具有固态开关控制的无变压器电流隔离车载充电器制造技术

例如用于车辆的车载充电模块(OBCM)的特征在于缺少变压器，并且包括AC‑DC电压整流器、DC‑DC降压转换器、DC‑DC升压转换器、降压转换器与升压转换器之间的DC链路电容器以及固态装置。装置包括二极管以及具有相反打开/关闭切换状态的第一和第二开关。第一和第二开关连接至DC总线的公共导线，第一开关和二极管位于电压整流器与升压转换器之间，且第二开关位于链路电容器与降压转换器之间。第三和第四开关可以在与第一和第二开关相反的导线上使用。OBCM经由固态装置的操作可操作以经由AC电源对HV‑ESS进行充电并同时维持电流隔离。电力系统包括OBCM、DC总线和HV‑ESS。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种放弃使用变压器而使用固态开关控制用于电流隔离的车载充电器。
技术介绍
混合电动车辆单独使用高压电池或结合内燃机使用高压电池来给一个或多个电机供电，从而将扭矩传递至车辆的传动系统。术语“插电式车辆”描述了例如通过将车辆的充电电缆插入到120VAC或240VAC的壁装插座中的任何车辆，例如，电池电动车辆、混合电动车辆。当车辆运行时，可以使用再生制动对电池进行再充电。可以使用车载充电模块或OBCM来便于高压电池的再充电。典型的OBCM具有所需的电子电路硬件和控制软件以将单相或三相交流(AC)栅极电压转换成电池可用的直流(DC)电压，并因此用作电压整流器。OBCM不仅增加了整流电压的功率因数，而且增大了该整流电压幅度，并因此用作升压转换器。另外，OBCM用作DC-DC转换器以当对电池进行充电时根据需要进一步调节DC电压。OBCM被描述为隔离设计或非隔离设计。在适用于具有电传动系的车辆的类型的隔离设计中，电流隔离维持在OBCM的输入侧与输出侧之间。变压器是一种适当的电流隔离器，如本领域所熟知的，如将两个电路互连而不允许电流从一个电路直接流到另一个电路的任何装置。相反，非隔离OBCM设计没有电流隔离。结果，非隔离设计往往最常用于低压非车辆设计中。
技术实现思路
本文公开了一种用于对例如以上描述的类型中的任一种类型的插电式车辆的电力系统中或者在需要使用非车载多相电源对DC电池再充电的任何其它电力系统中的高压能量存储系统(HV-ESS)进行充电的车载充电模块(OBCM)。本文描述的OBCM特征在于缺少通常用于提供电流隔离类型的变压器。也就是说，OBCM为如本文中使用术语表示的“无变压器”。然而，在本设计中通过使用附加的固态装置仍然维持了接地故障电流隔离，所述附加的固态装置包括被明确定位/连接并控制的半导体开关和二极管。当开关和二极管与OBCM的现有电子硬件一起使用时，提供两阶段能量转换/转移，从而对HV-ESS进行充电。本文描述的示例性电路拓扑结构旨在通过无变压器设计提供成本、重量以及包装空间减小的优势，同时仍然提供电流隔离。固态装置的半导体开关在不同的示例性实施例中可以不同地实施为两个、三个或四个半导体开关。可选地，半导体开关可以为碳化硅(SiC)开关或宽带隙(WBG)开关，它们在本领域中已知用于提供相对于IGBT和MOSFET的某些性能优势。然而，在一些应用中，使用IGBT、MOSFET或其它合适的固态开关可以获得令人满意的结果。在特定实施例中，公开了一种与AC电源和电连接到具有正负导线的DC电压总线的HV-ESS一起使用的OBCM。OBCM包括可连接到AC电源和可连接到DC电压总线的导线的AC-DC电压整流器。整流器还连接到OBCM的DC-DC降压转换器。可操作用于增加到降压转换器的DC电压输入的DC-DC升压转换器连接在电压整流器与降压转换器之间。OBCM还包括与降压转换器和升压转换器电并联的链路电容器。电连接在降压转换器和升压转换器之间的链路电容器可操作用于向降压转换器提供增加的DC电压输入。OBCM的固态装置组包括二极管以及第一和第二半导体开关，其中开关具有相反的打开/关闭的切换状态。