电压转换器及其控制器 |
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| 申请号 | CN202311392864.8 | 申请日 | 2023-10-25 | 公开(公告)号 | CN117955338A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 李尔公司; | 发明人 | 赫克托·萨纳高安迪亚; 奥斯卡·露西娅吉尔; 鲁本·莫利纳洛伦特; 安东尼奥·马丁内斯佩雷斯; 帕布鲁·高纳罗萨内斯; 拉法尔·希门尼斯皮诺; | ||||
| 摘要 | 本 申请 涉及 电压 转换器及其 控制器 。一种电压转换器包括具有直流到直流(DC‑DC)电压转换器的转换器级，其中转换器级接收第一DC电压并输出不同于第一DC电压的第二DC电压。电压转换器还包括具有 升压 电路 和电容器的升压前级，其中该升压前级从 电池 接收DC电压，并将升高的DC电压作为第一DC电压输出到转换器级，其中升高的DC电压大于来自电池的DC电压。在来自电池的DC电压的操作范围中的一个或更多个 波动 的情况下，升压前级的输出到转换器级的升高的DC电压提供转换器级的抗故障操作。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电压转换器，包括： |
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| 说明书全文 | 电压转换器及其控制器[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请要求于2022年10月31日提交的美国临时申请序列号63/381,622的权益，该美国临时申请的公开内容在此通过引用以其整体并入本文。 技术领域[0003] 本公开涉及一种直流到直流(DC‑DC)电压转换器及其控制器。 [0006] 图2是另一高压(HV)到低压(LV)DC‑DC电压转换器的非限制性示例性实施例的简化框图； [0007] 图3是根据本公开的高压(HV)到低压(LV)DC‑DC电压转换器的非限制性示例性实施例的简化框图；以及 [0008] 图4是根据本公开的另一高压(HV)到低压(LV)DC‑DC电压转换器的非限制性示例性实施例的简化框图。 [0009] 详细描述 [0010] 现在将详细参考实施例，实施例的示例在附图中图示。在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对所描述的各种实施例的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践所描述的各种实施例。在其他实例中，未详细描述公知的方法、过程、部件、特征以及元件，以免不必要地模糊实施例的各个方面。 [0011] 应当理解，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且多种和替代的形式是可能的。附图不一定是按比例的；一些特征可能被放大或缩至最小以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体的结构细节和功能细节不应被解解为限制性的，而是仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式实施根据本公开的实施例的代表性基础。 [0012] “一个或更多个”和/或“至少一个”包括由一个元件执行的功能、例如以分布式方式由多于一个元件执行的功能、由一个元件执行的若干个功能、由若干个元件执行的若干个功能、或以上的任何组合。 [0013] 还应理解，尽管在某些情况下，术语第一、第二等在本文中用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语只是用来区分一个元件和另一个元件。例如，第一触点可以称为第二触点，并且类似地，第二触点可以称为第一触点，而不脱离所描述的各种实施例的范围。第一触点和第二触点两者都是触点，但它们不是同一个触点。 [0014] 在本文所述的各种实施例的描述中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图进行限制。如在各种所描述的实施例和所附权利要求的描述中使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应理解，如本文使用的术语“和/或”涉及并涵盖相关联的列出项目中的一个或更多个项目的任何和所有可能的组合。