CN117439243A - 预充电电路以及包含其的直流电压转换器和燃料电池*** - Google Patents

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Abstract

提供了一种预充电电路，包括：电源管理器，具有：功率输入端、驱动端、补偿端、和接地的反馈端；开关，具有：受控端、输出开关信号的第一连接端、和第二连接端；滤波器，具有：输入端、和输出模拟电平信号的输出端；电压跟随器，具有：接收模拟电平信号的输入端、输出模拟电平信号的输出端、和与该输出端连接的另一输入端；反馈补偿器，具有：接收模拟电平信号的输入端、接收分压信号的另一输入端、和向所述电源管理器的补偿端输出补偿信号的输出端；以及变压器，在低压侧具有初级绕组和辅助绕组，在高压侧具有次级绕组，次级绕组与直流母线电容器耦接以对直流母线电容器进行预充电。

Description

预充电电路以及包含其的直流电压转换器和燃料电池***
技术领域
本发明涉及电力电子的技术领域，尤其涉及一种用于为直流母线电容器(DC-LinkCapacitor)预充电的预充电电路，还涉及一种包含该预充电电路的直流电压转换器和燃料电池***。
背景技术
当今，低碳用电和智能用电是发展趋势，这对电力电子变换器实现多种电压等级提出了要求。例如，在电动汽车行业中，需要多样性和易扩展的多个电力电子变换器的组合式功率变换器来满足多种直流用电要求。在该组合式功率变换器中，为直流母线电容器预充电的问题成为了新的瓶颈。
对此，一种现有的解决方案是在直流母线上设置串联的电阻和机械开关，以对直流母线电容器进行预充电。但是，电阻需要占据空间，机械开关存在寿命问题。另外，该现有方案还需要将电阻和机械开关收纳在壳体中，并设计隔离和线束布置，存在成本高和结构复杂的问题。
发明内容
在此背景下，根据本发明的一个方面，提供了一种一种用于为直流母线电容器预充电的预充电电路，其包括：电源管理器，具有：与低压电源连接以接收输入功率的功率输入端、输出驱动信号的驱动端、接收补偿信号的补偿端、和接地的反馈端；开关，具有：接收所述驱动信号的受控端、输出开关信号的第一连接端、和经由分流电阻接地的第二连接端；滤波器，具有：接收PWM信号的输入端、和输出模拟电平信号的输出端；电压跟随器，具有：接收所述模拟电平信号的输入端、输出所述模拟电平信号的输出端、和与该输出端连接的另一输入端；反馈补偿器，具有：接收所述模拟电平信号的输入端、接收分压信号的另一输入端、和向所述电源管理器的补偿端输出所述补偿信号的输出端；以及变压器，在低压侧具有初级绕组和辅助绕组，在高压侧具有次级绕组，初级绕组耦接在所述低压电源与所述开关的第一连接端之间，辅助绕组耦接在所述补偿器的另一输入端与地之间，次级绕组与所述直流母线电容器耦接以对所述直流母线电容器进行预充电。
根据发明的另一个方面，提供了一种直流电压转换器，其包括：功率***，包括直流母线电容器；以及控制***，与所述功率***耦接，包括如上所述的预充电电路，用于控制预充电电路对直流母线电容器进行预充电。
根据本发明的再一个方面，提供了一种一种燃料电池***，其包括：燃料电池堆；高压电池；如上所述直流电压转换器，耦接在所述燃料电池堆与所述高压电池之间，包括直流母线电容器；以及接触器，耦接在所述燃料电池堆与所述直流电压转换器之间或者耦接在所述直流电压转换器与所述高压电池之间，所述接触器构造成在所述直流电压转换器接入所述燃料电池***之初断开，并在完成对所述直流母线电容器的预充电之后闭合。
以上给出了本发明主要方面的概要，以便对这些方面的基本理解。该概要不旨在描述本发明全部方面的关键或重要元素，也不旨在限定本发明任一或全部方面的范围。该概要的目的是以简化的形式给出这些方面的实现，作为后文将给出的详细描述的序言。
附图说明
图1A-图1C是根据本发明一实施方式的燃料电池***的一些例子的示意性框图。
图2A-图2C是根据本发明另一实施方式的燃料电池***的一些例子示意性框图。
图3是根据本发明一实施方式的直流电压转换器的示意性框图。
图4是根据本发明一实施方式的预充电电路的示意图。
具体实施方式
