电力转换器单元、电力转换装置和包括该电力转换器单元的工业车辆

摘要

一种电力转换器单元(2)，包括：第一连接接口(10)，该第一连接接口(10)包括形成用于将第一电气装置连接到电力转换器单元的DC输入/输出接口的两条引线(12、14)；三相整流器电力转换器电路(16)；以及第二连接接口(30)，该第二连接接口(30)用于将第二电气装置连接到电力转换器单元。该第二连接接口包括切换单元(46)，该切换单元(46)适于在以下模式之间进行切换：‑DC输入/输出模式，在该DC输入/输出模式中，电力转换器电路(16)的第一臂、第二臂和第三臂电连接在一起，从而形成一个DC输入/输出端子；和‑AC输入/输出模式，在该AC输入/输出模式中，上述臂彼此断开，从而形成用于三相AC电压的单独的输入/输出。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力转换器单元、包括该电力转换器单元的电力转换装置、以及包括该电力转换器单元的工业车辆。

背景技术

本发明更一般地涉及工业车辆领域，特别是重型和中型车辆，例如卡车、公共汽车和建筑设备。这样的工业车辆可以是电动车辆(包括混合动力电动车辆和全电动车辆)，并且传统地包括用于调节输送到电动牵引马达的电力的电力转换器，或者它可以是包括电动机器(例如用于冷藏卡车的冷藏单元)的传统车辆。

例如，每种类型的电动车辆通常在电力转换器的架构和拓扑方面具有非常特殊的要求。结果，电力转换器经常仅以小批量生产，这增加了它们的生产和开发成本。反过来，这增加了车辆电气系统整体的成本，并增加了车辆的最终成本。已经确认，这种增加的成本妨碍了包括数个电力转换器的车辆(特别是电动车辆)的市场渗透率。

因此，需要降低车辆电气系统和在这些电气系统中使用的电力转换器的生产成本，以便降低车辆(特别是电动车辆)的最终成本。

发明内容

为此，本发明的实施例涉及一种电力转换器单元，其包括：

-第一连接接口，该第一连接接口包括形成DC输入/输出接口的两条引线，以将第一电气装置连接到所述电力转换器单元；

-三相整流器电力转换器电路，包括：

·成对连接的六个开关，所述成对的开关在第一连接接口的所述两条引线之间并联连接，

·第一臂、第二臂和第三臂，每个臂都连接到一对开关的中点；

-第二连接接口，该第二连接接口用于将第二电气装置连接到所述电力转换器单元，该第二连接接口包括第一、第二和第三连接端子，该第一、第二和第三连接端子分别连接到所述电力转换器电路的第一臂、第二臂和第三臂的端部；

并且所述第二连接接口包括切换单元，该切换单元适于在以下模式之间进行切换：

-DC输入/输出模式，其中，所述电力转换器电路的第一臂、第二臂和第三臂电连接在一起，从而形成一个DC输入/输出端子；和

-AC输入/输出模式，其中，所述第二连接接口的第一端子、第二端子和第三端子彼此断开，从而形成用于三相AC电压的单独的输入/输出端子。

电力转换器单元能够容易地在DC/AC转换器模式和DC/DC转换器模式之间进行切换，且因此能够根据用户要求进行重新配置。电力转换器能够用作构建块(buildingblock)，用于构建更大且更复杂的电力转换器装置，以替代昂贵的小批量专用电力转换器装置。由于该电力转换器单元能够以很多不同的设置来使用，因此它能够以更低的每单位成本大量地规模化生产。

根据有利的方面，本发明的实施例包括被单独地或根据所有可能的技术组合考虑的从属权利要求2到10的特征中的一个或多个。

根据另一个方面，本发明的实施例涉及根据权利要求11到16中的任一项所述的电力转换装置。

根据又一个方面，本发明的实施例涉及权利要求17所述的工业车辆。

附图说明

通过阅读仅作为示意性示例提供并参考附图给出的以下描述，将更好地理解本发明，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的工业车辆的简化图；

