直流电压变换器和用于操控直流电压变换器的方法
【专利摘要】本发明涉及直流电压变换器（10），具有第一输入电压端子（5a）和第二输入电压端子（5b），输入直流电压（Ui）可以被施加在所述第一输入电压端子和第二输入电压端子之间；第一变换器装置（1），所述第一变换器装置被设计用于将输入直流电压的第一分电压（j UinV）转换为输出直流电压；和第二变换器装置（2），所述第二变换器装置在输入侧以与所述第一变换器装置串联的方式耦合在所述第一输入电压端子和所述第二输入电压端子之间，并且所述第二变换器装置被设计用于，将输入直流电压的第二分电压（k UinK）转换为输出直流电压。所述直流电压变换器此外包括控制装置（9），所述控制装置与所述第一变换器装置和所述第二变换器装置耦合，并且所述控制装置被设计用于，以可变的第一分电压运行所述第一变换器装置，并且以恒定的第二分电压运行所述第二变换器装置。
【专利说明】
直流电压变换器和用于操控直流电压变换器的方法
技术领域
[0001]本发明涉及直流电压变换器和用于操控直流电压变换器的方法，尤其用于从高电压电网对混合动力车辆或者电动车辆的车载电网进行电压供应。
【背景技术】
[0002]在混合动力车辆或者电动车辆中，低压车载电网的供电可以通过高压电网被确保，其中所述高压电网被使用用于对混合动力车辆的电驱动装置进行供电。为此例如直流电压变换器、尤其具有次级侧中间抽头的推挽正激变换器(Gegentaktdurchf Iusswandler)可以被使用，所述推挽正激变换器从高压电网中提取能量，并且将高压电网的高电压转换为相应的车载电网电压。
[0003]所述直流电压变换器在此由于在高压电网和车载电网中高的电压波动而必须涵盖(abdecken)宽的输入电压范围和输出电压范围。为了对此进行抵抗，可以在高压电网侧对直流电压变换器前置例如升压转换器。可替代地，具有由直流电压变换器组成的串联电路的多级系统可以被使用——出版物Chen, ff.; Ruan, X.; Yan, H.; Tse C.K.:〃DC/DC Convers1n Systems Consisting of Multiple Converter Modules: Stability,Control and Experimental Verificat1n"， IEEE Transact1ns on PowerElectronics, Vol.24，N0.6，2009年6月和Siri, Κ.; Willhoff，Μ.; Truong, C.;Conner, K.A.:^Uniform Voltage Distribut1n Control for Series-1nputParalIel-Output, Connected Converters", IEEEAC paper' 1074, v.6,2006年I月例如分别公开由多个电压变换器级组成的在输入侧串联地接线的并且在输出侧并联地接线的多级电压变换器结构，其中所述输入电压可以被调节。
[0004]然而存在对用于直流电压变换的解决方案的需求，其中所使用的直流电压变换器可以在最优的工作点处被运行。
【发明内容】
[0005]因此，本发明按照一方面实现直流电压变换器，具有第一输入电压端子和第二输入电压端子，其中输入直流电压可被施加在所述第一输入电压端子和第二输入电压端子之间；第一变换器装置，所述第一变换器装置被设计用于，将输入直流电压的第一分电压转换为输出直流电压;和第二变换器装置，所述第二变换器装置在输入侧以与第一变换器装置串联的方式耦合在第一输入电压端子和第二输入电压端子之间，并且所述第二变换器装置被设计用于，将输入直流电压的第二分电压转换为输出直流电压。所述直流电压变换器此外包括控制装置，所述控制装置与第一变换器装置和第二变换器装置耦合，并且所述控制装置被设计用于，以可变的第一分电压运行第一变换器装置，并且以恒定的第二分电压运行第二变换器装置。
[0006]按照另一方面，本发明实现可电运行的车辆，具有高压电网、车载电网和按照本发明的直流电压变换器，所述直流电压变换器将所述高压电网与所述车载电网耦合，并且所述直流电压变换器被设计用于，将高压电网的高压直流电压转换为用于所述车载电网的车载电网直流电压。
[0007]按照另一方面，本发明实现用于操控直流电压变换器的方法，具有步骤:利用第一变换器装置将输入直流电压的第一分电压转换为输出直流电压、利用第二变换器装置将输入直流电压的第二分电压转换为输出直流电压、以可变的第一分电压运行第一变换器装置和以恒定的第二分电压运行第二变换器装置。
