CN109863662B - 电源装置和用于电源装置的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种电源装置包括：电池电路模块(10a、10b、10c、…)，每个电池电路模块具有电池(B)、并联连接至所述电池(B)的第一开关元件(S1)、以及在所述电池(B)和所述第一开关元件(S1)之间串联连接至所述电池(B)的第二开关元件(S2)，当所述第一开关元件(S1)导通时所述第二开关元件(S2)断开；电池电路模块组(100)，在所述电池电路模块组(100)中，所述电池电路模块(10a、10b、10c、…)串联连接；以及控制电路(11)，所述控制电路(11)用于按照一定时间间隔向所述电池电路模块(10a、10b、10c、…)输出栅极信号，该栅极信号用于导通和断开所述第一开关元件(S1)和所述第二开关元件(S2)。

Description

电源装置和用于电源装置的控制方法
技术领域
一种具有多个电池电路模块的电源装置和一种用于电源装置的控制方法。
背景技术
各种电源装置是已知的，并且例如，用于驱动混合动力车辆或者电动车辆的驱动电动机的电源装置使用升压转换器来使电池的电压上升并且将上升的电压输入至逆变器。
具体地，公布了一种电源装置，该电源装置包括使用开关元件的开关对来自诸如电池(battery)的单电池(cell)的DC电压进行DC-DC转换，并且将所转换的电压输出至运行的电动机的DC-DC转换器；频率设定装置，其基于DC-DC转换器的损耗特性来设置开关元件的开关频率；控制装置，其基于所设置的频率来执行对开关元件的开关控制。在电源装置中，可以通过设置降低DC-DC转换器的损耗的开关频率来有效地驱动DC-DC转换器。
发明内容
技术问题
在电源装置中，根据必要的电流容量和输出电压来设计用于DC-DC转换器的开关元件和升压电抗器。另外，根据使用的部件的大小来设计容纳它们的机柜。因此，需要根据必要的电流容量和输出电压来设计开关元件、升压电抗器、和与它们有关的外围部件。
即，由于每次所要求的规格(必要的电流容量和输出电压发生改变)而需要重新设计电源装置，因此，通用性低。另外，用于使电压上升的DC-DC转换器是必要的。
目的是提供一种具有简单结构并且针对所需输出电压能够容易地设计的电源装置。
问题的解决方案
一种电源装置，包括：电池电路模块，该电池电路模块包括电池、输出电池的电压的输出端子、连接至输出端子并且并联连接至电池的第一开关元件、以及在电池和第一开关元件之间串联连接至电池的第二开关元件，当第一开关元件导通时第二开关元件断开；电池电路模块组，在该电池电路模块组中，多个电池电路模块经由输出端子串联连接；以及控制电路，在该控制电路中，按照一定时间间隔向电池电路模块组中的电池电路模块输出栅极信号，该栅极信号用于导通和断开电池电路模块的第一开关元件和第二开关元件。
另外，控制电路具有延迟电路，延迟电路被设置为与多个电池电路模块对应，延迟电路使栅极信号延迟一定时间，并且在电池电路模块组中的相邻电池电路模块之间传递延迟的信号。
另外，当电池电路模块中的一个电池电路模块变得有故障时，控制电路排除有故障的电池电路模块，并且将栅极信号输入至没有故障的正常电池电路模块。另外，在还未输入栅极信号的电池电路模块中，控制电路导通第一开关元件，并且断开第二开关元件。另外，控制电路将一定时间调整为更大值或者更小值。
另外，在一种用于电源装置的控制方法中，该电源装置包括：电池电路模块，该电池电路模块包括电池、输出电池的电压的输出端子、连接至输出端子并且并联连接至电池的第一开关元件、以及在电池和第一开关元件之间串联连接至电池的第二开关元件，当第一开关元件导通时第二开关元件断开；以及电池电路模块组，在该电池电路模块组中，多个电池电路模块经由输出端子串联连接，其中，按照一定时间间隔向电池电路模块组中的电池电路模块输出栅极信号，该栅极信号用于导通和断开电池电路模块的第一开关元件和第二开关元件。
