用于电动车辆的电力转换器的制造方法
【专利摘要】公开了一种车辆，该车辆具有用于操作高压设备的高压电源，该高压设备诸如为用于推动车辆的电动马达。高压设备由与该设备配对的且需要低压电力的专用控制器来控制。车辆包括一个或多个转换器，该一个或多个转换器与专用控制器(多个专用控制器)配对并且用于将高压电力转换成适于为控制器供能的低压电力。
【专利说明】
用于电动车辆的电力转换器
技术领域
[0001] 本发明大体涉及用于向电动车辆中的控制器提供低压电力的系统。
【背景技术】
[0002] 电动车辆是本领域公知的。通常，这种车辆包括用于驱动车辆的一个或多个车轮 的一个或多个电动马达。用于一个或多个电动马达的电力由诸如蓄电池、一个或多个燃料 电池、例如由内燃机供能的发电机等电源来提供。因为电动马达(多个电动马达)需要数十 千瓦或更多的电力，所以期望提供高压电源以使电力供应线路中的电流保持在合理的范围 内。出于该目的，通常使用提供150伏至800伏范围中的电力的电源。
[0003] 通常，电动车辆包括多种辅助设备，诸如灯(包括头灯、尾灯、刹车灯、内灯）、音频 设备、导航设备、发动机和车辆监视设备等。这些辅助设备通常是内燃机供能的车辆中的常 用的类型，并且设计成由例如12伏或24伏的低压电源供能。相应地，电动车辆通常配备有两 个电源：用于为电动马达或马达供能的高压电源，以及用于为各种普通辅助设备供能的低 压电源。
[0004] 驱动电动车辆的电动马达需要用于控制输入至电动马达和从电动马达输出的电 力的控制器。这种控制器需要低压电源来进行其操作。通常，使用电动车辆中的低压电源来 为普通辅助设备供能以及为控制器供能。然而已经发现，该方案伴随有诸多缺点。
[0005] 期望的是，将马达控制器放置成尽可能靠近马达。例如，轮内电动马达的控制器优 选地放置在包括马达的车轮内。因此，车轮必须配备有双电力线路，即，用于为马达供能的 高压电力线路以及用于为控制器供能的低压电力线路。
[0006] 已经发现，对外部供应的低压电力的依赖性导致双电力线路方案存在可靠性问 题。低压电源可能显示出过度的电压波动。这种波动可能是由于对低压电力供应源的峰值 需求和偶然的短路而引起的。电压波动的这些原因及其它原因在ISO 16750-2中列出，ISO 16750-2中的公开内容通过引用并入本文。
[0007] 另外已经发现，双电力线路方案使得难以符合联合国欧洲经济委员会(UN/ECE)第 10号法规-涉及关于电磁兼容性的车辆批准的统一规定（"R 10"）。
[0008] 因此，需要缓解与双供应线路方案相关的问题的、通向电动车辆中的控制器的电 力供应源。
【发明内容】
[0009] 本发明通过提供这样的车辆来解决这些问题，该车辆包括：
[0010] a ?高压DC电源；
[0011] b.设计成由高压电源供能的至少一个设备；
[0012] c.专用控制器，与至少一个设备配对并且用于控制该至少一个设备的操作，该控 制器设计成由低压电源供能；
[0013] d.转换器，与专用控制器配对并且用于将来自高压电源的电力转换成用于直接为 控制器供能的低压电力。
[0014] 本发明的另一方面包括用于将车辆转换成电驱动的套件，该套件包括：
[0015] a ?高压DC电源；
[0016] b.设计成由高压电源供能的至少一个设备；
[0017] c.专用控制器，用于与至少一个设备配对以及用于控制该至少一个设备的操作， 该控制器设计成由低压电源供能；
[0018] d.转换器，用于与专用控制器配对以及用于将来自高压电源的电力转换成用于直 接为控制器供能的低压电力。
【附图说明】
[0019] 将参照附图对本发明进行阐述。图1至图7表示本发明【具体实施方式】的电路图，其 中：
[0020] 图1示出了控制器部分；
[0021] 图2示出了启动电路；
[0022]图3示出了补偿回路；
[0023]图4示出了反激转换器；
[0024]图5示出了输入滤波器；
[0025]图6示出了输出滤波器；以及
[0026]图7示出了具有如图1至图6所示的框的完整电力转换器。
【具体实施方式】
[0027]以下是本发明的详细说明。
[0028] 定义
