的降压型转换器。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述PB转换器包括与所述至少一个电容器串联以形成第一支路的所述至少一个电感器。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一支路与所述至少一个第二电源开关并联以形成第二支路。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述至少一个第一电源开关与所述第一支路和所述第二支路串联，以通过减少流经所述至少一个电容器的电流来调节800V输出。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述PB转换器是用于对所述一个或更多个交通工具电池充电至高达400V的升压型转换器。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述PB转换器包括与所述至少一个第一电源开关和所述至少一个第二电源开关串联的所述至少一个电感器。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述PB转换器包括彼此串联以形成第一支路的所述至少一个第一电源开关和所述至少一个电容器。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第一支路与所述至少一个第二电源开关并联，以在所述至少一个电容器处提升来自所述一个或更多个交通工具电池的电压。
10.一种装置，包括：
脉动缓冲器(PB)转换器，其包括：
壳体；
印刷电路板(PCB)，其被定位在所述壳体中并且包括被定位在所述印刷电路板上的至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关；
至少一个电感器，所述至少一个电感器被定位在所述壳体中并在所述PCB的板外，与所述至少一个第一电源开关和所述至少一个第二电源开关对接；和
至少一个电容器，所述至少一个电容器被定位在所述壳体中并在所述PCB的板外，与所述至少一个第一电源开关和所述至少一个第二电源开关对接，从而在充电操作期间调节到一个或更多个交通工具电池的能量输出。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述PB转换器是用于对所述一个或更多个交通工具电池充电至高达800V的降压型转换器。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述PB转换器包括与所述至少一个电容器串联以形成第一支路的所述至少一个电感器。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一支路与所述至少一个第二电源开关并联以形成第二支路。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述至少一个第一电源开关与所述第一支路和所述第二支路串联，以通过减少流经所述至少一个电容器的电流来调节800V输出。
15.根据权利要求10所述的装置，其中，所述PB转换器是用于对所述一个或更多个交通工具电池充电至高达400V的升压型转换器。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述PB转换器包括与所述至少一个第一电源开关和所述至少一个第二电源开关串联的所述至少一个电感器。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述PB转换器包括彼此串联以形成第一支路的所述至少一个第一电源开关和所述至少一个电容器。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述第一支路与所述至少一个第二电源开关并联，以在所述至少一个电容器处提升来自所述一个或更多个交通工具电池的电压。
19.一种装置，包括：
印刷电路板(PCB)，其被定位在壳体中并且包括被定位在所述印刷电路板上的至少一个第一电源开关和至少一个第二电源开关；
至少一个电感器，所述至少一个电感器被定位在壳体中并在所述PCB的板外，与所述至少一个第一电源开关和所述至少一个第二电源开关对接；和
至少一个电容器，所述至少一个电容器被定位在所述壳体中并在所述PCB的板外，与所述至少一个电感器、所述至少一个第一电源开关和所述至少一个第二电源开关对接，从而在充电操作期间提供能量输出以在一个或更多个交通工具电池上储存第一电压或第二电压。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第一电压是400V，以及所述第二电压是800V。
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