TW201727423A - 用於高電壓信號之電壓轉換裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種電壓轉換裝置(100)，其用於特別是在一電動車輛中從一大於或等於60V之連續高電壓電氣信號提供一低電壓電氣信號，該裝置(100)包括：該高電壓信號之一輸入介面(104)；以及該低電壓信號之一輸出介面(106)，其特徵在於：該裝置(100)進一步包括至少兩個高電壓轉換單元(108-116)，其以並聯方式設置在該輸入介面(104)與該輸出介面(106)之間，每一高電壓轉換單元提供該低電壓信號。本發明亦係有關於一種裝備有這種裝置之電動車輛。

Description

用於高電壓信號之電壓轉換裝置
本發明係有關於一種特別是在電動車輛中用於高電壓信號之電壓轉換裝置。它亦係有關於一種使用這種裝置之電動車輛。
本發明之領域為特別是在車載電動車輛上用於高電壓信號之電壓轉換器的領域。
電動車輛包括在下面申請案中稱為“電池”之數個儲電模組，其傳遞一在下面本案中稱為“HV”信號之高電壓信號，以供應給車輛之傳動系統(power train)。藉由一在車輛外部之HV充電站所傳遞之高電壓信號對這些電池再充電。
同時，所有的車輛及更不用說電動車輛包括必須以低電壓供電之輔助裝置，使用一個或一個以上低電壓電路不僅是為了設計理由，而且是為了安全理由。因此，為了由在該車輛中該等電池或該充電站所傳遞之高電壓信號供電給該等低電壓電路或該等輔助裝置，必須將該高電壓信號轉換成低電壓。
然而，依據該電動車輛之操作階段，通常具有不同電壓位準之不同高電壓信號輪流出現在車輛中。例如，在電池充電階段期間，以一100V的等級之第一高電壓信號供應給該車輛，以便加熱該等電池。然後，以一400V之等級之第二高電壓信號供應該車輛，以便充電該等電池。
由於這些不同的電壓位準，電動車輛裝備有數個轉換器，每一轉換器專門轉換一具有給定電壓之高電壓信號，這樣是昂貴且笨重的及增加該電動車輛之重量。此外，這會影響該車輛之性能及使電動車輛之設計及製造更複雜且更耗時。最後，所使用的該等轉換器無法允許被注入一低電壓電路之功率的即時調整(on-the-fly adjustment)。
本發明之一目的將克服這些缺點。
本發明之另一目的在提出一種特別用於電動車輛之高電壓轉換裝置，它係成本較低的、體積較小的且重量較輕的以及對該車輛之性能有較小的影響。
本發明之一目的亦在提出一種特別用於電動車輛之高電壓轉換裝置，其允許該電動車輛之設計及製造比較不複雜及不耗時。
本發明之又另一目的在提出一種在高電壓輸入信號之電壓位準及/或所傳遞之低電壓輸出信號的功率方面係更多用途的高電壓轉換裝置。
本發明可以藉由特別是在一電動車輛中一用於從一高電壓電氣信號提供一低電壓電氣信號之電壓轉換裝置來達成這些目的中之一，該裝置包括：該高電壓信號之一輸入介面；以及該低電壓信號之一輸出介面，其特徵在於：該裝置進一步包括至少兩個高電壓轉換單元，其以並聯方式設置在該輸入介面與該輸出介面之間，每一高電壓轉換單元提供該低電壓信號。
因此，本發明提出一種用於轉換一高電壓信號及提供一低電壓信號之電壓轉換裝置，其包括以並聯方式設置之數個轉換單元。因此，可以提供適用於在輸入處處理具有不同電壓位準之HV信號的轉換單元。此外，可以使用所需數目之並聯單元，以便調整該所提供之低電壓輸出信號的功率。因此，依據本發明之裝置在高電壓輸入信號之電壓位準及/或所傳遞之低電壓輸出信號的功率方面係更多用途的。
此外，依據本發明之裝置可以取代數個獨立轉換器，以致於該車輛之設計及製造係比較不複雜且不耗時的。
此外，相較於數個獨立轉換器，依據本發明之裝置係重量較輕、體積較小且在性能方面對該車輛有較少的損害。
