直流電壓變換器和用于操控直流電壓變換器的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及直流電壓變換器（10），具有第一輸入電壓端子（5a）和第二輸入電壓端子（5b），輸入直流電壓（Ui）可以被施加在所述第一輸入電壓端子和第二輸入電壓端子之間；第一變換器裝置（1），所述第一變換器裝置被設(shè)計用于將輸入直流電壓的第一分電壓（j UinV）轉(zhuǎn)換為輸出直流電壓；和第二變換器裝置（2），所述第二變換器裝置在輸入側(cè)以與所述第一變換器裝置串聯(lián)的方式耦合在所述第一輸入電壓端子和所述第二輸入電壓端子之間，并且所述第二變換器裝置被設(shè)計用于，將輸入直流電壓的第二分電壓（k UinK）轉(zhuǎn)換為輸出直流電壓。所述直流電壓變換器此外包括控制裝置（9），所述控制裝置與所述第一變換器裝置和所述第二變換器裝置耦合，并且所述控制裝置被設(shè)計用于，以可變的第一分電壓運行所述第一變換器裝置，并且以恒定的第二分電壓運行所述第二變換器裝置。
【專利說明】
直流電壓變換器和用于操控直流電壓變換器的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及直流電壓變換器和用于操控直流電壓變換器的方法，尤其用于從高電壓電網(wǎng)對混合動力車輛或者電動車輛的車載電網(wǎng)進(jìn)行電壓供應(yīng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在混合動力車輛或者電動車輛中，低壓車載電網(wǎng)的供電可以通過高壓電網(wǎng)被確保，其中所述高壓電網(wǎng)被使用用于對混合動力車輛的電驅(qū)動裝置進(jìn)行供電。為此例如直流電壓變換器、尤其具有次級側(cè)中間抽頭的推挽正激變換器(Gegentaktdurchf Iusswandler)可以被使用，所述推挽正激變換器從高壓電網(wǎng)中提取能量，并且將高壓電網(wǎng)的高電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的車載電網(wǎng)電壓。
[0003]所述直流電壓變換器在此由于在高壓電網(wǎng)和車載電網(wǎng)中高的電壓波動而必須涵蓋(abdecken)寬的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍。為了對此進(jìn)行抵抗，可以在高壓電網(wǎng)側(cè)對直流電壓變換器前置例如升壓轉(zhuǎn)換器。可替代地，具有由直流電壓變換器組成的串聯(lián)電路的多級系統(tǒng)可以被使用——出版物Chen, ff.; Ruan, X.; Yan, H.; Tse C.K.:〃DC/DC Convers1n Systems Consisting of Multiple Converter Modules: Stability,Control and Experimental Verificat1n"， IEEE Transact1ns on PowerElectronics, Vol.24，N0.6，2009年6月和Siri, Κ.; Willhoff，Μ.; Truong, C.;Conner, K.A.:^Uniform Voltage Distribut1n Control for Series-1nputParalIel-Output, Connected Converters", IEEEAC paper' 1074, v.6,2006年I月例如分別公開由多個電壓變換器級組成的在輸入側(cè)串聯(lián)地接線的并且在輸出側(cè)并聯(lián)地接線的多級電壓變換器結(jié)構(gòu)，其中所述輸入電壓可以被調(diào)節(jié)。
