CN106899046B

CN106899046B - 能量转换系统

Info

Publication number: CN106899046B
Application number: CN201510960140.8A
Authority: CN
Inventors: 吴涛; 李飞; 刘昌金
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2035-12-18
Also published as: CN106899046A

Abstract

本发明涉及一种能量转换系统，包括：充电组件，包括耦合至直流电压源的波形变换电路以及与所述波形变换电路连接的变压模块；供电组件，耦合在直流电池和电机之间，用于在供电模式下将所述直流电池中的能量传输给所述电机，所述供电组件包括：用于将来自直流电池的直流电压升高的直流/直流转换器，以及，用于将升高的直流电压转换为交流电压以提供给所述电机的直流/交流转换器；其中，所述直流/直流转换器包括耦合至所述直流电池的电感以及多个开关单元，所述多个开关单元中的至少部分以及所述电感在充电模式下与所述充电组件组成充电电路，给所述直流电池充电。

Description

能量转换系统

技术领域

本发明涉及能量转换技术领域，尤其涉及一种适用于电动车的能量转换系统。

背景技术

电动车的充电问题一直是阻碍电动车行业发展的主要因素，如何把电网中的电能高效、便捷地转换成电动车蓄电池中的化学能一直是电动车行业中亟待解决的问题。现有的能量转换系统的电路结构通常较为复杂、可靠性低，且占用空间大、生产成本低。另外，现有的能量转换系统在直流转换环节，还存在电能转换率低的问题。

因此，有必要提供一种适用于电动车的新的能量转换系统来解决至少一个上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能量转换系统。

在一个方面，本发明的实施例涉及一种能量转换系统，包括：充电组件，包括耦合至直流电压源的波形变换电路以及与所述波形变换电路连接的变压模块；供电组件，耦合在直流电池和电机之间，用于在供电模式下将所述直流电池中的能量传输给所述电机，所述供电组件包括：用于将来自直流电池的直流电压升高的直流/直流转换器，以及，用于将升高的直流电压转换为交流电压以提供给所述电机的直流/交流转换器；其中，所述直流/直流转换器包括耦合至所述直流电池的电感以及多个开关单元，所述多个开关单元中的至少部分以及所述电感在充电模式下与所述充电组件组成充电电路，给所述直流电池充电。

附图说明

参考附图阅读下面的详细描述，可以帮助理解本发明的特征、方面及优点，其中：

图1为本发明一个实施例的能量转换系统的示意图；

图2为本发明图1所示的能量转换系统在充电模式下的等效电路图；

图3为图2所示的等效电路图的工作模态波形图；

图4为本发明另一个实施例的能量转换系统在充电模式下的等效电路图。

具体实施方式

本申请中使用的“包括”、“包含”、或“具有”以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围以内。本申请中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于所述具体数量，还包括与所述数量接近的、可接受的、不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。

在说明书和权利要求中，除非清楚地另外指出，所有项目的单复数不加以限制。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的材料或实施例等。

除非上下文另外清楚地说明，术语“或”、“或者”并不意味着排他，而是指存在提及项目(例如成分)中的至少一个，并且包括提及项目的组合可以存在的情况。

本申请说明书中提及“一些实施例”等等，表示所述与本发明相关的一种特定要素(例如特征、结构和/或特点)被包含在本说明书所述的至少一个实施例中，可能或不可能出现于其他实施例中。另外，需要理解的是，所述发明要素可以任何适合的方式结合。

以下根据附图说明本发明的实施方式，下文中可能不会详细描述众所周知的功能和结构，以避免因不必要的细节而使本发明变得令人费解。

图1示出了本发明一个实施例的能量转换系统90的示意图。能量转换系统90耦合在直流电池60和电机50之间。在充电模式下，能量转换系统90为直流电池60充电；在供电模式下，能量转换系统90将直流电池60中的能量传输给电机50。在一些实施例中，直流电池60为车载电池。

