CN113572378B - 用于车辆的能量转换装置、系统、车辆和控制方法 - Google Patents

用于车辆的能量转换装置、系统、车辆和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆的能量转换装置，所述能量转换装置包括：变压器，包括用于交流侧的初级线圈、用于高压侧的第一次级线圈和用于低压侧的第二次级线圈；交流侧包括交流连接端、整流单元和PWM处理单元；高压侧包括高压连接端和第一转换单元，所述低压侧包括低压连接端和第二转换单元；控制单元，用于控制整流单元、PWM处理单元、第一转换单元和第二转换单元，其中，整流单元、PWM处理单元、第一转换单元和第二转换单元均由MOSFET管构成，并且所述控制单元使得能量能够在高压侧、低压侧与交流侧之间自由流动。本发明还包括一种能量转换系统、一种车辆以及一种用于利用所述能量转换系统来控制用于车辆中的能量转换的方法。

Description

用于车辆的能量转换装置、系统、车辆和控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的能量转换装置、一种用于车辆能量转换系统、一种车辆和一种用于利用能量转换装置来控制用于车辆中的能量转换的方法。
背景技术
电动车辆或者说电气驱动车辆、例如电池驱动的车辆(BEV)或者具有内燃机和电气驱动装置的插电式混合动力电动车(PHEV)包括电池，该电池可以通过充电单元连接到供电电源来充电。现今，电动车辆部分安装有充电单元，以将来自交流电网的交流电转化为直流电为车辆的电池、特别是高压电池充电。然而，通过现有的充电单元仅能实现非常有限的充电功能。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于车辆的能量转换装置、一种用于车辆能量转换系统、一种车辆和一种能量转换的方法，使得能够在车辆中扩展现有充电单元的单一功能、实现更为多样化的能量转换的可能性。
本发明的第一方面涉及一种用于车辆的能量转换装置，所述能量转换装置包括：
变压器，包括用于交流侧的初级线圈、用于高压侧的第一次级线圈和用于低压侧的第二次级线圈；
所述交流侧包括：
交流连接端，
连接到交流连接端的整流单元，
连接在整流单元与变压器的初级线圈之间的PWM处理单元；
所述高压侧包括：
高压连接端，
连接在变压器的第一次级线圈与高压连接端之间的第一转换单元；
所述低压侧包括：
低压连接端，
连接在变压器的第二次级线圈与低压连接端之间的第二转换单元；
控制单元，用于控制所述整流单元、所述PWM处理单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元；
其中，所述整流单元、所述PWM处理单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元均由MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)管构成，并且
所述控制单元控制所述整流单元、所述PWM处理单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元中的各个MOSFET管的通断，使得能量能够在高压侧、低压侧与交流侧之间自由流动。
在本发明中，所述车辆可以涉及配设有高压电池和低压电池的电动汽车(EV)、如纯电动车辆(BEV)以及混合动力电动汽车(HEV)、如插入式混合动力车辆(PHEV)等。
按照本发明，各个能量转换单元、即整流单元、PWM处理单元、第一转换单元和第二转换单元均由MOSFET管构成，也就是说在能量转换装置中所有的半导体功率器件都是由MOSFET管实现。由此，所有涉及的半导体功率器件都能够具有正向和反向的双向导通性能，这是由于MOSFET管都是通过沟道导通而不是PN结导通，电流在其中可以双向流动。然而，在现有技术中的充电单元中多使用二极管、三极管以及IGBT等作为半导体功率器件，而二极管、三极管和IGBT中存在的PN结无法实现在正常应用下的反向导通。基于该原因，通过能量转换装置的控制单元来操作上述MOSFET管能够使得能量在高压侧、低压侧与交流侧之间自由流动成为可能。由此，能量流在高压侧、低压侧与交流侧中的两者或三者之间自由切换，从而实现多样化的供电、用电以及充电的方式。而且，通过仅一个能量转换装置就能集成有现有技术的充电装置的所有功能连同多种全新的能量转换功能，实现了装置的集成化和多功能性，降低制造成本。
