CN106451696B - 具有固态开关控制的无变压器电流隔离车载充电器 - Google Patents

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Abstract

例如用于车辆的车载充电模块(OBCM)的特征在于缺少变压器，并且包括AC‑DC电压整流器、DC‑DC降压转换器、DC‑DC升压转换器、降压转换器与升压转换器之间的DC链路电容器以及固态装置。装置包括二极管以及具有相反打开/关闭切换状态的第一和第二开关。第一和第二开关连接至DC总线的公共导线，第一开关和二极管位于电压整流器与升压转换器之间，且第二开关位于链路电容器与降压转换器之间。第三和第四开关可以在与第一和第二开关相反的导线上使用。OBCM经由固态装置的操作可操作以经由AC电源对HV‑ESS进行充电并同时维持电流隔离。电力系统包括OBCM、DC总线和HV‑ESS。

Description

具有固态开关控制的无变压器电流隔离车载充电器
技术领域
本发明涉及一种放弃使用变压器而使用固态开关控制用于电流隔离的车载充电器。
背景技术
混合电动车辆单独使用高压电池或结合内燃机使用高压电池来给一个或多个电机供电，从而将扭矩传递至车辆的传动系统。术语“插电式车辆”描述了例如通过将车辆的充电电缆插入到120VAC或240VAC的壁装插座中的任何车辆，例如，电池电动车辆、混合电动车辆。当车辆运行时，可以使用再生制动对电池进行再充电。
可以使用车载充电模块或OBCM来便于高压电池的再充电。典型的OBCM具有所需的电子电路硬件和控制软件以将单相或三相交流(AC)栅极电压转换成电池可用的直流(DC)电压，并因此用作电压整流器。OBCM不仅增加了整流电压的功率因数，而且增大了该整流电压幅度，并因此用作升压转换器。另外，OBCM用作DC-DC转换器以当对电池进行充电时根据需要进一步调节DC电压。
OBCM被描述为隔离设计或非隔离设计。在适用于具有电传动系的车辆的类型的隔离设计中，电流隔离维持在OBCM的输入侧与输出侧之间。变压器是一种适当的电流隔离器，如本领域所熟知的，如将两个电路互连而不允许电流从一个电路直接流到另一个电路的任何装置。相反，非隔离OBCM设计没有电流隔离。结果，非隔离设计往往最常用于低压非车辆设计中。
发明内容
本文公开了一种用于对例如以上描述的类型中的任一种类型的插电式车辆的电力系统中或者在需要使用非车载多相电源对DC电池再充电的任何其它电力系统中的高压能量存储系统(HV-ESS)进行充电的车载充电模块(OBCM)。本文描述的OBCM特征在于缺少通常用于提供电流隔离类型的变压器。也就是说，OBCM为如本文中使用术语表示的“无变压器”。然而，在本设计中通过使用附加的固态装置仍然维持了接地故障电流隔离，所述附加的固态装置包括被明确定位/连接并控制的半导体开关和二极管。当开关和二极管与OBCM的现有电子硬件一起使用时，提供两阶段能量转换/转移，从而对HV-ESS进行充电。本文描述的示例性电路拓扑结构旨在通过无变压器设计提供成本、重量以及包装空间减小的优势，同时仍然提供电流隔离。
固态装置的半导体开关在不同的示例性实施例中可以不同地实施为两个、三个或四个半导体开关。可选地，半导体开关可以为碳化硅(SiC)开关或宽带隙(WBG)开关，它们在本领域中已知用于提供相对于IGBT和MOSFET的某些性能优势。然而，在一些应用中，使用IGBT、MOSFET或其它合适的固态开关可以获得令人满意的结果。
