CN105790588B - 用于车辆系统的双向dc-dc功率转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明题为用于车辆系统的双向DC‑DC功率转换器。公开一种按照可变方式处理和传递差分电力的双向DC‑DC转换器组合件。转换器组合件耦合到能量储存装置和DC链路，其中转换器组合件包括耦合到能量储存装置的第一转换器段以及耦合到DC链路和能量储存装置的第二转换器段。转换器组合件在向负载提供电力时处理能量储存装置的DC电力输出的第一部分并且向第二转换器段提供能量储存装置的DC电力输出的未处理第二部分，以及在向能量储存装置提供再生电力时处理来自负载的再生电力的第一部分并且向第一转换器段提供来自负载的再生电力的未处理第二部分。

Description

用于车辆系统的双向DC-DC功率转换器
技术领域
本发明的实施例一般涉及功率转换器，以及更具体来说涉及按照可变方式处理和传递差分电力（differential power）的双向DC-DC功率转换器。双向DC-DC功率转换器沿两种电力流方向按照可变方式来处理由此所接收的电力，其中由此所接收的电力的一部分未经处理直接输送到转换器的另一侧。
背景技术
电动车辆和混合电动车辆通常由一个或多个能量储存装置单独地或者结合内燃机来供电。在纯电动车辆中，一个或多个能量储存装置向整个驱动系统供电，由此消除对内燃机的需要。另一方面，混合电动车辆包括用来补充由内燃机所提供的电力的能量储存装置电力，这极大地增加内燃机和车辆的燃料效率。传统地，电力或混合电力驱动系统中的能量储存装置包括电池、超级电容器、飞轮（flywheel）或者这些元件的组合，以便提供充分能量以向电马达供电。
在电动和混合电动车辆中，能量可从这些能量储存装置的一个或多个传递给DC链路(其耦合到DC负载(例如电马达))。通常，一个或多个DC-DC电压转换器(例如双向降压/升压转换器)常常用来将(一个或多个)能量储存装置电压与DC链路电压去耦(其中DC链路耦合到电马达)，其中一个或多个转换器用来提供这个去耦。双向DC-DC电压转换器用来增加或“提高”从(一个或多个)能量储存装置提供给DC链路的(一个或多个)电压以满足电马达的电力需求，并且用来在向(一个或多个)能量储存装置提供再生电力以对(一个或多个)装置再充电之前减小或“降低”再生制动期间从电马达所生成的电压。
虽然双向DC-DC电压转换器的现有布置成功地允许电压向DC链路的增加供应或者降低逐步减低电压以对(一个或多个)能量储存装置再充电，但是某些缺陷与这类电压转换器的使用关联。也就是说，在电动和混合电动车辆中，所提供的典型DC-DC电压转换器是全额定功率DC-DC转换器，其包括在功率转换过程中用来携带全功率的开关。在携带全功率中，开关传导较高电流，以使得生成更多损耗，并且还在转换器的热管理上增加更高要求。相应地，系统的体积和重量进一步增加，并且系统的成本也将增加。
解决DC-DC转换器的问题的先前尝试低效地主要集中于利用改进的DC-DC转换器拓扑、设计方法和组件材料。但是，这些解决方案的每一个只能将车辆系统的性能改进有限量，并且只不过以附加成本来取得这些效率改进。
因此，期望提供具有减少的体积、重量和损耗以及增加效率的双向DC-DC电压转换器，其中转换器在没有关联成本增加的情况下实现增加的效率。
发明内容
本发明的实施例针对一种双向DC-DC功率转换器，其向负载传递差分电力。
按照本发明的一个方面，一种车辆系统包括：DC链路；负载，耦合到DC链路，并且配置成从DC链路接收能量；能量储存装置，配置成生成DC电力输出；以及双向DC-DC转换器组合件，耦合到能量储存装置和DC链路的每一个，并且定位在其之间，双向DC-DC转换器包括耦合到能量储存装置的第一转换器段和耦合到DC链路的第二转换器，其中第二转换器段还与能量储存装置耦合。双向DC-DC转换器组合件配置成在从能量储存装置向负载提供电力时处理能量储存装置的DC电力输出的第一部分并且向第二转换器段提供能量储存装置的DC电力输出的未处理第二部分，以及在向能量储存装置提供来自负载的再生电力时处理来自负载的再生电力的第一部分并且向第一转换器段提供来自负载的再生电力的未处理第二部分。
按照本发明的另一方面，一种车辆系统包括：DC链路；负载，耦合到DC链路，并且配置成从DC链路接收能量；能量储存装置，配置成生成DC电力输出；以及双向DC-DC部分功率转换器，配置成有选择地工作在升压模式以提高从能量储存装置到DC链路的DC电力的电压以及工作在降压模式以降低从DC链路到能量储存装置的DC电力的电压。在以升压模式和降压模式的每个操作双向DC-DC部分功率转换器中，由双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的第一部分所处理以便提高或降低电压，以及由双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的第二部分未处理。