第一开关和二极管电连接在电压整流器和升压转换器之间。第二开关电连接在链路电容器和降压转换器之间。经由固态装置的控制，OBCM可操作以使用AC电源选择性地对HV-ESS进行充电，同时维持OBCM的电流隔离，而无需依照传统方式使用变压器。本文还公开了一种包括DC电压总线、电连接到DC电压总线的HV-ESS，以及上述OBCM的电力系统。OBCM经由DC电压总线电连接到HV-ESS。本文还公开了一种车辆，在一个示例性实施例中，该车辆包括HV-ESS、具有输入构件的变速器、连接到输入构件的电机、AC电压总线、DC电压总线，以及经由DC电压总线电连接到HV-ESS并经由AC电压总线电连接到电机的功率变换器模块。结合附图，从下面对实现本专利技术的最佳方式的详细描述中，本专利技术的以上特征和优点以及其它特征和优点显而易见。附图说明图1是具有带如本文所描述构造的无变压器电流隔离车载充电模块(OBCM)的电力系统的示例性车辆的示意性侧视图。图2是可用于诸如图1的车辆中的各系统中的示例性OBCM的示意性电路图。图3A至图3B是图2的电路图中所示的固态装置的相应的切换状态的时间曲线图，其中在横轴上示出了时间，纵轴上示出了切换状态。图4A至图4B为图2所示的示例性电路的不同实施例的瞬时接地故障电流和均方根(RMS)电流的时间曲线图，其中在横轴上示出了时间，纵轴上示出了接地故障电流。具体实施方式参照附图，其中在所有几个附图中相同的附图标记表示相同的部件，在图1中示出了示例性车辆10。车辆10包括具有车载充电模块(OBCM)20和高压能量存储系统(HV-ESS)22的电力系统12，其中OBCM20如下所述可操作用于对HV-ESS22进行充电。OBCM20经由箭头A所示的充电端口36被插入到外部多相/交流(AC)电源19，例如120VAC或240VAC常规壁装电源插座中。以这种方式，当车辆10未运行时，诸如当车辆10停泊在充电站时或停泊在车库中时，启用对HV-ESS22的充电。经由来自控制器50的开关控制信号(箭头11)对OBCM20进行自动控制以建立OBCM20的两个充电阶段中的一个，这两个充电阶段即为在准备对HV-ESS22进行充电时，对DC链路电容器(CL)进行充电的第一状态，如图2所示，以及第二状态，在该状态中，来自DC链路电容器(CL)的所存储的电荷被释放给HV-ESS22。下面参照图2且另外参照图3A至图4B的时间曲线图更详细地描述了用于实现所期望的功能的示例性无变压器电路拓扑结构。如图1所示的车辆10，为机动客车，是可使用电力系统12且受益于使用所公开的OBCM20的一种类型的较高级系统。然而，OBCM20可与任何电力系统12(车辆的或非车辆的)一起使用，其中需要对DC电池或其它适当的能量存储系统进行充电。由于对于电流隔离的需要，如本文所使用的例如指超过20VDC的电压电平的高压应用尤其可受益于本方法。除了OBCM20和HV-ESS22，图1的电力系统12还可包括功率变换器模块(PIM)24，即具有用于例如经由脉冲宽度调制或其它适当的开关技术将AC电压转换为DC电压(和反之亦然)所需的必需的IGBT和其它半导体装置的功率变换器。电力系统12还可包括辅助电源模块和低压能量存储系统(LV-ESS)，两者都未示出，但是这两者在现有技术中都是已知的。OBCM20可经由高压DC总线21电连接到HV-ESS22，并且HV-ESS22可通过高压DC总线21电连接到PIM24。如本文所使用的，“高压”是通常指超过12-15VDC辅助电压电平的电压电平的相关术语。因此，18-20VDC可以限定一些应用的高压的合理的较低限度，其中在插电式车辆应用中根据设计30VDC至300VDC或更高的电压电平是可能的。同样如本文所使用的，术语“模块”指用于实现特定装置的指定功能的组合的物理硬件和控制软件。对于给定模块，这类硬件可以一起被封装。