图2是根据本发明的实施例的电力转换器单元的电气图；

图3示出了图2的电力转换器单元，其中，切换单元处于特定状态下；

图4和图5示出了图2的电力转换器的替代实施例；

图6是图2的电力转换器单元的切换单元的简化图；

图7示出了图6的切换单元的替代实施例；

图8示出了用于图6或图7的切换单元的电子开关的示例性实施例；

图9是带有可手动移除的机械跳线的、包括图2的电力转换器单元的电力转换器装置的简化图；

图10是包括图2的电力转换器单元的另一个电力转换器装置的简化图；

图11是包括图2的电力转换器单元的又一个电力转换器装置的简化图；

图12是包括图2的电力转换器单元的又一个电力转换器装置的简化图；

图13是与电流隔离装置相关联的电力转换器的简化图。

具体实施方式

图1示出了工业车辆1，该工业车辆1包括具有至少一个电力转换器单元2的电路，或者包括具有至少一个电力转换器单元2的电力转换装置。

优选地，车辆1是电动车辆，例如混合动力电动车辆或全电动车辆，即，包括至少一个电动牵引马达的车辆。

在替代实施例中，车辆1可以是包括电动机器(例如用于冷藏卡车的冷藏单元)的传统车辆。

根据优选实施例，车辆1是重型或中型车辆。在其它实施例中，车辆1可以是任何工业车辆，优选是轮式工业车辆，例如拖拉机或公共汽车，或自卸车，或军用地面车辆，或重型建筑车辆，例如装载机、推土机、挖掘机、压实机、任何等效车辆的铲运机。

在图2、3、4和5中示出了电力转换器单元2的若干个实施例。

在很多实施例中，电力转换器单元2包括第一连接接口10，该第一连接接口10包括形成DC(直流)输入/输出接口的两条引线12、14，用于将第一电气装置(未示出)连接到电力转换器单元2。

例如，该第一电气装置是电气负载，或者是电压源或电流源，例如发电机或电能存储装置。

电力转换器单元2还包括三相整流器电力转换器电路16，该三相整流器电力转换器电路16包括成对连接的六个开关18、以及第一臂20、第二臂22和第三臂24，每一个臂都连接到一对开关18的中点。

成对的开关18被并联连接在第一连接接口10的两条引线12、14之间。在所示出的示例中，每个臂20、22和24还包括电感线圈26。

例如，每个开关18由转换器电路16的电子控制单元(未示出)在断电状态和接通状态之间自动切换。

转换器电路16的架构是公知的，因此不再进一步详细描述。

电力转换器单元2还包括用于将第二电气装置(未示出)连接到电力转换器单元2的第二连接接口30。

实际上，电力转换器单元2是可逆的，这意味着：连接到第一接口10的第一电气装置能够充当电源，而连接到第二接口30的第二电气装置能够充当电气负载，或者替代地，第一电气装置能够充当负载，而第二电气装置能够充当电源。

第二连接接口30包括第一组32连接端子和第二组34连接端子。

第一组32包括第一连接端子36，第二连接端子38和第三连接端子40。

第一端子36通过第一电导体连接到第一臂20的端部。第二端子38通过第二电导体连接到第二臂22的端部。第三端子40通过第三电导体连接到第三臂24的端部。换言之，第一电导体、第二电导体和第三电导体分别连接到臂20、22和24。

在一些实施例中，第二组34包括第四连接端子42和第五连接端子44。

第二连接接口30还包括适于在DC输入/输出模式和AC输入/输出模式(交流)之间进行切换的切换单元46。

因此，第二连接接口30适于适应第二电气装置，该第二电气装置可以是AC装置或DC装置。

根据不同的实施例，切换单元46能够以电子方式(例如，由控制单元64)控制或手动地控制。切换单元46的示例性实施例在图6和图7中示出。附图标记50用于示意性地示出电路16和第一输入连接接口10。

