CN105743412B - 电力转换装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力转换装置和方法。该电力转换装置包括主电池和电力转换器，所述电力转换器配置成执行生成高电力的高电力转换模式和利用所述主电池的输入电力生成低电力的低电力转换模式。此外，辅助电池配置成接收并充入低电力，逆变器配置成将高电力转换为用于驱动电动机的驱动电力。

Description

电力转换装置和方法
技术领域
本发明涉及电力转换装置和方法，特别涉及在环保型车辆中减少 大小并改善效率的电力转换装置和方法。
背景技术
环保型车辆中的混合动力车辆指使用两种动力源的车辆。例如， 混合动力车辆指具有由电力运行的电动机和以汽油燃烧运行的发动机 的车辆。
因此，普通的混合动力车辆包括两个或多个控制器，以分别运行 两种动力源。因此，虽然电动机和发动机因系统不同而不同，但是所 述车辆可由电动机和发动机的两种动力源构成，且可包括：发动机控 制单元(以下称作ECU(engine control unit))，其配置成运行发 动机；电动机控制单元(以下称作MCU(motor control unit))， 其配置成运行电动机；混合动力控制单元(以下称作HCU(hybrid control unit))，其配置成在ECU和MCU的顶极域(top domain) 选择动力源中的任一者或确定其动力分配率(power distributionrate)；高电力转换器(如高电压直流-直流(DC/DC)转换器)，其 配置成将高电压电池电压转换为用于驱动混合动力车辆的电动机的电 压；电池管理系统，其配置成监控高电压电池的状态；以及低电力转 换器(如低电压DC/DC转换器)，其配置成在高电压电池中对辅助电池充电，等等。
HCU配置成基于车辆状态执行两种动力源，即电动机和发动机之 间的电力分配(或选择)，并且被配置成诊断当前车辆状态。然而， 高电力转换器和低电力转换器在同一电力源中转换电力，但是由于其 输出目标彼此不同，硬件和/或控制器应当分别进行设计。此外，由于 其压降率(voltage drop rate)显著，因此低电力转换器要求使用变 压器，所以增加了电力转换器的大小、重量和成本。
发明内容
本发明提供电力转换装置和方法，其能够减小大小且改善其效率。
电力转换装置可包括：主电池；电力转换器，其配置成执行生成 高电力的高电力转换模式和利用来自主电池的电力生成低电力的低电 力转换模式；辅助电池，其配置成接收并充入低电力；以及逆变器， 其配置成将高电力转换为驱动电力从而驱动电动机。电力转换器可包 括多个并联连接的转换模块，用于执行高电力转换模式和低电力转换 模式。而且，当同时执行高电力转换模式和低电力转换模式时，所述 转换模块中的一个可在低电力转换模式中运行且其它转换模块可在高 电力转换模式中运行。当仅执行高电力转换模式时，所述多个转换模 块可都在高电力转换模式中运行。
因此，所述多个转换模块可以是非反相升降压型 (non-invertingbuck-boosts)且可以交错方式(interleaving manner)运行。所述主电池可包括多个主电池且所述电力转换器配置 成基于再生制动，利用电动机的驱动电力为主电池充电。
此外，还可以包括选择性地连接多个主电池到多个转换模块的第一 开关网络。第二开关网络可配置成选择性地输出基于高电力转换模式 的高电力以及基于低电力转换模式的低电力。所述多个转换模块的输 出可具有同时执行高电力模式和低电力模式的命令占空比以及延迟多 达360°/(N-1)的三角波输出。另外，所述多个转换模块的输出可具有仅执行高电力转换模式的命令占空比以及延迟多达360°/N的三角波输 出。
本发明另一示例性实施例提供电力转换方法，其包括以下步骤： 由电力转换器执行生成高电力的高电力转换模式以及利用主电池输入 电力生成低电力的低电力转换模式；将低电力充电至辅助电池；以及 利用逆变器将高电力转换为用于驱动电动机的驱动电力。
转换模式执行可包括：当高电力转换模式和低电力转换模式同时执 行时，允许多个转换模块中的一个转换模块在低电力转换模式中运行 且其它转换模块在高电力转换模式中运行。另外，转换模式执行可包 括当仅执行高电力转换模式时，允许所述所有多个转换模块都在高电 力转换模式中运行。
