CN109039068A - 用于电气化车辆的堆叠式电压转换器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于电气化车辆的堆叠式电压转换器。一种功率转换系统包括具有与输入端子电隔离的输出端子的功率转换器。所述功率转换系统还包括电路，所述电路被配置为：将来自电源的电压输入连接到所述输入端子，并且向负载提供输出电压，所述输出电压是所述电压输入和所述输出端子之间的电压的串联组合。

Description

用于电气化车辆的堆叠式电压转换器
技术领域
本申请涉及一种用于电气化车辆应用的功率转换器。
背景技术
电气化车辆包括混合动力电动车辆(HEV)和电池电动车辆(BEV)。电气化车辆包括储存用于推进和其它目的的能量的牵引电池。牵引电池被配置为在特定电压范围内运行。然而，电机的改善的性能可通过在不同的电压范围运行来实现，所述电压范围通常高于牵引电池的电压。许多电气化车辆包括用于将牵引电池的电压转换为电机所需的电压水平的可变电压转换器。
发明内容
一种车辆包括隔离功率转换器和负载，所述隔离功率转换器具有连接到电源的输入端子，所述负载连接在所述隔离功率转换器的输出和所述电源的串联组合的两端。所述车辆还包括控制器，所述控制器被配置为：操作所述隔离功率转换器，使得传输到所述隔离功率转换器的输入端子的功率与传输到所述负载的总功率的比值小于预定比值。
所述预定比值可基于所述隔离功率转换器的效率而被选择。所述控制器还可被配置为响应于所述隔离功率转换器的效率的提高而增大所述预定比值。所述车辆还可包括开关元件，所述开关元件被配置为选择性地短接在所述隔离功率转换器的输出端子之间。所述控制器还可被配置为操作所述开关元件以将所述负载连接在所述电源两端。所述车辆还可包括连接在所述串联组合两端的电容器。所述电源可以是牵引电池。所述隔离功率转换器可被配置为用于双向操作。
一种功率转换系统包括具有与输入端子电隔离的输出端子的功率转换器。所述功率转换系统还包括电路，所述电路被配置为：将来自电源的电压输入连接到所述输入端子，并且向负载提供输出电压，所述输出电压是所述电压输入与所述输出端子之间的电压的串联组合。
所述输出电压可高于所述电压输入。所述功率转换系统还可包括控制器，所述控制器被配置为：操作所述功率转换器，使得传输到所述功率转换器的输入端子的功率与传输到所述负载的总功率的比值小于预定比值。所述预定比值可基于所述功率转换器的效率而被选择。所述预定比值可随着所述功率转换器的效率的提升而增大。所述电路还可包括设置在所述输出端子之间的开关元件，所述开关元件被配置为选择性地使所述输出端子短路。所述功率转换系统还可包括连接在所述串联组合两端的电容器。所述功率转换器可被配置为用于双向操作。
一种方法包括：将电源连接到隔离功率转换器的输入。所述方法还包括：将所述隔离功率转换器的输出与所述电源串联连接，以向电负载提供电力。所述方法还包括：按照功率水平操作所述隔离功率转换器，使得提供给所述隔离功率转换器的功率与传输到所述电负载的总功率的比值小于预定比值。
所述预定比值可基于所述隔离功率转换器的效率。所述预定比值可随着所述效率的提高而增大。所述预定比值可被选择为使得与向所述电负载提供电力相关联的功率损耗小于与使用在所述电负载两端的非隔离功率转换器的输出相关联的转换功率损耗。
附图说明
图1是示出典型的动力传动系统和能量储存组件的混合动力车辆的示图。
图2是可行的可变电压转换器配置的示图。
图3是利用非隔离功率转换器的功率转换系统的框图。
图4是隔离功率转换器的第一可行配置图。
图5是隔离功率转换器的第二可行配置图。
图6是描绘了利用隔离功率转换器的功率转换系统的电路的示图。
图7是描绘了非隔离功率转换系统和利用隔离功率转换器的功率转换系统在效率和功率比的范围内的功率损耗的图形。
具体实施方式
在此描述了本公开的实施例。然而，应当理解的是，公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采取各种可替代形式。附图不需要按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化，以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供了用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
图1描绘了可被称为插电式混合动力电动车辆(PHEV)的电气化车辆112。插电式混合动力电动车辆112可包括一个或更多个电机114，所述电机114机械地连接到混合动力传动装置116。电机114能够作为马达或发电机运行。此外，混合动力传动装置116机械地连接到发动机118。混合动力传动装置116还机械地连接到驱动轴120，所述驱动轴120机械地连接到车轮122。电机114可在发动机118开启或关闭时提供推进和减速能力。电机114还可用作发电机，并且可通过回收在摩擦制动系统中通常作为热而损失的能量来提供燃料经济性效益。电机114还可通过允许发动机118以更高效的转速运转并且允许混合动力电动车辆112在特定状况下以发动机118关闭的电动模式运转来减少车辆排放。电气化车辆112还可以是电池电动车辆(BEV)。在BEV配置中，发动机118可以不存在。在其它配置中，电气化车辆112可以是没有插电能力的全混合动力电动车辆(FHEV)。
