改进的直流转换器和供电装置的制作方法

本发明涉及用于向机动车辆的电气系统供电的装置的领域，并且涉及用于控制这种装置的方法。

背景技术：

为了能够与具有内燃机的车辆竞争，对电动车辆的电池的约束是显著的。因此，电池必须具有较高的比能量密度，也就是说，以小型的尺寸容纳大量的能量，以便提供大程度的自主权；并且必须是强力的，也就是说，能够在很短的时间内(特别是在使用再生制动的情况中的加速阶段或制动阶段)供应或存储大量的能量。

一种实现这些特性的方式是组合能量电池与动力电池。

然而，这种组合的使用一方面要求能够根据所需功率选择能够收集能量的电池，另一方面要求能够在电池之间传递能量，以便彼此充电。

当前，由于所涉及的功率是几十千瓦的量级，现有技术的dc电压转换器使得传递这样的功率成本可能很高，因为它需要具有高能量容量的磁性元件、和/或处理(输入或输出)电压以及整个传输电流的切换器件，从而造成大的切换损耗。

技术实现要素：

因此，需要找到能够以高效率将电力从一个电池传递到另一个电池的解决方案，而且能够选择从中获取电力的电池以便限制成本。

因此，本发明的一个主题是用于向机动车辆的电气系统供电的装置，该装置包括第一和第二电池以及dc电压转换器，dc电压转换器包括链接到第一电池的第一端子和链接到第二电池的第二端子，第二端子还旨在连接到电气系统，其中，dc电压转换器配置成形成串联布置在第一和第二电池之间的电流源，以便控制与第一电池交换的电流。

根据一个实施例，第一电池的比能量密度大于第二电池的比能量密度，和/或，第二电池的功率密度大于第一电池的功率密度。

根据一个实施例，dc电压转换器包括与第一和第二电池串联布置的电感器，以及配置为调节第一电感器中的电流的开关。

根据一个实施例，该装置包括：

-整流器，其与电感器串联布置，并且配置为对ac电压进行整流，以便传输控制流经电感器的电流的电压；

-逆变器，其配置为将ac电压从称为逆变器的电源的电压源传输到所述整流器；

-变压器，包括第一主绕组和副绕组，第一主绕组的端部链接到逆变器的输出，并且副绕组的端部链接到整流器的输入。

根据一个实施例，逆变器由第一电池供电。

根据一个实施例，逆变器由不同于第一电池和第二电池的电压源供电。

根据一个实施例，该装置包括充电器，其配置为从车辆外部的电气系统为逆变器的电源或第一电池充电。

根据一个实施例，逆变器包含在充电器内，并且变压器还包括连接到整流器的第二主绕组，至少一个开关配置为将所述整流器连接到逆变器的电源的端子或者第一电池，以便从所述充电器对逆变器的电源或所述第一电池充电。

根据一个实施例，该装置包括至少一个开关，其配置为当在第一电池和车辆的电气系统或第二电池之间交换能量时将逆变器连接到逆变器的电源，并且当所述电源或第一电池被充电器充电时将逆变器从逆变器的电源断开。

根据一个实施例，逆变器和充电器是两个不同的单元，并且变压器包括连接到所述充电器的第二主绕组，以便当所述电源或第一电池从所述充电器充电时对逆变器的电源或第一电池供电。

本发明还涉及用于向机动车辆的电气系统供电的装置，该装置包括第一和第二电池以及dc电压转换器，dc电压转换器包括链接到第一电池的第一端子和链接到第二电池的第二端子，第二端子也旨在连接到电气系统，其中，dc电压转换器配置成形成串联布置在第一电池和第二电池之间的电流源，以便控制与第一电池交换的电流；并且

