基于变压器的可变电压转换器制造技术

本公开提供了“基于变压器的可变电压转换器”。一种车辆电力驱动装置包括电池、电机和可变电压转换器。所述可变电压转换器包括开关、具有一对绕组的变压器、以及电气地位于所述开关与所述变压器之间的电感器，所述一对绕组与串联连接的输入电容器共用公共端子。所述变压器和所述输入电容器与所述电池并联。所述可变电压转换器被配置成经由所述开关的操作来升高所述电池的电压。

Transformer based variable voltage converter

【技术实现步骤摘要】
基于变压器的可变电压转换器
本公开涉及一种用于电动化车辆的电力电子器件和相关联的电路。
技术介绍
电池电动车辆和混合动力电动车辆经常包括：牵引电池来为牵引马达提供动力以用于推进；和在其间的功率逆变器将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力。典型的AC牵引马达是按三个正弦信号提供电力的三相马达，每一信号用120度相分离进行驱动，但是其他配置也是可能的。另外，电动化车辆包括用于在各种耗电和发电/存储部件之间调节和传输电力的电力电子器件。
技术实现思路
一种车辆电力驱动装置包括电池、电机和可变电压转换器。所述可变电压转换器包括开关、具有一对绕组的变压器、以及电气地位于所述开关与所述变压器之间的电感器，所述一对绕组与串联连接的输入电容器共用公共端子。所述变压器和所述输入电容器与所述电池并联。所述可变电压转换器被配置成经由所述开关的操作来升高所述电池的电压。一种车辆电力驱动装置包括电池、马达和发电机、以及电气地位于所述电池和所述马达和发电机之间的可变电压转换器。所述可变电压转换器包括与所述电池并联的串联连接的变压器和电容器，使得所述可变电压转换器在所述电池的内电阻改变一个数量级时的操作导致电池纹波电流的峰间值的改变小于20％。一种用于操作车辆的方法包括操作电气地位于电池与电机之间的可变电压转换器。所述可变电压转换器包括与所述电池并联的串联连接的变压器和电容器，使得所述电池的内电阻的一个数量级的改变导致电池纹波电流的峰间值的改变小于20％。附图说明图1是用于混合动力电动车辆的电力驱动系统的示意图。图2和图3是用于混合动力电动车辆的另一电力驱动系统的示意图。图4A、图4B和图4C是图2和图3的电力驱动系统在3μH和0.2Ω的电池内部阻抗下的电池电流、电感器电流、电池电压以及直流(DC)总线电压随时间变化的曲线图。图5A、图5B和图5C是图2和图3的电力驱动系统在0μH和0.2Ω的电池内部阻抗下的电池电流、电感器电流、电池电压以及DC总线电压随时间变化的曲线图。图6A、图6B和图6C是图2和图3的电力驱动系统在0μH和0.025Ω的电池内部阻抗下的电池电流、电感器电流、电池电压以及DC总线电压随时间变化的曲线图。图7A、图7B和图7C是图1的电力驱动系统在3μH和0.2Ω的电池内部阻抗下的电池电流、电感器电流、电池电压以及DC总线电压随时间变化的曲线图。图8A、图8B和图8C是图1的电力驱动系统在3μH和0.025Ω的电池内部阻抗下的电池电流、电感器电流、电池电压以及DC总线电压随时间变化的曲线图。图9A、图9B和图9C是图1的电力驱动系统在0μH和0.025Ω的电池内部阻抗下的电池电流、电感器电流、电池电压以及DC总线电压随时间变化的曲线图。图10是车辆的示意图。具体实施方式本文描述了本公开的各种实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可采用未明确示出或描述的各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域普通技术人员以不同方式采用本专利技术的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个示出和描述的各种特征可与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确地示出或描述的实施例。所示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可以是特定应用或实施方式所期望的。参考图1，电力驱动系统10包括牵引电池12，可变电压转换器14，DC总线16，逆变器18、20，马达22以及发电机24。可变电压转换器14包括与牵引电池12并联的输入电容器Cb，开关S1、S2以及电气地位于电容器Cb与开关S1、S2之间的电感器L。DC总线16包括电容器Cdc。逆变器18包括开关S3-S8，并且逆变器20包括开关S9-S14。马达22和发电机24两者都可在电动或发电模式下操作，其中前一种操作模式消耗电力/能量，而后一种操作模式产生电力/能量。可变电压转换器14、马达22和发电机24经由DC总线16耦合，其中牵引电池12的低电压由可变电压转换器14升压到高电平，以便增强牵引马达驱动的性能。可变电压转换器14需要电感器L和输入电容器Cb一起工作以将电池电流纹波限制在所需范围内。对于高功率可变电压转换器应用，通常需要大电感器L和大输入电容器Cb来实现此目的。因此，所设计的高功率可变电压转换器具有高电感、高电容、高容量、高重量、高成本和高损耗，这可能降低系统价值。此外，冷却和包装这些大型部件可能具有挑战。牵引电池内电阻和杂散电感显著影响电池纹波电流。牵引电池通常在低温下具有大电阻(例如，在-40℃下为0.7Ω)，并且在高温下具有低电阻(例如，在70℃下为0.025Ω)。当用于现有可变电压转换器的电感器和输入电容器被设计成在低温下满足电池纹波电流要求时，它们无法在高温下满足电池纹波电流要求。并且当电感器和输入电容器被设计成在高温下满足电池纹波电流要求时，它们具有较大的尺寸。因此，使用相对小的电感器和输入电容器来设计高功率可变电压转换器并且无论电池内部阻抗如何都将电池纹波电流维持在较低水平是有挑战性的。在此，我们提出了一种可变电压转换器来解决上述问题。由于使用变压器，所提出的可变电压转换器被称为基于变压器的可变电压转换器。在与现有解决方案相比时，这种可变电压转换器可降低电感和电容。此外，即使电池内部阻抗在较宽的范围内显著改变，电池纹波电流也很低，这表明对抗电池内部阻抗改变的稳健的性能。参考图2，电力驱动系统10′包括牵引电池12'，基于变压器的可变电压转换器14'，DC总线16'，逆变器18'、20'，马达22'以及发电机24'。(马达22'和发电机24'可统称为电机。)可变电压转换器14'包括与输入电容器Cb'串联的变压器Tr，并且变压器Tr和输入电容器Cb'与牵引电池12'并联。可变电压转换器14'还包括开关S1'、S2'和电气地位于变压器Tr与开关S1'、S2'之间的电感器L'。DC总线16'包括电容器Cdc'。逆变器18'包括开关S3'-S8'，并且逆变器20'包括开关S9'-S14'。因此，牵引电池12'通过电感器L、变压器Tr和电容器Cb'连接到DC总线16'。变压器Tr的匝数比为N:1，这意味着电池电流纹波(峰间值Δib)是电感器电流纹波(峰间值ΔiL)的1/N。参考图3，变压器Tr包括等效电路部件，诸如磁化电感Lm，以及初级线圈与次级线圈漏电感L1δ、L2δ。当使用大的磁化电感Lm时，Δib＝ΔiL/N。当使用小的磁化电感Lm时，ΔiL＝NΔib+ΔiLm，其中ΔiLm不流入牵引电池12'中而仅流过Lm，使得Δib远小于ΔiL/N。换句话说，即使使用小电感器L'和小输入电容器Cb'，变压器Tr也可非常小。所述设计的优点在于无论电池内部阻抗如何，电池纹波电流始终很低。模拟被用于将图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车辆电力驱动装置，其包括：/n电池；/n电机；以及/n可变电压转换器/n所述可变电压转换器包括开关、具有一对绕组的变压器、以及电气地位于所述开关与所述变压器之间的电感器，所述一对绕组与串联连接的输入电容器共用公共端子，所述变压器和所述输入电容器与所述电池并联，并且/n所述可变电压转换器被配置成经由所述开关的操作来升高所述电池的电压。/n