在特定实施例中，公开了一种与AC电源和电连接到具有正负导线的DC电压总线的HV-ESS一起使用的OBCM。OBCM包括可连接到AC电源和可连接到DC电压总线的导线的AC-DC电压整流器。整流器还连接到OBCM的DC-DC降压转换器。可操作用于增加到降压转换器的DC电压输入的DC-DC升压转换器连接在电压整流器与降压转换器之间。OBCM还包括与降压转换器和升压转换器电并联的链路电容器。电连接在降压转换器和升压转换器之间的链路电容器可操作用于向降压转换器提供增加的DC电压输入。
OBCM的固态装置组包括二极管以及第一和第二半导体开关，其中开关具有相反的打开/关闭的切换状态。第一开关和二极管电连接在电压整流器和升压转换器之间。第二开关与第一开关电并联并且具有与第一开关相同的切换状态。经由固态装置的控制，OBCM可操作以使用AC电源选择性地对HV-ESS进行充电，同时维持OBCM的电流隔离，而无需依照传统方式使用变压器。
本文还公开了一种包括DC电压总线、电连接到DC电压总线的HV-ESS，以及上述OBCM的电力系统。OBCM经由DC电压总线电连接到HV-ESS。
本文还公开了一种车辆，在一个示例性实施例中，该车辆包括HV-ESS、具有输入构件的变速器、连接到输入构件的电机、AC电压总线、DC电压总线，以及经由DC电压总线电连接到HV-ESS并经由AC电压总线电连接到电机的功率变换器模块。
结合附图，从下面对实现本发明的最佳方式的详细描述中，本发明的以上特征和优点以及其它特征和优点显而易见。
附图说明
图1是具有带如本文所描述构造的无变压器电流隔离车载充电模块(OBCM)的电力系统的示例性车辆的示意性侧视图。
图2是可用于诸如图1的车辆中的各系统中的示例性OBCM的示意性电路图。
图3A至图3B是图2的电路图中所示的固态装置的相应的切换状态的时间曲线图，其中在横轴上示出了时间，纵轴上示出了切换状态。
图4A至图4B为图2所示的示例性电路的不同实施例的瞬时接地故障电流和均方根(RMS)电流的时间曲线图，其中在横轴上示出了时间，纵轴上示出了接地故障电流。
具体实施方式
参照附图，其中在所有几个附图中相同的附图标记表示相同的部件，在图1中示出了示例性车辆10。车辆10包括具有车载充电模块(OBCM)20和高压能量存储系统(HV-ESS)22的电力系统12，其中OBCM20如下所述可操作用于对HV-ESS22进行充电。OBCM20经由箭头A所示的充电端口36被插入到外部多相/交流(AC)电源19，例如120VAC或240VAC常规壁装电源插座中。以这种方式，当车辆10未运行时，诸如当车辆10停泊在充电站时或停泊在车库中时，启用对HV-ESS22的充电。
经由来自控制器50的开关控制信号(箭头11)对OBCM20进行自动控制以建立OBCM20的两个充电阶段中的一个，这两个充电阶段即为在准备对HV-ESS22进行充电时，对DC链路电容器(CL)进行充电的第一状态，如图2所示，以及第二状态，在该状态中，来自DC链路电容器(CL)的所存储的电荷被释放给HV-ESS22。下面参照图2且另外参照图3A至图4B的时间曲线图更详细地描述了用于实现所期望的功能的示例性无变压器电路拓扑结构。
如图1所示的车辆10，为机动客车，是可使用电力系统12且受益于使用所公开的OBCM20的一种类型的较高级系统。然而，OBCM20可与任何电力系统12(车辆的或非车辆的)一起使用，其中需要对DC电池或其它适当的能量存储系统进行充电。由于对于电流隔离的需要，如本文所使用的例如指超过20VDC的电压电平的高压应用尤其可受益于本方法。