[0004]然而存在對用于直流電壓變換的解決方案的需求，其中所使用的直流電壓變換器可以在最優(yōu)的工作點處被運行。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]因此，本發(fā)明按照一方面實現(xiàn)直流電壓變換器，具有第一輸入電壓端子和第二輸入電壓端子，其中輸入直流電壓可被施加在所述第一輸入電壓端子和第二輸入電壓端子之間；第一變換器裝置，所述第一變換器裝置被設(shè)計用于，將輸入直流電壓的第一分電壓轉(zhuǎn)換為輸出直流電壓;和第二變換器裝置，所述第二變換器裝置在輸入側(cè)以與第一變換器裝置串聯(lián)的方式耦合在第一輸入電壓端子和第二輸入電壓端子之間，并且所述第二變換器裝置被設(shè)計用于，將輸入直流電壓的第二分電壓轉(zhuǎn)換為輸出直流電壓。所述直流電壓變換器此外包括控制裝置，所述控制裝置與第一變換器裝置和第二變換器裝置耦合，并且所述控制裝置被設(shè)計用于，以可變的第一分電壓運行第一變換器裝置，并且以恒定的第二分電壓運行第二變換器裝置。
[0006]按照另一方面，本發(fā)明實現(xiàn)可電運行的車輛，具有高壓電網(wǎng)、車載電網(wǎng)和按照本發(fā)明的直流電壓變換器，所述直流電壓變換器將所述高壓電網(wǎng)與所述車載電網(wǎng)耦合，并且所述直流電壓變換器被設(shè)計用于，將高壓電網(wǎng)的高壓直流電壓轉(zhuǎn)換為用于所述車載電網(wǎng)的車載電網(wǎng)直流電壓。
[0007]按照另一方面，本發(fā)明實現(xiàn)用于操控直流電壓變換器的方法，具有步驟:利用第一變換器裝置將輸入直流電壓的第一分電壓轉(zhuǎn)換為輸出直流電壓、利用第二變換器裝置將輸入直流電壓的第二分電壓轉(zhuǎn)換為輸出直流電壓、以可變的第一分電壓運行第一變換器裝置和以恒定的第二分電壓運行第二變換器裝置。
[0008]發(fā)明優(yōu)點
本發(fā)明的思想是，在兩個在輸入側(cè)串聯(lián)接線的變換器組中設(shè)置具有電壓變換器級的直流電壓變換器。兩個變換器組中的一個可以分別地以恒定的輸入電壓運行，所述變換器組可以接收最小的輸入電壓。兩個變換器組中的另一個于是可以以可變的輸入電壓運行，以便可以滿足(abdecken)輸入電壓范圍的擴(kuò)展。以恒定的輸入電壓運行的電壓變換器級可以有利地根據(jù)恒定的工作點被優(yōu)化，這顯著地改善其效率。
[0009]所述處理方法的基本的優(yōu)點是，不是直流電壓變換器的所有的電壓變換器級都必須被設(shè)計到相同的(高的)輸入電壓范圍上。代替地，對于電壓變換器級的一部分可以使用效率高效的變換器類型、例如諧振變換器，所述變換器類型在恒定的工作點的情況下被使用。
[0010]按照直流電壓變換器的一種實施方式，第一變換器裝置可以具有多個直流電壓變換器模塊，所述直流電壓變換器模塊在輸入側(cè)以串聯(lián)的方式并且在輸出側(cè)以并聯(lián)的方式耦合，并且所述直流電壓變換器模塊可以分別以第一分電壓的模塊分電壓作為輸入電壓被運行。
[0011]按照直流電壓變換器的另一實施方式，所述第二變換器裝置可以具有多個直流電壓變換器模塊，所述直流電壓變換器模塊在輸入側(cè)以串聯(lián)的方式并且在輸出側(cè)以并聯(lián)的方式耦合，并且所述直流電壓變換器模塊可以分別以第二分電壓的恒定的模塊分電壓作為輸入電壓被運行。
[0012]在兩種情況下，分別所使用的直流電壓變換器模塊的數(shù)量可以被適當(dāng)?shù)剡x擇為，使得在輸入側(cè)可以使用具有較小的反向電壓的功率半導(dǎo)體開關(guān)。相對于具有較高的反向電壓的功率半導(dǎo)體開關(guān)、諸如超結(jié)M0SFET，這樣的開關(guān)元件引起小得多的實施成本。
[0013]除此之外，不僅輸入電壓擴(kuò)展而且這樣構(gòu)建的直流電壓變換器的有效功率可以通過模塊化的結(jié)構(gòu)以有利的方式縮放。
[0014]按照直流電壓變換器的另一實施方式，所述第一和/或第二直流電壓變換器模塊可以分別具有諧振變換器。如果確保所述工作點不必被改變或者不必顯著地被改變，那么該變換器類型可以在達(dá)到高的效率時特別有利地被使用。
[0015]按照直流電壓變換器的另一實施方式，所述第一變換器裝置和所述第二變換器裝置可以在輸出側(cè)并聯(lián)連接。
