CN104734312A - 电力转换设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于对第一和第二电池充电的电力转换设备，包括：输入单元，将从外部提供的AC电力转换成DC电力并输出；第一电力转换单元，将输入单元转换的DC电力转换成AC电力并输出；第二电力转换单元，在第一操作模式中将通过第一电力转换单元转换的AC电力转换成DC电力以对第一电池充电，第二电力转换单元在第二操作模式中将通过第一电池输出的DC电力转换成AC电力；第三电力转换单元，在第二操作模式中将通过第二电力转换单元转换的AC电力转换成DC电力以对第二电池充电；以及开关单元，根据从外部提供的控制信号，其在第一操作模式中将第一电力转换单元连接到第二电力转换单元，并在第二操作模式中将第二电力转换单元连接到第三电力转换单元。

Description

电力转换设备
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.119和35U.S.C.365要求韩国专利申请第10-2013-0160675号(2013年12月20日提交)的优先权，据此通过引用将其全部并入。
技术领域
本公开涉及一种电力转换设备，并且特别地，涉及一种用于对高压电池和低压电池中的每个充电的电力转换设备。
背景技术
在插电式混合动力汽车(PHEV)或一般纯电动车辆(BEV)中设置有电力转换设备。这样的电力转换设备可以是从外部接收商用交流(AC)电力以对用于驱动电动车辆的高压电池进行充电的系统。高压电池可以通过安装在电动车辆中的车载充电器(OBC)来充电。
电力转换设备通过全波整流将商用AC电力转换成直流(DC)电力以通过使用有源滤波器来调整经转换的DC电力的功率因子。接着，通过使用逆变器将经调整功率因子的DC电力转换成高频AC电力。此后，经由变压器将高频AC电力转换成DC电力以对用于提供驱动电动车辆所需的电力的高压电池充电。
电力转换设备包括高速开关电路，其高速切换输入的DC电压以将经切换的DC电压转换成高频AC电力，由此输出经转换的高频AC电力。
在电动车辆中，通过经由DC-DC转换器电路减少提供电力以驱动车辆的高压电池的输出来对提供电力到电动设备的电力系统的低压电池进行充电。高效的DC-DC转换器电路包括高速开关电路，其高速切换输入的DC电压以将DC电压转换成高频AC电力以输出经转换的高频AC电力。
因此，用于对高压电池充电的充电器和用于对低压电池充电的充电器安装在电动车辆中。
图1为根据相关技术的电力转换设备的电路图。
参见图1，根据相关技术的电力转换设备包括输入单元11、第一输入开关单元12、第一变压单元13、以及第一输出整流单元14、第一输出滤波器15、高压电池16、输入滤波器21、第二输入开关单元22、第二变压单元23、第二输出整流单元24、第二输出滤波器25、以及低压电池26。
在电力转换设备的操作中，将商用AC电力提供到输入单元11中。
输入单元11对商用AC电力进行全波整流以将经整流的商用AC电力转换成DC电力，由此调整DC电力的功率因子以输出经调整功率因子的DC电力。
第一输入开关单元12由多个开关组成以将通过输入单元11输出的DC电力转换成AC方波。
第一变压单元13为变压器。第一变压单元13对通过第一输入开关单元12输出的电力进行变压。
通过第一输出整流单元14对通过第一变压单元13输出的电力进行整流,并且通过第一输出滤波器15对通过第一变压单元13输出的电力进行滤波。高压电池16以经滤波的电力来充电。
类似地，输入滤波器21对通过高压电池16的放电而输出的电力进行滤波。
如上所述，通过第二输入开关单元22、第二变压单元23、第二输出整流单元24、以及第二输出滤波器25来提供经滤波的电力以通过输入滤波器21对低压电池26充电。
根据相关技术的以上所述的电力转换装置包括第一充电器输入单元11、第一输入开关单元12、第一变压单元13、第一输出整流单元14、第一输出滤波器15、以及高压电池16以用于对高压电池充电，以及第二充电器输入滤波器21、第二输入开关单元22、第二变压单元23、第二输出整流单元24、第二输出滤波器25、以及低压电池26以用于对低压电池充电。