按照本发明的又一方面，提供一种用于传递车辆系统(其包括能量储存装置、直流(DC)链路、负载和双向DC-DC转换器组合件)中的电力的方法。该方法包括以升压模式操作双向DC-DC转换器组合件以提高从能量储存装置的输出到DC链路的DC电压，或者以降压模式操作双向DC-DC转换器组合件以降低从DC链路到能量储存装置的电压。在以升压或降压模式操作双向DC-DC转换器组合件中，该方法还包括确定能量储存装置与DC链路之间的电压差，确定双向DC-DC转换器组合件所处理的待处理电力的第一部分以便提高或降低所接收电力，确定双向DC-DC转换器组合件所接收的、保持为未处理的电力的第二部分，使双向DC-DC转换器组合件处理所接收电力的第一部分而将所接收电力的第二部分保持为未处理，以及从双向DC-DC转换器组合件共同输出所处理的第一部分和未处理的第二部分。
技术方案1：一种车辆系统，包括：
直流(DC)链路；
负载，耦合到所述DC链路，并且配置成从所述DC链路接收能量；
能量储存装置，配置成生成DC电力输出；以及
双向DC-DC转换器组合件，耦合到所述能量储存装置和所述DC链路的每一个并且定位在其之间，所述双向DC-DC转换器包括耦合到所述能量储存装置的第一转换器段和耦合到所述DC链路的第二转换器段，其中所述第二转换器段还与所述能量储存装置耦合；
其中所述双向DC-DC转换器组合件配置成：
在从所述能量储存装置向所述负载提供电力时，处理所述能量储存装置的所述DC电力输出的第一部分并且向所述第二转换器段提供所述能量储存装置的所述DC电力输出的未处理第二部分；以及
在向所述能量储存装置提供来自所述负载的再生电力时，处理来自所述负载的再生电力的第一部分并且向所述第一转换器段提供来自所述负载的所述再生电力的未处理第二部分。
技术方案2：如技术方案1所述的车辆系统，其中，所述第一转换器段和所述第二转换器段的每一个包括正端子和负端子，并且其中所述第二转换器段的所述负端子与所述第一转换器段的所述正端子串联连接。
技术方案3：如技术方案1所述的车辆系统，其中，所述双向DC-DC转换器组合件包括至少一个变压器，其中所述第一转换器段包括所述至少一个变压器的一次绕组，并且所述第二转换器段包括所述至少一个变压器的二次绕组。
技术方案4：如技术方案3所述的车辆系统，其中，在从所述能量储存装置向所述负载提供电力时，所述一次绕组接收所述能量储存装置的所述DC电力输出的第一部分，并且引起跨所述二次绕组的电压，该电压与所述能量储存装置的所述DC电力输出的第二未处理部分相组合，以从所述双向DC-DC转换器生成组合电力输出。
技术方案5：如技术方案3所述的车辆系统，其中，在向所述能量储存装置提供来自所述负载的再生电力时，所述二次绕组接收来自所述负载的所述再生电力的所述第一部分，并且引起跨所述一次绕组的电压，该电压与来自所述负载的所述再生电力的第二未处理部分相组合，并且从所述双向DC-DC转换器作为组合功率输出来提供。
技术方案6：如技术方案3所述的车辆系统，其中，所述第一转换器段和所述第二转换器段的每一个包括开关网络，以在从所述能量储存装置向所述负载提供电力时并且在向所述能量储存装置提供来自所述负载的再生电力时控制通过所述双向DC-DC转换器组合件的所述一次和二次绕组的电流。
技术方案7：如技术方案6所述的车辆系统，其中，所述开关网络包括半桥电路和全桥电路其中之一。
技术方案8：如技术方案3所述的车辆系统，所述第一转换器段和所述第二转换器段的每一个包括电压馈送或电流馈送转换器。
技术方案9：如技术方案1所述的车辆系统，还包括与所述双向DC-DC转换器组合件进行可操作通信的控制器，以基于所述能量储存装置与所述DC链路之间的电压差来控制所述第一转换器段和所述第二转换器段的操作。
技术方案10：如技术方案9所述的车辆系统，其中，在从所述能量储存装置向所述负载提供电力时，所述控制器编程为随着所述能量储存装置与所述DC链路之间的所述电压差增加而增加所述能量储存装置的所述DC电力输出的所处理的第一部分的值并且减小所述能量储存装置的所述DC电力输出的所述未处理第二部分的值。
技术方案11：如技术方案9所述的车辆系统，其中，在向所述能量储存装置提供来自所述负载的再生电力时，所述控制器编程为随着所述能量储存装置与所述DC链路之间的所述电压差增加而增加来自所述负载的所述再生电力的所处理的第一部分的值并且减小来自所述负载的所述再生电力的所述未处理第二部分的值。
技术方案12：如技术方案1所述的车辆系统，其中，第二能量储存装置耦合到所述DC链路和所述双向DC-DC转换器组合件并且定位在其之间，在从所述能量储存装置向所述负载提供电力时，所述第二转换器段耦合到所述DC链路和所述负载。
技术方案13：一种车辆系统，包括：
直流(DC)链路；
负载，耦合到所述DC链路，并且配置成从所述DC链路接收能量；
能量储存装置，配置成生成DC电力输出；以及
双向DC-DC部分功率转换器，配置成有选择性地操作在升压模式以提高从所述能量储存装置到所述DC链路的所述DC电力的电压，并且操作在降压模式以降低从所述DC链路到所述能量储存装置的所述DC电力的电压；
