基于变压器的可变电压转换器
阅读说明：本技术 基于变压器的可变电压转换器 (Variable voltage converter based on transformer ) 是由 葛宝明 陈礼华 于 2019-07-01 设计创作，主要内容包括：本公开提供了“基于变压器的可变电压转换器”。一种车辆电力驱动装置包括电池、电机和可变电压转换器。所述可变电压转换器包括开关、具有一对绕组的变压器、以及电气地位于所述开关与所述变压器之间的电感器,所述一对绕组与串联连接的输入电容器共用公共端子。所述变压器和所述输入电容器与所述电池并联。所述可变电压转换器被配置成经由所述开关的操作来升高所述电池的电压。(The present disclosure provides a "transformer-based variable voltage converter". A vehicle electric drive apparatus includes a battery, a motor, and a variable voltage converter. The variable voltage converter includes a switch, a transformer having a pair of windings sharing a common terminal with a series-connected input capacitor, and an inductor electrically between the switch and the transformer. The transformer and the input capacitor are connected in parallel with the battery. The variable voltage converter is configured to boost a voltage of the battery via operation of the switch.)
技术领域
本公开涉及一种用于电动化车辆的电力电子器件和相关联的电路。
背景技术
电池电动车辆和混合动力电动车辆经常包括：牵引电池来为牵引马达提供动力以用于推进；和在其间的功率逆变器将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力。典型的AC牵引马达是按三个正弦信号提供电力的三相马达，每一信号用120度相分离进行驱动，但是其他配置也是可能的。另外，电动化车辆包括用于在各种耗电和发电/存储部件之间调节和传输电力的电力电子器件。
发明内容
一种车辆电力驱动装置包括电池、电机和可变电压转换器。所述可变电压转换器包括开关、具有一对绕组的变压器、以及电气地位于所述开关与所述变压器之间的电感器，所述一对绕组与串联连接的输入电容器共用公共端子。所述变压器和所述输入电容器与所述电池并联。所述可变电压转换器被配置成经由所述开关的操作来升高所述电池的电压。
一种车辆电力驱动装置包括电池、马达和发电机、以及电气地位于所述电池和所述马达和发电机之间的可变电压转换器。所述可变电压转换器包括与所述电池并联的串联连接的变压器和电容器，使得所述可变电压转换器在所述电池的内电阻改变一个数量级时的操作导致电池纹波电流的峰间值的改变小于20％。
一种用于操作车辆的方法包括操作电气地位于电池与电机之间的可变电压转换器。所述可变电压转换器包括与所述电池并联的串联连接的变压器和电容器，使得所述电池的内电阻的一个数量级的改变导致电池纹波电流的峰间值的改变小于20％。
附图说明
图1是用于混合动力电动车辆的电力驱动系统的示意图。
图2和图3是用于混合动力电动车辆的另一电力驱动系统的示意图。
图4A、图4B和图4C是图2和图3的电力驱动系统在3μH和0.2Ω的电池内部阻抗下的电池电流、电感器电流、电池电压以及直流(DC)总线电压随时间变化的曲线图。
图5A、图5B和图5C是图2和图3的电力驱动系统在0μH和0.2Ω的电池内部阻抗下的电池电流、电感器电流、电池电压以及DC总线电压随时间变化的曲线图。
图6A、图6B和图6C是图2和图3的电力驱动系统在0μH和0.025Ω的电池内部阻抗下的电池电流、电感器电流、电池电压以及DC总线电压随时间变化的曲线图。
图7A、图7B和图7C是图1的电力驱动系统在3μH和0.2Ω的电池内部阻抗下的电池电流、电感器电流、电池电压以及DC总线电压随时间变化的曲线图。
图8A、图8B和图8C是图1的电力驱动系统在3μH和0.025Ω的电池内部阻抗下的电池电流、电感器电流、电池电压以及DC总线电压随时间变化的曲线图。
图9A、图9B和图9C是图1的电力驱动系统在0μH和0.025Ω的电池内部阻抗下的电池电流、电感器电流、电池电压以及DC总线电压随时间变化的曲线图。
图10是车辆的示意图。