这里，在根据相关技术的电力转换设备中，因为在第一和第二充电器中的每个中提供执行同样功能的开关单元、整流单元、以及滤波器，安装在电动车辆中的电力转换设备可能在体积上有所增加，并且产品还可能在价格上有所增加。
发明内容
实施例提供了能够共用对高压电池充电的第一充电器和对低压电池充电的第二充电器的部分元件的电力转换设备。
实施例还提供了能够通过使用一个开关单元和滤波器来对高压电池和低压电池充电的电力转换设备。
在一个实施例中，用于对第一和第二电池充电的电力转换设备包括：输入单元，其将从外部提供的商用交流(AC)电力转换成直流(DC)电力以输出经转换的DC电力；第一电力转换单元，其将通过输入单元转换的DC电力转换成AC电力以输出经转换的AC电力；第二电力转换单元，其在第一操作模式中将通过第一电力转换单元转换的AC电力转换成DC电力以对第一电池充电，第二电力转换单元在第二操作模式中将通过第一电池输出的DC电力转换成AC电力；第三电力转换单元，其在第二操作模式中将通过第二电力转换单元转换的AC电力转换成DC电力以对第二电池充电；以及开关单元，其根据从外部提供的控制信号来在第一操作模式中将第一电力转换单元连接到第二电力转换单元，开关单元根据从外部提供的控制信号来在第二操作模式中将第二电力转换单元连接到第三电力转换单元。
在第一操作模式中，由于第三电力转换单元没有连接到开关单元，第三电力转换单元可以停止操作，以及在第二操作模式中，由于第一转换单元没有连接到开关单元，第一电力转换单元可以停止操作。
第二电力转换单元可以包括在第一和第二操作模式中操作的第一共用电路和第二共用电路。
第一共用电路可以以在第一操作模式下对通过第一电力转换单元输出的AC电力整流将经整流的AC电力转换成DC电力，并且在第二操作模式下将通过第二共用电路输出的DC电力转换成AC电力。
第二共用电路在第一操作模式下可以起到与提供给第一电池的DC电力相关的输出滤波器的作用，并且在第二操作模式下起到与提供给第一共用电路的DC电力相关的输入滤波器的作用。
第一共用电路可以由多个有源开关元件组成。
在另一实施例中，电力转换设备包括：第一开关元件；第二开关元件，其漏极连接到第一开关元件的源极并且其源极连接到第四开关元件的源极；第三开关元件，其漏极连接到第一开关元件的漏极并且其源极连接到第四开关元件的漏极；第四开关元件，其漏极连接到第三开关元件的源极并且其源极连接到第二开关元件的源极；电感,其一端连接到第三开关元件的漏极并且另一端连接到第一电容器的一端和高压电池的一端；电容器,其一端连接到电感的另一端并且另一端连接到高压电池的另一端和第四开关元件的源极；以及开关,其一端选择性地连接到高压充电器和低压充电器中的任一者并且另一端连接在第一开关元件的源极与第二开关元件的漏极之间。
第一到第四开关元件中的每个可以包括有源开关元件。
当开关的一端连接到高压充电器时，第一到第四开关元件中的每个可以起到整流器的作用，以及当开关的一端连接到低压充电器时，第一到第四开关元件中的每个可以起到将DC电力转换成AC电力的输入开关单元的作用。
当开关的一端连接到高压充电器时，电感和电容器中的每个可以起到高压充电器的输出滤波器的作用，以及当开关的一端连接到低压充电器时，电感和电容器中的每个可以起到低压充电器的输入滤波器的作用。
在所附附图和以下描述中给出一个或多个实施例的细节。其他特征将从描述和附图、以及从权利要求书中显而易见。
附图说明
图1为根据相关技术的电力转换设备的电路图。
图2为根据实施例的电力转换设备的示意框图。
图3为图2中所说明的电力转换设备的具体电路图。
图4为根据实施例的说明用于对高压电池充电的操作的电路图。
图5为根据实施例的说明用于对低压电池充电的操作的电路图。
具体实施方式
实施例的优点和特征及其实现方法将通过参照所附附图描述的以下实施例来阐明。但是，本公开可以具体化成不同的形式并且不应该被解释为限于这里给出的实施例。而是，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将完全传递实施例的范围给那些本领域技术人员。进一步，本公开仅由权利要求书的范围来限定。通篇中，同样的附图标记指代同样的元件。
