CN110391766A - 用于车辆的电力转换系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于车辆的电力转换系统及其控制方法。用于车辆的电力转换系统包括开关电路，其具有第一输入/输出端子、第二输入/输出端子和连接在第一输入/输出端子和第二输入/输出端子之间的多个开关元件。第一能量存储装置连接至第二输入/输出端子并且具有预设的充电/放电电压。第一电压转换电路将从第一输入/输出端子输出的电力进行转换，以输出比第一能量存储装置的电压低的电压。第二能量存储装置利用第一电压转换电路的输出电压进行充电/放电。控制器基于第一能量存储装置是否正在进行充电以及车辆是否正在行驶来控制开关元件的开路/短路状态。当第一能量存储装置正在进行充电时，AC充电电力从车辆外部提供至第一输入/输出端子。

Description

用于车辆的电力转换系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的电力转换系统及其控制方法，更具体地，涉及一种通过减小电力转换系统的尺寸来提高空间利用率的电力转换系统。
背景技术
通常，环保车辆的电池充电方法可以分为慢速充电方法和快速充电方法。具体地，慢速充电方法指的是这样一种方法：通过充电座(例如，外部充电器)等将用于家用或一般建筑物的外部交流(AC)电压施加至安装在车辆内的车载充电器(OBC)，以将AC电压整流成直流(DC)电压，将该DC电压升压至适用于充电的DC电压，然后利用该DC电压对高压电池进行充电。快速充电方法指的是输出高电流从而在比慢速充电所需的时间更短的时间段内进行充电的方法。由于快速充电方法需要超过慢速充电额定功率的十倍，充电更快的充电器不能安装在车辆内，因此需要单独安装专用的快速充电器。
此外，如上所述，用于将外部AC电压整流成DC电压的车载充电器需要安装在通过慢速充电方法可充电的环保车辆中。为了改善车辆内有限空间的可用性，正在积极地进行关于减小在车辆内安装的电力元件和装置(该电力元件和装置包括车载充电器)的尺寸的研究。
发明内容
本发明提供了一种用于车辆的电力转换系统及其控制方法，其通过在开关电路和第一电压转换电路中利用多个开关元件来减小电力转换系统的尺寸，从而提高空间利用率并降低成本。
为了实现该目标，根据本发明的用于车辆的电力转换系统可以包括：开关电路、第一能量存储装置、第一电压转换电路、第二能量存储装置以及控制器，所述开关电路具有第一输入/输出端子、第二输入/输出端子和连接在第一输入/输出端子和第二输入/输出端子之间的多个开关元件；所述第一能量存储装置连接至第二输入/输出端子并且具有预设的充电/放电电压；所述第一电压转换电路用于将从第一输入/输出端子输出的电力进行转换，以输出比第一能量存储装置的电压低的电压；所述第二能量存储装置进行充电/放电至第一电压转换电路的输出电压；所述控制器配置为基于第一能量存储装置是否正在进行充电以及车辆是否正在行驶来操作多个开关元件的开路/短路状态。另外，当第一能量存储装置正在进行充电时，用于对第一能量存储装置充电的AC充电电力可以从车辆的外部提供至第一输入/输出端子。
用于车辆的电力转换系统可以进一步包括开关单元，其配置为确定第一输入/输出端子和第一电压转换电路之间的电连接状态。控制器可以配置为当第一能量存储装置进行充电时，将开关单元断开并且操作多个开关元件，以将提供至第一输入/输出端子的AC充电电力进行转换并通过第二输入/输出端子输出第一能量存储装置的充电/放电电压。
控制器可以配置为当车辆正在行驶时，将开关单元短路并且操作多个开关元件以将提供至第二输入/输出端子的第一能量存储装置的电力转换为AC电力并通过第一输入/输出端子输出。第一电压转换电路可以配置为将从第一输入/输出端子提供的第一能量存储装置的AC电力进行转换，以输出比第一能量存储装置的电压低的DC电压。
开关电路可以是包括多个开关元件的全桥电路。第一电压转换电路可以包括变压器和整流器，所述变压器配置为改变从第一输入/输出端子提供的AC电力的电压；所述整流器配置为对从变压器输出的AC电压进行整流，以输出DC电压。用于车辆的电力转换系统可以进一步包括第二电压转换电路，其配置为接收第一能量存储装置的DC电压并且将所述DC电压转换为车辆的电气负载的电源电压。然后，控制器可以配置为当第一能量存储装置进行充电时，驱动第二电压转换电路。
为了实现该目标，根据本发明的控制用于车辆的电力转换系统的方法可以包括：确定车辆内的第一能量存储装置是否正在进行充电和车辆是否正在行驶；当确定出第一能量存储装置正在进行充电时，将开关单元断开并且操作多个开关元件，以将提供至第一输入/输出端子的AC充电电力进行转换并通过第二输入/输出端子输出第一能量存储装置的充电/放电电压；当确定出车辆正在行驶时，将开关单元短路并且操作多个开关元件，以将提供至第二输入/输出端子的第一能量存储装置的电力转换为AC电力并通过第一输入/输出端子输出。所述方法可以进一步包括当确定出第一能量存储装置正在进行充电时，驱动第二电压转换电路。