能量转换系统90包括充电组件10以及供电组件20。

充电组件10包括耦合至直流电压源的波形变换电路12以及与波形变换电路12连接的变压模块13。

波形变换电路12在充电模式下，与变压模块13以及供电组件20中的部分元件组成充电电路，为直流电压源60充电。在一些实施例中，波形变换电路12包括第三电感L_r、包含第五开关单元K₅和第六开关单元K₆的第三桥臂121、包含第七开关单元K₇和第八开关单元K₈的第四桥臂122。第五开关单元K₅和第七开关单元K₇互相连接，且两者的连接点连接直流电压源的正极，第六开关单元K₆和第八开关单元K₈互相连接，且两者的连接点连接直流电压源的负极。

在一些实施例中，波形变换电路12中的每个开关单元K₅、K₆、K₇、K₈包括场效应管和二极管；场效应管的栅极接入驱动信号，源极和漏极分别与二极管的两端连接。

变压模块13主要包括变压器。在一些实施例中，变压模块13的原侧的一端通过第三电感L_r耦合至第五开关单元K₅和第六开关单元K₆的连接点C，另一端连接至第七开关单元K₇和第八开关单元K₈的连接点D。在一些实施例中，变压模块13的匝数比为N：1，其中，N为大于1的自然数，即，变压模块13的原侧电压大于副侧电压，由此，充电组件可对低压电池进行充电。

在一些实施例中，直流电压源由耦合在电网和波形变换电路12之间的交流/直流转换器11形成。交流/直流转换器11的输入端111和112连接电网，输出端113和114连接波形变换电路，并将来自电网的交流电压转换为直流电压，输出给波形变换电路12。

在一些实施例中，直流电压源为外部电压源(图未示)，也即，波形变换电路12连接能量转换系统90外部的直流电压源。

供电组件20耦合在直流电池60和电机50之间。在供电模式下，供电组件20将直流电池60中的能量传输给电机50。

供电组件20包括直流/直流转换器21以及直流/交流转换器22。

直流/直流转换器21耦合在直流电池60和直流/交流转换器22之间，将来自直流电池60的直流电压升高，提供给直流/交流转换器22。直流/直流转换器21包括耦合至直流电池60的电感和多个开关单元，以实现直流电压的升高。

在一些实施例中，直流/直流转换器21包括第一电感L_f1、第二电感L_f2、包含第一开关单元K₁和第二开关单元K₂的第一桥臂211、包含第三开关单元K₃和第四开关单元K₄的第二桥臂212。第一桥臂211的两端分别与第二桥臂212的两端连接，也即，第一开关单元K₁与第三开关单元K₃连接，第二开关单元K₂与第四开关单元K₄连接。第一桥臂211的中点，即第一开关单元K₁和第二开关单元K₂的连接点A，通过第一电感L_f1耦合至直流电池60的正极；第二桥臂212的中点，即第三开关单元K₃和第四开关单元K₄的连接点B，通过第二电感L_f2耦合至直流电池60的正极。第一开关单元K₁与第三开关单元K₃的连接点与直流/交流转换器22连接；第二开关单元K₂与第四开关单元K₄的连接点与直流/交流转换器22以及直流电池60的负极连接。

变压模块13耦合至直流/直流转换器12，由此，充电组件10连接至供电组件20。在一些实施例中，变压模块13的副侧的两端分别与连接点A和连接点B连接。在一些实施例中，变压模块13与直流/直流转换器12之间包括切换开关S1，以实现充电组件10与供电组件20之间的连接和断开。

在一些实施例中，第一开关单元K₁包括场效应管Q₁和二极管D₁、第二开关单元K₂包括场效应管Q₂和二极管D₂、第三开关单元K₃包括场效应管Q₃和二极管D₃、第四开关单元K₄包括场效应管Q₄和二极管D₄；场效应管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄中的每个的栅极接入驱动信号，源极和漏极分别与属于同一个开关单元的二极管的两端连接。

在一些实施例中，根据需要，直流/直流转换器21包含的桥臂的数量可多于两个。

直流/交流转换器22耦合在直流/直流转换器21和电机30之间，将直流/直流转换器21升高的直流电压转换为交流电压，提供给电机50。

在一些实施例中，直流/交流转换器22包括直流链路224以及包含第五桥臂221、第六桥臂222以及第七桥臂223的三相逆变器，第五桥臂221、第六桥臂222以及第七桥臂223中的每个均包含两个互相连接的开关单元。三相逆变器通过直流链路224将升高的直流电压转换为交流电压。