在以下描述中，因为众所周知的功能或结构的具体描述将以不必要的细节模糊本发明，将加以省略。此外，这里使用的术语根据本公开的功能来限定。因而，术语可以取决于用户的或操作者的意图或实践而变化。因此，这里使用的术语必须基于这里作出的描述来理解。
图2为根据实施例的电力转换设备的示意框图。
参见图2，电力转换设备包括输入单元110、第一电力转换单元120、第二电力转换单元130、高压电池140、第三电力转换单元150、低压电池160、开关单元170、以及控制单元180。
输入单元110从外部接收商用交流(AC)电力以将所接收的AC电力转换成直流(DC)电力并且输出DC电力。
因而，输入单元110包括：输入滤波器，用于阻止输入的商用AC电力的过流；整流器，用于对从输入滤波器输出的AC电力进行整流以输出经整流的AC电力；以及功率因子校正电路(PFC)，用于校正通过整流器整流的电力的功率因子以输出经校正的电力。
输入滤波器可以设置有至少一个电感。
整流器可以包括桥式整流器。这里，因为组成桥式整流器的多个二极管可以仅仅在等于或大于预定驱动电压的电压处打开以对输入电力进行输出，整流器的输出电力可以不形成方波。因而，在特定时间内不将电力输入到安置在整流器的后端的元件以减少功率因子。
因此，功率因子校正电路校正通过整流器输出的DC电力的功率因子。这里，功率因子校正电路包括至少一个电感以校正功率因子。能量存储在电感中。功率因子校正电路在电感中存储能量并且当如上所述不输入电力时将能量提供给安置在整流器的后端的元件以校正功率因子。
因而，功率因子校正电路包括：电感，连接到整流器；晶体管，根据控制单元180的控制信号来选择性地开关以输出存储在电感中的能量；以及二极管，用于防止电流反向流动。
第一电力转换单元120将通过输入单元110输出的DC电力转换成AC电力并且输出AC电力。
这里，第一电力转换单元120由多个开关元件组成。第一电力转换单元120包括：输入开关部121，将通过输入单元110输出的DC电力转换成AC电力；以及第一变压器122，对通过输入开关部121输出的AC电力进行变压。
第一电力转换单元120将通过输入单元110输出的DC电力转换成适于对高压电池140充电的AC电力并且输出AC电力。
第二电力转换单元130在第一操作模式中连接到第一电力转换单元120。因而，第二电力转换单元将通过第一转换单元120输出的AC电力转换成用于对高压电池140充电的DC电力。
在第一模式中,高压电池140由通过第二电力转换单元130输出的DC电力来充电。
高压电池140可以为燃料电池。高压电池140可以以通过包含在空气中并且存储在堆中的氢气(H2)与氧气(O2)之间的化学反应来生成电能的方式来生成存储在其中的DC电力。此外，高压电池140可以由通过第二电力转换单元120提供的DC电力来充电。
在第二操作模式中,第二电力转换单元130从高压电池140接收DC电力。因而，第二电力转换单元130将所接收的DC电力转换成AC电力并且输出AC电力。
这里，在第二操作模式中将通过第二电力转换单元130输出的AC电力提供给第三电力转换单元150。
即，第二电力转换单元130在第一操作模式中连接到第一电力转换单元120，以及因而第二电力转换单元130将通过第一转换单元120输出的AC电力转换成DC电力以将DC电力提供给高压电池140。
此外，第二电力转换单元130在第二操作模式中连接到第三电力转换单元150，以及因而第二电力转换单元130将通过高压电池140输出的DC电力转换成AC电力以将AC电力提供给第三电力转换单元150。
高压电池140在第一操作模式中由通过第二电力转换单元130输出的DC电力来充电。此外，高压电池140在第二操作模式中放电以提供DC电力给第二电力转换单元130。
第三电力转换单元150将通过第二电力转换单元130提供的AC电力转换成DC电力以对低压电池160充电并且提供经转换的DC电力给低压电池160。
第三电力转换单元150包括：第二变压器151，用于对通过第二转换单元130提供的AC电力进行变压；整流器152，用于对通过第二变压器151变压的AC电力进行整流以输出DC电力；以及输出滤波器153，用于对经整流的DC电力进行滤波。
