CN111315614B - 包括dc/dc转换器的车辆充电器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车载电池充电器(400)，包括：主电压转换器，包括：至少一个变压器(TF)，其包括至少一个初级和至少一个次级；受控晶体管的至少一个上游电桥(PR2)，其向变压器(TF)的初级供电；受控晶体管的至少一个下游电桥(PR3)，其由变压器的次级供电，允许当电流和/或电压受控时，生成用于向待充电电池供电的第一电压，下游电桥包括至少两个支路(Leg1，Leg2)；至少一个隔离开关(TR)，其直接或经由电感器(L5)连接到下游电桥的第一支路(Leg1)的中点(T1)，允许当其断开时，使用下游电桥传递第一电压，并且当其闭合时，使用下游电桥的至少所述第一支路，以通过驱动由所述电池供电的下游电桥的晶体管中的全部或一些来生成不同于第一电压的第二电压；以及晶体管(410)的控制电路。

Description

包括DC/DC转换器的车辆充电器
技术领域
本发明涉及电动或混合动力机动车辆的充电。
本发明尤其涉及电动或混合动力机动车辆上的电池充电器，该电池充电器被配置为执行DC/DC电压转换器的附加功能。
背景技术
以已知的方式，机动车辆配备有DC/DC电压转换器，该电压转换器被配置成将输入电压(例如48V)转换成第一输出电压(例如12V)。DC/DC电压转换器例如用于向待充电电池(例如12V电池)供电，或者向电气装备的物项(诸如汽车收音机)供电。
此外，机动车辆也以已知的方式配备有车载电池充电器(onboard batterycharger，OBC)，使得可以对车辆的电池进行充电，该电池可以是例如48V的电池。
在已知的机动车辆中，DC/DC电压转换器和车载充电器(OBC)的功能由两个不同的电子模块执行。
发明内容
需要进一步改进混合动力或电动机动车辆，并且最小化车载电子系统和充电器的成本和体积。
本发明旨在满足该需要，并且因此根据本发明的一个方面，其主题是一种车载电池充电器，包括：
主电压转换器，包括：
至少一个变压器，其包括至少一个初级和至少一个次级，
受控晶体管的至少一个上游电桥，其向变压器的初级供电，
受控晶体管的至少一个下游电桥，其由变压器的次级供电，使得当根据电流和/或电压被控制时，可以生成第一电压以便向待充电电池供电，下游电桥包括至少两个支路，
至少一个隔离开关，其直接或通过电感器链接到下游电桥的第一支路的中点，使得当其断开时，可以使用下游电桥传递第一电压，并且当其闭合时，可以使用下游电桥的至少所述第一支路，以通过控制由所述电池供电的下游电桥的晶体管中的全部或一些来生成不同于第一电压的第二电压，以及
晶体管的控制电路。
在本发明的特定实施例中，第二电压是DC电压。
在本发明的特定实施例中，第一电压是DC电压。
在本发明的特定实施例中，第一和第二电压是DC电压。
在本发明的特定实施例中，当下游电桥由变压器的次级供电并且隔离开关断开时，传递第一电压。
借助于本发明，由不同组件以已知方式执行的电子功能被组合，从而使得可以减少总体积以及生产成本。
此外，可以汇集晶体管的冷却和控制电路，从而可以进一步改进总体积以及生产成本。
主电压转换器可以包括一个或多个上游电桥，特别是包括一个或多达与变压器一样多的上游电桥。同一个上游电桥可以向一个或多个变压器供电。
此外，主电压转换器可以包括一个或多个下游电桥，特别是与变压器一样多的下游电桥。
只要充电器包括隔离的主电压转换器，则一个或多个变压器的存在就是有用的。
晶体管的上游电桥可以包括晶体管的至少一个支路。
