双向低电压DC到AC逆变器的制作方法

本文公开的方面总体上涉及将低电压直流(DC)能量转换成用于为车辆的各方面供电的交流电(AC)并且将来自电网的AC能量转换为低电压DC能量以存储在车辆DC电源上的双向电力转换设备。

背景

美国专利号8,085,557(“557专利”)公开了一种双向DC-AC逆变器，其包括H桥电路、连接到H桥电路的连接部分、将连接部分连接到H桥电路的平滑滤波器和控制部。H桥电路具有四个开关元件。四个开关元件包括其第一端彼此连接的两个第一开关元件和其第二端彼此连接的两个第二开关元件。平滑滤波器具有电容器和连接到电容器的两个线圈。控制部以使得当从系统电源输入的交流电压被转换为直流电压时两个线圈用作升压线圈的方式来控制第一开关元件。

概述

在至少一个实施例中，公开了一种包括DC/DC转换器、逆变器和双向存储设备的双向电力转换设备。DC/DC转换器被配置为在消费者模式下响应于来自低电压区域的第一DC输入而产生第一直流(DC)输出，并且被配置为在车辆充电模式下接收第二DC输入以为车辆中的低电压区域供电。逆变器被配置为在消费者模式下响应于第一DC输出而产生交流(AC)输出以为至少一个消费者设备供电，并且被配置为在车辆充电模式下响应于来自AC电源的AC输入信号将第二DC输入提供给DC/DC转换器。双向存储设备被配置为在消费者模式下存储第一DC输出并被配置为在车辆充电模式下存储第二DC输入。

在至少另一个实施例中，公开了一种包括DC/DC转换器、逆变器和双向存储设备的双向电力转换设备。DC/DC转换器被配置为在消费者模式下响应于来自低电压区域的第一DC输入而产生第一直流(DC)输出以为至少一个消费者设备供电，并且被配置为在车辆充电模式下接收第二DC输入以为在车辆中的低电压区域供电。第二DC输入功率指示存储在低电压区域中的一个或更多个电池上的最终DC输入。逆变器被配置为在消费者模式下响应于第一DC输出而产生交流(AC)输出以为至少一个消费者设备供电并且被配置为在车辆充电模式下响应于来自AC电源的AC输入信号而将第二DC输入提供给DC/DC转换器。双向存储设备被配置为在消费者模式下存储第一DC输出并被配置为在车辆充电模式下存储第二DC输入。

在至少一个实施例中，公开了一种包括DC/DC转换器、逆变器和双向存储设备的双向电力转换设备。DC/DC转换器包括第一多个开关设备，并且被配置为在消费者模式下响应于来自低电压区域的第一DC输入而产生第一直流(DC)输出，并且被配置为在车辆充电模式下接收第二DC输入以为车辆中的低电压区域供电。逆变器包括第二多个开关设备，并且被配置为在消费者模式下响应于第一DC输出而产生交流(AC)输出以为至少一个消费者设备供电，并且被配置为在车辆充电模式下响应于来自AC电源的AC输入信号将第二DC输入提供给DC/DC转换器。双向存储设备被配置为在消费者模式下存储第一DC输出并且被配置为在车辆充电模式下存储第二DC输入。

附图说明

以所附权利要求中的特征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，各种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描绘了根据一个实施例的位于车辆内的双向电力转换设备，其将低电压直流(DC)能量转换成交流电(AC)以用于为车辆的各方面供电，并且其将来自电网的AC能量转换成低电压DC能量以存储在车辆DC电源上；

图2描绘了根据一个实施例的装置的详细的实现；

图3描绘了根据一个实施例的用于驱动位于车辆内的多个开关设备中的一个或更多个以在消费者模式期间将低电压(DC)能量转换成交流电(AC)的各种波形；

图4示出了根据一个实施例的对应于大容量电容器(bulk capacitor)两端随时间变化的存储电压的波形；

图5描绘了根据一个实施例的对应于对各种电动机/消费电子部件的AC输出的波形；以及

图6描绘了根据一个实施例的用于驱动位于车辆内的多个开关设备中的一个或更多个以用于在车辆充电模式期间将来自电网的AC能量整流成低电压DC能量以存储在车辆DC电源上的各种波形。