还应理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包含(includes)”、“包含(including)”、“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”指定所述特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或添加。 [0015] 如本文所使用的，术语“如果(if)”可选地被解释为意指“当......时”或“在......时”或“响应于确定......”或“响应于检测......”，视上下文而定。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所述条件或事件]”可选地被解释为意指“在确定......时”或“响应于确定......”或“在检测到[所述条件或事件]时”或“响应于检测到[所述条件或事件]”，视上下文而定。 [0016] 图1是高压(HV)到低压(LV)DC‑DC电压转换器10的非限制性示例性实施例的简化框图。图2是另一高压(HV)到低压(LV)DC‑DC电压转换器10的非限制性示例性实施例的简化框图。 [0017] DC‑DC转换器10可以被配置成将由HV电池12提供的高压电平转换成低压电平，以便向低压电网供电，并且对也向这种低压电网提供低压电能(electrical power)的LV电池14充电，该低压电网包括电动交通工具(未示出)中的低压电负载。在示例性实施例中，HV电池12的电压可以大于或等于48伏，而LV电池14的电压可以小于或等于24伏，尽管可以使用具有其他电压电平的HV电池和LV电池。 [0018] 因此，图1和图2所示的HV到LV(HV/LV)DC‑DC电压转换器10被设计用于从HV电池12向LV电力网或电网提供电能或电力。LV电负载(未示出)由并联的DC‑DC转换器10和电池系统(包括LV电池14)支持。如前所述，DC‑DC转换器10还提供对LV电池14的充电。还注意到，DC‑DC转换器10可以可选地被配置为具有双向性。 [0019] DC‑DC转换器10还应该被设计成确保在HV电力网发生故障的情况下的操作。虽然具有极其罕见的发生率，但是这种故障的一个示例是HV电池12的电压电平下降至低于使DC‑DC转换器10正常操作的令人满意的阈值(例如，70伏)。如图2所示，解决这种故障的一种解决方案是增加电容器16作为能量存储装置。在这方面，当HV电池12正常工作时，二极管18允许电流从HV电池12流向DC‑DC转换器10。因此，由HV电池12提供给DC‑DC转换器10的输入电压是足够的，并且电容器16也通过二极管18和电阻器20充电到大约HV电池12的电压电平。在这方面，电容器16被设置成具有足以被充电到期望能量水平的电容值(例如，以法拉(F)度量)。更特别地，在示例性实施方式或实施例中，电容器16可以被配置成支持HV输入处的3毫秒(ms)的瞬态“小故障(glitch)”，在此期间承受2.7千瓦(kW)的输出功率。结果，在这样的实施方式或实施例中，电容器16可以被设置成具有1.04毫法拉(mF)的值(即，2.7kW×32 2 毫秒＝8.1焦耳(J)；C＝2×8.1/(195–150)＝1.04mF)，这可以用并联的两个(2x)510微法拉(μF)/450伏(V)实现。在这样的实施方式或实施例中，电阻器20仅影响第一充电的时间，并且其目的是限制电流并避免输入熔断器熔断，使得电阻器可以被设置成具有100千欧姆(kΩ)的值。 [0020] 然而，在HV电池12以先前描述的方式发生故障的情况下，即，输出低于令人满意的阈值(例如，70伏)的电压，电容器16然后通过二极管22放电，从而向DC‑DC转换器10提供足够的输入电压，以用于该DC‑DC转换器10的正常操作。在这种情况下，二极管18防止从电容器16释放的能量回流到HV电池12。 [0021] 如前所述，所描述的故障(其中HV电池12的电压下降至低于令人满意的阈值(例如，70伏))具有极其罕见的发生率。结果，所描述的利用电容器16的解决方案的缺点是，与HV电池12串联连接的二极管18在使用DC‑DC转换器10的电动交通工具(未示出)的整个寿命期间，不利于由DC‑DC转换器10提供的HV/LV转换的总效率。