在本发明中，可以理解，充电器的电桥用于执行DC/DC电压转换器功能。转换器的下游电桥用于在隔离开关断开时传递第一电压(充电器功能)，并且在隔离开关闭合时，使用下游电桥的至少一个支路，以通过控制由所述电池供电的下游电桥的晶体管中的全部或一些来生成不同于第一电压的第二电压(转换器功能)。
这种配置是可以呈现的，因为通常充电器和转换器功能不会同时使用。当车辆休息时使用充电器功能，并且当车辆行驶时使用转换器功能。
在根据本发明的充电器包括若干相同且并联的臂的情况下，充电器和转换器这两种功能可以同时使用。在这种情况下，至少一个臂可以被分配用于充电器功能和转换器功能中的每一个。
第二电压能够向机动车辆的车载网络供电，例如允许对车上的移动电话充电。
第一和第二输出电压有利地链接到公共地端。
第一输出电压可以小于60V，最好小于或等于48V。在一个实施例中，第一输出电压是48V。
第二输出电压可以小于60V，最好小于或等于48V。在一个实施例中，第二输出电压是12V或24V。
在本发明的特定实施例中，充电器还可以包括布置在下游电桥的低电位输出端和所述至少一个隔离开关之间的电容。在本发明的特定实施例中，充电器还可以包括布置在下游电桥的低电位输出端和所述至少一个隔离开关没有链接到下游电桥的第一支路的中点的端子之间的电容。换句话说，仅当隔离开关闭合时，电容才经由其端子中的一个电链接到下游电桥的低电位输出端并且经由其端子中的另一个电链接到下游电桥第一支路的中点。
在本发明的特定实施例中，所述电容可以是非极性的。
充电器可以包括一个或多个隔离开关，例如1、2、3、4、5或6个。大量的隔离开关可以提高组装件的功率。在示例性实施例中，有四个并联布置的隔离开关，每个隔离开关链接到两个下游电桥中的一个下游电桥的两个臂中的一个臂的中点。
充电器还可以包括在所述至少一个隔离开关和第二电压的输出端之间的至少一个安全开关。当一个或多个隔离开关断开时，一个或多个安全开关可以断开。
充电器可以包括一个或多个安全开关，例如1、2、3、4、5或6个。大量的安全开关可以提高组装件的功率。原则上，隔离开关的数量和安全开关的数量是相等的。在示例性实施例中，有四个并联布置的安全开关。
在本发明的特定实施例中，隔离开关TR通过电感器链接到下游电桥的第一支路的中点，从而电感器和下游电桥的第一支路形成“降压”型递降(step down)转换器。
在本发明的特定实施例中，主电压转换器还包括布置在变压器的次级和下游电桥的支路中的一个的中点之间(例如次级和下游电桥的第一支路的中点之间)的至少一个开关。所述至少一个开关可以从以下列表中选择：简单开关、反相器、晶体管、晶闸管或其等同物。
在本发明的特定实施例中，控制电路被配置为控制上游电桥的每个支路的晶体管的断开，并且同相地控制所述至少一个下游电桥的至少两个支路的晶体管，以便保持变压器的次级中的电流基本为零。
在该实施例中，同一个变压器的下游电桥的晶体管以同步方式控制，并且以相同的工作周期控制。下游电桥的一个支路的晶体管中的一个是断开的，而另一个是导通的，反之亦然。所述下游电桥的两个支路的中点T1和T2处于相同的电位。此外，上游电桥的晶体管是断开的。变压器的次级没有电流。人们在转换器的输出端获得具有更大振荡的电流。
在该实施例中，没有必要在变压器的次级和下游电桥的支路中的一个的中点T1之间添加开关Kl，并且主电压转换器可以没有这种开关Kl。
本发明的另一个主题是，独立地或与前述内容结合的，一种配备有如上所述的充电器的机动车辆。机动车辆可以是纯电动的或混合动力的。