【技术特征摘要】
20180702 US 16/025,6981.一种车辆电力驱动装置，其包括：
电池；
电机；以及
可变电压转换器
所述可变电压转换器包括开关、具有一对绕组的变压器、以及电气地位于所述开关与所述变压器之间的电感器，所述一对绕组与串联连接的输入电容器共用公共端子，所述变压器和所述输入电容器与所述电池并联，并且
所述可变电压转换器被配置成经由所述开关的操作来升高所述电池的电压。


2.如权利要求1所述的车辆电力驱动装置，其中所述可变电压转换器在所述电池的内电阻改变一个数量级时的操作导致电池纹波电流的峰间值的改变小于20％。


3.如权利要求1所述的车辆电力驱动装置，其中所述一对绕组中的一个与所述电池共用另一个端子。


4.如权利要求1所述的车辆电力驱动装置，其中所述一个绕组的匝数大于所述一对绕组中的另一个绕组的匝数。


5.如权利要求1所述的车辆电力驱动装置，其中所述一对绕组中的一个与所述电感器共用另一个端子。


6.一种车辆电力驱动装置，其包括：
电池；
马达和发电机；以及
可变电压转换器，所述可变电压转换器电气地位于所述电池和所述马达和发电机之间并且包括与所述电池并联的串联连接的变压器和电容器，使得所述可变电压转换器在所述电池的内电阻改变一个数量级时的操作导致电池纹波电流的峰间值的改变小于...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛宝明，陈礼华，
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