在一些实施例中，直流链路224包括与第五桥臂221、第六桥臂222以及第七桥臂223并联的电容C₁。在一些实施例中，三相逆变器可根据需要调整为五相逆变器、七相逆变器等其他逆变器。

在一些实施例中，直流/直流转换器21与直流/交流转换器22之间耦合有切换开关S₂，以实现直流/直流转换器21与直流/交流转换器22之间的连接和断开。在一些实施例中，直流/直流转换器21与变压模块13之间耦合有切换开关S₁，以实现直流/直流转换器21与充电组件10之间的连接和断开。在一些实施例中，直流/交流转换器22与电机50之间耦合有开关组件30，用以实现直流/交流转换器22与电机50之间的连接和断开。在一些实施例中，直流/交流转换器22直接连接电机50，也即，开关组件30不存在。

在供电模式下，切换开关S₁断开，切换开关S₂闭合，供电组件20将直流电池60中的能量传输给电机50。在充电模式下，切换开关S₁闭合，切换开关S₂断开，充电组件10与直流/直流转换器21中的电感和至少部分开关单元组成充电电路，为直流电池60充电。

在一些实施例中，在充电模式下，第二开关单元K₂中的场效应管Q₂以及第四开关单元K₄中的场效应管Q₄断开，充电组件10与直流/直流转换器21中的第一电感L_f1、第二电感L_f2、第二开关单元K₂中的二极管D₂和第四开关单元K₄中的二极管D₄组成充电电路，为直流电池60充电。

在一些实施例中，能量转换系统90包括控制单元40。控制单元40耦合至各个开关单元，为各个开关单元中的场效应管提供驱动信号，以控制场效应管的通断。

由以上描述可以看出，无论是在供电模式还是充电模式下，直流/直流转换器21中的第一电感L_f1、第二电感L_f2、二极管D₂和二极管D₄均工作，即：直流/直流转换器21中的第一电感L_f1、第二电感L_f2、二极管D₂和二极管D₄既是供电电路的一部分，也是充电电路的一部分，这种情况通常被称为“复用”。这种“复用”能够简化充电组件10的电路结构、降低生产成本。并且，这种“复用”无需借助电机内部元件，无需电机开放用于接入充电组件的端口，故这种“复用”对电机无特殊限制，具有较好的通用性，且电路结构简单，具有更高的可靠性。

图2示出了图1所示能量转换系统90在充电模式下的等效电路图；图3为图2所示的等效电路图的工作模态波形图。以下结合图2和图3，对能量转换系统90的充电模式进行说明。

图2中，直流电压源等效为输入电压Vin。第五开关单元K₅等效为场效应管Q₅，二极管D₅和电容C₅，其中，电容C₅为第五开关单元K₅中的实际的场效应管的等效电容；类似地，第六开关单元K₆等效为场效应管Q₆，二极管D₆和电容C₆，第七开关单元K₇等效为场效应管Q₇，二极管D₇和电容C₇，第八开关单元K₈等效为场效应管Q₈，二极管D₈和电容C₈。第二开关单元K₂和第四开关单元K₄中的场效应管在充电模式中处于断开状态，因此，在充电模式下，第二开关单元K₂等效为整流二极管D₂，第四开关单元等效为整流二极管D₄。直流电池60等效为电容C_f，直流电池60的等效电阻忽略。

第五开关单元K₅、第六开关单元K₆、第七开关单元K₇、第八开关单元K₈在充电模式下零电压开通，即第五开关单元K₅、第六开关单元K₆、第七开关单元K₇、第八开关单元K₈在开通之前，两端的电压几乎为零。整流二极管D₂和D₄在变压模块13的副侧电压几乎为零时完成换流，从而避免电压尖峰。

