一种电动车辆的转换装置和方法
【专利摘要】本发明涉及提供一种结合了车载充电器和低压低电压直流转换器的一体式转换器及和方法。该一体式转换器可提高车辆的电池的充电效率并向电子设备负载提供了高密度电力。可使用一体式转换器提高高电压电池的充电效率和向低电压转换器的电力传输效率。另外，由于低电压转换器能从一体式转换器输入充分稳定的电压，因此低电压转换器接收高密度电力。
【专利说明】一种电动车辆的转换装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种转换装置和方法，该转换装置和方法对电动车辆的高电压电池和 低电压电池充电，并且向电子设备负载提供必要的电力。
【背景技术】
[0002] 插入式混合动力电动车辆（PHEV :Plug_in Hybrid Electric Vehicle)或电动 车辆（EV:Electric Vehicle)使用车载充电器（0BC:0n Board Charger)的常用交流 (AC Alternating Current)电源对车辆的高电压电池充电，并且使用低电压直流-直流 (DC-DC)转换器（LDC :Low Voltage Direct Current-Direct Current Converter)对车辆 的低电压电池充电并向电子设备负载提供电力。〇BC基于电池的荷电状态（SoC:State of Charge)产生电池所需的电压（例如，SoC最小?SoC最大）。然后LDC通过转换从电池输 入的可变高电压，将其供应至输入电子设备负载和低电压电池。
[0003] 近年来，已在进行关于提高对电动车辆的高电压电池充电的0BC的效率并向LDC 提供高密度电源的研究。
[0004] 本部分公开的上述信息仅用于增强对本发明【背景技术】的理解，因此其可能包括不 构成本国家本领域技术人员所已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种结合了 0BC和LDC的一体式转换装置和方法，该装置和方法可提 高电动车辆的电池的充电效率，并且向电子设备负载提供高密度电力。
[0006] 根据本发明的一不例性实施例，电动车辆的一体式转换装置可包括：电源转换模 块，当上述电动车辆充电时，将所输入的AC电压转换为第一 DC电压，并且将上述第一 DC电 压传输至低电压转换器；和双向降压-升压模块（bidirectional buck-boost module),当 上述电动车辆充电时，将上述第一 DC电压升高至第二DC电压，并且将上述第二DC电压传 输至高电压电池，而当上述电动车辆运行时，减小从上述高电压电池输出的第三DC电压， 并且将上述减小后的第三DC电压传输至上述低电压转换器。
[0007] 上述电源转换模块可包括：AC电源整流模块，将上述AC电压转换为上述第一 DC电压；升压模块，升高上述第一 DC电压；和整流模块，对上述升高后的第一 DC电压进 行整流。上述升压模块，可包括功率因数校正升压（PFC升压（PFC boost:Power Factor Correction Boost))电路、连续导通模式（CCM:Continuous Conduction Mode)PFC 电路和 半无桥交错式（semi-bridgeless interleaved)PFC电路中的至少一个。上述整流模块，可 包括移相全桥电路（Phase Shift Full Bridge Circuit)、中心抽头同步整流电路（Center Tap Synchronous Rectifier Circuit)、半桥电路、串联谐振转换器电路、中心抽头二极管 整流电路（Center Tap Diode Rectifier Circuit)和全桥二极管整流电路中的至少一个。 双向降压-升压模块可通过操作上述双向降压-升压模块的开关，将上述第一 DC电压升高 至上述第二DC电压，并且减小上述第三DC电压。上述低电压转换器可向上述电动车辆的低 电压电池和电子设备负载提供电力。上述高电压电池可向电动车辆的电动机/发电机（MG : Motor/Generator)提供电力。