在本案中，詞句“高電壓”表示大於或等於60V之直流電壓。依據目前標準，這種電壓亦稱為“危險電壓”。
有利地，將至少兩個轉換單元作成：每一轉換單元對一具有不同於另一轉換單元之電壓位準的高電壓輸入信號實施電壓轉換，以便提供一具有相同電壓之低電壓信號。
換句話說，依據本發明之裝置可以包括：至少一第一單元，其作成對一具有一第一電壓位準之第一高電壓輸入信號實施電壓轉換；以及至少一第二單元，其與該至少一第一單元並聯且其作成對一具有一不同於該第一電壓位準之第二電壓位準的第二高電壓輸入信號實施電壓轉換，以便提供一具有相同電壓之低電壓信號。
因此，依據本發明之轉換裝置可以對不同電壓位準之HV信號實施電壓轉換，以便提供一具有相同電壓位準之低電壓信號。
依據一絕非限定用且特別適用於一電動車輛之實施例，依據本發明之裝置可以包括：在90V與110V之間及特別是100V的至少一(特別是正好一個)高電壓信號轉換單元；以及在280V與450V之間及特別是400V的至少一(特別是4個)高電壓信號轉換單元，它們彼此以並聯方式配置且每一高電壓信號轉換單元提供一具有相同電壓之低電壓信號。
事實上，在某些電動車輛中，藉由一外部充電站對該等電池再充電包括： 一加熱階段，在該加熱階段期間藉由一由該充電站所提供之100V的稱為加熱信號之信號供電給該車輛；以及一充電階段，在該充電階段期間藉由一由該充電站所提供之400V的稱為充電信號之信號供電給該車輛。
本發明因而可以藉由只有一個裝置來實施該加熱信號及該充電信號之電壓轉換。
當依據本發明之裝置實施在輸入處所引入之不同電壓之電壓轉換時，至少一(特別是每一)轉換單元係構造成用於依據在該輸入介面處所施加之高電壓信號的電壓及一與該單元相關之預定電壓工作範圍來啟動及/或停用。
例如，一與至少一(特別是正好一個)轉換單元相關之工作範圍(operational range)可以是在90V-110V電壓之範圍。因此，當此單元偵測一在90V與110V間之輸入電壓信號時，它自動地啟動。否則，此單元停用。
此外，一與至少一單元(特別是4個單元)相關之工作範圍可以是在280V-450V之電壓範圍。因此，當這些單元之每一者偵測一在280V與450V間之輸入電壓信號時，它自動地啟動。否則，這些單元之每一者停用。
此外或做為一替代，依據本發明之裝置可以包括用於實施一高電壓信號至一在22V與26V間(特別是24V)之低電壓信號的轉換之至少一單元。
依據本發明，可以將至少兩個轉換單元作成：提供一具有相同電壓及相同或不同功率的低電壓信號。
例如，一由一轉換單元所提供之低電壓信號的功率可以是在1與3kW之間及特別是等於2kW。
依據本發明之裝置可以包括一稱為輸入匯流排之匯流排，以供應一在該輸入介面所提供之相同高電壓信號給至少兩個轉換單元。
例如，當使用數個轉換單元來轉換一相同HV信號時，在此情況下，可以藉由該匯流排將此HV信琥傳遞至每一單元。
或者，該高電壓輸入介面可以包括更具體地確保防止電氣信號之洩漏或觸電受傷的至少一連接器，例如，包含IPXXB型的保護等級及/或HVIL型的切口(cut-out)之至少一連接器。
依據一較佳實施例，為了有助於該裝置之使用，可以將該高電壓輸入介面及該低電壓輸出介面設置在該裝置之同一個面上。
有利地，依據本發明之轉換裝置可以包括一冷卻手段(cooling means)。
該冷卻手段對於每一轉換單元可以是個別的，以及選擇地獨立的。
或者，該冷卻手段可以是所有的轉換單元所共有的。
依據一實施例，該冷卻手段可以包括一在內部有像空氣或水之冷卻劑循環的迴路(circuit)。
該冷卻迴路可以配置在該裝置之外殼或外壁的至少一部分中或上或配置成靠著該至少一部分。