下面，参照附图介绍本发明的具体实施方式。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种燃料电池***，其包括：燃料电池堆、高压电池、直流电压转换器、和接触器。直流电压转换器耦接在燃料电池堆与高压电池之间，并包括在接触器闭合之前需要预充电的直流母线电容器。接触器耦接在直流电压转换器与高压电池之间。接触器在直流电压转换器接入该燃料电池***之初是断开的，并在直流母线电容器完成预充电(例如，被预充电至预定电压)之后闭合。这样设置是有利的，因为：如果在燃料电池堆与高压电池之间存在较大的电压差的情况下闭合接触器，那么在接触器闭合瞬间会产生较大的冲击，造成器件损坏或电池损坏。
图1A-图1C示出了该实施方式的一些例子。
图1A示出了根据该实施方式的一个实施例。参见图1A，燃料电池***包括直流电压转换器1(参见图1A中的DC-DC 1)、燃料电池堆2(参见图1A中的Sfuel-cell 2)、高压电池3(参见图1A中的Bhigh-voltage 3)、和接触器4(参见图1A中的CON 4)。直流电压转换器1包括直流母线电容器200。接触器4连接在燃料电池***的正高压线路中，并连接在直流电压转换器1与高压电池3之间。
图1B示出了根据该实施方式的另一个实施例。参见图1B，该实施例与图1A的实施例基本上相似，不同之处在于图1B中的接触器4’(参见图1B中的CON 4’)连接在燃料电池***的负高压线路中，并连接在直流电压转换器1与高压电池3之间
根据图1A和图1B的实施例，当断开接触器4或4’时，可以达成直流电压转换器1的放电条件，确保直流电压转换器1的正负高压线路间的电压降低到安全范围内。图1A和图1B的实施例尤其适用于一个高压主网络中包含若干个子部件的应用场景。
图1C示出了根据该实施方式的又一个实施例。参见图1C，该实施例与图1A或图1B的实施例基本上相似，不同之处在于图1C中的燃料电池***包括两个接触器，即，图1C中的接触器4和4’(参见图1C中的CON 4和CON 4’)，分别连接在燃料电池***的正高压线路和负高压线路中，并且两者接触器都连接在直流电压转换器1与高压电池3之间。
图1C的实施例尤其适用于有安全隔离要求的电动车的两个车载高压***之间。例如，电动车的两个车载高压***的主母线之间，如高压动力***的主母线与燃料电池***的主母线之间，或动力电池的主母线与高压动力***的主母线之间。在正高压线路和负高压线路中的接触器4和4’都断开时，两个车载高压***之间没有导体直接连接，确保了两个车载高压***之间的绝对高压隔离。另外，当两者接触器中的一个接触器4或4’发生粘连时，断开另一个接触器也能够达成直流电压转换器1的放电条件，确保了直流转换器1的高压安全。
根据本发明的另一个实施方式，提供了一种燃料电池***，其与上述实施方式的燃料电池***类似，不同之处在于，该实施方式中的接触器设置在燃料电池堆与直流电压转换器之间，而不是设置在直流电压转换器与高压电池之间。
图2A-图2C示出了该另一个实施方式的一些例子。
图2A示出了根据该另一个实施方式的一个实施例。参见图2A，燃料电池***包括直流电压转换器1(参见图2A中的DC-DC 1)、燃料电池堆2(参见图2A中的Sfuel-cell 2)、高压电池3(参见图2A中的Bhigh-voltage 3)、和接触器4(参见图2A中的CON 4)。直流电压转换器1包括直流母线电容器200。接触器4连接在燃料电池***的正高压线路中，并连接在燃料电池堆2与直流电压转换器1之间。
图2B示出了根据该实施方式的另一个实施例。参见图2B，该实施例与图2A的实施例基本上相似，不同之处在于图1B中的接触器4’(参见图2B中的CON 4’)连接在燃料电池***的负高压线路中，并连接在燃料电池堆2与直流电压转换器1之间。
与图1A和图1B的实施例类似地，当断开接触器4或4’时，可以达成直流电压转换器1的放电条件，确保直流电压转换器1的正负高压线路间的电压降低到安全范围内。图2A和图2B的实施例尤其适用于一个高压主网络中包含若干个子部件的应用场景。
图2C示出了根据该实施方式的又一个实施例。参见图2C，该实施例与图2A或图2B的实施例基本上相似，不同之处在于图2C中的燃料电池***包括两个接触器，即，图2C中的接触器4和4’(参见图2C中的CON 4和CON 4’)，分别连接在燃料电池***的正高压线路和负高压线路中，并且两者接触器都连接在燃料电池堆2与直流电压转换器1之间。
与图1C的实施例类似地，图2C的实施例尤其适用于有安全隔离要求的应用场景，例如，电动汽车。
