CN110739848A - 用于电动化车辆的高增益dc-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“用于电动化车辆的高增益DC‑DC转换器”。一种可变电压转换器在电池与DC链路之间转移电荷。第一电感器耦合正电池节点和第一节点。第一晶体管可选择地将所述第一节点耦合到负电池节点。第一电容器具有耦合到所述负电池节点的负端子。第二电感器将所述第一电容器的正端子耦合到第二节点。第二电容器具有耦合到所述第一节点的正端子。第二晶体管可选择地将所述第二节点耦合到所述第二电容器的负端子。

Description

用于电动化车辆的高增益DC-DC转换器
技术领域
本发明总体上涉及用于电动化车辆的电驱动系统中的DC-DC转换器，并且更具体地，涉及使用相对小部件尺寸和低功率损耗来实现高电压增益的开关DC-DC转换器的电路拓扑。
背景技术
诸如混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和电池电动车辆(BEV)的电动车辆使用逆变器驱动的电机来提供牵引扭矩。典型的电驱动系统可以包括通过接触器开关耦合到DC-DC转换器(也被称为可变电压转换器或VVC)的DC电源(诸如蓄电池组或燃料电池)以调节主DC链接电容器两端的主总线电压。三相马达逆变器连接在主总线与牵引马达之间，以便将DC总线电力转换为耦合到马达的绕组的AC电压以推进车辆。在车辆的减速期间，马达可以由车轮驱动并且用来递送电力以在车辆的再生制动期间对电池进行充电，其中DC-DC转换器在相反方向上工作以将所生成的电力转换为适合于对蓄电池组进行充电的电压。在一些车辆中，还可以存在另一三相逆变器以将DC总线连接到由内燃发动机驱动的发电机，以对电池进行充电或向马达提供电力。
使用对功率开关的适当调制，VVC可以在升压模式(转换为更高的电压)、降压模式(转换为更低的电压)或直通模式(电压不改变)下操作。对于在混合动力电动车辆驱动器系统中使用，VVC还被配置为可选择地提供双向电力流。
典型的VVC包括至少一个相桥，其中上部晶体管开关装置和下部晶体管开关装置(例如，绝缘栅双极晶体管，IGBT)在DC链路电容器两端串联连接。开关装置之间的中间接合部经由电感器连接到源电池。电子控制器提供开关信号(即，门信号)以根据提供期望VVC模式的调制方案来接通和断开开关装置。脉冲宽度调制通常由VVC用来控制电压的增加，其中开关信号的占空比可以改变以便将VVC电压调节到期望的幅值。
常规DC-DC转换器的电压增益被限制和/或在提供极高增益时的功率损耗很大。对于典型的电路，增益由被定义为T接通/Ts的占空比D决定，其中T接通是下部开关装置的导通持续时间并且Ts是开关周期。基于占空比，通过公式来确定电压增益G。当电压增益G大于二时，转换器效率随着增加占空比D而显著地降低。因此，常规DC-DC转换器的电压增益通常被限制为小于三。将期望较高的电压增益以在广泛的速度范围操作上减少马达逆变器损耗。另外，在大多数时间以较高的占空比操作DC-DC转换器导致相桥开关装置内的较高功率损耗和高电压应力。因此，需要能够以减小的占空比提供较高电压增益的改进的可变电压转换器。
常规交错转换器的另一潜在缺点在于，电感器中的高电流纹波在占空比D高时产生较大的功率损耗。需要大型电感器来限制电流纹波，但它们有损耗、庞大且沉重，这对于高功率HEV应用来说是不合需要的。
发明内容
在本发明的一方面，一种可变电压转换器被适配成在电力存储单元与电驱动系统中的DC链路之间转移电荷。第一电感器耦合在正电力存储节点与第一开关节点之间。第一开关装置可选择地将所述第一开关节点耦合到负电力存储节点。具有负端子的第一电容器耦合到所述负电力存储节点。第二电感器耦合在所述第一电容器的正端子与第二开关节点之间。第二电容器具有耦合到所述第一开关节点的正端子。第二开关装置可选择地将所述第二开关节点耦合到所述第二电容器的负端子。所述第一电感器和所述第二电感器在所述第一开关装置和所述第二开关装置未导通时串联连接，使得所述第二电感器对所述DC链路充电并且所述第一电感器对所述第一电容器和所述第二电容器充电。当所述第一开关装置和所述第二开关装置导通时，所述第一电感器和所述第二电感器由所述电力存储单元以及所述第一电容器和所述第二电容器并联地供能。