本发明的另一个主题是一种使用根据本发明的充电器对机动车辆电池充电的方法。根据这种方法，直接或通过电感器链接到充电器的下游电桥的第一支路的中点的隔离开关选择性地闭合，以便至少使用下游电桥的所述第一支路，并且通过控制由所述电池供电的下游电桥的晶体管中的全部或一些来生成不同于第一电压的第二电压。
该方法可以包括上文阐述的本发明的特征中的全部或一些。
附图说明
通过阅读下面的详细描述、本发明实施方式的非限制性示例，并查阅附图，将能够更好地理解本发明，在附图中：
图1示出了DC/DC转换器的已知电路，
图2a至图2c示出了车载充电器(OBC)的电路的已知变型实施例，以及
图3至图4示出了根据本发明的充电器的电路的变型实施例。
具体实施方式
DC/DC主电压转换器
图1中示出了DC/DC主电压转换器100，其被配置成将第一输入电压(例如48V)转换成第二输出电压(例如12V)。
主电压转换器100包括以本身已知的方式作为斩波器工作的电桥。这种转换器被称为递降(step down)斩波器(“降压”)，并且将DC电压转换成另一更低值的DC电压。在示例性实施例中，这可能需要例如将48V的电压转换成12V的电压。
在图1的示例性实施例中，DC/DC转换器100包括并联布置的4个单元C。当然，在不脱离本发明的范围的情况下，单元C的数量可以不同。它可以例如在2和12之间，例如2、3、4、5或6个。
若干单元的使用使得可以减少对半导体的限制。然后人们谈到交错斩波器，因为转换器的单元都通向同一个输出电容器C1，其中每个连续单元的晶体管的控制命令之间的相移为T/4，其中T是转换器的工作周期的时段。换句话说，单元中的每一个单元内的占空比是相同的，但是晶体管的驱动命令从一个单元到另一单元相移了T/4。
在这里描述的示例中，这个输出电容C2是非极性的。
每个单元C包括第一晶体管T8、第二晶体管T9和电感器L1。
在这里描述的示例中，晶体管T1和T2是MOSFET。
根据晶体管T8的状态，这种转换器100的操作方式可以划分为两种配置。
在导通状态下，晶体管T8闭合，流经电感器L1的电流线性增加。第二晶体管T9两端的电压为负，没有电流流经第二晶体管T9。
在截止状态下，晶体管T8断开。第二晶体管T9导通，以确保电感器L1中电流的连续性。流经电感器L1的电流减小。
此外，转换器100包括隔离开关TR(或“逆向”)，其直接链接到一个或多个单元C的输出，使得当其闭合时可以传递输出电压，并且当其断开时可以保护一个或多个单元C。
转换器100还包括安全开关TS，每个安全开关都与对应的隔离开关TR串联安装。这些安全开关TS使得当其闭合时可以传递输出电压，并且当其断开时可以保护一个或多个单元C。
这种配置使得可以避免在两个方向上电流的传递。如果在输入端或输出端处的网络中的一个出现欠压或过压(即干扰)，以及在DC/DC转换器发生硬件故障(例如晶体管故障)的情况下，隔离开关和安全开关被激活(作为断开的开关)。
每对隔离开关和安全开关与其他开关对并联安装。
在所描述的示例中，转换器包括4对隔离开关和安全开关，从而使得可以提高组装件的功率，但是如果它们的数量不同，例如1、2、3、5或6个，也不脱离本发明的范围。原则上，隔离开关和安全开关对的数量等于转换器的单元数量。
在所描述的示例中，隔离开关和安全开关是晶体管，例如MOSFET类型的晶体管。
转换器100的所有晶体管和开关由转换器100的控制器110控制。
电池充电器(OBC)
车载电池充电器(OBC)使得可以通过提供第二输出电压为车辆电池充电，第二输出电压例如是48V。
如在图2a至图2c的示例性实施例中所示的，现有技术中已知的电池充电器可以包括两个级，即由功率因数校正转换器(power factor correction，PFC)200形成的第一级和由LLC DC/DC转换器300形成的第二级。