详细描述

根据需要，在本文中公开了本发明的详细实施例；然而应理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种替代形式来实施。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的特定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利用本发明的代表性基础。

认识到的是，如本文中所公开的控制器可包括各种微处理器、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形)、和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以执行所公开的任意数量的功能。此外，本文中所提供的控制器包括外壳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其他基于硬件的设备接收数据或向其他基于硬件的设备传输数据。

本文提供了一种装置或双向电力转换设备，并且其被布置成从电网接收交流(AC)电力，以用于通过提供低电压直流(DC)电平给一个或更多个电池来为车辆中的一个或更多个电池充电的目的。相反，电力转换设备被布置成从一个或更多个电池接收低电压DC电平并将其逆变以产生AC电力，从而为车辆中的AC负载供电。例如，电力转换设备可以将AC电力提供给电耦合到车辆的各种电动机和/或消费者设备。下面将更详细地讨论这些方面和其它方面。

图1描绘了位于车辆12内的双向电力转换设备10，其将低电压DC能量(例如，第一DC输入)转换成AC能量以用于为车辆12的方面供电。电力转换设备10将来自电网14的AC能量转换为低电压DC能量(例如，最终DC输入)，以存储在车辆DC电源(例如，一个或更多个电池16)上。电力转换设备10包括DC/DC转换器18和逆变器20。在消费者模式中，DC/DC转换器18将来自低电压(LV)区域(即，LV区域)中的电池16的DC能量升压到DC电平(例如，升压的DC电平或第一DC输出)，其被馈送到逆变器20。逆变器20响应于升压的DC电平而产生AC输出以给电耦合到车辆12的一个或更多个电动机和/或各种消费者电子部件(以下为“AC电力负载22”)供电。双向存储设备31(或电容器C2)在逆变器20产生AC输出之前存储升压的DC电平。在车辆充电模式中，电力转换设备10检测到电网14耦合到其上以对电池16充电或为车辆12内的电气设备供电。逆变器20将来自电网14的AC能量转换为存储在双向存储设备31上的输入DC信号(或第二DC输入)。DC/DC转换器18将输入DC信号转换为提供给电池16和/或为车辆12的其他方面供电的低DC能量。

图2描绘了根据一个实施例的电力转换设备10的详细的实现。车辆12包括可操作地耦合到DC/DC转换器18以用于控制在消费者模式下和在车辆充电模式下的DC/DC转换器18的操作的第一控制器24(或第一“低电压(LV)微控制器”)。同样，车辆12还包括第二控制器30，其可操作地耦合到逆变器20，以用于在消费者模式下和在车辆充电模式下控制逆变器的操作。第一控制器24和第二控制器30经由串行通信接口(SCI)或其它合适的通信总线协议彼此进行双向通信。

当电力转换设备10处于消费者模式下时，执行以下操作。通常，DC/DC转换器18被配置为将来自车辆12的DC能量提供给逆变器20，以用于将AC输出提供给AC电力负载22的目的。在消费者模式下，车辆12的点火状态处于“辅助(Accessory)”或“运行”位置。在这种情况下，当点火状态被检测为处于“辅助”或“运行”位置时，第一控制器24控制DC/DC转换器18以向逆变器20提供升压的DC能量。如图所示，第一控制器24包括用于监视关于馈送“IGN”的点火状态的输入。应当认识到，第一控制器24可以可替代地经由第一数据通信总线26接收点火状态，第一数据通信总线26利用但不限于局部互连网络(LIN)、控制器区域网络(CAN)或其他合适的数据通信协议。

继电器驱动器25使开关27闭合，以使DC能量从电池16流到DC/DC转换器18。认识到，继电器驱动器25是可选的，并且可以使用固态开关来代替继电器驱动器25。开关21和滤波器29位于开关27和DC/DC转换器18之间。滤波器29包括电感器L1和电容器C。第一控制器24控制开关21闭合，从而使DC能量能够从电池16传递到DC/DC转换器18。