根据本发明，可以通过在开关电路和第一电压转换电路中利用多个开关元件来减小电力转换系统的尺寸，从而提高空间利用率并降低成本。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的以上和其它目标、特征和其它优点，其中：
图1是示出根据本发明示例性实施方案的用于车辆的电力转换系统的配置的示意图；
图2是示出根据本发明示例性实施方案的用于车辆的电力转换系统的详细示图；
图3是示出根据本发明示例性实施方案，在用于车辆的电力转换系统中当第一能量存储装置进行充电时从外部提供的电力的流动的示图；
图4是示出根据本发明示例性实施方案，在用于车辆的电力转换系统中当车辆正在行驶时从第一能量存储装置提供的电力的流动的示图；
图5是根据本发明示例性实施方案的控制用于车辆的电力转换系统的方法的流程图。
具体实施方式
应当理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语通常包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、大货车、各种商用车辆的乘用车辆，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如，源于非化石能源的燃料)。正如本文所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
尽管将示例性实施方案描述为利用多个单元来执行示例性过程，但是应当理解的是，示例性过程也可以由一个或多个模块来执行。另外，应理解的是，术语控制器/控制单元指的是包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置为存储模块，处理器具体地配置为执行所述模块以进行以下进一步描述的一个或多个过程。
此外，本发明的控制逻辑可以实施为包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非易失性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储器件。计算机可读记录介质还可以分布在网络联接的计算机系统中，使得计算机可读介质例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)以分布式的方式存储和执行。
本文中使用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，并非旨在限制本发明。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，其指定了存在所述特征、数值、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。如本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。
除非特别陈述或从上下文中显而易见的，否则如本文中所用的，术语“大约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准差内。“大约”可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文中另有说明，否则本文中提供的所有数值都由术语“大约”修饰。
在下文中，将参照附图来描述根据本发明示例性实施方案的用于车辆的电力转换系统及其控制方法。
图1是示出根据本发明示例性实施方案的用于车辆的电力转换系统的配置的示意图，图2是示出用于车辆的电力转换系统的详细示图。图3是示出当第一能量存储装置正在进行充电时从外部提供的电力的流动的示图，图4是示出当车辆正在行驶时从第一能量存储装置提供的电力的流动的示图。
参见图1至图4，根据本发明的安装在车辆内的电力转换系统可以包括：开关电路100、第一能量存储装置200、第一电压转换电路300、第二能量存储装置400、控制器600以及电源700。根据示例性实施方案，电力转换系统可以进一步包括开关单元500和第二电压转换电路800。下面将详细地描述根据本发明的电力转换系统的详细配置。
开关电路100可以包括：第一输入/输出端子110、第二输入/输出端子120以及连接在第一输入/输出端子110和第二输入/输出端子120之间的多个开关元件130。具体地，连接在第一输入/输出端子110和第二输入/输出端子120之间的多个开关元件130可以连接为全桥电路结构，并且可以配置为将交流(AC)电力转换为直流(DC)电力，或者将DC电力转换为AC电力。