或者，或此外，該冷卻迴路可以優先地配置在一上面設置有至少一(特別是每一)轉換單元之板(通常，支撐物)中或上或靠著它。
優先地，依據本發明之裝置的外殼或外壁包括該冷卻迴路在它的厚度中且包括用於該冷卻劑之至少一輸入端及至少一輸出端。
可以藉由一被併入該裝置中或在該裝置外部之例如泵型的循環手段(circulation means)使該冷卻劑循環。
優先地，依據本發明之轉換裝置係包括該輸入及輸出介面以及選擇地用於該冷卻劑之輸入端/輸出端的單件形式。
有利地，依據本發明之裝置可以進一步包括一用於與一外部設備通信之介面，以使該裝置可以與該外部設備通信，特別是通報在至少一轉換單元中有故障。
這種外部設備可以是用於該車輛之附屬組件的一車輛控制器或一供電管理單元(supply management unit)。
根據一特別有利變型，依據本發明之裝置包括用於測量一(特別是每一)轉換單元所消耗之電流的至少一手段。
這種測量電流手段可以被併入或不被併入每一轉換單元。
因此，可以監控該單元所消耗之電流及確定是否該單元處於正常操作狀態中或具有故障。
當在一轉換單元中偵測到故障時，可以將此資訊傳遞至該外部設備，例如，至一供電管理單元或一車輛控制器，以便該外部設備可以例如藉由停止一附屬組件來調整/修改依據本發明之裝置所提供之電流的消耗。
例如，在一車輛之情況下，當一轉換單元具有故障時，可以將此資訊經由該通信介面傳遞至該車輛之一亦稱為主控制器的控制器。該主控制器可以接著停止一附屬組件，例如，該車輛之加熱，以便確保供電至其它更多敏感組件，例如，動力轉向或煞車。
對於至少一單元，該測量電流之手段可以進一步構造成用於比較該測量電流值與一預定電流值，以確定該單元之操作狀態，特別地，以便偵測在該單元中之故障。
或者，該比較可以在一由所有轉換單元所共用之模組中實施。在此情況下，將每一單元所消耗之電流的測量值傳送至此共用模組。
依據相同發明之另一態樣，提供一種電動車輛，其包括一高電壓電路及至少一低電壓電路，該車輛進一步特別在該等電路間包括依據本發明之轉換裝置，以便從該高電壓電路供電給該低電壓電路。
有利地，依據本發明之車輛包括依據本發明之轉換裝置，其與用於該等附屬組件之一控制器或一供電管理單元通信，以便通報在至少一轉換單元中有故障；當該轉換裝置通報在一轉換單元中有故障時，該控制器或管理單元接著可以配置成停止至該車輛之至少一附屬組件的供電。
依據本發明之車輛可以例如是巴士、遊覽車或輪胎式電車(tyred tram)型的公共運輸車輛。
在本案中，“輪胎式電車”表示安裝在車輪上之電動公共運輸陸上車輛，其在每一站再充電，使得在道路系統上不需要軌道型(rail type)或架空線型(catenaries type)的大量基礎設施。在每一站藉由該站之充電組件及將該車輛連接至該站之連接器對這種電動車輛再充電。
依據本發明，該車輛包括一個或一個以上電池。該等電池之每一者可以有利地是或包括至少一鋰金屬聚合物電池(Lithium-metal-polymer battery)，其亦稱為“LMP®”電池。
100‧‧‧裝置
102‧‧‧單件單元
104‧‧‧輸入介面
106‧‧‧輸出介面
1061‧‧‧單極連接器
1062‧‧‧單極連接器
108‧‧‧電壓轉換單元
110‧‧‧電壓轉換單元
112‧‧‧電壓轉換單元
114‧‧‧電壓轉換單元
116‧‧‧電壓轉換單元
118‧‧‧濾波器
120‧‧‧冷卻迴路
122‧‧‧輸入端
124‧‧‧輸出端
126‧‧‧通信介面
128‧‧‧通信模組
130‧‧‧通信網路
200‧‧‧裝置
202‧‧‧上部或上外殼
204‧‧‧下部或下外殼
206‧‧‧支撐物或板
402‧‧‧匯流排
404‧‧‧輸出匯流排
406‧‧‧電力接觸器
500‧‧‧電動車輛
