改進的具有集成電池充電器的可變電壓轉換器的製作方法

2023-09-15 12:19:35

專利名稱：改進的具有集成電池充電器的可變電壓轉換器的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及電力轉換電路(power conversion circuits)，尤其涉及用在 混合動力車輛的電動驅動系統中的電力轉換電路的可變電壓轉換器(variable voltage converter)0
背景技術：
混合動力車輛可以利用電力推進系統和內燃推進系統改進燃油經濟性並且降低 碳排放。電力推進可以由電動驅動系統完成，電動驅動系統可以包括多個組件，典型地至少 包含電力轉換電路和電機。在該布置中，電力轉換電路可以可控地將電力從電源轉移到電 機從而驅動負載。高壓電池可以用作電動驅動系統的電源。電力轉換電路在高壓電池和電 動機之間提供接口，並且可以將由電池提供的直流電電壓升高到驅動用於高速車輛運行的 電機所需要的較高電壓。當用於將電壓從輸入側升高到輸出側時，轉換器又被稱為升壓轉 換器。電力轉換器還可以用以使電壓從輸出側向輸入側降低或下降。例如，為了在轉換 器的相對側對電池充電，可以將電力轉換器的電機/發電機側的較高電壓降低到較低的電 壓。在混合動力車輛領域，通過再生制動對電池充電是慣用手段，其中，通過發電機或者通 過作為發電機運行的電機將車輪的機械能轉化為電能，並且通過電力轉換器提供給電池。 當用於降低或減小電壓時，轉換器被稱為降壓轉換器(buck converter)。儘管單個電力轉換器既可以作為升壓轉換器也可以作為降壓轉換器運行，並且因 此支持雙向電力流動，但電力轉換典型地是從電池側到電機側單向升壓和從電機側到電池 側單向降壓。典型的電力轉換電路可以包含電源，例如電池，可變電壓轉換器(WC)，逆變器 和例如電機或發電機這樣的機器。總體上，以這樣的方式設計用於混合動力車輛的電力轉 換電路逆變器或WC的電機/發電機側的電壓V1必須保持高於VVC的電池側的電壓VB。 當電壓Vb變得高於V1時，會產生VVC控制的損耗，允許在數毫秒內在VVC感應器上建立浪 湧電流，並且由此引發由過電流保護機構做出的不需要的系統關閉。然而，不幸的是，在低 速驅動條件下保持V1大於Vb會改變電流輸出，其進而會減少車輛控制並且降低車輛性能。 高的V1條件還會增加開關電損耗並限制逆變器能力。因為電動和混合動力車輛利用電池為電動機提供電力，必須對電池再充電以保持 作為電源的有效。典型地，當車輛高速運行時，電動驅動系統中的發電機為電池提供能量。 此外，當車輛的動能轉化為電能並提供給電池時，可以在再生制動過程中對電池再充電。然 而，因為VVC的V1必須保持在高於VVC的Vb的狀態，在電壓V1低於Vb的任何時候能量都不 能轉移到電池。可以利用家用插座對插電式混合動力車輛(PHEVs)再充電。再充電單元可以與電 池連接並且還可以插入標準插座中，允許操作者整晚對電池再充電或者當車輛停放時對電 池再充電。然而，PHEV再充電單元笨重並且相對昂貴。此外，只有當車輛熄火併且在未使 用狀態下才能使用再充電單元。

發明內容
本發明提供一種設置為提供雙向升壓和降壓操作的電力轉換系統。在示例實施例 中，電力轉換系統包括聯接到逆變器控制系統(ISC)電路的電源供應器，其中逆變器控制 系統(ISC)電路設置為對例如永磁同步電機(PMSM)這樣的機器提供電力。在至少一個示 例實施例中，ISC包含用於與逆變器接口的第一相位腳，聯接到所述第一相位腳的、用於與 電源供應器接口的第二相位腳，其中ISC設置為執行雙向升壓和降壓。在示例性實施例中， 電源供應器可以包含例如高壓電池這樣的電池。ISC可以聯接到軟啟動二極體和ac插頭， 以便可以將接受自ac電源的電力提供給電源供應器。在示例實施例中，本發明提供具有集成電池充電器的逆變器控制系統(ISC)。本 發明的ISC可以包含具有集成電池充電器的可變電壓轉換器(VVC)，可變電壓轉換器(VVC) 聯接到設置為對例如PMSM這樣的機器提供電力的逆變器。VVC設置為從VVC的輸入側向輸 出側提供雙向升壓和降壓操作。示例系統還可以包括聯接到VVC的電池，例如用於混合動 力車輛中的高壓電池。具有集成電池充電器的WC設置為在電池和VVC的逆變器側之間提 供雙向升壓和降壓。