其中在以所述升压模式和所述降压模式的每一个操作所述双向DC-DC部分功率转换器中，由所述双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的第一部分被处理以便提高或降低所述电压，以及由所述双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的第二部分未处理。
技术方案14：如技术方案13所述的车辆系统，其中，所述双向DC-DC部分功率转换器包括：
第一转换器段，耦合到所述能量储存装置；以及
第二转换器段，耦合到所述DC链路；
其中所述第一转换器段和所述第二转换器段的每一个包括正端子和负端子，其中所述第二转换器段的负端子与所述第一转换器段的正端子串联连接，使得由所述双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的所述第二部分旁路所述第一和第二转换器段其中之一以便未处理。
技术方案15：如技术方案14所述的车辆系统，其中，所述双向DC-DC部分功率转换器包括至少一个变压器，其中所述第一转换器段包括所述至少一个变压器的一次绕组，并且所述第二转换器段包括所述至少一个变压器的二次绕组。
技术方案16：如技术方案13所述的车辆系统，其中，所述第一转换器段和所述第二转换器段的每一个包括开关网络，以控制通过所述双向DC-DC部分功率转换器的所述一次和二次绕组的电流。
技术方案17：如技术方案13所述的车辆系统，还包括与所述双向DC-DC部分功率转换器进行可操作通信的控制器，所述控制器编程为基于所述能量储存装置与所述DC链路之间的电压差来确定由所述双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的所处理的第一部分的值以及由所述双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的所述未处理第二部分的值。
技术方案18：如技术方案13所述的车辆系统，其中，第二能量储存装置耦合到所述DC链路和双向DC-DC部分功率转换器并且定位在其之间，在从所述能量储存装置向所述负载提供电力时，所述第二转换器段耦合到所述DC链路和所述负载。
技术方案19：一种传递车辆系统中的电力的方法，该车辆系统包括能量储存装置、直流(DC)链路、负载和双向DC-DC转换器组合件，所述方法包括：
以升压模式操作所述双向DC-DC转换器组合件以提高从所述能量储存装置的输出到所述DC链路的DC电压，或者以降压模式操作所述双向DC-DC转换器组合件以降低从所述DC链路到所述能量储存装置的电压；
其中以所述升压模式或所述降压模式操作所述双向DC-DC转换器组合件包括：
确定所述能量储存装置与所述DC链路之间的电压差；
确定由所述双向DC-DC转换器组合件所接收的待处理电力的第一部分，以便提高或降低所接收电力；
确定由所述双向DC-DC转换器组合件所接收的保持未处理的电力的第二部分；
使所述双向DC-DC转换器组合件处理所接收电力的所述第一部分并且使所接收电力的所述第二部分保持为未处理；以及
从所述双向DC-DC转换器组合件共同输出所处理的第一部分和未处理的第二部分。
技术方案20：如技术方案17所述的多能源系统，其中，使所述双向DC-DC转换器组合件使所接收电力的所述第二部分保持为未处理包括使由所述双向DC-DC转换器组合件所接收的电力的所述第二部分旁路所述双向DC-DC转换器组合件的第一转换器段和第二转换器段其中之一，其中所述第二转换器段的负端子与所述第一转换器段的正端子串联连接，以便提供所述第一转换器段和所述第二转换器段其中之一的旁路。
从以下详细描述和附图，将使各种其他特征和优点显而易见。
附图说明
附图示出当前预期用于执行本发明的实施例。
附图中：
图1是按照本发明的实施例的车辆驱动系统的示意框图。
图2是示出提供给图1的车辆驱动系统中包含的双向DC-DC电力转换器用于改变DC电压增益的DC电力的所处理和未处理部分的图表。
图3是按照本发明的实施例、具有附连源/负载、图1的车辆驱动系统中包含的双向DC-DC功率转换器的示意框图。
图4是按照本发明的实施例、具有附连源/负载、图1的车辆驱动系统中包含的双向DC-DC功率转换器的示意框图。
图5是按照本发明的实施例、具有附连源/负载、图1的车辆驱动系统中包含的双向DC-DC功率转换器的示意框图。
图6是示出按照本发明的实施例、用于传递车辆系统中的电力的技术的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种双向DC-Dc功率转换器，其按照可变方式处理差分电力并且将其传递给负载。双向DC-DC功率转换器作为部分功率转换器进行操作，因为由此所接收的电力的一部分被处理(即，提高/降低)并且由此所接收的电力的一部分未经处理直接输送到转换器的另一侧。