其中，dc电压转换器包括：

-电感器，其与第一电池和第二电池串联布置；

-整流器，其与电感器串联布置，并且配置为对ac电压进行整流，以便传输控制流经电感器的电流的电压；

-逆变器，配置为将ac电压从称为逆变器的电源的电压源传输到所述整流器；

-变压器，包括第一主绕组和副绕组，第一主绕组的端部链接到逆变器的输出，并且副绕组的端部链接到整流器的输入。

根据本发明的装置可以包括关于根据本发明的第一装置的上述特征中的任何一个。

此外，根据一个实施例，第一电池和第二电池的相应正端子仅通过所述电感器和所述整流器彼此链接。换句话说，只有电感器和整流器布置在第一和第二电池的两个端子之间。特别地，为了控制与第一电池交换的电流，不需要具有其它部件，例如相对于供电装置的地浮置的电容器。

根据一个实施例，电感器的第一端子连接到第一电池的端子，或者相应地连接到第二电池的端子，电感器的第二端子连接到整流器的第一端子；并且整流器的第二端子连接到第二电池的端子，或者相应地连接到第一电池的端子。特别地，电感器的第一端子连接到第一或第二电池的正端子；并且整流器的第二端子连接到第二或第一电池的正端子。

根据一个实施例，逆变器的电源将其供电直接传输到逆变器的端子。特别地，逆变器的电源的正端子连接到逆变器的正端子，并且逆变器的负端子连接到逆变器的负端子。

根据一个实施例，第一和第二电池链接到同一个地。特别地，第一和第二电池链接到供电装置的地。

本发明还涉及一种机动车辆，其包括车载电气系统和根据本发明的用于向电气系统供电的装置。

本发明还涉及一种用于控制根据本发明的供电装置的方法，其中，第一和第二电池之间的电压差保持低于或等于一阈值。

根据一个实施例，控制逆变器和整流器的开关，以便保持跨过第一电池的端子的电压基本上等于跨过第二电池的端子的电压。

根据一个实施例，控制逆变器和整流器的开关，使得第一和第二电池之间的电压差δv与跨过第一电池的端子的电压ve符合0≤δv/ve≤0.2的关系。

根据一个实施例，当通过逆变器传输的电压从零值变为非零值时，整流器的开关以相位超前打开，并且当通过逆变器传输的电压从非零值变为零值时，以相位滞后闭合。

附图说明

本发明的其它特征和优点将从其描述中显现，现将参照通过指示而不意味着限制的示出一个可能实施例的附图而进行描述。

在这些附图中：

图1示出了根据本发明的用于向电气系统供电的装置的基本图；

图2示出了根据一个实施例的用于向电气系统供电的装置的详细图；

图3示出了图2的供电装置的开关的状态的时序图；

图4示出了根据一个实施例的用于向电气系统供电的装置的详细图；

图5和6示出了根据一个实施例的用于向电气系统供电的装置的详细图，其中，充电器被集成到所述装置中。

在这些附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

本发明涉及用于向机动车辆的电气系统供电的装置。电气系统包括嵌入在车辆中的电消耗器，例如用于驱动车辆的电动机。该装置特别地嵌入在车辆中，并且包括称为能量电池的第一电池和称为动力电池的第二电池。特别地，第一电池具有比第二电池的比能量密度更大的比能量密度，以便能够在稳定状态下长时间持续地为车辆的电气系统供电。当电气系统需要高功率时，例如在车辆的加速阶段期间，第二电池可以为电气系统供电。为此，第二电池的功率密度可以大于第一电池的功率密度。这一装置还包括电压转换器，电压转换器包括链接到第一电池的第一端子和链接到第二电池的第二端子。本发明的构思在于配置dc电压转换器，使其作为串联电流源，以便控制与第一电池交换的电流，并优化dc电压转换器的效率。

图1示出了供电装置1的等效图，其中，第一电池3被表示为第一电压源ve，dc电压转换器5被表示为电流源is，并且第二电池7被表示为电压源vp，dc电压转换器5串联地布置在第一电池3和第二电池7之间。电池3、7还链接到地8。因此，由于两个电池3、7和转换器5串联放置的事实，转换器5用作对于第一电池3的交换的功率调节器。转换器5的功率取决于两个电池3、7之间的电压差，这使得可以使转换器5的功率最小化，如下所述。

