交通工具逆變器的製作方法

2023-08-12 09:49:46

專利名稱：交通工具逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種便於將交通工具提供的直流電能逆變成交流電能的 交通工具逆變器。
背景技術：
非電動交通工具，比如但不限於僅由內燃機驅動的那些交通工具，典 型地包括直流蓄電池，以支持對直流電能供給的儲存。然而，交通工具的 運行狀態可能會引起蓄電池供給的能量發生變化。在將直流電能逆變到交 流電能以便為靈敏的電氣用具(sensitive appliance )供電期間，當逆變器 依據輸出的變化(output variation)而連續地改變其操作時，由於無論所 做的調節有多快仍可能有一些滯後，因此，即使直流電能中相對較小的變 化也會引起不穩定的輸出。在一些情景中，在已經做了調節的時候，輸入 可能已經發生了變化，使得最近校正的變化不再足夠。因此，在輸入的直 流電能傾向於變化，即使該變化是輕微的時，依靠輸出反饋來控制轉換操 作的逆變器特別難以控制，並且可能會不穩定。
混合動力電動交通工具(HEV )以及支持再生制動(regenerative braking )、自動發動機停止/啟動操作以及類似操作的其它電動交通工具 (EV),傾向於將更多的電壓變化引進交通工具電氣系統。圖l示出了通常與HEV和EV技術相關的電氣變化及其蓄電池電壓結果的圖表IO。該 圖表一般地示出了影響交通工具蓄電池提供恆定的12.8V電壓的性能的 電氣變化。 一個變化可能在加速過程中由蓄電池放電產生，另一個變化可 能在減速(再生)過程中由蓄電池充電產生，另 一個變化可能在交通工具 停止後由發動機自動關閉產生，另一個變化可能在交通工具停止階段的過 程中由蓄電池放電產生，另 一個變化可能在發動機靜止的過程中由熱發動 機重新啟動或發動機啟動/停止產生，而另一個變化可能由受控的蓄電池 充電產生。
在非電動的和電動的交通工具中，電壓變化對於用於將直流電能逆變 到交流電能的逆變過程可能是有問題的和破壞性的。


本發明在所附加的權利要求中指明。然而，通過結合附圖參照下面的 詳細說明，本發明的其它特徵將變得更加明顯，並且本發明將^f皮最佳地理 解，其中
圖1示出了通常與HEV和EV技術相關聯的電氣變化及其有關蓄電 池電壓的結果的圖表；
圖2示出了依據本發明的一個非限制性方面的交通工具系統；
圖3示出了依據本發明的一個非限制性方面的逆變器；
圖4a-4b示出了依據本發明的一個非限制性方面的逆變器的轉換組件。
具體實施例方式
圖2示出了依據本發明的一個非限制性方面的交通工具系統20。交 通工具系統20是關於汽車以示範性的目的展示的。本發明不是必須被限 制到汽車，並且可以應用到依靠不同類型的動力的其它類型的交通工具或 裝置。該系統示意性地展示了可以被用在任何類型的電動或非電動交通工具內的電力分配布置(power distribution arrangement),其中交通工具電 力(vehicle power)由交通工具電源22 ^是供到一個或更多個交通工具系 統24，並且其中交通工具電力通過逆變器26逆變到適合於給一個或更多 個非交通工具系統28供電的應用電力(application power )。
為了說明起見，本發明考慮了交通工具電力和電氣用具電力 (appliance power)之間的區分，而這不意味著限制本發明的範圍和意圖。 交通工具電力的意圖是包含一般地用於給交通工具相關系統(vehicle related system )，比如但不限於依靠特定電壓下的直流電流(DC )的空調、 娛樂設備、轉向裝置、剎車裝置及類似系統供電的電力。電氣用具電力的 意圖是包^"一顧:地用於給與非交通工具相關系統(non-vehkle related system),比如但不限於那些通常從牆上插座接收電力的系統，類似電視 機、冷卻器以及其它依靠交流電流(AC)的系統供電的電力。
