CN111628651A - 双向电压变换模块、车辆备用供电模块和车辆供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双向电压变换模块、车辆备用供电模块和车辆供电系统。双向电压变换模块包括：第一流向控制开关；第二流向控制开关以及电感元件。其中第一流向控制开关的输出端耦合到第二流向控制开关的输入端和电感元件的一端。车辆备用供电模块包括：多个流向控制开关；根据本发明的双向电压变换模块，其配置成经由多个流向控制开关中的一个或多个来与至少一个负载模块以及第一电压源和第二电压源耦合；以及控制单元，其配置成响应于控制信号而使多个流向控制开关处于双向导通状态或单向导通状态。车辆供电系统包括：第一电压源；第二电压源；单向电压变换模块，其被耦合到第一电压源和第二电压源；以及根据本发明的车辆备用供电模块。

Description

双向电压变换模块、车辆备用供电模块和车辆供电系统

技术领域

本发明涉及车载设备领域，具体涉及一种车辆备用供电模块以及车辆供电系统。

背景技术

目前随着车辆电动化和智能化的趋势越来越明显，对整车电源系统的供电能力及供电安全性都有了更高的要求。在这样的市场环境下48V供电系统已逐渐成为今后车新的主流。48V系统相较传统的12V车载能源系统能够为一些更大功率的用电器供电，其变换效率也较高。其中对承担系统稳压及电压变换功能的DC-DC（直流-直流）模块的安全等级要求也越来越高，尤其伴随如今自动驾驶等级的提升，车载48V系统中的DC-DC的单点失效模式也将成为一个设计考量点。

现有的48V车载电源供电系统100如图1所示，其中第一电压（例如，48V）供电网络及第二电压（例如，12V）供电网络都存在单点失效可能。即使使用如图所示的单向电压变换模块110（其输入端耦合到第一电压源，以及其输出端耦合到第二电压源），如果第二电压供电网络与单向电压变换模块110同时失效或者第一电压供电网络失效，则会影响ECU（电子控制单元）的正常工作，从而在自动驾驶等级较高的整车应用环境中将对车辆运行的安全造成损害。

发明内容

因此，在涉及自动驾驶的车辆系统中，需要一种双向备用电源模块，在一种车载供电网络的电源发生故障时能够将未发生故障的供电网络的电源进行电压变换以继续供电，从而降低车辆在使用电池供电时发生单点失效的风险。

按照本发明的第一方面，提供一种双向电压变换模块，其包括：第一流向控制开关、第二流向控制开关以及电感元件。其中第一流向控制开关的输出端耦合到第二流向控制开关的输入端和电感元件的一端。

根据本发明一实施例的双向电压变换模块，其中，第一流向控制开关和第二流向控制开关响应于控制信号而处于双向导通状态或单向导通状态。所述单向导通状态为从流向控制开关的输入端至输出端的导通状态。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的双向电压变换模块，其中：当第一流向控制开关处于单向导通状态且第二流向控制开关处于双向导通状态时，双向电压变换模块以第一电压变换模式工作；以及当第一流向控制开关处于双向导通状态且第二流向控制开关处于单向导通状态时，双向电压变换模块以第二电压变换模式工作。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的双向电压变换模块，其中：在第一电压变换模式中，将第二流向控制开关的输出端与第一流向控制开关的输入端之间的来自第一电压源第一电压输入变换为电感元件的另一端与第一流向控制开关的输入端之间的第二电压输出；在第二电压变换模式中，将电感元件的另一端与第一流向控制开关的输入端之间的来自第二电压源的第二电压输入变换为第二流向控制开关的输出端与第一流向控制开关的输入端之间的第一电压输出；以及其中第一电压高于第二电压。

按照本发明的第二方面，提供一种车辆备用供电模块，其包括：多个流向控制开关；根据本发明的第一方面所述的双向电压变换模块，其配置成经由多个流向控制开关中的一个或多个来与至少一个负载模块以及第一电压源和第二电压源耦合；以及控制单元，其配置成响应于控制信号而使多个流向控制开关处于双向导通状态或单向导通状态。

根据本发明一实施例的车辆备用供电模块，其中，控制单元还配置成：在第一电压变换模式中将第一电压源与双向电压变换模块耦合，以及将第二电压源与双向电压变换模块去耦合；以及在第二电压变换模式中将第一电压源与双向电压变换模块去耦合，以及将第二电压源与双向电压变换模块耦合。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的车辆备用供电模块，其中，控制单元包括：收发单元，其用于从车辆总线接收控制信号；以及主控单元，其用于控制多个流向控制开关的导通状态以及双向电压变换模块的电压变换模式。

