CN117894562A - 用于直流电压转换以及用于为车辆电池充电的电气系统的变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变压器(20)，该变压器包括磁芯(5)，该磁芯(5)包括多个磁柱(51，52，53)，初级绕组(P1，P2，P3)、第一次级绕组(S1，S2，S3)和三级绕组(T1a‑T1b，T2a‑T2b，T3a‑T3b或T1，T2，T3)围绕每个磁柱缠绕；变压器(20)包括所述绕组；磁芯(5)包括第一半芯(5a)和第二半芯(5b)，该第一半芯和该第二半芯分别包括磁柱(51，52，53)的子磁柱(51a，52a，53a，51b，52b，53b)；变压器(20)的特征在于：气隙(61)分别定位成靠近第一半芯(5a)或靠近第二半芯(5b)；变压器(20)的绕组中的一些是利兹线，并且绕组中的一些是扁平导体。

Description

用于直流电压转换以及用于为车辆电池充电的电气系统的变 压器
技术领域
本发明涉及用于电动车辆(EV)或混合动力电动车辆(HEV)的电气系统的领域。
本发明特别涉及一种电气系统的变压器，该变压器被配置为对车辆的两个电池进行充电和放电，其中，这些电池中的一个电池具有比另一个电池更高的额定电压。
背景技术
众所周知，电动车辆或混合动力机动车辆包括：电驱动系统，该电驱动系统由高压(HV)供电电池经由车载高压电气网络供电；以及多个辅助电气设备，该多个辅助电气设备由低压(LV)供电电池经由车载低压电网供电。因此，高压电池确保向电动化系统供电，从而允许推进车辆。低压电池为比如车载电子控制单元(ECU)、窗户升降马达、多媒体系统等辅助电气设备供电。高压电池通常输送介于100V与900V之间、优选介于400V与600V之间的电压，而低压电池通常输送约12V、24V或48V的电压。
通常，电动/混合动力车辆的电气系统包括两个功率转换器，这两个功率转换器用于用作不同电源之间的接口并且用于对高压电池和低压电池进行充电。这两个功率转换器包括车载充电器(OBC)和DC-DC转换器。OBC用于从外部电网(例如，家用AC电网)收集交流(AC)电压并且用于将交流电压转换为高直流(DC)电压，以便对高压电池进行充电。另一方面，也被认为是辅助电源(APM)的DC-DC转换器被配置为将来自高压电池的高压转换为低压以向车辆的低功率附件和低压电池供应。
通常，电气系统的OBC和DC-DC转换器作为两个完全独立的装置安装到车辆中并且各自具有单独的壳体和单独的冷却系统。然而，对于电气系统的紧凑设计的需求不断增加，例如，减小安装在车辆中的电气系统的体积和重量，从而减少电气系统的部件的数量。为此，在最近的市场中提出了几种解决方案。
解决方案之一是将独立的OBC和DC-DC转换器安装在同一壳体内，这允许独立的OBC和DC-DC转换器都使用相同的冷却系统以及甚至相同的电磁兼容性(EMC)滤波器。然而，仍然需要减少这种电气系统的体积和重量以及部件(例如，半导体、磁体、互连部和印刷电路板(PCB))的数量。
其他已知的解决方案可以允许电气系统具有较少的部件。然而，这种电气系统存在重要的缺点，比如要供应给电池的电流中的纹波、功率耗散、电气系统的某些部件之间缺乏电流隔离、电气系统的结构缺乏模块化设计等。
在这种情况下，变压器设计允许电气系统的一个或多个变压器与电气系统的其他部件协作，以便有效地对车辆的高压电池和低压电池充电和放电，同时克服上述缺点的至少一部分。
发明内容
本发明涉及一种变压器，该变压器包括磁芯，该磁芯包括多个磁柱，初级绕组、第一次级绕组和三级绕组围绕所述多个磁柱中的每一个缠绕；变压器包括所述绕组；磁芯包括第一半芯和第二半芯，该第一半芯和该第二半芯分别包括这些磁柱的子磁柱；变压器的特征在于：
气隙分别定位成靠近第一半芯或靠近第二半芯；
变压器的绕组中的一些是利兹线，并且绕组中的一些是扁平导体。
初级绕组和次级绕组以形成第一子变压器的方式耦合，初级绕组和三级绕组以形成第二子变压器的方式耦合，次级绕组和三级绕组以形成第三子变压器的方式耦合；
根据实施例，初级绕组和第一次级绕组是利兹线；和/或变压器的三级绕组是扁平导体。
根据实施例，初级绕组的利兹线和第一次级绕组的利兹线由多匝之间的串联连接部制成；和/或变压器的三级绕组分别通过包括并联连接的匝来布置。
根据实施例，气隙全部定位成靠近第一半芯；或者气隙全部定位成靠近第二半芯；或者中间磁柱中的气隙定位成靠近第一半芯，而与中间磁柱相邻的磁柱中的气隙定位成靠近第二半芯；或者中间磁柱中的气隙定位成靠近第二半芯，而与中间磁柱相邻的磁柱中的气隙定位成靠近第一半芯。
根据实施例，对于每个磁芯磁柱，对应的第一次级绕组夹在三级绕组的两组匝之间。
根据实施例，变压器的每个三级绕组与初级绕组之一交错，使得三级绕组的一组匝夹在对应的初级绕组的两组匝之间；和/或每个三级绕组也分别与第一次级绕组之一交错，使得三级绕组的一组匝夹在对应的第一次级绕组的两组匝之间。
根据实施例，分别围绕两个相邻磁柱之一缠绕的初级绕组以如下方式布置：初级绕组之一靠近第一半芯和第二半芯中的一者缠绕，而另一个初级绕组靠近第一半芯和第二半芯中的另一者缠绕；和/或分别围绕两个相邻磁柱之一缠绕的第一次级绕组以如下方式布置：第一次级绕组之一靠近第一半芯和第二半芯中的一者缠绕，而另一个第一次级绕组靠近第一半芯和第二半芯中的另一者缠绕。
根据实施例，变压器的每个三级绕组与初级绕组之一交错，使得三级绕组的至少一组匝和对应的第一次级绕组的一组匝夹在对应的初级绕组的两组匝之间；和/或每个三级绕组也与第一次级绕组之一交错，使得三级绕组的至少一组匝和对应的初级绕组的一组匝夹在对应的第一次级绕组的两组匝之间。