在AC输入/输出模式下，第二连接接口30的第一端子36、第二端子38和第三端子40彼此断开，从而形成用于三相AC电压的单独的输入/输出端子。

在DC输入/输出模式下，其中所述电力转换器电路的第一臂、第二臂和第三臂电连接在一起，从而形成一个DC输入/输出端子。

在DC输入/输出模式下，第二连接接口30的第一端子36、第二端子38和第三端子40电连接在一起，从而形成一个DC输入/输出端子。

因此，应当理解，第一组32连接端子适于将AC电气装置连接到第二连接接口30，并且当第一组32连接端子被配置在DC输入/输出模式下时，第二组34连接端子适于将DC电气装置连接到第二连接接口30，如图3所示的那样。在图3中示出的转换器单元2的特定状态下，虚线表示端子36、38和40与端子42断开。

在该示例中，端子44连接到引线14，从而在DC输入/输出模式下形成第二DC输入/输出端子。

例如，如图6中所见，由于切换单元46，端子42在DC输入/输出模式下连接到端子36、38和40(并且连接到第一导体、第二导体和第三导体)，并且优选在AC输入/输出模式下与端子36、38和40(并且与第一导体、第二导体和第三导体)断开。要连接在第二连接接口30上的任何DC电气装置优选连接在端子44和端子42之间。

通过端子42，第二组端子34能够用作专用DC输入/输出。这可以用作安全特征，以避免在第二连接接口30上意外地混合DC和AC电压，无论第二电气装置如何被连接。

可选地，第一连接接口10包括连接在引线12和14之间的电容器48，用于平滑引线12和14之间的DC输出电压。

在一些实施例中，切换单元46包括三个电子开关58、60、62，它们适于由例如属于电力转换器单元2的电子控制单元64控制，以便在AC输入/输出模式和DC输入/输出模式之间自动切换。

在DC输入/输出模式下，第一端子36、第二端子38和第三端子40(以及所述第一导体、第二导体和第三导体)通过在这种情况下处于电导通状态下的开关58、60和62连接到端子42。

在一些实施例中，如图6中所示，切换单元46还包括另外的开关52、54和56，这些另外的开关52、54和56用于在DC输入/输出模式下将端子36、38和40与所述第一导体、第二导体和第三导体断开。这些另外的开关52、54和56充当安全保护，以在转换器单元2处于DC输入/输出模式下时将端子36、38和40与施加在端子42和44之间的DC电压隔离。

换言之，第一连接端子36、第二连接端子38和第三连接端子40能够分别连接到电力转换器电路的第一臂20、第二臂22和第三臂24的端部，而不必永久连接到第一臂20、第二臂22和第三臂24。

在这样的实施例中，第二连接接口30然后优选包括上述端子42，该端子42在DC输入/输出模式下连接到臂20、22和24(并且连接到第一连接端子、第二连接端子和第三连接端子)，用于形成DC输入/输出端子。

优选地，开关52、54和56默认处于电断开状态下，除非另有命令。

所述另外的开关52、54和56是可选的，并且在一些实施例中可以省略。

因此，可以理解，在省略了另外的开关52、54和56的实施例中，端子36、38和40分别永久连接到电路16的第一臂、第二臂和第三臂。在这样的实施例中，当切换单元46处于DC输入/输出模式下时，电力转换器电路的第一臂36、第二臂38和第三臂40电连接在一起，从而形成一个DC输入/输出。该一个DC输入/输出电连接到第二连接接口30的至少一个端子。

因此，还可以理解的是，在使用另外的开关52、54和56的实施例中，端子36、38和40可以分别与电路16的第一臂、第二臂和第三臂断开。在那种情况下，在DC输入/输出模式中，电力转换器电路16的第一臂、第二臂和第三臂电连接在一起，从而形成一个DC输入/输出，在这种情况下，在DC输入/输出模式中，该DC输入/输出被连接到端子42。但是，在AC输入/输出模式下，端子42能够与第一臂、第二臂和第三臂断开，以避免在DC端子42上发送AC相。

在切换单元46的一些替代实施例中，例如图7的切换单元46'所示，端子42可以省略，并且对应的一个DC端子由端子36、38和40中的任一个端子形成。在这种情况下，要连接在第二连接接口30上的任何DC电气装置必须然后被连接在端子36、38和40之一与端子44之间。