发明的有益效果
可以获得一种具有简单结构并且针对所需输出电压能够容易地设计的；即，具有高通用性的电源装置。
附图说明
[图1]图1是示意性地图示了根据第一实施例的电源装置的框图。
[图2]图2是示意性地图示了电池电路模块的结构图。
[图3]图3是图示了电池电路模块的操作的时间图。
[图4A]图4A是图示了处于第一开关元件导通，而第二开关元件断开的状态的电池电路模块的操作的说明图。
[图4B]图4B是图示了处于第一开关元件导通，并且第二开关元件导通的状态的电池电路模块的操作的说明图。
[图5]图5是图示了整个电源装置的操作的时间图。
[图6]图6是示意性地图示了根据第二实施例的电源装置的框图。
[图7]图7是示意性地图示了电池电路模块的修改的结构图。
具体实施方式
将描述根据第一实施例的电源装置1。图1是图示了电源装置1的框图。如在图1中图示的，电源装置1包括多个电池电路模块10a、10b和10c、...以及通过向电池电路模块10a、10b和10c、…输出栅极信号来导通和断开电池电路模块10a、10b和10c、...的控制电路11。
电池电路模块10a、10b和10c、...串联连接以构成电池电路模块组100。由于电池电路模块10a、10b和10c、...具有相同的结构，因此，将描述电池电路模块10a的结构和对电池电路模块10a的驱动。应该注意，稍后将描述有关控制电路11和控制电路11对电源装置1的控制的细节。
电池电路模块10a包括：其中多个电池单元串联连接的电池B、输出电池B的电压的输出端子OT、连接至输出端子OT并且并联连接至电池B的第一开关元件S1、在电池B和第一开关元件S1之间串联连接至电池B的第二开关元件S2、设置在电池B和第二开关元件S2之间的扼流线圈L、以及并联连接至电池B的电容器C。
第一开关元件S1和第二开关元件S2是MOS-FET，MOS-FET是场效应晶体管。第一开关元件S1和第二开关元件S2通过接收来自控制电路11的栅极信号来执行开关操作。应该注意，可以使用除了MOS-FET之外的开关元件，只要它们可以执行开关操作即可。
另外，由于此处使用二次电池作为电池B，因此，为了抑制电池B由于内部电阻损耗增加而退化，电池B、扼流线圈L、和电容器C构成用于拉平电流的RLC滤波器。
接下来，将参照图2和图3描述电池电路模块10a的操作。图2示意性地图示了电池电路模块10a的操作，而图3图示了电池电路模块10a的操作的时间图。另外，在图3中，符号D1表示用于驱动电池电路模块10a的栅极信号的矩形波，符号D2表示指示第一开关元件S1的导通-断开状态的矩形波，符号D3表示指示第二开关元件S2的导通-断开状态的矩形波，并且符号D4表示由电池电路模块10a输出的电压Vmod的特性。
在电池电路模块10a的初始状态(即，未输出栅极信号的状态)下，第一开关元件S1处于导通状态，并且第二开关元件S2处于断开状态。当栅极信号从控制电路11输入至电池电路模块10a时，电池电路模块10a通过PWM控制来执行开关操作。通过交替地导通和断开第一开关元件S1和第二开关元件S2来执行该开关操作。
如由图3中的符号D1指示的，当从控制电路11输出栅极信号时，根据栅极信号来驱动电池电路模块10a的第一开关元件S1和第二开关元件S2。第一开关元件S1在栅极信号的上升沿处从导通状态切换为断开状态。另外，第一开关元件S1在栅极信号的下降沿很短的时间之后(死区时间dt)从断开状态切换为导通状态(见符号D2)。
相反，第二开关元件S2在栅极信号的上升沿很短的时间之后(死区时间dt)从断开状态切换为导通状态。另外，第二开关元件S2在与栅极信号的下降沿同时地从导通状态切换为断开状态(见符号D3)。如上所述，交替导通和断开第一开关元件S1和第二开关元件S2。