牵引电池或电池组124储存可由电机114使用的能量。车辆电池组124可提供高电压直流(DC)输出。牵引电池124可电连接到一个或更多个电力电子模块126。一个或更多个接触器142可在断开时将牵引电池124与其它组件隔离，并且可在闭合时将牵引电池124连接到其它组件。电力电子模块126还电连接到电机114，并提供在牵引电池124和电机114之间双向传输能量的能力。例如，牵引电池124可提供DC电压，而电机114可能在三相交流电(AC)下运行以起作用。电力电子模块126可将DC电压转换成三相AC电流以使电机114运转。在再生模式下，电力电子模块126可将来自充当发电机的电机114的三相AC电流转换成与牵引电池124兼容的DC电压。
车辆112可包括在牵引电池124和电力电子模块126之间电连接的可变电压转换器(VVC)152。VVC 152可以是DC/DC升压转换器，所述DC/DC升压转换器被配置为增大或升高牵引电池124提供的电压。通过增大电压，电流要求可被降低，从而导致用于电力电子模块126和电机114的布线尺寸减小。此外，电机114可以以更高的效率和更低的损耗运转。
牵引电池124除了提供用于推进的能量之外，还可为其它车辆电气系统提供能量。车辆112可包括DC/DC转换器模块128，所述DC/DC转换器模块128将牵引电池124的高电压DC输出转换成与低电压车辆负载兼容的低电压DC供电。DC/DC转换器模块128的输出可电连接到辅助电池130(例如，12V电池)，以用于对辅助电池130进行充电。低电压系统可电连接到辅助电池130。一个或更多个电负载146可连接到高电压总线。电负载146可具有相关联的控制器，所述控制器在适当的时候对电负载146进行操作和控制。电负载146的示例可以是风扇、电加热元件和/或空调压缩机。
电气化车辆112可被配置为从外部电源136对牵引电池124进行再充电。外部电源136可连接到电插座。外部电源136可电连接到充电器或电动车辆供电设备(EVSE)138。外部电源136可以是由公共电力公司提供的配电网络或电网。EVSE 138可提供电路和控制以对电源136与车辆112之间的能量传输进行调节和管理。外部电源136可向EVSE 138提供DC或AC电力。EVSE138可具有用于插入车辆112的充电端口134的充电连接器140。充电端口134可以是被配置为将电力从EVSE 138传输到车辆112的任何类型的端口。充电端口134可电连接到充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块132可调节EVSE 138供应的电力，以向牵引电池124提供合适的电压和电流电平。电力转换模块132可与EVSE 138进行交互，以协调对车辆112的电力传输。EVSE连接器140可具有与充电端口134的对应插槽匹配的引脚。可选地，被描述为电耦合或电连接的各种组件可使用无线感应耦合来传输电力。
可提供一个或更多个车轮制动器144用于使车辆112减速和防止车辆112移动。车轮制动器144可以是液压驱动的、电驱动的或它们的某种组合。车轮制动器144可以是制动系统150的一部分。制动系统150可包括其它组件以操作车轮制动器144。为了简单起见，该附图描绘了制动系统150与一个车轮制动器144之间的单个连接。隐含了制动系统150与其它车轮制动器144之间的连接。制动系统150可包括用于监测和协调制动系统150的控制器。制动系统150可监测制动组件并控制用于车辆减速的车轮制动器144。制动系统150可对驾驶员命令进行响应并且还可自主地操作，以实现诸如稳定性控制的功能。制动系统150的控制器可实现当被另一控制器或子功能请求时施加所请求的制动力的方法。
车辆112中的电子模块可经由一个或更多个车辆网络进行通信。车辆网络可包括用于通信的多个信道。车辆网络的一个信道可以是诸如控制器局域网(CAN)的串行总线。车辆网络的信道中的一个可包括由电气和电子工程师协会(IEEE)802标准族定义的以太网。车辆网络的其它信道可包括模块之间的离散连接，并且可包括来自辅助电池130的功率信号。不同的信号可通过车辆网络的不同信道进行传输。例如，视频信号可通过高速信道(例如，以太网)进行传输，而控制信号可通过CAN或离散信号进行传输。车辆网络可包括有助于在模块之间传输信号和数据的任何硬件组件和软件组件。车辆网络未在图1中示出，但是可隐含了车辆网络可连接到存在于车辆112中的任何电子模块。可提供车辆系统控制器(VSC)148以协调各个组件的操作。
图2描绘了被配置为升压转换器的VVC 152的示意图。VVC 152可包括可通过接触器142连接到牵引电池124的端子的输入端子。VVC 152可包括连接到电力电子模块126的端子的输出端子。可操作VVC 152以使输出端子处的电压高于输入端子处的电压。车辆112可包括用于监测和控制VVC 152内各个位置处的电气参数(例如，电压和电流)的VVC控制器200。在一些配置中，VVC控制器200可作为VVC 152的一部分而被包括。VVC控制器200可确定输出电压基准VVC控制器200可基于电气参数和电压基准确定足以使VVC 152实现期望的输出电压的控制信号。在一些配置中，控制信号可被实现为脉冲宽度调制(PWM)信号，其中，PWM信号的占空比是变化的。控制信号可在预定的开关频率下进行操作。VVC控制器200可利用控制信号来命令VVC 152提供期望的输出电压。操作VVC 152的控制信号可与由VVC 152提供的电压升高量直接关联。