具体实施方式
本文描述了本公开的各种实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可采用未明确示出或描述的各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；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，本文中公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域普通技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个示出和描述的各种特征可与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确地示出或描述的实施例。所示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可以是特定应用或实施方式所期望的。
参考图1，电力驱动系统10包括牵引电池12，可变电压转换器14，DC总线16，逆变器18、20，马达22以及发电机24。可变电压转换器14包括与牵引电池12并联的输入电容器Cb，开关S1、S2以及电气地位于电容器Cb与开关S1、S2之间的电感器L。DC总线16包括电容器Cdc。逆变器18包括开关S3-S8，并且逆变器20包括开关S9-S14。
马达22和发电机24两者都可在电动或发电模式下操作，其中前一种操作模式消耗电力/能量，而后一种操作模式产生电力/能量。可变电压转换器14、马达22和发电机24经由DC总线16耦合，其中牵引电池12的低电压由可变电压转换器14升压到高电平，以便增强牵引马达驱动的性能。
可变电压转换器14需要电感器L和输入电容器Cb一起工作以将电池电流纹波限制在所需范围内。对于高功率可变电压转换器应用，通常需要大电感器L和大输入电容器Cb来实现此目的。因此，所设计的高功率可变电压转换器具有高电感、高电容、高容量、高重量、高成本和高损耗，这可能降低系统价值。此外，冷却和包装这些大型部件可能具有挑战。
牵引电池内电阻和杂散电感显著影响电池纹波电流。牵引电池通常在低温下具有大电阻(例如，在-40℃下为0.7Ω)，并且在高温下具有低电阻(例如，在70℃下为0.025Ω)。当用于现有可变电压转换器的电感器和输入电容器被设计成在低温下满足电池纹波电流要求时，它们无法在高温下满足电池纹波电流要求。并且当电感器和输入电容器被设计成在高温下满足电池纹波电流要求时，它们具有较大的尺寸。因此，使用相对小的电感器和输入电容器来设计高功率可变电压转换器并且无论电池内部阻抗如何都将电池纹波电流维持在较低水平是有挑战性的。
在此，我们提出了一种可变电压转换器来解决上述问题。由于使用变压器，所提出的可变电压转换器被称为基于变压器的可变电压转换器。在与现有解决方案相比时，这种可变电压转换器可降低电感和电容。此外，即使电池内部阻抗在较宽的范围内显著改变，电池纹波电流也很低，这表明对抗电池内部阻抗改变的稳健的性能。
参考图2，电力驱动系统10′包括牵引电池12'，基于变压器的可变电压转换器14'，DC总线16'，逆变器18'、20'，马达22'以及发电机24'。(马达22'和发电机24'可统称为电机。)可变电压转换器14'包括与输入电容器Cb'串联的变压器Tr，并且变压器Tr和输入电容器Cb'与牵引电池12'并联。可变电压转换器14'还包括开关S1'、S2'和电气地位于变压器Tr与开关S1'、S2'之间的电感器L'。DC总线16'包括电容器Cdc'。逆变器18'包括开关S3'-S8'，并且逆变器20'包括开关S9'-S14'。因此，牵引电池12'通过电感器L、变压器Tr和电容器Cb'连接到DC总线16'。变压器Tr的匝数比为N:1，这意味着电池电流纹波(峰间值Δib)是电感器电流纹波(峰间值ΔiL)的1/N。
参考图3，变压器Tr包括等效电路部件，诸如磁化电感Lm，以及初级线圈与次级线圈漏电感L1δ、L2δ。当使用大的磁化电感Lm时，Δib＝ΔiL/N。当使用小的磁化电感Lm时，ΔiL＝NΔib+ΔiLm，其中ΔiLm不流入牵引电池12'中而仅流过Lm，使得Δib远小于ΔiL/N。换句话说，即使使用小电感器L'和小输入电容器Cb'，变压器Tr也可非常小。所述设计的优点在于无论电池内部阻抗如何，电池纹波电流始终很低。
模拟被用于将图2和图3的可变电压转换器的性能与图1的可变电压转换器的性能进行比较。针对两组模拟，假设牵引电池电压为200V，可变电压占空比为0.308，并且马达逆变器具有60kW的负载。