图2示出了供电装置1的示例的详细图，供电装置1包括由第一理想电压源ve'和第一阻抗ze表示的第一电池3；由第二理想电压源vp'和第二阻抗zp表示的第二电池7；以及包括分别链接到第一电池3和第二电池7的第一端子9和第二端子11的转换器5。转换器5的第二端子11还链接到车辆的电气系统13。电压转换器5包括电感器15和与第一电池3和第二电池7串联的一组开关t1、t2、t3、t4。开关t1、t2、t3、t4配置成调节电感器15中的电流。相继地打开和闭合开关t1、t2、t3、t4使得可以引起电感器15中的电流的上升或下降。因此，与第一电池3交换的电流可以被调节至参考值。

特别地，与电感器15串联的开关组t1、t2、t3、t4形成整流器17。整流器17对ac电压进行整流，以将其传送到电感器15，从而控制在电感器15中流动的电流。根据一个实施例，整流器17包括并联连接的两个分支b1和b2，每个分支b1，b2包括串联连接并由中间点分开的两个开关t1、t4或t2、t3，中间点分别表示为m1和m2。然而，整流器17可以具有其它配置，例如推拉配置。整流器17使得可以调节阻抗15中的电流。整流器17特别经由其中间点m1和m2而由逆变器21供电。开关t1、t2、t3、t4可以具有并联的二极管。如果转换器5是单向的，则可能是这种情况。

逆变器21配置为从一电压源(称为逆变器的电源)向整流器17输送ac电压。在图2所示的例子中，逆变器的电源是第一电池3。逆变器21与第一电池3并联连接，也就是说，在转换器5的第一端子9和接地端8之间。根据一个实施例，逆变器21包括并联连接的两个分支b3和b4，每个分支b3、b4包括串联连接并由中间点分开的两个开关q1、q2或q3、q4，中间点分别表示为m3和m4。然而，逆变器21可以具有其它配置，例如推拉配置。二极管22可以与逆变器21的开关q1、q3、q2、q4并联连接。可替代地，二极管22可以是开关q1、q3、q2、q4固有的二极管。特别是当开关q1、q3、q2、q4是mosfet晶体管时是这种情况。因此，逆变器21的中间点m3和m4链接到整流器17的中间点m1和m2，以便为整流器17供电，从而调节电感器15中的电流。

逆变器21在高电压和低电流下工作，并且整流器17在高电流和低电压下工作。为了隔离逆变器21和整流器17之间的电约束，在逆变器21的中间点m3、m4和整流器17的中间点m1、m2之间布置变压器23。因此，变压器23的第一绕组e1的端部分别链接到逆变器21的中间点m3和m4，而变压器23的第二绕组e2的端部分别链接到整流器17的中间点m1和m2。

转换器5可以是可逆的，因此使得电能能够从第一端子9传递到第二端子11，也能够从第二端子11传递到第一端子9。因此，转换器5允许从第一电池3传递到第二电池7的传递，反之亦然。可替代地，转换器5可以是单向的，也就是说，能量仅能够从第一端子9传递到第二端子11或仅能够从第二端子11传递到第一端子9。

图3示出了供电装置1的操作的示例。逆变器21控制施加到电感器15的电压电平。通过控制开关q1、q3、q2、q4来确定由逆变器21传输的电压。逆变器21由逆变器21的臂b3、b4之间的相位偏移来控制。由逆变器21在中间点m3、m4之间传输的电压v23由逆变器21的臂b3、b4之间的相位偏移确定。然而，可以通过允许在逆变器21的输出处传输ac电压的任何类型的控制来控制逆变器21。在一个臂b3、b4中，可以在臂的开关q1、q2或q4、q3之间设置死区时间tm1，以防止臂的两个开关的同时导通。

