用於傳輸電能的變換器電路和方法
2023-05-31 22:09:46
用於傳輸電能的變換器電路和方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於傳輸電能、尤其是用於應用在機動車車載電氣網絡（38、42）中的變換器電路（50），所述變換器電路具有：電磁傳輸單元（60），所述電磁傳輸單元具有至少三個電磁傳輸元件（62、64、66），所述電磁傳輸元件能夠彼此電磁耦合以用於傳輸電磁能量，其中所述第一電磁傳輸元件（62）與第一雙向變換器電路相連接，所述第一雙向變換器電路具有用於連接交流電源和/或交流電阱（54）的第一電壓連接極偶（80），其中所述第二電磁傳輸元件（64）與整流器-變換器電路相連接，所述整流器-變換器電路在輸出側與電蓄能器（88）相連接，並且其中所述第三電磁傳輸元件（66）與第二雙向變換器電路相連接，所述第二雙向變換器電路具有用於連接直流電源和/或直流電阱（98）的第二電壓極偶（96）；和控制單元（100），所述控制單元與所述第一雙向變換器電路、所述第二雙向變換器電路以及所述整流器-變換器電路相連接，用於對在所述交流電源和/或交流電阱（54）、所述直流電源和/或直流電阱（98）和/或所述電蓄能器（88）之間的電能交換進行控制。
【專利說明】用於傳輸電能的變換器電路和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於藉助電磁傳輸單兀來傳輸電能的變換器電路。
[0002]此外，本發明涉及一種用於藉助上述類型的變換器電路來傳輸電能的方法。
[0003]最後，本發明涉及一種具有上述類型的、用於傳輸電能的變換器電路的機動車車載電氣網絡。
【背景技術】
[0004]在機動車驅動技術的領域中，眾所周知，將電機用作驅動裝置，並且用高電壓電池向該電機供給電能。在此，所述高電壓電池通常被配備給高電壓車載電氣網絡，所述高電壓車載電氣網絡具有大於120伏的電壓。此外，眾所周知，以與高電壓車載電氣網絡並聯的方式設置具有12伏特的直流電壓的低電壓車載電氣網絡，在該低電壓車載電氣網絡中設置了至少一個低電壓供電電池，用於向所述低電壓車載電氣網絡供給電能。
[0005]此外，眾所周知，通過公共的能量電網向機動車的高伏電池和/或低伏電池供給電能並且由此給相應的電池充電。
[0006]由US 2007/0276556 Al公開了電驅動的機動車的一種車載電氣網絡，其中藉助於直流變壓器在高電壓車載電氣網絡與低電壓車載電氣網絡之間交換電能。
[0007]在已知的系統中不利的是，為車載電氣網絡中的每一個或者電池中的每一個配備了單獨的充電裝置，並且不能或者要用提高的技術上的成本來實現在車載電氣網絡與外部的電能量源之間電能的靈活交換。
【發明內容】
[0008]因此，本發明提供一種用於傳輸電能、尤其是用於用在機動車車載電氣網絡中的變換器電路，該變換器電路:具有電磁傳輸單兀，該電磁傳輸單7Π則具有至少三個電磁傳輸兀件，所述電磁傳輸兀件能夠為了傳輸電能而電磁地彼此相稱合，其中所述第一電磁傳輸元件與第一雙向變換器電路相連接，該第一雙向變換器電路則具有用於連接交流電源和/或交流電阱(54)的第一電壓連接極偶(80)，其中所述第二電磁傳輸元件(64)與整流器-變換器電路相連接，所述整流器-變換器電路在輸出側與電蓄能器(88)相連接，並且其中所述第三電磁傳輸元件(66 )與第二雙向變換器電路相連接，所述第二雙向變換器電路具有用於連接直流電源和/或直流電阱(98 )的第二電壓極偶(96 );並且具有控制單元，該控制單元與所述第一雙向變換器電路、所述第二雙向變換器電路並且與所述整流器變換器電路相連接，用於對在所述交流電源和/或交流電阱、所述直流電源和/或直流電阱和/或所述電蓄能器之間的電能的交換進行控制。
[0009]此外，按照本發明，因此提供一種用於藉助於上述類型的變換器電路來傳輸電能的方法，其中在所述交流電源和/或交流電阱、所述直流電源和/或直流電阱和/或所述電蓄能器之間交換電能。