进一步参照图2，VVC 152可包括用于提高输入电压以提供升高的输出电压的第一开关器件206和第二开关器件208。开关器件206和208可被配置为：选择性地使电流流向电负载(例如，电力电子模块126和电机114)。每个开关器件206、208可通过VVC控制器200的栅极驱动电路(未示出)来独立控制，并可包括任意类型的可控开关(例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或场效应晶体管(FET))。栅极驱动电路可向开关器件206和208中的每个提供基于控制信号(例如，PWM控制信号的占空比)的电信号。可在开关器件206和208中的每个的两端连接二极管。开关器件206和208可分别具有关联的开关损耗。开关损耗是在开关器件的状态变化(例如，导通/截止转换和截止/导通转换)期间产生的功率损耗。开关损耗可通过在转换期间流过开关器件206和208的电流以及开关器件206和208两端的电压来量化。开关器件还可具有在器件导通时产生的相关联的导通损耗。
可控制VVC 152的输出电压以实现期望的基准电压。在一些配置中，VVC 152可以是升压转换器。在升压转换器配置中，VVC控制器200控制第一开关器件206和第二开关器件208的控制信号的占空比，输入电压Vin、输出电压Vout和占空比D之间的理想关系可使用以下等式来示出：
期望的占空比D可通过测量输入电压(例如，牵引电池电压)和将输出电压设置为基准电压来确定。占空比D可表示第一开关器件206的占空比。可以以作为D的补数(例如，100％-D)的占空比来操作第二开关器件208。VVC 152可以是从输入到输出使电压降低的降压转换器。在降压配置中，可以得到将输入和输出电压与占空比相关联的不同表达式。在一些配置中，VVC152可以是可增大或减小输入电压的降压-升压转换器。这里描述的控制策略不限于特定的可变电压转换器拓扑结构。
参照图2，VVC 152可提高或“升高”(step up)由牵引电池124提供的电力的电压电位。牵引电池124可提供高电压(HV)DC电力。在一些配置中，牵引电池124可提供150伏到400伏之间的电压。接触器142可串联电连接在牵引电池124和VVC 152之间。当接触器142闭合时，可从牵引电池124向VVC 152传输HV DC电力。输入电容器202可并联电连接到牵引电池124。输入电容器202可稳定总线电压并降低任何电压和电流纹波。VVC 152可接收HV DC电力并根据占空比提高或“升高”输入电压的电压电位。
输出电容器204可电连接在VVC 152的输出端子之间。输出电容器204可稳定总线电压并降低VVC 152的输出处的电压和电流纹波。
车辆系统可包括用于测量VVC 152的电气参数的传感器。第一电压传感器210可被配置为测量输入电压(例如，电池124的电压)，并向VVC控制器200提供相应的输入信号(Vbat)。在一个或更多个实施例中，第一电压传感器210可测量输入电容器202两端的电压，所述电压与电池电压相对应。第二电压传感器212可测量VVC 152的输出电压并向VVC控制器200提供相应的输入信号(Vdc)。在一个或更多个实施例中，第二电压传感器212可测量输出电容器204两端的电压，所述电压与DC总线电压相对应。第一电压传感器210和第二电压传感器212可包括用于将电压缩放到适合于VVC控制器200的水平的电路。VVC控制器200可包括用于对来自第一电压传感器210和第二电压传感器212的信号进行滤波和数字化的电路。
输入电感器214可串联电连接在牵引电池124和开关器件206、208之间。输入电感器214可在将能量储存在VVC 152中和释放VVC 152中的能量之间转换，从而能够提供可变的电压和电流作为VVC 152的输出，并且能够实现期望的电压升高。电流传感器216可测量流过输入电感器214的输入电流，并向VVC控制器200提供相应的电流信号(IL)。流过输入电感器214的输入电流可以是VVC 152的输入电压和输出电压之间的电压差，开关器件206和208的导通时间以及输入电感器214的电感L共同作用的结果。VVC控制器200可包括用于对来自电流传感器216的信号进行缩放、滤波和数字化的电路。
VVC控制器200可被配置为控制VVC 152的输出电压。VVC控制器200可通过车辆网络从VVC 152或其它控制器接收输入，并确定控制信号。VVC控制器200可监测输入信号以确定控制信号。例如，VVC控制器200可向栅极驱动电路提供与占空比命令对应的控制信号。然后，栅极驱动电路可基于占空比命令来控制每个开关器件206、208。
VVC 152的控制信号可被配置为：在预定的开关频率下驱动开关器件206、208。在开关频率的每个周期内，可以以指定的占空比操作开关器件206、208。占空比定义了选择的开关器件处于导通状态和截止状态的时间量。例如，100％的占空比可使选择的开关器件在无截止的连续的导通状态下操作。0％的占空比可使选择的开关器件在无导通的连续的截止状态下操作。50％的占空比可使选择的开关器件在导通状态下操作持续半个周期并且在截止状态下操作持续半个周期。两个开关器件206、208的控制信号可以是互补的。即，提供给第一开关器件206的控制信号可以是提供给第二开关器件208的控制信号的相反版本。例如，如果第一开关器件206是导通的，则第二开关器件208应是截止的。