功率因数校正转换器(PFC)
关于第一级，在功率因数校正转换器PFC 200的功率因数校正功能中，其主要功能是分接(tap off)以小于5％的电流失真率与网络上的电压同相的正弦电流，换句话说，PFC仅分接网络上的有功功率，在这种情况下主要是单相220伏电网。
在图2a的实施例中，功率因数校正转换器PFC 200包括AC/DC转换器，即整流电桥PR1和升压(boost)型的递升(step-up)转换器，升压型递升转换器包括晶体管T10、二极管D和电感器L2。此外，滤波电容C2被放置在功率因数校正转换器PFC 200的下游和LLC DCDC300或双电桥DC/DC的上游。
转换器200的全部晶体管(即可以断开(关断)或闭合(接通)的开关)都由转换器200的控制器210控制。
LLC DC/DC转换器
关于第二级，这需要LLC DC/DC转换器300，即这样的转换器：包括至少一个整流电桥PR2，之后是具有两个电感器L3和L4以及电容C3的谐振电路，以及之后是包括初级和次级的变压器TF，并且然后是整流电桥PR3。
在图2a中描述的示例中，LLC DC/DC转换器300包括两个相同且并联的支路，因此有两个整流器电桥PR2，每个整流器电桥PR2之后是具有两个电感器L3和L4以及电容C3的谐振电路，并且之后是包括初级和次级的变压器TF，并且然后是整流器电桥PR3。因此有两个变压器TF，并且然后是两个整流电桥PR3。
这种实施例允许以例如7kW或3.5kW的功率工作。
在所描述的示例中，整流电桥包括晶体管。转换器300的全部晶体管(开关)由转换器300的控制器310控制。
在图2a的示例中，电池充电器OBC是不可逆的。
根据所寻求的功率，电池充电器的其他配置也是可能的。
在图2b中示出的变型实施例中，电池充电器是可逆的。为此，它与图2a所示的不同之处在于整流电桥PR1(称为“有源前端整流器”)的形式，整流电桥PR1包括形成两个第一臂的晶体管以及两个电感器L2，每个电感器L2链接到整流电桥PR1的两个第一臂中的一个臂的中点。
最后，并且可选地，功率因数校正转换器PFC 200包括晶体管的第三臂，以改进电磁兼容性(electromagnetic compatibility，EMC)。
该实施例与上述实施例的不同之处还在于，LLC DC/DC转换器300在两个变压器TF的上游包括单个整流电桥PR2这一事实，从而使得可以减少电子组件的数量，并因此降低了成本和体积。
在图2c的实施例中，电池充电器也是可逆的，并且LLC DC/DC转换器300包括三个相同的支路，因此有三个整流电桥PR2，每个整流电桥PR2之后是具有两个电感器L3和L4以及电容C3的谐振电路，并且之后是包括初级和次级的变压器TF，并且然后是整流电桥PR3。因此有三个变压器TF，并且然后是三个整流电桥PR3。
这种实施例允许以更高的功率(例如7kW或11kW)工作。
最后，功率因数校正转换器PFC 200可以是三相的，而不是如图2a和图2b的示例所示是单相的。
具有双电桥DC/DC转换器的电池充电器(OBC)
此外，可以用双电桥DC/DC转换器来代替先前示例的LLC DC/DC转换器的电池充电器是众所周知的。这种双电桥DC/DC转换器包括第一初级电桥PR1、第二次级电桥PR2和两个电桥之间的变压器。换句话说，双电桥DC/DC转换器不包括任何谐振级(没有电感L3也没有电容C3)。使用双电桥DC/DC转换器的电池充电器的第一级是本领域技术人员已知的，这里不再描述。
具有集成转换器的电池充电器
现在将描述根据本发明的车载电池充电器。
