CN117242668A - 电压供应系统、通过这种电压供应系统向负载供电的方法以及包括这种电压供应系统的车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种供应系统，该供应系统包括：彼此不同的第一供应端(Ba1)、第二供应端(Ba2)和第三供应端(Ba3)、电压调节端(Br)、电连接到所述电压调节端(Br)的输出端(Bs)，第一电池(Bat1)，该第一电池在所述第一供应端(Ba1)与所述第二供应端(Ba2)之间生成第一供应电压(Va1)，第二电池(Bat2)，该第二电池在所述第二输入端(Ba2)与所述第三供应端(Ba3)之间生成第二供应电压(Va2)，所述第二电池(Bat2)与所述第一电池(Bat1)串联连接，以便在所述第三供应端(Ba3)与所述第一供应端(Ba1)之间递送第一输出电压(Vs1)，DC/DC电压转换器(10)被配置为使得在第一操作模式下，它将所述第一输出电压(Vs1)转换成所述调节端(Br)与所述第一供应端(Ba1)之间的第二输出电压(Vs2)，所述第二输出电压(Vs2)低于所述第一输出电压(Vs1)，并且被配置为使得在第二操作模式下，它不调节所述调节端(Br)与所述第一供应端(Ba1)之间的电压，连接开关(Int_c)，该连接开关连接所述第二供应端(Ba2)和所述输出端(Bs)，以及与所述连接开关(Int_c)并联连接的连接电阻器(R)，所述供应系统被设计为在所述输出端(Bs)与所述第一供应端(Ba1)之间生成第三输出电压(Vs3)。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压供应系统、一种包括这种电压供应系统的机动车辆以及一种通过车辆中包括的供应系统为负载供电的方法。
本发明可以特别地应用于混合机动车辆领域。
背景技术
电压供应系统在现有技术中是已知的，这些系统包括：
彼此不同的第一供应端、第二供应端和第三供应端，
电压调节端，
输出端，
在所述电压调节端与所述输出端之间的电连接，例如导线连接，该电连接具有联结电阻，
第一电池，该第一电池在该第一供应端与该第二供应端之间生成第一供应电压，
第二电池，该第二电池在该第二输入端与该第三供应端之间生成第二供应电压，该第二电池与该第一电池串联连接，以便在该第三供应端与该第一供应端之间递送第一输出电压，以及
DC/DC电压转换器，该DC/DC电压转换器被配置为在第一操作模式下将所述第一输出电压转换成所述调节端与所述第一供应端之间的第二输出电压，所述第二输出电压低于所述第一输出电压，并且被配置为在第二操作模式下不调节所述调节端与所述第一供应端之间的电压，
该电压供应系统能够在该输出端与该第一供应端之间生成第三输出电压。
然而，在这种电压供应系统中，第一电池比第二电池承受更高的应力，这需要第一电池尺寸过大(例如通过将其电池单元数量加倍)，以保证其寿命相当于第二电池的寿命。
发明内容
本发明的目的是至少部分地缓解上述问题。
因此，根据本发明的第一方面，提供了一种电压供应系统，该电压供应系统包括：
彼此不同的第一供应端、第二供应端和第三供应端，
电压调节端，
输出端；
在所述电压调节端与所述输出端之间的电连接，例如导线连接，该电连接具有联结电阻，
第一电池，该第一电池在所述第一供应端与所述第二供应端之间生成第一供应电压，
第二电池，该第二电池在所述第二输入端与所述第三供应端之间生成第二供应电压，所述第二电池与所述第一电池串联连接，以便在所述第三供应端与所述第一供应端之间递送第一输出电压，
DC/DC电压转换器，该DC/DC电压转换器被配置为在第一操作模式下将所述第一输出电压转换成所述调节端与所述第一供应端之间的第二输出电压，所述第二输出电压低于所述第一输出电压，并且被配置为在第二操作模式下不调节所述调节端与所述第一供应端之间的电压，
连接开关，该连接开关连接所述第二供应端和所述输出端，