第一开关元件S1在栅极信号的下降沿很短的时间之后(死区时间dt)进行操作以及第二开关元件S2在栅极信号的上升沿很短的时间之后(死区时间dt)进行操作的原因是：防止第一开关元件S1和第二开关元件S2同时进行操作。即，这防止了当同时导通第一开关元件S1和第二开关元件S2时的短路。用于使操作延迟的死区时间dt被设置为例如，100ns，但是可以将其设置为适当的值。应该注意，电流在死区时间dt期间经由二极管回流以实现并联连接至二极管的开关元件被导通的状态。
该操作使电容器C与电池电路模块10a的输出端子OT分开，并且在电池电路模块10a中，如图3中的符号D4图示的，当栅极信号为off时(即，第一开关元件S1导通，而第二开关元件S2断开)，不将电压输出至输出端子OT。在图4A中图示了该状态。如在图4A中图示的，绕开电池电路模块10a的电池B(电容器C)(通过状态:through state)。
另外，当栅极信号为on时(即，第一开关元件S1断开，而第二开关元件S2导通)，将电容器C连接至电池电路模块10a的输出端子OT，并且将电压输出至输出端子OT。在图4B中图示了该状态。如在图4B中图示的，经由电池电路模块10a中的电容器C来将电压Vmod输出至输出端子OT。
返回到图1，将描述控制电路11对电源装置1的控制。控制电路11控制整个电池电路模块组100。即，控制电路11控制电池电路模块10a、10b和10c、…的操作，并且控制电源装置1的输出电压。
控制电路11包括输出矩形波栅极信号的栅极电路12和使从栅极电路12输出的栅极信号延迟并且按顺序将延迟的栅极信号输出至电池电路模块10a、10b和10c、...的延迟电路13a、13b和13c、...。
栅极电路12连接至在电池电路模块组100中串联连接的电池电路模块10a、10b和10c、...当中最上游侧的电池电路模块10a。
提供延迟电路13a、13b和13c、...被设置为以与电池电路模块10a、10b和10c、...对应。延迟电路13a使来自栅极电路12的栅极信号延迟一定时间，将延迟的栅极信号输出至相邻的电池电路模块10b，并且将延迟的栅极信号输出至延迟电路13b。因此，从栅极电路12输出的栅极信号被延迟并且按顺序被传递至电池电路模块10a、10b和10c、...。
虽然延迟电路13a、13b和13c、...包括在控制电路11中作为电路的结构，但是延迟电路13a、13b和13c、...优选地与电池电路模块10a、10b和10c、…整体地配置作为硬件结构。在图1中，如通过例如虚线M图示的，延迟电路13b和电池电路模块10b整体地配置(作为模块)。
当将栅极信号从栅极电路12输出至图1中在最上游侧的电池电路模块10a时，驱动电池电路模块10a被驱动，并且如在图4A和图4B图示的，将电池电路模块10a的电压输出至输出端子OT。另外，将来自栅极电路12的栅极信号输入至延迟电路13a，并且将被延迟了一定时间的栅极信号输入至与电池电路模块10a相邻的电池电路模块10b。该栅极信号驱动电池电路模块10b。
相反，如在延迟电路13a中，还将来自延迟电路13a的栅极信号输入至延迟电路13b，并且将被延迟了一定时间的栅极信号输入至与电池电路模块10b相邻的电池电路模块10c。同样，使栅极信号延迟并且按顺序将其输入至在下游侧的电池电路模块。按顺序驱动电池电路模块10a、10b和10c、...，并且按顺序将电池电路模块10a、10b和10c、...的电压输出至输出端子OT。