[0008]发明优点
本发明的思想是，在两个在输入侧串联接线的变换器组中设置具有电压变换器级的直流电压变换器。两个变换器组中的一个可以分别地以恒定的输入电压运行，所述变换器组可以接收最小的输入电压。两个变换器组中的另一个于是可以以可变的输入电压运行，以便可以满足(abdecken)输入电压范围的扩展。以恒定的输入电压运行的电压变换器级可以有利地根据恒定的工作点被优化，这显著地改善其效率。
[0009]所述处理方法的基本的优点是，不是直流电压变换器的所有的电压变换器级都必须被设计到相同的(高的)输入电压范围上。代替地，对于电压变换器级的一部分可以使用效率高效的变换器类型、例如谐振变换器，所述变换器类型在恒定的工作点的情况下被使用。
[0010]按照直流电压变换器的一种实施方式，第一变换器装置可以具有多个直流电压变换器模块，所述直流电压变换器模块在输入侧以串联的方式并且在输出侧以并联的方式耦合，并且所述直流电压变换器模块可以分别以第一分电压的模块分电压作为输入电压被运行。
[0011]按照直流电压变换器的另一实施方式，所述第二变换器装置可以具有多个直流电压变换器模块，所述直流电压变换器模块在输入侧以串联的方式并且在输出侧以并联的方式耦合，并且所述直流电压变换器模块可以分别以第二分电压的恒定的模块分电压作为输入电压被运行。
[0012]在两种情况下，分别所使用的直流电压变换器模块的数量可以被适当地选择为，使得在输入侧可以使用具有较小的反向电压的功率半导体开关。相对于具有较高的反向电压的功率半导体开关、诸如超结M0SFET，这样的开关元件引起小得多的实施成本。
[0013]除此之外，不仅输入电压扩展而且这样构建的直流电压变换器的有效功率可以通过模块化的结构以有利的方式缩放。
[0014]按照直流电压变换器的另一实施方式，所述第一和/或第二直流电压变换器模块可以分别具有谐振变换器。如果确保所述工作点不必被改变或者不必显著地被改变，那么该变换器类型可以在达到高的效率时特别有利地被使用。
[0015]按照直流电压变换器的另一实施方式，所述第一变换器装置和所述第二变换器装置可以在输出侧并联连接。
[0016]按照直流电压变换器的可替代的实施方式，所述第一变换器装置和所述第二变换器装置可以在输出侧串联连接。在此，在另一实施方式中，所述控制装置可以被设计用于，以可变的第一输出电压运行第一变换器装置，并且以恒定的第二输出电压运行第二变换器
目.ο
[0017]这是特别有利的，因为所述第二变换器装置可以不仅以恒定的输入电压、而且以恒定的输出电压被运行。由此，第二变换器装置的设计在效率和功率效率方面进一步被改口 O
[0018]本发明实施方式的其它特征和优点参考附图由以下描述得出。
【附图说明】
[0019]图1示出按照本发明的一种实施方式的直流电压变换器的示意图；
图2示出按照本发明的另一实施方式的直流电压变换器的示意图；和图3示出按照本发明的另一实施方式的用于操控直流电压变换器的方法的示意图。
【具体实施方式】
[0020]图1示出直流电压变换器10的示意图，所述直流电压变换器10例如可以在例如混合动力车辆或者电动车辆的电驱动系统中被使用。所述电驱动系统可以在高压电网中包括高电压源、例如混合动力车辆或电动车辆的牵引电池或者其它蓄能装置。所述高电压源在此可以对高电压中间电路馈电，所述高电压中间电路例如可以包括中间电路电容器。所述高电压中间电路在此可以被与直流电压变换器10的输入端子5a和5b耦合，并且提供高压直流电压作为用于直流电压变换器10的输入电压U1。所述直流电压变换器10于是可以将所述输入电压Ui转换为输出直流电压U。，所述输出直流电压U。可以在直流电压变换器10的输出端子6a和6b处被截取，以便例如在混合动力车辆或者电动车辆的车载电网中作为车载电网直流电压被提供。
[0021]所述输出直流电压U。在此例如可以用于供给低压电池或者车载电网电池。此外，大量的车载电网负载可以连接到车载电网上，所述车载电网负载可以选择性地可连接到直流电压变换器10的输出端子上或者可断开。车载电网负载例如可以包括车辆的空调设备、点烟器、车载计算机、Hifi系统或者类似的电组件。
[0022]针对输入电压Ui的示例性和典型的值域包括大约200V至340V也或者包括250V至500V，对于输出直流电压Uo的示例性和典型的值域包括大约9V至15.5V。所述值域在混合动力车辆或者电动车辆情况下可能遭受强烈的波动，使得所述直流电压变换器10或者其组件应当被设计用于均衡所述波动。