[0029] 如本文所使用的术语"R 10"是指联合国欧洲经济委员会(UN/ECE)第10号法规-涉 及关于电磁兼容性的车辆批准的统一规定。R 10适用于欧盟中的国家。其它地理区域具有 类似的电磁兼容性（"EMC")法规，术语"R 10"也包含这些法规。
[0030] 如本文所使用的术语"换流器"是指将直流电流(DC)转换成交流电流(AC)的电气 电力转换器。应理解，在特定应用中可以使用双向换流器。例如，可以使用无刷电动马达来 推动车辆，且该无刷电动马达可在再生制动期间用作发电机。在后一种模式中，换流器实际 将由马达生成的交流电流转换成直流电流。
[0031] 在最宽泛的方面，本发明涉及一种车辆，该车辆包括：
[0032]-高压DC电源；
[0033] -设计成由高压电源供能的至少一个设备；
[0034] -控制器，用于控制至少一个设备的操作，该控制器设计成由低压电源供能；
[0035] _转换器，用于将来自高压电源的电力转换成用于直接为控制器供能的低压电力。
[0036]车辆可以是任何电动车辆。车辆可具有一个电动马达或多个电动马达。车辆还可 包括可在任何类型的混合装置中为一个或多个车轮供能的内燃机，或可提供用于为一个或 多个电动马达供能的电动力的内燃机。在【具体实施方式】中，车辆配备有一个或多个(例如两 个）具有轮内电动马达的车轮，例如，如EP 1 252 034 B1、GB 2440251 B1和W0 2013/ 026659 A2中所描述的。设计成由高压电源供能的至少一个设备例如为电动马达或马达。 [0037]应理解，车辆的其它车载设备可由高压电源供能。示例包括操作诸如水栗、空气压 缩机、液压栗、空气调节压缩机等的辅助设备的电动马达。通常，车辆的具有超过100瓦特的 电力需求的任何车载设备可适当地由高压电源供能。
[0038] 高压电源提供电压在从100伏到1000伏(优选地，从150伏到800伏）的范围中的电 力。高压电源通常生成DC电力。示例包括蓄电池、光伏电池、燃料电池、发电机等。应理解，任 何电动车辆均可获得本发明的有益效果，而与使用的高压电源的具体类型无关。
[0039] 由高压电源供能的设备与用于控制设备的操作的控制器配对。可以使两个或更多 设备共享公共的控制器。期望的是，将控制器放置成非常接近被控制的设备或多个设备。例 如，如果设备是轮内马达，则控制器优选地放置在包括马达的车轮内。
[0040] 控制器由例如12伏或24伏的低压电源供能。通常，车辆配备有用于为风挡刮水器、 头灯、顶灯、刹车灯、尾灯等供能的低压电源。根据车辆的类型，低压电源可提供12伏的DC电 力或24伏的DC电力。例如，客车可包括12伏电源;卡车和公共汽车可具有12伏电源或24伏电 源。电源可包括一个或多个储能设备，诸如铅/酸电池。
[0041]通常，使用车辆的低压电力供应源来同样向控制器或多个控制器供应电力，其中， 控制器或多个控制器控制由高压电源供能的设备或多个设备。由于期望控制器放置成非常 接近设备，所以传统方法需要通向设备的双电力线路，即通向设备本身的高电压线路以及 通向控制器的低压线路。这增加了车辆的复杂性。
[0042] 双电力线路方法的严重不足是，低压电源可能经受严重的电压降。该电压降可归 因于对低压电源的急剧峰值需求。例如，在暴雨中，车辆驾驶员可能同时打开加热鼓风机、 风挡刮水器、后窗除霜器和空气调节压缩机，以保持通过风挡和后窗的能见度。这可能使得 电压暂时降低至操作控制器所需的最低值以下，这可能造成危险情况。造成这种电压降的 其它可能的原因在IS016750-2中列出。
[0043] 控制器上这种电压降的影响可通过提供诸如电容器组的补偿电路来缓解。该补偿 电路带来了EMC问题。相应地，已经发现，安装用于电动车辆的、分别符合R10的电子元件非 常困难。替代地，实践是在将这种组件放置到车辆中之后遮蔽这些组件，并且就R10符合性 整体地对车辆进行测试。但是，更好的是使每个单独的组件符合R10。
[0044] 代替地，本发明的车辆使用高压DC电源来向设备和控制器二者提供电力。因此需 要一个电力线路。控制器与用于将来自高压电源的电力转换成用于直接为控制器供能的低 压电力的转换器配对。
