用于车辆电池充电器的串联DC/DC转换器的制作方法

本文公开的方面大体上涉及用于车辆电池充电器的串联(tandem)直流到直流转换器(或dc/dc转换器)。在本文中将更详细地讨论这些方面和其它方面。

背景

sakr等人的fr3026243公开了用于给电池充电和给电机供电的组合设备，该组合设备包括旨在连接在电池和供电网络之间的两个并联的级，其中并联的级中的每个级包括dc/dc转换器。每个dc/dc转换器被布置用于电池侧上的连接。在电池充电模式下，并联的级中的一个级的逆变器电路构成二极管桥，确保了对由电网提供的电流的整流。另一级的逆变器电路连接到至少一个电感器，以构成由二极管桥产生的有源谐波补偿滤波器。

概述

在至少一个实施例中，提供了用于车辆的充电装置。该装置包括具有初级(primarystage)、第一次级(secondarystage)和第二次级的功率转换器。初级被配置为接收引入电压(incomingvoltage)以产生第一输入电压。第一次级包括第一多个(pluralityof)电气部件，该第一多个电气部件被配置为响应于第一输入电压产生输出电压的第一部分以对车辆中的至少一个电池进行充电。第二次级与第一次级串联并且包括第二多个电气部件，该第二多个电气部件被配置为响应于第一输入电压产生输出电压的第二部分。第一多个电气部件和第二多个电气部件中的每一个被定额到(ratedto)小于输出电压的第一部分和第二部分的总和的额定电压。

在至少另一实施例中，提供了用于车辆的充电装置。该装置包括具有初级、第一次级和第二次级的dc/dc转换器。初级被配置为接收引入电压以产生第一输入电压。第一次级包括第一多个电气部件，该第一多个电气部件被配置为响应于第一输入电压产生输出电压的第一部分以对车辆中的至少一个电池进行充电。第二次级包括第二多个电气部件，该第二多个电气部件被配置为响应于第一输入电压产生输出电压的第二部分。第一多个电气部件和第二多个电气部件中的每一个被定额到小于输出电压的第一部分和第二部分的总和的额定电压。

在至少另一实施例中，提供了用于车辆的充电装置。该装置包括具有初级、第一次级、变压器和第二次级的功率转换器。初级被配置为接收引入电压以产生第一输入电压。第一次级包括第一多个电气部件，该第一多个电气部件被配置为响应于第一输入电压产生输出电压的第一部分以对车辆中的至少一个电池进行充电。第二次级与第一次级串联并且包括第二多个电气部件，该第二多个电气部件被配置为响应于第一输入电压产生输出电压的第二部分。变压器可操作地耦合到初级、第一次级和第二次级，以将第一输入电压转移到第一次级和第二次级。第一多个电气部件和第二多个电气部件中的每一个被定额到小于输出电压的第一部分和第二部分的总和的额定电压。

附图说明

在所附权利要求中以具体细节指出了本公开的实施例。然而，通过结合附图参考下面的详细描述，各种实施例的其它特征将变得更明显且将被最好地理解，其中：

图1描绘了450伏高压(hv)电池的三相车辆电池充电器拓扑结构；

图2描绘了800vhv电池的另一三相车辆电池充电器拓扑结构；

图3描绘了根据一个实施例的三相车辆电池充电器拓扑结构；

图4描绘了根据一个实施例的第一dc/dc转换器；

图5描绘了根据一个实施例的第二dc/dc转换器；以及

图6对应于描绘了基于双有源桥(dab)dc/dc转换器的结构的输出和基于串联谐振转换器(src)-dc/dc转换器的结构的输出的曲线图。详细描述

根据需要，本发明的详细实施例在本文被公开；但是，将被理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可以以各种各样和可替代的形式实施。附图不一定是按比例的；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的特定的结构细节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利用本发明的代表性基础。