根据实施例，三级绕组分别由两个辅助绕组构成或者分别是单个绕组。
此外，本发明涉及一种用于电动车辆或混合动力电动车辆的电气系统，该电气系统包括根据前述权利要求中任一项所述的变压器。
根据实施例，电气系统连接到功率因数校正(PFC)转换器并且被配置为对车辆的第一电池和第二电池进行充电和放电；第一电池具有比第二电池更高的额定电压；电气系统包括：
LLC初级电路，该LLC初级电路包括第一多相H桥，该第一多相H桥用于控制变压器的初级绕组；LLC初级电路连接到PFC转换器；
HVDC部分，该HVDC部分耦合到LLC初级电路、变压器的第一次级绕组和第一电池，以便允许与第一电池进行能量交换；HVDC部分包括第二多相H桥，该第二多相H桥被配置为控制第一次级绕组；
LVDC部分，该LVDC部分耦合到变压器的三级绕组并且耦合到第二电池，以便允许与第二电池进行能量交换；LVDC部分包括整流器，该整流器被配置为控制变压器的三级绕组。
本发明还涉及一种包括如上文简要描述的电气系统的电动车辆或混合动力电动车辆。
本发明的这些和其他目的、特征、方面和优点对于本领域技术人员将从以下结合附图披露本发明的优选实施例的详细说明书中变得显而易见。
附图说明
通过阅读以下说明书并且参考作为非限制性示例给出的附图，将更好地理解本发明，其中相同的附图标记表示相似的对象，并且在附图中：
图1展示了根据本发明的实施例的用于AC/DC电压转换和用于为电池充电的电气系统；
图2展示了图1所展示的电气系统的变压器包括谐振电感器和磁化电感器；
图3展示了图1所展示的电气系统的变压器既不包括谐振电感器也不包括磁化电感器；
图4展示了根据本发明的实施例的电气系统，该实施例不同于图1所描绘的实施例；
图5展示了图4所展示的电气系统的变压器包括谐振电感器和磁化电感器；
图6展示了图4所展示的电气系统的变压器既不包括谐振电感器也不包括磁化电感器；
图7展示了根据本发明的电气系统的第一工作模式；
图8展示了根据本发明的电气系统的第二工作模式；
图9展示了根据本发明的电气系统的第三工作模式；
图10展示了根据本发明的电气系统的第四工作模式；
图11展示了根据本发明的电气系统的第五工作模式；
图12展示了根据本发明的实施例的变压器的磁芯；
图13展示了根据本发明的用于在磁芯上布设变压器的绕组的第一布设选项，磁芯的磁柱包括气隙；
图14展示了根据本发明的用于在磁芯上布设变压器的绕组的第二布设选项，其中磁柱的气隙具有与图13中不同的位置；
图15展示了根据本发明的用于在磁芯上布设变压器的绕组的第三布设选项；
图16展示了根据本发明的用于在磁芯上布设变压器的绕组的第四布设选项；
图17展示了根据本发明的用于在磁芯上布设变压器的绕组的第五布设选项；以及
图18展示了形成三角形变压器的本发明的另一实施例。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的几个实施例。对于本领域技术人员来说，根据本披露内容将显而易见的是，提供本发明的这些实施例中的以下说明书仅用于说明而不是为了限制由所附权利要求及其等同物限定的本发明的目的。
本发明涉及电动车辆或混合动力电动车辆的电气系统1。电气系统1被配置为对车辆的两个电池34、44进行充电和放电。图1展示了根据本发明的实施例的电气系统1。
电气系统1包括功率因数校正(PFC)部分10、变压器20、高压直流(HVDC)部分30和低压直流(LVDC)部分40。电气系统1连接到PFC并且由PFC供电，该PFC输送例如220V的电压。PFC是AC/DC转换器。电气系统1具有分别在图7至图11和相关段落中展示的五种工作模式。
变压器20是多相变压器。本文中的术语“多相”是指“n”个相，其中n是三或二的倍数。例如，在图中所展示的实施例中，n等于三(即，“三相”)。变压器20包括磁芯5和围绕磁芯5缠绕的绕组。更确切地说，变压器20的绕组包括初级绕组P1至P3、第一次级绕组S1至S3以及三级绕组T1a-T1b、T2a-T2b、T3a-T3b。每个三级绕组优选地由两个辅助绕组构成并且对应于初级绕组之一和第一次级绕组之一。例如，在图1所展示的实施例中，辅助绕组T1a、T1b形成对应于初级绕组P1和第一次级绕组S1的三级绕组T1a-T1b。替代地，如图4所展示，三级绕组可以分别是单个绕组T1、T2、T3并且连接到(整流器41的)三个半桥，这将在说明书中稍后详细描述。
此外，每个三级绕组特别是通过以下方式可以容易地与该三级绕组的对应的初级绕组以及该三级绕组的对应的第一次级绕组集成：以使得围绕三级绕组的磁芯5的磁柱之一的匝与该三级绕组对应的初级绕组和该三级绕组对应的第一次级绕组相耦合的方式来获得这种三级绕组。例如，在图1(或图4)所展示的实施例中，三级绕组T1a-T1b(或T1)可以与初级绕组P1和第一次级绕组S1集成在磁芯的第一磁柱上。类似地，三级绕组T2a-T2b(或T2)可以与初级绕组P2和第一次级绕组S2集成在磁芯的第二磁柱上，而三级绕组T3a-T3b(或T3)可以与初级绕组P3和第一次级绕组S3集成在磁芯的第三磁柱上。变压器20的绕组的布设将在图12至图17和相关段落中描述。
PFC部分10包括：分别连接到DC链路电容器11的两个输出端子G；以及连接到DC链路电容器11的LLC初级电路12。PFC是AC-DC转换器。DC链路电容器11连接在输出端子G与第一多相H桥B1之间。LLC初级电路12包括第一多相H桥B1，该第一多相H桥被配置为控制变压器20的初级绕组P1至P3。第一多相H桥B1包括多个受控开关LLC_S1至LLC_S6，该多个受控开关优选地是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。更确切地说，第一多相H桥B1包括分别由一对开关构成的三个臂LLC_S1-LLC_S2、LLC_S3-LLC_S4、LLC_S5-LLC_S6，如图1所展示。