[0010]最後，本發明因此提供一種具有上述類型的變換器電路的機動車車載電氣網絡。[0011]通過所述共同的電磁傳輸單元可以共同利用特定的組件並且節省單獨的昂貴的變換器單元，由此可以降低所述機動車的技術上的開銷、成本和重量。此外，通過對於所述變換器電路的不同的組件的控制可以設定不同的能通量方向，由此可以在車輛的內部並且與外部的電源之間靈活地實現電能的交換。
[0012]特別有利的是，所述第一雙向變換器電路具有電子H-橋接電路或者四象限調節器、逆變器以及整流器，其中按能流方向能夠在所述逆變器與所述整流器之間轉換。
[0013]由此，所述電磁傳輸單元可以與外部的交流電源和/或交流電阱相連接並且將電能從所述外部的源傳輸給所述電磁傳輸單元並且從所述電磁傳輸單元將電能傳輸給所述外部的能量源。
[0014]在此，特別有利的是，所述整流器與無效功率補償電路相連接。
[0015]由此可以降低由所述交流電源和/或交流電阱所取用的無效功率，因為由此整個變換器電路就象電阻負載一樣起作用。
[0016]此外，特別有利的是，所述第二雙向變換器電路具有電子H-橋接電路或者四象限調節器以及直流變壓器。
[0017]由此，可以以簡單的方法雙向地將交流電壓轉換為直流電壓並且可以使如此轉換的直流電壓與所連接的車載電氣網絡的電壓相匹配。
[0018]此外，優選的是，所述電磁傳輸單元構造為變壓器並且所述電磁傳輸元件構造為線圈。
[0019]由此可以以簡單的方法將電能以任意的方向從所述傳輸兀件之一傳輸到其它傳輸兀件中的一個或者兩個上。
[0020]此外，一般優選的是，所述變換器電路構造用於將電功率從所述交流電源和/或交流電阱或者從所述直流電源和/或直流電阱傳輸到其它兩個相應的、連接在所述電磁傳輸單元上的組件或者所述其它兩個組件之一上。
[0021]由此可以按需要和可用性將電能從任意的組件傳輸到一個或者兩個其它的組件上，由此一般來說提高了總變換器電路的靈活性。
[0022]此外優選的是，所述第一電壓極偶與高電壓電池相連接並且所述電蓄能器是低電壓電池。
[0023]由此可以藉助於所述變換器電路以簡單的方法在所述高電壓車載電氣網絡的高電壓電池與所述低電壓車載電氣網絡的低電壓電池之間交換電能。
[0024]此外，優選的是，所述第一電壓極偶與多相逆變器相連接，用於提供多相交流電壓。
[0025]由此也可以由所述變換器電路向多相負載、例如交流電機供給電能，並且此外可以實現較高的部分負載效率。
[0026]此外優選的是，所述第一雙向變換器電路和/或所述第二雙向變換器電路構造為諧振變換器。
[0027]由此可以提高相應的變換器電路的效率。
[0028]此外，對於按照本發明的機動車-車載電氣網絡來說特別有利的是，所述控制單元通過機動車-車載電網與所述變換器相連接。
[0029]由此，可以降低具有相應的控制電路的敷設電纜的開銷並且將所述變換器電路的被操控的組件安裝在機動車中的任意的位置上，同時沒有提高敷設電纜的開銷。
[0030]不言而喻，所述按本發明的變換器電路的特徵、特性和優點也相應地適用於或者能夠運用到所述按本發明的方法上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1以示意性的形式示出了具有混合驅動系並且具有高電壓車載電氣網絡及低電壓車載電氣網絡的機動車；並且
圖2以示意性的形式示出了用於在外部的電壓源和/或電壓阱與機動車的高電壓車載電氣網絡及低電壓車載電氣網絡之間交換電能的變換器電路。
【具體實施方式】
[0032]在圖1中示意性地示出了機動車，並且該機動車整體用10來標註。所述機動車10具有驅動系12，該驅動系在當前的情況中包括用於提供驅動功率的電機14以及內燃機16。所述驅動系12用於驅動車輛10的、被驅動的車輪18L、18R。
[0033]所述內燃機16通過曲軸20與電機14連接或者能夠連接，其中所述內燃機16和所述電機14將轉矩t提供給輸出軸22上，所述輸出軸以能夠調節的轉速來旋轉。輸出軸22與變速器單元24連接或者能夠連接，以便將轉矩t傳輸到被驅動的車輪18R、18L上。曲軸20和輸出軸22在當前的情況中分別具有離合器26、28，以便使內燃機16與電機14或者將電機14與變速器單元24相連接。