本公开的实施例通常提供多个电路或其它电气设备。对电路和其它电气设备以及由每个电路和设备提供的功能的所有的提及并非想要限于只包括本文说明和所述的内容。虽然特定的标签可被分配到所公开的各种电路或其它电气设备，但是这样的标签并非旨在限制电路和其它电气设备的操作的范围。这样的电路和其它电气设备可基于所期望的特定类型的电气实现而以任何方式彼此组合和/或分离。应认识到，本文公开的任何电路或其它电气设备可包括任何数量的微控制器、图形处理器单元(gpu)、集成电路、存储器设备(例如闪存、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)或它们的其它适当变形)以及彼此协作来执行本文公开的操作的软件。另外，这些电气设备中的一个或更多个可以被配置成执行计算机程序，该计算机程序被包含在非暂态计算机可读介质中，该计算机程序被编程以执行所公开的任意数量的功能。

图1描绘了三相电池充电器拓扑结构(或电池充电器)10。电池充电器10包括多个模块化转换器12a-12c。多个交流(ac)电源14a-14c中的每个分别向电池充电器10的多个模块化转换器12a-12c提供基于ac的信号。应当认识到，ac电源14a-14c可以是位于住宅、商业或其他充电站中的任何合适的电源，该电源被布置为提供ac电压以用于对混合动力电动车辆(hev)、电动车辆(ev)或被配置为接收ac信号以用于电池充电的任何其他车辆18(此后为车辆18)的一个或更多个电池16(此后为电池16)进行充电。ac电源14a-14c与模块化转换器12a-12c(或dc/dc转换器12)连接，以提供基于dc的电压输出存储在电池16上。例如，模块化转换器12a-12c被配置为响应于来自ac电源14a-14c的ac电压产生最大约470v的电压输出以存储在电池16上。

模块化转换器12a-12c通常分别包括功率校正因数(pfc)电路20a-20c、耦合电容器22a-22c和dc/dc转换器24a-24c。pfc电路20a-20c可以各自被配置为分别对来自每个ac电源14a-14c的ac电压执行功率因数校正，以将ac电压的功率因数提高到接近一。应当认识到，每个模块化转换器12a-12c还可以包括整流器(诸如，变压器)以用于将ac电压转换成基于dc的输出，从而提供给相应的dc/dc转换器24a-24c。通常，电池16的大小可高达470伏，并且三相电池充电器拓扑结构可提供7kw、11kw或22kw的输出充电功率。电池充电器10利用模块化转换器12a-12c(或充电相)来共享(share)总功率并最小化部件大小。电池充电器10提供了可适于应对三相ac输入的三相解决方案。每个模块化转换器12a-12c提供所使用的平衡式三相系统的总功率的三分之一(即，相同的电压和三分之一的电流)。第一开关26a和第二开关26b(或控制级)可操作地耦合到任意数量的控制器(未示出)，以用于控制模块化转换器12a-12c相互连接的方式以及连接在ac输入端的电网的类型(例如，单相或三相)和连接到第一开关26a(即，并联到模块化转换器12a和模块化转换器12b)的输出充电功率(例如，7kw)。在控制器的控制下，第一开关26a和第二开关26b并联工作，使得模块化转换器12a-12c表现相似(例如，控制级调节电池电压和电流接受能力(acceptance))。pfc电路20a-20c的输出端耦合到各自的dc/dc转换器24a-24c。

关于ac到dc的转换，整流器(未示出)连同pfc级(或pfc电路20)。在整流器级，一系列内部开关(例如，二极管)控制ac能量流，并确保在ac负周期时，能量流仍然保持朝向pfc电路20。pfc电路20的主要功能是(例如，通过充当纯电阻器)最大化从ac电源14到dc/dc转换器24的实际功率传输，因此即使有实际负载(例如，dc链路耦合电容器22和dc/dc转换器24是无功部件)，无功能量也必须接近零。在这样做的过程中，存在许多可用的fpc拓扑结构和多种实现方式，然而，控制系统在适当的位置以保持对pfc电路20的控制，其包括感测输入电流和电压，目标是获得具有相同正弦波和同相的两个波形，并在电容器22处保持有效的恒定电压。该控制回路产生pwm交付(consign)(频率和/或占空比)，该pwm交付用作pfc电路20的调制。