与所述连接开关并联连接的连接电阻，并且
所述供应系统能够在所述输出端与所述第一供应端之间生成第三输出电压。
该电压供应系统的特征在于与连接电阻并联的连接开关连接第二供应端和输出端。
由于该技术特征，当连接开关闭合时，第三输出电压由第一电池直接生成，或者当连接开关断开时，第三输出电压由第一电池和DC/DC电压转换器同时生成。在后一种情况下，连接电阻使得可以确保由第一电池和DC/DC电压转换器递送的电流的不对称分布，并且因此确保DC/DC电压转换器和第一电池的不对称贡献。换句话说，当连接开关断开时，DC/DC电压转换器将递送比第一电池更多的电流，这有助于限制第一电池的直接使用，从而使得其在电池单元方面的尺寸受到限制，同时保持其寿命。
根据本发明的一种电压供应系统可以进一步包括单独或以任何技术上可能的组合实施的以下可选特征中的一个或多个。
根据第一特征，供应系统进一步包括用于控制电压转换器的单元。
根据另一特征，供应系统进一步包括用于控制连接开关的装置。
根据另一特征，连接电阻是电阻器。换句话说，连接电阻是满足欧姆定律的偶极子。
根据又一特征，供应系统进一步包括将第三供应端连接到第一供应端的第一电容器。
根据又一特征，供应系统进一步包括将输出端连接到第一供应端的第二电容器。
根据又一特征，供应系统进一步包括将电压调节端连接到第一供应端的第二电容器。
根据又一特征，连接开关是常闭的。
常闭开关是在DC/DC电压转换器不活动时允许电流流过的开关。换句话说，DC/DC电压转换器不调节调节端与第一供应端之间的电压，因为它未操作(即，它不活动或有故障)。
换句话说，当DC/DC电压转换器不工作时，连接开关闭合。
根据又一特征，连接开关包括常闭晶体管，例如p沟道FET。
常闭晶体管是在DC/DC电压转换器不活动时允许电流流过的晶体管。
例如，p沟道FET是增强型晶体管，其栅极接地并且其源极处于DC供应电压，例如第一DC供应电压。
根据又一特征，连接开关包括常开晶体管，例如n沟道FET，以及能够向所述常开晶体管施加控制电压的电荷泵电路。
根据又一特征，连接开关包括常开晶体管，例如n沟道FET，以及能够在电压转换器未操作时向所述常开晶体管施加控制电压以闭合所述常开晶体管的电荷泵电路。
常开晶体管是在DC/DC电压转换器不活动时不允许电流流过的晶体管。
根据又一特征，连接开关被配置为当电压转换器在第二操作模式下操作时闭合。
根据又一特征，连接开关包括MOSFET，例如由硅或碳化硅制成的MOSFET，或者是由氮化镓制成的FET或由氮化镓制成的HEMT。
根据又一特征，输出端与电压调节端之间的电连接具有低于1mΩ的联结电阻，优选地低于或等于0.8mΩ，甚至更优选地低于或等于0.6mΩ。
根据又一特征，连接电阻在1mΩ到100mΩ之间，并且优选地在5mΩ到80mΩ之间。
根据又一特征，连接电阻比输出端与调节端之间的电连接的连接电阻高2至200倍，并且优选地高10至160倍。
根据又一特征，DC/DC电压转换器进一步包括一个或多个开关单元，所述开关单元或所述开关单元中的每一个包括：
开关臂，该开关臂包括在中点处彼此连接的高侧开关和低侧开关，所述开关臂连接在所述第一供应端与所述第三供应端之间，以及
电感器，该电感器连接在所述开关臂的所述中点与所述调节端之间。
根据又一特征，该高侧开关和/或所述低侧开关是MOSFET，例如由硅或碳化硅制成的MOSFET，或者是由氮化镓制成的FET或由氮化镓制成的HEMT。
根据又一特征，供应系统被配置为在供应系统的第一使用模式下，闭合连接开关并将电压转换器置于第二操作模式，并且在供应系统的第二使用模式下，断开连接开关并将电压转换器置于第一操作模式。
根据又一特征，供应系统被配置为在供应系统的第三使用模式下，闭合连接开关并将电压转换器置于第一操作模式。
根据本发明的第二方面，还提供了一种包括根据本发明的第一方面的供应系统的车辆。