图3中示出了车载电池充电器，其包括主电压转换器，该主电压转换器包括：
至少一个变压器TF，包括至少一个初级和至少一个次级，并且特别是在所描述的示例中包括两个变压器TF，
向变压器的初级供电的受控晶体管的至少一个上游电桥，其在图3中未示出。该上游部分可以例如与参考图2a和图2b所描述的相似。
由变压器的次级供电的受控晶体管的至少一个下游电桥PR3，使得在根据电流和/或电压被控制时，可以生成第一电压以便向待充电电池供电，下游电桥包括至少两个支路。在所描述的示例中，有两个相同的下游电桥PR3，每个下游电桥PR3包括两个支路(Leg1和Leg2；Leg 3和Leg4)并且待充电电池是48V电池。
此外，充电器包括通过电感器L5链接到下游电桥PR3的第一支路Leg1的中点的至少一个隔离开关TR(或反相)，使得当其断开时，可以使用下游电桥PR3传递第一电压，并且当其闭合时，可以使用下游电桥的至少一个支路，尤其是使用第一支路Leg1，以通过控制由所述电池供电的下游电桥的晶体管中的全部或一些来生成不同于第一电压的第二电压。在所描述的示例中，有四个隔离开关TR和链接到两个下游电桥PR3中四个支路Leg1、Leg2、Leg3和Leg4的中点的四个电感L5。
充电器还包括电容C5，电容C5布置在下游电桥的低电位输出端和隔离开关TR之间。在这里所描述的示例中，电容C5是非极性的。
充电器还包括四个并联的安全开关TS。这四个安全开关TS布置在隔离晶体管TR没有链接到电感器L5的输出端和第二电压的输出端之间。
充电器还包括用于晶体管和开关的控制电路410。
当充电器通过为车辆的电池提供第一充电电压来实现其车载电池充电器OBC的功能时，隔离开关TR断开。因此，下游电桥PR3的臂被用来产生LLC DCDC转换器。下游电桥PR3的晶体管如前面结合图2a至图2b所述被控制。当充电器实现电压转换器功能时，为了提供第二电压，隔离开关TR闭合。在这种配置中，下游电桥PR3的臂中的每一个臂与电感器L5一起形成单元C，称为DC/DC转换器的“降压”型递降转换器。
在这种情况下，如果在DC/DC转换器的输入端或输出端处的网络中的一个上出现欠压或过压(干扰)，以及在DC/DC的硬件发生故障(例如开关破损)的情况下，隔离开关TR和安全开关TS也断开。
在所描述的示例中，隔离开关和安全开关是晶体管，例如MOSFET。这些隔离开关和安全开关也由控制电路410控制。换句话说，晶体管用作电子开关，其可以是断开的(晶体管截止)或闭合的(晶体管导通)。
因此，以有利的方式，存在用于选择性地控制LLC DC/DC转换器和DC/DC电压转换器的单个控制器。
在该实施例中，当隔离开关闭合时，属于由同一个变压器的次级供电的受控晶体管的同一个下游电桥PR3的单元C中的每一个以如下方式进行控制(通过控制电路410控制)：所述单元C中的每一个按相同工作周期(“占空比”)操作并且没有相移。这样，臂Leg1和Leg2以相同的工作周期操作并且没有相移。换句话说，占空比是相同的，并且晶体管的控制命令从一个臂到另一臂没有相移。控制电路410同样地控制臂Leg3和Leg4。此外，控制电路410控制一个或多个上游电桥的每个支路的断开。因此，变压器TR的次级中的电流基本为零，并且点T1和T2处于相同的电位。T3点和T4点也是如此。此外，包含臂Leg1和Leg2的单元的开关的控制命令相对于包含臂Leg3和Leg4的单元相移了T/2。
图4示出了本发明的变型实施例，其中主电压转换器400还包括开关K1和开关K2，每个开关分别布置在变压器TF的次级和两个下游电桥PR3中的每一个下游电桥PR3的支路中的一个支路的中点T1、T3之间。
