具有缓冲电路的交通工具机载充电器的制作方法

具有缓冲电路的交通工具机载充电器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年4月30日提交的序列号为63/017,861的美国临时申请的利益，该美国临时申请的公开内容在此通过引用被全部并入本文。
技术领域
3.一个或更多个实施例涉及包括缓冲电路的交通工具机载充电器。
4.背景
5.电气化交通工具(包括纯电动交通工具和混合电动交通工具)包括用于交通工具的推进或“牵引”并可被称为牵引电池的高压电池组。这种电气化交通工具包括用于转换供应到牵引电池和从牵引电池供应的功率的功率电子器件。这种功率电子器件产生可能影响其他系统和部件的电磁能量。电磁兼容性(emc)指电气设备和系统在它们的电磁环境中通过限制电磁能量的无意产生、传播和接收来可接受地运行的能力，电磁能量可能引起在操作设备中的不想要的影响，例如电磁干扰(emi)。
6.概述
7.在一个实施例中，机载充电器设置有用于从外部电源接收充电连接器以便于电池充电的充电端口、大容量电容器和用于对大容量电容器预充电的继电器。功率因数校正(pfc)电路连接在大容量电容器和继电器之间，并且包括开关和缓冲电路，缓冲电路耦合到开关以在切断条件期间降低存在于开关处的瞬态电压。处理器被编程来控制开关以允许/禁止从继电器到大容量电容器的电流流动。
8.在另一个实施例中，机载充电器设置有功率因数校正(pfc)电路和处理器。pfc电路连接在大容量电容器和用于对大容量电容器预充电的继电器之间，并且包括开关和缓冲电路，缓冲电路耦合到开关以在切断条件期间降低存在于开关处的瞬态电压。处理器被编程来控制开关以允许/禁止从继电器到大容量电容器的电流流动。
9.在一个实施例中，机载充电器设置有适合于耦合到交通工具牵引电池的大容量电容器和用于从外部电源接收电功率并对大容量电容器预充电的继电器。功率因数校正(pfc)电路连接在大容量电容器和继电器之间。pfc电路包括在接通位置和断开位置之间可调节的开关。开关在断开位置上允许从继电器到大容量电容器的电流流动。缓冲电路耦合到开关以在从接通位置到断开位置的转变期间降低存在于开关处的瞬态电压。处理器被编程来控制开关。
10.在另一个实施例中，机载充电器设置有连接在大容量电容器和用于对大容量电容器预充电的继电器之间的功率因数校正(pfc)电路。pfc电路包括开关和缓冲电路，缓冲电路耦合到开关以在切断条件期间降低存在于开关处的瞬态电压。处理器被编程来控制开关以允许/禁止从继电器到大容量电容器的电流流动。
11.在又一实施例中，功率因数校正(pfc)电路被提供来连接在大容量电容器和用于对大容量电容器预充电的机载充电器的继电器之间。pfc电路包括开关和缓冲电路。开关在接通位置和断开位置之间可调节。开关在断开位置上允许从继电器到大容量电容器的电流
流动。缓冲电路包括耦合在开关两端以在从接通位置到断开位置的转变期间降低存在于开关处的瞬态电压的电容器。
附图说明
12.图1是根据一个或更多个实施例的具有机载充电器的电气化交通工具的示意图。
13.图2是图1的机载充电器的框图。
14.图3是示出包括多个开关的图2的机载充电器的一部分的电路图。
15.图4是在图3的第一开关处测量的信号的曲线图，其示出了随着时间变化的多个特性。
16.图4a是图4的曲线图的一部分的放大视图，其示出了当第一开关接通时的被测信号的多个特性。
17.图4b是图4的曲线图的一部分的放大视图，其示出了当第一开关关断时的被测信号的多个特性。
18.图5是根据一个或更多个实施例的示出了第一开关的图3的电路的简化电路图。
19.图6是当开关关断时在图5的第一开关处测量的电压的曲线图。
20.图7是当包括图5的第一开关的机载充电器处于活动状态时在电池充电期间在交通工具的无线电宽带电磁兼容性(emc)测试期间测量的信号的曲线图。
21.图8是根据一个或更多个实施例的图3的电路的简化电路图，其示出了具有第一缓冲电路的第一开关。
22.图9是当开关关断时在图8的第一开关处测量的电压连同当开关关断时在图5的第一开关处测量的电压的曲线图。
23.图10是在包括图8的第一开关和缓冲电路的机载充电器处于活动状态时在电池充电期间在交通工具的无线电宽带emc测试期间测量的信号的曲线图。
24.图11是根据一个或更多个实施例的图3的电路的简化电路图，其示出了具有第二缓冲电路的第一开关。
25.图12是当开关关断时在图11的第一开关处测量的电压连同当相对应的开关关断时在图5和图8的第一开关处测量的电压的曲线图。
26.图13是当包括图11的第一开关和第二缓冲电路的机载充电器处于活动状态时在电池充电期间在交通工具的无线电宽带emc测试期间测量的信号的曲线图。
27.图14是根据一个或更多个实施例的图3的电路的简化电路图，其示出了具有第三缓冲电路的第一开关。