图1示出按照本发明的实施例的车辆系统10。车辆系统10可用于电动或混合电动应用中，并且按照一个实施例用作车辆推进(即，驱动)系统的一部分，但是要认识到，该系统也可用作车辆的启动系统的一部分。车辆系统10包括能量系统12和车辆系统控制器14。能量系统12包括第一能量储存装置16和双向DC-DC转换器组合件18、即双向降压/升压转换器组合件。按照图1所示的实施例，能量系统12可选地还可包括第二能量储存装置20。按照一个实施例，第一能量储存装置16可以是证实实现大约100 W-hr/kg或更大的能量密度的高比能量电池或者高能量密度电池(例如锂离子、钠金属卤化物、钠镍氯化物、钠硫或锌空气电池)，但是也预期诸如超级电容器、燃料电池、飞轮等的另一种类型的能量储存装置。第二能量储存装置20可以是例如具有高比额定功率的蓄电池或超级电容器。
如图1所示，第二能量储存装置20经由DC链路22耦合到负载24，以向其提供电力。第一能量储存装置16还向负载24提供电力，其中第一能量储存装置16通过双向DC-DC转换器组合件18(其定位在第一能量储存装置16与DC链路22之间)来提供电力。按照本发明的实施例，负载24是包括DC-AC逆变器26和马达或机电装置28的电力驱动。马达28优选地是AC马达，但是并不局限于此。虽然未示出，但是要理解，马达28可耦合到相应车轮或另一负载，或者那个马达28可耦合到分速器用于向车轮或另一负载分配旋转功率。
一般来说，在加速操作模式中，由第二能量储存装置20能量系统12的高电压侧30上提供的电压经由DC链路22提供给DC-AC逆变器26，以驱动马达28。双向DC-DC转换器组合件18还用来提高由能量系统12的低电压侧32提供给能量系统12的高电压侧30的电压。也就是说，来自第一能量储存装置16的电压经由在能量系统12的低电压侧32上与其耦合的母线34来提供给双向DC-DC转换器组合件18。如下面将更详细说明，由第一能量储存装置16的所提供电压的全部或部分由升压操作模式的双向DC-DC转换器组合件18来提高，使得提供给能量系统12的高电压侧30上的DC链路22的电压增加到电力驱动24的操作电平。
在马达28的旋转速度从其目前速度减小到零或者较低速度的减速操作模式中，系统控制器14编程为以再生模式操作电力驱动24，其中电力或能量在再生制动事件期间通过DC-AC逆变器26返回到DC链路22。双向DC-DC转换器组合件18用来将从再生制动事件所生成的电力降低到适合于对第一能量储存装置16再充电的电压。如下面将更详细说明，DC母线22上的电压的全部或部分由降压操作模式的双向DC-DC转换器组合件18来降低，使得提供给能量系统12的低电压侧32上的第一能量储存装置16的电压减小到第一能量储存装置16的额定电压。
除了加速和减速操作模式之外，还执行启动序列过程，以发起车辆的操作，其中将初始预充电能量提供给第二能量储存系统20。在最佳条件下，第二能量储存装置20接收来自经由第一能量储存装置16所提供的能量的这个初始预充电。也就是说，当车辆系统控制器14接收操作员输入以发起车辆启动时，车辆系统控制器14向第一能量储存装置16发送命令，以向第二能量储存装置20提供预充电能量。这个能量经由专用预充电电路36(其经由母线34耦合到第一能量储存系统16和双向DC-DC转换器组合件18)来提供。如上所述，双向DC-DC转换器组合件18配置成提高提供给DC链路22并且最终提供给第二能量储存系统20的电压。在对第二能量储存系统20预充电时，能够经由DC链路22向电力驱动24的DC-AC逆变器26提供能量以发起车辆启动，由此完成车辆的启动序列过程。
如图1所示，双向DC-DC转换器组合件18在能量系统12中构成和连接，以便用作双向DC-DC部分功率转换器，因为由转换器组合件所接收的电力的只有一部分在由此输出之前被转换和/或处理。双向DC-DC转换器组合件18在图1中一般示为包括第一转换器段38和第二转换器段40，其中至少一个变压器42也包含在转换器组合件18中，并且形成第一和第二转换器段38、40的每一个的一部分。变压器42包括形成第一转换器段38的一部分的至少一个一次绕组44以及形成第二转换器段40的一部分的至少一个二次绕组46。按照一个实施例，双向DC-DC转换器组合件18因而可构造为包括变压器42的推送类型转换器，但是要认识到，可使用提供部分功率转换的任何其他适当DC-DC转换器布置。
在双向DC-DC转换器组合件18工作在升压操作模式期间，第一转换器段38用作从第一能量储存装置16接收电力的“输入段”，其中第二转换器段40用作向DC链路22提供电力的“输出段”。在双向DC-DC转换器组合件18工作在降压操作模式期间，第二转换器段40用作从DC链路22接收电力的“输入段”，其中第一转换器段38用作向第一能量储存装置16提供电力的“输出段”。
