CN108463935A - 双向dc/dc转换器和从低电压电池给dc/dc转换器的中间回路电容器充电的方法 - Google Patents

双向dc/dc转换器和从低电压电池给dc/dc转换器的中间回路电容器充电的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双向DC/DC转换器，用于在高压电网（HV）与低压电网（LV）之间进行能量传输，所述双向DC/DC转换器具有用于高电压电池（UHV）和低电压电池（UNV）的接线端子。所述转换器包括：一个或多个变压器（1），用于将所述低压电网（LV）与所述高压电网（HV）电流隔离；‑在所述高压电网（HV）中的中间回路电容器（CZK）；电子开关（D1到D4，M1到M4），用于将所述变压器（1）的绕组连接在所述高压电网（HV）上和连接在所述低压电网（LV）上并且变换所述变压器（1）的绕组的极性；控制装置（2），用于控制所述电子开关（D1到D4）；和在所述低压电网（NV）中的串联电感（W1）；其中所述串联电感（W1）构造为用于通过如下方式使储存在所述串联电感（W1）中的能量放电的放电变压器（3）：第二绕组（W2）与放电开关（S）和二极管（D）串联，并且所述串联电感（W1）在所述放电开关（S）接通时在所述低电压电池（UNV）上放电。本发明此外还包括一种用于从低电压电池（UNV）将转换器的中间回路电容器（CZK）充电到高压电网电势上的方法。

Description

双向DC/DC转换器和从低电压电池给DC/DC转换器的中间回路 电容器充电的方法
技术领域
本发明涉及一种双向DC/DC转换器，所述双向DC/DC转换器具有如下补充部（Ergaenzung），所述补充部能够实现利用来自低电压电池的电能将中间回路电容器充电到高压电网的电压上；并且本发明也包括一种用于利用该转换器来给中间回路电容器充电的方法。
背景技术
DC/DC转换器由直流电压源来馈电，并且将电能作为在另外的电压水平上的直流电压而提供给负载。在此谈及的是高压电网和低压电网。
例如，在电动车辆或者混合动力车辆中，由具有为好几百伏特的电压的高压电网来使驱动电机运行，而低压车载电网具有大多为12伏特的电压，偶尔也具有为24伏特或者48伏特的电压。这两种电网分别具有电池，并且经由DC/DC转换器彼此相连，这为整个系统的稳定性做出贡献。在此，定期地经由DC/DC转换器从高压电网来给低电压电池充电，类似于在带有内燃机的PKW中借助发电机来给电池充电。反之，高电压电池必须定期地在加油站被充电，或者可能也必须被更换。
在确定的维修和维护情形下，高电压电池必须被断路，并且高压电网必须是无电压的；对此，尤其是与高电压电池并联的中间回路电容器必须被放电。
如果高电压电池稍后会突然又被连接到高压电网上，则在此尤其是由于中间回路电容器的再充电而潜在地会有高的且快速升高的电流流动。在现有技术中，因而设置有用于中间回路电容器的利用来自要连接的电池的能量进行的充电设备。该充电设备包括欧姆性充电电阻和机械开关。在接通该开关之后，充电电流经由充电电阻流至中间回路电容器，并且只有当给该中间回路电容器充电时，电池与中间回路电容器的跨接充电电阻的主连接才可以接通。
发明内容
本发明的第一方面集中于转换器的在硬件方面的电路。根据本发明的用于在高压电网（HV）与低压电网（LV）之间进行能量传输的DC/DC转换器具有用于高电压电池和低电压电池的接线端子，以及具有在高压电网中的中间回路电容器。一个或者多个变压器确保低压电网与高压电网的电流隔离（galvanische Trennen），使得能量传输仅仅经由在变压器线圈之间的电感性的耦合进行。这些变压器线圈可以在分别发出能量的侧上通过如下方式被加载有来自相对应的电池的电流脉冲：构造为电子开关的二极管借助控制装置以高频率（数千赫兹）将所述变压器线圈连接到电池上并且变换所述变压器线圈的极性。在接收能量的侧上，二极管大多无源地作为用于所传输的电流脉冲的整流器（同步整流器）而工作，然而此处，当DC/DC转换器可以双向工作时，在需要时也可被切换的这种二极管必须投入使用。