图3示出了根据本发明的一个实施方式的直流电压转换器。例如，图1A-1C以及图2A-2C中的直流电压转换器1都可以实现为图3示出的那样。如图3所示，直流电压转换器1(参见图3中的DC-DC 1)包括功率***12(参见图3中的SYS_power 12)和控制***11(参见图3中的SYS_control 11)。功率***12承受高压并传递功率。功率***12包括直流母线电容器200(参见图3中的C_DC Link 200)。功率***12还可以包括IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金氧半场效晶体管)、电感、连接器，等等。控制***11起到控制和驱动的作用。控制***11包括预充电电路100(参见图3中的C_pre-charge 100)。控制***11还可以包括MCU、采样电路、和驱动电路，等等。
图4示出了根据本发明一实施方式的预充电电路100，其用于为直流母线电容器200预充电，例如，将直流母线电容器200充电至预定电压(即，期望的充电电压)。如图4所示，预充电电路100包括：电源管理器102、开关104、滤波器106、电压跟随器108、反馈补偿器110、分压电路112、变压器114、整流电路116、被动负载(passive load)118、和高频滤波电容器120。
电源管理器102具有：功率输入端VIN、驱动端DR、补偿端COMP、接地端GND、反馈端FB、和使能端FA/SD。功率输入端VIN与低压电源P_LV耦接，并接收输入功率。低压电源P_LV可以包括一个或多个蓄电池。低压电源P_LV例如在9-36V之间。低压电源P_LV为预充电电路100供电，同时也可以为控制***11供电。驱动端DR与电源管理器102外部的开关104的受控端(例如，MOSFET的GATE端)连接，并向该开关的受控端输出驱动信号。补偿端COMP接收补偿信号，用于提供控制环(control loop)的补偿。接地端GND接地。反馈端FB也接地，例如，反馈端FB通过与接地端GND相连而接地。使能端FA/SD用于接收使能信号S_Enable，以便激活或者去激活预充电电路100。该使能信号S_Enable可以由预充电电路100外部的控制器(未示出)提供。
开关104具有受控端、第一连接端和第二连接端。受控端与电源管理器102的驱动端DR连接，并接收驱动信号，以在该驱动信号的控制下控制开关104的通断。第一连接端与变压器114连接并输出开关信号。第二连接端经由分流电阻R1接地。
该分流电阻R1的设置及其阻值的设定具有重要意义，其用于辅助实现电源管理器102内部的电流环。该电流环决定了在多大电流时将开关104断开。将该分流电阻R1上的电压作为采样电压，电源管理器102通过该采样电压可以判断当前电流是否已经达到了电流环的给定上限。如果达到了，电源管理器102就控制开关104断开。如果该电流环失效，变压器114的输入电流就得不到限制，可能会因为功率耦合而损坏。
该分流电阻R1的阻值与变压器114的输入功率和流经开关104的最大尖峰电流相关联。该最大尖峰电流是指从开关104流向变压器114的支路上的最大尖峰电流。当开关104闭合时，会经过开关104向变压器114充电，从开关104流向变压器114的电流在开关104闭合时上冲，并在开关104断开时下降。
滤波器106具有：接收PWM信号(S_PWM)的输入端、和输出模拟电平信号的输出端。滤波器106例如实现为包括电阻和电容。滤波器106将接收到的PWM信号(例如，脉冲信号)转换为模拟电平信号。这样，滤波器106可以将不同占空比的PWM信号转换不同幅值的模拟电平信号，其中，PWM信号的占空比越大，对应的模拟电平信号的幅值越大。例如，20％占空比的PWM信号被转换为1V的模拟电平信号；50％占空比的PWM信号被转换为2.5V的模拟电平信号；80％占空比的PWM信号被转换为4V的模拟电平信号。该PWM信号可以由预充电电路100外部的控制器(未示出)提供。
电压跟随器108具有：与滤波器106的输出端连接的输入端，以接收模拟电平信号；输出接收到模拟电平信号的输出端；和与该输出端连接的另一输入端。电压跟随器108用于将经滤波后得到的模拟电平信号以电压跟随的形式输出。
反馈补偿器110具有：与电压跟随器108的输出端连接的输入端，以接收模拟电平信号；与分压电路112连接的另一输入端以接收分压信号；和与电源管理器102的补偿端COMP连接的输出端，以向电源管理器120的补偿端COMP输出补偿信号。