具体地，开关电路100可以配置为将从电源700经由第一输入/输出端子110输入的、来自外部(例如，来自外部充电器)的外部AC充电电力转换为DC电力，并且将该DC电力传输至与第二输入/输出端子120连接的第一能量存储装置200，使得具有预设充电/放电电压的第一能量存储装置200可以利用该DC电力进行充电。另外，开关电路100可以配置为将从第一能量存储装置200通过第二输入/输出端子120输入的DC电力转换为AC电力，并且将该AC电力输出至第一输入/输出端子110。
换句话说，根据本发明的开关电路100可以配置为当第一能量存储装置200正在进行充电时，将从外部通过电源700输入的AC充电电力转换为DC电力并且将该DC电力传输至第一能量存储装置200，并且可以配置为当车辆正在行驶时，将从第一能量存储装置200输入的DC电力转换为AC电力并且将该AC电力通过第一电压转换电路300传输至第二能量存储装置400。
第一能量存储装置200可以连接至第二输入/输出端子120，并且可以是具有预设充电/放电电压的能量存储装置。根据示例性实施方案，第一能量存储装置200可以是高压电池，其配置为存储并提供用于驱动车辆电机的电能。然而，高压电池仅是一个示例，可以利用能够存储并提供用于驱动的车辆电机的电能的各种装置(包括超级电容器)作为本发明的第一能量存储装置。
第一电压转换电路300可以配置为将从第一输入/输出端子110输出的电力转换为比第一能量存储装置200的电压低的电压，并且将该电压传输至第二能量存储装置400。具体地，第一电压转换电路300可以配置为将从第一能量存储装置200的DC电力转换的并通过第一输入/输出端子110提供的AC电力转换为比第一能量存储装置200的电压低的DC电压，并且输出该DC电压。
第一电压转换电路300可以包括变压器310和整流器320，变压器310配置为改变或调节从第一输入/输出端子110提供的AC电压的大小；整流器320配置为将从变压器310输出的AC电压进行整流以输出DC电压。换句话说，第一电压转换电路300可以配置为通过变压器310来改变通过第一输入/输出端子110输入的、从第一能量存储装置200的DC电力转换的AC电力的电压，将从变压器310输出的AC电压通过整流器320整流为DC电压，并且将该DC电压传输至第二能量存储装置400。
第二能量存储装置400可以是这样一种能量存储装置，其连接至第一电压转换电路300的输出端子并且利用第一电压转换电路300的输出电压进行充放电。第二能量存储装置400可以是配置为存储并提供用于驱动车辆的电气负载900、开关模式电源(SMPS)等的电能的电池。然而，这仅是示例性的，可以利用能够存储并提供用于驱动电气负载900、SMPS等的电能的各种装置作为本发明的第二能量存储装置400。
开关单元500可以配置为确定第一输入/输出端子110和第一电压转换电路300之间的电连接状态，根据示例性实施方案，继电器可以用作开关单元500。更具体地，如本文所述的，可以通过控制器600将开关单元500开路或短路，因此第一输入/输出端子110和第一电压转换电路300可以是电开路的或电短路的。
具体地，控制器600可以配置为基于第一能量存储装置200是否正在进行充电以及车辆是否正在行驶(例如，正被驾驶)来控制开关电路100中的多个开关元件130的开路/短路状态以及开关单元500的开路/短路状态。如图3中所示，当第一能量存储装置200正在进行充电时，用于对第一能量存储装置200充电的AC电力可以通过电源700从车辆的外部提供至第一输入/输出端子110。更具体地，控制器600可以配置为当第一能量存储装置200正在进行充电时，将开关单元500断开并且操作开关电路100中的开关元件130，以将提供至第一输入/输出端子的AC电力进行转换，使得第二输入/输出端子120输出第一能量存储装置200的充电/放电电压。
另外，控制器600可以配置为当第一能量存储装置200进行充电时操作第二电压转换电路800。具体地，第二电压转换电路800可以是提供有第一能量存储装置200的DC电压的电路，第二电压转换电路800可以配置为将DC电压转换为用于车辆的电气负载900和SMPS的电源电压，并且将该电源电压提供至车辆的电气负载900和SMPS。换句话说，控制器600可以配置为当第一能量存储装置200正在进行充电时，驱动或操作第二电压转换电路800以转换从第一能量存储装置200提供的DC电压，并且将转换的电压提供至车辆的电气负载900等。
当车辆正在行驶时，控制器600可以配置为将开关单元500(例如，开关)短路并且操作多个开关元件130，以将提供至第一输入/输出端子120的第一能量存储装置200的电力进行转换，并且将该电力作为AC电力从第一输入/输出端子110输出。换句话说，控制器600可以配置为当车辆正在行驶时，操作多个开关元件130以将通过第二输入/输出端子120输入至开关电路100的第一能量存储装置200的DC电力转换为AC电力并通过第一输入/输出端子110输出，以及将开关单元500短路以将从第一输入/输出端子110输出的AC电力输入至第一电压转换电路300，然后将该AC电力提供至第二能量存储装置400。
