CN115280658A - 双向dc-dc转换器 - Google Patents

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K·阿伦
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Abstract

公开了用于将第一电压转换至第二电压的一种双向DC‑DC转换器(201)和一种集成有双向DC‑DC转换器(201)的车载充电器(101)。双向DC‑DC转换器(201)包括变压器(300b或400b)，变压器(300b或400b)用于将初级侧上的接收第一电压的初级电路(300a或400a)与次级侧上的整流电路(300c或400c)磁耦合。此外，高压电源(104)连接到整流电路(300c或400c)，用于向一个或多个高压负载供应高压，并且低压电源(202)通过次级电路(300d或400d)连接到高压电源(104)，用于向一个或多个低压负载供应第二电压。双向DC‑DC转换器在用电设备的静止状态和行驶状态下都起作用。

Description

双向DC-DC转换器
技术领域
本主题涉及一种电源系统。更特别地，涉及一种集成到用电设备的电源系统中的双向DC-DC转换器。
背景技术
能量存储设备通过从电源对其自身充电来收集并存储能量，并通过放电将存储的电力供应到负载。充电和放电过程将被精确地管理，以确保能量存储设备的安全、可靠和长的使用期限。在大多数应用中，充电和放电功能典型地由两个独立的动力系控制，以实现不同的控制目标，比如来自能量存储设备的用于低压电负载的较小的充电电流、较小的放电电流和用于高压电负载的较大的放电电流。动力系包括在能量存储设备的充电和放电中涉及的电气和电子部件。
能量存储设备充电和放电的动力系包括：一个或多个整流器，用于将电源处的AC电力供应转换至DC电压；一个或多个DC-DC转换器，用于将DC电压转换至能量存储设备以及高或低压电负载所需的DC电压。DC-DC转换器为单向DC转换器，其中电流传输是单向的，而反向电流传输会击穿或损坏DC-DC转换器内的开关器件。然而，为了用电设备的电源系统的紧凑设计，需要组合动力系。此外，组合的动力系需要满足使用DC-DC转换器对能量存储设备进行快速充电和放电。
附图说明
参考附图来描述具体实施方式。在所有附图中，相同的附图标记用于指代相似的特征和部件。
图1(现有技术)示例性地示出了电源系统的现有实施方式的框图；
图2示例性地示出了根据本发明的实施例的电源系统的框图；
图3A至图3D示例性地示出了根据本发明的实施例的双向DC-DC转换器的电路图；
图4A至图4E示例性地示出了根据本发明的另一实施例的双向DC-DC转换器的电路图；
图5示例性地示出了描绘用于在车载充电器中将第一电压转换至第二电压的方法的流程图；
图6示例性地示出了描绘根据本发明的实施例的双向DC-DC转换器的工作步骤的流程图；以及
图7示例性地示出了根据本发明的另一实施例的描述双向DC-DC转换器的工作步骤的流程图。
具体实施方式
通过组合用于能量存储设备充电和放电的动力系，可以实现具有降低成本的电源系统的紧凑设计。然而，需要一个双向的DC-DC转换器来同时满足能量存储设备从电源的充电和能量存储设备的放电，以供应组合的动力系中的低压和高压负载。因此，需要一种双向DC-DC转换器，其省去多个DC-DC转换器，并且在电源系统中的能量存储设备的充电和放电周期期间无缝且高效地工作。
采用DC-DC转换器的用电设备的电源系统的几个示例为充电器、光伏系统、电池备用系统或任何配电系统。充电器可以为笔记本电脑或手机的充电器、车辆的车载/离线充电器等。在比如电动车辆或混合动力电动车辆之类的用电设备中可能需要车载充电器。
电动车辆或混合动力电动车辆近年来作为内燃机车辆的潜在替代物而受到欢迎，因为它们具有来自电力驱动系统的零排放，并且不依赖于石油。混合动力电动车辆配置成由内燃机抑或电动马达或两者驱动。电动车辆具有可充电电池模块作为车辆的电源。这些可充电电池模块使用AC充电器和分开的DC/DC转换器进行充电。由可充电电池模块供电的电动车辆中有许多低压负载。这些低压负载具有典型地在5V至12V之间的低压额定值。来自电池模块的源电压需要进一步降低以给这样的低压负载供电。在一些现有的实施方式中，用于降低电压以供应较低压负载的分开的DC-DC转换器与AC充电器集成在一起。
图1(现有技术)示例性地示出了用电设备中的电源系统100的现有实施方式的框图。在实施例中，用电设备为电动车辆或混合电动车辆。这样的车辆可以具有电源系统100，以驱动车辆的马达、给车辆中的电气负载供电、起动车辆的发动机等。车辆的电源系统100包括车载充电器101、一个或多个电池组(比如104)、一个或多个DC-DC转换器105等。电池组104可以是可充电的，并使用车载充电器101充电。车载充电器101包括整流器、功率因数校正级102和DC-DC转换器103。车载充电器101可以连接到AC插座，AC插座又连接到充电站的电网。整流器将AC电压转换至DC电压。车载充电器的功率因数校正级将功率因数校正至统一，并将输入DC电压调节为下一级的标准DC电压。车载充电器101中的DC-DC转换器103将DC电压的电平调整到电池组104所需的电平，并对电池组104充电。
然而，DC-DC转换器103仅在AC电源下工作，并且在车辆行驶状况下不起作用。但是，低压负载，比如转向信号灯、前照灯、喇叭等，需要在车辆行驶时工作。这样的低压负载需要另一个DC/DC转换器105来从电池组104中存储的电荷提供低电压。电动汽车中的低压负载，比如转向灯、前照灯、喇叭等，经由一个或多个DC/DC转换器105从电池组104向其供应电流。