28.图15是当开关关断时在图14的第一开关处测量的电压连同当相对应的开关关断时在图5、图8和图11的第一开关处测量的电压的曲线图。
29.图16是当包括图14的第一开关和第三缓冲电路的机载充电器处于活动状态时在电池充电期间在交通工具的无线电宽带emc测试期间测量的信号的曲线图。
30.图17是图5的电路的快速傅立叶变换(fft)，其示出了频率响应。
31.图18是图14的第一开关和第三缓冲电路的fft，其示出了频率响应。
32.详细描述
33.根据要求，在本文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，它们可以以各种形式和替代形式被体现。附图不一定按比例；一些特征可能被放大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本文所公开的特定的结构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。
34.参考图1，根据一个或更多个实施例示出了机载充电器(obc)，并且机载充电器(obc)总体上由数字100标注。obc 100被描绘在交通工具102内，并且将高压(hv)配电模块104电气地连接到外部电源106，以用于对牵引电池108充电。obc 100和hv配电模块104共同调节从外部电源106供应的功率以向牵引电池108提供适当的电压和电流电平。这可能一般在数百伏特内，例如300伏特或更高的电压。在一个或更多个实施例中，obc 100包括缓冲电路以降低在电子开关条件下出现的瞬态电压。
35.外部电源106电气地耦合到电动交通工具供电设备(evse)110，例如充电器或充电站。根据一个或更多个实施例，外部电源106是如由电力事业公司提供的配电网络或电网。evse 110提供电路和控制机构以调节和管理在外部电源106和交通工具102之间的能量的输送。外部电源106向evse 110提供交流(ac)电力。evse 110包括用于插到交通工具102的充电端口114内的充电连接器112。充电端口114可以是将功率从evse 110输送到obc 100的任何类型的端口。
36.参考图2，obc 100将在充电端口114处从evse 110接收的ac功率转换成高压(hv)直流(dc)功率输出。obc 100包括初级电压区200、高压(hv)区202、低压(lv)区204和控制器206。控制器206控制以下部件：初级电压区200、高压(hv)区202和低压(lv)区204。
37.初级电压区200包括充电端口114、电磁兼容性(emc)滤波器208、预充电和旁路继电器210、功率因数校正(pfc)电路212、大容量电容器214、初级h桥216和功率变压器218。emc滤波器208过滤ac电源电压以抑制高频噪声。预充电和旁路继电器210用于在对牵引电池108充电之前对大容量电容器214预充电，以避免当obc 100被连接时来自外部电源106的电流浪涌。功率因数校正(pfc)电路212负责保持功率因数(pf)接近单位一(unity)。大容量电容器214包括高电容(例如100μf至300mf)，并且在两倍线路频率下将来自ac侧的电功率去耦以在初级电压区200和hv区202之间提供经调节的dc电压节点。
38.hv区202包括全桥整流器220、输出滤波器222和hv dc连接器224。初级h桥216、功率变压器218和全桥整流器220共同将ac功率转换成dc功率。输出滤波器222过滤hv dc电压以去除噪声。hv dc连接器224连接到hv配电模块104以在obc 100和牵引电池108之间输送功率。
39.lv区204包括lv连接器226，该lv连接器226连接到其他交通工具系统或总线(例如can总线)以用于与其他交通工具系统通信。
40.参考图3，pfc电路212从预充电和旁路继电器210接收ac功率，并向大容量电容器214提供ac功率。pfc电路212负责保持ac功率的功率因数接近单位一。pfc电路212包括扼流器301、第一功率模块302和第二功率模块304。扼流器301包括四个电感器l1、l2、l3和l4，该四个电感器l1、l2、l3和l4用作升压电感器并与功率模块302、304协作以提高供应到大容量电容器214的电压。
41.根据所示实施例，每个功率模块302、304包括一对开关电路，并且每个开关电路包括耦合到电感器l1-l4中的一个电感器以提供接地路径的开关(例如s1、s2、s3或s4)。第一
功率模块302包括第一开关电路306和第二开关电路308。第一开关电路306包括第一开关310(s1)、电感器312和二极管314。电感器312是可用于测量通过第一开关310的电流的电流感测变压器的初级绕组。第一开关电路306还包括与第一开关310并联连接的寄生二极管316。寄生二极管316或体二极管在一个方向上阻挡电流，并且可以用作电感负载的续流二极管。第一开关310连同寄生二极管316一起与电感器312和二极管314串联连接。根据一个实施例，第一开关310是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。mosfet是包括源极(s)、栅极(g)和漏极(d)的三端子半导体设备。