在示范实施例中，在双向DC-DC转换器组合件18工作在升压操作模式期间，第一能量储存装置16的DC电力输出耦合到一次绕组44和二次绕组46。另外，第二转换器段40的负端子48与第一转换器段38的正端子50串联连接，使得第一能量储存装置16所输出的DC电流的第一部分(Iprocess)52提供给第一转换器段38，以及第一能量储存装置16所输出的DC电流的第二部分(Iunprocess)54直接(未经处理)提供给第二转换器段40，其中几乎没有损耗—即接近100%效率。第一转换器段38和第二转换器段40也经过互电感耦合。更具体来说，一次绕组44相互感应地耦合到二次绕组46。在操作中，流经一次绕组44的时变电流引起跨二次绕组46的电压。
又在双向DC-DC转换器组合件18工作在升压操作模式期间，第一转换器段38提取第一能量储存装置16所生成的DC电流的一部分。此外，第二转换器段40与第一能量储存装置16串联耦合，使得双向DC-DC转换器组合件18的输出电压56(Vs)与第一能量储存装置16的输出电压58(VESD)串联。换言之，输送到DC链路22的电压(本文中称作VDClink 60)是第一能量储存装置电压58(VESD)和DC-DC转换器电压56(Vs)之和。此外，输送到DC链路22的电力超过由双向DC-DC转换器组合件18所处理和/或转换的电力。因此，双向DC-DC转换器组合件18的额定功率能够比输送到DC链路22的全部电力由双向DC-DC转换器组合件18来处理和/或转换时要低。即使双向DC-DC转换器组合件18的额定功率低于输送到DC链路22的电力，双向DC-DC转换器组合件18也保持控制Idrive(又称作DC链路电流)的能力。
虽然上面针对其升压操作模式描述了双向DC-DC转换器组合件18的操作，但是要认识到，转换器组合件18在降压操作模式期间类似地操作。也就是说，在双向DC-DC转换器组合件18工作在降压操作模式期间，DC链路22上的DC电力(因再生制动事件而从负载24提供—即再生电力)耦合到二次绕组46和一次绕组44。DC链路22上的DC电流的第一部分提供给第二转换器段40/由其来提取，以及DC链路上的DC电流的第二部分未经处理直接提供给第一转换器段38，使得没有损耗存在于未处理第二部分。还要理解，双向DC-DC转换器组合件18的效率将在其工作在升压模式与相比于其工作在降压模式之间改变。
取决于车辆系统10的操作条件，由双向DC-DC转换器组合件18所处理的差分电力将改变。现在参照图2，作为示例示出由DC-DC转换器18所处理以用于多个不同DC电压增益(即，DC链路电压与第一能量储存装置电压的比率/差)的电力的部分—供以升压操作来操作转换器。在图2中能够看到，通过小DC增益，电力的第二部分—即电力的未处理部分—的值增加，使得双向DC-DC转换器组合件18所接收的电力的大部分未经处理直接输送到另一侧(在升压模式输送到DC链路22而在降压模式输送到第一能量储存装置)。相反，通过大DC增益，电力的第一部分—即电力的所处理部分—的值增加，使得双向DC-DC转换器组合件18所接收的电力的大部分由此被降低/提高。基于双向DC-DC转换器组合件18所处理的电力的值/量的变化，转换器组合件18(和整个车辆系统10)的总效率得到改进。
适度混合电动车辆系统中的DC电压增益的示例是14V/42V双电压系统，其中dc电压增益为3。在这个条件中，由双向DC-DC转换器组合件18所处理的电力(即，所处理的“第一部分”)小于70%。通过第二能量储存装置20、例如超级电容器放置在DC-DC转换器的高电压侧，这个电压可减小到额定值的一半，令DC增益为大约1.5。因此，由双向DC-DC转换器组合件18所处理的电力小于40%百分比。全混合电动车辆系统中的DC电压增益的示例是一种系统，其中第一能量储存装置电压的范围在200-300 V，以及高电压DC链路电压的范围在200-600 V，使得DC增益从1到3改变。因此，双向DC-DC转换器组合件18根据操作条件仅处理0至40%额定功率。电力的其余部分(即，“第二部分”)未处理—使得它提供有接近100%效率，并且因此整个系统的效率得到改进。
现在参照图3-5，按照本发明的多个实施例更详细地示出双向DC-DC转换器组合件18的结构。分别在图3-5的双向DC-DC转换器组合件62、64、66中，看到每一个转换器组合件中的第一转换器段38和第二转换器段40包括其中由开关装置70(其共同控制通过功率变压器42的绕组44、46的电流)所形成的开关网络68。按照示范实施例，开关装置70作为可工作在导通状态和截止状态以控制流经其中的电流的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来提供。但是，本发明的实施例并不局限于MOSFET。能够使用任何适当电子开关，例如与二极管反并联的绝缘栅双极晶体管(IGBT)、双极结晶体管(BJT)和金属氧化物半导体控制晶闸管(MCT)。开关装置(和二极管)能够采用硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或者任何适当的宽带隙(WBG)材料来制作。
按照图3的实施例，第一转换器段38和第二转换器段40的每个中的开关网络68包括两个开关装置70(例如MOSFET)，其布置成使得提供半桥电路拓扑72，其中开关装置70被控制成提供预期功率转换。