當結合到電動車輛的電動驅動系統中時，具有集成電池充電器的WC 設置為在高車速和低車速運行過程中都對聯接到其上的電池充電。在示例實施例中，集成 電池充電器包含具有第一開關單元和第二開關單元的相位腳，其中第一開關單元包含與第 一二極體成對的第一電晶體，第二開關單元包含與第二二極體成對的第二電晶體。本發明的示例裝置是設置為提供雙向升壓的VVC。VVC可以包括電池充電器部分 和通過電感聯接到電池充電器部分的電壓控制部分。電池充電器和電壓控制部分的運行 可以是獨立控制的，以得到需要的WC輸出電壓，從而允許雙向電力流動，其中電壓可以在 貫穿VVC的任何方向上增加。在至少一個示例實施例中，電壓控制部分包含具有第一和第 二開關單元的第一相位腳，並且電池充電器部分包含具有第三和第四開關單元的第二相位 腳。電池充電器部分設置為對聯接到VVC的電池充電，並且電壓控制部分設置為控制VVC 和聯接到VVC的逆變器之間的dc總線電壓。因此，在車輛高速和低速運行過程中，電力可 以從電池提供給由逆變器連接的機器，並且電力可以從該機器提供到電池。此外，VVC可以 設置為從通過具有軟啟動的整流器聯接到VVC的插頭從ac電源接收電力。插頭可以插入 ac插座中以便VVC可以直接對電池充電，而不需要單獨的電池充電單元。示例VVC可以包括布置為形成第一開關單元的第一電晶體和第一二極體，以及布 置為形成第二開關單元的第二電晶體和第二二極體。示例VVC的第二相位腳可以包括布置 為形成第三開關單元的第三電晶體和第三二極體，以及布置為形成第四開關單元的第四晶 體管和第四二極體。各個開關單元可以是單獨控制的以得到需要的VCC輸出電壓，該VCC 輸出電壓可以改進並優化ISC以及HEV性能。在示例性實施例中，VVC可以執行雙向降壓 和雙向升壓。


圖1表示具有電動驅動系統的示例車輛的原理圖，其中電動驅動系統包括具有集 成電池充電器的逆變器控制系統。圖2表示示例電動驅動系統的框圖，其包括具有集成電池充電器的逆變器控制系統。圖3表示具有集成電池充電器的示例可變電壓轉換器(VVC)。圖4表示提供雙向升壓和降壓操作的具有集成電池充電器的示例可變電壓轉換 器(WC)。
具體實施例方式本發明的示例實施例在此進行說明；然而，本發明還可以以多種可替代的形式實 現，這對本領域技術人員來說將是顯而易見的。為了便於理解本發明，並且為了提供權利要 求的基礎，將多個附圖包括在說明書中。附圖不是按比例繪製的並且可能省略了相關的元 件以強調本發明的新穎特徵。圖中所描述的結構和功能細節是為了對本領域技術人員教示 本發明的實踐的目的，而不應當視為對本發明的限制。例如，為了更好地強調本發明的新穎 方面，可以變化地布置和/或結合用於各種系統的控制模塊，並且可能不在示例實施例的 說明中描述這些控制模塊。圖1表示示例車輛100的原理圖。車輛100可以是任何適合的類型，例如電動、混 合動力(HEV)或插電式混合動力車輛(PHEV)。在至少一個實施例中，車輛100可以包括第 一車輪組112、第二車輪組114、發動機116、HEV驅動橋118和電動驅動系統120。電動驅 動系統120可以設置為對第一和/或第二車輪組112、114提供轉矩。電動驅動系統120可 以具有任何適當的構造。此外，在混合動力車輛中，電動驅動系統120可以是本領域技術人 員所公知的並聯驅動，串聯驅動，或者分離混合驅動(splithybrid drive)。例如，電動驅動 系統120可以包括聯接到永磁同步電機(PMSM) 134的電力電子轉換器(PEC) 122。可以預期 的是PMSM 134可以用作電機，將電能轉化為動能，或者用作發電機，將動能轉化為電能。在 示例實施例中，PEC 122可以與用作電機的第一 PMSM和用作發電機的第二 PMSM連接。PMSM 1；34可以設置為由一個或多個電源供電從而驅動車輛牽引輪。PMSM 1；34可 以是任何適合的類型，例如電機，電動發電機，或者啟動-發電機(starter-alternator)。 此外，PMSM 134可以與用於回收能量的再生制動系統聯結。EDS 120可以聯接到動力傳輸單元140，其進而可以聯接到差速器 (differential) 145從而控制車輪組114。