整流器17确定施加到电感器15的电压的极性。开关t1、t2、t3、t4根据期望施加到电感器15的极性而沿对角线相应地闭合。例如，通常地，正方向可以是从第一电池3到第二电池7，而负方向是从第二电池7到第一电池3。每个臂b1、b2具有连接到电感器15的开关t1、t2和连接到转换器5的第二端子11的开关t4、t3，这些开关被中间点m1、m2分开。根据期望施加由逆变器21传输的电压的方向，位于电感器15附近的第一臂b1的开关t1与位于第二端子11附近的第二臂b2的开关t3被闭合，其它开关t2、t4打开；或者，位于电感器15附近的第二臂b2的开关t2与位于第二端子11附近的第一臂b1的开关t4闭合，其它开关t1、t3打开。当通过逆变器21传输的电压v23为零时，整流器17的开关t1、t2、t3、t4闭合，以使变压器23的副绕组e2短路。当通过逆变器21传输的电压从零值变为非零值时，整流器17的开关t1、t2、t3、t4可以以相位超前p1打开，并且当通过逆变器21传输的电压从非零值变为零值时，整流器17的开关t1、t2、t3、t4可以以相位滞后p2闭合。这使得可以通过逆变器21将变压器23的漏电感重新注入逆变器21的电源而保存在变压器23的漏电感中的能量。特别地，当逆变器21的电源是第一电池3时，可以将该能量重新注入到第一电池3中。

当向电感器15施加正电压时，电感器15中的电流增加，并且，当向电感器15施加负电压时，电感器15中的电流减小。通过利用逆变器21控制电流斜率的绝对值，并且通过利用整流器17来控制该斜率的符号，因此可以控制在电感器15中流动的电流，从而获得串联在第一电池3和第二电池7之间的电流源。

电流源可以例如传输对应于能够与第一电池3交换的最大电流的电流。第一电池3的输出电流例如低于阈值，特别是135a，并且输入电流低于阈值，特别是45a，以便使电池的耐久性最优化。这些阈值取决于第一电池3的存储单元的技术。第二电池可以接收或输出比第一电池的电流大的电流。

在操作期间，转换器5使得可以以高电流与第一电池3交换能量，而转换器5的功率保持非常低。

特别是当第一电池3和第二电池7之间的电压差基本上或者保持低于或等于阈值时，是这种情况。

转换器5的功率通过以下关系给出：

psource＝i*(ve-vp)＝pb1*(1-ve/vp)(1)

其中，psource是由转换器5形成的电流源的功率，i是第一端子9和第二端子11之间的电流，ve是第一端子9和接地端8之间(也就是说跨过第一电池3的端子)的电压，vp是第二端子11和接地端8之间(也就是说跨过第二电池7的端子)的电压，pb1是第一电池3的功率。因此，从等式(1)可以看出，通过保持电压ve和vp彼此接近，转换器5看到的功率接近零瓦特。

此外，转换器5的效率可以由下式定义：

ηconv＝1/(1+(1-ηsource)*|1-ve/vp|)(2)

其中，ηsource是由转换器5形成的电流源的效率，并由下式定义：

ηsource＝psource/(psource+plosses)(3)

其中，plosses是与转换器中的损耗有关的功率。

从等式(2)可以看出，通过保持电压ve和vp彼此接近，转换器的效率接近1。

第一电池3和第二电池7之间的电压差可以符合以下关系：

|ve-vp|<m×ve–4×lf×imax×fclk,

其中，m是变压器23的匝数比；lf是变压器23的副绕组的漏电感；imax是转换器5到车辆或第二电池7的电气系统13的最大输出电流，换句话说，imax是从车辆的电气系统13和第二电池7形成的组件必须获取的最大电流；fclk是逆变器21的和整流器17的开关频率。这使得可以保持转换器5的功率是低的，特别是低于与车辆的电气系统13或第二电池7交换的功率。该交换功率例如等于在电感器15中流动的电流与跨过第二电池7的端子的电压vp的乘积。例如，第一电池3和第二电池7之间的电压差ve-vp与能量电池的电压ve之间的比率为0到0.2之间。