[0008] 此外，本发明提供一种操作电动车辆的转换器的方法。操作电动车辆的转换器的 方法可包括：当上述电动车辆充电时，将所输入的AC电压转换为第一 DC电压，并且将上述 第一 DC电压传输至低电压转换器；当上述电动车辆充电时，将上述第一 DC电压升高至第二 DC电压，并且将上述第二DC电压传输至高电压电池；和当上述电动车辆运行时，减小从上 述高电压电池输出的第三DC电压，并且将上述减小后的第三DC电压传输至上述低电压转 换器。
[0009] 上述方法还可以包括：升高上述第一 DC电压；和对上述升高后的第一 DC电压进 行整流。具体而言，上述第一 DC电压的升高步骤可由功率因数校正升压（PFC升压）电路、 连续导通模式（CCM)PFC电路和半无桥交错式PFC电路中的至少一个实现。另外，上述对升 高后的第一 DC电压进行整流的步骤可由移相全桥电路、中心抽头二极管整流电路、中心抽 头同步整流电路、半桥电路和全桥二极管整流电路中的至少一个实现。
[0010] 另外，上述第二DC电压的传输步骤可包括：通过操作开关将上述第一 DC电压升高 至上述第二DC电压。上述第三DC电压的传输步骤可包括：通过操作开关减小上述第三DC 电压。另外，上述低电压转换器可向上述电动车辆的低电压电池和电子设备负载提供电力。 上述高电压电池可向上述电动车辆的电动机/发电机（MG)提供电力。
[0011] 根据本发明的一示例性实施例，可使用一体式转换装置，提高高电压电池的充电 效率和向低电压转换器的电力传输效率。换句话说，一体式转换装置的DC/DC变压模块的 一次元件（first element)的传导损耗（conduction loss)得以减小，而且被包括在整流 模块中的二极管正向电压下降得以减小，从而减小了电力损耗。另外，由于一体式转换装置 不使用输出保护二极管，因此可减小输出保护二极管中的电力损失。此外，由于低电压转换 器可从一体式转换装置输入稳定电压，因此低电压转换器可接收高密度电力。而且，由于低 电压转换器可由低容量（low-capacity)元件实现，因此可减小低电压转换器的体积，从而 提高了低电压转换器的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的示例性实施例的电动车辆的充电系统的示例性框图；
[0013] 图2A和图2B是示出本发明的示例性实施例的电动车辆的充电系统的电路的示例 图；
[0014] 图3至图7是本发明的另一示例性实施例的电动车辆的充电系统的电路的示例 图。
【具体实施方式】
[0015] 应理解，本文使用的术语"车辆"（vehicle)或"车辆的"（vehicular)或其它类似 术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车（SUV)在内的乘用车、公交车、卡车、各种 商务车、包括各种船只和船舶的水运工具、飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入 式混合电动车、氢动力车、燃料电池车和其它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的 燃料）。如本文所指出的，混合动力车辆是指具有两种或更多动力源的车辆，例如含有汽油 动力和电动力两种动力的车辆。
[0016] 虽然示例性实施例被描述为利用多个单元来执行上述示例性进程，但应该理解， 示例性进程也可以由一个或多个模块执行。此外，应该理解术语"控制器/控制单元"是指 包括存储器和处理器的硬件装置。该存储器配置为存储上述模块，而处理器具体配置为执 行上述模块，以便执行下面进一步描述的一个或多个进程。
[0017] 此外，本发明的控制逻辑也可具体化为计算机可读介质上的非瞬时性计算机可读 介质，该计算机可读介质包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令。计 算机可读介质的例子包括但不限于ROM、RAM、CD-ROM(只读光盘），磁带、软盘、闪盘（flash drive)、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可分布在连接网络（network coupled)的计算机系统中，以便例如通过远程服务器或控制器区域网络（CAN Controller Area Network)以分布形式存储和执行计算机可读介质。