根据本发明一实施例或以上任一实施例的车辆备用供电模块，其中，控制单元还配置成与双向电压变换模块通信。

按照本发明的第三方面，提供一种车辆供电系统，其包括：第一电压源；第二电压源；单向电压变换模块，其被耦合到第一电压源和第二电压源；以及根据本发明的第二方面所述的车辆备用供电模块。

根据本发明一实施例的车辆供电系统，其中，单向电压变换模块配置成：在第二电压源失效时，将第一电压源变换为第二电压源来进行输出。

附图说明

本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示。附图包括：

图1为现有技术的车辆供电系统的示意图；

图2为按照本发明一实施例的车辆供电系统的示意图；

图3为按照本发明一实施例的车辆供电系统中的车辆备用供电模块的示意图；

图4为按照本发明一实施例的车辆备用供电模块中的双向电压变换模块的拓扑结构图；

图5为按照本发明一实施例的车辆备用供电模块中的双向电压变换模块工作于第一电压变换模式时的等效电路图；以及

图6为按照本发明一实施例的车辆备用供电模块中的双向电压变换模块工作于第二电压变换模式时的等效电路图。

具体实施方式

下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的各实施例旨在使本文的披露全面完整，以将本发明的保护范围更为全面地传达给本领域技术人员。

在本说明书中，诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。

诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。

为解决如图1中所示出的现有技术的车辆供电系统可能发生单点失效的问题，本发明提出了一种车辆供电系统200，其示意性框图如图2所示。

车辆供电系统200包括类似于图1的第一电压源、第二电压源以及单向电压变换模块210，与图中类似地向第一负载模块221和第二负载模块222供电，并且还包括增加的车辆备用供电模块230和第三负载模块223。其中第三负载模块223又可以称为安全功能负载模块，其主要是为了维持车辆安全行驶而必不可少的关键负载设备的集合。其中第二负载模块222需要第一电压进行供电，而第一负载模块221和第三负载模块223以第二电压进行供电。需要指出的是，在本文中，由第一电压源提供的第一电压通常高于由第二电压源提供的第二电压。车辆备用供电模块230包括双向电压变换模块240，所述车辆备用供电模块230在图3中更加详细地示出。

如图3中所示出的那样，车辆备用供电模块包括多个流向控制开关Q1至Q5、双向电压变换模块240以及控制单元250。其中，每个流向控制开关（参考Q1）由一个场效应晶体管和一个双极晶体管并联而成，当双极晶体管正向导通时，双极晶体管的输入端即为该流向控制开关的输入端（即，Q1的右侧端子），双极晶体管的输出端即为该流向控制开关的输出端（即，Q1的左侧端子）。优选地，场效应晶体管为N沟道场效应晶体管。

控制单元250控制各个流向控制开关中的场效应晶体管工作于导通或截止状态，以使各个流向控制开关分别工作为导通的场效应晶体管或者双极晶体管。因此，可以进一步控制车辆备用供电模块230的电压变换模式（第一电压变换模式和第二电压变换模式）。例如，就图3中的Q1和Q2而言，其输入端相连，从而导致在控制单元250控制Q1的场效应晶体管和Q2的场效应晶体管均截止时，Q1和Q2工作为输入端相连的双极晶体管，从而在必要时实现第二电压与后方负载模块的双向隔离。在一个实施例中，控制单元250经由驱动芯片来控制各个流向控制开关的状态。如图3中所示出的驱动芯片1可以是例如AUIR3241STR。

在图4中示出了双向电压变换模块240的具体拓扑结构图。如图4所示，双向电压变换模块240包括第一流向控制开关Q7、第二流向控制开关Q6以及电感元件L1。其中第一流向控制开关Q7的输出端耦合到第二流向控制开关Q6的输入端和电感元件L1的一端。第一流向控制开关Q7和第二流向控制开关Q6响应于来自控制单元250的控制信号而处于双向导通状态或单向导通状态，其中单向导通状态为从流向控制开关的输入端至输出端的导通状态。在一个实施例中，控制单元250经由驱动芯片（例如，LTC3871）来控制双向电压变换模块240的状态。在一个实施方式中，控制单元250将驱动芯片的管脚分配用于双向电压变换模块240的描述切换，并通过控制驱动芯片的该管脚来实现双向电压变换模块240在第一电压变换模式与第二电压变换模式之间的切换。