502‧‧‧電池組
504‧‧‧電池組
其它優點及特徵在檢視絕非限制性實施例之詳細敘述及所附圖式後會變得顯而易見，其中：第1圖係依據本發明之轉換裝置的一範例之原理的示意圖；第2-4圖係依據本發明之裝置的一非限制性範例之示意圖；以及 第5圖係依據本發明之電動車輛的示意圖。
可充分理解到，下面所述之實施例絕對不是限制性的。尤其，如果下述特徵的選擇足以提供技術上優點或是將本發明與習知技術區隔，可以設想本發明的變型例僅包含此特徵的選擇而脫離所述的其他特徵。此選擇包含較佳是功能性的至少一特徵，未有結構之細節，或者僅具有該等結構之細節的一部分，如果此部分單獨足以提供技術上優點或是將本發明與習知技術區隔。
在該等圖式中，數個圖式所共同之元件具有相同元件符號。
第1圖係依據本發明之電壓轉換裝置的一非限制性範例之原理的示意圖。
第1圖所示之裝置100係處於一單件單元102之形式，該單件單元102包括一用於供應一高電壓(HV)信號給該裝置100之輸入介面104及一用於提供一從該高電壓信號所獲得之低電壓(LV)信號的輸出介面106。
該裝置包括以並聯方式設置在該輸入介面104與該輸出介面106間之5個電壓轉換單元108、110、112、114、116。
使每一轉換單元作成用於提供一具有相同電壓(例如，24V)及相同功率(例如，2kW)之低電壓信號。
使該轉換單元108作成用於對一在90V與110V之電壓間的HV信號實施電壓轉換。
該4個電壓轉換單元110-116係相同的且使它們作成用於對一在280V與450V之電壓間的HV信號實施電壓轉換。
該裝置100包括一設置在輸入處之濾波器118，以便過濾在該輸入介面104處之高電壓信號。
再者，該裝置100包括一冷卻迴路120，該冷卻迴路120被製造在該單件單元102之至少一壁的厚度中且在該冷卻迴路120中有一像水之冷卻劑循環。該冷卻劑經由一輸入端122進入冷卻迴路120，穿過該冷卻迴路，以便從在操作中之該(等)單元108-116接收卡路里，以及經由一輸出端124離開冷卻迴路120。
再者，該裝置100係裝備有一通信介面126及一通信模組128，以便與一外部設備(例如，用於一車輛之附屬組件的一控制器或一供電管理單元)通信。
每一單元108-116係裝備有一用於測量每一單元所消耗之電流的手段(未顯示)，例如，一安培計。
對於每一單元108-116，該測量裝置係配置成用於比較該轉換單元所消耗之電流的測量值與一預定值，以便偵測是否該轉換單元正在正常操作或是否該轉換單元具有故障。
對於每一單元108-116，當偵測到故障時，將此資訊經由一在該裝置100內之通信網路130傳送至該通信模組128。將此資訊傳遞至用於該等附屬組件之 該控制器或該供電管理單元，它可以使一像加熱之附屬組件斷開，以便確保一像電力轉向或煞車之敏感附屬組件的供電。
再者，一預定工作範圍90V-110V係與該轉換單元108相關聯。當此轉換單元108在輸入處偵測一在90V與110V間之電壓信號時，它自動地啟動(activate)。否則，此轉換單元108自動地停用(deactivate)。
此外，一預定工作範圍280V-450V係與該等單元110-116之每一者相關聯。因此，每一轉換單元110-116在輸入處偵測一在280V與450V間之電壓信號時，它自動地啟動。否則，這些單元110-116之每一者自動地停用。
當然，依據本發明之裝置並非侷限於單元之數目，亦沒有侷限於在此所述之單元的電氣特性。
第2圖係依據本發明之電壓轉換裝置的一非限制性實施例之示意圖。
第2圖所示之裝置200係處於一單件單元102之形式，該單件單元102包括一上部或一上外殼202、一下部或一下外殼204，在它們之間設置一支撐物或一板206，該支撐物或該板206包含不同的轉換單元。