根据本发明，通过合并被分离为高电力转换器和低电力转换器的电 力转换装置可减小该装置的大小。而且，本发明的其它效果包括：由 于可实现电池串联模块化，更稳定地转换电力。本发明的另一效果包 括：由于能够执行多个电力转换装置的双向并联操纵和运行，所以能 够减少电流纹波。此外，本发明的另一效果包括：根据电力转换装置 的统一性，有助于提高车辆效率以及改进车辆燃料效率。
附图说明
结合附图，本公开的上述和其它目的，特征和优点可从下面的详 细描述中更显而易见。
图1是根据本发明的示例性实施例示出电力转换装置的方框图。
图2是根据本发明的示例性实施例示出依照图1所示的电力转换 装置同时执行高电力转换模式和低电力转换模式的方框图。
图3是根据本发明的示例性实施例示出依照图1所示的电力转换 装置仅执行高电力转换模式时的方框图。
图4是根据本发明的示例性实施例示出根据图2同时执行高电力 转换模式和低电力转换模式的过程的流程图。
图5是根据本发明的示例性实施例示出根据图3仅执行高电力转 换模式的过程的流程图。
具体实施例
应该理解，如这里所用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术 语通常包括机动车辆，如运动型多用途车(SUV：sports utility vehicle)、公共车辆、卡车、各种商用车辆等客用车辆，以及各种小 船、轮船等船只和飞机等等，且包括混合动力车辆，电动车辆，插电 式混合动力电动车辆，氢动力车辆和其他代用燃料车辆(如源于石油 之外的资源的燃料)。如这里所指的混合动力车辆是有两种或多种动 力源的车辆，例如以汽油动力和电动力为电力源的车辆。
虽然示例性实施例被描述为用多个单元执行示例性过程，但是应该 理解，示例性过程也可由一个或多个模块执行。此外，应该理解，术 语控制器/控制单元指包括存储器和处理器的硬件设备。所述存储器配 置成储存模块且所述处理器具体配置成执行所述模块，从而执行一个 或多个过程，稍后将进一步描述。
此外，本发明的控制逻辑在计算机可读介质上可呈现为非瞬时计算 机可读媒体，所述计算机可读介质含有由处理器、控制器/控制单元等 执行的可执行程序指令。计算机可读媒体的实例包括但不限于ROM、 RAM、光盘(CD：compact disc)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动、智能 卡和光数据存储设备。计算机可读记录介质也能够在网络耦合的计算 机系统中分布，从而以分布式方式储存和执行计算机可读媒体，如通 过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN：controller area network)。
这里所用的术语仅为了描述特定实施例，并不为了限制本发明。除 非上下文另外清楚地规定，如这里所用的单数形式“一种/个(a/an)”、 以及“该”也旨在包括复数形式。应该进一步理解，当在本说明书中 使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操 作、要素、和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、 步骤、操作、要素、部件和/或其集合的存在或添加。如这里所用的术 语“和/或”包括一个或更多相关所列项的任一和所有组合。
除非上下文特别指出或清楚规定，如这里所用的术语“约”应该理 解为在本领域普通公差范围内，例如在平均值的2个标准差内。“大约” 可被理解为在标注值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、 0.5％、0.1％、0.05％或0.01％以内。除非上下文另外清楚地指出，这里所 提供的所有数字数值都可以用术语“约”修饰。
本发明可以各种修改被应用且有大量示例性实施例。本发明的具体 示例性实施例将结合示图阐明且将在具体实施例中具体说明。然而，这 不是为了将本发明局限于具体示例性实施例。应该理解为包括所有包括 在本发明技术思想和范围内的各种等效、可变化的实例和替代。
说明每个附图时，相同的附图标记可用于相同元件。第一，第二等 术语可用于说明不同的元件，但元件不应该受限于这些术语。所使用的 这些术语仅为了将一个元件和其它元件区分开来。例如，在不偏离本发 明的权利要求范围的情况下，第一元件可命名为第二元件，且类似地， 第二元件可命名为第一元件。术语“和/或”是多个关联或所描述的构成要素的组合或包括多个关联或所描述的构成要素中的任一构成要素。