电气系统1包括耦合到第一多相H桥B1的第一谐振电路。第一谐振电路是多相谐振电路并且包括谐振电容器Cr1至Cr3、第一谐振电感器Llkp1至Llkp3、以及第一磁化电感器Lm1至Lm3。根据实施例，LLC初级电路12包括谐振电容器Cr1至Cr3、以及第一谐振电感器Llkp1至Llkp3。
谐振电容器Cr1至Cr3分别连接在第一谐振电感器Llkp1至Llkp3之一与第一多相H桥B1的臂之一之间。第一谐振电感器Llkp1至Llkp3分别耦合到变压器20的初级绕组P1至P3之一。谐振电容器Cr1至Cr3和第一谐振电感器Llkp1至Llkp3与初级绕组P1至P3串联。分别对应于初级绕组P1至P3之一的第一磁化电感器Lm1至Lm3分别是与初级绕组P1至P3不同的部件，或者替代地，分别是初级绕组P1至P3之一的固有电感。
如图2和图5所展示，第一谐振电感器Llkp1至Llkp3和第一磁化电感器Lm1至Lm3被集成到变压器20中。替代地，如图3和图6所展示，变压器20既不包括第一谐振电感器Llkp1至Llkp3，也不包括第一磁化电感器Lm1至Lm3。
HVDC部分30耦合到LLC初级电路12、第一次级绕组S1至S3、以及第一电池34，以便允许与第一电池34进行能量交换。第一电池34是高压(HV)电池，其中“高压”意指大于60V、或甚至80V或100V、特别是介于100V与900V之间的电压。第一电池34例如由约400V的高压供电。HVDC部分30包括LLC次级电路31。LLC次级电路31包括次级电容器Cs1至Cs3和第二多相H桥B2。次级电容器Cs1至Cs3连接在第一次级绕组S1至S3与第二多相H桥B2之间。
LLC次级电路31由第二多相H桥B2控制。第二多相H桥B2包括多个受控开关REC_S1至REC_S6，该多个受控开关优选地是MOSFET晶体管。更确切地说，第二多相H桥B2包括分别由一对开关构成的多个臂REC_S1-REC_S2、REC_S3-REC_S4和REC_S5-REC_S6，如图1和图4所展示。次级电容器Cs1至Cs3分别与第一次级绕组S1至S3之一和第二多相H桥B2的臂之一串联。
根据优选实施例，与谐振电容器Cr1、Cr2或Cr3的电容值相比，次级电容器Cs1至Cs3各自包括高电容值，特别是例如至少大十倍。次级电容器Cs1至Cs3的电容值例如分别介于3μF与100μF之间。这使得可以在电气系统1的开关频率下具有可忽略的阻抗。次级电容器Cs1至Cs3的功能是避免变压器在反向工作中(即，在将在下面描述的第三工作模式和第四工作模式中)的饱和。
另外，电气系统1可以包括第二谐振电路，该第二谐振电路包括次级电容器Cs1至Cs3、第二谐振电感器Llks1至Llks3、以及优选地第二磁化电感器(图中未示出)。第二谐振电路是多相谐振电路。第二谐振电感器Llks1至Llks3分别与变压器20的第一次级绕组S1至S3之一串联。第二磁化电感器分别对应于第一次级绕组S1至S3之一并且特别地分别对应于第一次级绕组S1至S3之一的固有电感。该第二谐振电路用于使第一电池34放电，以对PFC转换器进行充电(即，在下面将描述的第三工作模式下)。
根据实施例，第二谐振电感器Llks1至Llks3(以及可能的第二磁化电感器)被集成到变压器20中，如图2和图5所展示。替代地，变压器20既不包括第二谐振电感器Llks1至Llks3，也不包括第二磁化电感器，如图3和图6所展示。
根据另一实施例，变压器20既不包括第一谐振电感器Llkp1至Llkp3也不包括第二谐振电感器Llks1至Llks3，而是包括第一磁化电感器Lm1至Lm3。
根据电路包括第二谐振电感器Llks1至Llks3的实施例，与谐振电容器Cr1、Cr2或Cr3的电容值相比，次级电容器Cs1至Cs3各自包括相同数量级的值。
优选地，HVDC部分30进一步包括反向开关32和输出EMC滤波器33。反向开关32连接在LLC次级电路31与输出EMC滤波器33之间并且被配置为在OBC发生故障的情况下保护HVDC电池。EMC滤波器33连接在输出EMC滤波器33与第一电池34之间。
至于LVDC部分40，其耦合到变压器20的三级绕组、以及第二电池44，以便允许与第二电池44进行能量交换。第二电池44是低电压(LV)电池，其中“低电压”是指小于或等于60V，或甚至48V、24V或12V或甚至更小，特别是介于8V与15.5V之间的电压。LVDC部分40包括整流器41和降压转换器42。LVDC部分40连接到整流器41，该整流器优选地是中心抽头整流器。
连接在变压器20的三级绕组与降压转换器42之间的整流器41包括多个开关SR_S1至SR_S6，该多个开关优选地是MOSFET晶体管。变压器20的LV侧处的整流器41可以是全桥整流器或者替代地是半波整流器。根据图1所展示的实施例，开关SR_S1至SR_S6形成分别对应于三级绕组T1a-T1b、T2a-T2b、T3a-T3b之一的多组开关。每组开关包括两个开关，其中，两个开关之一连接在对应的三级绕组的第一端子与整流器41的节点之间，并且所述两个开关中的另一个连接在三级绕组的第二端子与所述整流器41的节点之间。例如，整流器41的第一组开关由开关SR_S1和SR_S2构成并且对应于三级绕组T1a-T1b。开关SR_S1连接在三级绕组T1a-T1b的第一端子与整流器41的节点之间。第二开关SR_S2连接在三级绕组T1a-T1b的第二端子与所述整流器41的节点之间。类似地，整流器41的第二组开关由开关SR_S3和SR_S4构成并且对应于三级绕组T2a-T2b。开关SR_S3连接在三级绕组T2a-T2b的第一端子与整流器41的节点之间。开关SR_S4连接在三级绕组T2a-T2b的第二端子与所述整流器41的节点之间。整流器41的第三组开关由开关SR_S5和SR_S6构成并且对应于三级绕组T3a-T3b。开关SR_S5连接在三级绕组T3a-T3b的第一端子与整流器41的节点之间。开关SR_S6连接在三级绕组T3a-T3b的第二端子与所述整流器41的节点之间。每个三级绕组T1a-T1b、T2a-T2b、T3a-T3b具有中点，并且所有中点连接到整流器41的第二输出端子。整流器41的第一输出端子连接到整流器41的所述节点。