功率转换器可分为非隔离功率转换器和隔离功率转换器。非隔离功率转换器可以是在功率转换器的输入和输出之间存在电气路径的功率转换器。非隔离转换器的输入和输出可共享公共的地或端子。相反，隔离转换器在输入和输出之间提供电流隔离(例如，电气分离)。在隔离转换器中，输入和输出之间没有直接的导电路径。隔离转换器可在输入和输出之间包括变压器，以实现电气分离。
图3描绘了应用非隔离转换器302的功率转换系统的示例。例如，图2描绘的VVC152是非隔离转换器的示例。非隔离转换器302可包括其它非隔离转换器配置。功率输入Pb可以由牵引电池124或高电压总线提供。功率输入Pb可被定义为非隔离转换器302的输入端子两端的电压和从牵引电池124和/或高电压总线流入非隔离转换器302的电流的乘积。即，Pb表示电源提供的功率。当电流流过非隔离转换器302时，可能存在功率损耗。例如，电阻元件可能引起功率损耗(例如，I2R)。开关器件206、208可通过开关损耗和导通损耗来表征。转换器的功率输出可被定义为非隔离转换器302的输出端子两端的电压和从非隔离转换器302流向负载的电流的乘积。功率输出与功率输入的比值可被定义为转换器的效率η。由于存在功率损耗，因此所述效率通常小于一。功率损耗Ploss可以被表示为：
Ploss＝(1-η)Pb (2)
传输到负载的功率等于ηPb。对于非隔离转换器302，功率损耗是基于转换器的功率输入的。由于所有功率都通过非隔离转换器302，因此整个输入功率Pb受限于损耗。通常期望使系统的功率损耗最小化。
图6描绘了用于改善功率损耗的改进的转换器拓扑图。图6的拓扑图包括与牵引电池124和/或高电压总线串联连接的隔离转换器602。多种配置可用于隔离转换器602。例如，图4描绘了第一隔离转换器400的示图，所述第一隔离转换器400可被称为双有源桥式转换器。隔离转换器400可包括匝数比为1：n的变压器418。变压器418包括初级侧绕组和次级侧绕组。N的值可被选择为在次级侧绕组处实现预定的电压幅值升高。第一隔离转换器400可包括第一输入端子430和第二输入端子432。电容器422可跨接在输入端子430和432之间。第一隔离转换器400可包括与变压器418的初级侧绕组串联的电感器420。
输入端子430和432可连接到输入级，所述输入级包括多个输入级开关器件402、404、406、408。输入级开关器件402、404、406、408可以是固态开关元件。例如，输入级开关器件可以是N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。输入级开关器件可以是包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的其它晶体管类型。输入级开关器件402、404、406、408可包括跨接于相关联的器件两端的二极管。在一些配置(例如，MOSFET)中，二极管可代表本征体二极管。
输入级开关器件402、404、406、408可被布置为选择性地将输入端子430和432连接到电感器420和变压器418的初级侧绕组的串联组合。例如，开关器件402可选择性地将第一输入端子430连接到电感器420的第一引线。开关器件404可选择性地将第二输入端子432连接到电感器420的第一引线。电感器420的第二引线可连接到变压器418的初级侧绕组的第一端子。开关器件406可选择性地将第一输入端子430连接到变压器418的初级侧绕组的第二端子。开关器件408可选择性地将第二输入端子432连接到变压器418的初级侧绕组的第二端子。
输入级开关器件402、404、406、408可被控制器(例如，VVC控制器200)控制。例如，控制器200可提供栅极驱动信号以激活和禁用输入级开关器件402、404、406、408。可操作输入级开关器件402、404、406、408以使能量传输通过变压器418。
变压器418的次级侧绕组可连接到包括多个输出级开关器件410、412、414、416的输出级。输出级开关器件410、412、414、416可以是固态开关元件。例如，输出级开关器件可以是N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。输出级开关器件可以是包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的其它晶体管类型。输出级开关器件410、412、414、416可包括跨接于相关联的器件两端的二极管。在一些配置(例如，MOSFET)中，二极管可代表本征体二极管。
输出级开关器件410、412、414、416可被布置为选择性地将变压器418的次级侧绕组连接到第一输出端子434和第二输出端子436。例如，开关器件410可选择性地将变压器418的次级侧绕组的第一端子连接到第一输出端子434。开关器件412可选择性地将变压器418的次级侧绕组的第一端子连接到第二输出端子436。开关器件414可选择性地将变压器418的次级侧绕组的第二端子连接到第一输出端子434。开关器件416可选择性地将变压器418的次级侧绕组的第二端子连接到第二输出端子436。平滑电容器424可连接在第一输出端子434和第二输出端子436之间以对产生的电压输出进行平滑处理。