[0018] 本文使用的术语仅仅是为了说明示例性实施方式的目的而不是意在限制本发明。 如本文所使用的，单数形式"一个、一种（a、an和the)"也意在包括复数形式，除非上下文中 清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语"包括（compri ses和/或compri s ing) " 是指存在所述特征、整数（Integer，整体）、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或 添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术 语"和/或"包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
[0019] 在以下的详细描述中，本发明的示例性实施例仅以例证的方式示出和进行描述。 本领域技术人员将会理解，所描述的示例性实施例可按各种不同的方式修改，而不脱离本 发明的精神或范围。另外，附图和描述自然应释为例证性的而不是对本发明的限制。在说 明书全文中，相同附图标记指代相同元件。
[0020] 说明书全文中，除非另行相反地说明，说明书中描述的每一个术语"单元"，器"， 部"，模块"和块"指的是处理至少一个功能或操作的单位，其可以由硬件、软件、或 者硬件和软件的组合来实现。
[0021] 图1是本发明的一示例性实施例的电动车辆的一体式转换器的示例性框图。如图 1所示，本发明的一示例性实施例的电动车辆的充电系统1〇〇可包括一体式转换器110、高 电压电池120和低电压DC/DC转换器130。
[0022] -体式转换器110可配置为将AC输入电源转换为DC电源，对高电压电池120充 电，并向低电压DC/DC转换器130提供电源。高电压电池120可配置为利用通过一体式转 换器110充入的电力向多个逆变器30提供电源，从而操作电动机/发电机（MG)或者向低 电压DC/DC转换器130提供电源。低电压DC/DC转换器130可配置为接收来自一体式转换 器110或高电压电池120的电源，对低电压电池10充电或向电子设备负载20提供电源。
[0023] 图2是不出本发明的一不例性实施例的电动车辆的一体式转换器电路的不例图。 如图2所示，本发明的一示例性实施例的由控制器执行的充电系统100可包括一体式转换 器110、高电压电池120和低电压DC/DC转换器130。一体式转换器110可包括AC电源整流 模块111、功率因数校正升压模块112、DC/DC变压模块113、整流模块114和双向降压-升 压模块115。
[0024] 根据本发明的示例性实施例，如图2所示，一体式转换器的功率因数校正升压模 块112可由功率因数校正升压（PFC升压）转换器实现，DC/DC变压模块113可由移相全桥 转换器实现，整流模块114可由中心抽头二极管整流器实现。
[0025] 图2A是示出本发明的一示例性实施例的电动车辆充电时的充电系统的示例图。 AC电源整流模块111的整流二极管（D1至D4)可配置为从AC电压（Vin)的波形产生全波 整流波形，电容C1可配置为通过在全波整流波形的下降曲线释放所充入的电压，向功率因 数校正升压模块112传输DC电压。
[0026] 功率因数校正升压模块112可配置为利用功率因数校正电感L1和功率因数校正 电容C2,校正功率因数（pf)，并且通过操作开关Ml升高DC电压。本发明的一示例性实施 例的一体式转换器110的功率因数校正升压模块112可配置为通过设计更小尺寸的校正电 容C2来减小一体式转换器的尺寸。由于低电压DC/DC转换器130可以从双向降压-升压 模块115的电容接收能量，因此可使用减小后的电容C2。
[0027] 而且，升高后的DC电压可作为电池的最小SoC通过DC/DC变压模块113和整流模 块114输出。换句话说，DC电压可从整流模块114传输至低电压DC/DC转换器130。DC/DC 变压模块113可配置为通过开关（M2至M5)调整占空比来改变DC电压的大小。另外，整流 模块可配置为使用整流二极管（D1和D2)将从DC/DC变压模块的次级线圈（二次线圈）输 出的电压改变为DC电压。