除了OBCM20和HV-ESS22，图1的电力系统12还可包括功率变换器模块(PIM)24，即具有用于例如经由脉冲宽度调制或其它适当的开关技术将AC电压转换为DC电压(和反之亦然)所需的必需的IGBT和其它半导体装置的功率变换器。电力系统12还可包括辅助电源模块和低压能量存储系统(LV-ESS)，两者都未示出，但是这两者在现有技术中都是已知的。OBCM20可经由高压DC总线21电连接到HV-ESS22，并且HV-ESS22可通过高压DC总线21电连接到PIM24。如本文所使用的，“高压”是通常指超过12-15VDC辅助电压电平的电压电平的相关术语。因此，18-20VDC可以限定一些应用的高压的合理的较低限度，其中在插电式车辆应用中根据设计30VDC至300VDC或更高的电压电平是可能的。
同样如本文所使用的，术语“模块”指用于实现特定装置的指定功能的组合的物理硬件和控制软件。对于给定模块，这类硬件可以一起被封装。例如，响应于脉冲宽度调制信号，PIM24可包括将车辆10上的AC源电力转换成DC电力(反之亦然)所需的所有半导体开关，其中AC电力被PIM24传递给三相或其它多相电机(MA)30的相位引线25。OBCM20进而包括以下参照图2进一步详细解释的各种电子电路部件。
当电机30经由相位引线25由电流激发时，电机30经由转子轴32将电机输出扭矩(箭头TM)传递给变速器16的输入构件13。在一些实施例中，例如在插电式混合电动车辆设计中，内燃机(E)14可被用作附加电源，以经由输入离合器C1(例如液力变矩器或摩擦离合器和阻尼器组件)将作为输入扭矩(箭头TI)的一部分的发动机扭矩(箭头TE)传递给变速器16，或者在电池电动车辆中发动机14可以被完全省去。可选地，在增程电动车辆设计中，发动机14可连接到电机(未示出)，其中在这样一种设计中，发动机14可与传动系断开。在其它设计中可以使用一个或多个附加电机(未示出)，例如以将电机扭矩传递给最终传动单元或传递给变速器16的输出构件15，而无需来自变速器16的输出扭矩(箭头TO)最终驱动一组车轮18以推进车辆10。
图1的控制器50可实施为单一或分布式控制单元，其通过合适的通信信道和/或传输导体与OBCM20进行电通信，其中OBCM20响应于如上所述的来自控制器50的控制信号(箭头11)。控制器50可为具有足够存储器(M)和处理器(P)的一个或多个数字计算机，其中存储器(M)编程有用于OBCM20切换序列的指令。存储器(M)包括有形非暂时性存储器装置或介质，诸如只读存储器、随机存取存储器、光学存储器、闪速存储器、电子可编程只读存储器等等。控制信号(箭头11)最终确定适于对HV-ESS22进行再充电的OBCM20的工作周期。充电控制值(箭头17)可由控制器50读取或报告至控制器50，该充电控制值描述HV-ESS22的当前状态，例如，充电状态、温度、电流、单个电池电压等等，从而更好地允许控制器50确定何时且如何控制OBCM20。
参照图2，示出了示例性电路拓扑结构，以描绘图1中示意性示出的OBCM20的可能实施例。OBCM20经由充电端口36电连接至图1的多相电源19，其具有三个电引线L1、L2和PE。如本领域中已知，接地故障电流/电路中断或GFCI装置被用来防范电路中的接地故障。电引线L1处的输入电流在电引线PE处与电引线L2处的输出电流相比较。电引线L1和电引线L2处的电流的差的均方根(RMS)值与低阈值，例如，6mA进行比较。如果超过该阈值，则电路在充电端口36中断开。这种GFCI检测功能保留在图2所示的电路拓扑结构中。