[0045] 为了保持低压电力系统的电池或多个电池被充分充电，已知使用电动车辆中的转 换器来将高压DC电力转换成低压DC电力。另外已知的是，然后使用低压DC电力来向车辆中 的控制器提供电力。在该现有技术装置中，控制器由降压转换器供能，但是仅间接地由降压 转换器供能。本发明通过直接从转换器向控制器提供电力，确保了通向控制器的电力供应 源不受低压DC电力供应源中的波动的影响。
[0046] 在替代实施方式中，控制器附加地连接至车辆的低压电力供应源，以在转换器发 生故障的情况下提供备用。
[0047]已经发现，转换器可配置成符合R10。
[0048]在实施方式中，车辆包括由高压电源供能的多个设备。设备可包括:用于推动车辆 的一个或多个电动马达，例如轮内电动马达；以及用于操作辅助设备的一个或多个电动马 达，其中辅助设备诸如为水栗、空气压缩机、液压栗、空气调节压缩机等。
[0049] 应理解，辅助设备中的一个或多个可具有与安全相关的功能，诸如制动、动力转向 等。本发明的该【具体实施方式】的重要优点是，当存在用于推动车辆的电动马达的电力时，与 安全相关的辅助设备及其控制器二者也接收该电力。
[0050] 在实施方式中，设计成由高压电源供能的设备中的每个与专用控制器配对，其中 专用控制器用于控制与其配对的设备的操作。
[0051] 在实施方式中，设备是电动马达，且与电动马达配对的专用控制器是换流器的一 部分。电动马达可设计成用于推动车辆。
[0052]转换器可以是降压转换器，例如，隔离型降压转换器或非隔离型降压转换器。合适 的转换器的示例包括反激转换器、降压型转换器(buck converter)和LLC转换器。本文优选 使用的为反激转换器。具体地，优选为包括有源箝位控制器的反激转换器。转换器可包括用 于改进电压控制的补偿器。转换器还可包括输入滤波器和/或输出滤波器。这些滤波器有助 于转换器的符合R10的操作。
[0053]在使用中，转换器从高压电力供应源为其自身提供低压电力供应源。转换器可设 置有在启动期间为转换器提供低压电力的启动电路。在控制器还连接至车辆的低压电源的 情况下，可省去启动电路。但是，为了实现正当冗余，优选地也在该装置中包括启动电路。 [0054]由于转换器可制造成符合诸如R10的公路车辆标准，所以该发明尤其适于公路车 辆。转换器无需使用光耦合器，这避免了相关的成本和可靠性问题。
[0055] 示例性实施方式/示例的说明
[0056] 以下是本发明某些实施方式的说明，这些实施方式仅以示例的方式给出。
[0057] 将参考有源箝位反激转换器对本发明进行说明。应理解，可使用其它降压转换器 来代替反激转换器。图1示出了电路的核心部分，即控制器本身。
[0058] 在附图所示的实施方式中，各种元件具有如下表给出的值或类型。在附图和说明 书中，由具有字母"R"且后面跟有标号的参考符号指示的元件是指电阻器；由具有字母"C" 且后面跟有标号的参考符号指示的元件是指电容器；由具有字母"D"或"Z"且后面跟有标号 的参考符号指示的元件分别指二极管和齐纳二极管；由具有字母"L"或"T"且后面跟有标号 的参考符号指示的元件分别指电感器和变压器；以及由具有字母"Q"、"U"或"J"且后面跟有 标号的参考符号指示的元件是指晶体管、1C或运算放大器，其中，引脚标号和具体引脚名称 在图中示出。以"V"开始的参考符号表示电势，V5具体表示5伏的电势，以及"HV"表示高电 压。附图利用如本领域惯用的制图习惯来绘制。附图仅示出了示例；也可使用其它值和/或 类型的元件。电阻器R28和R34实际上没有放置在附图的电气方案中，这意味着其实质上具 有无穷的电阻。
[0059] 集成电路U1是有源箝位控制器，具体为具有如附图所指示的各引脚标号和引脚名 称的LM5025C有源箝位控制器。可在LM5025C有源箝位控制器的数据表中查找LM5025C有源 箝位控制器编程。该LM5025C有源箝位控制器针对400ns的死区时间（dead time)和100kHz 的切换频率进行编程。电阻器R17、R19和R18以及电容器CIO实现用于前馈补偿的反激开环 传输功能。更具体地，所示实施方式中使用了 LM5025CMTCE/N0PB有源箝位控制器U1。
