专利名称：交通工具逆变器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种便于将交通工具提供的直流电能逆变成交流电能的 交通工具逆变器。
背景技术：
非电动交通工具，比如但不限于仅由内燃机驱动的那些交通工具，典 型地包括直流蓄电池，以支持对直流电能供给的储存。然而，交通工具的 运行状态可能会引起蓄电池供给的能量发生变化。在将直流电能逆变到交 流电能以便为灵敏的电气用具(sensitive appliance )供电期间，当逆变器 依据输出的变化(output variation)而连续地改变其操作时，由于无论所 做的调节有多快仍可能有一些滞后，因此，即使直流电能中相对较小的变 化也会引起不稳定的输出。在一些情景中，在已经做了调节的时候，输入 可能已经发生了变化，使得最近校正的变化不再足够。因此，在输入的直 流电能倾向于变化，即使该变化是轻微的时，依靠输出反馈来控制转换操 作的逆变器特别难以控制，并且可能会不稳定。
混合动力电动交通工具(HEV )以及支持再生制动(regenerative braking )、自动发动机停止/启动操作以及类似操作的其它电动交通工具 (EV),倾向于将更多的电压变化引进交通工具电气系统。图l示出了通常与HEV和EV技术相关的电气变化及其蓄电池电压结果的图表IO。该 图表一般地示出了影响交通工具蓄电池提供恒定的12.8V电压的性能的 电气变化。 一个变化可能在加速过程中由蓄电池放电产生，另一个变化可 能在减速(再生)过程中由蓄电池充电产生，另 一个变化可能在交通工具 停止后由发动机自动关闭产生，另一个变化可能在交通工具停止阶段的过 程中由蓄电池放电产生，另 一个变化可能在发动机静止的过程中由热发动 机重新启动或发动机启动/停止产生，而另一个变化可能由受控的蓄电池 充电产生。
在非电动的和电动的交通工具中，电压变化对于用于将直流电能逆变 到交流电能的逆变过程可能是有问题的和破坏性的。
本发明在所附加的权利要求中指明。然而，通过结合附图参照下面的 详细说明，本发明的其它特征将变得更加明显，并且本发明将^f皮最佳地理 解，其中
图1示出了通常与HEV和EV技术相关联的电气变化及其有关蓄电 池电压的结果的图表；
图2示出了依据本发明的一个非限制性方面的交通工具系统；
图3示出了依据本发明的一个非限制性方面的逆变器；
图4a-4b示出了依据本发明的一个非限制性方面的逆变器的转换组件。
具体实施例方式
图2示出了依据本发明的一个非限制性方面的交通工具系统20。交 通工具系统20是关于汽车以示范性的目的展示的。本发明不是必须被限 制到汽车，并且可以应用到依靠不同类型的动力的其它类型的交通工具或 装置。该系统示意性地展示了可以被用在任何类型的电动或非电动交通工具内的电力分配布置(power distribution arrangement),其中交通工具电 力(vehicle power)由交通工具电源22 ^是供到一个或更多个交通工具系 统24，并且其中交通工具电力通过逆变器26逆变到适合于给一个或更多 个非交通工具系统28供电的应用电力(application power )。
为了说明起见，本发明考虑了交通工具电力和电气用具电力 (appliance power)之间的区分，而这不意味着限制本发明的范围和意图。 交通工具电力的意图是包含一般地用于给交通工具相关系统(vehicle related system )，比如但不限于依靠特定电压下的直流电流(DC )的空调、 娱乐设备、转向装置、刹车装置及类似系统供电的电力。电气用具电力的 意图是包^"一顧:地用于给与非交通工具相关系统(non-vehkle related system),比如但不限于那些通常从墙上插座接收电力的系统，类似电视 机、冷却器以及其它依靠交流电流(AC)的系统供电的电力。
非交通工具相关系统可以是便携式的或在交通工具的外面具有用途 的其它类型的装置，比如，不是永久地附加到交通工具电气系统的类型的 装置。然而，本发明考虑了这样一种布置，其中，非交通工具相关系统， 至少如这里描述的那样，可以实际上为基于交通工具的系统，这些基于交 通工具的系统被永久地附加到交通工具，并且依靠交流电力而非一般地由 交通工具相关系统所使用的直流电力。