按照图4的实施例，第一转换器段38中的开关网络68包括两个开关装置70，其布置成使得提供半桥电路拓扑72，而第二转换器段40包括四个开关装置70，其布置成使得提供全桥电路拓扑74，其中开关装置70被控制成提供预期功率转换。
按照图5的实施例，第一转换器段38和第二转换器段40的每个中的开关网络68包括四个开关装置70，其布置成使得提供全桥电路拓扑74，其中开关装置70被控制成提供预期功率转换。
如图3和图4进一步所示，第一转换器段38和第二转换器段40其中之一或两者还包括与开关装置70(即，与半桥电路72)并联布置的一对电容器76，其存储和释放在其相应转换器段上接收的DC电力。开关装置70的控制提供由电容器76对DC电力的储存和释放，其中DC电力有选择性地提供给变压器42的一次或二次绕组44、46。
现在参照图6并且继续参照图1-5，示出按照本发明的实施例、用于传递车辆系统10中的电力的技术80。按照示范实施例，技术80经由车辆系统控制器14来(部分)执行，但是认识到，与车辆系统控制器14分离的控制器可替代用来执行该技术。技术80开始于步骤82，其中以升压模式操作双向DC-DC转换器组合件18以提高从第一能量储存装置16到DC链路22的DC输出电压，或者以降压模式操作双向DC-DC转换器组合件以降低从DC链路22到第一能量储存装置16的电压。关于是工作在升压还是降压模式的确定基于车辆的当前操作状态—即车辆是处于加速或高速操作模式(其中实现升压模式)还是减速操作模式(其中实现降压模式)—进行。
在使双向DC-DC转换器组合件18工作在升压模式或降压模式中，技术80在步骤84确定第一能量储存装置16与DC链路22之间的电压差，以便控制从第一能量储存装置16流自和流入第一能量储存装置16的能量。这种确定能够基于由控制器14经由车辆系统10中包含的电压传感器从第一能量储存装置16和DC链路22所接收的电压测量进行。在确定第一能量储存装置16与DC链路22之间的电压差之后，该技术在步骤86处通过确定由双向DC-DC转换器组合件18所接收的待处理(即，提高或降低)的电力的第一部分以及由双向DC-DC转换器组合件所接收的保持未处理的电力的第二部分而继续进行。如先前针对图2所示，由双向DC-DC转换器组合件18所处理的差分电力将根据车辆系统10的操作条件而改变—其中被处理电力的部分随着第一能量储存装置16与DC链路22之间的电压增益增加而增加。
基于在步骤86关于由双向DC-DC转换器组合件18所接收的待处理电力的第一部分以及由双向DC-DC转换器组合件所接收的保持未处理的电力的第二部分的确定，该技术在步骤88继续进行，其中控制器14使双向DC-DC转换器组合件18处理所接收电力的第一部分而将所接收电力的第二部分保持为未处理。在处理电力的第一部分中，控制器14控制第一和第二转换器段38、40其中之一或两者中的开关装置70的操作。例如，控制器14可给形成开关装置70的半导体装置提供控制/选通信号，其中控制信号的占空比控制双向DC-DC转换器组合件18的电压输出。在使电力的第二部分保持为未处理中，控制器14使电力的某个量/百分比旁路对其执行处理的第一/第二转换器段38、40。
在使双向DC-DC转换器组合件18处理所接收电力的第一部分而使所接收电力的第二部分保持为未处理之后，技术80然后在步骤90通过从双向DC-DC转换器组合件18共同输出所处理的第一部分和未处理的第二部分来完成。双向DC-DC转换器组合件18提供给DC母线22(当工作在升压模式时)或者提供给第一能量储存装置(当工作在降压模式时)。
有益地，本发明的实施例因而提供一种双向DC-DC功率转换器，其沿两种电力流方向按照可变方式来处理由此所接收的电力，其中由此所接收的电力的一部分未经处理直接输送到转换器的另一侧。双向DC-DC部分功率转换器作为小额定功率转换器(即，小于全额定功率)来提供，使得其体积和重量与全额定功率转换器相比减小—引起更好的功率密度。另外，系统/转换器效率通过使提供给转换器的电力的一部分保持为未处理来改进，因为未处理的电力的这个部分以几乎没有损耗—即接近100%效率—来传递。相应地，转换器的效率得到改进，而无需任何关联成本增加。
按照本发明的一个实施例，一种车辆系统包括：DC链路；负载，耦合到DC链路，并且配置成从DC链路接收能量；能量储存装置，配置成生成DC电力输出；以及双向DC-DC转换器组合件，耦合到能量储存装置和DC链路的每一个，并且定位在其之间，双向DC-DC转换器包括耦合到能量储存装置的第一转换器段和耦合到DC链路的第二转换器，其中第二转换器段还与能量储存装置耦合。双向DC-DC转换器组合件配置成在从能量储存装置向负载提供电力时处理能量储存装置的DC电力输出的第一部分并且向第二转换器段提供能量储存装置的DC电力输出的未处理第二部分，以及在向能量储存装置提供来自负载的再生电力时处理来自负载的再生电力的第一部分并且向第一转换器段提供来自负载的再生电力的未处理第二部分。