所述控制单元设置根据能量转换的需要来产生用于各个MOSFET管的通断信号。为此，输送控制单元可以具有微处理器或者微控制器，其中，可以在数据存储器中提供程序代码，所述程序代码设置为用于在通过所述微处理器或微控制器执行时实现上述能量转换。
按照本发明的一种实施形式，在高压侧、低压侧与交流侧之间的能量自由流动包括以下三种模式
模式1：从交流连接端向高压连接端和/或低压连接端流动；
模式2：从高压连接端向交流连接端和/或低压连接端流动；
模式3：从低压连接端向高压连接端和/或交流连接端流动。
需要说明的是，上述三种模式共涉及六种能量流动方向以及九种能量转换组合。所述六种能量流动方向包括：从交流连接端向高压连接端流动、从交流连接端向低压连接端流动、从高压连接端向交流连接端流动、从高压连接端向低压连接端流动、从低压连接端向高压连接端流动以及从低压连接端向交流连接端流动。所述九种能量转换组合包括：将能量由交流连接端仅输送给高压连接端、将能量由交流连接端仅输送给低压连接端、将能量由交流连接端同时输送给高压连接端和低压连接端、将能量由高压连接端仅输送给交流连接端、将能量由高压连接端仅输送给低压连接端、将能量由高压连接端同时输送给交流连接端和低压连接端、将能量由低压连接端仅输送给高压连接端、将能量由低压连接端仅输送给交流连接端、将能量由低压连接端同时输送给高压连接端和交流连接端。通过本发明，相对于现有充电单元极大地拓展了能量转换方面的功能性。
按照本发明的一种实施形式，所述整流单元、所述PWM处理单元、所述第一转换单元通过由四个MOSFET管组成的全桥电路构成，和/或所述第二转换单元通过由两个分别连接到第二次级线圈的端抽头上的MOSFET管组成的半桥电路构成。由此，在本发明中各个能量转换单元由双向全桥和双向半桥构成，实现高效的能量转换。
按照本发明的一种实施形式，在交流连接端与整流单元之间附加地连接有电磁兼容滤波器。由此能够抑制来自交流电网的杂波和尖刺，保护能量转换装置的功率半导体器件。
本发明的第二方面涉及一种用于车辆的能量转换系统，上述用于车辆的能量转换系统包括：
按照本发明的能量转换装置；
连接在交流连接端上的交流电网；
连接在高压连接端上的高压电池，所述高压电池经由直流支撑电容器和逆变器向车辆的电气驱动装置供电；
连接在低压连接端上的低压电池。
在此，通过本发明的能量转换装置能够实现：交流电网作为供电源为高压电池和低压电池充电，高压电池作为供电源向电气驱动装置、和交流电网供电以及为低压电池充电、低压电池作为供电源向交流电网、电气驱动装置供电以及为高压电池充电。由此，在车辆中丰富了能量流动方式或者说供电方式，使得高压电池和低压电池互为冗余备份，实现能量在多种场合下的自由转换。
除了以上提到的常规能量流动方式外，本发明还能应用到一些特殊场合下。
按照本发明的一种实施形式，所述能量转换装置将高压电池和/或低压电池中存储的能量提供给连接在交流连接端上的交流负载。
特别是，所述交流负载包括交流电器、其他车辆的交流侧和交流电网。由此，在车辆上也可以使用在交流电网电压下工作的用电器、如家用电器等。这也可以称为V2L(Vehicle to Load)也就是车辆对外放电功能。由此，也能够在车内方便而舒适地使用一般家用电器，并且在没有交流电网在附近的时候提供了供电可能性。通过本发明的能量转换系统还为其他车辆充电、即V2V(Vehicle to Vehicle)，由此能够在不需要专业设备和专业人员投入的情况下实施车辆救援等。此外，还可以实现车辆到交流电网的能量流动、即V2G(Vehicle-to-grid)。在此，交流电网作为负载接收来自车辆的能量。例如当电动汽车不使用时，车辆中存储的能量可以销售给交流电网。
按照本发明的一种实施形式，所述能量转换装置通过将低压侧与高压侧接通，使得低压电池能为直流支撑电容器充电。通常，直流支撑电容器前置于用于电气驱动装置的逆变器设置，以防止由于动态驾驶等因素造成在逆变器的直流母线上出现尖刺、杂波或干扰等。在此，直流支撑电容器能够吸收和抑制这些尖刺、杂波或干扰防止其输入到逆变器中。由于直流支撑电容器的电容相对大，需要在逆变器工作前提前对直流支撑电容器充电。然而通过高压电池直接为该直流支撑电容器充电会造成瞬时电流过大从而造成损坏。通常的做法是在直流母线上与主开关并联一个包括继电器和电阻的预充电支路，通过预充电从而降低主开关开通时产生的瞬间大电流。而按照本发明，通过能量转换系统能够用低压电池为该直流支撑电容器充电，避免出现接通时的过大电流。由此可以省去上述包括继电器和电阻的预充电支路，节省制造成本。