OBCM20包括电压整流器38(例如，二极管桥)，其对经由充电端口36提供的AC线路功率进行整流。然后，功率因数校正(PFC)块40，即本领域已知类型的DC-DC升压转换器，其具有第一多个电子元件，示出为电感器LPFC、正向偏置二极管DPFC，和半导体开关SPFC，它们共同地操作用于将电压整流器38的DC电压输出提高至适于对DC链路电容器CL进行充电的电平。OBCM20还包括降压转换器(BC)44，其在本领域中已知为固态装置，可操作用于通过第二多个电子装置(示出为另一半导体开关SB、二极管DB、电感器LB和电容器CB)的操作来降低DC电压。来自降压转换器44的降低的电压输出然后被传递到电容器块Cy1、Cy2且被传递到电池断开单元(BDU)35的附加电容器CS1、CS2。电容器块Cy1、Cy2和电容器CS1、CS2电连接至所示出的充电端口36的电引线PE，其中电缆或其它用于此目的的物理导体的等效电阻由电阻器RC表示。BDU35具有电接触器39，其设置在电容器块Cy1、Cy2和HV-ESS22之间，经由电接触器39的打开，诸如车辆点火的车辆状况停止，且某些电故障导致HV-ESS22自动快速断开。
在图2所示的电路拓扑结构中，固态硬件被添加至通常存在于任何OBCM中的现有硬件。在一个实施例中，附加硬件包括至少两个固态开关(即，在图2底部示出的固态开关S2和S4)，其布置在所示出的DC电压总线的公共导线上(例如，均布置在正导线47上)，以及二极管D1，其与升压转换器40并联地布置在正导线47和负导线147之间。固态开关S2和S4具有相反的打开/关闭切换状态，即，当开关S2打开时，开关S4关闭，反之亦然。在这种实施例中，开关S2经由控制器50的操作关闭，以对DC链路电容器CL进行充电。当这种情况发生时，开关S4保持打开状态。当DC链路电容器CL完全充电时，开关S2打开且开关S4关闭，其中开关S4的关闭通常但并非恰好与降压转换器44的降压开关SB的关闭同时发生。以这种方式，DC链路电容器CL上累积的电荷被传递到HV-ESS22。
使用固态开关S2和S4的图2的实施例可利用正导线47上的可选附加固态开关S1，或可利用一对附加固态开关S1和S3进行改进。例如，在升压转换器40和降压转换器44的硬件已经位于适当位置的设计中，通过在图2所示的点处添加四个固态开关S1、S2、S3和S4以及二极管D1，该设计的好处仍可享受到。控制器50可被编程为控制开关S1、S2、S3和S4，而不影响或改变对升压转换器40的内部开关SPFC或降压转换器44的开关SB的控制。
固态开关S1、S2、S3和S4可实施为提供高速、高功率切换的半导体开关。开关S1、S2、S3和S4可以可选地实施为碳化硅(SiC)开关或宽带隙(WBG)开关。MOSFET或IGBT可用于其它实施例中，其中每种开关类型提供不同成本/性能折衷，如本领域中已知。
二极管D1与升压转换器40的开关SPFC电并联连接，其中二极管D1的阴极连接至电感器LPFC，和升压转换器40的二极管DPFC的阳极。因此，链路电容器CL与二极管D1电并联。当开关S2关闭时，电流在回路中流经二极管DPFC(如由箭头i1所指示)，使得电压在链路电容器CL上累积。当开关S3和S4关闭而开关S2打开时，电流在回路中流至升压电容器CB(如由箭头i2所指示)，使得所存储的电荷从链路电容器CL被传递到HV-ESS22。
可选地，可放弃使用固态开关S3而依赖于降压转换器44的现有降压开关SB的控制，该现有降压开关SB通常在用于开关S3的相同条件下打开和关闭且因此可使用以排除开关S3。同样地，可使用升压转换器40的开关SPFC以排除开关S2从而得到简化的电路，其可提供性能优势。然而，由于对现有开关SPFC和SB的依赖，这种设计可能更有利于全新设计的系统，该系统能够将开关SPFC和SB的控制编程到OBCM20的整体控制逻辑中。
图3A和图3B示出了电路拓扑结构的时间曲线图，其中在图3A中固态开关S1、S2、S3和S4全部使用，而在图3B中仅使用了开关S2和S4。迹线60示出了开关S1和S2的切换状态，在第一操作阶段(I)中，它们均从时间t0至t1打开而从时间t1至t2关闭，其中图2的二极管D1和DP导通。在图3B的第一操作阶段(I)中，迹线60示出了开关SPFC和S2的切换状态，它们均从时间t0至t1打开而从时间t1至t2关闭，其中二极管D1和DP导通。