[0016]按照直流電壓變換器的可替代的實施方式，所述第一變換器裝置和所述第二變換器裝置可以在輸出側(cè)串聯(lián)連接。在此，在另一實施方式中，所述控制裝置可以被設(shè)計用于，以可變的第一輸出電壓運行第一變換器裝置，并且以恒定的第二輸出電壓運行第二變換器
目.ο
[0017]這是特別有利的，因為所述第二變換器裝置可以不僅以恒定的輸入電壓、而且以恒定的輸出電壓被運行。由此，第二變換器裝置的設(shè)計在效率和功率效率方面進(jìn)一步被改口 O
[0018]本發(fā)明實施方式的其它特征和優(yōu)點參考附圖由以下描述得出。
【附圖說明】
[0019]圖1示出按照本發(fā)明的一種實施方式的直流電壓變換器的示意圖；
圖2示出按照本發(fā)明的另一實施方式的直流電壓變換器的示意圖；和圖3示出按照本發(fā)明的另一實施方式的用于操控直流電壓變換器的方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0020]圖1示出直流電壓變換器10的示意圖，所述直流電壓變換器10例如可以在例如混合動力車輛或者電動車輛的電驅(qū)動系統(tǒng)中被使用。所述電驅(qū)動系統(tǒng)可以在高壓電網(wǎng)中包括高電壓源、例如混合動力車輛或電動車輛的牽引電池或者其它蓄能裝置。所述高電壓源在此可以對高電壓中間電路饋電，所述高電壓中間電路例如可以包括中間電路電容器。所述高電壓中間電路在此可以被與直流電壓變換器10的輸入端子5a和5b耦合，并且提供高壓直流電壓作為用于直流電壓變換器10的輸入電壓U1。所述直流電壓變換器10于是可以將所述輸入電壓Ui轉(zhuǎn)換為輸出直流電壓U。，所述輸出直流電壓U。可以在直流電壓變換器10的輸出端子6a和6b處被截取，以便例如在混合動力車輛或者電動車輛的車載電網(wǎng)中作為車載電網(wǎng)直流電壓被提供。
[0021]所述輸出直流電壓U。在此例如可以用于供給低壓電池或者車載電網(wǎng)電池。此外，大量的車載電網(wǎng)負(fù)載可以連接到車載電網(wǎng)上，所述車載電網(wǎng)負(fù)載可以選擇性地可連接到直流電壓變換器10的輸出端子上或者可斷開。車載電網(wǎng)負(fù)載例如可以包括車輛的空調(diào)設(shè)備、點煙器、車載計算機、Hifi系統(tǒng)或者類似的電組件。
[0022]針對輸入電壓Ui的示例性和典型的值域包括大約200V至340V也或者包括250V至500V，對于輸出直流電壓Uo的示例性和典型的值域包括大約9V至15.5V。所述值域在混合動力車輛或者電動車輛情況下可能遭受強烈的波動，使得所述直流電壓變換器10或者其組件應(yīng)當(dāng)被設(shè)計用于均衡所述波動。
[0023]對此，圖1的直流電壓變換器10包括SIPO拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、也即兩個變換器裝置I或者2在輸入側(cè)通過各自的變換器輸入端子3a、3b或者4a、4b串聯(lián)地或串行地(in Reihe)連接，而所述變換器裝置I或者2在輸出側(cè)并聯(lián)地接線。變換器裝置I和2的數(shù)量僅示例性用2示出，每個其他的大于2的數(shù)量同樣地可以被設(shè)置用于所述變換器裝置I或者2。在此附加的變換器裝置可以以與變換器裝置I或者2類似的方式被構(gòu)建，并且在輸入側(cè)串聯(lián)地以及在輸出側(cè)與變換器裝置I或者2并聯(lián)地被耦合。
[0024]所述直流電壓變換器10具有第一變換器裝置I，所述第一變換器裝置I被設(shè)計用于，將輸入直流電壓Ui的第一分電壓j.UinV轉(zhuǎn)換為第一輸出直流電壓。所述分電壓j.UinV在此按在第一變換器裝置I中設(shè)置的直流電壓變換器模塊Ia至Ij的數(shù)量而定，所述直流電壓變換器模塊可以例如分別相同地被構(gòu)建。所述直流電壓變換器模塊Ia至Ij在輸入側(cè)通過各自的模塊輸入端子3a、3b以串聯(lián)的方式耦合，使得直流電壓變換器模塊Ia至Ij中的每個可以將模塊分電壓Uinv作為輸入電壓接收。在輸出側(cè)，所述直流電壓變換器模塊Ia至Ij以并聯(lián)的方式耦合。