特别是，通过所述控制单元控制所述第一转换单元和所述第二转换单元，还能够使得为直流支撑电容器充电的充电电压缓慢上升，进一步保护该电容器。
按照本发明的一种实施形式，所述能量转换装置通过将低压侧与高压侧接通，使得直流支撑电容器向低压电池放电。由于该直流支撑电容器在工作中充有高电压，在车辆停放时基于安全原因又需要将该直流支撑电容器中的电荷释放。常规地，为直流支撑电容器并联一个带有开关和电阻的放电支路，以用于通过电阻进行耗散。然而，这样的耗散仅是将电能转化为热量散失在空气中而并没有使其中的电能得到良好利用。通过本发明，逆向于上述对直流支撑电容器的充电，又可以使直流支撑电容器向低压电池放电，从而再次有效利用该能量。由此也可以省去上述包括开关和电阻的预充电支路，节省制造成本。
按照本发明的一种实施形式，所述能量转换装置通过将低压侧与高压侧接通，使得低压电池为电气驱动装置和/或连接在高压连接端的加热装置应急供电。在此的应用场景是较为极端的应急场景。此时，高压电池电能耗尽或无法供电，而车辆很可能处于妨碍交通或甚至危险的场所、如高速公路的行车道上。此时，可以通过本发明来利用低压电池进行应急供电，使得车辆能够进行短暂移动。此外，在极为寒冷的情况下还可以用于车内人员的应急供暖。
本发明的第三方面涉及一种车辆，所述车辆包括按照本发明的能量转换系统。
本发明的第四方面涉及一种用于利用本发明的能量转换系统来控制用于车辆中的能量转换的方法，所述方法包括：通过所述能量转换装置实现以下至少之一：
将交流电网提供的能量用于为高压电池和/或低压电池充电；
将高压电池和/或低压电池中存储的能量提供给交流负载；以及
使高压电池与低压电池相互充电。
按照本发明的一种实施形式，所述方法包括：利用高压电池和/或低压电池为交流电器、其他车辆的交流侧和交流电网供电，和/或利用低压电池为电气驱动装置和/或连接在高压连接端的加热装置应急供电。
按照本发明的一种实施形式，所述方法包括：利用低压电池对直流支撑电容器充放电。
在本发明中，对于一个方面描述的功能、效果或优势以相应的方式适用于本发明的其他方面，并且反之亦然。
本发明的其它特征从具体实施方式和附图中得出。所有上述在说明书中提到的特征和特征组合以及以下在具体实施方式中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能以相应给出的组合使用，而且能以其它组合使用，或者能在单独状态下使用。
附图说明
图1示出按照本发明的一种实施方式的用于车辆的能量转换装置；以及
图2示出按照本发明的一种实施方式的用于车辆的能量转换系统。
具体实施方式
图1示出按照本发明的一种实施方式的用于车辆的能量转换装置1。用于车辆的能量转换装置1包括：
变压器2，包括用于交流侧的初级线圈a、用于高压侧的第一次级线圈b和用于低压侧的第二次级线圈c；
所述交流侧包括：交流连接端AC、连接到交流连接端AC的整流单元3以及连接在整流单元3与变压器2的初级线圈a之间的PWM处理单元4；
所述高压侧包括：高压连接端HV、连接在变压器2的第一次级线圈b与高压连接端HV之间的第一转换单元5；
所述低压侧包括：低压连接端LV、连接在变压器2的第二次级线圈c与低压连接端LV之间的第二转换单元6；
控制单元7，用于控制所述整流单元3、所述PWM处理单元4、所述第一转换单元5和所述第二转换单元6；
其特征在于，
所述整流单元3、所述PWM处理单元4、所述第一转换单元5和所述第二转换单元6均由MOSFET管构成，并且
所述控制单元3控制所述整流单元3、所述PWM处理单元4、所述第一转换单元5和所述第二转换单元6中的各个MOSFET管的通断，使得能量能够在高压侧、低压侧与交流侧之间自由流动。
在高压侧、低压侧与交流侧之间的能量自由流动包括：
从交流连接端AC向高压连接端HV和/或低压连接端LV流动；
从高压连接端HV向交流连接端AC和/或低压连接端LV流动；
从低压连接端LV向高压连接端HV和/或交流连接端AC流动。
在此，以从交流连接端AC向高压连接端HV和/或低压连接端LV流动为例说明各个能量转换单元的示例性作用。