用于给交通工具以及非交通工具系统24、 28供电的交通工具电源22 可以是在交通工具中通常使用的类型的直流蓄电池，比如12V或42V直 流碱性蓄电池。蓄电池22可以使用交流发电机(未示出)或其它装置充 电。在混合动力或电动交通工具中，蓄电池22可以使用再生制动或其它 装置充电。可选择地，交通工具电力可以被储存和/或直接地提供到交通 工具系统以及非交通工具系统，而无需由蓄电池或电容器储存。
不考虑提供交通工具电力的电源22,本发明的一个非限制的方面考 虑了使用逆变器26，以将交通工具电力调整到(adapt)合适于用于非交 通工具系统28的形式。这一般地包括将交通工具电力22逆变到非交通工 具电力，即变成上面提到的电气用具电力。这可以包括加大或减小交通工 具电力的电压、相位、频率等。为了示范性的目的，本发明主要关于在直流电力上操作的交通工具系统24以及在交流电力上操作的非交通工具系 统26描述，这要求逆变器26将交通工具直流电力转换成一些形式的电气 用具交流电力。
逆变器26可以被包括在安装在交通工具内的任何位置上的外壳(未 示出)内。例如，逆变器26可以包括位于仪表板的外露的正面上或交通 工具的另一个外露的区域内的插座(未示出)，以便可移除的装置可以被 容易地连接到它。可以包括盖子以便覆盖插座插口，并在盖子关闭时提供 相对统一的仪表板外观。电线(未示出)可以被用于将交通工具电力22 传输到逆变器26，以及从逆变器26传输电气用具电力，比如传输到其他 插座插口和/或交通工具系统。可以包括地线，以提供泄漏电流的反馈， 比如以便于安全以及其它测量。
图3示意性地展示了依据本发明的 一个非限制性的方面的逆变器26。 该逆变器26可以包括设置成支持开环控制的主控制器30和副控制器32，
须的。如所展示的那样，交通工具电力以14V直流电经过(over)第一线 路34提供到直流/直流转换器36。主控制器30测量输入电压34,并设置 占空因数(dutycycle)或脉冲宽度调制(PWM)以升高所输入的电压。 这些控制信号可以从控制器传递到场效应晶体管(FET)和/或转换器36 的其它转换元件，取决于直流/直流转换器36的构造，其中为了示范性的 目的，转换器36被展示为推挽式转换器(push-pull converter )。
本发明考虑了仅控制策略的开环，其中直流/直流转换器36的输出不 被主控制器30测量。控制器30可以被设置成设定必要的控制信号，以依 据输入电压34达到想要的输出。就其本身而言，该控制信号可以依据输 入电压而变化，但是它们不依据输出电压而变化。可以使用闭环系统，在 这样的闭环系统中，输出电压被用于设定控制系统，但是据信，所描述的 系统更加具有成本效益。闭环系统将需要专用于处理反馈和调整控制信号 的硬件。在电力一侧，闭环系统将需要更加笨重和昂贵的組件，比如输出 推挽式滤波线圈，以及用作主差分滤波器的两倍数量的电解电容器。此外， 闭环系统可以依据负栽和可能影响输出电压的其它变化而变得不稳定，其
9200910168085. 3
中闭环系统会试图用恒定的变化与输出电压对抗一一 引起上文描述的潜 在的不稳定。
和依赖于反馈控制不同的是，本发明的一个非限制性的方面考虑了改
为依赖于将由副控制器32提供的第二的、随后的阶段的开环控制。副控 制器32可以被设置成测量线路40上从直流/直流转换器输出的电压，并 为随后的直流/交流逆变器42设定控制信号，其中随后的直流/交流逆变 器42用于将阶梯状的直流电压(stepped-up DC voltage )操作转换到适合 于支持非交通工具系统的交流电压，即，它将阶梯状的电压操作转换成想 要的电气用具电压。该交4普式转4灸器(staggered converter) 36和逆变器 40是在单一的直流/交流直接处理上的一种改进，因为此系统需要50Hz 的变压器，而这种50Hz的变压器对于将它们整合成一个自动电力系统的 考虑而言太大、太贵并且太沉。