在低压电网中的串联电感在正常运行时（也就是在从高压回路向低压回路进行能量传输时）用于使低压回路中的电流脉冲平滑。
为了现在能够从低压回路中的电池以受控制的方式且以限流的方式来给高压回路中的中间回路电容器充电，串联电感构造为放电变压器，其中名称“放电变压器”涉及对储存在串联电感中的能量的电感性放电。对此，设置有放电变压器的第二绕组，所述第二绕组与放电开关和放电二极管串联，并且在放电开关接通时，该绕组连接到低压电网上，并且可以将从来自串联电感的能量返回传输到那儿去，其中放电二极管允许仅仅朝向低电压电池的电流流动。
这样被补充的DC/DC转换器具有如下优点：不再需要充电电路来从高压回路的电池给中间回路电容器充电，所述高压回路的电池尤其是需要在高压区域中的附加的花费高的机械开关；更确切而言，在高压回路的电池被连接之前，通过对转换器的低压回路中的开关进行适当控制，可以将中间回路电容器从为零的电压开始充电到其期望值上。在按照现有技术的充电电路的充电电阻中一向形成的损耗也取消，这提高了效率。
但是对于其他应用情况而言（例如对于确定的功能测试而言），在高电压电池断路的情况下，这样经过修改的DC/DC转换器也可以从在低压回路中的电池将高压回路中的中间回路电容器充电到任意所期望的电压上。
转换器的实施类型带来其他优点。
其中串联电感通过第二绕组被补充到放电变压器的DC/DC转换器可以是正激式转换器，或者也可以是反激式转换器，这些转换器带有高压回路和低压回路的电流隔离并且带有被馈送电流的（stromgespeist）中间回路。例如，该DC/DC转换器可以是单相的或者多相的全桥相移（FBPS）式转换器、推挽式（Push-Pull）转换器或者多电平转换器。尤其是，变压器、开关和控制装置也可以被接线和运行为使得：该转换器构造为用于混合动力车辆和电动车辆的单相的全桥相移（FBPS）式DC/DC转换器。
本发明的优点是，本发明可以通用地在所有这些转换器类型中得以使用。
放电二极管和放电变压器的第二绕组被极化为使得：在放电开关接通时，在串联电感中的感生出与低压电压反向的电压的电流可以经由第二绕组而放电到低电压电池中，其中该电流通过放电二极管来整流。
一个或者多个与低电压电池并联的阻尼电容器和阻尼电阻与阻尼电容器的串联电路用于有利地使在切换过程中的电压峰值在低压区域中平滑，所述阻尼电阻与阻尼电容器的串联电路同串联电感与低电压电池的串联电路并联。
本发明的第二方面涉及用于利用来自低电压电池的能量来给中间回路电容器充电的方法。该方法以受控的电流脉冲的序列在两个阶段中进行：
在第一阶段，首先存在短的电流脉冲，所述电流脉冲具有相对应长的分别紧接在其后的时滞，在该时滞期间，低电压电池与变压器隔离。这些电流脉冲连续地变得更长，并且时滞变得更短，而且中间回路电容器在此被充电，直至时滞达到零。在该阶段，串联电感在相应的时滞期间经由其第二绕组来放电。
在第二阶段，电流脉冲通过低压变压器绕组逐渐又被缩短，其中在其间的时间中，在低压电网中的二极管被切换为导通的。由此，在低压电网中的变压器绕组短路。短路时间延长。但是现在放电开关是断开的，使得在短路时间期间直接附着（anliegen）在低电压电池上的串联电感又可以被充电，并且这样在接下来的脉冲的情况下可以引起在中间回路电容器上的越来越高的电感电压，直至达到所期望的期望值。
此处，优点在于，在升压（Boost）模式中，中间回路电容器实际上可以被充电到任何所期望的电压上。通过充电脉冲在第一阶段如何快速地延长并且在第二阶段如何快速地缩短，来确定充电速度（也就是在中间回路电容器中的平均充电电流）。因此，充电电流在其时间变化过程方面可以任意预给定。