DC/DC转换器18通常包括内务处理(housekeeping)电源32、第一栅极驱动器34、第二栅极驱动器36、过电路保护块38和第一变压器40。内务处理电源32通常被配置为向电力转换设备10的各种电子部件供电。DC/DC转换器18还包括第一多个开关设备(例如，MOSFET)Q1-Q6和第一多个电容器C1-C2。电容器C2通常被定义为双向存储设备31。第一控制器24被配置为控制第一栅极驱动器34以控制开关设备Q1-Q4。第一控制器24还被配置为控制第二栅极驱动器36以控制开关设备Q5和Q6。开关设备Q5和Q6可以被实现为二极管整流器或者被实现为同步整流器。开关设备Q1-Q6可以被实现为MOSFET开关设备，其中它们各自的体二极管在不活动时用作标准二极管整流器。DC/DC转换器18可以被布置为推挽式转换器。

在消费者模式中，第一控制器24以结合图3所示的方式(经由第一栅极驱动器34)脉冲宽度调制开关设备Q1和Q3。通常，Q1和Q3的每个脉冲可以以例如65kHz的开关频率、以12V的幅度进行调制。应认识，其他值可以被使用。如图1所示，开关设备Q1和Q3可操作地连接到第一变压器40的第一侧41上的第一输入端37。以这种方式，来自第一变压器40的第一侧41的第一输出端43产生提供给开关设备Q5的脉宽调制信号。如图3所示，第二栅极驱动器36对开关设备Q5进行脉冲宽度调制。关于开关设备Q5的如图3中所示的脉宽调制信号可以具有65kHz的开关频率和120V的幅度。应认识到，开关设备Q5也可以并联连接到开关设备Q1和Q3，或者开关设备Q5可以连接到第一变压器40，如图2所示。

此外，第一控制器24以结合图3所示的方式(经由第一栅极驱动器34)脉冲宽度调制开关设备Q2和Q4。Q2和Q4的每个脉冲可以以例如65kHz的开关频率、以12V的幅度进行调制。应认识到，其他值可以被使用。如图1所示，开关设备Q2和Q4可操作地连接到第一变压器40的第二侧45上的第二输入端39。以这种方式，来自第一变压器42的第一侧41的第二输出端47产生提供给开关设备Q6的脉宽调制信号。第二栅极驱动器36以图3中所示的方式脉冲宽度调制开关设备Q6。关于开关设备Q6的图3中所示的该脉宽调制信号可具有65kHz的开关频率和120V的幅度。应认识到，开关设备Q6也可以并联连接到开关设备Q2和Q4，或者开关设备Q6可以连接到第一变压器40，如图2所示。双向存储设备31(或电容器C2)存储来自功率开关设备Q5和Q6的输出电压。图4示出了随时间推移的存储在双向存储设备31上的电压量。在某点上，存储的电压达到约120V的幅度，并在该值处趋于平稳。电压测量设备49(例如，传感器)测量双向存储设备31两端的电压，并传输指示测量电压的信号，使得第一控制器24控制开关设备Q1-Q4的开关频率，并且使得第二控制器30相应地控制开关设备Q5-Q6的开关频率。

双向存储设备31将存储的电压(例如，120V DC)提供给逆变器20。逆变器20通常包括整流器(例如，全桥整流器)42、扼流圈44、栅极驱动器46、电流感测电路48、第二多个开关设备Q7-Q10和电容器C3。开关设备Q7-Q10通常形成逆变器桥，其中，在车辆充电模式下，一对开关设备(例如Q7/Q9或Q8/Q10)被激活(或闭合)，而剩余的一对开关设备(例如Q8/Q10和Q7/Q9)断开。应当认识到，开关设备Q7-Q10可以被实现为MOSFET开关设备，其中它们各自的体二极管在不活动时用作标准二极管整流器。来自逆变器桥(例如，开关设备Q7-Q10)的输出被提供给扼流圈44。扼流圈44可以被实现为共模扼流圈(或被实现为两个差分电感器)。扼流圈44和电容器C3阻挡高频AC。来自扼流圈44和电容器C3(或来自逆变器20)的基于AC的输出在图5中一般性地示出。该输出表示提供给AC电力负载22的AC输出。应认识到，可以使用全桥整流器42代替开关设备Q7-Q10。例如，DC/DC转换器18内的双向存储设备31可以将来自功率开关设备Q5和Q6的输出电压提供给全桥整流器42，以产生用于驱动AC电力负载22的AC输出(见图5)。

