用于电气化车辆的交错式DC-DC转换器制造技术

本公开提供了“用于电气化车辆的交错式DC‑DC转换器”。一种用于电动车辆的DC‑DC电压转换器连接在电池组与具有上部链路电容器和下部链路电容器的DC链路之间。当所述链路上的目标电压小于所述电池电压的两倍时，在部分时间内同时从所述转换器的两个交错的开关支路串联地给所述电容器充电，并且在部分时间内仅从所述开关支路中的一者串联地给所述电容器充电。当所述目标电压在所述电池电压的2倍与4倍之间时，在部分时间内从两个支路单独给所述上部电容器充电，在部分时间内仅从所述支路中的一者单独给所述上部电容器充电，在部分时间内从两个支路单独给所述下部电容器充电，并且在部分时间内仅从所述支路中的一者单独给所述下部电容器充电。

【技术实现步骤摘要】
用于电气化车辆的交错式DC-DC转换器
本专利技术总体涉及用于电气化车辆的电驱动系统中的直流到直流(DC-DC)转换器，并且更具体地涉及用于在增加的电压增益范围内提供减小的电流纹波和增加的电流能力的交错式转换器。
技术介绍
电动车辆，诸如混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和电池电动车辆(BEV)，使用逆变器驱动的电机来提供牵引转矩。典型的电驱动系统可包括通过接触器开关耦接到DC-DC转换器(也称为可变电压转换器或VVC)的直流(DC)电源(诸如电池组或燃料电池)以调节主DC链接电容器两端的主母线电压。三相马达逆变器连接在主母线与牵引马达之间，以便将DC母线功率转换为交流(AC)电压，所述AC电压耦接到马达的绕组以推进车辆。在车辆减速期间，马达可以由车辆车轮驱动并且用于在车辆的再生制动期间输送电功率以给电池充电，其中DC-DC转换器在相反的方向上工作以将所产生的功率转换为适于给电池组充电的电压。在一些车辆中，还可以存在另一个三相逆变器以将DC母线连接到发电机，所述发电机由内燃发动机驱动以给电池充电。使用适当的功率开关调制，VVC可以在升压模式(转换为更高电压)、降压模式(转换为更低电压)或直通模式(电压无变化)下工作。为了在混合动力电动车辆驱动器系统中使用，VVC还被配置为选择性地提供双向功率流。典型的VVC包括至少一个相桥，所述至少一个相桥具有串联连接在DC链路电容器两端上的上部晶体管开关装置和下部晶体管开关装置(例如，绝缘栅双极型晶体管，IGBT)。开关装置之间的中间结经由电感器连接到源电池。电子控制器根据提供所需VVC模式的调制方案提供开关信号(即，栅极信号)以接通和断开开关装置。脉冲宽度调制通常用于控制VVC对电压的逐步升高，其中可以改变开关信号的占空比，以便将VVC电压调节到期望的幅值。高功率/高电流DC-DC转换器通常在转换器中采用交错式多相输入(即，两个或更多个并联的相桥)，以便获得高于仅一个相桥的电流容量的额定电流。此外，交错式DC-DC转换器大大降低了电池电流纹波。将交错式DC-DC转换器的每个相桥连接到电池组的电感器可以是独立的电感器，或者它们可以电感耦接。即使采用多相架构，仍然存在电压增益限制。增益由定义为T接通/Ts的占空比D确定，其中T接通是下部开关装置的导通持续时间并且Ts是切换时段。基于所述占空比，电压增益G由公式确定。当电压增益G大于二时，转换器效率随着占空比D的增大而急剧下降。因此，常规DC-DC转换器的电压增益通常限制为小于三。在宽速度范围操作中，期望较高的电压增益以减少马达逆变器损耗。此外，在大部分时间以较高的占空比操作DC-DC转换器导致相桥开关装置内的较高功率损耗和高电压应力。因此，需要一种改进的DC-DC转换器，其可以在减小的占空比下提供更高的电压增益。常规的交错式转换器的另一个潜在缺点是当占空比D高时，电感器中的高电流纹波产生更大的功率损耗。需要大电感来限制电流纹波，但它们是有损耗的、笨重的且重的，这对于高功率HEV应用来说是不希望的。
技术实现思路