分压电路112耦接在反馈补偿器110与变压器114之间。分压电路112包括两个分压电阻单元，各分压电阻单元可以分别包括一个或多个电阻。该两个分压电阻单元的连接点与反馈补偿器110的另一输入端连接，以向反馈补偿器110提供分压信号。该分压比可以是预先确定出的，从而确定该两个分压电阻单元的等效电阻值。
变压器114包括：初级绕组W1、辅助绕组W2、和次级绕组W3。初级绕组W1和辅助绕组W2位于低压侧(LV SIDE)。次级绕组W3位于高压侧(HV SIDE)。初级绕组W1的一端与低压电源P_LV连接，另一端与开关104的用于输出开关信号的第一连接端连接。辅助绕组W2与分压电路112并联连接。次级绕组W3与直流母线电容器200并联连接，以对直流母线电容器200进行预充电。
整流电路116串联于变压器114的次级绕组W3与直流母线电容器200连接的支路上。整流电路116包括依次串联的两个或更多个子单元。每个子单元的耐压能力相等，并且每个子单元都包括整流二极管和与其并联的RC吸收电路。
整流电路116包括子单元的数量可以根据需要承受的高压来确定，例如，在高压侧需要800V的耐压时可以采用两个子单元，而需要1600V的耐压时可以采用四个子单元。无论采用的子单元的数量是多少，它们各自的耐压能力都是均等的。例如，每个子单元的器件型号和参数都是一样的。这样设计是有利的，因为不均等的耐压，可能出现一个子单元损坏之后，其它子单元也损坏的问题。
被动负载118连接在变压器114的高压侧，并与直流母线电容器200并联连接。该被动负载118的阻值与预充电电路100提供给直流母线电容器200的最低充电电压相关联。在预充电电路100对直流母线电容器200进行预充电的过程中，为直流母线电容器200提供的充电电压可以是变化的，例如，从小逐渐变大，直到达到期望的预充电电压。
预充电电路100提供给直流母线电容器200的最低充电电压与变压器114的初级绕组W1的输入电压和电源管理器102的最小占空比相关联。
在一个实施例中，被动负载118的阻值与预充电电路100的多个器件的器件参数相关联。例如，被动负载118的阻值通过以下公式确定：
其中，Rload为被动负载118的阻值；
Lm是变压器114的初级绕组W1的电感值；
Vin是低压电源P_LV的电压；
η是预充电电路100的效率；
Ton是由电源管理器102的最小使能导通时间Tmin(on)决定的开关104的最小导通时间；
f是开关104的开关频率；
Vo是预充电电路100提供给直流母线电容器200的最低充电电压。
在该实施例中，开关频率f可以和与电源管理器102的使能端FA/SD相连的接地电阻R2的阻值相关联。
在该实施例中，预充电电路100的效率η是这样得出的：η＝(输入功率-损耗功率)/输入功率。输入功率是通过低压电源接收的功率。损耗功率由预充电电路100的多种损耗引起，例如，开关管损耗、传输线损耗、变压器铜损、铁损和漏感损耗。
可以理解的是，预充电电路100的效率η是为了确定被动负载118的电阻值而预先估计的值，该效率η可以随着预充电电路100的使用而获得更新的实际值。通过该更新的实际值可以进一步优化被动负载118的电阻值。
设置被动负载并确定出该被动负载的阻值是有意义的，因为电源管理器102具有最小使能导通时间Tmin(on)，即，电源管理器102响应于使能信号S_Enable的最小开通时间，这导致开关104的最小占空间比无法实现为0，会是一个大于0的值。这样，在预充电电路100的输出端就会不可避免地存在最小输出电压。每一次开关操作都会传送能量给直流母线电容器200。在该情况下，如果不设置被动负载，可能出现这样的问题：期望的最低预充电电压为充电电压为450V(即，期望提供给直流母线电容器200的最低充电电压为450V)，但是电源管理器102的最小使能导通时间所对应的充电电压已经达到600V，从而无法实现期望的最低预充电电压450V。设置被动负载并确定出该被动负载的合适阻值可以解决这样的问题。
高频率波电容器120设置在变压器114的高压侧，并与直流母线电容器200并联。高频率波电容器120可以包括一个或多个串联连接的电容器，例如，选用高频特性好的陶瓷电容。
应当注意，在本发明的实施例中，预充电电路100实现为反激电路，用于将低压转换为高压，其中变压器114不仅具备电隔离和电压匹配的功能，还具备储存能量的功能，通过快速斩波和脉冲形式的开关电流进行励磁和充电，而且，在副边(即，高压侧)通过整流电路将能量释放出去。
