阅读说明：本技术 回收次级损耗的用于电动或混合动力车辆的dc-dc转换器 (DC-DC converter for electric or hybrid vehicle recovering secondary losses ) 是由 杨刚 周欢 米蒙·阿斯克尔 于 2018-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种尤其用于机动车的绝缘直流电-直流电转换器,包括：-第一电路,包括至少一个感应线圈(L1、L2)；-第二电路,包括至少一个感应线圈(L3、L4),所述第二电路进一步包括连接在所述第二电路的感应线圈(L3、L4)的端子与电气接地之间的至少一个开关臂(Q3、Q4),所述开关臂(Q3、Q4)具有导电状态和非导电状态；-能量回收电路,连接在第二电路的连接点处,连接点连接到第二电路的感应线圈(L3、L4)的所述端子,所述能量回收电路包括阻尼电容(Cs),当开关臂(Q3、Q4)切换到非导电状态时,阻尼电容(Cs)能够经由连接点存储存在于第二电路中的能量,以便为额外电子组件(FB)供电。(The invention relates to an insulated direct current-direct current converter, in particular for a motor vehicle, comprising-a first circuit comprising at least one induction coil (L1, L2), -a second circuit comprising at least one induction coil (L3, L4), said second circuit further comprising at least one switching arm (Q3, Q4) connected between a terminal of the induction coil (L3, L4) of said second circuit and an electrical ground, said switching arm (Q3, Q4) having a conductive state and a non-conductive state, -an energy recovery circuit connected at a connection point of the second circuit, the connection point being connected to said terminal of the induction coil (L3, L4) of the second circuit, said energy recovery circuit comprising a damping capacitor (Cs) capable of storing energy present in the second circuit via the connection point when the switching arm (Q3, Q4) is switched to the non-conductive state, in order to power additional electronic components (FB).)

回收次级损耗的用于电动或混合动力车辆的DC-DC转换器

技术领域

本发明涉及一种尤其用于电动或混合动力车辆的DC电压转换器。本发明尤其涉及电动或混合动力车辆领域。

更精确地说，本发明涉及一种尤其布置在车载高电压电网与车载低电压电网之间的隔离式DC-DC转换器，所述转换器包括设置成回收来自在属于所述转换器的次级电路的开关的切换期间产生的电压浪涌的能量的具体构件，所述回收的能量能够(尤其允许)为所述转换器的控制单元供电。

背景技术

众所周知，电动或混合动力汽车包括由高电压供电电池经由车载高电压电网供电的电动机动系统，以及由低电压供电电池经由车载低电压电网供电的多个电气设备辅助项目。因此，高电压供电电池确保为电动机动系统供应允许车辆推进的能量的功能。低电压供电电池为例如车载计算机、摇窗(window winder)电机、多媒体系统等的电气设备辅助项目供电。高电压供电电池通常输送介于100伏与900伏、优选地介于100伏与500伏之间的电压，而低电压供电电池通常输送约为12伏、24伏或48伏的电压。这两种高电压供电电池和低电压供电电池必须能够充电。

可以通过经由车辆的高电压DC电网使高电压供电电池连接到例如家用AC电网的外部电网的已知方式来实行用电能对所述高电压供电电池进行再充电。

还已知直接利用高电压电池为低电压电池充电。为此目的，经由电流隔离的直流电-直流电转换器(通常称为DC-DC转换器)使高电压电池连接到低电压电池。

图1表示现有技术的车载电气系统的功能性框图。这一系统包括设计成为通常专用于推进电动或混合动力车辆的高电压供电电池HB供电的电动充电器OBC，且进一步包括确保所述车辆的电气设备项目的供电的低电压电池LB。

为了控制驱动车辆的车轮的电动发动机ENG，已知使用使得有可能将由高电压供电电池HB供应的直流电转换成一个或多个交流控制电流(例如正弦波)的逆变器INV。

仍参考图1，为了给尤其允许为高电压供电电池HB充电的车辆的高电压供电网络供电，电动充电器OBC从例如家用AC电网的外部AC电网G1接收电流以为高电压供电电池HB供电。