在图3A的第二操作阶段(II)中，如由迹线64所示，开关S3和S4在时间t1和t2之间关闭/打开，而在图3B的第二操作阶段中，如由迹线164所示，开关SB和S4关闭/打开且开关SPFC和S2打开/关闭。图3A的迹线62示出了开关SPFC的状态，其示出为在比开关S1和S2更短的持续时间内打开，因而提供比图3B的实施例(其中使用了开关S2和S4而没有使用开关S1和S3)较差的电流隔离水平。然而，对于使用现有硬件和软件的的某些应用来说，使用较差拓扑结构可能是更为理想的选择。
参照图4A和图4B，示出了电路拓扑结构(其中所有固态开关S1、S2、S3和S4均使用(图4A))，和简化实施例(其中仅使用了开关S2和S4(图4B))的示例性模拟结果，其中图4A和图4B分别对应于图3A和图3B。在图4A至图4B中，时间(t)绘在横轴上而电流(A)绘在纵轴上，其中电流在图4A中以毫安(mA)为大小示出而在图4B以纳安(nA)为大小示出，以对比两个拓扑结构的GFCI性能差异。
在图4A至图4B中，区域70和170表示图2的电引线L1和L2之间的电流(A)的瞬时差。线段80和180表示RMS电流。对于GFCI，将RMS值与低阈值，例如，6mA进行比较，且当RMS值超过该阈值水平时，出现GFCI故障。虽然在图4A中RMS值低于该阈值，RMS值实际上可通过图2的拓扑结构(其中仅使用开关S2和S4)降低至零，如图4B所示。
如图3A所示，由于相对于升压转换器40的升压开关SPFC的工作周期的差异，使用固态开关S1可导致较高电流电平流经图2的等效电阻器RC，即回流电缆和其它介入硬件或导体结构。由于开关S1在图2的主拓扑结构中被省略，仅留下开关S2和S4以及先前存在的开关SPFC和SB，带来的结果是RMS值较低。
通过使用上述电路拓扑结构，控制器50能够首先以升压模式控制图1和图2的OBCM20，其中固态开关S1和S2均关闭且开关S3和S4均打开，然后关闭开关S3和S4同时打开开关S1和S2，从而对HV-ESS22进行充电。控制器50可自动调整各个固态开关S1、S2、S3和S4的工作周期，以在恒定电流和电压下对HV-ESS22进行充电，这样做是基于经由上述控制值(箭头17)提供至控制器50的反馈。以这种方式，常规用于磁隔离类型的变压器的成本、质量和包装空间可省去，而不会干扰电流隔离要求，而且现有电路硬件和软件仅发生微小变化。
具体实施方法和图或附图支持且描述本发明，但本发明的范围仅由权利要求书限定。虽然已经详细描述了用于实施所要求保护教义的一些最佳方式和其它实施例，但存在用于实践所附权利要求书中所限定的本发明的各种可选设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于结合交流(AC)电源和直流(DC)高压能量存储系统(HV-ESS)使用的车载充电模块(OBCM)，其中所述HV-ESS连接至DC电压总线，所述OBCM包括：
AC-DC电压整流器，其可连接至所述AC电源并且连接至所述DC电压总线，其中所述AC-DC电压整流器可操作用于产生整流DC电压输出；
DC-DC升压转换器，其电连接至所述AC-DC电压整流器并且具有可共同地操作用于增加所述整流电压输出的第一多个电子元件；
DC-DC降压转换器，其电连接至所述DC-DC升压转换器并且具有可共同地操作用于降低所述升压转换器的电压输出的第二多个电子元件；
链路电容器，其电连接在所述降压转换器与所述升压转换器之间；以及