详细而言，用于给中间回路电容器充电的方法包括如下步骤：
- 使放电开关闭合；
- 给变压器的低压侧加载有宽度增加的交变脉冲，其中在脉冲之间的时滞期间，用于变压器的低压绕组的开关断开；
- 确定：时滞达到零，
- 使放电开关断开；
- 给变压器的低压绕组加载有交变的脉冲，所述脉冲的宽度减小，其中在脉冲之间的短路时间期间，变压器的低压绕组通过开关而短路，并且低电压电池加载串联电感；以及
- 当中间回路电容器充电到所期望的电压上时，使充电过程结束。
储存在串联电感中的能量在此不是被消灭，而是向低电压电池送还，这对充电过程的能量平衡产生有利的影响。
有利的也是，控制装置可以以固定频率的脉冲工作。
附图说明
图1示出了单相的全桥相移（FBPS）式DC/DC转换器的电路，所述单相的全桥相移（FBPS）式DC/DC转换器具有为了给中间回路电容器充电所设置的补充部；
图2阐明了针对给中间回路电容器的充电的脉冲序列；以及
图3示意性地示出了为了给中间回路电容器充电而必须由控制装置实现的步骤。
具体实施方式
图1示出了单相的全桥相移（FBPS）式DC/DC转换器的电路，该单相的全桥相移（FBPS）式DC/DC转换器是一种可能的转换器类型，其中通过随后详细描述的修改能够从低电压电池UNV而自零伏特的电压起给中间回路电容器CZK充电。但是，例如在推挽式转换器或者多电平转换器中，所述修改可以使用在任意的正激式转换器上，所述正激式转换器具有电流隔离和被馈送电流的高压中间回路。
图1中所示的FBPS式转换器具有变压器1，该变压器1在正常运行时由连接在接线端子HV上的高电压电池UHV馈电。开关M1到M4将具有数千赫兹的时钟频率的带有交变的符号的电压切换到变压器1的初级绕组上，由此变压器的铁芯（周期交变地）被磁化充电。对此，借助控制设备2分别随着第一半周期的开始而将开关M1和M4切换为导通的，并且随着第二半周期的开始将开关M2和M3切换为导通的。所传输的功率通过如下方式来控制：分别切换为导通的开关已在半周期的一部分之后又截止；由控制装置2预给定的脉冲宽度在此是能量流的量度，并且通过对该参数施加影响，可以根据在低压回路中的电流需求控制或者调节所传输的功率。谐振线圈Lres负责开关的软切换，使得所述开关的切换损耗功率被最小化。
在变压器1的次级（即低压区域）中，产生感应电压，所述感应电压通过无源二极管D1至D4整流。感应冲击（Induktionsstoß）经由串联电感W1被传导到电容器C2和接线端子LV上，低电压电池UNV和低压回路的负载连接到所述接线端子LV上。串联电感W1和电容器C2此处用于使在切换过程中的电压峰值平滑。在正常运行时，FBPS转换器作为降压转换器（Tiefsetzsteller）工作。
此处要说明的是：在高压侧上的部件M1到M4和在低压侧上的部件D1到D4不仅被称作“二极管”，而且也被称作“开关”，这视如下情况而定：是在该电路的当前运行中在导通的和非导通的状态之间的过渡被动地由所附着的电压的符号确定重要，还是该过渡通过在确定的时间点由控制装置2的主动切换来预给定重要。然而，这两个术语始终被理解为同样的部件。
在确定的维修和维护情形下，例如在电动车辆或者混合动力车辆中，高电压电池UHV必须被断路，并且高压电网HV必须是无电压的；对此，尤其是必须使中间回路电容器CZK放电。
如果稍后高电压电池UHV会突然又连接到高压电网上，则在此尤其是由于中间回路电容器CZK的再充电而会有高的且快速升高的电流流动，使得至少在数个部件中超过所允许的值并且这些部件由此遭受危险。
就此而论所描述的关于输入和输出基本上对称地构建的转换器现在要修改为使得：该转换器双向地工作，并且在此作为升压转换器（Hochsetzsteller）而能够利用来自低电压电池UNV的能量给中间回路电容器CZK充电。由此，如下特别的充电设备变得多余：所述特别的充电设备在现有技术中为此目的而会将来自要连接的高电压电池UHV的能量传输给中间回路电容器CZK。