在本发明的优选方面，根据目标电压与链路电压之间的差异来调节PWM占空比。第一电感器和第二电感器在占空比接通阶段期间切换为并联，以从电池对所述第一电感器进行供能。所述电感器在占空比关断阶段期间切换为串联，以使所述第二电感器向所述链路中释放能量。另外地，在所述占空比关断阶段期间，可以在所述电感器之间的接合部处对一对电容器并联地充电，并且在所述占空比接通阶段期间，可以使所述电容器与所述第二电感器串联地放电。利用本发明，在使用PWM占空比的相对低值时获得高增益，由此导致降低的功率损耗。
附图说明
图1是示出混合动力电动车辆的电驱动装置中的常规可变电压转换器(VVC)的示意框图。
图2是示出使用常规VVC的典型可用电压增益的曲线图。
图3是示出根据现有技术的交错VVC的示意框图。
图4是示出根据本发明的一个实施例的VVC的示意框图。
图5是示出用于生成PWM占空比的信号和用于图4的开关装置的相关开关信号的信号图。
图6和图7是示出在占空比的接通和关断阶段期间的电流的示意图。
图8是将本发明和现有技术的VVC电路的电压增益(即，升压比)与PWM占空比进行比较的曲线图。
具体实施方式
参考图1，电动化车辆的电驱动装置10包括DC存储单元11(诸如蓄电池组或燃料电池)，其通过接触器式继电器开关(未示出)耦合到可变电压转换器(VVC)12。VVC 12包括串联连接在正DC总线14与负DC总线15之间的上部开关装置和下部开关装置(例如，绝缘栅双极晶体管或IGBT)。主DC链接电容器13连接在总线14与15之间。VVC 12通常在电池11的电源电压与被适配成与马达16和发电机18一起操作的较高DC链路电压之间执行DC-DC转换。马达逆变器17和发电机逆变器19耦合在总线14与15之间。逆变器17和19各自由桥配置中的多个开关装置构成，所述多个开关装置根据来自控制器和门驱动器(未示出)的控制信号以已知的方式驱动，以调节总线14与15之间的电压。
VVC 12中的开关装置中的每一者优选地由绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成。每个IGBT具有耦合到控制器(未示出)的相应控制(例如，基极)端子，所述控制器根据转换器的各种操作模式来控制开关。控制器可以由可商购且被配置为操作的类型的马达-发电机控制单元(MGCU)构成，如2015年8月11日发布的美国专利9,106,162所述，该美国专利以引用方式全文并入本文。
为了从VVC 12获得期望的电压增益，通常使用公知的脉冲宽度调制(PWM)方法来生成用于IGBT开关装置的门信号。对于图1所示的VVC配置，电压增益G(例如，从电池电压Vb到DC链路电压Vdc)被定义为
Figure BDA0002135113370000041
其中占空比D是相桥的下部开关装置的接通时间的百分比。如图2所示，随着占空比从零增加，增益G从1.0逐渐地增加。然而，已知的转换器无法提供高于约三的显著可用增益，因为对于高于约0.7的占空比D的值，转换器损耗显著地上升。
可以通过增加VVC中的相桥的数量来获得电压增益、效率和大小方面的一些改进，如图3所示。DC-DC可变电压转换器(VVC)20耦合在DC电源11与DC链路电容器12之间。VVC 20具有交错的相桥，包括第一相桥，所述第一相桥具有在总线14与15之间与下部开关装置22串联连接的上部开关装置21。第一电感器25将开关装置21与22之间的接合部耦合到电池11。第二相桥具有在总线14与15之间与下部开关装置24串联连接的上部开关装置23。第二电感器26将开关装置23与24之间的接合部耦合到电池11。电感器25和26可以电感耦合(如在变压器中)或者可以是独立的，其中没有交叉耦合。VVC 20可以在升压模式或降压模式下工作，其中电力流在任一方向上。开关装置21至24以交错的方式与电感器25和26一起工作，由此每个电感器和相应的相桥支持电池电流的一半(在升压模式下)。用于一个桥的相桥开关信号(所述开关信号彼此相反)与用于另一个桥的相桥开关信号相比具有180°相移，这实现交错的操作以显著减少电池电流纹波。即使可用增益可以较高并且电流纹波被减少，归因于所需要的电感器的大尺寸，交错转换器仍可能具有增益不足、功率损耗过度和成本高的缺点。