在车辆充电模式下，第二控制器30检测车辆12何时连接到电池充电器(例如，便携式或固定式充电器)(未示出)，以从AC电网14接收AC电力。可替代地，第二控制器30还可以检测各种AC电力负载22(例如，电动机)何时产生AC电力以用于存储在电池16上(例如，再生制动等)。在检测到电池充电器被布置成传输来自AC电网14的AC电力时车辆12处于休眠状态的情况下，第二控制器30向第一控制器24传输唤醒消息。全桥整流器42或第二多个开关设备Q7-Q10响应于接收到来自AC电网14的例如110V AC(或高达150V AC或甚至更高)的AC输入而产生大约150V的DC输入，以用于存储在双向存储设备31上。从110V AC整体升压到150V可能归因于110V AC输入是RMS值的事实。110V AC的峰值为110V*√2，这产生大约150V。第二控制器30(经由栅极驱动器46)控制第二多个开关设备Q7-Q10(如被使用，与全桥整流器42相反)的开关频率，其然后对增加的AC输入进行整流，以产生DC电压150V DC用于存储在双向存储设备31上。然后，第二控制器30以图6所示的方式对开关设备Q5和Q6的DC电压进行脉冲宽度调制。关于开关设备Q5的如图6中所示的脉宽调制信号可以具有65kHz的开关频率和最大值为150V的幅度(即，假定AC输入处于150V的峰值电压)。此外，关于开关设备Q6的如图6中所示的脉宽调制信号可以具有65kHz的开关频率和150V的幅度。

第一变压器40将幅度从大约150V降低到大约15V。第一控制器24以结合图6所示的方式(经由第一栅极驱动器34)脉冲宽度调制开关设备Q1和Q3。通常，Q1和Q3的每个脉冲可以以例如90％的占空比和15V的幅度来调制。应认识到，其他值可被使用。如图1所示，开关设备Q1和Q3可操作地连接到第一变压器40的第一侧41。因此，开关设备Q1和Q3从第一变压器40的第一侧41接收输出。然后，开关设备Q1和Q3的输出可以产生13.5V的DC输出电压，如下式所定义：

V输出(开关设备)＝(V变压器_输入/变压器的匝数)*占空比(等式1)

在这种情况下，V变压器_输入约为150V，变压器的匝数等于10，开关设备Q1和Q3的占空比为90％。这些值导致开关设备Q1和Q3的输出为13.5V，其被存储在电容器C1上。如果开关设备Q1和Q3的占空比为80％，则V输出(开关设备)＝12V DC，其被存储在电容器C1上。

类似地，第一控制器24以结合图6所示的方式(经由第一栅极驱动器34)脉冲宽度调制开关设备Q2和Q4。通常，Q2和Q4的每个脉冲可以以例如90％的占空比和15V的幅度进行调制。应认识到，其他值可以用的。如图1所示，开关设备Q2和Q4可操作地连接到第一变压器40的第二侧45。因此，开关设备Q2和Q4接收来自第一变压器40的第二侧45的输出。类似于开关设备Q1和Q3，开关设备Q2和Q4可以基于等式1产生13.5的DC输出电压，其存储在电容器C1上。

在车辆充电模式下，第一控制器24断开开关21，使得开关设备Q1-Q4的输出被传递到滤波器29。滤波器29调节来自开关设备Q1-Q4的输出端的电压和电流。然后，电池16接收并存储来自滤波器29(或来自电容器C1)的DC滤波的输出。

虽然上面描述了示例性实施例，但是并非意图这些实施例描述本发明的所有可能的形式。而是，在说明书中使用的词语是描述性的而不具有限制性的词语，以及应理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可做出各种变化。此外，各种实现实施例的特征可被组合以形成本发明的另外的实施例。