[0023]对此，图1的直流电压变换器10包括SIPO拓扑结构、也即两个变换器装置I或者2在输入侧通过各自的变换器输入端子3a、3b或者4a、4b串联地或串行地(in Reihe)连接，而所述变换器装置I或者2在输出侧并联地接线。变换器装置I和2的数量仅示例性用2示出，每个其他的大于2的数量同样地可以被设置用于所述变换器装置I或者2。在此附加的变换器装置可以以与变换器装置I或者2类似的方式被构建，并且在输入侧串联地以及在输出侧与变换器装置I或者2并联地被耦合。
[0024]所述直流电压变换器10具有第一变换器装置I，所述第一变换器装置I被设计用于，将输入直流电压Ui的第一分电压j.UinV转换为第一输出直流电压。所述分电压j.UinV在此按在第一变换器装置I中设置的直流电压变换器模块Ia至Ij的数量而定，所述直流电压变换器模块可以例如分别相同地被构建。所述直流电压变换器模块Ia至Ij在输入侧通过各自的模块输入端子3a、3b以串联的方式耦合，使得直流电压变换器模块Ia至Ij中的每个可以将模块分电压Uinv作为输入电压接收。在输出侧，所述直流电压变换器模块Ia至Ij以并联的方式耦合。
[0025]所述直流电压变换器10此外具有第二变换器装置2，所述第二变换器装置2在输入侧以与所述第一变换器装置I串联的方式親合在第一输入电压端子5a和第二输入电压端子5b之间，并且所述第二变换器装置2被设计用于，将输入直流电压U1的第二分电压k.UinK转换为第二输出直流电压。在图1的示例中，第一变换器装置I和第二变换器装置2的输出端子以并联的方式耦合，使得第一变换器装置I的第一输出电压对应于第二变换器装置2的第二输出电压、也即两个变换器装置I和2有助于同一总输出电压U。。
[0026]所述第二变换器装置2以与所述第一变换器装置I类似的方式具有直流电压变换器模块2a至2k，并且被设计用于，将输入直流电压Ui的第二分电压k.UinKR换为输出直流电压。所述分电压k.UinK在此按在第二变换器装置2中设置的直流电压变换器模块2a至2k的数量而定，所述直流电压变换器模块可以例如分别相同地被构建。所述直流电压变换器模块2a至2k在输入侧通过各自的模块输入端子4a、4b以串联的方式耦合，使得直流电压变换器模块2a至2k中的每个可以将模块分电压UinK作为输入电压接收。所述直流电压变换器模块2a至2k在输出侧以并联的方式耦合。
[0027]直流电压变换器模块Ia至Ij的数量和直流电压变换器模块2a至2k的数量在此可以是不同的一一尤其可能的是，这样地确定各个直流电压变换器模块的数量或者其彼此的比例的大小，使得通过第一变换器装置I所接收的第一分电压j.Uinv对应于输入电压扩展(Eingangsspannungsspreizung)，并且通过所述第二变换器装置2接收的第二分电压k.UinK对应于输入电压Ui的输入电压范围的最小值。这能够实现，以可变的第一分电压j.UinV运行所述第一变换器装置I，并且以恒定的第二分电压k.UinK运行所述第二变换器装置2。
[0028]这可以例如通过控制装置9实现，所述控制装置9与所述第一变换器装置I和所述第二变换器装置2耦合，并且被设计用于相应地操控第一和第二变换器装置I或者2的直流电压变换器模块Ia至Ij或者2a至2k。
[0029]有利地，所述第一和/或第二直流电压变换器模块Ia至Ij和2a至2k可以分别具有谐振变换器。所述变换器类型在恒定的工作点情况下可以特别高效地被运行。
[0030]图2示出另一直流电压变换器20的示意图。所述直流电压变换器20与图1的直流电压变换器10基本上不同之处在于:所述第一变换器装置I和所述第二变换器装置2在输出侧不是并联地、而是通过子输出端子7a和7b或者8a和Sb串联地连接。所述第一变换器装置I因此可以提供可变的输出电压IU，所述第二变换器装置2可以提供恒定的输出电压Ucik，所述可变的输出电压和所述恒定的输出电压在输出端子6a和6b处相加为总输出电压U。。
[0031]所述控制装置9在此此外可以被设计用于，以可变的第一输出电压Uciv运行第一变换器装置1，并且以恒定的第二输出电压Ucik运行第二变换器装置2。换句话说，所述第一变换器装置I可以截获(auffangen)所述输出电压扩展，而所述第二变换器装置2可以满足输出电压范围的最小值。