如由图4中示出的本发明的第一优选实施例所示，改进的可变电压转换器30包括耦合在正电力存储节点33与第一开关节点34之间的第一电感器31。第一开关装置Sn1可选择地将第一开关节点34耦合到负电力存储节点35。第一电容器36具有耦合到负电力存储节点35的负端子。第二电感器32耦合在第一电容器36的正端子与第二开关节点37之间。第二电容器38具有耦合到第一开关节点34的正端子。第二开关装置Sn2可选择地将第二开关节点37耦合到第二电容器38的负端子。开关装置Sn1和Sn2具有相应的反并联二极管。
为了提供双向操作，附加的开关装置包括在第二电感器32与第一开关节点34之间的开关装置Sp1、在第二电感器32与DC链路电容器12之间的开关装置Sp2，以及在第二电容器38的负端子与负电力存储节点35之间的开关装置Sp3。开关装置Sp1、Sp2和Sp3具有相应的反并联二极管，如图所示。如果仅期望正向操作(例如，升压模式和直通模式)，那么只需要二极管并且可以消除开关装置Sp1、Sp2和Sp3。参考图4至图7描述升压模式(即，其中电池电压增加到用于DC链路的较高电压电平的正向操作)。降压模式(即，其中电力从逆变器流到电池并且电压幅值减小的反向操作)以本领域技术人员将容易理解的类似方式操作。
VVC 30具有用于提供等于一的电压增益G的直通模式。在这种模式下，开关装置Sp1、Sp2和Sp3持续地接通，并且开关装置Sn1和Sn2持续地断开。因此，电容器36、38和12是并联的。因此，DC链路电压VDC＝VB，其中VB是电池电压。
图5示出了与在升压模式下操作相关联的信号。具有周期TS的三角波载波信号40与占空比信号41进行比较。占空比具有根据目标电压与向DC链路施加的实际电压之间的差异进行调节的值D，如本领域已知。用于开关装置Sn1和Sn2的门开关信号是相同的。用于开关装置Sp1、Sp2和Sp3的门开关信号是相同的，并且是用于开关装置Sn1和Sn2的门信号的反向信号。在载波信号40的每个周期期间，脉冲42和43表示表示用于开关装置Sn1和Sn2的占空比接通阶段。脉冲42和43具有接通时间D·TS，其为周期时间TS的一部分，其中D具有从0.0到1.0的值。低逻辑电平信号44和45表示用于开关装置Sn1和Sn2的占空比关断阶段。
使用如图5所示的开关信号来调制转换器，电流在占空比接通阶段期间如图6所示那样流动，并且在占空比关断阶段期间如图7所示那样流动。在图6和图7中，导通的开关装置/反并联二极管被示为实线，并且未导通的开关装置/反并联二极管被示为开路(具有“X”)。
在图6中，当第一开关装置Sn1和第二开关装置Sn2导通时，第一电感器31和第二电感器32与电池11以及电容器36和38并联地交换电流。因此，电感器31和32由电池11以及电容器36和38独立地供能(即，充电)。在对电感器32的充电期间，电容器36和38上的电压累加(即，它们与电感器32串联地放电)，使得电感器32的充电电流较高。
在图7中，在开关装置Sn1和Sn2未导通的情况下，电感器31和32串联地操作。因此，电感器31和32一起释放能量(即，放电)，其中电感器32向DC链路电容器12中放电并且电感器31向电容器36和38中放电。
在由D·TS表示的时间(即，占空比接通阶段)期间，VVC内的电压如下：
Figure BDA0002135113370000071
以及
Figure BDA0002135113370000072