[0028] 双向降压-升压模块115可配置为将从整流模块114输出的DC电压升高，并且将 高电压电池120充电至所需电压（例如，预定电压）。无论该电池的电压状况如何，电容C3 的电压均可以形成得一致。电容C3上形成的一致电压可成为SoC最小电压或最大电压。双 向降压-升压模块115可配置为在高电压电池120充电期间，起到升压转换器的作用，从而 产生高电压电池所需电压。双向降压-升压模块115可配置为基于如下面的公式1所示的 开关M6的占空比（duty ratio)产生输出电压。
[0029] 公式 1 :
【权利要求】
1. 一种车辆的转换装置，其特征在于，包括： 电源转换模块，配置为当所述车辆充电时，将所输入的交流（AC)电压转换为第一直流 0C)电压，并且将所述第一DC电压传输至低电压转换器；和 双向降压-升压模块，配置为当所述车辆充电时，将所述第一DC电压升高至第二DC电 压，并且将所述第二DC电压传输至高电压电池，而当所述车辆运行时，减小从所述高电压 电池输出的第三DC电压，并且将所述减小后的第三DC电压传输至所述低电压转换器。
2. 如权利要求1所述的电动车辆的转换装置，其特征在于，所述电源转换模块包括： AC电源整流模块，配置为将所述AC电压转换为所述第一DC电压； 升压模块，配置为升高所述第一DC电压；和 整流模块，配置为对所述升高后的第一DC电压进行整流。
3. 如权利要求2所述的车辆的转换装置，其特征在于： 所述升压模块包括功率因数校正升压（PFC升压）电路、连续导通模式（CCM)PFC电路 和半无桥交错式PFC电路中的至少一者。
4. 如权利要求2所述的车辆的转换装置，其特征在于： 所述整流模块包括移相全桥电路、中心抽头同步整流电路、半桥电路、串联谐振转换器 电路、中心抽头二极管整流电路和全桥二极管整流电路中的至少一者。
5. 如权利要求1所述的车辆的转换装置，其特征在于： 所述双向降压-升压模块配置为通过操作所述双向降压-升压模块的开关，将所述第 一DC电压升高至所述第二DC电压并且降低所述第三DC电压。
6. 如权利要求1所述的车辆的转换装置，其特征在于： 所述低电压转换器配置为向所述车辆的低电压电池和电子设备负载提供电力。
7. 如权利要求1所述的车辆的转换装置，其特征在于： 所述高电压电池配置为向所述车辆的电动机/发电机（MG)提供电力。
8. -种操作车辆的转换器的方法，其特征在于，包括： 当所述车辆充电时，由控制器将所输入的交流（AC)电压转换为第一DC电压，并且将所 述第一直流0C)电压传输至低电压转换器； 当所述车辆充电时，由所述控制器将所述第一DC电压升高至第二DC电压，并且将所述 第二DC电压传输至高电压电池；和 当所述车辆运行时，由所述控制器减小从所述高电压电池输出的第三DC电压，并且将 所述减小后的第三DC电压传输至所述低电压转换器。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括： 由所述控制器升高所述第一DC电压并且对所述升高后的第一DC电压进行整流。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于： 所述升高的步骤由功率因数校正升压（PFC升压）电路、连续导通模式（CCM)PFC电路 和半无桥交错式PFC电路中的至少一者实现。
11. 如权利要求9所述的方法，其特征在于： 所述整流的步骤由移相全桥电路、中心抽头二极管整流电路、中心抽头同步整流电路、 半桥电路、和全桥二极管整流电路中的至少一者实现。
12. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述传输第二DC电压的步骤包括： 由所述控制器，通过操作开关将所述第一DC电压升高至所述第二DC电压。
13. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述传输第三DC电压的步骤包括： 由所述控制器，通过操作开关减小所述第三DC电压。
14. 如权利要求8所述的方法，其特征在于： 所述低电压转换器配置为向所述车辆的低电压电池和电子设备负载提供电力。
15. 如权利要求8所述的方法，其特征在于： 所述高电压电池配置为向所述车辆的电动机/发电机（MG)提供电力。
【文档编号】H02M7/02GK104377791SQ201310757053
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年8月12日
【发明者】金钟弼, 河昇佑, 金三均, 李宇宁 申请人:现代自动车株式会社