42.第一开关310在接通位置和断开位置之间可调节。当第一开关310布置在接通位置上时，第一开关电路306提供接地路径以禁止从继电器210通过l1到大容量电容器214的电流流动。当第一开关310布置在断开位置上时，第一开关电路306允许从继电器210通过l1到大容量电容器214的电流流动。控制器206通过向每个栅极提供控制信号，例如通过向第一开关310的栅极(g)提供control_1，来控制每个开关电路。根据一个或更多个实施例，开关s2、s3和s4包括与关于s1描述的类似的结构和功能。
43.pfc电路212通过控制开关s1、s2、s3和s4的占空比来保持ac功率的功率因数接近单位一(unity)。扼流电感器l1、l2、l3和l4在相对应的开关s1、s2、s3、s4接通和关断时存储能量和释放能量，然后所存储的能量被释放到大容量电容器214。控制器206控制开关s1、s2、s3、s4的占空比以控制对应于ac电压中的变化的ac电流，这导致功率因数接近单位一。
44.图4是在第一开关电路306的第一开关310处测量的信号随着时间变化的曲线图400。第一曲线(vgs1)表示在第一开关310的栅极(g)和源极(s)之间的电压电位。第二曲线(vds1)表示在第一开关310的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位。第三曲线(id1)表示通过第一开关310的漏极(d)的电流。第四曲线(pd)表示通过第一开关310的漏极的功率。曲线图400示出了当控制器206控制第一开关310以接通和关断时在操作期间的信号。控制器206在时间t1接通第一开关310，在时间t2关断第一开关310，以及在时间t3再次接通第一开关310。
45.图4a是当第一开关310在时间t3被接通时曲线图400的一部分的放大视图，而图4b是当第一开关310在时间t2被关断时曲线图400的一部分的放大视图。参考图4b，当第一开关310闭合时，漏极电流(id1)快速减小，这使电压电位(vds1)由于在第一开关电路306内的杂散电感而急剧增加。该瞬态电压在稳定之前振荡，如由数字402标注的，这可能引起在其他设备中的电磁干扰(emi)。
46.参考图5，根据一个或更多个实施例示出了pfc电路，并且该pfc电路总体上由数字500标注。pfc电路500连接在上面参考图2描述的预充电和旁路继电器210和大容量电容器214之间。pfc电路500包括扼流器501和第一开关电路506。第一开关电路506包括第一开关510、测量漏极电流的电感器512和二极管514。第一开关电路506还包括与第一开关510并联连接的寄生二极管516以及连接在第一开关510的栅极(g)和控制器206的栅极驱动电路之间的电阻器518(图3)。在一个实施例中，电阻器518具有大约6.8欧姆的电阻。
47.图6是包括表示当第一开关510关断时在第一开关510的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位的曲线(vds1a)的曲线图600。当第一开关510闭合时，漏极电流(未示出)快速减小，这使电压电位(vds1a)由于在第一开关电路506内的杂散电感而急剧增加。如图6所示，在第一开关510闭合后，如由数字602标注的，vds1a的所产生的瞬态电压超过电源电压大约50伏特。
48.图7是在电池充电期间在交通工具102的无线电宽带电磁兼容性(emc)测试期间测量的信号的曲线图700。一般来说，如果系统具备以下条件，则它是电磁兼容性的：不对其他系统造成干扰；不易受来自其他系统的放射(emissions)的影响；并且不对自身造成干扰。在一个实施例中，根据ece r10.05 emc测试来测试obc 100，ece r10.05 emc测试包括针对宽带放射在30mhz至1000mhz的频率范围内测试设备。在ece r10.05的附录4中规定了针对宽带放射测试的测试条件。如由参考曲线(ref)所表示的，测试限制为从30到75mhz下的34db(μv/m)和从400到1000mhz下的45db(μv/m)。曲线(s1a)表示obc 100(包括在测试期间pfc电路500(图5)的第一开关510)的宽带放射。如在曲线图700中所示的，由数字702所指示，s1在40-70mhz之间超过ref多达15db。