应当注意，在本发明的实施例中，电源管理器102可以采用电源管理IC来实现，例如，LM3478型号的电源管理IC。但是，在本发明中，电源管理IC的引脚的连接方式与现有的连接方式不同。该不同之处主要体现在电源管理器102的反馈端FB接地，而不是如常用连接方式那样与一反馈电路相连，用于维持稳定输出。根据电源管理IC的常用连接方式，只能实现固定输出的反激电路，但根据本发明的实施例，将反馈端FB接地，使得电源管理器内部的调节器饱和，同时设计了外部调节器(即，COMP引脚连接了由运放搭建的外部调节器)。而且，通过接收不同占空比的PWM信号(S_PWM)，经滤波后就得到不同幅值的模拟电平信号。
虽然前面描述了一些实施方式，这些实施方式仅以示例的方式给出，而不意于限制本发明的范围。所附的权利要求及其等同替换意在涵盖本申请范围和主旨内做出的所有修改、替代和改变。

Claims (10)

1.一种用于为直流母线电容器预充电的预充电电路，包括：
电源管理器，具有：与低压电源连接以接收输入功率的功率输入端、输出驱动信号的驱动端、接收补偿信号的补偿端、和接地的反馈端；
开关，具有：接收所述驱动信号的受控端、输出开关信号的第一连接端、和经由分流电阻接地的第二连接端；
滤波器，具有：接收PWM信号的输入端、和输出模拟电平信号的输出端；
电压跟随器，具有：接收所述模拟电平信号的输入端、输出所述模拟电平信号的输出端、和与该输出端连接的另一输入端；
反馈补偿器，具有：接收所述模拟电平信号的输入端、接收分压信号的另一输入端、和向所述电源管理器的补偿端输出所述补偿信号的输出端；以及
变压器，在低压侧具有初级绕组和辅助绕组，在高压侧具有次级绕组，初级绕组耦接在所述低压电源与所述开关的第一连接端之间，辅助绕组耦接在所述补偿器的另一输入端与地之间，次级绕组与所述直流母线电容器耦接以对所述直流母线电容器进行预充电。
2.如权利要求1所述的预充电电路，其中，所述预充电电路还包括：被动负载，在所述变压器的高压侧与所述直流母线电容器并联连接，并且
其中，所述被动负载的阻值与所述预充电电路提供给所述直流母线电容器的最低充电电压相关联，并且所述最小充电电压与所述初级绕组的输入电压和所述电源管理器的最小占空比相关联。
3.如权利要求2所述的预充电电路，其中，所述被动负载的阻值通过如下公式确定：
其中，Lm是变压器的初级绕组的电感值；
Vin是低压电源的电压；
η是所述预充充电电路的效率；
Ton是所述开关的最小导通时间，其与所述电源管理器的最小使能导通时间相关联；
f是所述开关的开关频率；
Vo是所述预充电电路向所述直流母线电容器提供的最低充电电压。
4.如权利要求2或3所述的预充电电路，其中，所述预充充电电路的效率η随着所述预充电电路的使用而变化，并且所述被动负载的电阻值基于所述效率η的变化而变化。
5.如权利要求1-4中任一项所述的预充电电路，其中，所述预充电电路还包括：
整流电路，串联连接于所述次级绕组的一个输出支路，所述整流电路包括依次串联的两个或更多个子单元，
其中，每个子单元的耐压能力相等，并且，每个子单元都包括整流二极管和与其并联的RC吸收电路。
6.如权利要求1-5中任一项所述的预充电电路，其中，所述预充电电路还包括：
分压电路，耦接在所述反馈补偿器和所述辅助绕组之间，具有两个分压电阻单元，该两个分压电阻单元的连接点与所述补偿器的另一输入端连接，以向补偿器提供所述分压信号。
7.如权利要求1-6中任一项所述的预充电电路，其中，所述预充电电路还包括：
高频率波电容器，在所述变压器的高压侧与所述直流母线电容器并联连接，具有两个或更多个串联连接的电容器。
8.如权利要求1-7中任一项所述的预充电电路，其中，所述分流电阻的电阻值与所述输入功率和流经所述开关的最大尖峰电流相关联。
9.一种直流电压转换器，包括：
功率***，包括直流母线电容器；以及
控制***，与所述功率***耦接，包括如权利要求1-7中任一项所述的预充电电路，用于控制预充电电路对直流母线电容器进行预充电。
10.一种燃料电池***，包括：
燃料电池堆；
高压电池；
如权利要求9所述直流电压转换器，耦接在所述燃料电池堆与所述高压电池之间，包括直流母线电容器；以及
接触器，耦接在所述燃料电池堆与所述直流电压转换器之间或者耦接在所述直流电压转换器与所述高压电池之间，所述接触器构造成在所述直流电压转换器接入所述燃料电池***之初断开，并在完成对所述直流母线电容器的预充电之后闭合。
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