图2描绘了另一三相车辆电池充电器拓扑结构30。通常，电池充电器30类似于图1的电池充电器10进行操作。然而，电池充电器30被布置成提供更大的功率密度和更快的充电时间。因此，各个原始设备制造商(oem)可以将存储在电池16上的电压输出提高到800v，而不是如结合图1所公开的470v。为了调节电池充电器30以使用与图1所示的电池充电器10相同拓扑结构来提供800伏，各个第二dc/dc级部件可能需要承受1200v。应该认识到，电池充电器10(参见图1)和电池充电器30(参见图2)中的每个的dc/dc转换器24a-24c包括初级和次级。如上所述，每个模块化转换器12a-12c彼此并联。因此，每个模块化转换器12a-12c共享(或提供)相同的输出电压，但是产生电流总量的1/n(其中，n对应于模块化转换器12a-12c的数量)。

假定800伏的较高电压范围和提供可以承受1200v的dc/dc级部件的需要，这种较高额定部件可能比结合图1的电池充电器10使用的部件更昂贵。例如，适用于400v电池的硅基开关(或晶体管)可能变为sic(碳化硅)1200v开关。此外，各个方面，诸如电容器技术、dc/dc转换器24上的印刷电路板(pcb)距离等，现在可能需要重新调整到更高的电压，以向电池16提供800v。

图3描绘了根据一个实施例的三相车辆电池充电器拓扑结构(或电池充电器)40。电池充电器拓扑结构40包括ac电源14、pfc电路20和dc/dc转换器41(即，模块化转换器12)。dc/dc转换器41被布置为向电池16提供800v，以满足oem要求。dc/dc转换器41通常包括dc/dc初级42、第一dc/dc次级44a(没有电压控制的或dc/dc次级)、第二dc/dc次级44b(或有电压控制的dc/dc次级)和变压器46。第一dc/dc次级44a和第二dc/dc次级44b可以统称为dc/dc次级44。

第一dc/dc次级44a和第二dc/dc次级44b彼此串联。利用这种配置(即，第一dc/dc次级44a和第二dc/dc次级44b之间的串联布置)，dc/dc转换器41利用可以承受650v而不是其他情况要求的承受1200v的部件(或者dc/dc转换器41利用被定额到或具有例如仅650v而不是1200v的额定电压的部件，因为相应的输出不超过500v，这将在下面更详细地解释)。

第一dc/dc次级44a可以固定中间电压(例如，大约是电池的高电压范围的一半的电压)(即，对于800v电池为400v)。第二dc/dc次级44b可用于调节来自第一dc/dc次级44a的电压(或提供可变电压)(例如，对于800v电池，提供从30v到400v的可变电压)。因此，两个串联的级(例如，第一dc/dc次级44a和第二dc/dc次级44b)各自提供大约一半的输出电压并共享总电流(例如，1/n，其中n对应于电池充电器系统中使用的模块化转换器12的数量)。在一个示例中，可以看出，第一dc/dc次级44a以固定的输出电压(没有电压控制)工作，以升高来自第二dc/dc次级44b的引入电压。

dc/dc初级42逆变(invert)存储在电容器22上的dc电压，以激励变压器46的初级绕组47。变压器46的次级绕组49a和49b被提供用于分别连接到第一dc/dc次级44a和第二dc/dc次级44b。第二dc/dc次级44b的接地参考51耦合到电池16的接地。第一dc/dc次级44a的正电压(voltagepositive)53连接到电池16的高压侧。第一dc/dc次级44a和第二dc/dc次级44b的输出端(例如，在内部或外部)连接在一起，使得来自它们的总输出电压是由第一dc/dc次级44a和第二dc/dc次级44b产生的输出电压的总和。

图4描绘了根据一个实施例的第一dc/dc转换器50。在一个示例中，第一dc/dc转换器50除了混合src之外，还可以实现为双有源桥(dab)结构。第一dc/dc转换器50包括初级52和次级54。在初级52和次级54中使用的每个部件被定额到或者具有例如仅650v(例如，额定电压)而不是1200v的额定电压，因为相应的输出不超过500v(例如，通常为400v)。类似于上面结合图3提到的dc/dc转换器41，第一dc/dc转换器50被配置为向电池16提供800v以满足oem要求。次级54通常包括第一dc/dc次级54a和第二dc/dc次级54b。