根据本发明的第二方面的车辆还可以包括以下可选特征，其中，车辆进一步包括连接在该第三电压供应端与该第一电压供应端之间的第一负载以及连接在该输出端与该第一电压供应端之间或者该调节端与该第一电压供应端之间的第二负载。
根据本发明的第三方面，还提供了一种通过由根据本发明的第一方面的供应系统或由根据第二方面的包括在车辆中的供应系统输出的第三电压来向第二负载供电的方法，所述供应方法包括以下步骤：
在该供应系统的第一使用模式下，闭合该连接开关并将该电压转换器置于该第二操作模式，以及
在该供应系统的第二使用模式下，断开该连接开关并将该电压转换器置于该第一操作模式。
根据本发明的第三方面的供电方法可以进一步包括以下可选特征，其中，该供电方法进一步包括以下步骤：在该供应系统的第三使用模式下，闭合连接开关并将电压转换器置于第一操作模式。
附图说明
通过仅以示例方式给出并参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明，在附图中：
图1示意性地示出了本发明第一实施例中的电压供应系统100，以及
图2示意性地示出了本发明第二实施例中的电压供应系统300。
具体实施方式
参考图1，现在将描述旨在装备例如机动车辆的电压供应系统100。
电压供应系统100首先包括DC/DC电压转换器10、第一供应端Ba1、第二供应端Ba2和第三供应端Ba3。
三个供应端Ba1、Ba2和Ba3彼此不同，并且第一供应端Ba1电连接到电接地GND。
电压供应系统100还包括电压调节端Br和输出端Bs，输出端Bs例如通过导线连接电连接到电压调节端Br。作为变型，电压调节端Br和输出端Bs可以通过低电阻母线或通过具有低电阻(例如低于1mΩ的电阻)的任何连接装置电连接。
因此，由于输出端Bs与调节端Br之间的电连接，在电压调节端Br与输出端Bs之间存在联结电阻Rc。
在此描述的示例中，该电阻约为0.5mΩ。
电压供应系统100进一步包括被设计为递送第一DC供应电压Va1的第一电源。该第一电源连接在第一供应端Ba1与第二供应端Ba2之间。在所描述的示例中，该第一电源是被设计为递送例如12V的电压的电池Bat1。
电压供应系统100进一步包括安全开关SW和被设计为递送第二DC供应电压Va2的第二电源。该第二电源连接到第二供应端Ba2并且经由安全开关SW连接到第三供应端Ba3。在所描述的示例中，该第二电源是被设计为递送例如36V的电压的电池Bat2。
在此描述的示例中，电池Bat1包括三个串联的电池单元或蓄电池，并且电池Bat2包括五个串联的电池单元或蓄电池。例如，电池Bat1和电池Bat2的电池单元是锂离子电池单元或者甚至是磷酸铁锂(LFP)电芯或者实际上是镍锰钴(NMC)锂电池单元。
此外，第一电源和第二电源串联连接，使得第一DC供应电压Va1和第二DC供应电压Va2相加，以在第三供应端Ba3与第一供应端Ba1之间递送第一输出电压Vs1。换句话说，在此描述的示例中，第一电池Bat1和第二电池Bat2串联连接，即第一电池Bat1的正极与第二电池Bat2的负极连接，以在第三供应端Ba3与第一供应端Ba1之间递送48V的第一输出电压Vs1。
电压转换器10进一步包括一个或多个电压转换单元。一个或多个电压转换单元连接到第一供应端Ba1、第三供应端Ba3和电压调节端Br，以实现第一输出电压Vs1同在电压调节端Br与第一供应端Ba1之间的第二输出电压Vs2之间的转换，第二输出电压Vs2低于第一输出电压Vs1。
在所描述的示例中，电压转换器10包括单个电压转换单元并且该转换单元是开关单元。例如，该转换单元包括开关臂，该开关臂包括在中点Pm处彼此连接的高侧开关T1和低侧开关T2。开关臂连接在第三供应端Ba3与第一供应端Ba1之间以接收第一输出电压Vs1。该开关单元进一步包括将中点Pm连接到电压调节端Br的电感器L。
开关单元被设计为由命令CC控制以交替地相反地断开和闭合高侧开关和低侧开关，从而根据第一输出电压Vs1生成第二输出电压Vs2。命令CC由用于控制所述电压转换器10的单元(图1中未示出)生成。