如图5所示为双向电压变换模块240工作于第一电压变换模式（又称为BUCK模式）时的等效电路图500。当第二电压源和单向电压变换模块210同时失效而需要由第一电压向第二电压转换时，双向电压变换模块240被配置为BUCK模式，为第二电压的负载模块供电。在所述第一电压变换模式中，Q6作为场效应晶体管使用而Q7作为双极晶体管使用。

如图6所示为双向电压变换模块240工作于第二电压变换模式（又称为BOOST模式）时的等效电路图600。当第一电压源失效而需要由第二电压向第一电压转换时，双向电压变换模块240被配置为BOOST模式，为第一电压的负载模块供电。在所述第二电压变换模式中，Q6作为双极晶体管使用而Q7作为场效应晶体管使用。

返回参考图3，在车辆备用供电模块230中，双向电压变换模块240配置成经由多个流向控制开关中的一个或多个来与至少一个负载模块以及第一电压源和第二电压源耦合。控制单元250配置成响应于控制信号而使多个流向控制开关处于双向导通状态或单向导通状态。对应于前述第一电压变换模式，控制单元250将第一电压源与所述双向电压变换模块耦合，以及将第二电压源与所述双向电压变换模块去耦合，以进行从第一电压至第二电压的电压变换。对应于前述第二电压变换模式，控制单元250将第一电压源与所述双向电压变换模块去耦合，以及将第二电压源与所述双向电压变换模块耦合，以进行从第二电压至第一电压的电压变换。

在一个实施例中，控制单元250具体地包括：收发单元254，其用于从车辆总线接收前述控制信号；以及主控单元252，其用于控制多个流向控制开关的导通状态以及双向电压变换模块的电压变换模式。主控单元252通过收发单元254接收来自车辆总线的控制指令，并经由总线上报车辆备用供电模块230的状态及诊断信息。优选地，控制单元还配置成与双向电压变换模块通信，其中主控单元252还控制双向电压变换模块的电路的使能、诊断以及BUCK/BOOST模式的切换。

在另一个实施例中，控制单元250还包括控制单元供电单元256，从而为控制单元提供合适稳定的供电电压。

在一个实施例中，控制单元250控制车辆备用供电模块230中的双向隔离开关（如图3中的Q1、Q2所示出的那样）。当第一电压源输出失效时，图3中的Q1、Q2均双向导通（即，工作为导通的场效应晶体管）；当第二电压源输出且单向电压变换模块失效时，图3中的Q1、Q2均单向导通（即，工作为两个输入端相连接的双极晶体管），从而实现第二电压源输出与后端负载模块的双向隔离。

在另一个实施例中，控制单元250控制车辆备用供电模块230中的流向控制开关，如图3中的Q3、Q4、Q5所示出的那样。当第一电压源输出失效时，图3中的Q3单向导通（即，工作为双极晶体管），Q4和Q5双向导通（即，工作为导通的场效应晶体管）。当第二电压源输出且单向电压变换模块失效时，图3中的Q3和Q4双向导通（即，工作为导通的场效应晶体管），Q5单向导通（即，工作为双极晶体管）。

优选地，流向控制开关（如图3中的Q1-Q5）中的场效应晶体管为N沟道场效应晶体管，其驱动芯片为AUIR3241STR（例如，图3中驱动芯片1、驱动芯片2、驱动芯片3和驱动芯片4）。

在一种情况下，当第二电压源和单向电压变换模块210同时失效而需要由第一电压向第二电压转换时，主控单元250通过控制各个流向控制开关的导通状态而使得整个车辆备用供电模块230工作于第一电压变换模式，同时也将双向电压变换模块240设置为BUCK模式。在此情况下，图3中的流向控制开关Q1、Q2协同地进行双向隔离，流向控制开关Q3和Q4双向导通、Q5单向导通。具体地，双向电压变换模块240将经由Q3输入的第一电压输入变换成第二电压输出，然后经由Q4输出到第二电压负载模块。第一电压负载模块保持经由开关K1由第一电压源供电。失效的第二电压源节点和/或单向电压变换模块210的后级第二电压负载模块（例如，图2中的第一负载模块221和/或第三负载模块223）由双向电压变换模块240的输出供电。