在端子42被移除的实施例中，然后省略开关58、60和62。相反，如图7所示，类似于开关58和60并且能够由电子控制单元自动控制的电子开关58'和60'被布置成使得切换单元46'的第一电子开关58'连接在第一端子36和第二端子38之间(或在第一导体和第二导体之间)，并且第二电子开关60'连接在第二端子38和第三端子40之间(或在第二导体和第三导体之间)。第一电子开关58'和第二电子开关60'在AC输入/输出模式下处于电阻挡状态，并且在DC输入/输出模式下处于电导通状态。

可选地，上述另外的开关52、54和56可以被包括在切换单元46'中。但是，这些另外的开关52、54和56然后适于被独立地控制(例如，由控制单元64)，使得在DC输入/输出模式下，所述另外的开关52、54和56中的至少一个保持闭合，从而第一组32端子中的端子36、38和40中的至少一个能够用作DC输入/输出端子。

优选地，上述另外的开关52、54和56被从切换单元46'中省去。

图8示出了适于用作电子开关52、54、56、58、60和62中的任一个电子开关的示例性电子开关单元70。开关单元70包括在输入/输出电极71和73之间串联连接在一起的相同的第一晶体管72和第二晶体管74。例如，晶体管72和74是通过它们各自的源电极串联连接在一起的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。反激二极管(flyback diode)76、78与每个晶体管72、74并联连接。

电极75连接到晶体管72和74的栅极。电极77连接到晶体管72和74的源电极。可以通过在电极75和77之间施加控制信号来控制开关70。

在替代实施例中，可以使用其它晶体管技术，例如双极晶体管。连接晶体管的电路的结构被相应地适配。

在一些实施例中，所述电子开关由机电继电器代替。

根据一些实施例，当切换单元46旨在自动操作时，切换单元46优选还包括电压检测装置66，用于检测施加在第二连接接口上的电压类型，即，检测与接口30连接的第二电气装置是AC装置还是DC装置。

在一些示例中，基于电气测量来确定电压类型，例如使用专用电流或电压探针。

在其它实施例中，使用机械检测装置(例如一个或多个接触开关)来确定电压类型。例如，取决于第二电气装置旨在以AC还是DC电压操作，使用具有特殊的预定形状的专用插头和插座连接系统将第二电气装置连接到接口30。该机械检测装置在插入在插座期间检测插头的形状。

控制单元64然后被编程为：基于由检测装置66检测到的电压类型强制该切换单元进入AC或DC输入/输出模式，或者可替代地，防止该切换单元切换到AC或DC输入/输出模式。

图9示出了切换单元46的替代实施例90，该替代实施例90包括用于连接第一端子36、第二端子38和第三端子40的、可手动移除的机械跳线92。在这种情况下，切换单元46旨在例如在转换器单元2的安装期间以出厂设置被手动地操作。

在DC输入/输出模式下，跳线92与第一端子36、第二端子38和第三端子40接合，而在AC输入/输出模式下，跳线92被从第一端子36、第二端子38和第三端子40移除。

例如，跳线92包括主导电部和电绝缘处理部。切换单元90包括用于接收跳线92的接收部。可选地，在使用端子42的实施例中，则端子42电连接到该接收部或连接到车辆1的电接地。

优选地，当转换器单元2被供电时，跳线92不应被移除。例如，切换单元90包括用于在转换器单元2被供电时防止用户移除跳线92的装置。

在示例性实施例中，所述接收部和跳线92被封闭在由可移除的盖子关闭的保护性外罩中。切换单元90还包括传感器，例如接触开关，以检测所述盖子是打开的还是关闭的。该传感器与电子电路协作，该电子电路适于在所述盖子被打开时断开和/或关闭第一电气装置和/或第二装置。

在未示出的一些其它实施例中，切换单元46包括机械开关，例如旋转开关，用于在DC输入/输出模式下将第一端子36、第二端子38和第三端子40连接在一起，或者可替代地，用于在AC输入/输出模式下断开第一端子36、第二端子38和第三端子40。