当开关K1和K2闭合时，隔离开关TR断开，并且充电器通过为车辆的电池提供第一充电电压来实现其充电器功能。
当开关K1和K2断开时，隔离开关TR闭合，并且充电器实现其电压转换器功能，以便提供第二电压。每个下游电桥如结合图1所述被控制，具有相同的占空比，并且在用于断开和闭合各个支路的晶体管的控制命令之间具有T/4的相移(在该示例中)。
应当注意，在该变型实施例中，电容C5可以是图3所示的变型实施例中的电容的一半大小，因为转换器输出端的电流呈现更小幅度的振荡。
当然，充电器可以仅包括单个下游电桥和单个开关K1，其中两个隔离开关以及两个安全开关分别链接到点T1和T2。在这种情况下，下游电桥的两个支路之间有T/2的相移。
在所描述的示例中，隔离开关和安全开关是晶体管，例如MOSFET晶体管。全部晶体管和开关都由控制器410控制。
当然，本发明不限于刚刚描述的示例。特别地，电桥的支路的数量可以不同。此外，充电器的臂的数量和变压器的数量可以不同。例如，它可以是1、2、3或4。最后，本发明也适用于使用双电桥DC/DC转换器的充电器。

Claims (10)

1.一种车载电池充电器(400)，包括：
主电压转换器，包括：
至少一个变压器(TF)，其包括至少一个初级和至少一个次级，
受控晶体管的至少一个上游电桥(PR2)，其向变压器(TF)的初级供电，
受控晶体管的至少一个下游电桥(PR3)，其由变压器的次级供电，使得当根据电流和/或电压被控制时，可以生成第一电压以便向待充电电池供电，下游电桥包括至少两个支路(Leg1，Leg2)，
至少一个隔离开关(TR)，其直接或通过电感器(L5)链接到下游电桥的第一支路(Leg1)的中点(T1)，使得当其断开时，可以使用下游电桥传递第一电压，并且当其闭合时，可以使用下游电桥的至少所述第一支路，以通过控制由所述电池供电的下游电桥的晶体管中的全部或一些来生成不同于第一电压的第二电压，以及
晶体管(410)的控制电路。
2.如前述权利要求所述的充电器，其中，第二电压是DC电压。
3.如前述权利要求中的一项所述的充电器，还包括布置在下游电桥(PR3)的低电位输出端和所述至少一个隔离开关(TR)之间的电容(C5)。
4.如权利要求3所述的充电器，其中，所述电容(C5)是非极性的。
5.如权利要求1所述的充电器，还包括在所述至少一个隔离开关(TR)和第二电压的输出端之间的至少一个安全开关(TS)。
6.如权利要求1所述的充电器，其中，隔离开关(TR)通过电感器(L5)链接到下游电桥的第一支路(Leg1)的中点(T1)。
7.如权利要求1所述的充电器，其中，主电压转换器还包括布置在变压器(TF)的次级和下游电桥的支路中的一个支路的中点(T1，T3)之间的至少一个开关(K1)。
8.如权利要求6所述的充电器，控制电路被配置成控制上游电桥(PR2)的每个支路的晶体管的断开，并且同相地控制所述至少一个下游电桥(PR3)的至少两个支路(Leg1，Leg2)的晶体管，以便保持变压器(TF)的次级中的电流基本为零。
9.一种使用如前述权利要求中任一项所述的充电器对电池充电的方法，其中，直接或通过电感器(L5)链接到充电器的下游电桥的第一支路(Leg1)的中点(T1)的隔离开关(TR)选择性地闭合，以便使用下游电桥的至少所述第一支路，以通过控制由所述电池供电的下游电桥的晶体管中的全部或一些来生成不同于第一电压的第二电压。
10.一种配备有如权利要求1至8中任一项所述的充电器的机动车辆。
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