[0060] 表1:电阻器值 Rl: 10Q Rll: 1MO R21: 64.9kQ R31: 4700 R2: 1MQ R12: 42.2kQ R22: 18kQ R32: 2.2kQ R3: 1MQ R13: 1MQ R23: 4.7kQ R33: lkQ R4: 2.20 R14: 10O R24: 86kQ R34:来放置 R5: 470 R15: lkQ R25: 33Q R35: IOkQ
[0061] R6: \ua R16: 470mQ R26: lOkQ R36: lOkQ R7: 1MH R17: 1MO R27: 86.6kH R8: lkQ R18: 71.5kO R28:未故置 R38: NTC 突波 R9: lOkH R19: lMO R29: lOkQ 限流器 RIO: 100 R20: 130kO R30; 330mO 500
[0062] 表2:电容器值 C1: 470nF Cll: lOOnF C2I: (Cap Poll) 180 ^iF
[0063] C2: 470nF Cl2: lOOnF C22: (Cap Poll) 180 ^iF (：3: Cap Poll IOjjF Cl3: 180pF C23: 820 pF C4: InF Cl4: InF C24: 22 f.iF C5: lOOnF C15: (Cap Pol I) 1 BOfiF C25: 100 nF C6: Cap Poll lOiiF Cl6: (Cap Poll) 180uF C26: 1 uF
[0064] C7: 47nF Cl7: (Cap Poll) lmF C27: lOOnF C8:220pF CIS: lOOnF C28: Cap Poll IO^iF C9: lOOnF Cl9: lOnF C29: Cap Poll lOjiF CIO: 820pF C20: (Cap Poll) 180pF
[0065] 表3:二极管和齐纳二极管类型 Dl: US1M D6: BAT54A D2: BAT54S D10:二极管 1N4007
[0066] D3: MBRB20100CT Zl: BZG03C12TR D4:二极管丨N4007 Z2: BZX84-C，电压：丨 5V D5:二极管丨N4007
[0067] 表4:电感器值/类型和变压器类型
[0068] Ll：220yH/744066221 T1:029900905
[0069] L2:10.0yH/744065100 T2:PA0184NLT
[0070] L3:220Q/742792022
[0071] 表5:晶体管、IC和运算放大器类型
[0072] Q1：IXFA3N120 U1:LM5025CMTCE/N0PB
[0073] Q2:MMBT2907LT1 U2:AD8601ARTZ
[0074] Q3:IXFA3N120 J1:662004231722或66200421122
[0075] Q4:IXTY01N100D(-ND)
[0076] Q5:MMBT3904
[0077]控制器IC U1通常从输出电压反馈。因为最初不存在可用的输出电压，所以控制器 必须由高输入电压启动。启动电路在图2中示出。
[0078] Q4是配置作为约10mA的电流源的耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管 (M0SFET)。输出是利用齐纳二极管Z1限制的电压。控制器从Vcc被馈电。当输出电压Vraw达 到约16伏时，Q4通过Q5截止，且从该点开始正向Vcc由输出电压生成。
[0079] 补偿回路被期望用于控制输出电压。对于隔离型反激转换器，这通常利用TL431和 光耦合器的组合来实现。因为无需电流隔离，所以可使用常用运算放大器并且避免了光耦 合器老化的问题。电路在图3中示出。运算放大器配置为类型3补偿器。形成具有5kHz的交叉 频率和81度的相位裕度的闭合环路。
[0080] 图4示出了反激转换器的操作。Q3、D3和T1形成反激转换器的核心部分。当Q3关闭 时，D3阻断且初级电感被充电。当被释放时，存储的能量传输至次级侧并且通过D3整流。Q1 和C7获取漏损的能量并提供零电压切换。R16是电流感测电阻器。该信号通过R15和C8进行 滤波并连接到调整器1C上的CS引脚。
