CN111886788A - 多相转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于如在燃料电池车辆中使用的能量系统的多相转换器以及用于运行该多相转换器的方法。

Description

多相转换器
技术领域
本发明涉及用于如在燃料电池车辆中使用的能量系统的多相转换器以及用于运行该多相转换器的方法。
背景技术
在燃料电池车辆中，燃料电池系统通常经由直流电压转换器（DC/DC转换器）来与其余的HV系统（HV电池组、电驱动支路、其它HV组件）连接。该DC/DC转换器的主要功能是在燃料电池与HV电池组之间的电压适配。通常，该DC/DC转换器实施为升压转换器。为了将电流和电压纹波减小到最低限定并且为了实现其它技术特性，通常将该升压转换器实施为多相转换器。
为了能够将燃料电池与其余的HV系统可靠地分开，使用切断元件。切断元件的示例是机电接触器（MC）和半导体开关（DS）。这些切断元件必须针对燃料电池的最大持续运行电流来被设计。因为在运行时可能出现很高的燃料电池电流，所以快速达到相对应的构件极限或者甚至超过相对应的构件极限。
发明内容
本发明提出了如下任务：提供一种克服该缺点的直流电压转换器。
按照本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的设备和具有权利要求8、9或10的特征的方法来解决。本发明的设计方案根据从属权利要求和描述来得出。
已经公知将直流电压转换器设计为使得其构件可以针对更低的电流强度来被确定参数或在运行时不超过各个器件的载流能力的各种不同的方案。
DE 10 2011 018 355 A1公开了一种用于对电压、例如用来在太阳能逆变电路中使用的电压进行升压和/或降压的直流电压转换器。直流电压转换器具有至少一个第一连接端、至少一个第二连接端和至少一个第三连接端，其中一方面在第一与第二连接端之间的能量流而另一方面与第三连接端之间的能量流都是可能的。直流电压转换器包含：第一半桥，该第一半桥与第一连接端并联并且具有至少一个第一切换装置与至少一个第二切换装置的串联电路；和第二半桥，该第二半桥与第二连接端并联并且具有至少一个第三切换装置与至少一个第四切换装置的串联电路。在此，第一半桥的中点经由至少一个扼流圈与第二半桥的中点连接。所提出的设计使得扼流圈的参数过盈（Überdimensionierung）变得不是必要。
DE 10 2014 201 615 A1提出了多相直流电压转换器的设计，该设计能够实现在接近运行模式变换的运行时对转换器的经改善的调节。如果在多相直流电压转换器中的相电流达到预先确定的阈值，则扩展各个相电流的额定值，使得分别只有最小数目的直流电压转换器同时经历模式变换。以这种方式，可以在多相直流电压转换器之内在两种运行模式之间转变时维持电流调节的动态性并且改善电压恒定性。
从DE 10 2007 025 229 A1中得知一种多相直流电压转换器，该多相直流电压转换器具有多个彼此并行布置的、有延时地被时控的转换器单元并且在这些转换器单元的输入侧和/或输出侧配备电压传感器或电流传感器。该电压传感器或电流传感器经由模拟-数字转换器与分离器连接，该分离器被设置用于将模拟-数字转换器的输出信号分解成被分配给该转换器的各个相的电压或电流值。该分离器与调节装置连接，该调节装置在输出侧提供调节信号，这些调节信号影响这些转换器单元的时钟信号。利用所提出的设计，可以减少所需的电流传感器的数目。
为了保证在运行时不超过切断元件的载流能力，也可能会考虑两个或更多个切断元件的并联。在机电接触器的情况下，简单的并联几乎不能实现，因为到各个接触器上的电流分配不能被调整和控制，而是例如通过不同的转变状态或者不相等的引线长度来被确定。
因而，按照本发明，在实施为多相转换器的DC/DC转换器中将这些相中的一部分相、例如二分之一或者也包括三分之一分别与自己的机电接触器组合。由此，电流可以通过相应的切断元件被减小到最大载流能力的范围内，而不必担心将电流不均匀地分布到相应的切断元件上。均匀的电流分布可以通过各个相的或多或少独立的电流调节来保证。