交流连接端AC可以连接到例如220V的交流电网上。在图1中，能量转换装置1还包括在交流连接端AC与整流单元3之间连接的电磁兼容滤波器EMI。所述电磁兼容滤波器EMI可以抑制来自交流电网的杂波和尖刺，保护能量转换装置1的各个功率半导体器件。220V的交流电经由电磁兼容滤波器EMI输入到整流单元3中。所述整流单元3通过由四个MOSFET管组成的全桥电路构成并且用于对220V的交流电进行初级整流，从而得到约308V的脉动直流电流。该电压经连接在其下游的电容器平滑并输送给PWM处理单元4。在此PWM处理单元4又可称为功率因数校正(PFC)单元。所述PWM处理单元4同样通过由四个MOSFET管组成的全桥电路构成并且将约308V的脉动直流电流斩波为约300V的高频波形输入到变压器2的初级线圈a中。
通过变压器2中在初级线圈a、第一次级线圈b和第二次级线圈c之间的磁耦合，可以在第一次级线圈b中按照需要产生例如约400V的高频波形，并且在第二次级线圈c中按照需要产生例如约12V的高频波形。该400V的高频波形可以通过第一转换单元5转换为约400V的直流电流并且将其接着经由LC滤波电路供给到高压连接端HV上。高压连接端HV可以连接有高压电池，由此能够通过交流电网为该高压电池充电。特别是可以考虑在高压侧设有采样电路，所述采样电路能够将所检测的采样信号提供给控制装置7，以便对第一转换单元5进行闭环控制。
此外，在第二次级线圈c中产生的例如约12V的高频波形可以输入到第二转换单元6中，所述第二转换单元6由两个分别连接到第二次级线圈c的端抽头上的MOSFET管组成的半桥电路构成。第二转换单元6同样将约12V的高频波形转换为12V的直流电流并且将其接着经由LC滤波电路供给到低压连接端LV上。低压连接端LV可以连接有低压电池，由此能够通过交流电网为该低压电池充电。在此，能量从能量转换装置1的左侧向右侧流动。在此，能量从交流连接端向高压连接端和低压连接端的流动可以择一地进行或者同时进行。
同理，在本发明的另外的四个能量流动方向可以通过相似的或相反的过程实现。
图2示出按照本发明的一种实施方式的用于车辆的能量转换系统。用于车辆的能量转换系统，包括：
按照本发明的能量转换装置1；
连接在交流连接端AC上的交流电网；
连接在高压连接端HV上的高压电池HVB，所述高压电池HVB经由直流支撑电容器C和逆变器DC/AC向车辆的电气驱动装置(未示出)供电；
连接在低压连接端LV上的低压电池LVB。
在此，借助于图2说明本发明的几个特有的应用场景。
所述能量转换装置1将高压电池HVB和/或低压电池LVB中存储的能量提供给连接在交流连接端AC上的交流负载。在此，能量从能量转换装置1的右侧向左侧流动。所述交流负载包括交流电器、其他车辆的交流侧和交流电网。在此，能量转换装置1执行与上面描述的能量从交流连接端AC向高压连接端HV和/或低压连接端LV流动恰好相反的能量转换过程。通过将高压电池HVB和/或低压电池LVB中存储的能量提供给交流负载可以实现V2L、V2V、V2G等供电。
除此之外，所述能量转换装置1还可以将低压侧LV与高压侧HV接通，即能量仅在能量转换装置1的右侧内上下流动。
在一种情况下，通过将低压侧LV与高压侧HV接通可以使低压电池LVB为电气驱动装置和/或连接在高压连接端的加热装置应急供电，从而实现车辆的短暂移动和/或应急供暖。
在另一种情况下，可以实现低压电池LVB能为直流支撑电容器C充电。在现有技术中，直流支撑电容器C前置于用于电气驱动装置的逆变器DC/AC设置，以防止由于动态驾驶等因素造成在逆变器的直流母线上出现尖刺、杂波或干扰等。由于直流支撑电容器C的电容相对大，需要在逆变器DC/AC工作前提前对直流支撑电容器C充电。然而通过高压电池HVB直接为该直流支撑电容器C充电会造成瞬时电流过大从而造成损坏。现有技术中需要在直流母线上与主开关并联一个包括继电器和电阻的预充电支路8,通过预充电从而降低主开关开通时产生的瞬间大电流。在本发明中，由于能量转换系统能够用低压电池LVB为该直流支撑电容器C充电、特别是缓慢充电。在本发明的能量转换系统无需再设置上述包括继电器和电阻的预充电支路8。
在又一种情况下，所述能量转换装置1通过将低压侧LV与高压侧HV接通，使得直流支撑电容器C向低压电池LVB放电。由于该直流支撑电容器C在工作中充有高电压，在车辆停放时基于安全原因又需要将该直流支撑电容器C中的电荷释放。在现有技术中需要为直流支撑电容器并联一个带有开关和电阻的放电支路9，以用于通过电阻进行耗散。而在本发明中不需要设置这样的放电支路9。通过本发明的能量转换系统，逆向于上述对直流支撑电容器C的充电，又可以使直流支撑电容器C向低压电池LVB放电，从而再次利用该能量。