在本专利技术的一方面，一种电驱动系统中的可变电压转换器包括：并联开关支路，所述并联开关支路具有串联连接在正节点与负节点之间的相应的上部开关装置和下部开关装置，并且各自具有由相应的电感耦接到电池的相应中间结。上部链接电容器和下部链接电容器串联连接在所述驱动系统的正母线与负母线之间。可配置耦接器具有：第一开关装置，所述第一开关装置选择性地将所述正节点耦接到所述正母线；第二开关装置，所述第二开关装置选择性地将所述正节点耦接到所述链接电容器之间的电容器结；第三开关装置，所述第三开关装置选择性地将所述负节点耦接到所述电容器结；以及第四开关装置，所述第四开关装置选择性地将所述负节点与所述负母线耦接。控制器被配置为根据PWM栅极信号驱动所述上部开关装置和所述下部开关装置，所述PWM栅极信号具有适于在所述母线之间提供目标电压的占空比，并且所述控制器被配置为致动所述第一开关装置至所述第四开关装置来选择性地使来自所述开关支路的电流转向以串联地给所述链接电容器充电，以便提供第一电压增益，并且单独给所述链接电容器充电，以便提供大于所述第一电压增益的第二电压增益。附图说明图1是示出混合动力电动车辆的电驱动装置中的具有独立电感器的常规交错式DC-DC转换器的示意性框图。图2是示出混合动力电动车辆的电驱动装置中的具有耦接的电感器的常规交错式DC-DC转换器的示意性框图。图3是示出使用常规的交错式转换器的典型有用电压增益的曲线图。图4是示出根据本专利技术一个实施例的具有独立电感器的交错式DC-DC转换器的示意性框图。图5是示出根据本专利技术一个实施例的具有耦接的电感器的交错式DC-DC转换器的示意性框图。图6是示出根据根据本专利技术的各种实施例实现的多种调制模式的电压增益的曲线图。图7是示出用于本专利技术的调制模式I-A的相桥PWM信号和耦接器转向信号的信号图。图8和图9是本专利技术的示意图，其示出根据调制模式I-A的开关周期的不同部分期间的电流流动。图10是示出用于本专利技术的调制模式I-B的相桥PWM信号和耦接器转向信号的信号图。图11和图12是本专利技术的示意图，其示出根据调制模式I-B的开关周期的不同部分期间的电流流动。图13是示出用于本专利技术的调制模式II的相桥PWM信号和耦接器转向信号的信号图。图14至图17是本专利技术的示意图，其示出根据调制模式II的开关周期的不同部分期间的电流流动。图18是示出用于本专利技术的调制模式III的相桥PWM信号和耦接器转向信号的信号图。图19和图20是本专利技术的示意图，其示出根据调制模式III的开关周期的不同部分期间的电流流动。图21是示出在模式III下的操作期间的电池电流纹波以获得高电压增益的曲线图。图22是示出与图21中的操作一致的电感器中的电流纹波的曲线图。图23是示出与图21一致的电池电压的曲线图。图24是示出与图21一致的DC链路电压的曲线图。图25是示出与图21一致的DC链路电容器中的每一个的两端的电压的曲线图。具体实施方式参考图1，DC-DC可变电压转换器(VVC)10耦接在DC电源11(诸如电池组或燃料电池)与DC链路电容器12之间。正母线14和负母线15将电容器12耦接到马达/发电机逆变器系统13。VVC10具有交错的相桥，包括第一相桥，所述第一相桥具有与下部开关装置Sn1串联连接在母线14和15之间的上部开关装置Sp1。第一电感器16将开关装置Sp1与Sn1之间的结耦接到电池11。第二相桥具有与下部开关装置Sn2串联连接在母线14和15之间的上部开关装置Sp2。第二电感器17将开关装置Sp2与Sn2之间的结耦接到电池11。VVC10可以在升压模式或降压模式下工作，其中功率流向任一方向。相桥中的开关装置Sp1、Sn1、Sp2和Sn2以交错的方式与电感器16和17(具有电感L1和L2)一起工作，由此每个电感器和相应的相桥支持电池电流的一半(在升压模式下)。与Sp2和Sn2的相桥开关信号相比，Sp1和Sn1的相桥开关信号(它们彼此反相)具有180°相移，这实现了交错操作以显著降低电池电流纹波。因此，流过电感器16和17的电流iL1和il2具有相同的幅值但具有180°的相移。