在一个实施例中，低压负载可以由低能量电池供应，低能量电池经由DC/DC转换器105从车辆中的电池组104充电。低能量电池可以向低压负载提供所需的电流。另一组DC/DC转换器105用于降低电压电平，导致车辆中零件数量的增加、车辆电源系统的重量的增加，导致车辆中的空间紧缩、车辆的组装和可维护性的障碍以及车辆总成本的增加。
因此，需要一种与用电设备，比如车辆的车载充电器集成在一起的改进且有效的双向DC-DC转换器，其在车辆的静止状态和行驶状态下都起作用。
考虑到上述目的，本发明公开了一种双向DC-DC转换器，其在具有用于能量存储设备充电和放电的组合的动力系的应用中，将第一电压转换至第二电压。
本发明的目的是提供一种用电设备的车载充电器，用电设备例如为具有集成双向DC-DC转换器的车辆。根据本发明的一个方面，DC-DC转换器在车辆行驶状态期间是起作用的，并且为低压电负载供电。
本发明的另一个目的是在用电设备，例如车辆的充电器中提供一种双向DC-DC转换器，其在电源系统中具有最小的热耗散。
本发明的另一个目的是在充电器中提供一种双向DC-DC转换器，其功率电平可以增加以满足将来用电设备中增加的电负载。
本文公开的本发明主题涉及一种用于能量存储设备，例如用电设备中的电池组的充电和放电的具有双向DC-DC转换器的组合的动力系。更特别地，公开了一种集成到用电单元的车载充电器中的双向DC-DC转换器。
在一个实施例中，图2中公开了一种用于将第一电压转换至第二电压的双向DC-DC转换器。双向DC-DC转换器包括初级电路、变压器、高压电源和低压电源。初级电路电接收第一电压，即功率因数校正(PFC)级的输出。变压器将初级侧上的初级电路与次级侧上的整流电路磁耦合。高压电源电连接到整流电路，用于向一个或多个高压负载供应高压。低压电源通过次级电路电耦合到高压电源，用于向一个或多个低压负载供应第二电压。高压电源使用与在图3A至图3D和图4A至图4E的具体实施方式中公开的双向DC-DC转换器相同的部件对低压电源充电。
在本发明的另一实施例中，如图2中示例性示出的，公开了一种具有双向DC-DC转换器的用电设备的车载充电器。双向DC-DC转换器将第一电压转换至第二电压，以供应一个或多个高压负载和一个或多个低压负载。双向DC-DC转换器在用电设备的静止状态和/或行驶状态期间可工作。
图2示出了根据本发明的实施例的电源系统200的示例性实施方式的框图。用电设备的电源系统200包括车载充电器101、一个或多个可充电电池组104和低压电源，即次级电池202。所示的电源系统200为用于电池组104充电和电池组104放电以对次级电池202充电的组合的电路。车载充电器101包括整流器、功率因数校正级102和双向DC-DC转换器201。车载充电器101可以连接到AC插座，AC插座又连接到充电站的电网。
整流器将AC电压转换至DC电压，功率因数校正级102校正功率因数，并将DC电压调节成标准DC电压。双向DC-DC转换器201将DC电压的电平调整到电池组104所需的电平，并对电池组104充电。双向DC-DC转换器201将第一电压V1转换至第二电压V2。第一电压V1为功率因数校正级102的DC电压输出。第二电压V2为次级电池202的电压。车辆等用电设备中的低压负载为转向信号灯、前照灯、喇叭等，经由相同的双向DC-DC转换器201从电池组104供应电流。而当车辆处于行驶状态时，双向DC-DC转换器201从电池组104供应低电压。在本发明中，与图1中示例性示出的车载充电器101相比，零件数量减少，因为完全省去了用于向低压电负载供应DC电压的DC-DC转换器105并且改进的双负载供应系统配置成以有效的方式满足需求。在实施例中，双向DC-DC转换器201集成在用电设备的车载充电器101的外壳内。在一个实施例中，双向DC-DC转换器201位于车载充电器101的外壳外部。双向DC-DC转换器201的工作由电源系统200的控制单元203控制。
双向DC-DC转换器201的两种工作模式如下：从功率因数校正级102的DC电压对电池组104充电，以及通过充电的电池组104对次级电池202充电。关于本发明的实施例，在车辆中，双向DC-DC转换器201的两种工作模式如下：在用电设备的静止状态下，当用电设备被插上电源以对电池组104充电时，双向DC-DC转换器201用作结合在车载充电器101中的单向DC-DC转换器105，以对电池组104充电。当用电设备处于行驶状态或从充电站断开时，双向DC-DC转换器201将来自电池组104的电池电压调节到低电压，并存储在低电压或次级电池202中，以用作辅助电源。次级电池202向比如LED前照灯、喇叭、侧面指示器、电子设备的充电点之类的负载供电。
因此，使用电源系统200，减少了部件的数量，并且减少或优化了所需的空间。此外，降低了整个电源系统200的制造成本。此外，通过移除附加DC-DC转换器105，减少了附加DC-DC转换器105产生的热量，并且降低了用电设备中附加电气和电子部件的故障所涉及的风险。此外，来自集成到车载充电器101中的双向DC-DC转换器201的热耗散由车载充电器101的铝外壳负责，并且避免了用于冷却的附加散热器。双向DC-DC转换器201可以配置用于更高的功率水平，以满足用电设备中增加的负载需求。