在整流器41的开关SR_S1至SR_S6分别是二极管的实施例中，二极管的阴极连接到整流器41的节点。这些二极管例如是本身已知的所谓的“超快”二极管。然而，与开关SR_S1至SR_S6是MOSFET的实施例相比，开关SR_S1至SR_S6是二极管的实施例将降低电气系统1的效率、特别是用于对第二电池44进行充电的电压转换效率。另外，根据实施例，整流器41的开关SR_S1至SR_S6可以执行同步整流。特别地，开关SR_S1至SR_S6可以是自控制的，并且传导损耗因此可以减少。
替代地，根据图4所展示的实施例，三级绕组T1、T2、T3连接到整流器41的三个半桥。开关SR_S1至SR_S6形成分别连接到三级绕组T1、T2、T3之一的多组开关。三级绕组T1连接到由开关SR_S1和SR_S2构成的第一组开关。类似地，三级绕组T2和T3分别连接到由开关SR_S3、SR_S4构成的第二组开关和由开关SR_S5、SR_S6构成的第三组开关。
变压器20和整流器41可以为降压转换器42供电，以便最终对第二电池44进行充电。降压转换器42是DC-DC转换器，其被配置为从其输入到其输出而降低电压。降压转换器42生成介于8V与15.5V之间的输出电压(例如，12V的输出电压)，该输出电压将被供应给第二电池44。降压转换器42优选地是多相交错降压转换器(例如，三相交错降压转换器)并且包括多个开关BUCK_S1至BUCK_S6和电感器Lb1至Lb3。开关BUCK_S1至BUCK_S6优选地是MOSFET晶体管并且形成分别与电感器Lb1、Lb2、Lb3之一串联的多对开关，如图1所展示。电感器Lb1至Lb3连接在开关BUCK_S1至BUCK_S6与降压转换器42的输出之间。优选地，降压转换器42进一步包括在降压转换器42的输入处或连接到降压转换器的输入的电容器Cb。
优选地，LVDC部分40的开关是40V和60V功率MOSFET。根据实施例，LVDC部分40进一步包括输出滤波器43。输出滤波器43连接在降压转换器42与第二电池44之间。另外，LVDC部分40可以包括至少一个次级电感器，该至少一个次级电感器被配置为对要供应给第二电池44的电流进行滤波，以便减少电流中的纹波并且仅保持所述电流的连续分量。根据实施例，次级电感器在输出滤波器43中用以对来自降压转换器42并且将被供应给第二电池44的电流进行滤波。
初级绕组P1与第一次级绕组S1之间的变换比、以及初级绕组P2与第一次级绕组S2之间的变换比、以及初级绕组P3与第一次级绕组S3之间的变换比分别为1的量级，用以向第一电池34提供来自PFC(诸如已经转换成在DC链路电容器中调节的DC电压的公共供电网络)的大于100V(特别是400V的量级)的电压。然而，确定初级绕组P1或第一次级绕组S1与三级绕组T1a-T1b(或T1)之间的变换比、以及初级绕组P2或第一次级绕组S2与三级绕组T2a-T2b(或T2)之间的变换比、以及初级绕组P3或第一次级绕组S3与三级绕组T3a-T3b(或T3)之间的变换比，以便在LVDC部分40中获得小于100V的电压，特别是介于24V与48V之间的电压，或甚至是12V的电压。
根据本发明的电气系统1被配置为实现以下五种工作模式中的至少一种，如图7至图11所展示。
因此，电气系统1能够用作PFC与第一电池34之间的充电器，并且用作第一电池34与第二电池44之间的DC-DC转换器，其中第一电池34被配置为具有比第二电池44更高的额定电压。
图7展示了电气系统1的第一工作模式，其中电气系统1仅用作车载充电器(OBC)，该车载充电器被配置为从PFC对第一电池34进行充电。电流沿图7中的方向D1流动。
LLC初级电路12和HVDC部分30分别由第一和第二多相H桥B1、B2控制。此外，第一多相H桥B1和第二多相H桥B2被配置为控制通过将初级绕组P1至P3分别与其对应的第一次级绕组S1至S3耦合而形成的第一变压器单元。谐振电容器Cr1至Cr3、第一谐振电感器Llkp1至Llkp3、以及第一磁化电感器Lm1至Lm3形成第一谐振电路。
第一多相H桥B1的开关LLC_S1至LLC_S6被控制为以零电压切换(ZVS)工作。同时，第二多相H桥B2的开关REC_S1至REC_S6被控制为以零电流开关(ZCS)工作。降压转换器42的开关BUCK_S1至BUCK_S6断开。换言之，降压转换器42被停用。
LLC初级开关频率因此被修改以调节用于对第一电池34进行充电的电压。尽管在LVDC部分40的整流器41的输出处产生电压，但仍不存在到第二电池44的电流，因为降压转换器42被停用。
图8展示了电气系统1的第二工作模式，其中电气系统1用作OBC以对第一电池34进行充电并且同时用作DC-DC转换器以对第二电池44进行充电。第一电池34和第二电池44都从PFC进行充电。电流分别在图8中的两个方向D2a和D2b上流动。