最后，仍参考图1，以通过高电压供电电池HB的已知方式实行对低电压电池LB充电，为此目的，系统包括连接在高电压供电电池HB与低电压电池LB之间的隔离式DC-DC转换器DCDC。

众所周知，DC-DC转换器常规地包括由耦合到属于次级电路的至少一个感应线圈的属于初级电路的至少一个感应线圈构成的变压器。初级电路是例如由半H桥控制的谐振电路，尤其是LLC型。次级电路包括例如同步整流器电路。

同步整流器电路包括至少一个开关(例如MOSFET型)以对来自位于次级电路中的所述至少一个感应线圈的电流进行整流。

在下文所描述的图2中表示隔离式DC-DC转换器。

众所周知，在这一开关的切换期间在次级中发生电压浪涌。特定来说，当次级电路的开关臂切换到关断状态时，存在于所述次级电路中的能量在断开开关臂时导致潜在地损害DC-DC转换器的电子组件的电压浪涌。

为了克服这一缺点，从现有技术已知实施包括电阻器、电容器以及二极管的一组电子组件(通常命名为首字母缩写RCD)，所述电阻器和所述电容器命名“阻尼”，或根据本领域的技术人员的术语分别命名“缓冲电阻器”和“缓冲电容器”。

二极管允许由电压浪涌所引起的电流穿过以便为缓冲电容器充电。缓冲电容器存储电压浪涌的能量且将所述能量耗散到与所述缓冲电容器并联连接的缓冲电阻器中。

缺点在于由此引起的能量损耗。实际上，在缓冲电阻器中耗散的能量损耗了且不利地影响对应电气系统的效率。此外，电阻器值难以调节且在对应电气系统的设计期间需要重要时间。

为了至少部分地解决这一技术问题，本发明以一种隔离式DC-DC转换器为目标，其中重复使用在切换到连接到次级电路的感应线圈的开关的关断状态期间存在于所述次级电路中的所谓的“电压浪涌”电能(尤其例如)以为所述DC-DC转换器的控制单元供电。

发明内容

为此目的，更精确地说，本发明涉及一种尤其用于汽车的隔离式DC-DC转换器，包括：

-第一接口端子，配置成连接到第一电网，

-第二接口端子，配置成连接到第二电网，

-第一电路，连接到所述第一接口端子，所述第一电路包括至少一个感应线圈，

-第二电路，包括至少一个感应线圈，所述第二电路另外包括连接在所述第二电路的所述至少一个感应线圈的端子与电气接地之间的至少一个开关臂，所述开关臂具有导通状态和关断状态，

-能量回收电路，连接在所述第二电路的连接点处，所述连接点连接到所述第二电路的所述至少一个感应线圈的所述端子且连接到所述至少一个开关臂，所述能量回收电路包括缓冲电容器，当所述开关臂切换到所述关断状态时，所述缓冲电容器能够经由所述连接点在其上部端子与其连接到所述电气接地的下部端子之间存储存在于所述第二电路中的能量，以此方式以便通过所述隔离式DC-DC转换器的第三接口端子为电子组件供电。

借助于本发明，回收的能量使得有可能为电子组件供电。举例来说，经由能量回收电路的DC-DC转换器电路从而确保辅助电源功能，隔离式DC-DC转换器的控制单元可因此供应有能量。

因此，根据本发明的隔离式DC-DC转换器在能量消耗方面具有提高的效率。

根据本发明的隔离式DC-DC转换器使得有可能不借助一个或多个缓冲器电阻器来耗散存在于次级中的电压浪涌，或减小所述电压浪涌的尺寸标注。随之而来的优点在于使用具有减小的击穿电压的开关(例如MOSFET)的可能性，因为吸收了电压浪涌峰值。

根据实施例，隔离式DC-DC转换器包括配置成回收存储在所述缓冲电容器中的能量的优选地是隔离式的DC-DC转换器电路，所述DC-DC转换器电路连接在所述能量回收电路的所述缓冲电容器的所述上部端子与所述第三接口端子之间。