对此，在低压侧的二极管D1至D4可以不再是无源整流器，而是它们以受控制装置2来控制的方式作为开关而被接通和关断。与此相对地，在高压回路中的开关M1到M4现在在给中间回路电容器CZK充电期间是无源整流器，也就是它们在所附着的零电压的情况下从导通状态变更到截止状态。在该电路上，此外还需要随后描述的修改，结合有同样阐述的用于开关D1到D4的操控策略（Ansteuerungsstrategie）。
在给中间回路电容器CZK充电的第一阶段，在低压侧上的开关D1到D4首先被控制，使得开始非常窄的并且接着变得越来越宽的电流脉冲的序列被给予到变压器1。在其间存在的逐渐缩短的时滞中，开关D1至D4截止，接着没有电流流经所述开关D1至D4。脉冲宽度这样长时间地升高，直至时滞达到零。转换器直到那时还作为降压式转换器工作。
如果在第一阶段将开关D1和D4或D2和D3切换为导通的，则不仅能量被传输给变压器1，并且由此传输给中间回路电容器CZK，而且串联电感W1也得以充电。在切断电流流动时，对于该电路有危险的高的电压峰值会出现。为了避免这一点，串联电感W1从现在起具有第二绕组W2，该第二绕组W2可以将在W1和W2的共同的磁性铁芯中的能量放电到低电压电池UNV中。在时滞期间，在绕组W2中感生出增大的电压。放电二极管D2与绕组W2串联，所述放电二极管D被极化为使得：当感应电压超过低电压电池的电压时，放电二极管由于该电压变为导通的。由此，能够实现来自串联电感W1的能量倒流返回到低电压电池UNV中。反向电流的大小取决于充电电流的大小、取决于W1和取决于变压比、也就是W1与W2之间的绕组比。
串联电感W1和第二绕组W2可以用常规技术（即被布线（bedrahtet））或者用平面技术集成到印刷电路板中来实现。
串联电感W1的放电仅在给中间回路电容器CZK充电的第一阶段是必需的。因而，放电开关S设置为与第二绕组W2串联，所述放电开关S仅在第一阶段的时间内由控制装置2来闭合；在转换器的所有其他运行状态中，放电开关S都断开，并且由此，电路的通过第二绕组W2和放电二极管D的修改是无作用的。
当电流脉冲变宽到使得时滞达到零（tT=0）时，给中间回路电容器CZK充电的第一阶段结束。因为变压器1的匝数必须保持不变，所以必须在此后以另外的方式进一步提高由变压器1向中间回路电容器CZK发出的电压。这通过如下方式实现：在第二阶段，电流脉冲通过变压器的低压绕组现在缓慢地又缩短，其中但是现在在半周期的相应的其余部分中，开关D1到D4通过开关装置不是切换为截止的，而是更确切地说切换为导通的。由此，变压器1的低压侧的绕组被短路，使得所述时间现在可以称作短路时间tK。
但是，切换脉冲也绝不会导致低电压电池UNV短路，因为这种短路通过串联电感W1来阻止。在短路时间tK期间，串联电感W1连接到低电压电池UNV上，并且以电感方式被充电。在接下来的切换过程中，其中对角线的开关对（D1和D4或D2和D3）中的一个又截止，变压器1的低压侧连接到低电压电池UNV与串联电感W1的串联电路上，使得其电压相加。通过来自串联电感W1的附加的电压，因而可以用进一步升高的电压来给中间回路电容器CZK充电；串联电感W1因此在第二阶段不是如在第一阶段中那样放电到低电压电池UNV，而是因为开关S断开仅放电到变压器1中，并且由此放电到中间回路电容器CZK中。
与充电脉冲相比，短路时间tK越长，则中间回路电容器CZK上可达到的充电电压越高。充电脉冲因而缩短，并且短路时间tK延长，一直到中间回路电容器CZK被充电到所期望的电压为止。