按照本发明的另一个实施例，一种车辆系统包括：DC链路；负载，耦合到DC链路，并且配置成从DC链路接收能量；能量储存装置，配置成生成DC电力输出；以及双向DC-DC部分功率转换器，配置成有选择地工作在升压模式以提高从能量储存装置到DC链路的DC电力的电压以及工作在降压模式以降低从DC链路到能量储存装置的DC电力的电压。在以升压模式和降压模式的每一个操作双向DC-DC部分功率转换器中，由双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的第一部分被处理以便提高或降低电压，以及由双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的第二部分未处理。
按照本发明的又一个实施例，提供一种用于传递车辆系统(其包括能量储存装置、直流(DC)链路、负载和双向DC-DC转换器组合件)中的电力的方法。该方法包括以升压模式操作双向DC-DC转换器组合件以提高从能量储存装置的输出到DC链路的DC电压，或者以降压模式操作双向DC-DC转换器组合件以降低从DC链路到能量储存装置的电压。在以升压或降压模式操作双向DC-DC转换器组合件中，该方法还包括确定能量储存装置与DC链路之间的电压差，确定双向DC-DC转换器组合件所处理的待处理电力的第一部分以便提高或降低所接收电力，确定双向DC-DC转换器组合件所接收、保持为未处理的电力的第二部分，使双向DC-DC转换器组合件处理所接收电力的第一部分而将所接收电力的第二部分保持为未处理，以及从双向DC-DC转换器组合件共同输出所处理的第一部分和未处理的第二部分。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在落入权利要求书的范围之内。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当易于理解，本发明并不局限于这类所公开实施例。本发明而是能够修改为结合迄今为止未描述的任何数量的变化、变更、替换或等效布置，但是它们与本发明的精神和范围一致。另外，虽然描述了本发明的各种实施例，但是要理解，本发明的方面可以仅包含所述实施例的一部分。相应地，本发明不能被看作受到前面描述限制，而仅由所附权利要求书的范围来限制。

Claims (20)

1.一种车辆系统，包括：
直流DC链路；
负载，耦合到所述DC链路，并且配置成从所述DC链路接收能量；
能量储存装置，配置成生成DC电力输出；以及
双向DC-DC转换器组合件，耦合到所述能量储存装置和所述DC链路的每一个并且定位在其之间，所述双向DC-DC转换器包括耦合到所述能量储存装置的第一转换器段和耦合到所述DC链路的第二转换器段，其中所述第二转换器段还与所述能量储存装置耦合；
其中所述双向DC-DC转换器组合件配置成：
在从所述能量储存装置向所述负载提供电力时，处理所述能量储存装置的所述DC电力输出的第一部分并且向所述第二转换器段提供所述能量储存装置的所述DC电力输出的未处理第二部分；以及
在向所述能量储存装置提供来自所述负载的再生电力时，处理来自所述负载的再生电力的第一部分并且向所述第一转换器段提供来自所述负载的所述再生电力的未处理第二部分。
2.如权利要求1所述的车辆系统，其中，所述第一转换器段和所述第二转换器段的每一个包括正端子和负端子，并且其中所述第二转换器段的所述负端子与所述第一转换器段的所述正端子串联连接。
3.如权利要求1所述的车辆系统，其中，所述双向DC-DC转换器组合件包括至少一个变压器，其中所述第一转换器段包括所述至少一个变压器的一次绕组，并且所述第二转换器段包括所述至少一个变压器的二次绕组。
4.如权利要求3所述的车辆系统，其中，在从所述能量储存装置向所述负载提供电力时，所述一次绕组接收所述能量储存装置的所述DC电力输出的第一部分，并且引起跨所述二次绕组的电压，该电压与所述能量储存装置的所述DC电力输出的第二未处理部分相组合，以从所述双向DC-DC转换器生成组合电力输出。
5.如权利要求3所述的车辆系统，其中，在向所述能量储存装置提供来自所述负载的再生电力时，所述二次绕组接收来自所述负载的所述再生电力的所述第一部分，并且引起跨所述一次绕组的电压，该电压与来自所述负载的所述再生电力的第二未处理部分相组合，并且从所述双向DC-DC转换器作为组合功率输出来提供。
6.如权利要求3所述的车辆系统，其中，所述第一转换器段和所述第二转换器段的每一个包括开关网络，以在从所述能量储存装置向所述负载提供电力时并且在向所述能量储存装置提供来自所述负载的再生电力时控制通过所述双向DC-DC转换器组合件的所述一次和二次绕组的电流。
7.如权利要求6所述的车辆系统，其中，所述开关网络包括半桥电路和全桥电路其中之一。
8.如权利要求3所述的车辆系统，其中，所述第一转换器段和所述第二转换器段的每一个包括电压馈送或电流馈送转换器。
9.如权利要求1所述的车辆系统，还包括与所述双向DC-DC转换器组合件进行可操作通信的控制器，以基于所述能量储存装置与所述DC链路之间的电压差来控制所述第一转换器段和所述第二转换器段的操作。