非交通工具相關系統可以是可攜式的或在交通工具的外面具有用途 的其它類型的裝置，比如，不是永久地附加到交通工具電氣系統的類型的 裝置。然而，本發明考慮了這樣一種布置，其中，非交通工具相關系統， 至少如這裡描述的那樣，可以實際上為基於交通工具的系統，這些基於交 通工具的系統被永久地附加到交通工具，並且依靠交流電力而非一般地由 交通工具相關系統所使用的直流電力。
用於給交通工具以及非交通工具系統24、 28供電的交通工具電源22 可以是在交通工具中通常使用的類型的直流蓄電池，比如12V或42V直 流鹼性蓄電池。蓄電池22可以使用交流發電機(未示出)或其它裝置充 電。在混合動力或電動交通工具中，蓄電池22可以使用再生制動或其它 裝置充電。可選擇地，交通工具電力可以被儲存和/或直接地提供到交通 工具系統以及非交通工具系統，而無需由蓄電池或電容器儲存。
不考慮提供交通工具電力的電源22,本發明的一個非限制的方面考 慮了使用逆變器26，以將交通工具電力調整到(adapt)合適於用於非交 通工具系統28的形式。這一般地包括將交通工具電力22逆變到非交通工 具電力，即變成上面提到的電氣用具電力。這可以包括加大或減小交通工 具電力的電壓、相位、頻率等。為了示範性的目的，本發明主要關於在直流電力上操作的交通工具系統24以及在交流電力上操作的非交通工具系 統26描述，這要求逆變器26將交通工具直流電力轉換成一些形式的電氣 用具交流電力。
逆變器26可以被包括在安裝在交通工具內的任何位置上的外殼(未 示出)內。例如，逆變器26可以包括位於儀錶板的外露的正面上或交通 工具的另一個外露的區域內的插座(未示出)，以便可移除的裝置可以被 容易地連接到它。可以包括蓋子以便覆蓋插座插口，並在蓋子關閉時提供 相對統一的儀錶板外觀。電線(未示出)可以被用於將交通工具電力22 傳輸到逆變器26，以及從逆變器26傳輸電氣用具電力，比如傳輸到其他 插座插口和/或交通工具系統。可以包括地線，以提供洩漏電流的反饋， 比如以便於安全以及其它測量。
圖3示意性地展示了依據本發明的 一個非限制性的方面的逆變器26。 該逆變器26可以包括設置成支持開環控制的主控制器30和副控制器32，
須的。如所展示的那樣，交通工具電力以14V直流電經過(over)第一線 路34提供到直流/直流轉換器36。主控制器30測量輸入電壓34,並設置 佔空因數(dutycycle)或脈衝寬度調製(PWM)以升高所輸入的電壓。 這些控制信號可以從控制器傳遞到場效應電晶體(FET)和/或轉換器36 的其它轉換元件，取決於直流/直流轉換器36的構造，其中為了示範性的 目的，轉換器36被展示為推挽式轉換器(push-pull converter )。
本發明考慮了僅控制策略的開環，其中直流/直流轉換器36的輸出不 被主控制器30測量。控制器30可以被設置成設定必要的控制信號，以依 據輸入電壓34達到想要的輸出。就其本身而言，該控制信號可以依據輸 入電壓而變化，但是它們不依據輸出電壓而變化。可以使用閉環系統，在 這樣的閉環系統中，輸出電壓被用於設定控制系統，但是據信，所描述的 系統更加具有成本效益。閉環系統將需要專用於處理反饋和調整控制信號 的硬體。在電力一側，閉環系統將需要更加笨重和昂貴的組件，比如輸出 推挽式濾波線圈，以及用作主差分濾波器的兩倍數量的電解電容器。此外， 閉環系統可以依據負栽和可能影響輸出電壓的其它變化而變得不穩定，其
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中閉環系統會試圖用恆定的變化與輸出電壓對抗一一 引起上文描述的潛 在的不穩定。
和依賴於反饋控制不同的是，本發明的一個非限制性的方面考慮了改
為依賴於將由副控制器32提供的第二的、隨後的階段的開環控制。副控 制器32可以被設置成測量線路40上從直流/直流轉換器輸出的電壓，並 為隨後的直流/交流逆變器42設定控制信號，其中隨後的直流/交流逆變 器42用於將階梯狀的直流電壓(stepped-up DC voltage )操作轉換到適合 於支持非交通工具系統的交流電壓，即，它將階梯狀的電壓操作轉換成想 要的電氣用具電壓。該交4普式轉4灸器(staggered converter) 36和逆變器 40是在單一的直流/交流直接處理上的一種改進，因為此系統需要50Hz 的變壓器，而這種50Hz的變壓器對於將它們整合成一個自動電力系統的 考慮而言太大、太貴並且太沉。