一组固态装置，其包括二极管以及具有相反打开/关闭切换状态的第一和第二开关，其中所述第一和第二开关连接至所述DC电压总线的公共导线，所述第一开关和所述二极管电连接在所述电压整流器与所述升压转换器之间，且所述第二开关与所述第一开关电并联并且具有与所述第一开关相同的切换状态；
其中所述OBCM的特征在于缺少变压器，并且经由该组固态装置的操作可操作以经由所述AC电源选择性地对所述HV-ESS进行充电同时维持所述OBCM内的电流隔离。
2.根据权利要求1所述的OBCM，其进一步包括被编程为经由切换控制信号来控制所述第一和第二开关的所述切换状态的控制器。
3.根据权利要求1所述的OBCM，其中所述升压转换器包括附加开关，并且其中所述二极管与所述升压转换器的所述附加开关电并联。
4.根据权利要求1所述的OBCM，其中所述第一和第二开关是碳化硅(SiC)开关。
5.根据权利要求1所述的OBCM，其中所述第一和第二开关是宽带隙(WBG)开关。
6.根据权利要求1所述的OBCM，其中该组固态装置包括电连接在所述升压转换器与所述降压转换器之间的第三开关，其中所述第一和第三开关被电连接在所述DC电压总线的相应正和负导线上。
7.根据权利要求6所述的OBCM，其中该组固态装置包括与所述第三开关电并联在所述DC-DC升压转换器与所述DC-DC降压转换器之间并且具有与所述第三开关相同的切换状态的第四开关，其中所述第二和第四开关被电连接在所述DC电压总线的所述相应正和负导线上。
8.根据权利要求1所述的OBCM，其进一步包括与所述降压转换器电并联在所述降压转换器的输出侧上的电容器组。
9.一种车辆，其包括：
高压能量存储系统(HV-ESS)；
具有输入构件的变速器；
连接至所述输入构件的电机；
交流(AC)电压总线；
直流(DC)电压总线；
功率变换器模块(PIM)，其经由所述DC电压总线电连接至所述HV-ESS并且经由所述AC电压总线电连接至所述电机；
车载充电模块(OBCM)，其经由所述DC电压总线电连接至所述HV-ESS，且包括：
AC-DC电压整流器，其可连接至所述AC电源并且连接至所述DC电压总线并且可操作用于产生整流DC输出电压；
DC-DC升压转换器，其电连接至所述电压整流器并且具有可共同地操作用于增加所述整流输出电压的第一多个电子元件；
DC-DC降压转换器，其电连接至所述升压转换器并且具有可共同地操作用于降低所述升压转换器的所述输出电压的第二多个电子元件；
链路电容器，其电连接在所述降压转换器与所述升压转换器之间；
一组固态装置，其包括二极管以及具有相反打开/关闭切换状态的第一和第二开关，其中所述第一和第二开关连接至所述DC电压总线的公共导线，所述第一开关和所述二极管电连接在所述电压整流器与所述升压转换器之间，且所述第二开关与所述第一开关电并联并且具有与所述第一开关相同的切换状态；
其中所述OBCM的特征在于缺少变压器，并且经由该组固态装置的操作可操作以使用所述AC电源选择性地对所述HV-ESS进行充电同时维持所述OBCM内的电流隔离；以及
控制器，其被编程为经由切换控制信号控制所述第一和第二开关的所述切换状态。
10.根据权利要求9所述的车辆，其中该组固态装置包括：
电连接在所述升压转换器与所述降压转换器之间的第三开关，其中所述第一和第三开关被电连接在所述DC电压总线的相应正和负导线上；以及
与所述第三开关电并联在所述升压转换器与所述降压转换器之间并且具有与所述第三开关相同的切换状态的第四开关，其中所述第二和第四开关被电连接在所述DC电压总线的所述相应正和负导线上。
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