控制器200可被配置为操作输入级以产生到变压器418的初级侧绕组的交流(AC)信号。然后，AC信号在变压器418的次级侧绕组中感应出电流。
由控制器200发送到隔离转换器400的控制信号可被配置为：以预定开关频率的PWM信号驱动输入级开关器件402、404、406、408。在开关频率的每个周期内，可以以指定的占空比操作输入级开关器件402、404、406、408。占空比限定了开关器件402、404、406、408处于导通状态和截止状态的时间量。例如，100％的占空比可使输入级开关器件402、404、406、408在无截止的连续的导通状态下操作。0％的占空比可使输入级开关器件402、404、406、408在无导通的连续的截止状态下操作。50％的占空比可使输入级开关器件402、404、406、408在导通状态下操作持续半个周期并且在截止状态下操作持续半个周期。输入级开关器件402、404、406、408的控制信号可以是互补的。即，发送到开关器件中的一个(例如，402)的控制信号可以是发送到互补开关器件(例如，404)的控制信号的相反版本。这样的操作确保了输出不会同时连接到两个输入端子430和432(例如，防止将输入端子430和432短接在一起)。在一些配置中，占空比可基于反馈信号(例如，电压或电流反馈)而变化以实现到变压器的目标电压或电流。
控制器200可被配置为：操作输出级以产生到连接的电负载的直流(DC)信号。输出级可作为整流器运行(例如，通过体二极管)以将AC信号转换为输出端子处的DC信号。控制器可操作输出级开关器件410、412、414、416来实现整流。隔离转换器400可以是双向的，使得电力可以沿相反方向传输。即，来自输出级的电力可被传回输入级。例如，在再生制动过程中，逆变器可通过隔离转换器400将来自电机的电力返回牵引电池。控制器200可提供控制信号来操作输出级开关器件410、412、414、416以将电力传输回到输入级。需注意的是，在双向操作模式下，前述的输入级和输出级的角色可互换。即，可操作输出级以产生AC信号，并且可操作输入级以将AC信号整流成输入端子430和432处的DC信号。
在另一示例中，图5描绘了可被称为串联谐振转换器的第二隔离转换器500的示意图。隔离转换器500可包括匝数比为1：n的变压器518。变压器518包括初级侧绕组和次级侧绕组。可选择n的值以在次级侧绕组处实现预定的电压幅值升高。第二隔离转换器500可包括第一输入端子530和第二输入端子532。电容器522可跨接在输入端子530和532之间。第二隔离转换器500可包括与变压器518的输入侧串联连接的电感器520和第二电容器526。在一些配置中，电感器520可被集成在变压器518中。
输入端子530和532可连接到输入级，所述输入级包括多个输入级开关器件502、504、506、508。输入级开关器件502、504、506、508可以是固态开关元件。例如，输入级开关器件可以是N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。输入级开关器件可以是包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的其它晶体管类型。输入级开关器件502、504、506、508可包括跨接于相关联的器件两端的二极管。在一些配置(例如，MOSFET)中，二极管可代表本征体二极管。
输入级开关器件502、504、506、508可被布置为选择性地将输入端子530和532连接到电感器520、第二电容器526和变压器518的初级侧绕组的串联组合。例如，开关器件502可选择性地将第一输入端子530连接到第二电容器526的第一引线。开关器件504可选择性地将第二输入端子532连接到第二电容器526的第一引线。第二电容器526的第二引线可连接到电感器520的第一引线。电感器520的第二引线可连接到变压器518的初级侧绕组的第一端子。开关器件506可选择性地将第一输入端子530连接到变压器518的初级侧绕组的第二端子。开关器件508可选择性地将第二输入端子532连接到变压器518的初级侧绕组的第二端子。
输入级开关器件502、504、506、508可被控制器(例如，VVC控制器200)控制。例如，控制器200可提供栅极驱动信号以激活和禁用输入级开关器件502、504、506、508。可操作输入级开关器件502、504、506、508以使能量传输通过变压器518。
变压器518的次级侧绕组可连接到包括多个输出级开关器件510、512、514、516的输出级。输出级开关器件510、512、514、516可以是固态开关元件。例如，输出级开关器件可以是N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。输出级开关器件可以是包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的其它晶体管类型。输出级开关器件510、512、514、516可包括跨接于相关联的器件两端的二极管。在一些配置(例如，MOSFET)中，二极管可代表本征体二极管。