根据实施例，DC-DC转换器电路确保配置成经由第三接口端子为电子组件供电的辅助电源功能。

根据优选实施例，DC-DC转换器电路确保配置成经由第三接口端子为隔离式DC-DC转换器的控制单元供电的辅助电源功能。

根据实施例，所述能量回收电路另外包括位于所述能量回收电路的所述缓冲电容器的所述上部端子与所述第三接口端子之间的开关，所述开关具有连接到所述第三接口端子的端子，且能够在其中所述第三接口端子配置成连接到电源电路的端子的第一位置与其中所述第三接口端子连接到所述能量回收电路的所述缓冲电容器的所述上部端子的第二位置之间切换，使得当所述开关处于所述第二位置时，所述第三接口端子输送存储在所述能量回收电路的所述缓冲电容器中的能量。

根据实施例，所述能量回收电路包括位于所述开关的连接到所述第三接口端子的所述端子与所述电气接地之间的额外电容器，所述额外电容器配置成充电的且配置成在所述开关从所述第一位置切换到所述第二位置期间将能量输送到所述第三接口端子。

所述DC-DC转换器电路是例如降压型。

有利的是，所述能量回收电路包括位于所述缓冲电容器的上游的至少一个二极管，所述至少一个二极管的阴极连接到所述缓冲电容器的所述上部端子。

根据实施例，所述第二电路包括两个感应线圈和两个开关臂，所述开关臂配置成对分别来自所述感应线圈中的每一个的电流进行整流，所述能量回收电路包括每开关臂一个二极管，所述二极管位于所述缓冲电容器的上游，每一二极管的所述阴极连接到所述缓冲电容器的所述上部端子。

根据实施例，所述能量回收电路另外包括配置成经由所述第三接口端子耗散未消耗的电压浪涌能的缓冲电阻器，所述缓冲电阻器与所述缓冲电容器并联。

本发明还以一种电气设备为目标，包括例如上文简要描述的隔离式DC-DC转换器和所述隔离式DC-DC转换器的组件的控制单元，所述控制单元连接到第三接口端子，且至少部分地经由能量回收电路供应有电能。

本发明另外涉及一种包括这种电气设备的电动或混合动力汽车。

本发明还以一种用于启动包括例如先前简要描述的DC-DC转换器的电气设备的方法为目标，所述启动方法包括以下步骤：

-验证开关处于第一位置且所述开关在必要时切换到这一位置，

-验证第三接口端子处的电压的存在和值，所述第三接口端子配置成为隔离式DC-DC电压转换器的控制单元供电，

-以隔离式DC-DC转换器的转换DC电压的功能启动所述隔离式DC-DC转换器，所述第三接口端子连接到电源电路，所述电源电路在所述开关处于所述第一位置时连接到所述开关，

-测量对应于所述开关的第二位置的连接点处的电压，

如果所述电压在例如等于100微秒的预定义持续时间内符合要求，那么所述开关切换到所述第二位置，使得第三电端子输送存储在缓冲电容器中的能量。

附图说明

通过阅读仅作为实例给出的以下描述且通过参考作为非限制性实例给出的附图，将更好地理解本发明，其中相同的参考给予类似的对象，且其中：

-图1(已描述)示出在电动或混合动力车辆上车载的已知电气系统的功能性框图。

-图2示出根据本发明的回收其对应于在次级中由电压浪涌产生的损耗的电能的隔离式DC-DC转换器。

-图3示出根据本发明的用于启动和关闭这种隔离式DC-DC转换器的方法。

-图4表示根据本发明的由相对于未包括用于回收次级中的电压浪涌能的任何构件或包括RCD型缓冲电路或回收装置的隔离式DC-DC转换器的次级损耗的阻尼的模拟产生的图。

应注意，所述图以用于实施本发明的详细方式来陈述本发明，所述图显然能够在需要时更好地定义本发明。

具体实施方式

在下文将进行的描述中，将论述本发明在电动或混合动力汽车中的实施方案。然而，这不应解译为限制性方式，本发明尤其能够实施于任何类型的车辆中或其它应用中。

下文描述的实施例尤其适合于电动或混合动力车辆的情形，所述电动或混合动力车辆包括高电压供电电池、电动机动系统、车载高电压电网、低电压供电电池、车载低电压电网以及多个电气设备辅助项目。