該裝置200包括第1圖之裝置100的所有組件。
該冷卻迴路係配置在該支撐板206之厚度中，該支撐板206亦是一冷卻板且包含該冷卻迴路之輸入端122及輸出端124。
如第2圖所示，該HV輸入介面104係處於一雙極連接器之形式，特別是一包含IPXXB型之保護等級及/或HVIL型之切口(cut-out)的雙極連接器。
該低電壓輸出介面106包括兩個單極連接器1061及1062。
第3圖係在沒有該上外殼202下且依據上視圖之第2圖的裝置之示意圖。
如第3圖所示，該裝置200包括以並聯方式配置在該支撐物206之第一面上的4個轉換單元，例如，第1圖之裝置100的4個轉換單元110-116。
第4圖係在沒有該下外殼204下且依據下視圖之第2圖的裝置之示意圖。
如第4圖所示，該裝置200包括一配置在該支撐物206之第二面上的轉換單元，例如，第1圖之裝置100的轉換單元108，其中該第二面相係與上面設置有該等單元110-116之面相對。
在第4圖中，亦可以看到一使該等轉換單元連接至該輸入介面104之電性匯流排402及一使該等轉換單元連接至該輸出介面106(特別至該等單極連接器1061及1062)之輸出電性匯流排404。
再者，該裝置200包括一電力接觸器(power contactor)406。
第5圖係依據本發明之電動車輛的一非限制性實施例之示意圖。
第5圖所示之電動車輛500係一包含一個或一個以上電動機(未顯示)之電動巴士。
該車輛包括一設置在該巴士之後板附近的第一組電池(例如，電池組502)。再者，該巴士500包括一設置在該巴士500之上板中的外殼內之第二組電池(例如，電池組504)。
再者，該電動車輛500包括依據本發明之電壓轉換裝置(例如，第2-4圖之裝置200)，其配置在例如該巴士500之後板附近的外殼中且在該第一組電池502下方。該裝置200之位置當然是非限制性的且該裝置可以定位在該巴士中之其它位置。
當然，本發明並非侷限於上面詳細範例。
100‧‧‧裝置
102‧‧‧單件單元
104‧‧‧輸入介面
106‧‧‧輸出介面
108‧‧‧電壓轉換單元
110‧‧‧電壓轉換單元
112‧‧‧電壓轉換單元
114‧‧‧電壓轉換單元
116‧‧‧電壓轉換單元
118‧‧‧濾波器
120‧‧‧冷卻迴路
122‧‧‧輸入端
124‧‧‧輸出端
126‧‧‧通信介面
128‧‧‧通信模組
130‧‧‧通信網路

Claims (19)

  1. 一種電壓轉換裝置(100、200)，其用於特別是在一電動車輛(500)中從一大於或等於60V之連續高電壓電氣信號提供一低電壓電氣信號，該裝置(100、200)包括：該高電壓信號之一輸入介面(104)；以及該低電壓信號之一輸出介面(106)，其特徵在於：該裝置(100、200)進一步包括至少兩個高電壓轉換單元(108-116)，其以並聯方式設置在該輸入介面(104)與該輸出介面(106)之間，每一高電壓轉換單元提供該低電壓信號。
  2. 如請求項1之裝置(100、200)，其中，使至少一轉換單元(108)作成用於對一具有一第一電壓位準之高電壓輸入信號實施電壓轉換，以及使至少一轉換單元(110-116)作成用於對一具有一不同於該第一電壓位準之第二電壓位準的高電壓輸入信號實施電壓轉換，以便提供一具有相同電壓之低電壓信號。
  3. 如請求項1或2之裝置(100、200)，其中，該裝置(100、200)包括：至少一(特別是正好一個)轉換單元(108)，其用於一在90V與110V之間及特別是100V的高電壓信號；以及至少一(特別是4個)轉換單元(110-116)，其用於一在280V與450V之間及特別是400V的高電壓信號，該等轉換單元彼此以並聯方式配置且每一轉換單元提供一具有相同電壓之低電壓信號。