在一个实施例中，双向DC-DC转换器201包括初级电路，初级电路接收第一电压，即PFC级102的输出。变压器的初级侧上的第一电压磁耦合到次级侧上的整流电路。电池组104电连接到整流电路，用于对电池组104充电，并随后供应到一个或多个高压负载，比如牵引马达。次级电池202通过次级电路电耦合到电池组104，并且次级电池202向低压负载供应第二电压。
在一个实施例中，双向DC-DC转换器201可以为如图3A中示例性示出的隔离转换器或者如图4A中示例性示出的非隔离转换器。详细的构造分别在图3B至图3D和图4B至图4E中提供。双向DC-DC转换器201的每个实施例的工作模式分别在图6和图7中提供。
图3A至图3D示例性地示出了电源系统中的双向DC-DC转换器201的实施例的电路图。双向DC-DC转换器201为隔离集成降压转换器，其在正常行驶状态下通过辅助次级电池202向辅助负载，比如喇叭、仪表组、转向信号灯和前照灯，提供低电压，如图2中示例性示出的。初级电路300a电接收第一电压V1，也就是说，初级电路连接到稳压电源V1 307。变压器300b将初级侧上的初级电路300a与次级侧上的整流电路300c磁耦合。高压电源，即电池组104，电连接到整流电路300c，用于向高压负载供应高压，例如48V。次级电池202通过次级电路300d电耦合到电池组104，用于向低压负载供应第二电压，低压负载比如为喇叭、仪表组、转向信号灯和前照灯。
双向DC-DC转换器201的初级电路300a为电子开关MOSFET Q1 301、Q2 302、Q3 303和Q4 304的全桥配置。整流电路300c包括二极管D1 308、D2 309、D3 311和D4 310，以及包括连接到电池组104的电感器L1、C2和Q5 305的滤波电路。初级电路300a在变压器300b的初级侧上，并且整流电路300c在变压器300b的次级侧上。具有附加MOSFET Q5 305以及二极管D3 311和D4 310的整流电路300c在变压器300b的次级侧上执行同步整流。次级电路300d包括选通电路，比如将电池组104电连接到次级电池202的MOSFET开关306。
双向DC-DC转换器201的工作模式在图3B至图3D中示例性地示出。车载充电器101的控制单元203控制MOSFET Q1 301、Q2 302、Q3 303和Q4 304在各个切换周期的工作。控制单元203使MOSFET Q1 301、Q2 302、Q3 303和Q4 304以PWM模式工作。MOSFET Q3 303和Q4304以50％的占空比和180度的相位差进行切换，并且MOSFET Q1 301和Q2 302以50％的占空比和180度的相位差进行切换。
如图3B中示例性示出的，在第一切换周期期间，当MOSFET Q3 303和Q4 304导通时，将正电压施加到变压器300b的初级绕组的虚线端子。在变压器300b的次级绕组的虚线端子处产生具有相同正极性的次级电压。根据极性，正向偏置变压器300b的次级侧中的二极管D2 309，并且电流通过次级侧电感器L1和二极管D3 311流向电池组104，如图1中示例性示出的。在这个第一切换周期期间，二极管D4 310被反向偏置并保持开路。MOSFET Q5305和Q6 306开路，因为电源系统200的控制单元203不向Q5 305和Q6 306供应选通信号。在电池组104得到充电的第一切换周期期间，控制单元203和电路不向MOSFET Q5 305和Q6306供应选通信号，直到次级电池202被隔离。
如图3C中示例性示出的，在MOSFET Q1 301和Q2 302导通的第二切换周期期间，将负电压施加到变压器300b的虚线端子。在变压器300b的次级绕组的虚线端子处，产生具有相同负极性的次级电压。根据极性，正向偏置次级侧中的二极管D1 308，并且电流通过次级侧电感器L1和二极管D3 311流向电池组104。在这个第二切换周期期间，二极管D4 310被反向偏置并保持开路。MOSFET Q5 305和Q6 306也开路，因为没有提供来自车载充电器101的控制单元203的选通信号。电池组104在此期间继续充电。MOSFET Q1 301、Q2 302、Q3 303和Q4 304以较高的频率工作，以给电池组104充电。在第一切换周期和第二切换周期期间，车辆连接到AC电源，并且稳定电压可用作双向DC-DC转换器201的输入。
当电池组104放电以通过双向DC-DC转换器对辅助次级电池202充电时，图3D中示例性示出的模式是起作用的。关于用电设备，例如车辆，当车辆处于行驶状态或静止状态并且没有插电充电时，图3D中示例性示出的模式是起作用的，因为充电操作没有发生。在这个模式期间，通过不提供选通信号，MOSFET Q1 301、Q2 302、Q3 303和Q4 304开路。MOSFET Q5305为主降压开关，并且MOSFET Q6 306在这个模式期间由控制单元203一直导通。在开关Q5305的导通时间期间，电流流过以下部分，即电池组-Q5-L1-Q6-次级电池。电流从电池组104流出，并对为车辆中的低压电气和电子负载供电的次级电池202充电。在开关Q5 305断开期间，电流完成其通过L1-Q6-次级电池-D4的路径。