车载高电压电网连接高电压供电电池和电动机动系统，以使高电压供电电池确保为电动机动系统供应允许车辆推进的能量的功能。如先前所描述，高电压供电电池通常输送介于100伏与900伏之间、优选地介于100伏与500伏之间的电压。

车载低电压电网连接低电压供电电池和多个电气设备辅助项目，以使低电压供电电池为例如车载计算机、摇窗电机、多媒体系统等的电气设备辅助项目供电。众所周知，低电压供电电池通常输送约为12伏、24伏或48伏的电压。

可通过经由车辆的高电压DC电网使高电压供电电池连接到例如家用AC电网的外部电网来实行用电能对所述高电压供电电池进行再充电。

直接利用高电压电池实行对低电压电池进行再充电。为此目的，经由隔离式DC-DC转换器使高电压电池连接到低电压电池。

如先前所解释，隔离式DC-DC转换器DCDC具有用于将高DC电压转换成低DC电压(可能可逆)的功能。将通常介于100伏与500伏之间的高电压输送到车载高电压电网HV的端子或从所述端子导出所述高电压。将通常等于约12伏、24伏或48伏的低电压输送到车载低电压电网LV的端子或从所述端子导出所述低电压。

为此目的，转换比配置在集成于所述隔离式DC-DC转换器中的变压器的输入电压与输出电压之间。

电压浪涌可能在开关的切换期间发生，使得将电能存储在次级电路中。这种电压浪涌可能损坏所述开关，因为后者仅可承受其端子处的预定最大电压。

图2示出配置成位于连接到高电压网络的第一接口端子X与配置成连接到低电压网络的第二接口端子Y之间的隔离式DC-DC转换器DCDC。隔离式DC-DC转换器DCDC包括标记为H的半H桥，所述半H桥包括控制在所述DC-DC转换器DCDC的初级电路中的感应线圈L1、感应线圈L2中循环的能量的两个开关Q1、开关Q2。

在次级电路中，感应线圈L3、感应线圈L4经由开关Q3、开关Q4将能量传输到连接在第二接口端子Y与电气接地之间的充电器，所述开关Q3、所述开关Q4以同步方式对来自所述感应线圈L3、所述感应线圈L4的电流进行整流。因此，次级电路的开关Q3、开关Q4形成同步整流器电路。

因此，图2中所表示的隔离式DC-DC转换器DCDC具有同步整流。所述转换器DCDC尤其配置成连接于在电动或混合动力车辆上车载的高电压网络与低电压网络之间。

感应线圈L1、感应线圈L2、感应线圈L3、感应线圈L4可形成LLC型谐振电路；然而，DC-DC转换器DCDC可以是另一类型的隔离式DC-DC转换器。

优选的是，开关Q1、开关Q2是可在软切换模式(或命名为零电压切换(ZeroVoltage Switching；ZVS))下操作的MOSFET，也就是说能够在零电压下切换。开关Q3、开关Q4也是MOSFET，但其不在软切换模式下操作，在所述软切换模式下，电压浪涌在次级电路中的开关Q3、开关Q4的切换期间产生。

在次级电路中，开关Q3和开关Q4在实践中具有在切换期间引起电压浪涌的本征二极管，如先前所解释。根据本发明，为了克服这一缺点，DC-DC转换器DCDC包括配置成回收电压浪涌能以便为用户电气设备(尤其所述DC-DC转换器DCDC的控制单元)供电的能量回收电路。

更精确地说，以RCD电路的方式，配置成回收电压浪涌能的能量回收电路包括位于感应线圈L3(相应地，感应线圈L4)的端子与电气接地之间的缓冲电容器Cs，所述缓冲电容器Cs(根据本发明)配置成通过充电来“阻尼(dampen)”由这些电压浪涌引起的能量。