因此，逆变器21和整流器17被控制以调节转换器5的第一端子9和第二端子11之间的电流。参考电流的值可以取决于一个或多个参数，例如转换器5的最大期望功率，与第一电池3可交换的最大电流，或转换器5的第一端子9和第二端子11之间的最大电压差(ve-vp)，以便特别地保持第一电池3的电压ve和第二电池的电压vp基本相等。

因此，逆变器21和整流器17表现类似于调节通过电感器15的电流的功率控制器，以便形成在第一电池3和第二电池7之间串联的电流源，电池中的一个作为电压源，并且另一个作为负载。

因此，如果车辆的电气系统所要求的功率低，例如当车辆的速度稳定时，该功率由第一电池3经由转换器5提供；而当车辆的电气系统所要求的功率高，例如在加速阶段期间时，该功率主要由第二电池7提供，转换器5不能从第一电池3提供比通过电感器15的电流大的电流。

此外，如果车辆的用户执行大幅加速，则第二电池7放电。然后，第二电池7可以经由转换器5从第一电池3被再充电。相反，如果车辆的用户平稳地驱动并且基本上使第一电池3放电，则第一电池3可以经由转换器5通过第二电池7再充电。

当根据由邻接系统提供的功率而使用邻接的能量回收系统时，例如太阳能电池板或再生制动装置(例如连接到车辆的电气系统的电动机)，则这一功率将被用于对一个或另一个电池3、7再充电。

因此，由于转换器5在两个电池37之间形成串联电流源的结构，本发明的供电装置1允许在低电流能量电池3和高电流动力电池7之间传递功率，而不需要昂贵的部件并具有最小的损耗。特别是如果转换器5的输入和输出电压保持基本相等的情况。

图4示出了根据一个实施例的供电装置1’的示例，其中，逆变器的电源是与第一电池3和第二电池7不同的第三电压源va。该第三电压源传递对逆变器21供电的电压va。如图4所示，电压源va的接地端可以与第一电池3和第二电池7的相同，或者电压源va的接地端可以不同。另外图4所示的装置与图2所示的示例类似，并以与上述相似的方式操作。

根据一个实施例，根据本发明的装置包括充电器，其使得可以从车辆外部的电气系统为向逆变器21供电的电源或第一电池3充电。

图5示出了根据本实施例的供电装置100的示例。在本示例中，第一电池3也是逆变器21的电源。装置100包括作为与逆变器21不同的单元的充电器24。变压器23包括连接在充电器24的输出处的第二主绕组e1'。当从外部电气系统充电时，充电器24通过第二主绕组e1'、第一主绕组e1和逆变器21为第一电池3供电。整流器17的开关t1、t2、t3、t4可以保持打开。因此，电源装置100包括集成的充电器24。因此，使用单个装置来实现从车辆外部的电气系统或车辆的电气系统对第一电池3的充电，这提高了供电装置的集成度。为了过滤逆变器的截止电流，可以在逆变器21的输出处设置电容器cf。该电容器cf也可以设置在图2、4和6所示的示例中。其它方面装置100与图2所示的装置类似。根据一个变型，供电装置100的充电器24包括具有并联连接的两个分支的逆变器部分240。每个分支包括串联连接并由中间点分开的两个开关q6、q7或q8、q9，中间点分别表示为m5和m6。然而，逆变器部分240可以具有其它配置。这些开关q6、q7、q8、q9可以具有与关于逆变器21所描述的相似的特性。逆变器部分240的中间点m5和m6链接到逆变器21的中间点m3和m4，以便在使用外部电气系统进行充电时向第一电池3供电。特别地，中间点m3、m4和m5、m6通过变压器23的主绕组e1，e1'链接。充电器24还包括电压转换器部分241，其将来自外部电气系统的输入电压升高到传输到逆变器部分240的电压。转换器部分241包括连接到逆变器部分240的输入和开关q5的二极管d2，以及具有连接在二极管d2和开关q5之间的端子的电感器l2。电容器c形成逆变器部分240和转换器部分241之间的接口。在转换器部分241的上游，整流器部分242连接到外部电气系统，以便整流由外部电气系统传输的ac电信号。整流器例如是二极管桥。