因此，当具有MOSFET Q1 301、Q2 302、Q3 303和Q4 304的初级电路与具有次级电池202的次级电路之间存在隔离时，电池组104充电，而次级电池202不被变压器300b的初级侧上的全桥配置充电。也就是说，当用电设备被插入充电时，电池组104充电并向电气和电子负载供应电流。当用电设备，即车辆，被断开不再充电时，电池组104对次级电池202充电，并且次级电池202向车辆中的低压电气和电子负载供电。作为本发明的结果，消除了对将电池组104的电压下变频以供应到低压电气和电子负载的另一个DC-DC转换器的需要。因此，具有一个或多个车载能量存储设备如电池组104的用电设备(例如车辆)可以通过将其连接到外部充电器单元来充电，或者也可以直接插入常规的电源点用于进一步放电，即改进的双向DC-DC充电器201。
图4A至图4E示例性地示出了根据本发明的另一个实施例的集成到车辆的车载充电器101中的双向DC-DC转换器201的实施例的电路图。如图4A中示例性示出的双向DC-DC转换器201为非隔离集成降压转换器，其通过辅助次级电池202供应辅助负载，比如用于常规车辆行驶应用的喇叭、仪表组、转向信号灯和前照灯。初级电路400a电接收第一电压V1，也就是说，初级电路连接到稳压电源V1 407。变压器400b将初级侧上的初级电路400a与次级侧上的整流电路400c磁耦合。高压电源，即电池组104电连接到整流电路400c，用于向高压负载供应高压V高，例如48V。次级电池202通过次级电路400d电耦合到电池组104，用于将第二电压V2供应到低压负载，比如喇叭、仪表组、转向信号灯和前照灯。
双向DC-DC转换器201的初级电路400a为具有附加次级绕组的电子开关MOSFET Q1401、Q2 402、Q3 403和Q4 404的全桥中心抽头变压器配置。这样的配置便于对次级电池202充电，如图2中示例性示出的，同时对主电池组104充电，如图2中示例性示出的，以及同时不对主电池组104充电。整流电路400c包括二极管D1 408、D2 409、包括电感器L1、C2的滤波电路以及将变压器400b的次级侧电连接到电池组104的开关Q5 405和Q6 406。初级电路400a在变压器400b的初级侧上，并且整流电路400c在变压器400b的次级侧上。次级电路400d也在变压器400b的次级侧上。次级电路400d包括磁耦合到初级电路400a和整流电路400c的桥式电路。
次级电路400d包括四个附加二极管D3 410、D4 411、D5 412和D6 413。在实施例中，二极管D3 410、D4 411、D5 412和D6 413可以用类似MOSFET的可控开关来代替，以便更好地控制。双向DC-DC转换器201的工作模式在图4B至图4D中示例性地示出。车载充电器101的控制单元203控制MOSFET Q1 401、Q2 402、Q3 403和Q4 404在各个切换周期的工作。控制单元203使MOSFET Q1 401、Q2 402、Q3 403和Q4 404以PWM模式工作。
如图4B中示例性示出的，用电设备连接到AC电源，并且稳定电压V1可用作双向DC-DC转换器201的输入。在这种模式下，电池组104和次级电池202在这种模式下使用稳定电压V1充电。当控制单元203施加选通信号时，MOSFET Q3 403和Q4 404导通。当MOSFET Q3和Q4导通时，将正电压施加到变压器400b的虚线端子，并且相同的正极性施加到变压器400b的次级绕组的虚线端子。根据极性，正向偏置次级侧的二极管D2 409，并且电流流过次级侧电感器L1以对电池组104充电。变压器400b的附加第三绕组的虚线端子也经历具有正极性的电压，并且相应的二极管D3 410和D6 413被正向偏置并对次级电池202充电，直到它达到其100％充电状态(SOC)然后停止。通过不提供来自车载充电器101的控制单元203的选通信号，MOSFET Q5 405和Q6 406开路。
如图4C中示例性示出的，用电设备连接到AC电源，并且稳定电压V1可用作双向DC-DC转换器201的输入。在这种模式下，电池组104和次级电池202在这种模式下使用稳定电压V1充电。当控制单元203施加选通信号时，MOSFET Q1 401和Q2 402导通。当MOSFET Q1 401和Q2 402导通时，如图4C所示的变压器400b的虚线端子将经历具有负极性的电压，并且相同的负极性施加在变压器400b的次级绕组的虚线端子处。根据极性，正向偏置次级侧的二极管D1，并且电流流过次级侧电感器L1以对电池组104充电。如图4C所示的变压器400b的第三附加绕组的虚线端子也经历具有负极性的电压，并且相应的二极管D4 411和D5 412被正向偏置并且对次级电池202充电，直到它达到其100％SOC然后停止。通过控制单元203不提供选通信号，MOSFET Q5 405和Q6 406也开路。
当电池组104放电以经由双向DC-DC转换器201对次级电池202充电时，图4D中示例性示出的模式是起作用的。关于用电设备，例如车辆，当车辆处于行驶状态或者车辆处于静止状态并且没有进行充电时，图4D中示例性示出的模式是起作用的。在这种模式下，双向DC-DC转换器201通过使用主电池组104作为电源而起到推挽式转换器的作用。在这种模式下，MOSFET Q5 405由控制单元203接通，并且电流在如下路径中流动，即电池-L1-Q5。电流流动在变压器400b的相应次级绕组的虚线端子处产生负极性。此外，在所有其他虚线端子处产生具有负极性的电压。变压器400b的第三附加绕组正向偏置二极管D4 411和D5 412，并且电流以以下路径流向次级电池：D4-次级电池-D5。在此期间，通过不提供选通信号，MOSFET Q1 401、Q2 402、Q3 403和Q4 404开路。