参考图4A至图6C，参数是L′＝60μH，Lm＝0.8μH，Cb′＝50μF并且N＝5。分别使用三组电池内部阻抗：图4A至图4C的杂散电感Lb＝3μH并且内电阻Rb＝0.2Ω；图5A至图5C的杂散电感Lb＝0μH并且内电阻Rb＝0.2Ω；且图6A至图6C的杂散电感Lb＝0μH并且内电阻Rb＝0.025Ω。如对于普通技术人员显而易见的是，当电池内部阻抗从3μH和0.2Ω改变为0μH和0.025Ω时，电池纹波电流总是在峰间值16A至19A的范围内。因此，在电池电阻改变一个数量级时，电池纹波电流的峰间值改变小于20％。DC总线16'的电压从200V升压到650V。牵引电池12'和电感器L'的平均电流为300A。因此，电感和电容非常小并且电池纹波电流较低并且受电池内部阻抗的影响较小。
参考图7A至图9C，参数是L＝100μH并且Cb＝200μF。分别使用三组电池内部阻抗：图7A至图7C的杂散电感Lb＝3μH并且内电阻Rb＝0.2Ω；图8A至图8C的杂散电感Lb＝3μH并且内电阻Rb＝0.025Ω；图9A至图9C的杂散电感Lb＝0μH并且内电阻Rb＝0.025Ω。因此，即使使用大电感和大输入电容，电池纹波电流也非常高。此外，当电池内电阻从0.2Ω改变为0.025Ω时，电池纹波电流从峰间39A改变为峰间79A。如果电池杂散电感为零并且内电阻为0.025Ω，那么电池纹波电流为128A，如图9A所示，。DC总线16的电压也从200V升压到650V。牵引电池12和电感器L的平均电流为300A。
变压器Tr可使用任何种类的磁芯材料、任何类型的芯形状、任何类型的绕组匝数以及任何类型的绕组连接。图2和图3因此仅示出一个实例。所提出的设计可扩展到两相、三相或多相交错的DC-DC转换器，其中电感器可耦合或者可为单独的。所提出的设计也可应用于高功率和低功率区域。
所提出的可变电压转换器拓扑结构与现有的可变电压拓扑结构不同。所提出的可变电压转换器的实例需要低电感、低电容以及小型变压器来实现低的牵引电池纹波电流，而现有的可变电压转换器需要大的电感和大的电容来将牵引电池纹波电流限制在所需范围内。所提出的可变电压转换器的电池纹波电流受电池内部阻抗的影响较少，而现有的变电压转换器的电池纹波电流受电池内部阻抗的影响较显著。所提出的可变电压转换器的实例表现出低体积、低损耗和低成本。低体积和低损耗使冷却和包装更容易。
本文设想的电力驱动系统可在各种车辆模块中实施。例如，图10描绘了具有这种模块的电动化车辆26。电动化车辆26包括机械联接到混合动力变速器30的一个或多个电机28。电机28可作为马达或发电机操作。此外，混合动力变速器30机械地联接到发动机32和驱动轴34，所述驱动轴机械地联接到车轮36。
牵引电池或电池组38存储可由电机28使用的能量。车辆电池组38可提供高电压直流(DC)输出。牵引电池38可电耦合到一个或多个电力电子模块40，所述电力电子模块实施以上讨论的可变电压转换器拓扑结构。一个或多个接触器42可进一步在断开时将牵引电池38与其他部件隔离，并且在闭合时将牵引电池38连接到其他部件。电力电子模块40还电耦合到电机28，并且提供在牵引电池38与电机28之间双向地传递能量的能力。例如，牵引电池38可提供DC电压，而电机28可以用交流电(AC)操作以起作用。电力电子模块40可将DC电压转换成AC电流以操作电机28。在再生模式中，电力电子模块40可将来自充当发电机的电机28的AC电流转换成与牵引电池38兼容的DC电压。
除了提供用于推进的能量之外，牵引电池38还可为其他车辆电气系统提供能量。车辆26可包括DC/DC转换器模块44，所述DC/DC转换器模块将牵引电池38的高电压DC输出转换为与低电压车辆负载46兼容的低电压DC电源。DC/DC转换器模块44的输出可电耦合到辅助电池48(例如，12V电池)以用于给辅助电池48充电。低电压系统可电耦合到辅助电池48。一个或多个电负载50可耦合到高压总线。电负载50可具有在适当时操作和控制电负载50的相关联的控制器。电负载50的实例可包括风扇、电加热元件和/或空调压缩机。
电动化车辆26可被配置成从外部电源52对牵引电池38再充电。外部电源52可为与电气插座的连接。外部电源52可电耦合到充电器或电动车辆供电装备(EVSE)54。外部电源52可为如由电力公司提供的配电网或输电网。EVSE 54可提供用于调节和管理电源52与车辆26之间的能量传递的电路和控件。外部电源52可向EVSE 54提供DC或AC电力。EVSE 54可具有用于***车辆26的充电端口58中的充电连接器56。充电端口58可为被配置成将来自EVSE 56的电力传输到车辆26的任何类型的端口。EVSE连接器56可具有与充电端口58的对应凹口配对的针脚。可替代地，被描述为电耦合或电连接的各种部件可使用无线电感耦合来传输电力。
在一些配置中，电动化车辆26可被配置成向外部负载提供电力。例如，电动化车辆可被配置成作为备用发电机或电源插座操作。在这类应用中，负载可连接到EVSE连接器56或其他插座。电动化车辆26可被配置成使电力返回到电源52。例如，电动化车辆26可被配置成向电网提供交流(AC)电力。由电动化车辆供应的电压可与电力线同步。