因此，以上实施例提供了一种电力转换器单元2，该电力转换器单元2可以容易地在AC/DC转换器模式和DC/DC转换器模式之间进行切换，且因此能够根据用户要求进行重新配置。电力转换器单元2能够用作构建块，用于构建更大且更复杂的电力转换器装置，以替代昂贵的小批量专用电力转换器装置。由于电力转换器单元2能够在很多不同的设置中使用，因此它能够以更低的每单位成本大量地规模化生产。

图4示出了带有附图标记2”的电力单元2的替代实施例，其中在臂20、22和24的旁边添加了另外的臂24'。

在该实施例中，电路16还包括另外的一对开关18。该另外的臂24'连接在端子44与该另外的一对开关18的中点之间。该另外的臂24'可以包括类似于电感线圈26的电感线圈26'。由于臂24'，通过为三相AC输入提供中性线来改进电力转换器单元的操作。除了这些差异之外，参考电力转换器单元2而公开的所有内容同样适用于电力转换器单元2”。

图5示出了带有附图标记2”'的电力转换器单元2的替代实施例，其中，在第一连接接口10处，另外的电容器48'与电容器48串联连接在引线12和14之间，并且其中，端子44连接到电容器48和48'之间的中点。由于这种配置，端子44连接到电力转换器单元2”'的中性连接线。除了这些差异之外，参考电力转换器单元2而公开的所有内容同样适用于电力转换器单元2”'。

图10示出了电力转换装置100，该电力转换装置100包括第一电力转换器单元102和第二电力转换器单元104。每个电力转换器单元102、104类似于先前描述的电力转换器单元2。

在该示例中，第一电力转换器单元102和第二电力转换器单元104各自的第一连接接口是DC型的，并且它们各自的引线(与引线12和14相当)由公共DC总线110连接在一起。

在该特定示例中，能够通过端子106和108从电力转换装置100外部接入公共DC总线110。

电力转换器单元102的第二连接接口30和电力转换器单元104的第二连接接口30'均适于在AC输入/输出模式或DC输入/输出模式之间进行切换。

在一些未示出的实施例中，第二连接接口30、30'各自的端子彼此连接。

电力转换装置100可以用作由电网供电的电池充电器，特别是在要充电的电池具有比整流的电网电压低的电压的情况下。例如，第一电力转换器单元102和第二电力转换器单元104分别作为有源AC/DC整流器和DC/DC转换器工作。电网连接到接口30，并且所述电池连接到接口30'。

例如，三相电网电压的额定值为400V AC。第一电力转换器102在DC总线110上输送在540V-900V DC范围内的DC电压。第二电力转换器104作为向电池供应更低的DC电压的降压转换器工作。

通过将电池连接到端子106和108之间的DC总线110，也可以使用电力转换装置100为具有比整流的电网电压高的电压的电池充电。例如，第一电力转换器可以用作可逆AC/DC转换器(有源整流器或逆变器)，并且第二电力转换器单元104可以作为DC/DC转换器操作以提供负载。

由于电力转换装置100是可逆的，因此上述说明也适用于使用电池为AC电网供电的实施例，例如车辆1的连接到接口30的内部配电网络。

图11示出了包括第一电力转换器单元122和第二电力转换器单元124的电力转换装置120的实施例，其中每个电力转换器单元122和124都类似于电力转换器单元2。

例如，第二电力转换器单元122和124各自的第一连接接口是DC型的，并且通过公共DC总线125连接在一起。

每一个均包括切换单元46的各个第二连接接口连接到另外的切换单元126。所述另外的切换单元126适于响应于命令信号而在第一状态和第二状态之间进行切换。

在第一状态下，第一电力转换器单元122和第二电力转换器单元124各自的第二连接接口被并联连接，该另外的切换单元形成适于连接到单个电气装置的公共连接输入/输出接口130。