除非另外定义，本文所用的所有术语，科学术语和技术术语的含义 与掌握本发明所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如词典 里所定义的常用术语应该解释为与相关领域背景中的含义相对应的含 义，且除非本申请清楚定义，所述术语不应该解释为理想化的或过于 形式化的含义。
根据本发明的示例性实施例，参照附图，下文将详细描述电力转换 装置和方法。
图1是根据本发明的示例性实施例示出电力转换装置100的方框 图。参照图1，电力转换装置100可包括：主电池110；电力转换器120， 其配置成执行生成高电力的高电力转换模式和/或利用主电池110的输 入电力生成低电力的低电力转换模式；辅助电池140，其配置成接收并 充入低电力；逆变器130，其配置成将高电力(high power)转换成驱 动电力以驱动电动机150；以及电动机150，其配置成接收驱动电力而 运行。低电力是小于100V的电力源，且高电力是大于或等于100V的 电力源。
另外，如车灯，刮水器以及车门锁扣器(door locker)等电场负 载160被设置在车辆的内部和外部。主电池110可包括多个串联和/或 并联设置的单电池(battery cells)(未示出)。单电池可以是用于 车辆的高电压电池，如镍金属电池，锂离子电池，锂聚合物电池，以 及全固态电池等。一般来说，高电压电池指约100V或更高的用作驱动 电动车辆的动力源的高电压电池，但不限于此，也可用低电压电池。 主电池110可包括多个主电池，例如为了便于理解图1所示的第一主 电池111和第二主电池112。
在本发明的示例性实施例中，混合动力车辆被描述为电动车辆的实 例，但不限于此。也可应用插电式混合动力电动车辆(PHEV：plug-in hybrid electric vehicle)，电动车辆(EV：electric vehicle)， 邻区电动车辆(NEV：neighborhood electric vehicle)和燃料电池 车辆(FCV：fuel-cell vehicle)等。
电力转换器120可集成到高电力转换模式121和低电力转换模式 122的配置中。电力转换器120可配置成执行同时驱动操作，即在相同 时间执行高电力转换模式和低电力转换模式，或单一驱动操作，即基 于如混合动力控制单元(HCU)等控制器的命令仅执行高电力转换模式。 逆变器130可配置成将由电力转换器120生成的高电力转换为驱动电 力以驱动电动机150，并为电动机150供应驱动电力。当然，逆变器 130也可配置成提供由电动机150的反转引起的充电电力至主电池110 和/辅助电池140。
电动机150可以是交流(AC：alternating current)电动机，无 刷直流(BLDC：Brushless Direct Current)电动机等，且可以连接 至变速器(未示出)从而将电能转换为机械能。此外，电动机150可 配置成通过再生制动控制算法作为发电机运行，以产生电力。可利用 逆变器130在电力转换器120中转换该电力，从而为主电池110充电。 换句话说，电力转换器120可具有用于高电力转换模式121的双向特 点，从而产生驱动电动机150的驱动力，以及利用电动机150的驱动 力为主电池110充电。
图2是依照图1所示的电力转换装置，同时执行高电力转换模式和 低电力转换模式的情况的详细方框图。参照图2，电力转换器120可包 括第一转换模块220-1到第N转换模块220-n，其彼此并联连接以执行 高电力转换模式和/或低电力转换模式。
因此，当高电力转换模式121和低电力转换模式122(图1)同时 被执行时，所述第一转换模块220-1到第N转换模块220-n中的第N 转换模块200-n可被配置成在低电力转换模式122中运行，且其它转 换模块220-1至220-n-1可配置成在高电力转换模式121中运行。
第一开关网络210可连接至电力转换器120的左端且可选择性地电 连接所述第一主电池111和第二主电池112至第一转换模块220-1到 第N转换模块220-n。而且，第二开关网络230可连接至电力转换器 120的右端且可配置成基于高电力转换模式和/或低电力转换模式，同 时输出高电力和/或低电力，并供应该电力至逆变器130、辅助电池140 以及电场负载160。具体地，第二开关网络230可被配置成供应高电力 至逆变器130，供应低电力至辅助电池140和电场负载160。