副控制器32可以以类似于主控制器30的方式提供开环控制，因为它 控制直流/交流转换器40而不测量或评估输出的交流电压一一它的控制 仅仅是基于从直流/直流转换器36输出的输入的阶梯状的电压40。主侧 和副侧开环控制的这种布置除去了对专用的硬件处理和支持的需要。
除了已解释的开环控制之外，逆变器26可以包括一些反馈或感测以 支持非控制相关才喿作(non-control relates operation)。例如，温度传感器 46可以被放置成与直流/直流转换器36紧密相邻，以检测运行温度。如 果温度超过了预定的阈值或者降低到预定的阈值以下，则控制器30可以 关闭连续操作，并且警告另一个控制器32，比如通过将错误信号传递到 非故障检测控制器。为了检测错误状态，主侧和副側上还可以进行电流和 电压监测48、 50、 52、 54,比如通过监测推挽式电流和泄漏电流。辅助 电压监测55可以被单独地执行，以监测输出到直流荷载的辅助电压，该 直流荷载需要稳定的，并在一些情形中需要来自电压调节器57的升高的 直流电压。
本发明的 一个非限制性的方面考虑了使主侧和副侧电气地绝缘，并使 用光耦合器(叩to-coupler ) 56或其它非接触电气连接，以支持基于主-副侧的通讯。示出了绝缘云58,以突出可选择的主侧和副侧绝缘。该绝缘可以被用于使蓄电池电压与危险的副侧电压(〉50V直流电压)完全地 绝缘，以使由蓄电池供电的系统不会受到高电压的影响。还可以进行绝缘
监测60,以才全测主阶,殳(primary stage)和副阶,爻(secondary stage)的 电气绝缘中的故障。
任何检测到的错误可以通过安装在插座插口附近的发光二级管 (LED) 64传递给交通工具乘客。作为探测到的错误的功能，主控制器 30可以传递信号，以便选择性地使发光二级管64发光。抑制器(INHIB) 66可以是交通工具LIN总线上发送的一个开/关信号，以使逆变器26被 接通或切断。可选择地，主控制器30和/或副控制器32可以被设置成支 持基于CAN或LIN的通讯。此种类型的诊断通讯可以有助于将逆变器操 作与其它交通工具操作整合。
图4a-4b详细描绘了依据本发明的一个非限制性的方面的用于支持 转换操作的转换组件，其中转换操作对于支持升高和逆变来自蓄电池的直 流电能是必要的。图4a展示了主阶段，该主阶段具有包括转换元件q7、 q8、 q9、 q10、 q13和q14的场效应晶体管和主驱动器部分70,其中转换 元件q7、 q8、 q9、 q10、 q13和q14以及其它无源组件(一^:地列出为电 容器C、电阻器R以及二极管D) —起运行，以便于依据从主控制器30 接收的信号来升高来自交通工具蓄电池总线的直流输入Vbat_f。电流监 测部分72可以与变压器71的主侧上的电流监测48通信。整流部分74 管理变压器71的副侧的输出DCP，其中该输出DCP以大约400V直流电 被输出到副阶段。可以包括辅助电力部分76，以输出大约15V直流电的 实质上恒定的低电压直流信号，例如，以便于给灵敏的低电压负栽供电。 电压监测部分78可以和电压监测50通信，以便监测变压器71的副侧上 的电压。
图4b示出了副阶段，该副阶段具有包括转换元件q27 、 q28 、 q32和 q323的直流/交流控制和驱动器部分80、 81,其中转换元件q27、 q28、 q32和q323和其它无源元件(一般地列出为电容器C、电阻器R以及二 极管D )—起操作，以便于依据从副控制器32接收的信号将直流输出DCP 进行逆变。电流和电压监测部分82、 84可以分别地与电流和电压监测52、54通信，以便监测交流电流输出。滤波器部分86对交流输出滤波。
如所展示的，主阶段和副阶段的输出都被监测，以对电流、电压和/ 或温度的上下进行评估。这些测量结果的组合还可以;故用于计算功率状态 的上下，比如通过将第二阶段电流乘以第二阶段电压来计算。然而，这些 输出测量结杲不^皮控制器30、 32用来调节或控制转换操作。