49.参考图8，根据一个或更多个实施例示出了具有第一缓冲电路的pfc电路，并且该pfc电路总体上由数字800标注。pfc电路800连接在上面参考图2描述的预充电和旁路继电器210和大容量电容器214之间。pfc电路800包括扼流器801和第一开关电路806。第一开关电路806包括第一开关810、测量漏极电流的电感器812和二极管814。第一开关电路806还包括与第一开关810并联连接的寄生二极管816以及连接到第一开关810的栅极的电阻器818。在一个实施例中，电阻器818具有大约10.0欧姆的电阻。pfc电路800还包括缓冲电路820，缓冲电路820包括在第一开关810两端、在第一开关810的漏极和地之间连接的电容器822。电容器822降低存在于漏极处的瞬态电压。在一个实施例中，电容器822具有大约100pf的电容。
50.图9是包括表示当第一开关810关断时在第一开关810的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位的曲线(vds1b+)的曲线图900。曲线图900还包括第二曲线(vds1a)，其表示在图5所示的pfc电路500的第一开关510的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位。当第一开关810闭合时，漏极电流(未示出)快速减小，这使电压电位(vds1b+)由于在第一开关电路806内的杂散电感而急剧增加。如图9所示，在第一开关810闭合之后，如由数字902标注的，vds1b+的所产生的瞬态电压超过电源电压大约40伏特，其小于vds1a的过冲(overshoots)，这说明缓冲电路820如何在切断条件下、即在第一开关810从接通位置到断开位置的转变期间降低存在于vds1b+上的瞬态电压。
51.图10是在电池充电期间在交通工具102的无线电宽带emc测试期间测量的信号的曲线图1000。如由参考曲线(ref)所表示的，测试限制为从30到75mhz下的34db(μv/m)和从400到1000mhz下的45db(μv/m)。曲线(s1b+)表示obc 100(包括在测试期间pfc电路800(图8)的第一开关810)的宽带放射。如在曲线图1000中所示的，如由数字1002所指示的，s1b+在40-60mhz之间超过ref多达12db，其小于s1a超过ref的量(图7)，这说明缓冲电路820通过在切断条件下降低存在于vds1b+上的瞬态电压来提高obc 100的emc。
52.参考图11，根据一个或更多个实施例示出了具有第二缓冲电路的pfc电路，并且该pfc电路总体上由数字1100标注。pfc电路1100连接在上面参考图2描述的预充电和旁路继电器210和大容量电容器214之间。pfc电路1100包括扼流器1101和第一开关电路1106。第一开关电路1106包括第一开关1110、测量漏极电流的电感器1112和二极管1114。第一开关电路1106还包括与第一开关1110并联连接的寄生二极管1116以及连接到第一开关1110的栅极的电阻器1118。在一个实施例中，电阻器1118具有大约10.0欧姆的电阻。
53.pfc电路1100还包括rcdc缓冲电路1120，其包括电阻器1121、电容器1122和二极管
1124。二极管1124和电容器1122一起连接在第一开关1110两端。二极管1124连接到第一开关1110的漏极，以及电容器1122连接在二极管1124和地之间。电阻器1121连接在二极管1124和大容量电容器214的输入端之间。电容器1122存储瞬态能量，且然后通过电阻器1121释放能量。rcdc缓冲电路1120还包括连接在第一开关1110的栅极和漏极之间的电容器1126以存储瞬态能量并通过电阻器1118释放能量。
54.图12是包括表示当pfc电路1100(图11)的第一开关1110关断时在第一开关1110的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位的曲线(vds1c)的曲线图1200。曲线图1200还包括表示在图8所示的pfc电路800的第一开关810的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位的第二曲线(vds1b+)和表示在图5所示的pfc电路500的第一开关510的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位的第三曲线(vds1a)。当第一开关1110闭合时，漏极电流(未示出)快速减小，这使电压电位(vds1c)由于在第一开关电路1106内的杂散电感而急剧增加。如图12所示，在第一开关1110闭合之后，如由数字1202标注的，vds1c的所产生的瞬态电压超过电源电压大约10伏特其小于vds1a和vds1b+的过冲，这说明缓冲电路1120如何在切断条件下降低存在于vds1c上的瞬态电压。