图5图示了按顺序驱动电池电路模块10a、10b和10c、...的状态。如在图5中图示的，根据栅极信号，以一定延迟时间从上游侧到下游侧按顺序驱动电池电路模块10a、10b和10c、...。在图5中，符号E1示出了电池电路模块10a、10b和10c、...的第一开关元件S1断开而第二开关元件S2导通，并且电池电路模块10a、10b和10c、...从输出端子OT输出电压的状态(连接状态)。另外，符号E2示出了电池电路模块10a、10b和10c、...的第一开关元件S1导通而第二开关元件S2断开，并且电池电路模块10a、10b和10c、...不从输出端子OT输出电压的状态(通过状态)。如上所述，以一定延迟时间按顺序驱动电池电路模块10a、10b和10c、...。
将参照图5描述栅极信号和对栅极信号的延迟时间的设置。通过计算电池电路模块10a、10b和10c、...的延迟时间的总和来设置栅极信号的周期F。因此，当将延迟时间设置为较大值时，栅极信号的频率变低。相反，将延迟时间设置为较小值时，栅极信号的频率变高。另外，可以根据针对电源装置1所要求的规格来适当地设置栅极信号的延迟时间。
可以通过将电源装置1的输出电压除以电池电路模块10a、10b和10c、…的总电压(通过将电池电路模块电池电压乘以电池电路模块的数量来获得)来计算在栅极信号的周期F下的导通时间比G1(即，导通时间与周期F的比率)。即，通过电源装置输出电压除以(电池电路模块电池电压*电池电路模块的数量)来计算导通时间比G1。严格地说，由于导通时间比G1偏离死区时间dt，因此，通过如通常在斩波电路中执行的前馈或者反馈来校正导通时间比。
如上所述，可以通过将电池电路模块电池电压乘以处于连接状态的电池电路模块的数量来计算电池电路模块10a、10b和10c、…的总电压。如果电源装置1的输出电压是可被一个电池电路模块10a的电池电压整除的值，则在电池电路模块10a从通过(通过状态)切换为连接时，其他电池电路模块从连接切换为通过(通过状态)。因此，整个电池电路模块组100的输出电压不会发生波动。
然而，如果电源装置1的输出电压是不能被一个电池电路模块10a的电池电压整除的值，则电源装置1的输出电压不与电池电路模块10a、10b和10c、..的总电压相匹配。换句话说，电源装置1的输出电压(整个电池电路模块组100的输出电压)发生波动。然而，此时的波动幅度是一个电池电路模块的电压，并且波动周期等于栅极信号的周期F除以电池电路模块的数量。由于在该示例中，数十个电池电路模块串联连接，因此，所有电池电路模块的寄生电感较大，并且对电压波动进行滤波，从而产生电源装置1的稳定输出电压。
接下来，将描述具体示例。例如，假设在图5中，电源装置1的所需输出电压是400V，电池电路模块10a的电池电压是15V，电池电路模块10a、10b和10c、…的数量是40，并且延迟时间是200ns。在这种情况下，电源装置1的输出电压(400V)不能被电池电路模块10a的电池电压(15V)整除。
由于基于这些值通过将延迟时间乘以电池电路模块的数量来计算栅极信号的周期F，因此，周期F为200ns*40＝8μs，并且栅极信号是具有相当于125kHz的频率的矩形波。另外，由于通过将电源装置输出电压除以(电池电路模块电池电压*电池电路模块的数量)来计算栅极信号的导通时间比G1，因此，导通时间比G1为400V除以(15V*40)≈0.67。
当基于这些值按顺序驱动电池电路模块10a、10b和10c、...时，在电源装置1处获得由图5中的符号H1指示的矩形波的输出特性。电压输出特性在390V与405V之间波动。即，输出特性按照通过将栅极信号的周期F除以电池电路模块的数量计算的周期波动，并且在8μs/40＝200ns(等效于5MHz)时波动。通过电池电路模块10a、10b和10c的布线的寄生电感来对波动进行滤波，并且电源装置1具有如由符号H2指示的400V的输出电压。
由于在连接状态的情况下，电流流过在最上游侧的电池电路模块10a中的电容器C，因此，电容器的电流波形是如图5中的符号J1图示的矩形波。由于电池B和电容器C形成RLC滤波器，因此，从电池B输出已经被滤波和拉平的电流(见图5中的符号J2)。