副控制器32可以以類似於主控制器30的方式提供開環控制，因為它 控制直流/交流轉換器40而不測量或評估輸出的交流電壓一一它的控制 僅僅是基於從直流/直流轉換器36輸出的輸入的階梯狀的電壓40。主側 和副側開環控制的這種布置除去了對專用的硬體處理和支持的需要。
除了已解釋的開環控制之外，逆變器26可以包括一些反饋或感測以 支持非控制相關才喿作(non-control relates operation)。例如，溫度傳感器 46可以被放置成與直流/直流轉換器36緊密相鄰，以檢測運行溫度。如 果溫度超過了預定的閾值或者降低到預定的閾值以下，則控制器30可以 關閉連續操作，並且警告另一個控制器32，比如通過將錯誤信號傳遞到 非故障檢測控制器。為了檢測錯誤狀態，主側和副側上還可以進行電流和 電壓監測48、 50、 52、 54,比如通過監測推挽式電流和洩漏電流。輔助 電壓監測55可以被單獨地執行，以監測輸出到直流荷載的輔助電壓，該 直流荷載需要穩定的，並在一些情形中需要來自電壓調節器57的升高的 直流電壓。
本發明的 一個非限制性的方面考慮了使主側和副側電氣地絕緣，並使 用光耦合器(叩to-coupler ) 56或其它非接觸電氣連接，以支持基於主-副側的通訊。示出了絕緣雲58,以突出可選擇的主側和副側絕緣。該絕緣可以被用於使蓄電池電壓與危險的副側電壓(〉50V直流電壓)完全地 絕緣，以使由蓄電池供電的系統不會受到高電壓的影響。還可以進行絕緣
監測60,以才全測主階,殳(primary stage)和副階,爻(secondary stage)的 電氣絕緣中的故障。
任何檢測到的錯誤可以通過安裝在插座插口附近的發光二級管 (LED) 64傳遞給交通工具乘客。作為探測到的錯誤的功能，主控制器 30可以傳遞信號，以便選擇性地使發光二級管64發光。抑制器(INHIB) 66可以是交通工具LIN總線上發送的一個開/關信號，以使逆變器26被 接通或切斷。可選擇地，主控制器30和/或副控制器32可以被設置成支 持基於CAN或LIN的通訊。此種類型的診斷通訊可以有助於將逆變器操 作與其它交通工具操作整合。
圖4a-4b詳細描繪了依據本發明的一個非限制性的方面的用於支持 轉換操作的轉換組件，其中轉換操作對於支持升高和逆變來自蓄電池的直 流電能是必要的。圖4a展示了主階段，該主階段具有包括轉換元件q7、 q8、 q9、 q10、 q13和q14的場效應電晶體和主驅動器部分70,其中轉換 元件q7、 q8、 q9、 q10、 q13和q14以及其它無源組件(一^:地列出為電 容器C、電阻器R以及二極體D) —起運行，以便於依據從主控制器30 接收的信號來升高來自交通工具蓄電池總線的直流輸入Vbat_f。電流監 測部分72可以與變壓器71的主側上的電流監測48通信。整流部分74 管理變壓器71的副側的輸出DCP，其中該輸出DCP以大約400V直流電 被輸出到副階段。可以包括輔助電力部分76，以輸出大約15V直流電的 實質上恆定的低電壓直流信號，例如，以便於給靈敏的低電壓負栽供電。 電壓監測部分78可以和電壓監測50通信，以便監測變壓器71的副側上 的電壓。
圖4b示出了副階段，該副階段具有包括轉換元件q27 、 q28 、 q32和 q323的直流/交流控制和驅動器部分80、 81,其中轉換元件q27、 q28、 q32和q323和其它無源元件(一般地列出為電容器C、電阻器R以及二 極管D )—起操作，以便於依據從副控制器32接收的信號將直流輸出DCP 進行逆變。電流和電壓監測部分82、 84可以分別地與電流和電壓監測52、54通信，以便監測交流電流輸出。濾波器部分86對交流輸出濾波。
如所展示的，主階段和副階段的輸出都被監測，以對電流、電壓和/ 或溫度的上下進行評估。這些測量結果的組合還可以;故用於計算功率狀態 的上下，比如通過將第二階段電流乘以第二階段電壓來計算。然而，這些 輸出測量結杲不^皮控制器30、 32用來調節或控制轉換操作。