在第二状态下，第一电力转换器单元122和第二电力转换器单元124各自的第二连接接口彼此断开，并且每一个第二连接接口都能够连接到电气装置。

例如，公共连接输入/输出接口130包括第一组132AC端子和第二组134DC端子，使得单个电气装置可以是AC型或DC型的。各个切换单元48被耦接，从而同时处于相同的AC或DC输入/输出模式下。

在一些实施例中，第一电力转换器单元和第二电力转换器单元是例如封装在外壳中的集成模块的一部分。另外的连接端子136连接到第一电力转换器单元122和第二电力转换器单元124各自的第一连接接口，并且能够从集成模块外部接入。

在特定实施例中，电力转换装置120可以以与电力转换装置100类似的方式使用，不同之处在于电力转换器单元122和124也能够并行操作，或者彼此断开以独立操作。当被并联连接时，可以累加在它们各自的DC输出上输送的电力，即，电力转换装置120的总DC输出电压等于电力转换器单元122和124的DC输出电压之和。

电力转换装置120也是可逆的，并且上述优点也能够适用于本实施例。

图12示出了连接到第一电气装置142的电力转换装置140的另一个实施例。

装置140包括第一电力转换器单元144、第二电力转换器单元146，第三电力转换器单元148和第四电力转换器单元150，它们中的每一个均类似于电力转换单元2。

例如，电力转换器单元144、146、148和150的第一连接接口是DC型的，并且都连接到相同的公共DC电气总线152。

换言之，电力转换器单元144、146、148和150通过它们的第一DC连接接口连接在一起。

另外，电力转换器单元146和150的第二连接接口能够连接在一起以形成公共输出154，取决于电力转换器单元146和150的切换单元48的配置，该公共输出154可以是AC型或DC型的。

装置140的输入156包括电力转换器单元144和148各自的第二连接接口158和160，用于连接AC型或DC型的第二电气装置。

通过这种架构，并且由于公共DC总线152，在操作期间在转换器装置140内部循环的电力流能够得到优化。

电力转换装置140可以以与电力转换装置100或120类似的方式使用，不同之处在于它包括四个电力转换器单元而不是两个电力转换器单元。

例如，当所有四个转换器单元146-150都激活时，电力转换装置140可以用作电池充电器，该电池充电器输送的电力是装置100(此时电池是第一装置142)的两倍。

在特定实施例中，电力转换器单元146-150可以彼此独立地操作，例如，单元144和146以与装置100的单元102和104相同的方式操作，而单元148将被用作输出并且单元150几乎不活动(此时电池连接到接口160)。

当接口158用作输入且接口160用作输出时，则公共DC总线152在单元144和148之间提供直接路径，从而减少了电力损耗量。

电力转换装置140也是可逆的，并且上述优点也能够适用于本实施例。

图13示出了实施例170，其中电力转换器单元2与电流隔离装置172相关联，该电流隔离装置172包括旨在连接到第二电气装置的输入174和连接到第二连接接口30的输出。换言之，第二电气装置通过电流隔离装置172连接到第二连接接口30。

实际上，电流隔离装置172可以替代地连接到例如在电力转换器单元2和第一电气装置之间的第一接口10。

应当理解，图13的图仅是出于示意性目的给出的，并未排除电流隔离装置172的任何实施方式。

实际上，在一些实施例中，电流隔离装置172可能无法在AC和DC模式之间无缝切换，这则意味着电流隔离装置172必须连接到转换器2的适当输入或输出，在此处它将仅接收一种电压(DC或AC)。例如，电流隔离装置172可以连接到转换器单元2的DC输入，或者连接在两个DC转换器之间的公共DC总线上。

从装置100、120和140的以上示例和实施例得出，转换器单元2(和其可替代实施例)能够以很多不同的配置来使用。

上述电力转换器单元2的实施例能够被包括在车辆电气系统中，该车辆电气系统包括至少一个电流源和通过电路和电力转换器单元2连接到该电流源的至少一个电气负载。例如，第一电气装置和第二电气装置对应于电流源和电气负载。

上述实施例和替代方案可以彼此组合以产生本发明的新实施例。