如上所述，电池电路模块10a、10b和10c、...中的所有电池电路模块的电流波形相同，并且电池电路模块10a、10b和10c、...中的所有电池电路模块都可以均匀地输出电流。
如上所述，当驱动电池电路模块组100时，使已经被输出至最上游侧的电池电路模块10a的栅极信号延迟一定时间，并且将延迟的栅极信号输出至在接下来的下游侧的电池电路模块10b，以及使栅极信号延迟一定时间，并且按顺序将延迟的栅极信号输出至在接下来的下游侧的电池电路模块。因此，电池电路模块10a、10b和10c、...按顺序输出被延迟一定时间的电压。计算电压的总和，输出电源装置1的电压，并且可以获得所需电压。因此，不需要升压电路，并且可以简化电源装置1的结构，从而实现较小大小和低成本。另外，由于简化了结构，因此，减少了电损耗并且提高了功率转换效率。另外，由于多个电池电路模块10a、10b和10c、...基本均匀地输出电压，因此，电能消耗不集中在一定电池电路模块上，从而使得能够减少电源装置1的内部电阻损耗。
另外，可以通过调整导通时间比G1来输出所需电压，从而改进电源装置1的通用性。具体地，即使当电池电路模块10a、10b和10c、…中的一个变得有故障并且该电池电路模块变得不可用时，也可以通过排除有故障的电池电路模块并且使用正常的电池电路模块重新设置周期F、导通时间比G1、和栅极信号的延迟时间来获得所需电压。即，即使电池电路模块10a、10b和10c、…中的一个变得有故障，也可以连续地输出所需电压。
另外，由于通过将栅极信号的延迟时间设置为较大值，栅极信号的频率变得较低，因此，第一开关元件S1和第二开关元件S2的开关频率也变得较低，可以减少开关损耗，并且可以提高电功率转换效率。相反，由于通过将栅极信号的延迟时间设置为较小值，栅极信号的频率变得较高，因此，电压波动的频率变得较高，进行滤波更容易，并且可以获得稳定的电压。另外，可以通过RLC滤波器来容易地拉平电压波动。如上所述，可以通过调整栅极信号的延迟时间来提供具有要求的规格和性能的电源装置1。
接下来，将参照图6描述第二实施例。如在图6中图示的，电源装置2包括根据第一实施例的电池电路模块10a、10b和10c、...以及电池电路模块组100。用于控制对电池电路模块10a、10b和10c、...的驱动的控制电路20连接至电池电路模块组100。即，控制电路20连接至电池电路模块10a、10b和10c、...中的所有电池电路模块。
控制电路20具有用于输出驱动电池电路模块10a、10b和10c、…的栅极信号的栅极电路21，并且从栅极电路21单独将栅极信号输出至电池电路模块10a、10b和10c、...。另外，控制电路20按照一定时间间隔将栅极信号输出至电池电路模块10a、10b和10c、...。即，控制电路20通过输出栅极信号按照一定时间间隔以任意顺序相继驱动电池电路模块10a、10b和10c、...，而不管电池电路模块10a、10b和10c、…的设置如何。例如，控制电路20通过将栅极信号输出至电池电路模块10c来首先驱动电池电路模块10c，并且在一定时间之后，通过将栅极信号输出至电池电路模块10a来驱动电池电路模块10a。按照这种方式，按顺序驱动电池电路模块10c、10a、...。
因此，由于根据第二实施例的电源装置2不具有根据第一实施例的电源装置1的延迟电路13a、13b和13c、...，因此可以相应地简化结构，并且可以降低成本。
接下来，将描述对电池电路模块10a的结构的修改。如在图7中图示的，作为电池电路模块30a的结构，在图1中图示的电池电路模块10a中可以交换对扼流线圈L和电池B的配置位置(连接位置)。另外，可以相对于第一开关元件S1与输出端子OT反向地设置第二开关元件S2。即，如果可以通过第一开关元件S1和第二开关元件S2的开关操作来将电池B(电容器C)的电压输出至输出端子OT，则可以适当地改变元件和电子组件在电池电路模块30a中的配置位置。