本发明的主题是一种多相直流电压转换器，该多相直流电压转换器包括多个并联的电流调节器（相），这些电流调节器分别具有：与该多相直流电压转换器的正路径（或附在该转换器的输入端上的电压的正极）连接的输入端；和与该多相直流电压转换器的负路径（或附在该转换器的输入端上的电压的负极）连接的输入端。在按照本发明的多相直流电压转换器的情况下，在一个实施方式中，这些电流调节器的与正路径连接的输入端划分成至少两组；在另一实施方式中，这些电流调节器的与负路径连接的输入端划分成至少两组；而在第三实施方式中，不仅这些电流调节器的与正路径连接的输入端而且这些电流调节器的与负路径连接的输入端分别划分成至少两组。在一个组之内的输入端彼此连接，而且每个组都分配有切断元件。
在一个实施方式中，该多相直流电压转换器包括至少三个并联的电流调节器（相），例如三个、四个或五个相；在另一实施方式中，该多相直流电压转换器包括至少六个并联的电流调节器（相），例如六个、八个或十个相。
在该多相直流电压转换器的一个实施方式中，这些电流调节器实施为升压转换器。在另一实施方式中，这些电流调节器实施为降压转换器。在另一实施方式中，这些电流调节器实施为逆转换器。在另一实施方式中，这些电流调节器实施为同步转换器。在按照本发明的多相直流电压转换器中，也可以使用其它转换器拓扑，如SEPIC转换器、
Figure DEST_PATH_IMAGE002
转换器、Zeta转换器、双变换器或分裂π型（Split-Pi）转换器。
按照本发明的多相直流电压转换器的相划分成至少两组。每个组都包括这些相中的一部分相，例如二分之一或者也包括三分之一；而且每个组都分配有自己的在转换器的正路径和/或负路径中的切断元件。每个组的相的数目都取决于如下因素，如相的总数、每个相的最大电流和每个切断元件的最大电流。在一个实施方式中，对于每个相来说都分别存在切断元件。
通过如下方式来进行该划分：将这些电流调节器的与正路径连接的输入端和/或这些电流调节器的与负路径连接的输入端划分成至少两组。在一个组之内的输入端彼此连接，而且每个组都分配有切断元件。
在一个实施方式中，这些电流调节器的与正路径连接的输入端中的每个输入端和/或这些电流调节器的与负路径连接的输入端中的每个输入端都分别分配有切断元件。
使用对于本领域技术人员来说原则上公知的构件作为切断元件，例如机电接触器以及像功率晶体管或晶闸管那样的半导体开关。在一个实施方式中，这些切断元件包括至少一个机电接触器。在另一实施方式中，这些切断元件包括至少一个半导体开关。在一个特殊的实施方式中，该半导体开关包括至少一个MOSFET或者至少一个IGBT。
本发明的主题也是一种用于运行按照本发明的多相直流电压转换器的方法。在该方法的一个实施方式中，所有存在于该转换器中的切断元件共同被操控。在该方法的另一实施方式中，存在于该转换器中的切断元件分组地被操控。在该方法的另一实施方式中，存在于该转换器中的切断元件中的每个切断元件都单独地被操控。
属于按照本发明的直流电压转换器的优点的是：保证了对构件极限的遵循，这能够实现对标准元件的使用，由此也降低了直流电压转换器的总成本。
多个切断元件的受控制的并联是可行的，由此可以实现高的燃料电池电流或者可以通过使用多个小的切断元件来节省结构空间。该并联并不限于机电接触器。该方法也可以被普遍应用于其它切断元件或切换元件。
本发明的其它优点和设计方案从描述以及随附的附图中得到。
易于理解的是，上文所提到的并且在下文还要阐述的特征不仅能以分别被说明的组合来应用，而且能以其它组合或者单独地来应用，而不脱离本发明的保护范围。
附图说明
本发明依据实施方式在附图中示意性地示出并且参考附图示意性地并且详细地予以描述。其中：
图1示出了按照本发明的直流电压转换器的实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示意性示出了按照本发明的直流电压转换器10的实施方式。DC/DC转换器10的输入端与燃料电池堆20的极（BZ+、BZ-）连接。DC/DC转换器10的输出端（TN+、TN-）与机动车的牵引电路连接，除了HV电池组30之外，电机50也经由脉冲逆变器40连接到该牵引电路上。在所示出的版本中，还有其它HV组件60连接到该电路上，例如燃料电池的辅助机组、充电设备、12V DC/DC转换器、空调压缩机、HV加热器等等。