图1中所示的电路还示出了用于在给中间回路电容器CZK充电时使DC/DC转换器可靠运行的其他修改方案。同串联电感W1与低电压电池UNV的串联电路并联地，设置有阻尼电容器CS与阻尼电阻RS的串联电路。这些器件使在利用低压侧的开关D1到D4进行的切换过程中的电压峰值平滑。其他阻尼电容器CFB与低电压电池UNV并联。
图2阐明了针对开关D1到D4的操控的策略，所述策略导致为了给中间回路电容器CZK充电所期望的脉冲序列。该流程在第一阶段以根据图2a的短的脉冲并且以随后的长的时滞tT开始。临近第一阶段结束时（图2b），脉冲是宽的，并且时滞相对应较短。
在第二阶段（图2c和图2d），其中开关切换为导通的时间此外还示为具有实线的框。但是，这些时间现在比半周期更长。然而，当D1和D4与D2和D3同时是导通的时，可给变压器1充电的有效的脉冲不能形成，因为低压侧的变压器绕组在这些短路时间tK中短路。表示有效脉冲的剩余时间在图2c和图2d中以画阴影线的方式来示出。随着第二阶段的开始（图2c），这些脉冲还是长的，并且在首先仍为短的短路时间tK期间，给串联电感W1充电。
临近第二阶段的结束（图2d）时，开关D1到D4现在被切换为还更长地导通（此处也示为实线的矩形）。然而现在，有效的充电脉冲（画阴影线的区域）还只是短的，因为一方面为D1和D4而另一方面为D2和D3的接通时间的增加的重叠导致更长的短路时间tK和更短的有效脉冲。由于更长的短路时间tK，串联电感W1现在用越来越高的电流来充电，并且在中间回路电容器CZK上，由此最后达到所追求的高电压水平。
图3象征性地示出了如下方法步骤，所述方法步骤由控制设备2针对给在DC/DC转换器的高压电网中的中间回路电容器CZK的充电必须要实现：
- 随着第一阶段的开始，使放电开关S闭合（11）；
- 给变压器1的低压侧加载（12）有宽度增加的交变脉冲，其中在脉冲之间的时滞tT期间，变压器1的低压绕组的开关D1到D4断开；
- 确定（13）：时滞tT达到零；
- 随着第二阶段的开始，使放电开关S断开（14）；
- 给变压器1的低压侧加载（15）有交变的脉冲，所述交变的脉冲的宽度减小，其中在脉冲之间的短路时间tK期间，变压器1的低压绕组通过开关D1到D4短路，并且低电压电池UNV加载串联电感W1；以及
- 当中间回路电容器CZK充电到所期望的电压时，使充电过程结束（16）。
优选地，用于开关D1到D4的控制设备以固定的频率工作。这意味着：在第一阶段，脉冲长度与时滞（tT）之和始终是恒定的，并且在第二阶段，脉冲长度与短路时间（tK）之和始终是恒定的。

Claims (11)

1.一种双向DC/DC转换器，用于在高压电网（HV）与低压电网（LV）之间进行能量传输，所述双向DC/DC转换器具有用于高电压电池（UHV）和低电压电池（UNV）的接线端子，
• 具有一个或者多个变压器（1），用于将所述低压电网（LV）与所述高压电网（HV）电流隔离，
• 具有在所述高压电网（HV）中的中间回路电容器（CZK），
• 具有电子开关（D1到D4，M1到M4），用于将所述变压器（1）的绕组连接在所述高压电网（HV）上和连接在所述低压电网（LV）上并且变换所述述变压器（1）的绕组的极性，
• 具有控制装置（2），用于控制所述电子开关（D1到D4，M1到M4）；
• 和具有低压侧的串联电感（W1）；
其中所述串联电感（W1）构造为用于通过如下方式使电感性地储存在所述串联电感（W1）中的能量放电的放电变压器（3）：第二绕组（W2）与放电开关（S）和放电二极管（D）串联，并且在所述放电开关（S）接通时连接到所述低压电网（LV）上。
2.根据权利要求1所述的双向DC/DC转换器，其中，所述转换器是具有电流隔离和被馈送电流的中间回路的正激式转换器或者反激式转换器。
3.根据权利要求1或2所述的双向DC/DC转换器，其中，所述转换器构造为单相的或者多相的全桥相移（FBPS）式转换器，构造为推挽式转换器或者构造为多电平转换器。