输出级开关器件510、512、514、516可被布置为选择性地将变压器518的次级侧绕组连接到第一输出端子534和第二输出端子536。例如，开关器件510可选择性地将变压器518的次级侧绕组的第一端子连接到第一输出端子534。开关器件512可选择性地将变压器518的次级侧绕组的第一端子连接到第二输出端子536。开关器件514可选择性地将变压器518的次级侧绕组的第二端子连接到第一输出端子534。开关器件516可选择性地将变压器518的次级侧绕组的第二端子连接到第二输出端子536。平滑电容器524可连接在第一输出端子534和第二输出端子536之间，以对产生的电压输出进行平滑处理。
控制器200可被配置为操作输入级以产生到变压器518的初级侧绕组的交流(AC)信号。然后，AC信号在变压器518的次级侧绕组中感应出电流。
由控制器200发送到隔离转换器500的控制信号可被配置为：以处于开关频率的PWM信号驱动输入级开关器件502、504、506、508。在开关频率的每个周期内，可以以指定的占空比操作输入级开关器件502、504、506、508。占空比限定了开关器件502、504、506、508处于导通状态和截止状态的时间量。用于输入级开关器件502、504、506、508的控制信号可以是互补的。即，发送到开关器件中的一个(例如，502)的控制信号可以是发送到互补开关器件(例如，504)的控制信号的相反版本。这样的操作确保了输出不会同时连接到两个输入端子530和532(例如，防止将输入端子530和532短接在一起)。在一些配置中，占空比可基于反馈信号(例如，电压或电流反馈)而变化，以实现到变压器的目标电压或电流。可选择与谐振频率相关的开关频率，所述谐振频率可由第二电容器526、电感器520和变压器518的初级侧绕组来限定。
控制器200可被配置为：操作输出级以产生到连接的电负载的直流(DC)信号。输出级可作为整流器运行(例如，通过体二极管)以将AC信号转换为输出端子处的DC信号。控制器可操作输出级开关器件510、512、514、516来实现整流。隔离转换器500可以是双向的，使得电力可以沿相反方向传输。即，来自输出级的电力可被传输回输入级。例如，在再生制动过程中，逆变器可通过隔离转换器500将来自电机的电力返回到牵引电池。控制器200可提供控制信号来操作输出级开关器件510、512、514、516以将电力传输回到输入级。需注意的是，在双向操作模式下，前述的输入级和输出级的角色可互换。即，可操作输出级以产生AC信号，并且可操作输入级以将该AC信号整流成输入端子530、532处的DC信号。
图6描绘了用于电气化车辆中的电力分配的可行的功率转换系统。电源和隔离转换器602的输出级串联连接，以提供用于电负载650的电压。电源可包括牵引电池124和高电压总线。功率转换系统可包括电路，所述电路被配置为：将来自电源的电压输入连接到隔离功率转换器602的输入端子630、632，并且向负载650提供输出电压，所述输出电压是所述电压输入与隔离功率转换器602的输出端子634和636之间的电压的串联组合。串联配置的电压输出是电源电压和隔离转换器602的输出电压的总和。例如，隔离转换器602可以如图4或图5那样被配置。隔离转换器602的输入端子630、632可电连接到牵引电池124的端子，使得输入端子两端的输入电压与牵引电池电压相等。
产生的功率转换系统可向电负载650提供升高的电压。从电源到电负载650的功率流可具有两条路径。第一路径是从牵引电池124和/或高电压总线流向电负载650。第一路径可被称为直接路径。第二路径从牵引电池124和/或高电压总线通过隔离转换器602流向电负载650。第二路径可被称为间接路径。间接路径通过隔离转换器602提供电压升高。
功率转换系统可包括控制器600，控制器600被配置为监测和控制隔离功率转换器602的操作。控制器600可包括用于执行程序的处理器和用于存储程序和数据的存储器。存储器可包括易失性存储器和非易失性存储器。控制器600可包括与一个或更多个电压和电流传感器接口连接的接口电路。控制器600可包括用于控制多个固态开关器件的多个栅极端子的接口电路。控制器600可包括可用于协调各种输入和输出操作的时间的计时器和计数器。控制器600可包括用于与车辆内的其它电子模块进行通信的通信接口。
功率转换器系统可包括被配置为测量隔离功率转换器602的输出之间的电压(例如，V2 612)的电压传感器。功率转换器系统可包括被配置为测量电源两端的电压(例如，V1610)的电压传感器。功率转换器系统可包括被配置为测量电源和隔离功率转换器602的输出的串联组合两端的电压(即，被配置为测量电负载650两端的电压)的电压传感器。电压传感器可与控制器600交互以提供用于控制隔离功率转换器602的电压信息。功率转换器系统还可包括被配置为测量隔离功率转换器602的输入端子(630、632)之间的电压的电压传感器。
功率转换器系统可包括被配置为测量流入隔离功率转换器602的输入端子630的电流的电流传感器。功率转换系统可包括被配置为测量流向电负载650的电流的电流传感器。电流传感器可与控制器600交互，以提供用于控制隔离功率转换器602的电流信息。
由于电力没有完全通过转换级，所以直接路径产生较低的功率损耗。可归因于间接路径的功率损耗可被计算如下：
Ploss＝(1-ηiso)Pb1 (3)