当用电设备处于行驶状态或静止状态并且没有进行充电时，图4E中示例性示出的模式是起作用的。在这种模式下，DC-DC转换器201通过使用主电池组104作为电源而起到推挽式转换器的作用。在这种模式下，MOSFET Q6 406由控制单元203接通，并且电流在由电池-L1-Q6定义的路径中流动。电流流动在变压器400b的相应次级绕组的虚线端子处产生正极性，从而在所有其他虚线端子处产生正极性。变压器400b的第三附加绕组正向偏置二极管D3 410和D6 413，并且电流在以下路径中流向次级电池202，即D6-次级电池-D3。电流对为车辆中的低压电气和电子负载供电的次级电池202充电。在此期间，通过不提供选通信号，MOSFET Q1 401、Q2 402、Q3 403和Q4 404开路。因此，用于牵引的电池组104和用于低压负载的次级电池202都由主电路400a的MOSFET Q1 401、Q2 402、Q3 403和Q4 404的全桥配置充电。
在如上所述的用电设备的行驶状态和/或静止状态下，图3A和图4A中示例性示出的双向DC-DC转换器201便于使用DC电流对次级电池202充电，并且次级电池202为用电设备中的低压电气和电子负载供电。
图5示例性地示出了描绘用于在车载充电器101中将第一电压转换至第二电压的方法的流程图。在步骤501处，连接控制单元203和如图3A和图4A中示例性示出的双向DC-DC转换器201。在步骤502处，控制单元203确定第一电压的可用性。基于第一电压的可用性，在步骤503处，控制单元203感测高压电源(即电池组104)和低压电源(即次级电池202)的电池参数。基于感测到的电池参数，在步骤504处，控制单元203向初级电路300a或400a、整流电路300c或400c以及次级电路300d或400d的部件施加选通信号，用于将第一电压V1转换至高压V高和第二电压V2，如图6和图7的具体实施方式中所公开的。
为了将第一电压V1转换至如图6中示例性示出的高压V高，控制单元203基于感测到的高压电源104的电池参数将选通信号施加到初级电路300a。此外，用于将高压V高转换至第二电压V2包括：基于感测到的高压电源104和低压电源202的电池参数，确定低压电源202的可用性并将选通信号施加到整流电路300c和次级电路300d。
如图7中示例性示出的，为了基于感测到的高压电源104的电池参数将第一电压V1转换至高压V高，控制单元203确定低压电源202的可用性。此外，控制单元203将选通信号施加到初级电路400a、整流电路400c和次级电路400d。此外，为了将高压V高转换至第二电压V2，控制单元203基于感测到的高压电源104和低压电源202的电池参数，确定低压电源202的可用性，并将选通信号施加到整流电路400c和次级电路400d。
图6示例性地示出了示出通过图3A中示例性示出的双向DC-DC转换器201的实施例将第一电压转换至第二电压的步骤的流程图。在步骤602处，车载充电器的控制单元203确定双向DC-DC转换器201的输入功率是否可用。如果输入功率可用，则在步骤603处，控制单元203感测电池组104的参数。在步骤604处，控制单元203确定电池组104的充电状态(SOC)是否小于99％，这意味着电池组104需要充电。在步骤605处，控制单元203启动电池组104的充电过程。在步骤606处，控制单元203交替地向MOSFET Q1 301、Q2 302、Q3 303和Q4 304提供选通信号，如图3A至图3D的具体实施方式中所述。控制单元203再次确定电池组104的SOC是否大于99％，并指示电池组104的充电完成。
一旦电池组104的充电完成，则电池组104可以对次级电池202进行放电和充电。在步骤607处，控制单元203确定次级电池202是否可用。如果次级电池202可用，则在步骤608处，控制单元203启动次级电池202的充电。然后在步骤609处，控制单元203向Q5 305和Q6306提供选通信号，如图3A至图3D的具体实施方式中所述。在过程期间，在步骤610处，控制单元203确定电池组104的SOC是否小于10％。如果万一这是真的，则控制单元203中断电池组104的放电，并启动电池组104的充电。如果电池组104的SOC不小于10％，则在步骤611处，控制单元203确定次级电池202的SOC是否大于99％。如果为真，则控制单元203停止次级电池202的充电。如果为假，则控制单元203继续经由MOSFET Q5 305和Q6 306从电池组104对次级电池202充电。
图7示例性地示出了示出通过图4A中示例性示出的双向DC-DC转换器201的实施例将第一电压转换至第二电压的步骤的流程图。在步骤702处，控制单元203确定双向DC-DC转换器201的输入功率，即V1407，是否可用。如果输入功率，即V1 407，可用，则在步骤703处，控制单元203感测电池组104的参数。在步骤704处，控制单元203确定电池组104的充电状态(SOC)是否小于99％，这意味着电池组需要充电。如果是，则在步骤705处，控制单元203确定次级电池202是否可用。
如果次级电池202可用，则控制单元203启动电池组104和次级电池202的充电。在步骤706处，控制单元203交替地向MOSFET Q1 401、Q2 402和Q3 403以及Q4 404提供选通信号，如图4A至图4E的具体实施方式中所公开的。相应地，二极管D2 409、D6 413、D3 410以及二极管D1 408、D4 411和D5 412被正向偏置和反向偏置。如果次级电池202不可用，则在步骤706处，控制单元203交替地向MOSFET Q1 401、Q2 402和Q3 403以及Q4 404提供选通信号，并且只有二极管D1 408和D2 409将相应地被正向偏置和反向偏置。