变压器20的三级绕组和初级绕组P1至P3形成第二变压器单元，以便为第二电池44供电。选择每个初级绕组S1至S3与其对应的三级绕组之间的变换比，使得与HVDC部分30相比，LVDC部分40中的电压降低。此外，如上所提及，LVDC部分40的至少一个次级电感器对要供应到第二电池44的电流进行滤波，以便减少电流中的纹波。
以与用于对第一电池34进行充电的第一工作模式相同的方式控制第一多相H桥B1和第二多相H桥B2，这允许电气系统1起到用作对第一电池34进行充电的主电源的OBC的作用。同时，以与第一工作模式不同的方式控制整流器41，使得LVDC部40用作辅助电源以对第二电池44进行充电。为此目的，整流器41的开关SR_S1至SR_S6被控制为执行同步整流。连接到整流器41的输出端的降压转换器42将电压电平降低到用于对第二电池44进行充电的期望的电压电平。
第一多相H桥B1的开关LLC_S1至LLC_S6被控制为以ZVS工作。同时，第二多相H桥B2的开关REC_S1至REC_S6被控制为以ZCS工作。如上所提及，整流器41的开关SR_S1至SR_S6执行同步整流，并且如果需要，执行硬切换以迫使降压转换器42的开关BUCK_S1至BUCK_S6分别接通或关断。
LLC初级开关频率因此被修改以调节用于对第一电池34进行充电的电压。在LVDC部分40的整流器41的输出端处生成16V与28V之间的电压，并且然后降压转换器42被激活以将LVDC电压调节到8V与15.5V之间。由于AC侧的电流限制，总功率被限制在7kW，使得总功率在第一电池34与第二电池44之间共享。
图9展示了电气系统1的第三工作模式。第三工作模式部分地类似于第二工作模式，因为LLC初级电路12和LLC次级电路31被设计为对称的。
在第三工作模式中，电气系统1用作使第一电池34放电以同时对PFC和第二电池44进行充电。换句话说，来自第一电池34的电功率在PFC与第二电池44之间共享。电流分别在图9中的两个方向D3a和D3b上流动。
第一多相H桥B1的开关LLC_S1至LLC_S6被控制为以ZCS工作。同时，第二多相H桥B2的开关REC_S1至REC_S6被控制为以ZVS工作。降压转换器42的开关BUCK_S1至BUCK_S6断开。换言之，降压转换器42被停用。整流器41允许LVDC部分40起到辅助电源的作用以对第二电池44进行充电。为此目的，整流器41的开关SR_S1至SR_S6被控制为执行同步整流。如果需要，则执行硬切换以迫使降压转换器42的开关BUCK_S1至BUCK_S6分别接通或断开。
类似于第二工作模式，LVDC部分40在第三工作模式中优选地包括至少一个次级电感器，该至少一个次级电感器被配置为对要供应给第二电池44的电流进行滤波，以便减少电流中的纹波并且仅保持所述电流的连续分量。
LLC初级开关频率因此被修改以调节PFC部分10处的电压。在LVDC部分40的整流器41的输出端处生成16V与28V之间的电压，并且然后降压转换器42被激活以将LVDC电压调节到8V与15.5V之间。
图10展示了电气系统1的第四工作模式，其中电气系统1仅用作DC-DC转换器，该DC-DC转换器被配置为使第一电池34放电从而自主地对第二电池44进行充电。该功能也称为辅助电源(APM)。电流沿图10中的方向D4流动。
PFC中没有电流。
第一多相H桥B1被停用。以例如50％的占空比控制第二多相H桥B2，以便向LVDC部分40供应足够的电压以对第二电池44进行充电。变压器20的第一次级绕组S1至S3和三级绕组形成第三变压器单元。特别地，降压转换器42用于将在整流器41的输出端处获得的并且取决于变压器20的三级绕组与第一次级绕组S1至S3之间的变换比的电压转换成要供应给第二电池44的期望电压。
此外，LVDC部分40优选地包括至少一个次级电感器，该至少一个次级电感器被配置为对要供应给第二电池44的电流进行滤波，以便减少电流中的纹波并且仅保持所述电流的连续分量。
第一多相H桥B1的开关LLC_S1至LLC_S6是不激活的。同时，执行硬切换以迫使第二多相H桥B2的开关REC_S1至REC_S6分别接通或断开。整流器41的开关SR_S1至SR_S6被控制为执行同步整流，并且如果需要，则执行硬切换以迫使降压转换器42的开关BUCK_S1至BUCK_S6分别接通或关断。
LLC次级开关频率被修改以调节LVDC部分40处的电压，并且降压转换器42然后被激活以将LVDC电压调节到介于8V与15.5V之间。
图11展示了电气系统1的第五工作模式，其中电气系统1被用作反向DC-DC转换器，该反向DC-DC转换器被配置为使第二电池44放电以自主地对第一电池34进行充电。电流沿图11中的方向D5流动。
PFC部分10的DC链路电容器11必须断开，以避免电解电容器内部的电流振荡并且防止寿命缩短。降压转换器42变成交错升压并且向变压器20的LV侧供应功率。然后将所述功率传输到LLC次级电路31，LLC次级电路允许对HVDC部分30的HV电容器进行充电或预充电，然后对第一电池34进行充电。在LV侧处需要软启动以限制LV电流。
另外，根据与上述实施例不同的实施例，降压转换器42的电感器Lb1至Lb3可以彼此耦合，或者替代地，彼此不耦合。此外，尽管在先前的实施例中，降压转换器42是在变压器的LV侧的三相交错降压转换器，但是降压转换器42可以具有不同于三的相数和/或可以移动到电气系统1的HVDC部分30。
如上所提及，本发明还涉及变压器20和围绕磁芯5缠绕的变压器20的绕组的布设。图12展示了根据本发明的实施例的磁芯5。磁体5包括多个磁柱。根据图中所展示的实施例，磁芯5具有三个磁柱51、52、53。在另一个中(图中未展示)，磁芯5可以具有不同于三个的多个磁柱。