以下说明一些实施例中，能量转换系统90在充电模式下的工作原理。

请参阅图3，第五开关单元K₅、第六开关单元K₆、第七开关单元K₇、第八开关单元K₈的驱动信号包括频率和占空比大致相同的方波。在一些实施例中，第五开关单元K₅、第六开关单元K₆、第七开关单元K₇、第八开关单元K₈的驱动信号包括频率相同、占空比大致为50％的方波。

除死区T外，第五开关单元K₅和第六开关单元K₆的驱动信号互补；由于死区T的脉冲宽度相比驱动信号的脉冲宽度很小(为清楚起见，图3所示死区T的脉冲宽度较大，但实际上，死区的脉冲宽度可能仅为驱动信号的脉冲宽度的几十或几百分之一)，因此，第五开关单元K₅和第六开关单元K₆的驱动信号可被视为大致互补；类似地，第七开关单元K₇和第八开关单元K₈的驱动信号大致互补。

第五开关单元K₅和第八开关单元K₈之间的驱动信号具有相位差；第六开关单元K₆和第七开关单元K₇之间的驱动信号也具有相位差。

请参阅图2和图3，以下以一个时间周期t₀至t₀’为例，对充电模式下的能量转换系统90进行说明。其中，图2中变压模块13的原侧电流i_P、副侧电流i_s、第一电感L_f1的电流i_Lf1、第二电感L_f2的电流i_Lf2的正向电流方向如图2中的相应箭头所示。

1)t₀时刻

在t₀时刻，Q₈开通，Q₅已在t₀时刻之前开通，C和D两点之间的电压V_CD＝V_in，变压模块13的原侧电流i_P和副侧电流i_s的方向如图2中的箭头方向所示，整流二极管D₂关断，D₄开通。

2)t₁时刻

在t₁时刻，Q₅关断，第一电感L_f1中的能量通过变压模块13从其副侧传导到其原侧，由于此时电流i_P的方向如图2中的箭头方向所示，且仅Q₈开通，Q₅、Q₆和Q₇均关断，因此，D₆导通，电流在第六开关单元K₆、第三电感L_r、变压模块13和第八开关单元K₈中流动。此时，变压模块13的副侧电流i_s＝i_Lf1，二极管D₄的电流i_D4＝i_s+i_Lf2。

Q₆在t₁时刻之后开通，由于D₆此时导通，故第六开关单元K₆为零电压开通。

3)t₂时刻

在t₁和t₂时刻之间，D₆和Q₈导通，由于存在通态压降，变压模块13的原侧电流i_P和副侧电流i_s开始下降。随着i_s的下降，D₂开始导通，且i_D2＝i_Lf1-i_s；并且，D₄中的电流开始下降。在t₂时刻，i_Lf2的电流方向为负，i_s＝-i_Lf2，i_D4＝0，i_D2＝i_Lf1+i_Lf2，则D₄自然关断，仅D₂导通。

4)t₃时刻

在t₃时刻，关断Q₈，与t₁时刻类似的，L_f2中的能量使得D₇导通。

t₁至t₃时刻之间，变压模块13的副侧电压为零。D₂和D₄在此期间完成换流，能够避免电压尖峰。

5)t₄时刻

在t₄时刻开通Q₇，由于D₇已导通，故第七开关单元K₇为零电压开通。

6)t₅、t₆和t₇时刻

与t₁、t₂和t₃时刻相类似的，第五开关单元K₅和第八开关单元K₈均零电压开通，且D₂和D₄在t₅至t₇时刻之间完成换流，能够避免电压尖峰。

7)t₀’时刻

在t₀’时刻，Q₈开通，进入下一个时间周期。

由上述说明可见，场效应管Q₅-Q₈均可实现零电压开通，从而能够大大降低开关损耗，提高能量转化率。

需要说明的是，参照图1-图3所述的能量转换系统90仅为本发明的一个示例，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。

例如，可对能量转换系统90进行如下变型：参照图1，在第一开关单元K₁和第三开关单元K₃的连接点与直流电池60的正极之间增加一个切换开关(图未示)，且第一电感L_f1和第二电感L_f2的连接点E连接至一个双刀开关(图未示)，该双刀开关还连接直流电池60的正极和负极，以使第一电感L_f1和第二电感L_f2能够在该双刀开关的控制下被连接至直流电池60的正极或负极。