  4. 如請求項2或3之裝置(100、200)，其中，至少一轉換單元(108-116)係構造成用於根據一與該單元相關之預定工作電壓範圍，並依據在該輸入介面(104)所施加之高電壓信號的電壓來啟動及/或停用。
  5. 如請求項4之裝置(100、200)，其中，一與至少一(特別是正好一個)轉換單元(108)相關之工作範圍係在90V-110V之電壓範圍。
  6. 如請求項4或5之裝置(100、200)，其中，一與至少一(特別是4個)轉換單元(110-116)相關之工作範圍係在280V-450V之電壓範圍。
  7. 如請求項1至6中任一項之裝置(100、200)，其中，該裝置(100、200)包括實施一高電壓信號至一在22V與26V間及特別是24V之低電壓信號的轉換之至少一單元。
  8. 如請求項1至7中任一項之裝置(100、200)，其中，該裝置(100、200)包括至少兩個轉換單元(108-116)係作成用於提供一具有相同電壓及相同或不同功率之低電壓信號。
  9. 如請求項1至8中任一項之裝置(100、200)，其中，該裝置(100、200)包括一稱為輸入匯流排之匯流排(402)，其用於供應一在該輸入介面(104)所提供之相同高電壓信號給至少兩個轉換單元(108-116)。
  10. 如請求項1至9中任一項之裝置(100、200)，其中，該高電壓輸入介面(104)包括一安全連接器。
  11. 如請求項1至10中任一項之裝置(100、200)，其中，該高電壓輸入介面(104)及該低電壓輸出介面(106)係設置在該裝置(100、200)之同一面上。
  12. 如請求項1至11中任一項之裝置(100、200)，其中，該裝置(100、200)包括一冷卻手段(120-124)。
  13. 如請求項12之裝置(100、200)，其中，該冷卻手段包括一在內部有一冷卻劑循環之迴路(120)，其配置在一上面設置有至少一(特別是每一)轉換單元(108-116)之支撐物(206)中或上或者靠著該支撐物(206)。
  14. 如請求項1至13中任一項之裝置(100、200)，其中，該裝置(100、200)包括一介面(126)，其與一外部設備通信，以特別通報在至少一轉換元(108-116)中有故障。
  15. 如請求項1至14中任一項之裝置(100、200)，其中，該裝置(100、200)包括至少一用於測量一(特別是每一)轉換單元(108-116)所消耗之電流的手段。
  16. 如請求項15之裝置(100、200)，其中，對於至少一轉換單元(108-116)，該測量手段係配置成用於比較該消耗電流之測量值與至少一預定電流值，以便確定該轉換單元(108-116)之操作狀態，特別是偵測在該轉換單元(108-116)中之故障。
  17. 一種電動車輛(500)，其包括一高電壓電路及至少一低電壓電路，該車輛(500)進一步包括如請求項1至16中任一項之轉換裝置(200)，其具體地在該等電路間，用於從該高電壓電路供電給該低電壓電路。
  18. 如請求項17之車輛(500)，其中，該車輛(500)包括如請求項13或15之轉換裝置(200)，其與用於附屬組件之一控制器或一供電管理單元進行通信；當該轉換裝置(200)通報在一轉換單元(108-116)中有故障時，該控制器或該供電管理單元係配置成用於停止對該車輛之至少一附屬組件供電。
  19. 如請求項17或18之車輛(500)，其中，該車輛(500)係巴士、遊覽車或輪胎式電車型的公共運輸車輛。
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