如上文解释的，由于交通工具正变得逐渐地适应于乘客在交通工具内 使用电子便利装置，因此本发明可以是有利的。为了使交通工具系统适应 使用交流电力的个人便利装置，交通工具系统必须将直流电压转换成交流 电压。逆变器可以一皮设置成使得标准正弦波(THD<8%)或修正正弦波 (MSW)被输出到负载。更确切地，这些值可以被用于关闭主阶段、副 阶段和/或辅助阶段的操作(虽然在图4b中没有示出，但是副控制器可以 #皮-没置成监测辅助部分76，以防电压/电流状态过高或过^f氐)。
本发明的一个非限制性的方面可以涉及一种由交通工具内的直流供 电提供可选择的民用交流电力(domestic AC power)的装置。提出的该解 决方案可以被整合到由12V直流蓄电池或具有可用的12V直流网络供应 的任何平台。还考虑了防水和防尘的要求。至于监测，其测量输入和输出 电压、电流以及功率、温度、绝缘以及输出泄漏。
4要照要求，本文公开了本发明的详细的实施方式；然而，应理解，公 开的实施方式仅仅是本发明的示范，其可以被以各种以及可选择的形式实 施。附图并非必须按比例绘制， 一些特征可能被夸大或缩小以展示特定组 件的细节。因此，本文公开的特定的结构细节和功能细节不应祐L作限制性
本领域技术人员以各种形式实现本发明的代表性的基础。各种实现的实施
虽然已展示和描述了本发明的一些实施方式,但是不应理解为这些实 施方式展示和描述了本发明的所有可能的形式。相反，说明书中所使用的 词汇为描述性词汇而非限制性词汇，并且应理解，在不背离本发明的精神 和范围下可以做出各种改变。
权利要求
1.一种逆变器，其用在具有直流电能供给的交通工具中，所述逆变器包括外壳；主阶段，其在所述外壳内，并被设置成将所述直流电能供给的第一直流输出升高为第二直流输出，其中，所述主阶段控制多个转换装置的转换操作，该多个转换装置用于帮助依据第一直流输出的测量结果并独立于第二直流输出的反馈测量结果来将第一直流输出升高到第二直流输出；以及副阶段，其在所述外壳内，并被设置成将第二直流输出逆变成交流输出，其中，所述副阶段控制多个转换装置的转换操作，该多个转换装置用于帮助依据第二直流输出的测量结果并独立于交流输出的测量结果来将第二直流输出逆变成交流输出。
2. 如权利要求1所述的逆变器，其中，所述主阶段包括主控制器， 所述主控制器在所述外壳内，并被设置成基于第一直流输出的测量结果来 控制所述主阶段的转换操作。
3. 如权利要求2所述的逆变器，其中，所述副阶段包括副控制器， 所述副控制器在所述外壳内，并净皮设置成基于第二直流输出的测量结果来 控制所述副阶段的转换操作。
4. 如权利要求3所述的逆变器，其中，所述副控制器不能将第二直 流输出的测量结果传递给所述主控制器。
5. 如权利要求3所述的逆变器，其中，所述副控制器与所述主控制 器电气地绝缘。
6. 如权利要求3所述的逆变器，其中，所述主阶段包括电压监测电 路，所述电压监测电路设置成将第二直流输出的电压测量结果输出到所述 主控制器，并且所述主控制器被-没置成，在第二直流电压输出的电压测量 结果大于上阈值时以及在第二直流电压输出的电压测量结果小于下阈值时，关闭所述主阶段。
7. 如权利要求6所迷的逆变器，其中，所述副阶段包括电压监测电 路，所述电压监测电路设置成将交流输出的电压测量结果输出到所述主控 制器，并且所述副控制器4皮设置成，在交流输出的电压测量结果大于上阚 值时以及在交流输出的电压测量结果小于下阈值时，关闭所述副阶段。
8. 如权利要求7所述的逆变器，其中，所述主阶段包括电流监测电 路，所述电流监测电路设置成将第二直流输出的电流测量结果输出到所述 主控制器，并且 所述主控制器被设置成，在第二直流电压输出的电流测量 结果大于上阈值时以及在第二直流电压输出的电流测量结果小于下阈值 时，关闭所述主阶段。
9. 如权利要求8所述的逆变器，其中，所述副阶段包括电流监测电 路，所述电流监测电路设置成将交流输出的电流测量结果输出到所述主控 制器，并且所述副控制器被设置成，在交流输出的电流测量结果大于上阈 值时以及在交流输出的电流测量结果小于下阈值时，关闭所述副阶段。