如上文解釋的，由於交通工具正變得逐漸地適應於乘客在交通工具內 使用電子便利裝置，因此本發明可以是有利的。為了使交通工具系統適應 使用交流電力的個人便利裝置，交通工具系統必須將直流電壓轉換成交流 電壓。逆變器可以一皮設置成使得標準正弦波(THD<8%)或修正正弦波 (MSW)被輸出到負載。更確切地，這些值可以被用於關閉主階段、副 階段和/或輔助階段的操作(雖然在圖4b中沒有示出，但是副控制器可以 #皮-沒置成監測輔助部分76，以防電壓/電流狀態過高或過^f氐)。
本發明的一個非限制性的方面可以涉及一種由交通工具內的直流供 電提供可選擇的民用交流電力(domestic AC power)的裝置。提出的該解 決方案可以被整合到由12V直流蓄電池或具有可用的12V直流網絡供應 的任何平臺。還考慮了防水和防塵的要求。至於監測，其測量輸入和輸出 電壓、電流以及功率、溫度、絕緣以及輸出洩漏。
4要照要求，本文公開了本發明的詳細的實施方式；然而，應理解，公 開的實施方式僅僅是本發明的示範，其可以被以各種以及可選擇的形式實 施。附圖並非必須按比例繪製， 一些特徵可能被誇大或縮小以展示特定組 件的細節。因此，本文公開的特定的結構細節和功能細節不應祐L作限制性
本領域技術人員以各種形式實現本發明的代表性的基礎。各種實現的實施
雖然已展示和描述了本發明的一些實施方式,但是不應理解為這些實 施方式展示和描述了本發明的所有可能的形式。相反，說明書中所使用的 詞彙為描述性詞彙而非限制性詞彙，並且應理解，在不背離本發明的精神 和範圍下可以做出各種改變。
權利要求
1.一種逆變器，其用在具有直流電能供給的交通工具中，所述逆變器包括外殼；主階段，其在所述外殼內，並被設置成將所述直流電能供給的第一直流輸出升高為第二直流輸出，其中，所述主階段控制多個轉換裝置的轉換操作，該多個轉換裝置用於幫助依據第一直流輸出的測量結果並獨立於第二直流輸出的反饋測量結果來將第一直流輸出升高到第二直流輸出；以及副階段，其在所述外殼內，並被設置成將第二直流輸出逆變成交流輸出，其中，所述副階段控制多個轉換裝置的轉換操作，該多個轉換裝置用於幫助依據第二直流輸出的測量結果並獨立於交流輸出的測量結果來將第二直流輸出逆變成交流輸出。
2. 如權利要求1所述的逆變器，其中，所述主階段包括主控制器， 所述主控制器在所述外殼內，並被設置成基於第一直流輸出的測量結果來 控制所述主階段的轉換操作。
3. 如權利要求2所述的逆變器，其中，所述副階段包括副控制器， 所述副控制器在所述外殼內，並淨皮設置成基於第二直流輸出的測量結果來 控制所述副階段的轉換操作。
4. 如權利要求3所述的逆變器，其中，所述副控制器不能將第二直 流輸出的測量結果傳遞給所述主控制器。
5. 如權利要求3所述的逆變器，其中，所述副控制器與所述主控制 器電氣地絕緣。
6. 如權利要求3所述的逆變器，其中，所述主階段包括電壓監測電 路，所述電壓監測電路設置成將第二直流輸出的電壓測量結果輸出到所述 主控制器，並且所述主控制器被-沒置成，在第二直流電壓輸出的電壓測量 結果大於上閾值時以及在第二直流電壓輸出的電壓測量結果小於下閾值時，關閉所述主階段。
7. 如權利要求6所迷的逆變器，其中，所述副階段包括電壓監測電 路，所述電壓監測電路設置成將交流輸出的電壓測量結果輸出到所述主控 制器，並且所述副控制器4皮設置成，在交流輸出的電壓測量結果大於上闞 值時以及在交流輸出的電壓測量結果小於下閾值時，關閉所述副階段。
8. 如權利要求7所述的逆變器，其中，所述主階段包括電流監測電 路，所述電流監測電路設置成將第二直流輸出的電流測量結果輸出到所述 主控制器，並且 所述主控制器被設置成，在第二直流電壓輸出的電流測量 結果大於上閾值時以及在第二直流電壓輸出的電流測量結果小於下閾值 時，關閉所述主階段。
9. 如權利要求8所述的逆變器，其中，所述副階段包括電流監測電 路，所述電流監測電路設置成將交流輸出的電流測量結果輸出到所述主控 制器，並且所述副控制器被設置成，在交流輸出的電流測量結果大於上閾 值時以及在交流輸出的電流測量結果小於下閾值時，關閉所述副階段。