磁芯5优选地通过组合第一半芯5a和第二半芯5b而形成。第一半芯5a和第二半芯5b优选都呈E的形式。第一半芯5a包括第一子磁柱51a、52a、53a。第二半芯5b包括第二子磁柱51b、52b、53b。有利地，每个磁柱51、52、53由第一子磁柱(51a、52a或53a)之一和第二子磁柱(51b、52b或53b)之一构成。每个磁柱51至53包括位于其第一子磁柱与对应的第二子磁柱之间的气隙61，如图12所示。气隙61允许通过使磁滞曲线平坦化并且减小磁芯5的磁导率来改进能量管理并且还使得可以调节磁化电感器的值。
以一个气隙61作为示例，其可以位于磁芯5的磁柱的中间，其中第一子磁柱的长度等于对应的第二子磁柱的长度。替代地并且优选地，气隙61定位成靠近第一半芯5a或靠近第二半芯5b的位置，这有助于变压器20的绕组的布设。如果气隙61定位成更靠近第一半芯5a，或者甚至非常靠近第一子磁柱的底部，则第一子磁柱呈现的长度比对应的第二子磁柱的长度小(或小得多)。替代地，如果气隙61定位成更靠近第二半芯5b，或者甚至非常靠近第二子磁柱的底部，则第一子磁柱呈现的长度比对应的第二子磁柱的长度更大(或大得多)。
例如，如图12、13、15、16所展示，气隙61全部定位成靠近第二半芯5b，或者有利地，分别非常靠近第二子磁柱51b、52b、53b的底部。第一子磁柱51a、52a、53a各自呈现的长度比对应的第二子磁柱51b、52b、53b的长度大得多。另一方面，根据图14和图17所展示的其他示例，中间磁柱52中的气隙61定位成靠近第一半芯5a(或有利地，非常靠近第一子磁柱52a的底部)，而与中间磁柱52相邻的磁柱(51或53)中的气隙61定位成靠近第二半芯5b。替代地，气隙61全部定位成靠近第一半芯5a，或者有利地，分别非常靠近第一子磁柱51a、52a、53a的底部。替代地，中间磁柱52中的气隙61定位成靠近第二半芯5b(或有利地，非常靠近第二子磁柱52b的底部)，而与中间磁柱52相邻的磁柱(51或53)中的气隙61定位成靠近第二半芯5b。
图13至图17分别展示了用于在磁芯5上布设变压器20的绕组的五种布设选项中的一种。在五个布设选项中的每一个中，初级绕组P1至P3之一、第一次级绕组S1至S3之一和三级绕组(T1a-T1b、T2a-T2b、T3a-T3b或T1至T3)之一围绕磁芯5的磁柱51至53之一缠绕。
图13至图17中的符号“x”和“●”表示两个相反的布设方向。更确切地说，符号“x”表示变压器20的绕组之一的导线例如根据从磁芯5的前侧55到后侧的第一方向71朝向磁芯5进入。符号“●”表示变压器20的绕组之一绕组的导线例如根据与第一方向71相反的第二方向并且从磁芯5的后侧到前侧55离开磁芯5。
图13展示了根据本发明的第一布设选项。
优选地，初级绕组P1、P2、P3和第一次级绕组S1、S2、S3是利兹线。利兹线是由绞合的单线制成的电导体。初级绕组P1、P2、P3的利兹线和第一次级绕组S1、S2、S3的利兹线由多匝之间的串联连接部制成。此外，对于磁芯5的每个磁柱，对应的第一次级绕组(S1、S2或S3)夹在变压器20的三级绕组的两组匝之间。例如，第一次级绕组S1夹在三级绕组T1a-T1b的两组匝T1a、T1b之间，其中，两组匝T1a、T1b是三级绕组T1a-T1b的两个辅助绕组T1a、T1b。
变压器20的三级绕组优选地是扁平导体。有利地，为了分割三级绕组所需的高电流，每个所述三级绕组包括并联的扁平导体。换句话说，三级绕组分别通过包括并联连接的匝来布置。
气隙61分别定位成靠近第二半芯5b，或者更精确地，靠近第二子磁柱51b、52b、53b之一的底部。有利地，分别围绕磁柱51、52、53之一缠绕的绕组分别围绕第一子磁柱51a、52a、53a之一缠绕。换句话说，没有绕组围绕第二子磁柱51b、52b、53b缠绕，如图13所展示。气隙61减少或避免了由初级绕组P1至P3与第一次级绕组S1至S3之间的漏电感引起的不期望的干扰。此外，在彼此对接的初级绕组P1至P3、第一次级绕组S1至S3、以及三级绕组T1a-T1b、T2a-T2b、T3a-T3b的相应导体之间需要基本绝缘，这使得在电动车辆应用中更容易实施。
图14展示了根据本发明的第二布设选项。第二布设选项允许保持分别围绕磁芯5的磁柱51至53之一缠绕的绕组之间的对称性。
第二布设选项与先前描述的第一选项之间的唯一差异是气隙61在中间磁柱52中的位置。第二布设选项的其余特征与第一布设选项的那些特征相同或类似并且因此在本文中不冗余地描述。
根据第二布设选项，中间磁柱52中的气隙61定位成靠近第一半芯5a(或更精确地，靠近第一半磁柱52a的底部)，而其他气隙61定位成靠近第二半芯5b(或更精确地，靠近第二半磁柱51b、53b的底部)。有利地，围绕中间磁柱52缠绕的绕组实际上围绕第二子磁柱52a缠绕，而分别围绕磁柱51、53之一缠绕的绕组实际上分别围绕第一子磁柱51a、53a之一缠绕，如图14所展示。
图15展示了根据本发明的第三布设选项。第三布设选项在气隙61的位置方面与第一布设选项相同或相似。
变压器20的每个三级绕组(即,低压侧)与初级绕组P1、P2、P3之一交错，使得三级绕组的一组匝夹在对应的初级绕组的两组匝之间。例如，三级绕组T1a-T1b与对应的初级绕组P1交错，使得三级绕组T1a-T1b的(辅助绕组T1a的)一组匝夹在初级绕组P1的两组匝之间。三级绕组T2a-T2b与对应的初级绕组P2交错，使得三级绕组T2a-T2b的(辅助绕组T2b的)一组匝夹在初级绕组P2的两组匝之间，如图15所展示。