動力傳輸單元140可以選擇性地聯接到至少一 個PMSM 134。動力傳輸單元140可以是任何適當的類型，例如本領域技術人員所公知的多 檔「階躍傳動比(st印ratio)」變速器、無級變速器或者電子無轉換變速器(electronic converterless transmission)。動力傳輸單元140可以適用於驅動一個或多個車輪。在 圖1所示的實施例中，動力傳輸單元140以任何適當的方式，例如利用驅動杆或其它機械裝 置，與差速器145連接。差速器145可以通過例如輪軸或半輪軸這樣的軸147與第二車輪 組114的每一個車輪連接。車輛100還可以包括用於監視和/或控制車輛100的各個方面的車輛控制系統 (VCS) 150。VCS 150可以與電動驅動系統120和動力傳輸單元140以及它們的各種組件相 連通以監視和控制運行和性能。VCS 150可以具有任何適當的構造並且可以包括一個或多 個控制器或控制模塊。在圖1的示例實施例中，PEC 122包括電源供應器123和具有集成電池充電器的 逆變器控制系統(ISC) 1M。作為示例，電源供應器123可以是高壓電池的形式。ISC 124
5可以包括設置為從電源供應器123為PMSM134提供電力的硬體電路。ISC IM可以聯接到 ISC控制器(圖中未示出)，其可以是設置為控制ISC IM運行的基於微處理器的裝置的形 式，並且包含硬體、軟體、固件或它們的一些組合。ISC控制器可以電動聯接到VCS150，由此 可以從有關車輛系統運行和控制的其它控制單元中接收信號。圖2表示示例系統200。作為示例，系統200可以作為用於車輛的EDS使用。系統 200可以包括用於為電機/發電機裝置220提供並轉換電力的PEC 202。可以理解的是車 輛EDS還可以包括附加的組件，例如ISC控制器、附加的控制單元以及其它計劃使用所必需 的元件和接口。然而，為了更好地強調本發明的新穎特徵，這些附加的元件沒有表示在圖2 中。PEC202可以包括電源供應器以及具有集成電池充電器的ISC 210，在本例中電源供應 器具體為電池205。ISC 210包括可變電壓轉換器(VVC) 212以及逆變器裝置218。VVC 212 設置為從電池205為逆變器裝置218提供電力，逆變器裝置218設置為對電機/發電機裝置 220提供電力。電機/發電機裝置220可以實施為至少一個PMSM，其可以作為電機運行從 而驅動HEV的車輪。因此，VVC 212設置為根據驅動實施為電機的電機/發電機裝置220的 需要，將電壓Vb升高到較高的電壓％。電機/發電機裝置220可以包含PMSM，PMSM可以設 置為作為電機運行以外還作為發電機運行。VVC 212還可以設置為通過逆變器裝置218從 電機/發電機裝置220對電池205提供電力從而對其充電。VVC 212設置為當VVC 212的 逆變器側上的電壓V1低於VVC 212的電池側上的電壓Vb時保持穩定。因此，示例VVC 212 包括電池充電器部分214以及可控地配合控制電壓Vb和V1的電壓控制裝置216。VVC 212 可以在高速和低速車輛運行條件下都提供雙向升壓和雙向降壓。圖3表示本發明的示例系統300，可以將其結合到用於電動車輛或HEV的EDS中。 系統300包括聯接到機械部分303的PEC 302，如本例子所示，機械部分303可以包含電機 340和發電機342。在至少一個示例實施例中，電機340和發電機342每個都是PMSM的形 式。PEC 302包括電源或電源供應器，在該例子中實施為通過輸入電容Ci聯接到ISC 306 的高壓電池304。ISC 306包括設置為對電池304提供電力的集成電池充電器；例如，由發 電機342產生的電能可以通過ISC 360傳輸到電池304。ISC 306包括通過輸出電容C。聯接到逆變器330的VVC 310。VVC 310包括通過 電感318聯接到電池充電器部分320的電壓控制部分312。電壓控制部分312包含聯接到 第二開關單元316的第一開關單元314。電池充電器部分320包含第三開關單元322和第 四開關單元324。感應器318提供用於在VVC 310中存儲能量的裝置，以便可變電壓和電流 可以作為VVC 310輸出而提供，並且可以實現需要的功率因子修正。輸出電容C。