另外，当电池B的电压输出特性良好(即，即使电池电流波形变为矩形波，电池中也不会发生问题)时，可以省略RLC滤波器。另外，虽然使用电池电路模块10a、10b和10c、...的布线的寄生电感，但是可以安装用于获得必要的电感值的电感组件，而不是使用布线的寄生电感。
另外，虽然在第一实施例中，在将来自栅极电路12的栅极信号输出至延迟电路13a之前将其输出至电池电路模块10a，但是可以在通过图1中的延迟电路13a使栅极信号延迟之后将栅极信号输出至电池电路模块10a。在这种情况下，将从延迟电路13a输出的延迟的栅极信号输出至电池电路模块10a和延迟电路13b。还在延迟电路13b、13c、…中执行相同的控制。该控制还可以在将延迟增加一定时间的同时按顺序驱动电池电路模块10a、10b和10c、...。
附图标记列表
1、2 电源装置
10a、10b、10c、30a 电池电路模块
11、20 控制电路
12、21 栅极电路
13a、13b、13c 延迟电路
100 电池电路模块组
B 电池
C 电容器
L 扼流线圈
OT 输出端子
S1 第一开关元件
S2 第二开关元件

Claims (5)

1.一种电源装置，包括：
电池电路模块，所述电池电路模块包括：电池、输出所述电池的电压的输出端子、连接至所述输出端子并且并联连接至所述电池的第一开关元件、以及在所述电池和所述第一开关元件之间串联连接至所述电池的第二开关元件，当所述第一开关元件导通时所述第二开关元件断开；
电池电路模块组，在所述电池电路模块组中，多个所述电池电路模块经由所述输出端子串联连接；以及
控制电路，所述控制电路用于按照一定时间间隔向所述电池电路模块组中的所述电池电路模块输出栅极信号，所述栅极信号用于导通和断开所述电池电路模块的所述第一开关元件和所述第二开关元件，
其中，所述控制电路具有多个延迟电路，所述多个延迟电路被设置为与多个所述电池电路模块对应，所述多个延迟电路使所述栅极信号延迟一定时间，并且在所述电池电路模块组中的相邻电池电路模块之间传递所述延迟的信号，以使得所述栅极信号被延迟所述一定时间并且经延迟的栅极信号被按顺序地输出至在接下来的下游侧的所述电池电路模块。
2.根据权利要求1所述的电源装置，
其中，当所述电池电路模块中的一个电池电路模块变得有故障时，所述控制电路排除有故障的电池电路模块，并且将所述栅极信号输入至没有故障的正常电池电路模块。
3.根据权利要求2所述的电源装置，
其中，在还未输入所述栅极信号的所述电池电路模块中，所述控制电路导通所述第一开关元件，并且断开所述第二开关元件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电源装置，
其中，所述控制电路将所述一定时间调整为更大值或者更小值。
5.一种用于电源装置的控制方法，所述电源装置包括：
电池电路模块，所述电池电路模块包括：电池、输出所述电池的电压的输出端子、连接至所述输出端子并且并联连接至所述电池的第一开关元件、以及在所述电池和所述第一开关元件之间串联连接至所述电池的第二开关元件，当所述第一开关元件导通时所述第二开关元件断开；以及
电池电路模块组，在所述电池电路模块组中，多个所述电池电路模块经由所述输出端子串联连接，
其中，按照一定时间间隔向所述电池电路模块组中的所述电池电路模块输出栅极信号，所述栅极信号用于导通和断开所述电池电路模块的所述第一开关元件和所述第二开关元件，
其中，所述栅极信号被延迟一定时间，并且在所述电池电路模块组中的相邻电池电路模块之间传递被延迟的所述信号，以使得所述栅极信号被延迟所述一定时间并且经延迟的栅极信号被按顺序地输出至在接下来的下游侧的所述电池电路模块。
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