[0081] 为了满足诸如R10的调整需求，期望对输入和输出二者进行滤波。图5示出了输入 滤波器。DC通过逆电流器(spacer)应用至HViruDl提供极性保护。R1在短路的情况下用作熔 断器。C5滤除残留噪声。L1和03、06、028、029构成^：滤波器，以减少输入上的电流波纹。1?2、 R6、R11和R13确保输入电压在电解电容器之上均匀地划分。R3、R7和R12对输入电压进行划 分，以使得120Vin相当于调整器IC上的UVL0引脚处的2.5V。Vbu 1 k是经滤波的电压。
[0082]图6示出了输出滤波器。Vraw通过C20、C15、C21和C16进行滤波。另外的波纹减少通 过由L2和C22形成的LC滤波器实现。当连接的负载展现出负阻抗时，C17和R30对滤波器产生 阻尼并保证稳定性。L3是铁氧体磁珠 (ferrite bead)，并且与C19一起滤除遗留在输出上的 任何残余切换噪声。
[0083]图7示出了具有如参照图1至图6所描述的框的完整电力转换器。图7中的框F1、F2、 F3、F4、F5和F6分别参考图1、图2、图3、图4、图5和图6。
[0084]因此，已经通过参考上述某些实施方式对本发明进行了描述。应意识到，这些实施 方式可允许本领域技术人员公知的各种修改和替代形式。例如，可通过使用另一类降压转 换器来对转换器进行修改。除高压转换器之外，控制器或多个控制器还可连接至车辆的低 压电力供应源以提供紧急电力。
[0085]在不背离本发明的精神和范围的情况下，可对本文所述的结构和技术进行除上述 修改之外的一些修改。因此，虽然已经描述了【具体实施方式】，但是这些实施方式仅是示例而 不限制本发明的范围。
【主权项】
1. 一种车辆，包括： a. 尚压DC电源； b. 至少一个设备，设计成由所述高压电源供能； c. 专用控制器，与所述至少一个设备配对并且用于控制所述至少一个设备的操作，所 述控制器设计成由低压电源供能； d. 转换器，与所述专用控制器配对，并且用于将来自所述高压电源的电力转换成用于 直接为所述控制器供能的低压电力。2. 如权利要求1所述的车辆，包括设计成由所述高压电源供能的多个设备，所述设计成 由所述高压电源供能的多个设备中的每个与用于控制与其配对的设备的操作的专用控制 器配对。3. 如权利要求2所述的车辆，其中，所述多个设备中的至少一个是电动马达，且与所述 电动马达配对的所述控制器是换流器的一部分。4. 如权利要求3所述的车辆，其中，所述电动马达设计成用于推动所述车辆。5. 如权利要求4所述的车辆，还包括用于操作水栗、空气压缩机、液压栗或空气调节压 缩机中的至少一个的电动马达。6. 如前述权利要求中任一项所述的车辆，其中，所述转换器是隔离型降压转换器或非 隔离型降压转换器。7. 如权利要求6所述的车辆，其中，所述转换器具有从150V到800V的操作高压范围。8. 如权利要求6或7所述的车辆，其中，所述转换器是反激转换器。9. 如权利要求8中任一项所述的车辆，其中，所述转换器还包括有源箝位控制器。10. 如权利要求8或9所述的车辆，其中，所述转换器还包括输入滤波器。11. 如权利要求8至10中任一项所述的车辆，其中，所述转换器还包括启动电路。12. 如权利要求8至11中任一项所述的车辆，其中所述转换器还包括补偿器。13. 如权利要求12所述的车辆，其中所述补偿器不包括光耦合器。14. 如前述权利要求中任一项所述的车辆，其中所述转换器包括输出滤波器。15. 如前述权利要求中任一项所述的车辆，所述车辆是公路车辆。16. 用于将车辆转换成电驱动的套件，所述套件包括： a. 尚压DC电源； b. 至少一个设备，设计成由所述高压电源供能； c. 专用控制器，用于与所述至少一个设备配对以及用于控制所述至少一个设备的操 作，所述控制器设计成由低压电源供能； d. 转换器，用于与所述专用控制器配对，以及用于将来自所述高压电源的电力转换成 用于直接为所述控制器供能的低压电力。
【文档编号】B60L11/18GK106029429SQ201480071084
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年12月24日
【发明人】乔里特·约布·霍伊辛科维尔德, 帕特里克·约翰内斯·克里斯蒂安·亨德里克斯
【申请人】依促迅欧洲私人有限公司