10. 如权利要求9所述的逆变器，其中，所述主阶段包括温度监测电 路，所述温度监测电路设置成将主阶段转换装置的温度测量结果输出到所 述主控制器，并且所述主控制器纟皮设置成，在温度测量结果大于上阈值时 以及在温度测量结果小于下阈值时，关闭所述主阶段。
11. 如权利要求IO所述的逆变器，其中，所述副控制器包括算法， 所述算法基于交流输出的电流测量结果和电压测量结果来生成交流输出 的功率估计值，并且所述副控制器被设置成，在功率估计值大于上阈值时 以及在功率估计值小于下阈值时，关闭所述副阶段。
12. 如权利要求11所述的逆变器，其中，所述主控制器和所述副控 制器中的每一个响应于所述主阶段和所述副阶段中的至少一个的关闭而将错误信号输出到交通工具数据总线。
13. 如权利要求12所述的逆变器，其进一步包括光耦合器，所述光 耦合器设置成接收来自所述主控制器或所述副控制器中的一个的作为模 拟信号的错误信号，并设置成使得所述主控制器和所述副控制器之间能进行双向信号传递。
14. 如权利要求3所述的逆变器，其中，所述副控制器输出第一脉冲 宽度调制信号和第二脉冲宽度调制信号，以分别控制由第一驱动器和第二 驱动器引导的转换操作，所述第一驱动器和第二驱动器用于对第一绝缘栅 双极性晶体管和第二绝缘栅双极性晶体管发信号。
15. 如权利要求1所述的逆变器，其中，所述副阶段的多个转换装置 的转换操作被控制，以便交流输出为230V/60Hz、220V/60Hz和110V/60Hz 中的一个。
16. —种逆变器，其用在具有直流蓄电池的交通工具中，所述逆变器 包括主阶段,其设置成将所述直流蓄电池的第 一直流输出升高到第二直流 输出，其中，所述主阶段依据第一直流输出的测量结果而不依据第二直流 输出的测量结果来自动地调整第 一直流输出的升高；以及第二阶段，其设置成将第二直流输出逆变到交流输出，其中，所述第 二阶段依据第二直流输出的测量结果而不依据交流输出的测量结果来自 动地调整第二直流输出的逆变。
17. 如权利要求16所述的逆变器，其进一步包括主控制器和副控制 器，所述主控制器设置成基于第一直流输出的测量结果来控制所述主阶段 的与调整第一直流输出的升高相关联的转换操作，所述副控制器设置成基 于第二直流输出的测量结果来控制所述副阶段的与调整第二直流输出的 逆变相关联的转换操作。
18. —种方法，其将来自包括在交通工具中的直流电能供给的大约 12V直流电的第一直流输出逆变到至少110V交流/60Hz的交流输出，所 述方法包括自动地将第一直流输出升高到大约为400V直流电的更大的、第二直 流输出，包括依据第一直流输出的测量结果而不依据第二直流输出的测 量结果，自动地控制用于帮助升高的多个转换装置的转换操作；以及自动地将第二直流输出逆变到大约为400V直流电的交流输出，包括依据第二直流输出的测量结果而不依据交流输出的测量结果，自动地控制 用于帮助逆变的多个转换装置的转换操作。
19. 如权利要求18所述的方法，其进一步包括控制用于使用主控 制器来帮助升高的转换:操作，其中，所述主控制器与副控制器电气地绝缘， 并且所述主控制器通讯地耦合到所述副控制器，所述副控制器控制用于帮助逆变的转换#:作。
20. 如权利要求19所述的方法，其进一步包括在所述主控制器确 定第二直流输出大于上阈值时以及在所述主控制器确定第二直流输出小 于下阈值时，停止升高，并且，所述方法进一步包括在所述副控制器确 定交流输出大于上阈值时以及在所述主控制器确定交流输出小于下阈值 时，1亭止逆变。
全文摘要
本发明公开了一种交通工具逆变器。本发明涉及一种将储存在交通工具内的直流电能逆变到交流电能的方法和系统，该交流电能足够供应那些照惯例从墙上插座接收交流电能的电气用具或其它装置。逆变可以在没有反馈控制的情况下执行，因为用于控制升高和逆变直流电能的转换操作仅仅需要考虑输入，而不需要考虑实际输出。
文档编号H02M7/42GK101662224SQ20091016808
公开日2010年3月3日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年8月29日
发明者皮尔·洛佩斯·贝拉瓜斯, 艾伯特·特伦奇斯·迈格纳, 雅恩·达罗曼 申请人:李尔公司