然而，如果输入功率，即V1 407，不可用，则在步骤708处，控制单元提供次级电池202是否可用。如果次级电池202可用，则在步骤709处，控制单元感测次级电池202的参数。在步骤710处，控制单元203确定次级电池202的充电状态(SOC)是否小于99％，这意味着次级电池202需要充电。如果是，则控制单元203启动从电池组104对次级电池202充电。在步骤711处，控制单元203向Q5 405和Q6 406提供选通信号，如图3A至图3D的具体实施方式中所述，并且二极管D4410、D5 413和D3 411、D6412将相应地被正向偏置或反向偏置。在过程期间，在步骤712处，控制单元203确定电池组104的SOC是否小于10％。如果万一这是真的，则控制单元203中断电池组104的放电，并启动电池组104的充电。如果电池组104的SOC不小于10％，则在步骤710处，控制单元203确定次级电池202的SOC是否不小于99％。如果为真，则控制单元203停止次级电池202的充电。如果为假，则控制单元203继续经由MOSFET Q5 405和Q6 406从电池组104对次级电池202充电。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以将改进和修改并入本文。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于将第一电压转换至第二电压的双向DC-DC转换器(201)，包括：
初级电路(300a或400a)，其电接收所述第一电压；
其特征在于
变压器(300b或400b)，其用于将初级侧上的所述初级电路与次级侧上的整流电路(300c或400c)磁耦合；
所述整流电路(300c或400c)，其电连接到用于向一个或多个高压负载供应高压的高压电源(104)；和
次级电路(300d或400d)，其用于将所述高压电源(104)电耦合到用于向一个或多个低压负载供应所述第二电压的低压电源(202)。
2.根据权利要求1所述的双向DC-DC转换器(201)，
其中所述整流电路(300c)包括多个二极管(308、309、310、311)和将所述变压器(300b)的所述次级侧电连接到所述高压电源(102)的滤波电路，并且
其中所述次级电路(300d)包括用于将所述高压电源(104)电连接到所述低压电源(202)的选通电路(306)。
3.根据权利要求1所述的双向DC-DC转换器(201)，
其中所述整流电路(400c)包括多个二极管(408、409)、多个开关(405、406)和将所述变压器(400b)的所述次级侧电连接到所述高压电源(104)的滤波电路，并且
其中所述次级电路(400d)包括桥式电路(410、411、412、413)，所述桥式电路(410、411、412、413)磁耦合到所述初级电路(400a)和所述整流电路(400c)，用于将所述高压电源(104)电连接到所述低压电源(202)。
4.根据权利要求1所述的双向DC-DC转换器(201)，其中所述初级电路(300a或400a)包括电连接到DC电压源(307或407)的开关(301、302、303、304或401、402、403、404)的全桥配置。
5.根据权利要求1所述的双向DC-DC转换器(201)，其中控制单元(203)基于所述低压电源(202)和所述高压电源(104)的电池参数控制所述初级电路(300a或400a)、所述整流电路(300c或400c)和所述次级电路(300d或400d)，用于将所述低压电源(202)与所述高压电源(104)连接或将所述低压电源从所述高压电源断开中的一者。
6.一种用电设备的车载充电器(101)，包括：
双向DC-DC转换器(201)，其用于将第一电压转换至第二电压，以供应所述用电设备中的一个或多个高压负载和一个或多个低压负载，
其中所述双向DC-DC转换器(201)在所述用电设备的静止状态和所述用电设备的行驶状态中的至少一者期间能工作。
7.根据权利要求6所述的车载充电器(101)，还包括整流器和功率因数校正级(102)，所述整流器电连接到AC电源，用于将AC电源电压转换至DC电压，所述功率因数校正级(102)电连接到所述整流器，用于从所述DC电压生成所述第一电压。
8.根据权利要求6所述的车载充电器(101)，其中所述双向DC-DC转换器(201)包括：
初级电路(300a或400a)，其电接收所述第一电压；
变压器(300b或400b)，其用于将初级侧上的所述初级电路(300a或400a)与次级侧上的整流电路(300c或400c)电耦合；
所述整流电路(300c或400c)，其电连接到用于向一个或多个高压负载供应高压的高压电源(104)；和
次级电路(300d或400d)，其用于将所述高压电源(104)电耦合到用于向一个或多个低压负载供应所述第二电压的低压电源(202)。
9.根据权利要求8所述的车载充电器(101)，
其中所述双向DC-DC转换器(201)的所述整流电路(300c)包括多个二极管(308、309、310、311)和将所述变压器(300b)的所述次级侧电连接到所述高压电源(102)的滤波电路，并且
其中所述双向DC-DC转换器(201)的所述次级电路(300d)包括用于将所述高压电源(104)电连接到所述低压电源(202)的选通电路(306)。