[0025]所述直流電壓變換器10此外具有第二變換器裝置2，所述第二變換器裝置2在輸入側(cè)以與所述第一變換器裝置I串聯(lián)的方式親合在第一輸入電壓端子5a和第二輸入電壓端子5b之間，并且所述第二變換器裝置2被設(shè)計用于，將輸入直流電壓U1的第二分電壓k.UinK轉(zhuǎn)換為第二輸出直流電壓。在圖1的示例中，第一變換器裝置I和第二變換器裝置2的輸出端子以并聯(lián)的方式耦合，使得第一變換器裝置I的第一輸出電壓對應(yīng)于第二變換器裝置2的第二輸出電壓、也即兩個變換器裝置I和2有助于同一總輸出電壓U。。
[0026]所述第二變換器裝置2以與所述第一變換器裝置I類似的方式具有直流電壓變換器模塊2a至2k，并且被設(shè)計用于，將輸入直流電壓Ui的第二分電壓k.UinKR換為輸出直流電壓。所述分電壓k.UinK在此按在第二變換器裝置2中設(shè)置的直流電壓變換器模塊2a至2k的數(shù)量而定，所述直流電壓變換器模塊可以例如分別相同地被構(gòu)建。所述直流電壓變換器模塊2a至2k在輸入側(cè)通過各自的模塊輸入端子4a、4b以串聯(lián)的方式耦合，使得直流電壓變換器模塊2a至2k中的每個可以將模塊分電壓UinK作為輸入電壓接收。所述直流電壓變換器模塊2a至2k在輸出側(cè)以并聯(lián)的方式耦合。
[0027]直流電壓變換器模塊Ia至Ij的數(shù)量和直流電壓變換器模塊2a至2k的數(shù)量在此可以是不同的一一尤其可能的是，這樣地確定各個直流電壓變換器模塊的數(shù)量或者其彼此的比例的大小，使得通過第一變換器裝置I所接收的第一分電壓j.Uinv對應(yīng)于輸入電壓擴(kuò)展(Eingangsspannungsspreizung)，并且通過所述第二變換器裝置2接收的第二分電壓k.UinK對應(yīng)于輸入電壓Ui的輸入電壓范圍的最小值。這能夠?qū)崿F(xiàn)，以可變的第一分電壓j.UinV運行所述第一變換器裝置I，并且以恒定的第二分電壓k.UinK運行所述第二變換器裝置2。
[0028]這可以例如通過控制裝置9實現(xiàn)，所述控制裝置9與所述第一變換器裝置I和所述第二變換器裝置2耦合，并且被設(shè)計用于相應(yīng)地操控第一和第二變換器裝置I或者2的直流電壓變換器模塊Ia至Ij或者2a至2k。
[0029]有利地，所述第一和/或第二直流電壓變換器模塊Ia至Ij和2a至2k可以分別具有諧振變換器。所述變換器類型在恒定的工作點情況下可以特別高效地被運行。
[0030]圖2示出另一直流電壓變換器20的示意圖。所述直流電壓變換器20與圖1的直流電壓變換器10基本上不同之處在于:所述第一變換器裝置I和所述第二變換器裝置2在輸出側(cè)不是并聯(lián)地、而是通過子輸出端子7a和7b或者8a和Sb串聯(lián)地連接。所述第一變換器裝置I因此可以提供可變的輸出電壓IU，所述第二變換器裝置2可以提供恒定的輸出電壓Ucik，所述可變的輸出電壓和所述恒定的輸出電壓在輸出端子6a和6b處相加為總輸出電壓U。。
[0031]所述控制裝置9在此此外可以被設(shè)計用于，以可變的第一輸出電壓Uciv運行第一變換器裝置1，并且以恒定的第二輸出電壓Ucik運行第二變換器裝置2。換句話說，所述第一變換器裝置I可以截獲(auffangen)所述輸出電壓擴(kuò)展，而所述第二變換器裝置2可以滿足輸出電壓范圍的最小值。
[0032]這能夠?qū)崿F(xiàn)第二變換器裝置2的直流電壓變換器模塊2a至2k的進(jìn)一步的功率優(yōu)化。
[0033]圖3示出用于操控直流電壓變換器、尤其如在圖1或者2中示范性地示出的混合動力車輛或者電動車輛的電驅(qū)動系統(tǒng)中的直流電壓變換器10或20的方法30的不意圖。在第一步驟31中，利用第一變換器裝置I將輸入直流電壓Ui的第一分電壓j.UinvR換為輸出直流電壓。在第二步驟32中，利用第二變換器裝置2將輸入直流電壓Ui的第二分電壓k.UinK轉(zhuǎn)換為輸出直流電壓。
[0034]在此，在步驟33中以可變的第一分電壓j.Uinv運行所述第一變換器裝置I，并且在步驟34中以恒定的第二分電壓k.UinK運行所述第二變換器裝置2。