开关单元170确定第二电力转换单元130的操作模式。即，开关单元170在第一操作模式中置于第二电力转换单元130与第一电力转换单元120之间以连接第二电力转换单元130到第一电力转换单元120。
此外，开关单元170在第二操作模式中置于第二电力转换单元130与第三电力转换单元150之间以将第二电力转换单元130连接到第三电力转换单元150。
因此，第三电力转换单元150在第一操作模式中没有通过开关单元170电连接到第二电力转换单元130，以及因而第三电力转换单元150不执行单独的操作。
此外，第一电力转换单元120在第二操作模式中没有通过开关单元170电连接到第二电力转换单元130，以及因而第一电力转换单元120不执行单独的操作。
控制单元180控制电力转换设备的整体操作。
控制单元180控制包括在组成输入单元110的功率因子校正电路中的开关元件的开关操作以校正通过输入单元110输出的电力的功率因子。
控制单元180控制设置在第一电力转换单元120中的开关元件的开关操作以控制第一电力转换单元120的电力转换。
控制单元180控制设置在第二电力转换单元130中的开关元件的开关操作以控制第二电力转换单元130的电力转换。
此外，控制单元180控制设置在第三电力转换单元150中的开关元件的开关操作以控制第三电力转换单元130的电力转换。
控制单元180控制开关单元170的开关操作以确定第二电力转换单元130的操作模式。
即，控制单元180在需要对高压电池140充电的第一操作模式中进行控制以允许开关单元170将第一电力转换单元120连接到第二电力转换单元130，以及因而第二电力转换单元130操作为电力转换单元以对高压电池充电。
可选地，控制单元180在需要对低压电池160充电的第二操作模式中进行控制以允许开关单元170将第二电力转换单元130连接到第三电力转换单元150，以及因而第二电力转换单元130操作为电力转换单元以对低压电池充电。
这里，控制单元180可以检查电动车辆的当前状态以根据检查到的当前电动车辆的状态来确定第一操作模式以对高压电池140充电以及第二操作模式以对低压电池160充电。
例如，当将商用AC电力连接到输入单元110时，控制单元180将状态识别为第一操作模式。因而，控制单元180可以允许开关单元170将第一电力转换单元120连接到第二电力转换单元130。
如上所述，根据实施例，在第一操作模式中将第二电力转换单元130连接到第一电力转换单元120以起到对高压电池充电的高压充电器的作用。此外，在第二操作模式中将第二电力转换单元130连接到第三电力转换单元150以起到对低压电池充电的低压电池充电器的作用。
根据实施例，由于通过使用集成了低压电池与高压电池的结构中的开关单元来改变电力传输路径，可以移除组成已有电路的元件的一部分以简化电路的结构并且减少电力转换设备的体积和成本。
图3为图2所说明的电力转换设备的具体电路图。
将参照图3描述实施例的电力转换设备的具体电路。
参见图3，电力转换设备包括：输入单元110、输入开关部121、第一变压器122、第一共用电路部131、第二共用电路部132、高压电池140、第二变压器151、整流器152、输出滤波器153、低压电池160、以及开关单元170。
因为输入单元110包括如上所述的输入滤波器、整流器、以及功率因子校正电路，将省略与输入滤波器、整流器、以及功率因子校正电路相关的具体描述。
输入开关部121包括第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3、以及第四开关元件Q4。
将第一开关元件Q1的栅极连接到控制单元180以接收开关信号。
第一开关元件Q1的漏极连接到第一节点(正电力节点)且其源极连接到第二开关元件Q2的漏极。
第二开关元件Q2的漏极连接到第一开关元件Q1的源极且其源极连接到输入单元110的第二节点(负电力节点)。
第三开关元件Q3的漏极连接到第一开关元件Q1的漏极且其源极连接到第四开关元件Q4的漏极。
第四开关元件Q4的漏极连接到第三开关元件Q3的源极且其源极连接到第二开关元件Q2的源极。
将第一到第四开关元件Q1到Q4的栅极连接到控制单元180以从控制单元180接收选通信号。