[0034]驅動系12可以被布置用於僅藉助電機16來驅動車輛10 (電動車)。可選地，電機16可以像在當前的情況中一樣是混合驅動系12的一部分。
[0035]曲軸20藉助於離合器26與電機14的轉子連接或者能夠連接，以便將轉速或者轉矩傳輸到電機14上。電機14的轉子與輸出軸22相連接，以便將轉矩t傳輸到變速器單元24上。轉矩t在此通過由內燃機16和電機14提供的各個轉矩的總和來構成。
[0036]在按電動機方式的運行中，電機14產生驅動力矩，所述驅動力矩例如在加速階段中輔助內燃機16。在按發電機方式的運行或者再生運行中，所述電機14產生電能，該電能通常供車輛10使用。
[0037]通過燃料箱30向所述內燃機16供給燃料。
[0038]所述電機14可以構造為單相的或者多相的結構，並且藉助於功率電子裝置32或者逆變器32來操控並且被供給電能。功率電子裝置32與車輛10的能量供給單元34、例如直流電源(例如蓄電池或者電池)34相連接，並且用於將由能量供給單元34提供的電壓轉換、通常逆變為交流電或者說逆變為一定數目的用於電機14的相位的相電流。能量供給單元34與電池控制器36相連接，該電池控制器構造用於:通過功率電子裝置32和能量供給單元34的充電狀態來控制對電機14的能量供給。此外，功率電子裝置32構造用於:在所述電機14再生運行中通過由電機14產生的電能來給能量供給單元34充電。
[0039]能量供給單元34、功率電子裝置32以及電池控制器36是機動車10的高電壓車載電氣網絡38的一部分。
[0040]此外,機動車10具有低電壓供給單元40 (例如電池),該低電壓供給單元向機動車10的低電壓車載電氣網絡42供給相應的電壓。高電壓車載電氣網絡38藉助於變換器50與低電壓車載電氣網絡42相連接，用於在兩個車載電氣網絡38、42之間交換電能。
[0041]此外，所述變換器50能夠藉助於連接單元52與外部的能量源和/或能量阱54相連接。這個外部的能量源和/或能量阱優選是公共的交流電網54，所述交流電網可以通過變換器50將電能傳輸到車載電氣網絡38、42中，並且可以將電能從車載電氣網絡38、42傳輸到交流電網中。由此可以將剩餘能量從機動車10中輸出，或者可以通過電能量源和/或能量阱來給能量供給單元34、40充電。
[0042]作為結果，由此可以在三個能量電網38、40、54之間任意地交換電能。
[0043]圖2以示意性的形式示出了用於傳輸電能的變換器50的一種實施方式。
[0044]所述變換器50具有電磁傳輸單兀60,該電磁傳輸單兀具有三個電磁傳輸兀件62、64、66。電磁傳輸兀件62、64、66分別通過線圈62、64、66來構成並且優選通過鐵芯68彼此電磁地耦合。第一線圈62與電子H-橋接電路70相連接，該H-橋接電路也可以構造為四象限調節器70。H-橋接電路70將直流電壓轉換為交流電壓，並且構造用於朝兩個方向傳輸電能。因此，第一線圈62的H-橋接電路提供交電電壓並且可以將線圈62的交流電壓轉換為直流電壓。H-橋接電路70與中間電路電容器72相連接並且向其提供直流電壓。所述中間電路電容器能夠與逆變器74並且與無效功率補償電路76相連接，其中按電能的傳輸方向，中間電路電容器72與逆變器74或者無效功率補償電路76相連接。此外，無效功率補償電路76通過整流器78與交流電壓極偶80相連接。逆變器74同樣與交流電壓極偶80連接或者能夠連接。
[0045]交流電壓極偶80在原理上相當於連接單元52並且能夠與優選通過公共的交流電網54構成的、外部的電壓源和/或電壓阱相連接。
[0046]如果要將電能從公共的電網54傳輸到變換器50上或者傳輸到所連接的組件上，那就藉助於整流器78將在交流電端子80上的交流電壓轉換為直流電壓。通過無效功率補償電路，整個變換器50像歐姆負載起作用，並且無效功率的消耗可以通過這個無效功率補償電路76得到阻止。無效功率補償電路76在這種情況下通過中間電路電容器72與H-橋接電路70相連接，用於將直流電壓轉換為交流電壓，所述交流電壓被傳輸到第一線圈62上。因此，電能可以從公共的交流電網54傳輸到變換器50或者電磁傳輸單兀60上。