由于输出端Bs电连接到电压调节端Br，因此输出调节端Bs与第一供应端Ba1之间会生成第三输出电压Vs3。该第三输出电压Vs3在由于电压调节端Br与输出端Bs之间的联结电阻而产生的电压降的范围内基本上等于第二输出电压Vs3。
电压供应系统100进一步包括将第三供应端Ba3连接到第一供应端Ba1的电容器C1以及将调节端Br连接到第一供应端Ba1的电容器C2。作为变型，电容器C2可以连接在输出端Bs与第一供应端Ba1之间。
电压供应系统100还包括并联连接在第二供应端Ba2与输出端Bs之间的连接开关Int_c和连接电阻R。连接开关Int_c由控制装置(图1中未示出)控制。
在此描述的示例中，连接电阻R在5mΩ到80mΩ之间。换句话说，连接电阻R具有比联结电阻Rc高10至160倍的值。
每个开关SW、T1、T2和Int_c包括第一主端和第二主端以及控制端，该控制端旨在根据施加到其的控制信号选择性地断开和闭合其两个主端之间的开关SW、T1、T2和Int_c。
如果在控制端上没有控制信号的情况下——例如，当开关是晶体管时，在该晶体管的栅极上没有控制电压的情况下——开关是闭合的，则该开关可以称为常闭开关。否则，该开关将被称为常开。
开关SW、T1、T2和Int_c例如是如金属氧化物场效应晶体管等晶体管，通常由缩写词MOSFET表示。
在此描述的示例中，开关SW、T1和T2是n沟道MOSFET，并且开关Int_c采用背靠背安装(通过它们各自源极之间的电连接，或者其各自漏极之间的电连接)的两个晶体管T3和T3'的形式，两个晶体管T3和T3'是p沟道MOSFET，它们被同时控制断开或闭合。
作为变型，开关Int_c可以采用单个p沟道MOSFET T3的形式。
换句话说，开关SW、T1、T2是常开开关，而开关Int_c是常闭开关。
包括电压供应系统100的机动车辆还包括连接在第三电压供应端Ba3与第一电压供应端Ba1之间的第一负载Ch1以及连接在输出端Bs与第一电压供应端Ba1之间的第二负载Ch2，例如收音机或灯。换句话说，机动车辆包括两个车载网络，第一车载网络被供应第一输出电压Vs1，第二车载网络被供应第二输出电压Vs2。在此描述的示例中，第一车载网络被供应48V的电压，第二车载网络被供应12V的电压。
现在将描述用于通过包括在机动车辆中的供应系统100来向第二负载Ch2供电的方法。
在此描述的示例中，机动车辆包括由第二车载网络供电的起动器。
在供应系统100的第一使用模式MOD1下，例如在当车辆停止时(即驱动机动车辆的电机和/或内燃发动机停止时)使用，用于控制连接开关Int_c的装置将后者保持在闭合状态，即晶体管T3和T3'处于导通状态，开关SW断开并且用于控制电压转换器10的单元以第二操作模式操作后者，即电压转换器10不调节调节端Br与第一供应端Ba1之间的电压。
在该第一使用模式下，第一车载网络仅由电池Bat1供电。换句话说，供应给第二负载Ch2的第三输出电压Vs3仅由第一电池Bat1递送。
在供应系统100的第二使用模式MOD2下，例如在当车辆的发动机和/或电机正在运行时使用，用于控制连接开关Int_c的装置将后者保持在断开状态，即晶体管T3和T3'处于关断状态，开关SW闭合并且用于控制电压转换器10的单元以第一操作模式操作后者，即电压转换器10将第一输出电压Vs1转换成调节端Br与第一供应端Ba1之间的第二输出电压Vs2。
在该第二使用模式MOD2下，电池Bat1通过连接电阻R连接到输出端Bs。在该第二操作模式MOD2下，联结电阻Rc与连接电阻R之间的比率导致由电池Bat1和DC/DC电压转换器10递送的电流的不对称分布，并且因此导致电压转换器10和电池Bat1的不对称贡献。换句话说，在所描述的示例中，电压转换器10对第二输出电压Vs2的电压调节的贡献将比电池Bat1多10至160倍，这有助于限制电池Bat1的直接使用，从而使得可以限制其电池单元的尺寸，同时保持其寿命。