其中L1是电感器31的电感，L2是电感器32的电感，C1是电容器36的电容，并且C2是电容器38的电容。在由(1-D)·TS表示的时间(即，占空比关断阶段)期间，VVC内的电压如下：
VC1＝VC2 等式3
Figure BDA0002135113370000073
Figure BDA0002135113370000074
对于电感器31，以上等式得出：
VB·DTS+(Vb-VC1)(1-D)Ts＝0 等式6
以及
Figure BDA0002135113370000081
对于电感器32，以上等式得出：
(VC1+VC2)DTS+(VC1-VDC)(1-D)Ts＝0 等式8
以及
Figure BDA0002135113370000082
用于增益(即，电压升压比)的最终等式如下：
Figure BDA0002135113370000083
图8是示出表示根据占空比D的电压升压比的曲线50与现有技术的曲线51相比的曲线图。因此，本发明具有高得多的电压升压比和更宽的输出电压范围。当所需的DC总线电压不大于电池电压VB时，将在直通模式下控制VVC。当所需的DC总线电压大于VB时，将使用图5中的信号来调制VVC。
在代表性实施例中，电路部件的参数为：L1＝L2＝50μH；C1＝C2＝CDC＝400μF；以及VB＝100V。典型的电驱动装置可能需要约1000V的DC链路电压。因此，需要10的电压增益。本发明利用占空比D＝0.6获得必要的增益。典型的电池电流具有500A的平均值。在1000V的DC总线电压下，电容器C1和C2的电压为250V。在实现10的升压比时，本发明的VVC将50kW功率转移到负载。为了利用现有技术VVC实现10的电压增益，占空比必须是D＝0.9(即，比0.6大得多)，这导致显著的功率损耗。
尽管从相同的电池电压提供相同升压的DC链路电压，但在相同水平的电池电流纹波下，本发明的VVC与现有技术转换器相比使用小得多的电感器。更小的电感器导致更低的电感器损耗、更容易在HEV中包装以及更低的成本。电容器C1和C2以及功率开关的额定电压也相对低。尽管使用附加的部件，但归因于部件的有利特性，整体成本可以降低。

Claims (13)

1.一种可变电压转换器，所述可变电压转换器被适配成在电力存储单元与电驱动系统中的DC链路之间转移电荷，所述可变电压转换器包括：
第一电感器，所述第一电感器耦合在正电力存储节点与第一开关节点之间；
第一开关装置，所述第一开关装置可选择地将所述第一开关节点耦合到负电力存储节点；
第一电容器，所述第一电容器具有耦合到所述负电力存储节点的负端子；
第二电感器，所述第二电感器耦合在所述第一电容器的正端子与第二开关节点之间；
第二电容器，所述第二电容器具有耦合到所述第一开关节点的正端子；以及
第二开关装置，所述第二开关装置可选择地将所述第二开关节点耦合到所述第二电容器的负端子；
其中所述第一电感器和所述第二电感器在所述第一开关装置和所述第二开关装置未导通时串联连接，使得所述第二电感器对所述DC链路充电并且所述第一电感器对所述第一电容器和所述第二电容器充电；并且
其中当所述第一开关装置和所述第二开关装置导通时，所述第一电感器和所述第二电感器由所述电力存储单元以及所述第一电容器和所述第二电容器并联地供能。
2.如权利要求1所述的转换器，其中所述转换器在将电荷从所述电力存储单元转移到所述DC链路的正向方向上操作，并且其中所述转换器还包括：
第一二极管，所述第一二极管进行连接以在所述第一开关装置和所述第二开关装置未导通时从所述第一电感器导通到所述第二电感器；
第二二极管，所述第二二极管进行连接以在所述第一开关装置和所述第二开关装置未导通时从所述第二电感器导通到所述DC链路；以及
第三二极管，所述第三二极管进行连接以在所述第一开关装置和所述第二开关装置未导通时从所述第二电容器的所述负端子导通到所述负电力存储节点。
3.如权利要求2所述的转换器，所述转换器还包括：
门驱动器，所述门驱动器耦合到所述第一开关装置和所述第二开关装置以根据脉冲宽度调制的占空比来同时激活所述第一开关和所述第二开关。