還可以用 作用於ISC 306的能量存儲裝置，將能量可控地從VVC 310傳輸到逆變器330。如示例系統 300所示，逆變器330可以包括用於對電機340提供電流的電機逆變器332以及用於對發 電機342提供電流的發電機逆變器334。如之前所討論的，具有集成電池充電器的VVC 310 設置為當V1低於Vb時保持穩定，由於VVC 310設置為提供雙向升壓，增加了 ISC 306的能 力和性能並且使VVC 310能夠在低和高車輛速度運行過程中都對電池304充電。圖4表示包括具有集成電池充電器的電力轉換器的示例系統400。系統400可以 作為用於例如HEV或PHEV這樣的電動車輛的EDS的一部分使用。示例系統400包括設置 為向機械部分403提供動力的電力轉換部分401。電力轉換部分401包括電池402、輸入電 容404和具有集成電池充電器的ISC 405。ISC 405包含VVC 410、輸出電容434和逆變器435。在示例性實施例中，VVC 410包括通過感應器413聯接到第二相位腳(phase leg)412的第一相位腳411。第一相位腳411通過第一開關單元414和第二開關單元415 提供電壓控制。在示例實施例中，第一電晶體418與第一二極體419並聯配對以形成第一 開關單元414，並且第二電晶體420與第二二極體421並聯配對以形成第二開關單元415。 第二相位腳412用作電池充電器部分並且包含第三開關單元416和第四開關單元417。在 示例實施例中，第三開關單元416與第三二極體423並聯配對的第三電晶體422，並且第四 開關單元417包含與第四二極體425並聯配對的第四電晶體424。在示例性實施例中，晶體 管418、420、422和4M包含任何類型的可控開關，例如，絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)、金屬 氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)等等，並且二極體419、421、423、425包含任何類型的 二極體，例如矽(Si) 二極體、碳化矽(SiC) 二極體等等。在運行中，第一相位腳411和第二相位腳412配合以控制VVC 410的輸入和輸出 位置的電壓。四個開關單元414、415、416和417中的每一個都可以單獨地控制，從而控 制VVC 410處的電流和電壓，以便可以根據驅動機械部分403的需要將電流提供到逆變器 435，並且可以根據對電池402再充電的需要將能量提供到電池402。通過控制開關單元 414-417，DC總線電壓V1和VVC輸入電壓Vb可以單獨控制並且獨立保持。因為V1和Vb水平 可以獨立控制，可以將DC總線電壓優化從而在低車輛速度的條件下降低開關電損耗，藉此 增加了效能和VVC運行周期。甚至當VVC410的逆變器側上的DC總線電壓V1低於VVC 410 的電池側的電壓Vb時，VVC 410仍然保持穩定。逆變器435包含聯接到設置為作為電機運行的PMSM 460的電機逆變器部分436。 電機逆變器部分436包含三個相位腳，每一個相位腳包含多個開關元件，並且逆變器部分 436將三相電流提供給PMSM 460。電機逆變器部分436包括具有開關部444和開關部445 的第一相位腳441。類似地，第二相位腳442包括開關部446和開關部447，並且第三相位 腳443可以包括開關部448和開關部449。在示例實施例中，各個開關部包含與二極體並聯 配對的電晶體。類似地，發電機逆變器部分438也可以包括三個相位腳以將三相電流提供 給PMSM 462。在圖4的示例實施例中，第一相位腳450包含開關部453和454。第二相位 腳451包含開關部455和開關部456。第三相位腳452包含開關部457和開關部458。在 示例性實施例中，開關部453、妨4、455、456、457和458每一個都可以包含與二極體配對的 電晶體。在示例實施例中，電機逆變器部分436和發電機逆變器部分438包含作為開關部 元件的絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)裝置。具有集成電池充電器的VVC 410可以用作雙向升壓轉換器，以便甚至當DC總線電 壓V1低於電壓Vb時仍可以對電池403充電。