在供应系统100的第三使用模式MOD3下，例如在当车辆的发动机和/或电机通过由第二车载网络供电的起动器起动时使用，用于控制连接开关Int_c的装置将后者保持在闭合状态，即晶体管T3和T3'处于导通状态，开关SW闭合并且用于控制电压转换器10的单元开始以第一操作模式操作后者，即电压转换器10将第一输出电压Vs1转换成调节端Br与第一供应端Ba1之间的第二输出电压Vs2。
在该第三使用模式MOD3下，电池Bat1直接连接到输出端Bs，使得电池Bat1能够以与电压转换器10相同的方式有助于递送启动车辆的发动机所需的电力。
参考图2，现在将对本发明的第二实施例进行描述。在该第二实施例的描述中，与第一实施例相同或相似的元件由相同的附图标记表示。
第二实施例中的电压供应系统300与第一实施例的电压供应系统100的不同之处在于，连接开关Int_c'采用背靠背连接(通过它们各自源极之间的电连接，或者替代性地，通过其各自漏极之间的电连接)的两个晶体管T3”和T3”'和电荷泵电路的形式。
两个晶体管T3”和T3”'是由它们的控制装置同时控制断开或闭合的n沟道MOSFET，所述控制装置包括电荷泵电路，该电荷泵电路能够向常开晶体管T3”和T3”'的栅极施加控制电压。
换句话说，常开晶体管T3”、T3”'和电荷泵电路的关联产生常闭开关Int_c'。
作为变型，开关Int_c'可以是单个n沟道MOSFET T3”。
还应注意，本发明不限于上文所述的实施例。具体地，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，根据刚刚披露的教导，可以对上文所述实施例进行各种修改。
例如，在图1或图2的实施例中，DC/DC转换器10包括单个单元。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。因此，可以使用并行放置的多个相似或相同结构的单元。单元的数量N可以例如在2到12之间，例如2、3、4、5或6。
使用多个单元可以使得减少对开关的限制成为可能。然后谈到交错转换器，因为电压转换器的单元全部通向相同的输出电容器C2，每个连续单元的开关命令之间具有T/N的相移，其中，T是转换器的工作周期的周期。换句话说，每个单元内的占空比是相同的，但晶体管的命令从一个单元到另一个单元的相位差距为T/N。
此外，在上述示例中，开关SW、T1、T2、T3、T3'、T3”、T3”'是例如由硅(Si-MOSFET)或碳化硅(SiC-MOSFET)制成的MOSFET。
作为变型，这些晶体管可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)或由氮化镓(GaN-FET)制成的场效应晶体管(FET)，或者甚至是例如由氮化镓制成的高电子迁移率晶体管(HEMT)。
当然，可以使用其他DC/DC电压转换器拓扑来在第一操作模式下将第一输出电压转换成调节端与第一供应端之间的第二输出电压(第二输出电压低于第一输出电压)，并且在第二操作模式下不调节调节端与第一供应端之间的电压。
在上文给出的对本发明的详细呈现中，所使用的术语不应被解释为将本发明限制于本说明书中所披露的实施例，而应被解释为包括所有等效方案，本领域技术人员可通过应用其一般知识来实施刚刚披露的教导来预见到这些等效方案。
Claims (12)
1.一种电压供应系统(100，300)，包括：
彼此不同的第一供应端(Ba1)、第二供应端(Ba2)和第三供应端(Ba3)，电压调节端(Br)，
输出端(Bs)，
在所述电压调节端(Br)与所述输出端(Bs)之间的电连接，例如导线连接，所述电连接具有联结电阻(Rc)，
第一电池(Bat1)，所述第一电池在所述第一供应端(Ba1)与所述第二供应端(Ba2)之间生成第一供应电压(Va1)，