另外，变压器20的每个三级绕组也分别与第一次级绕组S1、S2、S3之一交错，使得三级绕组的一组匝夹在对应的第一次级绕组的两组匝之间。例如，三级绕组T1a-T1b与对应的第一次级绕组S1交错，使得三级绕组T1a-T1b的(辅助绕组T1b的)一组匝夹在第一次级绕组S1的两组匝之间。三级绕组T2a-T2b与对应的第一次级绕组S2交错，使得三级绕组T2a-T2b的(辅助绕组T2a的)一组匝夹在第一次级绕组S2的两组匝之间，如图15所展示。
此外，变压器20的每个初级绕组分别与三级绕组之一交错，或者变压器的每个次级绕组分别与三级绕组之一交错。初级绕组和次级绕组不交错。这确保了初级绕组与次级绕组之间的漏电感的管理。因此，谐振电感器可以集成到变压器20中，如图2和图5所示。
在第三布设选项中提供的上述交错配置允许降低功率损耗。
此外，在上文描述的第一布设选项、第二布设选项、第三布设选项和将要描述的第五布设选项中，分别围绕两个相邻磁柱之一缠绕的初级绕组以如下方式布置：初级绕组之一靠近第一半芯5a和第二半芯5b中的一者缠绕，而另一个初级绕组靠近第一半芯5a和第二半芯5b中的另一者缠绕。例如，初级绕组P1(或P3)靠近第一半芯5a缠绕，而初级绕组P2靠近第二半芯5b缠绕。
类似地，根据实施例，分别围绕两个相邻磁柱之一缠绕的第一次级绕组以如下方式布置：第一次级绕组之一靠近第一半芯5a和第二半芯5b中的一者缠绕，而另一个第一次级绕组靠近第一半芯5a和第二半芯5b中的另一者缠绕。例如，第一次级绕组S1(或S3)靠近第二半芯5b缠绕，而第一次级绕组S2靠近第一半芯5a缠绕。
图16展示了根据本发明的第四布设选项。第四布设选项在气隙61的位置方面与第三布设选项和第一布设选项相同或相似。
变压器20的每个三级绕组与初级绕组P1、P2、P3之一交错，使得三级绕组的至少一组匝与对应的第一次级绕组的一组匝夹在对应的初级绕组的两组匝之间。例如，三级绕组T1a-T1b与对应的初级绕组P1交错，使得三级绕组T1a-T1b的(辅助绕组T1a的)一组匝与一组对应的第一次级绕组S1夹在初级绕组P1的两组匝之间。三级绕组T2a-T2b与对应的初级绕组P2交错，使得三级绕组T2a-T2b的(辅助绕组T2b的)一组匝与对应的第一次级绕组S2的一组匝夹在初级绕组P2的两组匝之间，如图16所展示。
另外，变压器20的每个三级绕组也与第一次级绕组S1、S2、S3之一交错，使得三级绕组的至少一组匝和对应初级绕组的一组匝夹在对应第一次级绕组的两组匝之间。例如，三级绕组T1a-T1b与对应的第一次级绕组S1交错，使得三级绕组T1a-T1b的(辅助绕组T1b的)一组匝和对应的初级绕组P1的一组匝夹在第一次级绕组S1的两组匝之间。三级绕组T2a-T2b与对应的第一次级绕组S2交错，使得三级绕组T2a-T2b的(辅助绕组T2a的)一组匝和对应的初级绕组P2的一组匝夹在第一次级绕组S2的两组匝之间，如图16所展示。
在第四布设选项中提供的上文提及的交错配置一方面允许在彼此对接的第一次级绕组S1至S3与三级绕组的相应导体之间执行所需的基本绝缘，并且另一方面允许在彼此对接的初级绕组P1至P3与三级绕组的相应导体之间执行所需的加强绝缘。以这种方式，降低了功率损耗和漏电感。因此，第四布设选项适合于应用于图3和图6所展示的实施例，其中第一谐振电感器Llkp1至Llkp3、第一磁化电感器Lm1至Lm3、第二谐振电感器Llks1至Llks3(以及可能的第二磁化电感器)全部放置在变压器20外部。然而，只要调节气隙的长度，磁化电感器就可以放置在变压器20内部。
当气隙61为零时，磁化电感器Lm1至LM3不包括在变压器20中。
图17展示了根据本发明的第五布设选项。
本第五布设选项与先前描述的第二布设选项之间的唯一区别在于三级绕组是分别由两个辅助绕组构成(如图1和图14所展示)，还是分别是单个绕组(如图4和图17所展示)。第五布设选项的其余特征与第二布设选项的那些特征相同或类似并且因此在本文中不再赘述。
对于磁芯5的每个磁柱，对应的第一次级绕组(P1、P2或P3)夹在变压器20的三级绕组的两组匝之间。例如，第一次级绕组S1夹在三级绕组T1的两组匝之间。类似地，第一次级绕组S2夹在三级绕组T2的两组匝之间。
类似地，如图13、15和16所展示的第一布设选项、第三布设选项和第四布设选项可以应用于变压器20，其中三级绕组分别是单个绕组。
根据本发明的电气系统1和上文提及的变压器设计涉及仅使用一个多相变压器的用于EV或HEV的集成OBC/DC-DC转换器，并且提供上文提及的布设选项和五种工作模式而不需要附加的电压转换器。与包括独立的OBC和独立的DC-DC转换器的常规电气系统相比，电气系统1具有更少的部件，这允许电气系统1具有更小的体积和更轻的重量。此外，降低了制造和组装成本。本发明对于例如7kW、11kW和22kW的不同功率电平以及例如800V、24V、48V的不同电压网络是可扩展的。
根据本发明的变体，图18展示了三角形变压器20b的电气系统。在该变体中，仅变压器的形状改变，其所有工作保持与先前相同。
尽管已经参考其多个说明性实施例描述了实施例，但是应当理解，本领域技术人员可以设计出许多其他修改和实施例，这些修改和实施例将落入本披露内容的原理的精神和范围内。

Claims (13)

1.一种变压器(20)，所述变压器包括磁芯(5)，所述磁芯(5)包括多个磁柱(51，52，53)，初级绕组(P1，P2，P3)、第一次级绕组(S1，S2，S3)和三级绕组(T1a-T1b，T2a-T2b，T3a-T3b或T1，T2，T3)围绕所述多个磁柱中的每一个缠绕；所述变压器(20)包括所述绕组；所述磁芯(5)包括第一半芯(5a)和第二半芯(5b)，所述第一半芯和所述第二半芯分别包括所述磁柱(51，52，53)的子磁柱(51a，52a，53a，51b，52b，53b)；所述变压器(20)，其中：