【主權(quán)項】
1.直流電壓變換器(10;20)，具有: 第一輸入電壓端子(5a)和第二輸入電壓端子(5b)，輸入直流電壓(Ui)可被施加在所述第一輸入電壓端子和所述第二輸入電壓端子之間； 第一變換器裝置(1)，所述第一變換器裝置(I)被設(shè)計用于，將輸入直流電壓(U1)的第一分電壓(j.UinV)轉(zhuǎn)換為輸出直流電壓； 第二變換器裝置(2)，所述第二變換器裝置(2)在輸入側(cè)以與所述第一變換器裝置(I)串聯(lián)的方式耦合在所述第一輸入電壓端子(5a)和所述第二輸入電壓端子(5b)之間，并且所述第二變換器裝置(2)被設(shè)計用于，將輸入直流電壓(Ui)的第二分電壓(k.UinK)轉(zhuǎn)換為輸出直流電壓;和 控制裝置(9)，所述控制裝置(9)與所述第一變換器裝置(I)和所述第二變換器裝置(2)耦合，并且所述控制裝置(9)被設(shè)計用于，以可變的第一分電壓(j.Uinv)運行所述第一變換器裝置(1)，并且以恒定的第二分電壓(k.UinK)運行所述第二變換器裝置(2)。2.按照權(quán)利要求1所述的直流電壓變換器(10;20)，其中所述第一變換器裝置(I)具有多個直流電壓變換器模塊(Ia; I j )，所述直流電壓變換器模塊(la； Ij )在輸入側(cè)以串聯(lián)的方式并且在輸出側(cè)以并聯(lián)的方式耦合，并且所述直流電壓變換器模塊(la; Ij)可以分別地以第一分電壓(j.UinV)的模塊分電壓(UinV)作為輸入電壓被運行。3.按照權(quán)利要求1和2之一所述的直流電壓變換器(10;20)，其中所述第二變換器裝置(2)具有多個直流電壓變換器模塊(2a; 2k)，所述直流電壓變換器模塊(2a; 2k)在輸入側(cè)以串聯(lián)的方式并且在輸出側(cè)以并聯(lián)的方式耦合，并且所述直流電壓變換器模塊(2a;2k)可以分別以第二分電壓(k.UinK)的恒定的模塊分電壓(UinK)作為輸入電壓被運行。4.按照權(quán)利要求1至3之一所述的直流電壓變換器(10;20)，其中所述第一和/或第二直流電壓變換器模塊(Ia; I j ; 2a; 2k)分別具有諧振變換器。5.按照權(quán)利要求1至4之一所述的直流電壓變換器(10)，其中所述第一變換器裝置(I)和所述第二變換器裝置(2)在輸出側(cè)并聯(lián)連接。6.按照權(quán)利要求1至4之一所述的直流電壓變換器(20)，其中所述第一變換器裝置(I)和所述第二變換器裝置(2 )在輸出側(cè)串聯(lián)連接。7.按照權(quán)利要求6所述的直流電壓變換器(20)，其中所述控制裝置(9)此外被設(shè)計用于，以可變的第一輸出電壓(Uciv)運行所述第一變換器裝置(1)，并且以恒定的第二輸出電壓(Ucik)運行所述第二變換器裝置(2)。8.可電運行的車輛，具有: 尚壓電網(wǎng)； 車載電網(wǎng);和 按照權(quán)利要求1至7之一所述的直流電壓變換器(10; 20)，所述直流電壓變換器(10; 20)將所述高壓電網(wǎng)與所述車載電網(wǎng)耦合，并且所述直流電壓變換器(10;20)被設(shè)計用于，將高壓電網(wǎng)的高壓直流電壓轉(zhuǎn)換為用于所述車載電網(wǎng)的車載電網(wǎng)直流電壓。9.用于操控直流電壓變換器(10;20)的方法(30)，具有步驟: 利用第一變換器裝置(I)將輸入直流電壓(Ui)的第一分電壓(j.Uinv)轉(zhuǎn)換(31)為輸出直流電壓； 利用第二變換器裝置(2)將輸入直流電壓(Ui)的第二分電壓(k.UinK)轉(zhuǎn)換(32)為輸出直流電壓； 以可變的第一分電壓(j.Uinv)運行(33)所述第一變換器裝置(I);和 以恒定的第二分電壓(k.UinK)運行(34)所述第二變換器裝置(2)。
【文檔編號】H02M3/00GK105850018SQ201480053714
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年9月2日
【發(fā)明人】D.塔斯特金, S.布茨曼
【申請人】羅伯特·博世有限公司