第一开关网络210和第二开关网络230主要可使用电力继电器，但 它们不仅限于此，并且可使用如FET(Field Effect Transistor；场 效应晶体管)、MOSFET(Metal OxideSemiconductor FET；金属氧化 物半导体场效应晶体管)、IGBT(Insulator Gate BipolarMode Transistor；绝缘栅双极型晶体管)和功率整流二极管(power rectifier diode)等半导体开关元件、晶闸管、GTO(Gate Turn-Off； 门极可关断晶闸管)、TRIAC、SCR(SiliconControlled Rectifier； 硅控整流器)以及I.C(Integrated Circuit；集成电路)等。具体地， 在半导体元件的情况下，可使用双极元件和功率MOSFET(金属氧化物 半导体场效应晶体管)元件等。由于功率MOSFET元件以高电压和高电 流运行，其可具有不同于一般MOSFET的DMOS(Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor；双扩散金属氧化物半导体)的结构。
此外，第一转换模块220-1到第N转换模块220-n可包括非反相升 降压型(non-inverting Buck-Boosts)，且可彼此并联连接并以交错 方式(interleaving manner)运行。当电力转换器120供应电力至电 场负载160并为辅助电池140充电时，高电力转换模式和低电力转换 模式可同时执行。用于低电力转换器的第N转换模块220-n的输入-输 出关系式如下：
式1
Vout_ldc＝Vin1*(D/D′)
其中，D和D’表示占空比值，Vout_ldc表示低电力转换器(如，LDC) 的输出电压，Vin1表示所述低电力转换器的输入电压。
除用作低电力转换器的第N转换模块220-n之外，其它转换模块 220-1至220-n-1可在高电力转换器中运行，彼此并联连接并以交错方 式运行。在其它转换模块220-1至220-n-1中的每一个转换模块中与 来自控制器270的命令占空比相比较而输出占空比的三角波，可被设 置成延迟多达360°/(N-1)。此处，控制器270可以是混合动力控制单元(HCU)，但不限于此。
此外，用作高电力转换器的转换模块220-1至220-n的输入-输出 关系式如下：
式2
Vout_hdc＝Vin2*(D/D′)
其中，Vout_hdc表示高电力转换器(如，HDC)的输出电压，Ving表示所 述高电力转换器的输入电压。
图3是根据图1所示的电力转换装置示出执行高电力转换模式时的 详细方框图。参照图3，当仅执行高电力转换模式时，第一转换模块220-1 到第N转换模块220-n可在高电力转换模式中运行。
当电力转换器120不供应电力至电场负载160且在辅助电池140中 所存储的能量供应至电场负载160时，可省略低电力转换功能且仅运行 高电力转换功能。因此，不同于图2所示的同时驱动操作，第一转换模 块220-1到第N转换模块220-n仅在高电力转换器中运行，且可彼此并 联连接并以交错方式运行。
在每个转换模块220-1至220-n-1中与来自控制单元270的命令占 空比相比较而输出占空比的三角波，可被设置成延迟多达360°/N。具 体地，第一转换模块220-1到第N转换模块220-n的输入-输出关系式 如下：
式3
Vout_hdc＝(Vin1+Vin2)*(D/D′)
图4示出同时执行高电力转换模式和低电力转换模式的过程的流 程图。图4所述的过程可由控制器执行。参照图4，控制器270可配置 成选择进行同时执行高电力转换模式和低电力转换模式的同时驱动操 作和仅执行高电力转换模式的单一驱动操作中的任一者(步骤S410)。
在步骤S410中，当选择同时驱动操作时，电力转换器120的第一转换模块220-1到第N转换模块220-n中的第N转换模块220-n可在低电力转换模式中运行，且其它转换模块220-1至220-n-1可彼此并联连接，在高电力转换模式中运行(步骤S420，S430)。然后，其它转换模块220-1至220-n-1可被设置成具有同时执行高电力转换模式和低电力转换模式的命令占空比和延迟多达360°/(N-1)的三角波输出， 并输出延迟电力(步骤S440，S450)。