[0047]如果要將電能從電磁傳輸單元60傳輸到公共的電網54上，則使中間電路電容72與無效功率補償電路76退耦並且使其與逆變器74相連接。逆變器74與交流電壓極偶80相連接。在這種情況下，H-橋接電路70將由第一線圈62提供的交流電壓轉換為直流電壓，其中所述直流電壓由逆變器74轉換為交流電壓並且傳輸到交流電壓極偶80上。由此不僅可以輸入而且可以輸出電能。
[0048]第二電磁傳輸元件64構造為線圈64並且與逆變器82相連接，該逆變器在輸出側通過中間電路電容84和濾波器86與電蓄能器88相連接。整流器82將由第二線圈64提供的交流電壓轉換為直流電壓，並且將直流電壓通過中間電路電容器84和濾波器86傳輸到電蓄能器88上，用於相應地對其進行充電。所述蓄能器88優選構造為低電壓電池88並且基本上相當於圖1的低電壓供給單元40。由於系統原因，可以僅從第二線圈64將電能傳輸到電蓄能器88上，但是不能沿著相反的方向傳輸電能。在一種替代的實施方式中，整流器82構造為電子H-橋接電路或者四象限調節器，從而也可以將電能從蓄能器88傳輸到電磁傳輸單兀60上並且相應地傳輸到其它的組件上。[0049]第三電磁傳輸元件66構造為第三線圈66並且與第二電子H-橋接電路90相連接，該H-橋接電路也可以構造為四象限調節器90。在輸出側，H-橋接電路90通過中間電路電容92與直流變壓器94相連接。直流變壓器94與直流電壓極偶96相連接。在直流電壓極偶96上連接電蓄能器98，該電蓄能器優選構造為高電壓電池98。此外，在直流電壓極偶96上可以通過相應的整流器或者相應的功率電子裝置、例如功率電子裝置32來連接電機14。通過H-橋接電路90和直流變壓器94，電能能夠從直流電壓極偶96傳輸到第三線圈66上，並且能夠沿著相反的方向從第三線圈66傳輸到直流電壓極偶96上。由此電能不僅可以從高電壓電池98或者所連接的電機14傳輸到電磁傳輸單元60和所連接的組件上，而且可以從電磁傳輸單元60傳輸到直流電壓極偶96和所連接的高電壓電池98或者所連接的電機14上。
[0050]此外，變換器50具有控制單元100，該控制單元與逆變器74、無效功率補償電路76,H-橋接電路70、濾波器86、整流器82、H橋接電路90以及直流變壓器94相連接。控制單元100由此能夠對變換器50的所有組件進行控制，用於任意地在組件之間交換電能。尤其在第一調節狀態中將電能從公共的電網或者外部的交流電源和/或交流電阱54傳輸到高電壓電池98上，用於相應地向其充電。此外，在第二調節狀態中將電能從高電壓電池98傳輸到低電壓電池88上，用於向其充電。此外，在第三調節狀態中將電能從外部的交流電源54和/或交流電阱不僅傳輸到高電壓電池98上而且傳輸到低電壓電池88上，用於向這個蓄能器充電。此外，在第四調節狀態中將電能從高電壓電池98或者電機14不僅傳輸到低電壓電池88上而且傳輸到公共的電網54上或者饋入到公共的電網中。此外，在第五調節狀態中將電能從高電壓電池98傳輸到公共的電網54上或者饋入到公共的電網54中。
[0051]由此，藉助於變換器50可以任意地在各個組件之間交換電能。
[0052]按本發明的變換器電路10原則上並未局限於三個電磁傳輸兀件62、64、66。在一種實施方式中，所述電磁傳輸單兀60也可以具有更多的傳輸兀件62、64、66，所述傳輸兀件與相應的變換器電路相連接，用於從傳輸單元60處吸收電能或者向其輸送電能。
[0053]通過將相應的適配器模塊連接到電磁傳輸單元60或者相應的電壓極偶80、96上這種方式，可選地可以在避開多級的、有消耗的逆變器或者中間變換器的情況下將變換器耦合到任意的直流電壓源和/或交流電源、例如太陽能設備、燃料電池、快速充電單元或者類似裝置上。通過變換器50的相應的設計，交流電壓極偶80可以連接到世界範圍內的任意電網上。
[0054]此外，全部原理也能夠套用到多路變換器上，用於獲得較高的部分負載效率。相應地，必須對用於控制單元100的控制成本進行調整。原則上，所述線圈62、64、66也可以與諧振變換器相連接，用於相應地提高效率。
[0055]所述控制單元100優選通過車輛通信網(LEN、CAN、Flexray或者類似網絡)與相應的組件相連接。