其中，ηiso是与隔离转换器602相关联的效率，Pb1是输入到隔离功率转换器602的功率量。输入到隔离功率转换器602的功率可基于输入端子(630、632)之间的电压和流入输入端子(例如，630)的电流来确定。隔离转换器的效率可能比非隔离转换器(例如，图2中的非隔离功率转换器)的效率低。即，ηiso可能比前述的非隔离转换器的η低。然而，如果只有一部分功率流过隔离功率转换器602，则总体损耗可降低。可通过调整流过隔离转换器602的功率的量(例如，由功率比限定的量)来降低功率损耗。即，Pb1可被控制为小于Pb的值。例如，Pb1与Pb的比值可被控制为10％的值。传输到负载650的总输出功率是传输通过直接路径的功率和传输通过隔离功率转换器602的功率的总和。
控制器600可被配置为控制通过隔离功率转换器602的功率的量。为了改善总体性能，通过隔离功率转换器602的功率可以是提供给负载650的功率或输入到功率转换系统的功率的一小部分。即，可将Pb1选择为小于非隔离功率转换器的输入功率Pb。还可将Pb1选择为小于传输到负载650的功率。在轻负载状况下，隔离功率转换器中的高循环电流可导致总体系统效率的降低。为了改善功率转换系统的总体效率，通过隔离功率转换器602的功率可被控制为预定的功率水平。功率比可被定义为在隔离功率转换器602的输入处传输的功率与传输到电负载650的总功率的比值。功率比还可被定义为在隔离功率转换器602的输入处传输的功率与电源提供的总功率的比值。
控制器600可接收或定义电压基准。基准电压可以是电负载650所需求的标称电压。基准电压可比牵引电池124的电压高。控制器600可向隔离功率转换器602输出控制信号，以从隔离功率转换器输出电压(例如，V2)，使得电负载650两端的电压满足基准电压。基准电压可影响所选择的功率比。例如，当基准电压升高时，功率比可增大以满足选择的基准电压。此外，控制器600可测量流到电负载650的电流，从而可计算传输到电负载650的功率。控制器600可测量隔离功率转换器602的输入端子(630、632)之间的电压和流入输入端子630的电流，以确定输入到隔离功率转换器602的功率。控制器600可计算输入到隔离功率转换器602的功率与传输到电负载650的功率的比值。控制器600可将功率比与可代表期望的功率比范围的预定的功率比范围进行比较。控制器600可接收或确定基准功率比。基准功率比可以是产生预定的功率转换系统效率的功率比。例如，当与使用非隔离功率转换器(例如，图2中的非隔离功率转换器)相比时，选择的功率比可减少功率损耗。基准功率比可代表用于实现改善的效率的最大功率比。
控制器600可操作隔离功率转换器602以实现基准功率比。例如，控制器600可向隔离功率转换器602的输入级开关器件输出栅极驱动信号，以改变通过变压器的初级侧绕组的电流的频率和/或幅值，从而实现基准功率比。控制器600可被配置以指定的时间间隔(例如，采样率)调整功率比。当电负载650的功率需求增加时，控制器600可调整功率比，以维持基准功率比并实现基准电压。通过将功率比控制为基准功率比，功率转换系统的总体效率可得到改善。
功率转换系统还可包括开关元件638，开关元件638被配置为选择性地连接隔离转换器602的输出端子。开关元件638可以是继电器或固态开关器件(例如，MOSFET、IGBT)。控制器600可包括用于开关元件638的控制信号的接口。开关元件638允许从功率路径上移除隔离转换器602。当开关元件638闭合时，牵引电池124直接连接到负载。当开关元件638闭合时，控制器200可命令隔离转换器602的开关器件不启用。在闭合状态下，由于牵引电池124或高电压总线直接连接到负载650，因此可能没有功率转换损耗。当更高的电压有益时，开关元件638可断开，并且部分功率可被引导通过隔离转换器602。
控制器600可被配置为基于操作状况来操作开关元件638以断开或闭合。当操作状况使得期望牵引电池电压时，控制器600可使开关元件638闭合。在闭合开关元件638之前，控制器600可确保没有通过隔离功率转换器602的功率流。当操作状况使得期望升高的电压时，控制器600可使开关元件638断开。控制器600可操作隔离功率转换器602以将电压升高到期望电压。
图7示出了使用所公开的功率转换系统的损耗百分率的图形700。x轴704表示隔离转换器602的效率。y轴706表示功率比，所述功率比为流过间接路径的总功率的百分比。z轴708表示转换器系统的功率损耗百分率。绘制了面702，面702表示针对一定范围的效率和功率比的转换器拓扑性能。非隔离功率转换器(例如，图2中的非隔离功率转换器)的性能由具有95％效率的平面710表示。
如图形700所示，面702包括性能改善的范围712，在性能改善的范围712内，对于一定范围的效率和功率比，损耗百分率低于由平面710限定的损耗百分率。性能改善的范围712表示功率转换系统比常规非隔离转换器损耗低时的那些效率和功率比的组合。图形702描绘了利用隔离功率转换器602传输一部分功率可得到总体功率转换系统效率的改善。例如，与具有95％的效率的常规单路径转换器相比，在功率比为0.1、效率为0.8的情况下操作使用隔离功率转换器602的转换器拓扑产生具有降低的损耗的系统。通过将功率比控制在预定范围(例如，由712定义的范围)内，当与具有非隔离功率转换器(例如，图2中的非隔离功率转换器)的系统相比时，总体效率可得到改善。