第二电池(Bat2)，所述第二电池在所述第二输入端(Ba2)与所述第三供应端(Ba3)之间生成第二供应电压(Va2)，所述第二电池(Bat2)与所述第一电池(Bat1)串联连接，以便在所述第三供应端(Ba3)与所述第一供应端(Ba1)之间递送第一输出电压(Vs1)，
DC/DC电压转换器(10)，所述DC/DC电压转换器被配置为在第一操作模式下将所述第一输出电压(Vs1)转换成所述调节端(Br)与所述第一供应端(Ba1)之间的第二输出电压(Vs2)，所述第二输出电压(Vs2)低于所述第一输出电压(Vs1)，并且被配置为在第二操作模式下不调节所述调节端(Br)与所述第一供应端(Ba1)之间的电压，
连接开关(Int_c，Int_c')，所述连接开关连接所述第二供应端(Ba2)和所述输出端(Bs)，以及
与所述连接开关(Int_c，Int_c')并联连接的连接电阻(R)，
所述供应系统能够在所述输出端(Bs)与所述第一供应端(Ba1)之间生成第三输出电压(Vs3)。
2.如前述权利要求所述的供应系统(100，300)，其中，所述连接开关(int_c，int_c')是常闭的。
3.如前述权利要求所述的供应系统(100)，其中，所述连接开关(Int_c)包括常闭晶体管(T3、T3')，例如p沟道FET。
4.如权利要求1或2所述的供应系统(100)，其中，所述连接开关(Int_c)包括常开晶体管(T3、T3')，例如n沟道FET，以及能够向所述常开晶体管(T3、T3')施加控制电压的电荷泵电路。
5.如前述权利要求任一项所述的供应系统(100，300)，其中，所述连接开关(Int_c，Int_c')被配置为当电压转换器(10)在所述第二操作模式下工作时闭合。
6.如前述权利要求任一项所述的供应系统(100，300)，其中，所述连接电阻(R)比所述输出端(Bs)与所述调节端(Br)之间的电连接的所述联结电阻(Rc)高2至200倍、并且优选地高10至160倍。
7.如前述权利要求任一项所述的供应系统(100，300)，其中，所述DC/DC电压转换器进一步包括一个或多个开关单元(CC)，所述开关单元或所述开关单元中的每一个包括：
开关臂，所述开关臂包括在中点(Pm)处彼此连接的高侧开关(T1)和低侧开关(T2)，所述开关臂连接在所述第一供应端(Ba1)与所述第三供应端(Ba3)之间，以及
电感器(L)，所述电感器连接在所述开关臂的所述中点(Pm)与所述调节端(Br)之间。
8.如前述权利要求所述的供应系统(100，300)，其中，所述高侧开关和/或所述低侧开关(204)是MOSFET，例如由硅或碳化硅制成的MOSFET，或者是由氮化镓制成的FET或由氮化镓制成的HEMT。
9.一种车辆，包括如前述权利要求任一项所述的供应系统(100，300)。
10.如前述权利要求所述的车辆，包括连接在所述第三电压供应端(Ba3)与所述第一电压供应端(Ba1)之间的第一负载(Ch1)以及连接在所述输出端(Bs)与所述第一电压供应端(Ba1)之间或者所述调节端(Br)与所述第一电压供应端(Ba1)之间的第二负载(Ch2)。
11.一种通过如权利要求1至8中任一项所述的供应系统(100，300)输出的第三电压(Vs3)来对第二负载(Ch2)供电的方法，该供电方法包括以下步骤：
在所述供应系统(100)的第一使用模式(MOD1)下，闭合所述连接开关(Int_c，Int_c')并将所述电压转换器(10)置于所述第二操作模式，以及
在所述供应系统(100)的第二使用模式(MOD2)下，断开所述连接开关(Int_c，
Int_c')并将所述电压转换器(10)置于所述第一操作模式。
12.如前述权利要求所述的方法，其中，所述供电方法进一步包括以下步骤：在所述供应系统(100)的第三使用模式(MOD3)下，闭合所述连接开关(Int_c，Int_c')并将所述电压转换器(10)置于所述第一操作模式。
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