图5是根据图3示出在相同的时间仅执行高电力转换模式的过程的 流程图。图5所述的过程可由控制器执行。参照图5，在步骤S410中 选择单一驱动操作时，第一转换模块220-1到第N转换模块220-n可 彼此并联连接，从而运行高电力转换模式(步骤S411，S530)。然后， 可模块220-1至220-n，可被设置成具有同时执行高电力转换模式和低 电力转换模式的命令占空比以及延迟多达360°/(N)的三角波输出，并 输出延迟电力(步骤S540，S550)。

Claims (14)

1.一种电力转换装置，其包括：
主电池；
电力转换器，其配置成执行生成高电力的高电力转换模式和利用所述主电池的输入电力生成低电力的低电力转换模式；
辅助电池，其配置成接收并充入低电力；以及
逆变器，其配置成将高电力转换为驱动电力，从而驱动电动机，
其中所述电力转换器包括多个彼此并联连接的转换模块，用于执行所述高电力转换模式和低电力转换模式，且
当所述高电力转换模式和低电力转换模式被同时执行时，所述多个转换模块中的一个转换模块在低电力转换模式中运行并且其它转换模块在高电力转换模式中运行，
当仅执行高电力转换模式时，所述多个转换模块中的全部模块在高电力转换模式中运行，
所述主电池是多个串联连接的主电池，
所述电力转换器在高电力转换模式中是双向转换器，
同时执行高电力转换模式和低电力转换模式，或单独执行高电力转换模式，
当使用电场负载时执行低电力转换模式，且
所述多个转换模块具有相同的功能。
2.根据权利要求1中所述的电力转换装置，其中所述多个转换模块是非反相升降压型。
3.根据权利要求1中所述的电力转换装置，其中所述多个转换模块以交错方式运行。
4.根据权利要求1中所述的电力转换装置，其中所述主电池包括多个主电池且所述电力转换器配置成基于再生制动，利用电动机的驱动电力为所述主电池充电。
5.根据权利要求4中所述的电力转换装置，其还包括：
第一开关网络，其选择性地连接所述多个主电池至所述多个转换模块。
6.根据权利要求1中所述的电力转换装置，其还包括：
第二开关网络，其配置成选择性地输出基于所述高电力转换模式的高电力和基于所述低电力转换模式的低电力。
7.根据权利要求1中所述的电力转换装置，其中所述多个转换模块的输出具有同时执行所述高电力转换模式和低电力转换模式的命令占空比以及延迟多达360°/(N-1)的三角波输出，其中N表示转换模块的数量。
8.根据权利要求1中所述的电力转换装置，其中所述多个转换模块的输出具有执行所述高电力转换模式的命令占空比以及延迟多达360°/N的三角波输出，其中N表示转换模块的数量。
9.一种电力转换方法，其包括以下步骤：
由电力转换器执行生成高电力的高电力转换模式以及利用主电池的输入电力生成低电力的低电力转换模式，其中所述电力转换器包括多个彼此并联连接的转换模块，用于执行所述高电力转换模式和低电力转换模式；
由控制器将所述低电力充电至辅助电池；以及
由所述控制器利用逆变器将所述高电力转换为用于驱动电动机的驱动电力，
其中当所述高电力转换模式和低电力转换模式被同时执行时，由所述控制器在低电力转换模式中运行多个转换模块中的一个转换模块并且在高电力转换模式中运行其它转换模块，
当仅执行高电力转换模式时，所述多个转换模块中的全部模块在高电力转换模式中运行，
所述主电池是多个串联连接的主电池，
所述电力转换器在高电力转换模式中是双向转换器，
同时执行高电力转换模式和低电力转换模式，或单独执行高电力转换模式，
当使用电场负载时执行低电力转换模式，且
所述多个转换模块具有相同的功能。
10.根据权利要求9中所述的电力转换方法，其中所述多个转换模块是非反相升降压型。
11.根据权利要求9中所述的电力转换方法，其中所述多个转换模块以交错方式运行。
12.根据权利要求9中所述的电力转换方法，其中所述主电池包括多个主电池，且所述电力转换器配置成基于再生制动，利用所述电动机的驱动电力为所述主电池充电。
13.根据权利要求9中所述的电力转换方法，其中所述多个转换模块的输出具有同时执行所述高电力转换模式和低电力转换模式的命令占空比以及延迟多达360°/(N-1)的三角波输出，其中N表示转换模块的数量。
14.根据权利要求9中所述的电力转换方法，其中所述多个转换模块的输出具有仅执行所述高电力转换模式的命令占空比以及延迟多达360°/N的三角波输出，其中N表示转换模块的数量。
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