[0056]可以使用相應高效的、用於系統控制的微型控制器並且同時執行在線調節任務，從而可以以較小的硬體成本來進行總體控制。同樣，應該在控制單元側暫時提供與安全以及復位起動及重新起動有關的、機動車典型的措施。控制單元的電流供應通過車載電氣網絡來進行，並且對各個半導體開關的、電退耦的操控通過商業上常用的、絕緣的門驅動器來進行。[0057]經過變換器70、82、90或者所連接的線圈62、64、66的部分能流的總和總是小於預定義的、通過系統設計來確定的數值。因此，所述能流的總和總是保持小於所述預定義的最大值。
【權利要求】
1.用於傳輸電能、尤其是用於應用在機動車車載電氣網絡(38、42)中的變換器電路(50),所述變換器電路具有:電磁傳輸單兀(60),所述電磁傳輸單兀具有至少三個電磁傳輸兀件(62、64、66),所述電磁傳輸兀件能夠彼此電磁稱合以用於傳輸電磁能量,其中所述第一電磁傳輸元件(62)與第一雙向變換器電路相連接，所述第一雙向變換器電路具有用於連接交流電源和/或交流電阱(54)的第一電壓連接極偶(80)，其中所述第二電磁傳輸元件(64)與整流器-變換器電路相連接，所述整流器-變換器電路在輸出側與電蓄能器(88)相連接，並且其中所述第三電磁傳輸元件(66)與第二雙向變換器電路相連接，所述第二雙向變換器電路具有用於連接直流電源和/或直流電阱(98 )的第二電壓極偶(96 );和控制單元(100)，所述控制單元與所述第一雙向變換器電路、所述第二雙向變換器電路以及所述整流器-變換器電路相連接，用於對在所述交流電源和/或交流電阱(54 )、所述直流電源和/或直流電阱(98)和/或所述電蓄能器(88)之間的電能交換進行控制。
2.按權利要求1所述的變換器電路，其中所述第一雙向變換器電路具有電子H-橋接電路(70)或者說四象限調節器(70)、逆變器(74)以及整流器(78)，其中按能流方向能夠在所述逆變器(74)與所述整流器(78)之間轉換。
3.按權利要求2所述的變換器電路，其中所述整流器(78)與無效功率補償電路(76)相連接。
4.按權利要求1到3中任一項所述的變換器電路，其中所述第二雙向變換器電路具有電子H-橋接電路(90 )或者說四象限調節器(90 )以及直流變壓器(94 )。
5.按權利要求1到4中任一項所述的變換器電路，其中所述電磁傳輸單元(60)構造為變壓器(60),並且所述電磁傳輸兀件(62、64、66)構造為線圈(62、64、66)。
6.按權利要求1到5中任一項所述的變換器電路，其中所述變換器電路構造用於將電功率從所述交流電源和/或交流電阱(54)或者從所述直流電源和/或直流電阱(98)傳輸到其它兩個相應的、連接在所述電磁傳輸單元(60)上的組件(54、88、98)或者所述其它兩個組件(54、88、98)之一上。
7.按權利要求1到6中任一項所述的變換器電路，其中所述第二電壓極偶(96)與高電壓電池(98 )相連接，並且其中所述電蓄能器(88 )是低電壓電池(88 )。
8.按權利要求1到7中任一項所述的變換器電路，其中所述第二電壓極偶(96)與多相逆變器相連接，用於提供多相交流電壓。
9.按權利要求1到8中任一項所述的變換器電路，其中所述第一雙向變換器電路(70)和/或所述第二雙向變換器電路構造為諧振變換器。
10.用於藉助於按權利要求1到9中任一項所述的變換器電路(50)來傳輸電能的方法，其中在所述交流電源和/或交流電阱(54)、所述直流電源和/或直流電阱(98)和/或所述電蓄能器(88)之間交換電能。
11.具有按權利要求1到9中任一項所述變換器電路(50)的機動車-車載電氣網絡(38、42)。
12.按權利要求11所述的機動車-車載電氣網絡，其中所述控制單元(100)通過機動車-車載電網與所述變換器電路(70、82、90)相連接。
【文檔編號】H02J7/02GK103765747SQ201280041885
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年6月20日 優先權日:2011年8月29日
【發明者】H.蓋爾 申請人:羅伯特·博世有限公司