55.图13是在电池充电期间在交通工具102的无线电宽带emc测试期间测量的信号的曲线图1300。如由参考曲线(ref)所表示的，测试限制为从30到75mhz下的34db(μv/m)和从400到1000mhz下的45db(μv/m)。曲线(s1c)表示obc 100(包括在测试期间pfc电路1100(图11)的第一开关1110)的宽带放射。如在曲线图1300中所示，如由数字1302所指示的，s1c在30-80mhz之间多次超过ref多达2db，其小于s1a和s1b+超过ref的量(图7、图10)，这说明缓冲电路1120通过在切断条件下降低存在于vds1c上的瞬态电压来提高obc 100的emc。
56.参考图14，根据一个或更多个实施例示出了具有第三缓冲电路的pfc电路，并且该pfc电路总体上由数字1400标注。pfc电路1400连接在上面参考图2描述的预充电和旁路继电器210和大容量电容器214之间。pfc电路1400包括扼流器1401和第一开关电路1406。第一开关电路1406包括第一开关1410、测量漏极电流的电感器1412和二极管1414。第一开关电路1406还包括与第一开关1410并联连接的寄生二极管1416以及连接到第一开关1410的栅极的电阻器1418。在一个实施例中，电阻器1418具有大约10.0欧姆的电阻。
57.pfc电路1400还包括rcd缓冲电路1420，其包括电阻器1421、电容器1422和二极管1424，rcd缓冲电路1420类似于参考图11描述的rcdc缓冲电路1120，不同之处在于rcd缓冲电路1420不包括第二电容器。二极管1424和电容器1422一起连接在第一开关1410两端。二极管1424连接到第一开关1410的漏极，以及电容器1422连接在二极管1424和地之间。电阻器1421连接在二极管1424和大容量电容器214的输入端之间。电容器1422存储瞬态能量，且然后通过电阻器1421释放能量。
58.图15是包括表示当pfc电路1400(图14)的第一开关1410关断时在第一开关1410的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位的曲线(vds1c+)的曲线图1500。曲线图1500还包括表示在图11所示的pfc电路1100的第一开关1110的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位的第二曲线(vds1c)、表示在图8所示的pfc电路800的第一开关810的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位的第三曲线(vds1b+)以及表示在图5所示的pfc电路500的第一开关510的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位的第四曲线(vds1a)。当第一开关1410闭合时，漏极电流(未示出)快速减小，这使电压电位(vds1c+)由于在第一开关电路1406内的杂散电感而急剧增加。如图
15所示，在第一开关1410闭合之后，如由数字1502标注的，vds1c+的所产生的瞬态电压超过电源电压大约30伏特，其小于vds1a和vds1b+的过冲，这示出了缓冲电路1420如何在切断条件下降低存在于vds1c+上的瞬态电压。
59.图16是在电池充电期间在交通工具102的无线电宽带emc测试期间测量的信号的曲线图1600。如由参考曲线(ref)所表示的，测试限制为从30到75mhz下的34db(μv/m)和从400到1000mhz下的45db(μv/m)。曲线(s1c+)表示obc 100(包括在测试期间pfc电路1400(图14)的第一开关1410)的宽带放射。如在曲线图1600中所示，如由数字1602所指示的，s1c+在大约50mhz超过ref多达2db，其小于s1a、s1b+和s1c超过ref的量(图7、图10、图13)，这示出了缓冲电路1420通过在切断条件下降低存在于vds1c+上的瞬态电压来提高obc 100的emc。
60.图17是包括示出在图5所示的pfc电路500的第一开关510的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位的频率响应的曲线(vds1a)的曲线图1700。图18是包括示出在图14所示的pfc电路1400的第一开关1410的漏极(d)和源极(s)之间的电压电位的频率响应的曲线(vds1c+)的曲线图1800。如由数字1702标注的，vds1a包括在100-200mhz之间的谐振，然而这个谐振不存在于vds1c+上，这示出了缓冲电路1420的好处。
61.虽然上面描述了示例性实施例，但意图不是这些实施例描述了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词语而不是限制的词语，并且应理解的是，可做出各种变化而不偏离本发明的精神和范围。另外，各种实现的实施例的特征可以被组合以形成本发明的另外的实施例。