不同于RCD电路，为了消耗存储在缓冲电容器中的能量，根据本发明的隔离式DC-DC转换器DCDC的能量回收电路包括DC-DC转换器电路FB，从而形成回收存储在缓冲电容器Cs中的能量的辅助设备。换句话说，根据本发明，提供所述缓冲电容器Cs与由转换器电路FB构成的辅助电源的连接。

通常，由DC-DC电路转换器FB形成的所述辅助电源赋予由缓冲电容器Cs传输到隔离式DC-DC转换器DCDC的控制单元的电能。

根据图2中所表示的实施例，设置具有两个位置的开关R。开关R是例如小电流继电器。所述开关R可以尤其是晶体管。

在第二位置B中，所述开关R使为例如隔离式DC-DC转换器DCDC的控制单元供电的DC-DC转换器电路FB的输入端子连接到缓冲电容器Cs的端子。在第一位置A中，所述开关R使为隔离式DC-DC转换器DCDC的控制单元供电的转换器电路FB的所述输入端子连接到升压转换器电路PSU的端子，所述升压转换器电路PSU能够按一值配置处于第一位置的所述开关R的连接点A处的电压，所述值大体上等于由缓冲电容器Cs输送到处于第一位置的开关R的连接点A的电压的值。

实际上，经由通过电池LB供应有电能的电源电路对DC-DC转换器电路FB提供启动时的供电，从而为根据实施例的隔离式DC-DC转换器DCDC的控制单元供电，同时隔离式DC-DC转换器DCDC中尚未存在电能，所述转换器尚未启动。

在启动时，开关R因此处于第一位置A，使得经由通过接收来源于电池LB的电能的升压转换器电路PSU来供电的连接点A为隔离式DC-DC转换器DCDC的控制单元供电。

用以使由电池LB输送的电压升高的升压转换器电路PSU的存在使得有可能将对应连接点A引到类似于对应于开关R的第二位置的连接点B的电位的电位。

实际上，处于第一位置和第二位置的开关R的相应连接点A、连接点B必须具有类似的电压电位。

DC-DC转换器DCDC的隔离式变压器T具有以常规方式配置成输送具有对应于由低电压电池输送的电压的两倍的值的电压的变压比。因此，升压转换器电路PSU配置成将具有大体上等于由电池LB输送的电压的两倍的值的电压输送到对应于开关R的第一位置的连接点A。

举例来说，在低电压电池LB输送介于8伏与16伏之间的电压的情况下，DC-DC转换器电路FB或实施的任何合适的辅助电源经选择为具有供应到其输入连接端子的电压介于16伏与32伏之间的操作范围。

图4示出使得有可能比较利用如先前所描述的常规RCD缓冲电路获得的效果与利用根据本发明的装置获得的效果的模拟结果，在根据本发明的装置中，次级电路RD中的电压浪涌能经由DC-DC转换器电路FB消耗例如以用于为DC-DC转换器DCDC的控制单元供电，而不是由常规RCD缓冲电路的缓冲电阻器消耗。因此，图4的简图示出次级中的电压V随时间t而变的演变。

图4的模拟示出在已实施RCD电路(曲线2)或根据本发明的装置(曲线3)时电压峰值的等效限制。通过比较，在不存在缓冲装置的情况下，点B处的电压由示出次级中的重要电压浪涌的存在的曲线1表示。

在汽车的情形下，为DC-DC转换器DCDC的控制单元供电的类型的DC-DC转换器电路FB消耗大约10瓦到14瓦，大体上对应于根据现有技术在RCD型缓冲电路的缓冲电阻器中作为损耗耗散的能量。

在所示出的实施例中，其中回收存储在缓冲电容器Cs中的电能(尤其对应于在通过到控制次级RD的感应线圈的开关Q3、开关Q4的关断状态期间产生于次级电路RD中的电压浪涌能)的DC-DC电路转换器FB确保用于向所述次级电路RD所属的DC-DC转换器DCDC的控制单元供电的辅助电源功能，必要的是所述电路DC-DC转换器FB初始地由电池LB供电。