所述气隙(61)分别定位成靠近所述第一半芯(5a)，或靠近所述第二半芯(5b)；
所述变压器(20)的绕组中的一些是利兹线，并且所述绕组中的一些是扁平导体。
2.根据权利要求1所述的变压器(20)，其中：
所述初级绕组(P1，P2，P3)和所述第一次级绕组(S1，S2，S3)是利兹线；和/或
所述变压器(20)的三级绕组是扁平导体。
3.根据前一项权利要求所述的变压器(20)，其中：
所述初级绕组(P1，P2，P3)的利兹线和所述第一次级绕组(S1，S2，S3)的利兹线由多匝之间的串联连接部制成；和/或
所述变压器(20)的三级绕组分别通过包括并联连接的匝来布置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的变压器(20)，其中：
所述气隙(61)全部定位成靠近所述第一半芯(5a)；或者
所述气隙(61)全部定位成靠近所述第二半芯(5b)；或者
所述中间磁柱(52)中的气隙(61)定位成靠近所述第一半芯(5a)，而与所述中间磁柱(52)相邻的磁柱(51或53)中的气隙(61)定位成靠近所述第二半芯(5b)；或者
所述中间磁柱(52)中的气隙(61)定位成靠近所述第二半芯(5b)，而与所述中间磁柱(52)相邻的磁柱(51或53)中的气隙(61)定位成靠近所述第一半芯(5a)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的变压器(20)，其中，对于所述磁芯(5)的每个磁柱，对应的第一次级绕组夹在所述三级绕组的两组匝之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的变压器(20)，其中：
所述变压器(20)的每个所述三级绕组与所述初级绕组之一交错，使得所述三级绕组的一组匝夹在对应的初级绕组的两组匝之间；和/或
每个所述三级绕组还分别与所述第一次级绕组之一交错，使得所述三级绕组的一组匝夹在对应的第一次级绕组的两组匝之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的变压器(20)，其中：
分别围绕两个相邻磁柱之一缠绕的初级绕组以如下方式布置：所述初级绕组之一靠近所述第一半芯和所述第二半芯中的一者缠绕，而另一个初级绕组(P1、P3)靠近所述第一半芯和所述第二半芯中的另一者缠绕；和/或
分别围绕两个相邻磁柱之一缠绕的第一次级绕组以如下方式布置：所述第一次级绕组之一靠近所述第一半芯和所述第二半芯中的一者缠绕，而另一个第一次级绕组靠近所述第一半芯和所述第二半芯中的另一者缠绕。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的变压器(20)，其中：
所述变压器(20)的每个所述三级绕组与所述初级绕组之一交错，使得所述三级绕组的至少一组匝和对应的第一次级绕组的一组匝夹在对应的初级绕组的两组匝之间；和/或
每个所述三级绕组还与所述第一次级绕组之一交错，使得所述三级绕组的至少一组匝和对应的初级绕组的一组匝夹在对应的第一次级绕组的两组匝之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的变压器(20)，其中，所述三级绕组(T1a-T1b，T2a-T2b，T3a-T3b或T1，T2，T3)分别由两个辅助绕组(T1a，T1b；T2a，T2b；T3a，T3b)构成或者分别是单个绕组(T1，T2，T3)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的变压器，所述初级绕组(P1，P2，P3)和所述次级绕组(S1，S2，S3)以形成第一子变压器的方式耦合，所述初级绕组(P1，P2，P3)和所述三级绕组(T1a-T1b，T2a-T2b，T3a-T3b或T1，T2，T3)以形成第二子变压器的方式耦合，所述次级绕组(S1，S2，S3)和所述三级绕组(T1a-T1b，T2a-T2b，T3a-T3b或T1，T2，T3)以形成第三子变压器的方式耦合。
11.一种用于电动车辆或混合动力电动车辆的电气系统(1)，所述电气系统包括根据前述权利要求中任一项所述的变压器(20)。
12.根据前一项权利要求所述的电气系统(1)，所述电气系统连接到功率因数校正(PFC)转换器并且被配置为对所述车辆的第一电池(34)和第二电池(44)进行充电和放电；所述第一电池(34)具有比所述第二电池(44)更高的额定电压；所述电气系统(1)包括：
LLC初级电路(12)，所述LLC初级电路包括第一多相H桥(B1)，所述第一多相H桥用于控制所述变压器(20)的初级绕组(P1，P2，P3)；所述LLC初级电路(12)连接到所述PFC转换器；
HVDC部分(30)，所述HVDC部分耦合到所述LLC初级电路(12)、所述变压器(20)的第一次级绕组(S1，S2，S3)和所述第一电池(34)，以便允许与所述第一电池(34)进行能量交换；所述HVDC部分(30)包括第二多相H桥(B2)，所述第二多相H桥被配置为控制所述第一次级绕组(S1，S2，S3)；
LVDC部分(40)，所述LVDC部分耦合到所述变压器(20)的三级绕组并且耦合到所述第二电池(44)，以便允许与所述第二电池(44)进行能量交换；所述LVDC部分(40)包括整流器(41)，所述整流器被配置为控制所述变压器(20)的三级绕组。
13.一种电动车辆或混合动力电动车辆，包括根据权利要求11或权利要求12所述的电气系统(1)。
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