车辆26中的电子模块可经由一个或多个车辆网络进行通信。车辆网络可包括用于通信的多个信道。车辆网络的一个信道可为诸如控制器局域网(CAN)的串行总线。车辆网络的信道中的一个可包括由电气和电子工程师协会(IEEE)802系列标准定义的以太网网络。车辆网络的附加信道可包括模块之间的离散连接，并且可包括来自辅助电池48的功率信号。不同的信号可通过车辆网络的不同信道传输。例如，视频信号可通过高速信道(例如，以太网)传输，而控制信号可通过CAN或离散信号传输。车辆网络可包括有助于在模块之间传输信号和数据的任何硬件和软件部件。车辆网络未示出，但是可暗含车辆网络可连接到车辆26中存在的任何电子模块。可存在车辆系统控制器(VSC)60以协调各种部件的操作。
所公开的过程、方法、逻辑或策略可传送到处理装置、控制器或计算机和/或通过处理装置、控制器或计算机来实施，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或者专用的电子控制单元。类似地，所述过程、方法、逻辑或策略可以多种形式被存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，所述多种形式包括但不限于永久地存储在各种类型的制品上的信息，所述制品可包括持久性不可写存储介质，诸如ROM装置；以及可变地存储在可写存储介质上的信息，所述可写存储介质诸如软盘、磁带、CD、RAM装置以及其他磁介质和光学介质。所述过程、方法、逻辑或策略也可以软件可执行对象实施。可替代地，它们可使用合适的硬件部件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其他硬件部件或装置)或者硬件、软件和固件部件的组合被整体或部分地实现。
说明书中所用的字词为描述性而非限制性的字词，并且应当理解，在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下可做出各种改变。如先前所述，各种实施例的特征可进行组合以形成可能未明确描述或说明的另外的实施例。虽然各种实施例就一个或多个期望特性而言可能已经被描述为相对于其他实施例或现有技术实施方式提供优点或者是优选的，但是所属领域一般技术人员认识到，可折衷一个或多个特征或特性以实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实施方式。这些属性包括但不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为就一个或多个特性而言相较其他实施例或现有技术实施方式来说不如期望的实施例并非在本公开的范围外并且可能是特定应用所期望的。
根据本发明，提供了一种车辆电力驱动装置，其具有：电池；电机；以及可变电压转换器，所述可变电压转换器包括开关、具有一对绕组的变压器、以及电气地位于所述开关与所述变压器之间的电感器，并且被配置成经由所述开关的操作来升高所述电池的电压，所述一对绕组与串联连接的输入电容器共用公共端子，所述变压器和所述输入电容器与所述电池并联。
根据一个实施例，所述可变电压转换器在所述电池的内电阻改变一个数量级时的操作导致电池纹波电流的峰间值的改变小于20％。
根据一个实施例，所述一对绕组中的一个与所述电池共用另一个端子。
根据一个实施例，所述一个绕组的匝数大于所述一对绕组中的另一个绕组的匝数。
根据一个实施例，所述一对绕组中的一个与所述电感器共用另一个端子。
根据本发明，提供了一种车辆电力驱动装置，其具有：电池；马达和发电机；以及可变电压转换器，所述可变电压转换器电气地位于所述电池和所述马达和发电机之间并且包括与所述电池并联的串联连接的变压器和电容器，使得所述可变电压转换器在所述电池的内电阻改变一个数量级时的操作导致电池纹波电流的峰间值的改变小于20％。
根据一个实施例，所述变压器包括一对绕组，所述一对绕组与所述输入电容器共用公共端子。
根据一个实施例，所述一对绕组中的一个与所述电池共用另一个端子。
根据一个实施例，所述一个绕组的匝数大于所述一对绕组中的另一个绕组的匝数。
根据一个实施例，所述一对绕组中的一个与所述电感器共用另一个端子。
根据一个实施例，所述可变电压转换器包括开关以及电气地位于所述开关与所述变压器之间的电感器。
根据本发明，一种用于操作车辆的方法，其包括：操作可变电压转换器，所述可变电压转换器电气地位于电池与电机之间并且包括与所述电池并联的串联连接的变压器和电容器，使得所述电池的内电阻的一个数量级的改变导致电池纹波电流的峰间值的改变小于20％。
根据一个实施例，所述操作包括启动所述可变电压转换器的开关。
根据一个实施例，所述变压器包括一对绕组，所述一对绕组与所述电容器共用公共端子。
根据一个实施例，所述一对绕组中的一个与所述电池共用另一个端子。
根据一个实施例，所述一个绕组的匝数大于所述一对绕组中的另一个绕组的匝数。