在图1中示出了实施为升压转换器的六相DC/DC转换器10。但是，相数也可以更多或更少。为了能够将燃料电池堆20与其余的HV系统可靠地分开，存在不同切断元件的组合。在所示出的框图中，在DC/DC转换器10的正路径中存在两个机电接触器11并且在负路径中存在一个半导体开关12，作为切断元件。在所示出的实施方式中，六个相中的各三个相互连成一个子组15，其方式是将所属的电流调节器的连接到转换器10的正路径上的输入端13彼此连接。这些子组13分别与机电接触器11连接。所属的电流调节器的连接到DC/DC转换器10的负路径上的输入端14全部都与半导体开关12连接。对切断元件11和12的操控不仅可以共同进行而且可以单独地或分组地进行。为此所使用的控制装置在附图中并未示出。
在升压转换器的情况下，机电接触器的并联只在正路径中有意义。在其它DC/DC转换器拓扑的情况下，在负路径中的并联也可能有意义。该并联并不限于机电接触器，而是也可以被应用于其它切断元件。
附图标记列表
10 直流电压转换器（DC/DC转换器）
11 电磁接触器
12 半导体开关
13 电流调节器输入端（正路径）
14 电流调节器输入端（负路径）
15 电流调节器输入端的子组（相组）
20 燃料电池堆（BZ）
30 HV电池组
40 脉冲逆变器（PWR）
50 电机（EM）
60 其它HV组件

Claims (10)

1.一种多相直流电压转换器（10），所述多相直流电压转换器包括多个并联的电流调节器，所述电流调节器分别具有：与所述多相直流电压转换器（10）的正路径连接的输入端（13）；和与所述多相直流电压转换器（10）的负路径连接的输入端（14），其特征在于，所述电流调节器的与所述正路径连接的输入端（13）划分成至少两组（15）和/或所述电流调节器的与所述负路径连接的输入端（14）划分成至少两组（15），其中在一个组（15）之内的输入端（13、14）彼此连接，而且每个组（15）都分配有切断元件（11、12）。
2.根据权利要求1所述的多相直流电压转换器（10），所述多相直流电压转换器包括至少三个、尤其是至少六个并联的电流调节器。
3.根据权利要求1或2所述的多相直流电压转换器（10），其中所述电流调节器实施为升压转换器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的多相直流电压转换器（10），其中所述切断元件（11、12）包括至少一个机电接触器（11）。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多相直流电压转换器（10），其中所述切断元件（11、12）包括至少一个半导体开关（12）。
6.根据权利要求5所述的多相直流电压转换器（10），其中所述半导体开关（12）包括至少一个MOSFET或至少一个IGBT。
7.根据上述权利要求中任一项所述的多相直流电压转换器（10），其中所述电流调节器的与所述正路径连接的输入端（13）中的每个输入端都分别分配有切断元件（11、12）和/或所述电流调节器的与所述负路径连接的输入端（14）中的每个输入端都分别分配有切断元件（11、12）。
8.一种用于运行根据权利要求1至7中任一项所述的多相直流电压转换器（10）的方法，
其中所述切断元件（11、12）共同被操控。
9.一种用于运行根据权利要求1至7中任一项所述的多相直流电压转换器（10）的方法，
其中所述切断元件（11、12）分组地被操控。
10.一种用于运行根据权利要求1至7中任一项所述的多相直流电压转换器（10）的方法，
其中每个切断元件（11、12）都单独地被操控。
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