而且，这种效率损失(efficiency penalty)是为了防止极少发生的失效而发生的。 [0022] 图3是根据本公开的高压(HV)到低压(LV)DC‑DC电压转换器10’的非限制性示例性实施例的简化框图。如图所示，为了在为防止极少发生的失效而提出的效率损失不发生的情况下解决先前描述的故障(其中HV电池12的电压下降至低于令人满意的阈值(例如，70伏))，在DC‑DC转换器10’之前增加了升压前级(voltage boost pre‑stage)30，该DC‑DC转换器10’与DC链路电容器32一起可以被称为转换器拓扑或转换器级40，以有效地管理DC‑DC转换器10’的更宽的操作输入范围。 [0023] 在这方面，升压前级(boost pre‑stage)30包括与高压电容器36结合的升压电路34。升压前级30与包括DC‑DC转换器10’的转换器级40级联。升压电路34包括电感器38、开关 42(例如，晶体管)和二极管44。开关42的闭合在电感器38处产生磁场，从而储存能量。随后开关42的断开导致HV电池12和电感器38产生大于HV电池12单独的输出电压电平的升高的电压输出电平，该升高的电压作为输入被提供给转换器级40，并通过电阻器46将HV电容器 36充电到升高的电压电平。由HV电池12和电感器38供应的升高的电压的值取决于电感器38的阻抗值(例如，以亨利(SI)度量)和开关42的操作占空比(即，开/关(ON/OFF))，开关42的操作占空比通过由控制单元或控制器(未示出)生成并从控制单元或控制器传输的控制信号来控制。因此，可以选择电感器38的阻抗值和开关42的占空比，以提供期望加到由HV电池 12提供的电压电平上的电压增加量。另外，HV电容器36被设置具有足以被充电到期望能量水平的电容值(例如，以法拉(F)度量)。 [0024] 在先前描述的故障的情况下，其中HV电池12的电压下降至低于令人满意的阈值(例如，70伏，其可以例如根据由传感器(未示出)提供的输出来确定)，HV电容器36通过二极管48放电，以确保合适的电压(即，升高的电压电平)被提供作为包括DC‑DC转换器10’的转换器级40的输入。在这种情况下，二极管44防止从HV电容器36释放的能量回流到电感器38和HV电池12。 [0025] 图4是根据本公开的另一高压(HV)到低压(LV)DC‑DC电压转换器10’的非限制性示例性实施例的简化框图。虽然是简化的框图，但是就转换器级40而言，图4示出了图3的更详细版本。 [0026] 如图4所示，为了在为防止极少发生的失效而提出的效率损失不发生的情况下再次解决先前描述的故障(其中400伏HV电池12的电压下降至低于令人满意的阈值(例如，70伏))，在DC‑DC转换器10’之前增加了升压前级30，该DC‑DC转换器10’与DC链路电容器32一起可以被称为转换器拓扑或转换器级40，以有效地管理DC‑DC转换器10’的更宽的操作输入范围。 [0027] 如前所述，图4示出了图3的转换器级40的更详细版本。如图4所示，转换器级40跨越DC‑DC电压转换器10’的初级侧50和次级侧60。除了DC链路电容器32之外，DC‑DC电压转换器10’的初级侧50还包括开关54、56(例如晶体管)和初级侧变压器58。DC‑DC电压转换器10’的次级侧60包括次级侧变压器62和开关66、68、70、72(例如，晶体管)，以及DC链路电容器74和电磁干扰(EMI)滤波器76。如先前所描述的，在操作中，由HV电池12经由HV交通工具总线供应的400伏被DC‑DC电压转换器10’转换成12伏DC，以便供应至电动交通工具(未示出)的配电总线80。DC‑DC转换器10’的初级侧50的开关54、56和次级侧60的开关66、68、70、72由控制单元或控制器100控制，控制单元或控制器100被适当地编程以控制开关54、56、66、68、70、72，从而通过由控制器100生成并从控制器100传输的控制信号产生本文描述的HV/LV DC‑DC电压转换(例如，400伏DC转换成12伏DC)。还应当注意，图4所示的转换器拓扑40仅是示例性的，并且本公开可以与其他转换器拓扑一起使用。在这方面，在题为“DC‑to‑DC Converter”的美国专利申请公开号2022/0060119A1中公开了示例性转换器拓扑，该美国专利申请在此通过引用以其整体并入本文。 [0028] 在这方面，仍然参考图4，升压前级30包括与高压电容器36结合的升压电路34。升压前级30与包括DC‑DC转换器10’的转换器级40级联。升压电路34包括电感器38、开关42和二极管44。