获知隔离功率转换器602的效率使得能够识别用于实现效率改善的最大功率比。例如，在固定的效率值下，存在落在性能改善的范围712内的功率比范围。最大期望功率比可被定义为与隔离功率转换器602的与平面710相交的效率值相关联的功率比。控制器600可被配置为利用最小可能功率比来实现电压基准。控制器600可被配置为以低于最大期望功率比的功率比操作隔离功率转换器602。特性(例如，由图7定义的特性)可由控制器600储存并被检索以确定最大功率比。控制器600可被配置为利用小于最大期望功率比的最小可能功率比来实现电压基准。通过使流过隔离功率转换器602的功率流最小化，可提高总体系统效率。即，可降低转换功率损耗。
功率转换系统可提升功率转换的总体效率。功率转换系统向电负载提供升高的电压，从而可降低布线和负载的电流需求。此外，功率转换系统是双向的，并且可通过反向操作隔离功率转换器使能量返回到电源。
在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机，或者由处理装置、控制器或计算机来实现，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或者专用的电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可以以多种形式被存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，所述多种形式包括但不限于信息被永久地存储在非可写存储介质(诸如，只读存储器(ROM)装置)上以及信息被可变地存储在可写存储介质(诸如，软盘、磁带、致密盘(CD)、随机存取存储器(RAM)装置以及其它磁介质和光学介质)上。所述处理、方法或算法还可被实现在软件可执行对象中。可选地，所述处理、方法或算法可使用合适的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置)或者硬件组件、软件组件和固件组件的组合来被整体或部分地实现。
虽然以上描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意在描述权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合，以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应认识到，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配的容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (15)

1.一种车辆，包括：
隔离功率转换器，具有连接到电源的输入端子；
负载，连接在所述隔离功率转换器的输出和所述电源的串联组合的两端；
控制器，被配置为：操作所述隔离功率转换器，使得传输到所述隔离功率转换器的输入端子的功率与传输到所述负载的总功率的比值小于预定比值。
2.如权利要求1所述的车辆，还包括开关元件，所述开关元件被配置为选择性地短接在所述隔离功率转换器的输出端子之间。
3.如权利要求2所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为操作所述开关元件以将所述负载连接在所述电源的两端。
4.如权利要求1所述的车辆，其中，所述电源是牵引电池。
5.一种功率转换系统，包括：
隔离功率转换器，具有与输入端子电隔离的输出端子；
电路，被配置为：将来自电源的电压输入连接到所述输入端子，并向负载提供输出电压，所述输出电压是所述电压输入和所述输出端子之间的电压的串联组合。
6.如权利要求5所述的功率转换系统，还包括控制器，所述控制器被配置为：操作所述隔离功率转换器，使得传输到所述隔离功率转换器的输入端子的功率与传输到所述负载的总功率的比值小于预定比值。
7.如权利要求6所述的功率转换系统，其中，所述预定比值基于所述隔离功率转换器的效率而被选择。
8.如权利要求6所述的功率转换系统，其中，所述预定比值随着所述隔离功率转换器的效率的提高而增大。
9.如权利要求5所述的功率转换系统，其中，所述电路还包括设置在所述输出端子之间的开关元件，所述开关元件被配置为选择性地使所述输出端子短路。
10.如权利要求1所述的车辆或者如权利要求5所述的功率转换系统，还包括连接在所述串联组合两端的电容器。
11.如权利要求1所述的车辆或者如权利要求5所述的功率转换系统，其中，所述隔离功率转换器被配置为用于双向操作。
12.一种方法，包括：
将电源连接到隔离功率转换器的输入；
将所述隔离功率转换器的输出与所述电源串联连接，以向电负载提供电力；
按照功率水平操作所述隔离功率转换器，使得提供给所述隔离功率转换器的功率与传输到所述电负载的总功率的比值小于预定比值。
13.如权利要求1所述的车辆或者如权利要求12所述的方法，其中，所述预定比值基于所述隔离功率转换器的效率。
14.如权利要求1所述的车辆或者如权利要求12所述的方法，其中，所述预定比值随着所述隔离功率转换器的效率的提高而增大。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述预定比值被选择为使得与向所述电负载提供电力相关联的功率损耗小于与使用在所述电负载两端的非隔离功率转换器的输出相关联的转换功率损耗。
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