初级52通常包括第一多个开关56a-56b、变压器的初级侧58和多个电容器60a-60b。第一dc/dc次级54a包括多个电容器62a-62b、变压器的第二侧64a、电感器66、多个二极管68(或68a和68b)以及电容器70。第二dc/dc次级54b包括变压器的第二侧64b、多个电容器72a-72b、电感器76、第二多个开关78a和78b以及电容器80。多个开关56a-56b提供激励变压器的初级侧58的换向(commutation)，以逆变来自电容器22的dc能量，从而将基于ac的电压转移到第一dc/dc次级54a和第二dc/dc次级54b。第一dc/dc次级54a和第二dc/dc次级54b各自处理从初级52转移的能量(或基于ac的电压)。例如，第一dc/dc次级54a对从变压器的第二侧64a(或变压器64的次级绕组)产生的电压波形进行整流，这产生存储在电容器70上的电压电平固定的基于dc的电荷(或基于dc的电压)。例如，当每个二极管68处于直流偏压(directbias)时，多个二极管68对电压波形进行整流，从而实现能量转移。因此，二极管68交替地使变压器58中被去除ac的一个半周期能够流到输出端。结果是将被电容器102滤波的正输出。第二dc/dc次级54b通过第二多个开关78a-78b的换向对来自变压器第二侧64b的电压波形进行整流。这产生了基于dc的电荷(或基于dc的电压)，该电荷以可变电压被存储在电容器80上，该可变电压由经由控制器82施加到第二多个开关的开关序列管理。

第一dc/dc次级54a可以固定或提供中间电压(例如，大约为电池的高压范围的一半的电压(即，对于800v电池为400v))。通常，中间电压基于原始设备制造商(oem)要求和高dc电压电池要求(例如，可以是350伏至400伏)。第二dc/dc次级54b可用于调节电压，以为800v电池提供例如30伏到400伏的可变电压。因此，两个串联的级(例如，第一dc/dc次级54a和第二dc/dc次级54b)各自提供大约一半的输出电压并共享总电流(例如，1/n，其中n对应于电池充电器系统中使用的模块化转换器12的数量)。在一个示例中，可以看出，第一dc/dc次级54a以固定的输出电压(没有电压控制)工作，以升高来自第二dc/dc次级54b的引入电压。

图5描绘了根据一个实施例的第二dc/dc转换器90。在一个示例中，除了具有双向功能的串联谐振转换器(src)之外，第二dc/dc转换器90可以实现为dab结构。第二dc/dc转换器90包括初级52和次级94。类似于上面结合图3提到的dc/dc转换器41，第二dc/dc转换器90被配置为向电池16提供800v以满足oem要求。在初级52和次级94中使用的每个部件被定额到或者具有例如仅650v而不是1200v的额定电压，因为相应的输出不超过500v。

次级94通常包括第一dc/dc次级94a和第二dc/dc次级94b。第一dc/dc次级94a包括电容器96、电感器98、多个开关100a-100b和电容器102。控制器82可以控制第一dc/dc次级94a和第二dc/dc次级94b的输出电压。第二dc/dc转换器90包括在第一dc/dc次级94a和第二dc/dc次级94b中的双向设备(例如，开关100和106)。

图6对应于描绘第一dc/dc转换器50的输出和src的输出的曲线图，该第一dc/dc转换器50利用了结合例如图5所示的dab，src如结合例如图4所示。如y轴所示，基于src的转换器的输出固定在450v，而基于dabdc/dc的转换器从20v调节到380v。作为src和dabdc/dc转换器的串联连接结果的电压之和在x轴上表示，与交付的hv电池电压相匹配。

虽然上文描述了示例性实施例，但是并非意图这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。相反，在说明书中使用的词语是描述性的词语而非限制性的词语，并且应理解，可做出各种变化而不偏离本发明的精神和范围。此外，各种实现的实施例的特征可被组合以形成本发明的另外的实施例。