在图1中，电感器16本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电驱动系统中的可变电压转换器，其包括：并联开关支路，所述并联开关支路具有串联连接在正节点与负节点之间的相应的上部开关装置和下部开关装置，并且各自具有由相应的电感耦接到电池的相应中间结；上部链接电容器和下部链接电容器，所述上部链接电容器和所述下部链接电容器串联连接在所述驱动系统的正母线与负母线之间；可配置耦接器，所述可配置耦接器具有：第一开关装置，所述第一开关装置选择性地将所述正节点耦接到所述正母线；第二开关装置，所述第二开关装置选择性地将所述正节点耦接到所述链接电容器之间的电容器结；第三开关装置，所述第三开关装置选择性地将所述负节点耦接到所述电容器结；以及第四开关装置，所述第四开关装置选择性地将所述负节点与所述负母线耦接；以及控制器，所述控制器被配置为根据PWM栅极信号驱动所述上部开关装置和所述下部开关装置，所述PWM栅极信号具有适于在所述母线之间提供目标电压的占空比，并且所述控制器被配置为致动所述第一开关装置至所述第四开关装置来选择性地使来自所述开关支路的电流转向以串联地给所述链接电容器充电，以便提供第一电压增益，并且单独给所述链接电容器充电，以便提供大于所述第一电压增益的第二电压增益。...

【技术特征摘要】
2017.12.11 US 15/837,3151.一种电驱动系统中的可变电压转换器，其包括：并联开关支路，所述并联开关支路具有串联连接在正节点与负节点之间的相应的上部开关装置和下部开关装置，并且各自具有由相应的电感耦接到电池的相应中间结；上部链接电容器和下部链接电容器，所述上部链接电容器和所述下部链接电容器串联连接在所述驱动系统的正母线与负母线之间；可配置耦接器，所述可配置耦接器具有：第一开关装置，所述第一开关装置选择性地将所述正节点耦接到所述正母线；第二开关装置，所述第二开关装置选择性地将所述正节点耦接到所述链接电容器之间的电容器结；第三开关装置，所述第三开关装置选择性地将所述负节点耦接到所述电容器结；以及第四开关装置，所述第四开关装置选择性地将所述负节点与所述负母线耦接；以及控制器，所述控制器被配置为根据PWM栅极信号驱动所述上部开关装置和所述下部开关装置，所述PWM栅极信号具有适于在所述母线之间提供目标电压的占空比，并且所述控制器被配置为致动所述第一开关装置至所述第四开关装置来选择性地使来自所述开关支路的电流转向以串联地给所述链接电容器充电，以便提供第一电压增益，并且单独给所述链接电容器充电，以便提供大于所述第一电压增益的第二电压增益。2.如权利要求1所述的转换器，其中所述电池供应电池电压Vb，并且其中所述控制器根据多种模式致动所述可配置耦接器，所述多种模式包括：当所述目标电压小于2·Vb时使用的第一模式，其中所述第一模式在部分时间内同时从两个开关支路串联地给两个链接电容器充电，并且其中所述第一模式在部分时间内仅从所述开关支路中的一者串联地给两个链接电容器充电；以及当所述目标电压在2·Vb与4·Vb之间时使用的第二模式，其中所述第二模式在部分时间内从两个开关支路单独给所述上部链接电容器充电，其中所述第二模式在部分时间内仅从所述开关支路中的一者单独给所述上部链接电容器充电，其中所述第二模式在部分时间内从两个开关支路单独给所述下部链接电容器充电，并且其中所述第二模式在部分时间内仅从所述开关支路中的一者单独给所述下部链接电容器充电。3.如权利要求2所述的转换器，其中所述第一模式将所述占空比限制为小于约0.5，其中所述第一模式在部分时间内仅从所述开关支路中的一者单独给所述上部链接电容器充电，并且其中所述第一模式在部分时间内仅从所述开关支路中的另一者单独给所述下部链接电容器充电。4.如权利要求2所述的转换器，其中所述第二模式不包括串联地给两个链接电...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛宝明，陈礼华，徐帆，杨水涛，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US