如上所述，在用于车辆的电力转换系统中，开关电路和第一电压转换电路可以利用多个开关元件。因此，可以减小电力转换系统的尺寸以改善空间利用率并降低总成本。
图5是根据本发明示例性实施方案的控制用于车辆的电力转换系统的方法的流程图。本文中以下描述的方法可以由具有处理器和存储器的控制器来执行。如图5中所示，根据本发明示例性实施方案的控制用于车辆的电力转换系统的方法可以包括：确定车辆中的第一能量存储装置是否正在进行充电以及车辆是否正在行驶；当确定出第一个能量存储装置正在进行充电时，将开关单元断开并且操作多个开关元件以将提供至第一输入/输出端子的AC充电电力进行转换，从而将第一能量存储装置200的充电/放电电压通过第二输入/输出端子输出；当确定出车辆正在行驶时，将开关单元短路并且操作多个开关元件以将提供至第二输入/输出端子的第一能量存储装置的电力转换为AC电力并通过第一输入/输出端子输出。另外，该方法可以包括当确定出第一能量存储装置正在进行充电时，驱动或操作第二电压转换电路。
关于根据本发明的控制用于车辆的电力转换系统的方法步骤的技术特征与用于车辆的电力转换系统的上述特征相同，因此省略其详细描述。

Claims (11)

1.一种用于车辆的电力转换系统，其包括在车辆中，所述用于车辆的电力转换系统包括：
开关电路，其包括第一输入/输出端子、第二输入/输出端子以及连接在所述第一输入/输出端子和所述第二输入/输出端子之间的多个开关元件；
第一能量存储装置，其连接至所述第二输入/输出端子并且具有预设的充电/放电电压；
第一电压转换电路，其用于转换从所述第一输入/输出端子输出的电力，以输出比第一能量存储装置的电压低的电压；
第二能量存储装置，其利用第一电压转换电路的输出电压进行充电/放电；以及
控制器，其配置为基于所述第一能量存储装置是否正在进行充电以及车辆是否正在行驶来控制所述多个开关元件的开路/短路状态，
其中，当第一能量存储装置正在进行充电时，用于对第一能量存储装置进行充电的交流充电电力从车辆的外部提供至第一输入/输出端子。
2.根据权利要求1所述的用于车辆的电力转换系统，其进一步包括：
开关单元，其配置为确定所述第一输入/输出端子和所述第一电压转换电路之间的电连接状态。
3.根据权利要求2所述的用于车辆的电力转换系统，其中，所述控制器配置为：当第一能量存储装置正在进行充电时，将所述开关单元断开并且操作所述多个开关元件，以转换提供至第一输入/输出端子的交流充电电力并通过第二输入/输出端子输出第一能量存储装置的充电/放电电压。
4.根据权利要求2所述的用于车辆的电力转换系统，其中，所述控制器配置为：当车辆正在行驶时，将所述开关单元短路并且控制所述多个开关元件以将提供至第二输入/输出端子的第一能量存储装置的电力转换为交流电力并通过第一输入/输出端子输出。
5.根据权利要求4所述的用于车辆的电力转换系统，其中，所述第一电压转换电路配置为：将从第一输入/输出端子提供的第一能量存储装置的交流电力进行转换，以输出比第一能量存储装置的电压低的直流电压。
6.根据权利要求1所述的用于车辆的电力转换系统，其中，所述开关电路是包括多个开关元件的全桥电路。
7.根据权利要求1所述的用于车辆的电力转换系统，其中，所述第一电压转换电路包括：
变压器，其配置为改变从第一输入/输出端子提供的交流电的电压；以及
整流器，其配置为对从变压器输出的交流电压进行整流以输出直流电压。
8.根据权利要求1所述的用于车辆的电力转换系统，其进一步包括：
第二电压转换电路，其配置为接收第一能量存储装置的直流电压，并且将所述直流电压转换为车辆的电气负载的电源电压。
9.根据权利要求8所述的用于车辆的电力转换系统，其中，所述控制器配置为：当第一能量存储装置正在进行充电时，操作所述第二电压转换电路。
10.一种控制用于车辆的电力转换系统的方法，其包括：
由控制器确定车辆内的第一能量存储装置是否正在进行充电以及车辆是否正在行驶；
响应于确定出第一能量存储装置正在进行充电，由控制器将开关单元断开并且操作多个开关元件，以将提供至第一输入/输出端子的交流充电电力进行转换并通过第二输入/输出端子输出第一能量存储装置的充电/放电电压；
响应于确定出车辆正在行驶，由控制器将开关单元短路并且操作多个开关元件，以将提供至第二输入/输出端子的第一能量存储装置的电力转换为交流电力并通过第一输入/输出端子输出。
11.根据权利要求10所述的控制用于车辆的电力转换系统的方法，其进一步包括：
响应于确定出第一能量存储装置正在进行充电，由控制器操作第二电压转换电路。
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