本发明不限于所示的实施例，而是包括或者延及可落入所附权利要求书的有效范围内的所有技术上的等效物。在本申请文件中所公开的特征不仅可以单独地而且可以以任意组合的方式实现。此外需要说明的是，本发明的各个附图均为示意性的并且可能未按比例地示出。在各个实施例中，能量转换装置、能量转换系统也不限于所示的示例。说明书中所列举的数值仅是示例性的参考情况，在本发明的具体应用中可以依据需要来设计其他数值、实现方式、布置结构和连接关系等。

Claims (10)

1.用于车辆的能量转换系统，所述能量转换系统包括：
能量转换装置，所述能量转换装置包括：
变压器，包括用于交流侧的初级线圈、用于高压侧的第一次级线圈和用于低压侧的第二次级线圈；
所述交流侧包括：
交流连接端，
连接到交流连接端的整流单元，
连接在整流单元与变压器的初级线圈之间的PWM处理单元；
所述高压侧包括：
高压连接端，
连接在变压器的第一次级线圈与高压连接端之间的第一转换单元；
所述低压侧包括：
低压连接端，
连接在变压器的第二次级线圈与低压连接端之间的第二转换单元；
控制单元，用于控制所述整流单元、所述PWM处理单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元；
其中，所述整流单元、所述PWM处理单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元均由MOSFET管构成，并且
所述控制单元控制所述整流单元、所述PWM处理单元、所述第一转换单元和所述第二转换单元中的各个MOSFET管的通断，使得能量能够在高压侧、低压侧与交流侧之间自由流动，
所述能量转换系统还包括：
能连接在交流连接端上的交流电网；
连接在高压连接端上的高压电池，所述高压电池经由直流支撑电容器和逆变器向车辆的电气驱动装置供电；
连接在低压连接端上的低压电池，
所述能量转换装置通过将低压侧与高压侧接通，使得低压电池能为直流支撑电容器充电，通过所述控制单元控制所述第一转换单元和所述第二转换单元，使得为直流支撑电容器充电的充电电压缓慢上升，并且所述能量转换装置通过将低压侧与高压侧接通，使得直流支撑电容器向低压电池放电。
2.按照权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于，在高压侧、低压侧与交流侧之间的能量自由流动包括：
从交流连接端向高压连接端和/或低压连接端流动；
从高压连接端向交流连接端和/或低压连接端流动；
从低压连接端向高压连接端和/或交流连接端流动。
3.按照权利要求1或2所述的能量转换系统，其特征在于，所述整流单元、所述PWM处理单元、所述第一转换单元通过由四个MOSFET管组成的全桥电路构成，和/或所述第二转换单元通过由两个分别连接到第二次级线圈的端抽头上的MOSFET管组成的半桥电路构成。
4.按照权利要求1或2所述的能量转换系统，其特征在于，在交流连接端与整流单元之间附加地连接有电磁兼容滤波器。
5.按照权利要求1或2所述的能量转换系统，其特征在于，所述能量转换装置将高压电池和/或低压电池中存储的能量提供给连接在交流连接端上的交流负载。
6.按照权利要求5所述的能量转换系统，其特征在于，所述交流负载包括交流电器、其他车辆的交流侧和交流电网。
7.按照权利要求1或2所述的能量转换系统，其特征在于，所述能量转换装置通过将低压侧与高压侧接通，使得低压电池为电气驱动装置和/或连接在高压连接端的加热装置应急供电。
8.车辆，包括按照权利要求1至7之一所述的能量转换系统。
9.用于利用按照权利要求1至7之一所述的能量转换系统来控制用于车辆中的能量转换的方法，所述方法包括：通过所述能量转换装置实现以下至少之一：
将交流电网提供的能量用于为高压电池和/或低压电池充电；
将高压电池和/或低压电池中存储的能量提供给交流负载；
使高压电池与低压电池相互充电；以及
利用低压电池对直流支撑电容器充放电。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
利用高压电池和/或低压电池为交流电器、其他车辆的交流侧和交流电网供电，和/或
利用低压电池为电气驱动装置和/或连接在高压连接端的加热装置应急供电。
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