第一到第四开关元件Q1到Q4中的每个包括体二极管和体电容器,该体二极管的其中一端连接到漏极并且另一端连接到源极。
第一变压器122包括第一电感L1和第二电感L2。
将第一电感L1的第一端子连接在第三开关元件Q3的源极与第四开关元件Q4的漏极之间。此外，将第一电感L1的第二端子连接在第一开关元件Q1的源极与第二开关元件Q2的漏极之间。
将第二电感L2的第一端子连接到开关单元170的第一端子，并且将第二电感L2的第二端子连接在以下描述的第七开关元件Q7的源极与第八开关元件Q8的漏极之间。
将开关单元170的第一端子连接到第二电感L2的第一端子或连接到第四电感L4的跟随第一端子。将开关单元170的第二端子连接在第五开关元件Q5的源极与第六开关元件Q6的漏极之间。
第一共用电路部131包括第五开关元件Q5、第六开关元件Q6、第七开关元件Q7、以及第八开关元件Q8。
第五开关元件Q5的漏极连接到第七开关元件Q7的漏极且其源极连接到第六开关元件Q6的漏极。
第六开关元件Q6的漏极连接到第五开关元件Q5的源极且其源极连接到第八开关元件Q8的源极。
第七开关元件Q7的漏极连接到第五开关元件Q5的漏极且其源极连接到第八开关元件Q8的漏极。
第八开关元件Q8的漏极连接到第七开关元件Q7的源极且其源极连接到第六开关元件Q6的源极。
第五到第八开关元件Q5、Q6、Q7、以及Q8在第一操作模式中对通过第一变压器122输出的AC电力进行整流并且输出经整流的AC电力。
因而，第一共用电路部131在第一操作模式中可以起到整流器的作用。
此外，第五到第八开关元件Q5、Q6、Q7、以及Q8在第二操作模式中将通过高压电池140输出的DC电力转换成AC电力。
因而，第一共用电路部131在第二操作模式中可以执行与输入开关部121相同的功能。
第二共用电路部132包括第三电感L3、第一电容器C1。
将第三电感L3的一端连接到第七开关元件Q7的漏极，并且将L3的另一端连接到电容器C1的一端。
将第一电容器C1的一端连接到第三电感L3的另一端，并且将C1的另一端连接到第八开关元件Q8的源极。
第三电感L3和第一电容器C1在第一操作模式中为对通过第一共用电路部131整流的DC电力进行滤波的滤波器。
因而，第二共用电路部132正在第一操作模式中可以起到组成高压电池充电器的输出滤波器的作用。
第三电感L3和第一电容器C1在第二操作模式中为对通过高压电池140输出的DC电力进行滤波的滤波器。
因而，第二共用电路部132在第二操作模式中可以起到组成低压电池充电器的输入滤波器的作用。
第二电力转换单元150包括第二变压器151、整流器152、以及输出滤波器153。
第二变压器151包括第四电感L4、第五电感L5、以及第六电感L6。
选择性地将第四电感L4连接到开关单元170的一端。将第四电感L4的一端连接在第五开关元件Q5的源极与第六开关元件的漏极之间，并且将L4的另一端连接在第七开关元件Q7的源极与第八开关元件Q8的漏极之间。
将第五电感L5的一端连接到第九开关元件Q9的漏极，并且将L5的另一端连接到第六电感L6的一端。
将第六电感L6的一端连接到第五电感L5的另一端，并且将L6的另一端连接到第十开关元件Q10的漏极。
整流器152包括第九和第十开关元件Q9和Q10。
将第九开关元件Q9的漏极连接到第五电感L5的一端。将第九开关元件Q9的源极连接到第七电感L7的一端。
将第十开关元件Q10的漏极连接到第六电感L6的另一端。将第十开关元件Q10的源极连接到第七电感L7的一端。
输出滤波器153包括第七电感L7和第二电容器C2。
第七电感L7的一端连接到第九开关元件Q9的源极和第十开关元件Q10的源极且L7的另一端连接到第二电容器C2的一端。
第二电容器C2的一端具有连接到第七电感L7的另一端且C2的另一端连接在第五电感L5的另一端与第六电感L6的一端之间。
图4为根据实施例的说明用于对高压电池充电的操作的电路图，以及图5为根据实施例的说明用于对低压电池充电的操作的电路图。
参见图4，高压电池140在高压电池140的充电操作模式中由输入单元110、第一电力转换单元120、开关单元170、以及第二电力转换单元130充电。