4.根据权利要求1所述的双向DC/DC转换器，其中，所述变压器（1）、所述电子开关（D1到D4，M1到M4）和所述控制装置（2）构造为用于混合动力车辆和电动车辆的单相的全桥相移（FBPS）式DC/DC转换器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的双向DC/DC转换器, 其中，所述放电二极管（D）和所述放电变压器（3）的所述第二绕组（W2）被极化为使得：在所述放电开关（S）接通时，储存在所述串联电感（W1）中的能量被放电到所述低电压电池（UNV）中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的双向DC/DC转换器，其中，所述放电变压器（3）用平面技术来实现。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的双向DC/DC转换器，其具有一个或者多个并联的阻尼电容器（CFB），所述阻尼电容器（CFB）与所述低电压电池（UNV）并联。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的双向DC/DC转换器，其具有阻尼电阻（RS）和阻尼电容器（CS）的串联电路，所述阻尼电阻（RS）和阻尼电容器（CS）的串联电路与串联电感（W1）和低电压电池（UNV）的串联电路并联。
9.一种用于给中间回路电容器（CZK）充电的方法，所述中间回路电容器（CZK）布置在根据权利要求1至8中任一项所述的DC/DC转换器的高压电网（HV）中，其中通过受控制的电流脉冲序列利用来自低电压电池（UNV）的能量进行充电，并且其中
• 在第一阶段，所述电流脉冲通过时滞（tT）彼此隔离，并且所述电流脉冲连续地变得更长，而且所述时滞（tT）变得更短，一直到所述时滞达到零为止，其中在该阶段中，在低压电网（NV）中的电子开关（D1到D4）在所述时滞（tT）期间断开，并且由此，所述低电压电池（UNV）与变压器（1）隔离，而且其中放电开关（S）闭合，由此使所述串联电感放电；以及
• 在第二阶段，所述电流脉冲通过短路时间（tK）彼此隔离，并且所述电流脉冲连续地变得更短，而且所述短路时间（tK）变得更长，一直到在所述中间回路电容器（CZK）上达到所期望的电压为止，其中在该阶段中，在所述低压电网（LV）中的所述电子开关（D1到D4）在所述短路时间（tK）期间是导通的，而所述变压器（1）的绕组短路，并且其中所述放电开关S断开，并且在所述串联电感（W）上的电压连续地升高。
10.根据权利要求9所述的用于给DC/DC转换器的高压电网中的中间回路电容器（CZK）充电的方法，其具有如下步骤：
• 使所述放电开关（S）闭合（11）；
• 给所述变压器（1）的低压侧加载（12）有宽度增加的交变脉冲序列，其中在所述脉冲之间的所述时滞（tT）期间，所述低压电网中的所述电子开关（D1到D4）断开；
• 确定（13）：所述时滞（tT）达到零；
• 使所述放电开关（S）断开（14）；
• 给所述变压器（1）的低压侧加载（15）有交变脉冲序列，所述脉冲的宽度减小，其中在所述脉冲之间的所述短路时间（tK）期间，所述变压器（1）的低压绕组通过所述电子开关（D1到D4）短路，并且所述低电压电池（UNV）加载所述串联电感（W1）；以及
• 当所述中间回路电容器（CZK）充电到所期望的电压时，使充电过程结束（16）。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述电流脉冲以固定的频率发出，使得在第一阶段，脉冲长度与时滞（tT）之和是恒定的，并且在第二阶段，脉冲长度与短路时间（tK）之和是恒定的。
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