10.根据权利要求8所述的车载充电器(101)，
其中所述双向DC-DC转换器(201)的所述整流电路(400c)包括多个二极管(408、409)、多个开关(405、406)和将所述变压器(400b)的所述次级侧电连接到所述高压电源(104)的滤波电路，并且
其中所述双向DC-DC转换器(201)的所述次级电路(400d)包括桥式电路(410、411、412、413)，所述桥式电路(410、411、412、413)磁耦合到所述初级电路(400a)和所述整流电路(400c)，用于将所述高压电源(104)电连接到所述低压电源(202)。
11.根据权利要求8所述的车载充电器(101)，其中所述双向DC-DC转换器(201)的所述初级电路(300a或400a)包括电连接到DC电压源(307或407)的开关(301、302、303、304或401、402、403、404)的全桥配置。
12.根据权利要求8所述的车载充电器(101)，其中控制单元(203)基于所述低压电源(202)和所述高压电源(104)的电池参数控制所述初级电路(300a或400a)、所述整流电路(300c或400c)和所述次级电路(300d或400d)，用于将所述低压电源(202)与所述高压电源(！04)连接或将所述低压电源从所述高压电源断开中的一者。
13.一种在车载充电器(101)中将第一电压转换至第二电压的方法(500)，包括：
连接(501)控制单元(203)和双向DC-DC转换器(201)，所述双向DC-DC转换器(201)包括：
初级电路(300a或400a)，其配置成电接收所述第一电压；
变压器(300b或400b)，其配置成将初级侧上的所述初级电路与次级侧上的整流电路(300c或400c)磁耦合；
所述整流电路(300c或400c)，其电连接到用于向一个或多个高压负载供应高压的高压电源(104)；和
次级电路(300d或400d)，其用于将所述高压电源(104)电耦合到用于向一个或多个低压负载供应所述第二电压的低压电源(202)。
由所述控制单元(203)确定(502)所述第一电压的可用性；
基于所述第一电压的所述可用性，由所述控制单元(203)感测(503)所述高压电源(104)和所述低压电源(202)的电池参数；以及
基于感测到的电池参数，由所述控制单元(203)向所述初级电路(300a或400a)、所述整流电路(300c或400c)和所述次级电路(300d或400d)中的一者或多者施加(504)选通信号，用于将所述第一电压转换至所述高压和所述第二电压。
14.根据权利要求13所述的方法(500)，
其中用于将所述第一电压转换至所述高压包括：基于感测到的所述高压电源(104)的电池参数将所述选通信号施加到所述初级电路(300a)，并且
其中用于将所述高压转换至所述第二电压包括：基于感测到的所述高压电源(104)和所述低压电源(202)的电池参数，确定所述低压电源(202)的可用性并将所述选通信号施加到所述整流电路(300c)和所述次级电路(300d)。
15.根据权利要求13所述的方法(500)，
其中用于基于感测到的所述高压电源(104)的电池参数将所述第一电压转换至所述高压包括：确定所述低压电源(202)的可用性，并将所述选通信号施加到所述初级电路(400a)、所述整流电路(400c)和所述次级电路(400d)，并且
其中用于将所述高压转换至所述第二电压包括：基于感测到的所述高压电源(104)和所述低压电源(202)的电池参数，确定所述低压电源(202)的可用性并将所述选通信号施加到所述整流电路(400c)和所述次级电路(400d)。

Claims (15)

1.一种用于将第一电压转换至第二电压的双向DC-DC转换器(201)，包括：
初级电路(300a或400a)，其电接收第一电压；
变压器(300b或400b)，其用于将初级侧上的所述初级电路与次级侧上的整流电路(300c或400c)磁耦合；
高压电源(104)，其电连接到所述整流电路(300c或400c)，用于向一个或多个高压负载供应高压；和
低压电源(202)，其通过次级电路(300d或400d)电耦合到所述高压电源(104)，用于向一个或多个低压负载供应第二电压。
2.根据权利要求1所述的双向DC-DC转换器(201)，
其中所述整流电路(300c)包括多个二极管(308、309、310、311)和将所述变压器(300b)的所述次级侧电连接到所述高压电源(102)的滤波电路，并且
其中所述次级电路(300d)包括用于将所述高压电源(104)电连接到所述低压电源(202)的选通电路(306)。
3.根据权利要求1所述的双向DC-DC转换器(201)，
其中所述整流电路(400c)包括多个二极管(408、409)、多个开关(405、406)和将所述变压器(400b)的所述次级侧电连接到所述高压电源(104)的滤波电路，并且
其中所述次级电路(400d)包括桥式电路(410、411、412、413)，所述桥式电路(410、411、412、413)磁耦合到所述初级电路(400a)和所述整流电路(400c)，用于将所述高压电源(104)电连接到所述低压电源(202)。
4.根据权利要求1所述的双向DC-DC转换器(201)，其中所述初级电路(300a或400a)包括电连接到DC电压源(307或407)的开关(301、302、303、304或401、402、403、404)的全桥配置。