即，输入单元110从外部接收商用AC电力以对所接收的商用AC电力进行整流和校正功率因子以输出经校正的AC电力。
第一电力转换单元120将具有校正的功率因子的DC电力转换成AC电力以输出经转换的AC电力。
将通过第一电力转换单元120转换的DC电力提供给通过开关单元170连接的第二电力转换单元130。
第一共用电路部131对通过第一转换单元120输出的AC电力进行整流以输出经整流的AC电力。
第二共用电路部132对通过第一共用电路部131整流的DC电力进行滤波。
将通过第二共用电路部132滤波的DC电力提供给高压电池140以对高压电池140充电。
参见图5，低压电池160在低压电池160的充电操作模式中由高压电池140、第二电力转换单元130、开关单元170、以及第三电力转换单元150来充电。
高压电池140在低压电池160的充电操作模式中放电。因而，高压电池140输出储在其中的DC电力。
当通过高压电池140输出DC电力时，由第二共用电路部132对DC电力进行滤波并且将DC电力提供给第一共用电路部131。
第一共用电路部131切换通过第二共用电路部132接收的DC电力以将经切换的DC电力转换成AC电力。因而，第一共用电路部131输出经转换的AC电力到通过开关单元170连接的第二变压器151。
第二变压器151对AC电力进行变压以将经变压的AC电力输出到整流器152。
整流器152对通过第二变压器151输出的AC电力进行整流以将经整流的AC电力转换成DC电力。
通过输出滤波器153将经转换的DC电力提供给低压电池160，由此对低电池160充电。
根据实施例，因为电力的电力传输路径通过集成了低压电池与高压电池的结构中的开关单元来改变，可以移除组成已有电路的元件的一部分以简化电路的结构并且减少电力转换设备的体积和成本。
尽管已经参照其多个说明性的实施例描述了实施例，应该理解到那些本领域技术人员能够设计将落入本公开的原理的精神和范围内的大量其他修改和实施例。更特别地，本公开、附图和所附权利要求书的范围内的组件部件和/或主题组合安排的安排中的各种变型和修改是可能的。除了组件部件和/或安排中的变型和修改，可选的用途对于那些本领域技术人员将同样是显而易见的。

Claims (6)

1.一种用于对第一和第二电池充电的电力转换设备，该电力转换设备包括：
输入单元，其将从外部提供的商用交流(AC)电力转换成直流(DC)电力以输出经转换的DC电力；
第一电力转换单元，其将通过输入单元转换的DC电力转换成AC电力以输出经转换的AC电力；
第二电力转换单元，其在第一操作模式中将通过第一电力转换单元转换的AC电力转换成DC电力以对第一电池充电，第二电力转换单元在第二操作模式中将通过第一电池输出的DC电力转换成AC电力；
第三电力转换单元，其在第二操作模式中将通过第二电力转换单元转换的AC电力转换成DC电力以对第二电池充电；以及
开关单元，其根据从外部提供的控制信号来在第一操作模式中将第一电力转换单元连接到第二电力转换单元，开关单元根据从外部提供的控制信号来在第二操作模式中将第二电力转换单元连接到第三电力转换单元。
2.根据权利要求1所述的电力转换设备，其中，在第一操作模式中，由于第三电力转换单元没有连接到开关单元，第三电力转换单元停止操作，以及
在第二操作模式中，由于第一转换单元没有连接到开关单元，第一电力转换单元停止操作。
3.根据权利要求1所述的电力转换设备，其中第二电力转换单元包括在第一和第二操作模式中操作的第一共用电路和第二共用电路。
4.根据权利要求3所述的电力转换设备，其中第一共用电路在第一操作模式中对通过第一电力转换单元输出的AC电力进行整流以将经整流的AC电力转换成DC电力,并且在第二操作模式中将通过第二共用电路输出的DC电力转换成AC电力。
5.根据权利要求3所述的电力转换设备，其中第二共用电路在第一操作模式中起到与提供给第一电池的DC电力相关的输出滤波器的作用,并且在第二操作模式中起到与提供给第一共用电路的DC电力相关的输入滤波器的作用。
6.根据权利要求3所述的电力转换设备，其中第一共用电路由多个有源开关元件组成。
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