因此，具有VVC310的ISC不僅是高壓電池和 逆變器之間的接口，而且還可以用作電池充電器，從而消除了對單獨的電池充電單元的需 要。例如軟啟動二極體整流器這樣的軟啟動整流器470可以與兼容標準ac電源插座的插 頭472 —起提供。在示例實施例中，具有軟啟動470的整流器在節點432處具有第一連接， 在節點434處具有第二連接。因此，可以將配備有包括VVC 410的ISC的PHEV直接插入壁 裝電源插座並且在沒有笨重且昂貴的單獨的獨立再充電單元的情況下對其再充電。除了提 供雙向升壓以外，WC 410還可以作為雙向降壓轉換器運行。可以通過控制VVC 410的開關 單元得到多種運行模式，即，控制各個電晶體418、420、422和424以及二極體419、421、423
7和425是否正在傳導或者沒有正在傳導。在此對具有集成電池充電器的可變電壓轉換器以及可以結合有該可變電壓轉換 器的系統的示例實施例進行說明。附加實施例對本領域技術人員來說是可以想到的。儘管 已經討論了本發明的具體的實施例，但這些實施例僅僅是用於說明，而不是限制本發明。提 供了許多具體的細節，例如組件和方法的例子，從而提供對本發明的全面理解。然而，本領 域技術人員將認識到本發明的實施例可以在不具有一個或多個具體細節、或者具有其它裝 置、系統、方法、組件和/或類似部件等的情況下實施。在其它例子中，公知的結構或操作並 沒有具體表示或詳細說明，以避免模糊本發明的實施例的各個方面。本說明書中對「一個 實施例」、「實施例」、「示例實施例，，或者「具體實施例，，的提及不一定是對同一實施例的提 及，此外結合實施例描述的特定特徵、結構或者特點的裝置包括在本發明的至少一個實施 例中，但不一定包括在所有實施例中。應當理解的是圖中表示的一個或多個元件還可以以更加單獨或集成的方式實施， 甚或根據特定的應用將其去掉也是有益的。說明書和整個權利要求書所使用的單數形式， 除非上下文表明之外，其包括複數個指代對象。因此，儘管本發明已經在此參照本發明的特定實施例進行了說明，但修改的範圍、 各種改變和替換也應在前述說明書的範圍內。應當理解的是，本發明不限於權利要求中所 使用的特定術語，而是，本發明將包括權利要求範圍內的所有實施例和等同物。
權利要求
1.一種系統，其特徵在於包含具有集成電池充電器的可變電壓轉換器；以及聯接到所述可變電壓轉換器的逆變器，所述逆變器設置為對永磁同步電機提供電力。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，進一步包含聯接到所述可變電壓轉換器 的軟啟動二極體，所述軟啟動二極體設置為通過ac電源插頭接收ac電力。
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，進一步包含聯接到所述可變電壓轉換器 的電池，其中所述可變電壓轉換器設置為對所述電池充電。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述可變電壓轉換器設置為提供雙向升 壓和降壓操作。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述集成電池充電器包含具有第一晶體 管和第二電晶體的相位腳，所述第一電晶體與第一二極體並聯配對，並且所述第二電晶體 與第二二極體並聯配對。
全文摘要
本發明涉及一種改進的具有集成電池充電器的可變電壓轉換器。具體地，本發明涉及一種設置為從輸入側到輸出側提供雙向升壓和降壓的可變電壓轉換器(VVC)。VVC可以包括電壓控制部分和電池充電部分。當結合到用於混合動力車輛的逆變器控制系統(ISC)中時，VVC可以設置為在高的和低的ISC dc總線電壓條件下都對電池充電。VVC可以設置為通過插頭從ac電源中接收電力，其中插頭通過軟啟動整流器聯接到VVC。因此，具有集成電池充電器的VVC可以用於從標準的ac插座為插電式混合動力車輛(PHEV)的電池充電。
文檔編號H02M7/797GK102130626SQ201110002849
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月7日 優先權日2010年1月12日
發明者陳禮華 申請人:福特全球技術公司