10.如权利要求9所述的车辆系统，其中，在从所述能量储存装置向所述负载提供电力时，所述控制器编程为随着所述能量储存装置与所述DC链路之间的所述电压差增加而增加所述能量储存装置的所述DC电力输出的所处理的第一部分的值并且减小所述能量储存装置的所述DC电力输出的所述未处理第二部分的值。
11.如权利要求9所述的车辆系统，其中，在向所述能量储存装置提供来自所述负载的再生电力时，所述控制器编程为随着所述能量储存装置与所述DC链路之间的所述电压差增加而增加来自所述负载的所述再生电力的所处理的第一部分的值并且减小来自所述负载的所述再生电力的所述未处理第二部分的值。
12.如权利要求1所述的车辆系统，其中，第二能量储存装置耦合到所述DC链路和所述双向DC-DC转换器组合件并且定位在其之间，在从所述能量储存装置向所述负载提供电力时，所述第二转换器段耦合到所述DC链路和所述负载。
13.一种车辆系统，包括：
直流DC链路；
负载，耦合到所述DC链路，并且配置成从所述DC链路接收能量；
能量储存装置，配置成生成DC电力输出；以及
双向DC-DC部分功率转换器，配置成选择性地操作在升压模式以提高从所述能量储存装置到所述DC链路的DC电力的电压，并且操作在降压模式以降低从所述DC链路到所述能量储存装置的DC电力的电压；
其中在以所述升压模式和所述降压模式的每一个操作所述双向DC-DC部分功率转换器中，由所述双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的第一部分被处理以便提高或降低所述电压，以及由所述双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的第二部分未处理。
14.如权利要求13所述的车辆系统，其中，所述双向DC-DC部分功率转换器包括：
第一转换器段，耦合到所述能量储存装置；以及
第二转换器段，耦合到所述DC链路；
其中所述第一转换器段和所述第二转换器段的每一个包括正端子和负端子，其中所述第二转换器段的负端子与所述第一转换器段的正端子串联连接，使得由所述双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的所述第二部分旁路所述第一和第二转换器段其中之一以便未处理。
15.如权利要求14所述的车辆系统，其中，所述双向DC-DC部分功率转换器包括至少一个变压器，其中所述第一转换器段包括所述至少一个变压器的一次绕组，并且所述第二转换器段包括所述至少一个变压器的二次绕组。
16.如权利要求15所述的车辆系统，其中，所述第一转换器段和所述第二转换器段的每一个包括开关网络，以控制通过所述双向DC-DC部分功率转换器的所述一次和二次绕组的电流。
17.如权利要求13所述的车辆系统，还包括与所述双向DC-DC部分功率转换器进行可操作通信的控制器，所述控制器编程为基于所述能量储存装置与所述DC链路之间的电压差来确定由所述双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的所处理的第一部分的值以及由所述双向DC-DC部分功率转换器所接收的电力的未处理第二部分的值。
18.如权利要求14所述的车辆系统，其中，第二能量储存装置耦合到所述DC链路和双向DC-DC部分功率转换器并且定位在其之间，在从所述能量储存装置向所述负载提供电力时，所述第二转换器段耦合到所述DC链路和所述负载。
19.一种在车辆系统中传递电力的方法，该车辆系统包括能量储存装置、直流DC链路、负载和双向DC-DC转换器组合件，所述方法包括：
以升压模式操作所述双向DC-DC转换器组合件以提高从所述能量储存装置的输出到所述DC链路的DC电压，或者以降压模式操作所述双向DC-DC转换器组合件以降低从所述DC链路到所述能量储存装置的电压；
其中以所述升压模式或所述降压模式操作所述双向DC-DC转换器组合件包括：
确定所述能量储存装置与所述DC链路之间的电压差；
确定由所述双向DC-DC转换器组合件所接收的电力的待处理的第一部分，以便提高或降低所接收电力；
确定由所述双向DC-DC转换器组合件所接收的电力的保持未处理的第二部分；
使所述双向DC-DC转换器组合件处理所接收电力的所述第一部分并且使所接收电力的所述第二部分保持为未处理；以及
从所述双向DC-DC转换器组合件共同输出所处理的第一部分和未处理的第二部分。
20.如权利要求17所述的方法，其中，使所述双向DC-DC转换器组合件使所接收电力的所述第二部分保持为未处理包括使由所述双向DC-DC转换器组合件所接收的电力的所述第二部分旁路所述双向DC-DC转换器组合件的第一转换器段和第二转换器段其中之一，其中所述第二转换器段的负端子与所述第一转换器段的正端子串联连接，以便提供所述第一转换器段和所述第二转换器段其中之一的旁路。
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