[0032]这能够实现第二变换器装置2的直流电压变换器模块2a至2k的进一步的功率优化。
[0033]图3示出用于操控直流电压变换器、尤其如在图1或者2中示范性地示出的混合动力车辆或者电动车辆的电驱动系统中的直流电压变换器10或20的方法30的不意图。在第一步骤31中，利用第一变换器装置I将输入直流电压Ui的第一分电压j.UinvR换为输出直流电压。在第二步骤32中，利用第二变换器装置2将输入直流电压Ui的第二分电压k.UinK转换为输出直流电压。
[0034]在此，在步骤33中以可变的第一分电压j.Uinv运行所述第一变换器装置I，并且在步骤34中以恒定的第二分电压k.UinK运行所述第二变换器装置2。
【主权项】
1.直流电压变换器(10;20)，具有: 第一输入电压端子(5a)和第二输入电压端子(5b)，输入直流电压(Ui)可被施加在所述第一输入电压端子和所述第二输入电压端子之间； 第一变换器装置(1)，所述第一变换器装置(I)被设计用于，将输入直流电压(U1)的第一分电压(j.UinV)转换为输出直流电压； 第二变换器装置(2)，所述第二变换器装置(2)在输入侧以与所述第一变换器装置(I)串联的方式耦合在所述第一输入电压端子(5a)和所述第二输入电压端子(5b)之间，并且所述第二变换器装置(2)被设计用于，将输入直流电压(Ui)的第二分电压(k.UinK)转换为输出直流电压;和 控制装置(9)，所述控制装置(9)与所述第一变换器装置(I)和所述第二变换器装置(2)耦合，并且所述控制装置(9)被设计用于，以可变的第一分电压(j.Uinv)运行所述第一变换器装置(1)，并且以恒定的第二分电压(k.UinK)运行所述第二变换器装置(2)。2.按照权利要求1所述的直流电压变换器(10;20)，其中所述第一变换器装置(I)具有多个直流电压变换器模块(Ia; I j )，所述直流电压变换器模块(la； Ij )在输入侧以串联的方式并且在输出侧以并联的方式耦合，并且所述直流电压变换器模块(la; Ij)可以分别地以第一分电压(j.UinV)的模块分电压(UinV)作为输入电压被运行。3.按照权利要求1和2之一所述的直流电压变换器(10;20)，其中所述第二变换器装置(2)具有多个直流电压变换器模块(2a; 2k)，所述直流电压变换器模块(2a; 2k)在输入侧以串联的方式并且在输出侧以并联的方式耦合，并且所述直流电压变换器模块(2a;2k)可以分别以第二分电压(k.UinK)的恒定的模块分电压(UinK)作为输入电压被运行。4.按照权利要求1至3之一所述的直流电压变换器(10;20)，其中所述第一和/或第二直流电压变换器模块(Ia; I j ; 2a; 2k)分别具有谐振变换器。5.按照权利要求1至4之一所述的直流电压变换器(10)，其中所述第一变换器装置(I)和所述第二变换器装置(2)在输出侧并联连接。6.按照权利要求1至4之一所述的直流电压变换器(20)，其中所述第一变换器装置(I)和所述第二变换器装置(2 )在输出侧串联连接。7.按照权利要求6所述的直流电压变换器(20)，其中所述控制装置(9)此外被设计用于，以可变的第一输出电压(Uciv)运行所述第一变换器装置(1)，并且以恒定的第二输出电压(Ucik)运行所述第二变换器装置(2)。8.可电运行的车辆，具有: 尚压电网； 车载电网;和 按照权利要求1至7之一所述的直流电压变换器(10; 20)，所述直流电压变换器(10; 20)将所述高压电网与所述车载电网耦合，并且所述直流电压变换器(10;20)被设计用于，将高压电网的高压直流电压转换为用于所述车载电网的车载电网直流电压。9.用于操控直流电压变换器(10;20)的方法(30)，具有步骤: 利用第一变换器装置(I)将输入直流电压(Ui)的第一分电压(j.Uinv)转换(31)为输出直流电压； 利用第二变换器装置(2)将输入直流电压(Ui)的第二分电压(k.UinK)转换(32)为输出直流电压； 以可变的第一分电压(j.Uinv)运行(33)所述第一变换器装置(I);和 以恒定的第二分电压(k.UinK)运行(34)所述第二变换器装置(2)。
【文档编号】H02M3/00GK105850018SQ201480053714
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年9月2日
【发明人】D.塔斯特金, S.布茨曼
【申请人】罗伯特·博世有限公司