例如，响应于脉冲宽度调制信号，PIM24可包括将车辆10上的AC源电力转换成DC电力(反之亦然)所需的所有半导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于结合交流(AC)电源和直流(DC)高压能量存储系统(HV‑ESS)使用的车载充电模块(OBCM)，其中所述HV‑ESS连接至DC电压总线，所述OBCM包括：AC‑DC电压整流器，其可连接至所述AC电源并且连接至所述DC电压总线，其中所述AC‑DC电压整流器可操作用于产生整流DC电压输出；DC‑DC升压转换器，其电连接至所述AC‑DC电压整流器并且具有可共同地操作用于增加所述整流电压输出的第一多个电子元件；DC‑DC降压转换器，其电连接至所述DC‑DC升压转换器并且具有可共同地操作用于降低所述升压转换器的电压输出的第二多个电子元件；链路电容器，其电连接在所述降压转换器与所述升压转换器之间；以及一组固态装置，其包括二极管以及具有相反打开/关闭切换状态的第一和第二开关，其中所述第一和第二开关连接至所述DC电压总线的公共导线，所述第一开关和所述二极管电连接在所述电压整流器与所述升压转换器之间，且所述第二开关电连接在所述链路电容器与所述降压转换器之间；其中所述OBCM的特征在于缺少变压器，并且经由所述固态装置组的操作可操作以经由所述AC电源选择性地对所述HV‑ESS进行充电同时维持所述OBCM内的电流隔离。...

【技术特征摘要】
2015.08.05 US 14/8189111.一种用于结合交流(AC)电源和直流(DC)高压能量存储系统(HV-ESS)使用的车载充电模块(OBCM)，其中所述HV-ESS连接至DC电压总线，所述OBCM包括：AC-DC电压整流器，其可连接至所述AC电源并且连接至所述DC电压总线，其中所述AC-DC电压整流器可操作用于产生整流DC电压输出；DC-DC升压转换器，其电连接至所述AC-DC电压整流器并且具有可共同地操作用于增加所述整流电压输出的第一多个电子元件；DC-DC降压转换器，其电连接至所述DC-DC升压转换器并且具有可共同地操作用于降低所述升压转换器的电压输出的第二多个电子元件；链路电容器，其电连接在所述降压转换器与所述升压转换器之间；以及一组固态装置，其包括二极管以及具有相反打开/关闭切换状态的第一和第二开关，其中所述第一和第二开关连接至所述DC电压总线的公共导线，所述第一开关和所述二极管电连接在所述电压整流器与所述升压转换器之间，且所述第二开关电连接在所述链路电容器与所述降压转换器之间；其中所述OBCM的特征在于缺少变压器，并且经由所述固态装置组的操作可操作以经由所述AC电源选择性地对所述HV-ESS进行充电同时维持所述OBCM内的电流隔离。2.根据权利要求1所述的OBCM，其进一步包括被编程为经由切换控制信号来控制所述第一和第二开关的所述切换状态的控制器。3.根据权利要求1所述的OBCM，其中所述升压转换器包括附加开关，并且其中所述二极管与所述升压转换器的所述附加开关电并联。4.根据权利要求1所述的OBCM，其中所述第一和第二开关是碳化硅(SiC)开关。5.根据权利要求1所述的OBCM，其中所述第一和第二开关是宽带隙(WBG)开关。6.根据权利要求1所述的OBCM，其中所述固态装置组包括与所述第一开关电并联并且具有与所述第一开关相同的切换状态的第三开关，其中所述第一和第三开关被电连接在所述DC电压总线的相应正和负导线上。7.根据权利要求6所述的OBCM，其中所述固态装置组包括与所述第二开关电并联在所述DC-DC升压转换器与所述DC-DC降压转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·阿尔巴娜，M·N·阿拉法特，W·T·伊凡，M·N·安瓦尔，M·特莫扎德，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US