在另一种情况下，当第一电压源失效而需要由第二电压向第一电压转换时，主控单元250通过控制各个流向控制开关的导通状态而使得整个车辆备用供电模块230工作于第二电压变换模式，同时也将双向电压变换模块240设置为BOOST模式。在此情况下，（采取继电器形式的）开关K1因过流断开，图3中的流向控制开关Q1、Q2双向导通，Q3单向导通、Q4和Q5双向导通。具体地，双向电压变换模块240将经由Q1、Q2和Q4输入的第二电压输入变换成第一电压输出，然后经由Q5输出到第一电压负载模块。失效的第一电压源节点的后级第一电压负载模块（例如，图2中的第二负载模块222）由双向电压变换模块240的输出供电。

提供本文中提出的实施例和示例，以便最好地说明按照本技术及其特定应用的实施例，并且由此使本领域的技术人员能够实施和使用本发明。但是，本领域的技术人员将会知道，仅为了便于说明和举例而提供以上描述和示例。所提出的描述不是意在涵盖本发明的各个方面或者将本发明局限于所公开的精确形式。

Claims (10)

1.一种双向电压变换模块，其特征在于，包括：

第一流向控制开关；

第二流向控制开关；以及

电感元件；

其中所述第一流向控制开关的输出端耦合到所述第二流向控制开关的输入端和所述电感元件的一端。

2.根据权利要求1所述的双向电压变换模块，其中，所述第一流向控制开关和所述第二流向控制开关响应于控制信号而处于双向导通状态或单向导通状态，所述单向导通状态为从流向控制开关的所述输入端至所述输出端的导通状态。

3.根据权利要求2所述的双向电压变换模块，其中：

当所述第一流向控制开关处于所述单向导通状态且所述第二流向控制开关处于所述双向导通状态时，所述双向电压变换模块以第一电压变换模式工作；以及

当所述第一流向控制开关处于所述双向导通状态且所述第二流向控制开关处于所述单向导通状态时，所述双向电压变换模块以第二电压变换模式工作。

4.根据权利要求3所述的双向电压变换模块，其中：

在所述第一电压变换模式中，将所述第二流向控制开关的输出端与所述第一流向控制开关的输入端之间的来自第一电压源第一电压输入变换为所述电感元件的另一端与所述第一流向控制开关的输入端之间的第二电压输出；

在所述第二电压变换模式中，将所述电感元件的另一端与所述第一流向控制开关的输入端之间的来自第二电压源的第二电压输入变换为所述第二流向控制开关的输出端与所述第一流向控制开关的输入端之间的第一电压输出；以及

其中所述第一电压高于所述第二电压。

5.一种车辆备用供电模块，其特征在于，包括：

多个流向控制开关；

如权利要求1-4中任一项所述的双向电压变换模块，其配置成经由所述多个流向控制开关中的一个或多个来与至少一个负载模块以及第一电压源和第二电压源耦合；以及

控制单元，其配置成响应于控制信号而使所述多个流向控制开关处于所述双向导通状态或所述单向导通状态。

6.根据权利要求5所述的车辆备用供电模块，其中，所述控制单元还配置成：

在所述第一电压变换模式中将所述第一电压源与所述双向电压变换模块耦合，以及将所述第二电压源与所述双向电压变换模块去耦合；以及

在所述第二电压变换模式中将所述第一电压源与所述双向电压变换模块去耦合，以及将所述第二电压源与所述双向电压变换模块耦合。

7.根据权利要求5-6中的任一项所述的车辆备用供电模块，其中，所述控制单元包括：

收发单元，其用于从车辆总线接收所述控制信号；以及

主控单元，其用于控制所述多个流向控制开关的导通状态以及所述双向电压变换模块的电压变换模式。

8.根据权利要求7所述的车辆备用供电模块，其中，所述控制单元还配置成与所述双向电压变换模块通信。

9.一种车辆供电系统，其特征在于，包括：

第一电压源；

第二电压源；

单向电压变换模块，其被耦合到所述第一电压源和所述第二电压源；以及

如权利要求5-8中任一项所述的车辆备用供电模块。

10.根据权利要求9所述的车辆供电系统，其中，所述单向电压变换模块配置成：

在所述第二电压源失效时，将所述第一电压源变换为第二电压源来进行输出。

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