对于该变型后的能量转换系统，在供电模式下，该增加的切换开关断开，双刀开关控制第一电感L_f1和第二电感L_f2连接直流电池60的正极。也即，在供电模式下，该变型后的能量转换系统的等效电路与能量转换系统90一致。在充电模式下，该增加的切换开关闭合，使D₁和D₃连接至直流电池60的正极，双刀开关控制第一电感L_f1和第二电感L_f2连接直流电池60的负极。该变型后的能量转换系统在充电模式下的等效电路请参见图4。

对于该变型后的能量转换系统，在充电模式下，场效应管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄均断开，第一电感L_f1、第二电感L_f2、二极管D₁和二极管D₃与充电组件10组成充电电路，对直流电池60进行充电。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims

1.一种能量转换系统，其特征在于，其包括：

充电组件，其包括耦合至直流电压源的波形变换电路以及与所述波形变换电路连接的变压模块；及

供电组件，其耦合在直流电池和电机之间，用于在供电模式下将所述直流电池中的能量传输给所述电机，所述供电组件包括：用于将来自直流电池的直流电压升高的直流/直流转换器，以及，用于将升高的直流电压转换为交流电压以提供给所述电机的直流/交流转换器；

其中，所述直流/直流转换器包括耦合至所述直流电池的电感以及多个开关单元，所述多个开关单元中的至少部分以及所述电感在充电模式下与所述充电组件组成充电电路，给所述直流电池充电，

所述直流/直流转换器包括：

第一电感；

第二电感；

包括第一开关单元和第二开关单元的第一桥臂；及

包括与第一开关单元连接的第三开关单元以及与第二开关单元连接的第四开关单元的第二桥臂；

其中，所述第一开关单元与所述第二开关单元的连接点通过所述第一电感耦合至所述直流电池，所述第三开关单元与所述第四开关单元的连接点通过所述第二电感耦合至所述直流电池，并且

所述变压模块的副侧的一端耦合在所述第一开关单元和所述第二开关单元的连接点与所述第一电感之间，以及所述变压模块的副侧的另一端耦合在所述第三开关单元和所述第四开关单元的连接点与所述第二电感之间。

2.根据权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于，在所述充电模式下，所述第一电感、所述第二电感、所述第一开关单元中的二极管以及所述第三开关单元中的二极管，与所述充电组件组成所述充电电路。

3.根据权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于，在所述充电模式下，所述第一电感、所述第二电感、所述第二开关单元中的二极管以及所述第四开关单元中的二极管，与所述充电组件组成所述充电电路。

4.根据权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于，所述波形变换电路包括：

包含第五开关单元和第六开关单元的第三桥臂；

包含第七开关单元和第八开关单元的第四桥臂；

其中，所述第三桥臂的两端以及所述第四桥臂的两端与所述直流电压源耦合。

5.根据权利要求4所述的能量转换系统，其特征在于，所述第五开关单元和所述第七开关单元连接所述直流电压源的正极，所述第六开关单元和所述第八开关单元连接所述直流电压源的负极，所述变压模块的原侧的一端通过第三电感耦合至第五开关单元和第六开关单元的连接点，另一端连接至所述第七开关单元和所述第八开关单元的连接点。

6.根据权利要求4所述的能量转换系统，其特征在于，所述直流/直流转换器中用于组成所述充电电路的开关单元包括场效应管和二极管；在所述充电模式下，所述场效应管断开。

7.根据权利要求6所述的能量转换系统，其特征在于，所述第五开关单元、所述第六开关单元、所述第七开关单元、所述第八开关单元的驱动信号包括频率和占空比大致相同的方波，所述第三桥臂和所述第四桥臂中的每个桥臂上的两个开关单元的驱动信号大致互补，所述第五开关单元和所述第八开关单元之间的驱动信号具有相位差。

8.根据权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于，包括：控制单元，与每个开关单元耦合，用于向每个开关单元发送驱动信号。