10. 如權利要求9所述的逆變器，其中，所述主階段包括溫度監測電 路，所述溫度監測電路設置成將主階段轉換裝置的溫度測量結果輸出到所 述主控制器，並且所述主控制器糹皮設置成，在溫度測量結果大於上閾值時 以及在溫度測量結果小於下閾值時，關閉所述主階段。
11. 如權利要求IO所述的逆變器，其中，所述副控制器包括算法， 所述算法基於交流輸出的電流測量結果和電壓測量結果來生成交流輸出 的功率估計值，並且所述副控制器被設置成，在功率估計值大於上閾值時 以及在功率估計值小於下閾值時，關閉所述副階段。
12. 如權利要求11所述的逆變器，其中，所述主控制器和所述副控 制器中的每一個響應於所述主階段和所述副階段中的至少一個的關閉而將錯誤信號輸出到交通工具數據總線。
13. 如權利要求12所述的逆變器，其進一步包括光耦合器，所述光 耦合器設置成接收來自所述主控制器或所述副控制器中的一個的作為模 擬信號的錯誤信號，並設置成使得所述主控制器和所述副控制器之間能進行雙向信號傳遞。
14. 如權利要求3所述的逆變器，其中，所述副控制器輸出第一脈衝 寬度調製信號和第二脈衝寬度調製信號，以分別控制由第一驅動器和第二 驅動器引導的轉換操作，所述第一驅動器和第二驅動器用於對第一絕緣柵 雙極性電晶體和第二絕緣柵雙極性電晶體發信號。
15. 如權利要求1所述的逆變器，其中，所述副階段的多個轉換裝置 的轉換操作被控制，以便交流輸出為230V/60Hz、220V/60Hz和110V/60Hz 中的一個。
16. —種逆變器，其用在具有直流蓄電池的交通工具中，所述逆變器 包括主階段,其設置成將所述直流蓄電池的第 一直流輸出升高到第二直流 輸出，其中，所述主階段依據第一直流輸出的測量結果而不依據第二直流 輸出的測量結果來自動地調整第 一直流輸出的升高；以及第二階段，其設置成將第二直流輸出逆變到交流輸出，其中，所述第 二階段依據第二直流輸出的測量結果而不依據交流輸出的測量結果來自 動地調整第二直流輸出的逆變。
17. 如權利要求16所述的逆變器，其進一步包括主控制器和副控制 器，所述主控制器設置成基於第一直流輸出的測量結果來控制所述主階段 的與調整第一直流輸出的升高相關聯的轉換操作，所述副控制器設置成基 於第二直流輸出的測量結果來控制所述副階段的與調整第二直流輸出的 逆變相關聯的轉換操作。
18. —種方法，其將來自包括在交通工具中的直流電能供給的大約 12V直流電的第一直流輸出逆變到至少110V交流/60Hz的交流輸出，所 述方法包括自動地將第一直流輸出升高到大約為400V直流電的更大的、第二直 流輸出，包括依據第一直流輸出的測量結果而不依據第二直流輸出的測 量結果，自動地控制用於幫助升高的多個轉換裝置的轉換操作；以及自動地將第二直流輸出逆變到大約為400V直流電的交流輸出，包括依據第二直流輸出的測量結果而不依據交流輸出的測量結果，自動地控制 用於幫助逆變的多個轉換裝置的轉換操作。
19. 如權利要求18所述的方法，其進一步包括控制用於使用主控 制器來幫助升高的轉換:操作，其中，所述主控制器與副控制器電氣地絕緣， 並且所述主控制器通訊地耦合到所述副控制器，所述副控制器控制用於幫助逆變的轉換#:作。
20. 如權利要求19所述的方法，其進一步包括在所述主控制器確 定第二直流輸出大於上閾值時以及在所述主控制器確定第二直流輸出小 於下閾值時，停止升高，並且，所述方法進一步包括在所述副控制器確 定交流輸出大於上閾值時以及在所述主控制器確定交流輸出小於下閾值 時，1亭止逆變。
全文摘要
本發明公開了一種交通工具逆變器。本發明涉及一種將儲存在交通工具內的直流電能逆變到交流電能的方法和系統，該交流電能足夠供應那些照慣例從牆上插座接收交流電能的電氣用具或其它裝置。逆變可以在沒有反饋控制的情況下執行，因為用於控制升高和逆變直流電能的轉換操作僅僅需要考慮輸入，而不需要考慮實際輸出。
文檔編號H02M7/42GK101662224SQ20091016808
公開日2010年3月3日 申請日期2009年8月28日 優先權日2008年8月29日
發明者皮爾·洛佩斯·貝拉瓜斯, 艾伯特·特倫奇斯·邁格納, 雅恩·達羅曼 申請人:李爾公司