为此目的，如先前所解释，参考图2，开关R在启动时处于对应于所述开关的第一位置的位置A处。

如果需要，那么借助于例如升压型的合适的电路转换器，使连接点A处的电压达到点B处的随DC-DC转换器DCDC的尺寸标注而变化的预期值。

当启动完成时，开关R切换到对应于开关R的第二位置的位置B，在所述第二位置中，DC-DC转换器电路FB的端子连接到DC-DC转换器DCDC的次级电路的经由缓冲电容器Cs回收电压浪涌能的点。

在DC-DC转换器DCDC停止期间，开关R切换回到位置A。

根据图2中所表示的实施例，能量回收电路另外包括位于转换器电路FB的连接端子与电气接地之间的电容器CF，所述电容器CF配置成充电的且配置成在开关R从第一位置A切换到第二位置B期间将能量输送到所述转换器电路FB。

参考图3，以更精确的方式，DC-DC转换器DCDC的启动顺序包括以下步骤。

在接收到启动命令(步骤E0)时，电池LB为低电压网络、系统基础芯片(systembasis chip；SBC)、微控制器μC以及升压转换器电路PSU供电(步骤E1)。因此，提供例如100毫秒持续时间的可选延时步长，在此期间实行在步骤E1处启动的对组件的充电。根据本发明，接下来验证开关R处于位置A且所述开关R在必要时切换到这一位置(步骤E2)。验证DC-DC转换器电路FB的输出处的电压的存在和值，所述DC-DC转换器电路FB配置成为根据实施例的隔离式DC-DC电压转换器DCDC的控制单元供电(步骤E3)。

如果DC-DC转换器电路FB的输出是正确的，那么隔离式DC-DC转换器DCDC以其电压转换功能启动(步骤E4)。在隔离式DC-DC转换器DCDC的连接点B处的输出处测量电压Vrcd。如果电压在例如等于100微秒的预定义持续时间内符合要求，且因此接近于点A处的电压，那么开关切换到位置B(步骤E5)。

随本发明而来的优点在于以下事实：升压转换器PSU不持续操作，以便允许为隔离式DC-DC转换器DCDC的控制单元供电。一旦所述隔离式DC-DC转换器DCDC的启动完成，经由DC-DC转换器电路FB的辅助电源就实际上承担所述为控制单元供电，从而为此目的回收存在于次级电路RD中的电压浪涌能。

在替代性实施例中，指定如果DC-DC转换器电路FB由于次级电路RD的开关Q3、开关Q4的切换而消耗的能量小于存储在缓冲电容器中的能量，那么设置成使缓冲电阻器与缓冲电容器Cs并联连接。

在这种情况下，本发明在能量消耗方面就效率来说仍然有利，仍然是改进的，这是由于重复使用由电压浪涌引起的电能的一部分以例如为DC-DC转换器DCDC的控制单元供电。此外，即使有必要设置缓冲电阻器来消耗电压浪涌能的一部分，这也将相较于现有技术而具有减小的尺寸标注，因此使系统的成本降低且受热更少。

仍参考图3，停止DC-DC转换器DCDC首先包括由停止所述隔离式DC-DC转换器DCDC的电压转换功能组成的步骤E6。在隔离式DC-DC转换器DCDC的连接点B处的输出处测量电压Vrcd。如果那里的电压降到例如等于5伏的预定义低阈值之下，那么开关R切换回到点A，换句话说处于第一位置(步骤E7)。接着允许经过例如100毫秒持续时间的延时，在此期间开关R切换到第一位置，接着停止为SBC、微控制器μC以及升压转换器电路PSU供电(步骤E9)以最终完全停止隔离式DC-DC转换器DCDC(步骤E9)。

指定如先前借助于以图示方式给出的实例所描述的本发明适用于在本领域的技术人员的范围内调适。举例来说，确保辅助电源功能的电路不一定是为DC-DC转换器DCDC的控制单元供电的DC-DC转换器电路。替代地，其可以是由缓冲电容器Cs供应的能量将对其有用的任何类型的辅助电源，例如升压DC-DC转换器电路或谐振电路。