开关42的闭合在电感器38处产生磁场，从而储存能量。随后开关42的断开导致HV电池12和电感器38输出大于由HV电池12提供的400伏的升高的电压输出电平，升高的电压作为输入被提供给转换器级40，并通过电阻器46将HV电容器36充电到升高的电压电平。由HV电池12和电感器38供应的升高的电压值取决于电感器38的阻抗值和开关42的操作占空比(即，开/关)，开关42的操作占空比通过由控制单元或控制器90生成并从控制单元或控制器90传输的控制信号来控制。如图4所示，升高的电压值为475伏。另外，HV电容器36被设置成具有足以被充电到期望能量水平的电容值(例如，以法拉(F)度量)。 [0029] 在先前描述的故障的情况下，其中HV电池12的电压下降至低于令人满意的阈值(例如，70伏，其可以例如根据由传感器(未示出)提供的输出确定)，HV电容器36通过二极管48放电，以确保合适的电压(即，升高的电压电平)被提供作为包括DC‑DC转换器10’的转换器级40的输入。在这种情况下，二极管44防止从HV电容器36放电的能量回流到电感器38和HV电池12。 [0030] 注意，在根据本公开的一个示例性实施方式或实施例中，电感器38可以被设置成针对25安培(A)的输入最大电流，具有在150微亨利(μH)范围内的值(a value in the range of 150microhenries(μH))。同样，电容器36可以被设置成具有值240μF/500V，电阻器46可以被设置成具有值100kΩ，电容器32可以被设置成具有值1.5μF/900V，并且电容器74可以包括并联的27个电容器(27x)，每个电容器的值为10μF/50V。在这样的示例性实施方式或实施例中，HV侧的开关42、54和56可以各自包括750V的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，尽管注意到其他技术也是可能的，这取决于HV侧的最大电压。LV侧的开关66、68、70和72可以各自包括(2x)80V/1.4mΩMOSFET。同样，二极管44可以包括 1200V/10A SiC肖特基二极管(Schottky Diode)，并且二极管48可以包括1000V Ufast二极管。HV侧的每个电容器C3P1和C4P1可以被设置成具有值5.6μF/500V，并且连接到EMI滤波器76的LV侧的剩余晶体管可以包括(2x)40V/0.4mΩMOSFET。 [0031] 如本领域技术人员将理解的，控制器90、100以及本文描述的任何其他部件、系统、子系统、单元、电路、级、模块、接口、传感器、设备等可以单独地、集体地或以任何组合包括适当的电路，例如一个或更多个适当编程的处理器(例如，包括中央处理单元(CPU)的一个或更多个微处理器)和相关联的存储器，存储器可以包括存储的操作系统软件、固件和/或应用软件，该应用软件可以由处理器执行以用于控制处理器、本文描述的任何部件、系统、子系统、单元、电路、级、模块、接口、传感器、设备等的操作，和/或用于执行由本文描述的各种方法、功能和/或操作(包括彼此之间的交互和/或合作)表示的特定算法或多个算法。 [0032] 如本文所述，本公开因此提供了针对先前描述的涉及DC‑DC转换器的故障(其中HV电池的电压下降至低于阈值而不足以使DC‑DC转换器正常操作)的解决方案，该解决方案不会遭受用于防止极少发生的失效的DC‑DC转换器的任何效率损失。本公开还提供了使用更少部件的这样的解决方案，从而减小了DC‑DC转换器的重量和尺寸，并且易于在不同的电力和交通工具架构环境中扩展。本公开的解决方案还适用于在12伏无电池电动交通工具架构中使用，同时覆盖HV电池失效用例。 [0033] 项目1：在一个实施例中，本公开提供了一种电压转换器，该电压转换器包括转换器级和升压前级，该转换器级包括直流到直流(DC‑DC)电压转换器，其中该转换器级接收第一DC电压并输出不同于第一DC电压的第二DC电压，该升压前级包括升压电路和电容器，其中该升压前级从电池接收DC电压并将升高的DC电压作为第一DC电压输出到转换器级，其中升高的DC电压大于来自电池的DC电压。在来自电池的DC电压的操作范围中的一个或更多个波动的情况下，升压前级的输出到转换器级的升高的DC电压提供转换器级的抗故障操作。 [0034] 项目2：在另一实施例中，本公开提供了根据项目1的电压转换器，其中，升压电路包括电感器、二极管和开关，并且其中升压电路的输出对电容器充电并向DC‑DC转换器提供电能。 [0035] 项目3：在另一实施例中，本公开提供了根据项目2的电压转换器，其中，电容器的放电向DC‑DC转换器提供电能。 [0036] 项目4：在另一实施例中，本公开提供了根据项目2或项目3的电压转换器，该转换器还包括控制开关的操作以实现电容器的充电的控制器。 [0037] 项目5：在另一实施例中，本公开提供了根据任一前述项目的电压转换器，该转换器还包括与转换器级的DC‑DC转换器并联连接的DC链路电容器。 [0038] 项目6：在另一实施例中，本公开提供了根据任一前述项目的电压转换器，其中，第一DC电压大于第二DC电压。 [0039] 项目7：在另一实施例中，本公开提供了根据任一前述项目的电压转换器，其中，第一DC电压等于或大于400伏，并且第二DC电压等于或小于12伏。 [0040] 项目8：在另一实施例中，本公开提供了根据任一前述项目的电压转换器，其中，转换器级的DC‑DC转换器从高压电池向低压网络上的电负载供应电能，以向电负载供电。 [0041] 项目9：在另一实施例中，本公开提供了根据任一前述项目的电压转换器，其中，转换器级的DC‑DC转换器从高压电池向低压电池供应电能，以对低压电池充电。 [0042] 项目10：在另一实施例中，本公开提供了一种交通工具，该交通工具包括根据任一前述项目的电压转换器。 [0043] 项目11：在另一实施例中，本公开提供了一种非暂时性计算机可读存储介质，其存储了用于控制电压转换器的计算机可执行指令，该电压转换器包括：(i)包括直流到直流(DC‑DC)电压转换器的转换器级和(ii)包括升压电路和电容器的升压前级。计算机可执行指令的执行使得电压转换器：响应于从电池接收到DC电压，向转换器级输出升高的DC电压，其中升高的DC电压大于来自电池的DC电压，以及在转换器级处接收升高的DC电压作为第一DC电压，并从转换器级输出第二DC电压，其中第二DC电压不同于第一DC电压。在来自电池的DC电压的操作范围中的一个或更多个波动的情况下，升压前级的输出到转换器级的升高的DC电压提供转换器级的抗故障持续操作。 [0044] 项目12：在另一实施例中，本公开提供了根据项目11的非暂时性计算机可读存储介质，其中，升压电路包括电感器和开关，并且其中升压电路的输出对电容器充电并向DC‑DC转换器提供电能。 [0045] 项目13：在另一实施例中，本公开提供了根据项目12的非暂时性计算机可读存储介质，其中，电容器的放电向DC‑DC转换器提供电能。 [0046] 项目14：在另一实施例中，本公开提供了根据项目12或项目13的非暂时性计算机可读存储介质，其中，电压转换器还包括控制器，并且其中计算机可执行指令的执行使得控制器操作开关以实现电容器的充电。 [0047] 项目15：在另一实施例中，本公开提供了根据任一前述项目的非暂时性计算机可读存储介质，其中，电压转换器还包括与转换器级的DC‑DC转换器并联连接的DC链路电容器。 [0048] 项目16：在另一实施例中，本公开提供了根据任一前述项目的非暂时性计算机可读存储介质，其中，第一DC电压大于第二DC电压。 [0049] 项目17：在另一实施例中，本公开提供了根据任一前述项目的非暂时性计算机可读存储介质，其中，第一DC电压大于或等于400伏，并且第二DC电压小于或等于12伏。 [0050] 项目18：在另一实施例中，本公开提供了根据任一前述项目的非暂时性计算机可读存储介质，其中，转换器级的DC‑DC转换器从高压电池向低压网络上的电负载供应电能，以向电负载供电。 [0051] 项目19：在另一实施例中，本公开提供了根据任一前述项目的非暂时性计算机可读存储介质，其中，转换器级的DC‑DC转换器从高压电池向低压电池供应电能，以对低压电池充电。 [0052] 项目20：在另一实施例中，本公开提供了一种交通工具，该交通工具包括根据任一前述项目的非暂时性计算机可读存储介质。 [0053] 虽然上面描述了示例性实施例，但这并不意味着这些实施例描述了根据本公开的所有可能的形式。在这点上，说明书中使用的词语是描述性的而不是限制性的词语，并且应理解的是，可以作出多种改变而不脱离本公开的精神和范围。此外，除非上下文另有明确说明，各种实施的实施例的各种特征、元件、部件、方法、过程、步骤和/或功能可以以任何一个或多个组合来组合或利用，和/或可以以除了本文具体描述的顺序之外的任何顺序来执行，以形成根据本公开的另外的实施例。 |
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