在图5的示例中，每个开关t1、t2、t3、t4由具有共用源极和栅极的两个串联mosfet晶体管形成，以便形成双向开关。逆变器21的开关q1、q2、q3、q4以及充电器24的开关q5、q6、q7、q8、q9由mosfet晶体管形成。然而，可以使用其它类型的开关，例如igbt晶体管或其它晶体管。转换器5可以是单向的。

图6示出了根据本实施例的供电装置100’的另一示例。在本例中，第一电池3也是逆变器21的电源，装置100’的逆变器21被包含在充电器24内。换句话说，当在第一电池3和第二电池7或车辆的电气系统13之间交换能量时，用于向整流器17传输ac电压的逆变器21对应于充电器24的逆变器部分。变压器23包括与电感器l3串联的整流器25连接的第二主绕组e1'，以便为与第一电池3对应的逆变器21的电源供电。装置100’包括开关c2a、c2b，以便当在第一电池3和第二电池7或车辆的电气系统之间交换能量时，将逆变器21的输入连接到第一电池3的端子；以及开关c1a，c1b，以便当第一电池3被外部电气系统充电时，将由电感器l3和整流器25形成的组件连接到第一电池3的端子。

当在第一电池3和第二电池7或车辆的电气系统之间交换能量时，开关c2a、c2b闭合，以便将逆变器21的输入连接到第一电池3的端子。开关c1a、c1b断开，以便将由电感器l3和整流器25形成的组件与第一电池3的端子断开。充电器的输入不接收电信号。如上所述，能量与第一电池3交换。当第一电池3从外部电气系统充电时，充电器24的输入接收电信号。开关c2a、c2b断开，以便将逆变器21的输入与第一电池3的端子断开。开关c1a、c1b闭合，以便由电感器l3和整流器25形成的组件在第一电池3的端子处。整流器17的开关t1、t2、t3、t4可以保持打开。充电器24通过第一主绕组e1、第二主绕组e1'、整流器25和电感器l3为第一电池3供电。因此，供电装置100’包括集成的充电器24。因此，使用单个装置100’实现从车辆外部的电气系统或车辆的电气系统对第一电池3的充电，这提高了供电装置100’的集成度。

在图6的示例中，每个开关t1、t2、t3、t4由具有共用的源极和栅极的两个串联mosfet晶体管形成，以便形成双向开关。充电器24的开关q1、q2、q3、q4、q5由mosfet晶体管形成。然而，可以使用其它类型的开关，例如igbt晶体管或其它晶体管。转换器5可以是单向的。

实施例可以彼此组合。

特别地，图5所示的示例可以包括与第一电池3不同的逆变器21的电源，如图4所示。在这种情况下，充电器24可以从外部电气系统对逆变器21的电源进行充电，如上文关于图5所述，通过用逆变器21的电源va替换第一电池3。可替代地，充电器24可以通过与图6所示的开关c1a、c1b、c2a、c2b和电感器l3类似的额外的开关和额外的电感器来对第一电池3充电。逆变器21然后像整流器那样被控制，以便对应于图6所示的整流器25。

特别地，图6所示的示例可以包括与第一电池3不同的逆变器21的电源。在这种情况下，充电器24可以从外部电气系统对逆变器21的电源进行充电，如上文关于图5所述，通过用逆变器21的电源va替换第一电池3。可替代地，充电器24可以通过开关c1a、c1b将由电感器l3和整流器25形成的组件连接到第一电源电池3的端子来对第一电池3进行充电。