5.根据权利要求1所述的双向DC-DC转换器(201)，其中控制单元(203)基于所述低压电源(202)和所述高压电源(104)的电池参数控制所述初级电路(300a或400a)、所述整流电路(300c或400c)和所述次级电路(300d或400d)，用于将所述低压电源(202)与所述高压电源(104)连接或将所述低压电源从所述高压电源断开中的一者。
6.一种用电设备的车载充电器(101)，包括：
双向DC-DC转换器(201)，其用于将第一电压转换至第二电压，以供应所述用电设备中的一个或多个高压负载和一个或多个低压负载，
其中所述双向DC-DC转换器(201)在所述用电设备的静止状态和所述用电设备的行驶状态中的至少一者期间能工作。
7.根据权利要求6所述的车载充电器(101)，还包括整流器和功率因数校正级(102)，所述整流器电连接到AC电源，用于将AC电源电压转换至DC电压，所述功率因数校正级(102)电连接到所述整流器，用于从所述DC电压生成所述第一电压。
8.根据权利要求6所述的车载充电器(101)，其中所述双向DC-DC转换器(201)包括：
初级电路(300a或400a)，其电接收第一电压；
变压器(300b或400b)，其用于将初级侧上的所述初级电路(300a或400a)与次级侧上的整流电路(300c或400c)电耦合；
高压电源(104)，其磁耦合到所述整流电路(300c或400c)，用于向一个或多个高压负载供应高压；和
低压电源(202)，其通过次级电路(300d或400d)电耦合到所述高压电源(104)，用于向一个或多个低压负载供应第二电压。
9.根据权利要求8所述的车载充电器(101)，
其中所述双向DC-DC转换器(201)的所述整流电路(300c)包括多个二极管(308、309、310、311)和将所述变压器(300b)的所述次级侧电连接到所述高压电源(102)的滤波电路，并且
其中所述双向DC-DC转换器(201)的所述次级电路(300d)包括用于将所述高压电源(104)电连接到所述低压电源(202)的选通电路(306)。
10.根据权利要求8所述的车载充电器(101)，
其中所述双向DC-DC转换器(201)的所述整流电路(400c)包括多个二极管(408、409)、多个开关(405、406)和将所述变压器(400b)的所述次级侧电连接到所述高压电源(104)的滤波电路，并且
其中所述双向DC-DC转换器(201)的所述次级电路(400d)包括桥式电路(410、411、412、413)，所述桥式电路(410、411、412、413)磁耦合到所述初级电路(400a)和所述整流电路(400c)，用于将所述高压电源(104)电连接到所述低压电源(202)。
11.根据权利要求8所述的车载充电器(101)，其中所述双向DC-DC转换器(201)的所述初级电路(300a或400a)包括电连接到DC电压源(307或407)的开关(301、302、303、304或401、402、403、404)的全桥配置。
12.根据权利要求8所述的车载充电器(101)，其中控制单元(203)基于所述低压电源(202)和所述高压电源(104)的电池参数控制所述初级电路(300a或400a)、所述整流电路(300c或400c)和所述次级电路(300d或400d)，用于将所述低压电源(202)与所述高压电源(！04)连接或将所述低压电源从所述高压电源断开中的一者。
13.一种在车载充电器(101)中将第一电压转换至第二电压的方法(500)，包括：
连接(501)控制单元(203)和双向DC-DC转换器(201)，所述双向DC-DC转换器(201)包括：
初级电路(300a或400a)，其配置成电接收第一电压；
变压器(300b或400b)，其配置成将初级侧上的所述初级电路与次级侧上的整流电路(300c或400c)磁耦合；
高压电源(104)，其配置成电连接到所述整流电路(300c或400c)，用于向一个或多个高压负载供应高压；和
低压电源(202)，其配置成通过次级电路(300d或400d)电耦合到所述高压电源(104)，用于向一个或多个低压负载供应第二电压。
由所述控制单元(203)确定(502)所述第一电压的可用性；
基于所述第一电压的所述可用性，由所述控制单元(203)感测(503)所述高压电源(104)和所述低压电源(202)的电池参数；以及
基于感测到的电池参数，由所述控制单元(203)向所述初级电路(300a或400a)、所述整流电路(300c或400c)和所述次级电路(300d或400d)中的一者或多者施加(504)选通信号，用于将所述第一电压转换至所述高压和所述第二电压。
14.根据权利要求13所述的方法(500)，
其中用于将所述第一电压转换至所述高压包括：基于感测到的所述高压电源(104)的电池参数将所述选通信号施加到所述初级电路(300a)，并且
其中用于将所述高压转换至所述第二电压包括：基于感测到的所述高压电源(104)和所述低压电源(202)的电池参数，确定所述低压电源(202)的可用性并将所述选通信号施加到所述整流电路(300c)和所述次级电路(300d)。
15.根据权利要求13所述的方法(500)，
其中用于基于感测到的所述高压电源(104)的电池参数将所述第一电压转换至所述高压包括：确定所述低压电源(202)的可用性，并将所述选通信号施加到所述初级电路(400a)、所述整流电路(400c)和所述次级电路(400d)，并且
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