4.如权利要求2所述的转换器，其中所述转换器还在将电荷从所述DC链路转移到所述电力存储单元的反向方向上操作，并且其中所述转换器还包括：
第三开关装置，所述第三开关装置可选择地将所述第二电感器耦合到所述第一电感器；
第四开关装置，所述第四开关装置可选择地将所述DC链路耦合到所述第二电感器；以及
第五开关装置，所述第五开关装置可选择地将所述负电力存储节点耦合到所述第二电容器的所述负端子。
5.如权利要求1所述的转换器，其中所述DC链路由向耦合到所述电驱动系统的马达的逆变器馈电的链路电容器构成。
6.一种电驱动系统，所述电驱动系统包括：
电力存储单元；
DC链路；
逆变器，所述逆变器连接到所述DC链路并且被配置为连接到电机；以及
可变电压转换器，所述可变电压转换器被适配成在所述电力存储单元与所述DC链路之间转移电荷，所述可变电压转换器包括：
第一电感器，所述第一电感器耦合在正电力存储节点与第一开关节点之间；
第一开关装置，所述第一开关装置可选择地将所述第一开关节点耦合到负电力存储节点；
第一电容器，所述第一电容器具有耦合到所述负电力存储节点的负端子；
第二电感器，所述第二电感器耦合在所述第一电容器的正端子与第二开关节点之间；
第二电容器，所述第二电容器具有耦合到所述第一开关节点的正端子；以及
第二开关装置，所述第二开关装置可选择地将所述第二开关节点耦合到所述第二电容器的负端子；
其中所述第一电感器和所述第二电感器在所述第一开关装置和所述第二开关装置未导通时串联连接，使得所述第二电感器对所述DC链路充电并且所述第一电感器对所述第一电容器和所述第二电容器充电；并且
其中当所述第一开关装置和所述第二开关装置导通时，所述第一电感器和所述第二电感器由所述电力存储单元以及所述第一电容器和所述第二电容器并联地供能。
7.如权利要求6所述的驱动系统，其中所述转换器在将电荷从所述电力存储单元转移到所述DC链路的正向方向上操作，并且其中所述转换器还包括：
第一二极管，所述第一二极管进行连接以在所述第一开关装置和所述第二开关装置未导通时从所述第一电感器导通到所述第二电感器；
第二二极管，所述第二二极管进行连接以在所述第一开关装置和所述第二开关装置未导通时从所述第二电感器导通到所述DC链路；以及
第三二极管，所述第三二极管进行连接以在所述第一开关装置和所述第二开关装置未导通时从所述第二电容器的所述负端子导通到所述负电力存储节点。
8.如权利要求7所述的驱动系统，所述驱动系统还包括：
门驱动器，所述门驱动器耦合到所述第一开关装置和所述第二开关装置以根据脉冲宽度调制的占空比来同时激活所述第一开关和所述第二开关。
9.如权利要求7所述的驱动系统，其中所述转换器还在将电荷从所述DC链路转移到所述电力存储单元的反向方向上操作，并且其中所述转换器还包括：
第三开关装置，所述第三开关装置可选择地将所述第二电感器耦合到所述第一电感器；
第四开关装置，所述第四开关装置可选择地将所述DC链路耦合到所述第二电感器；以及
第五开关装置，所述第五开关装置可选择地将所述负电力存储节点耦合到所述第二电容器的所述负端子。
10.如权利要求6所述的驱动系统，其中所述DC链路由向所述逆变器馈电的链路电容器构成。
11.如权利要求6所述的驱动系统，其中所述电力存储单元由蓄电池组构成。
12.一种将电池电压升压到电驱动装置的DC链路上的方法，所述方法包括：
根据目标电压与链路电压之间的差异来调节PWM占空比；
在占空比接通阶段期间使第一电感器和第二电感器切换为并联，以从电池对所述第一电感器进行供能；以及
在占空比关断阶段期间使所述电感器切换为串联，以使所述第二电感器向所述链路中释放能量。
13.如权利要求12所述的方法，所述方法还包括：
在所述占空比关断阶段期间从所述第一电感器对一对电容器并联地充电；以及
在所述占空比接通阶段期间使所述电容器与所述第二电感器串联地放电，以对所述第二电感器进行供能。
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