连接高压电池前DC-DC转换器的整流变压器的电压适应的方法和设备

摘要

本发明涉及一种用于运行能够连接至一次电池(12)的双向的电压转换器(18)的方法和设备，电压转换器(18)具有初级侧的整流电容器(16，C1DC)、电感变压器(Tr1)和次级侧的钳位电容器(Cclamp)，其中，在连接一次电池(12)之前，通过钳位电容器(Cclamp)的充电的循环传输将初级侧的整流电容器(16，C1DC)上的电压与一次电池(12)的电压相适应。由此可以在连接一次电池之前使初级侧的整流电容器的电压与一次电池的电压相适应，并由此避免了在一次电池(12)的连接过程中出现电流峰值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于运行能够连接至一次电池的双向的电压转换器的方法以及一种为此设计的设备，其中，电压转换器具有初级侧的整流电容器、电感变压器和次级侧的钳位电容器。

背景技术

在具有一次电池和能够与之连接和断开的DC-DC电压转换器的驱动装置中，DC-DC电压转换器用于将通常较高的一次电池(200-800V)的电压转换为较低的直流电压。特别是在安装在电动车辆中的情况下，可以以这种方式从一次电池获得汽车电网需要的低电压(12-24V)。

EP 2 159 908 B1中已知这种类型的设备，其包括一次电池和能够与其连接的DC-DC-电压转换器。其主要由一个电感变压器组成，该电感变压器通过MOSFET全桥电路在初级侧耦合到一次电池。电压在次级侧进行整流。在这种电路中可以高效地进行电压转换，该操作模式被称为“降压模式(Buck-Mode)”。但是，也可以以相反的方式运行这种DC-DC电压转换器，即，将能量从次级侧传递到初级侧，这被称为升压运行(Boost-Betrieb)。

出于各种原因，必须将一次电池与高压总线的其余部分断开或在以后重新连接，DC-DC-电压转换器也属于该高压总线。在这种情况下期望初级侧的整流电容器的电压尽可能地对应于一次电池的电压，以避免开关中的高浪涌电流。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法，借助该方法可以在连接一次电池之前使初级侧的整流电容器与一次电池的电压相适应。优选地，这应该在不使用额外的组件的情况下完成。

本发明由独立权利要求的特征得出。有利的扩展方案和设计为从属权利要求的主题。本发明的其他的特征、应用可能性和优点可从以下的描述以及对附图中示出的本发明的实施例的说明中得出。

所述目的由此得以实现，即，在连接一次电池之前，通过钳位电容器的充电的循环传输将初级侧的整流电容器上的电压与一次电池的电压相适应。

根据本发明的方法在非常短的时间(例如0.2秒)内以非常快的方式实现初级侧的整流电容器从放电状态到几百伏的一次电池的电压的充电。为此，本发明利用钳位电容器与变压器的漏电感的串联谐振来限制流过半导体开关的电流并达到理想的开关条件。由此导致以下有益效果：

-通过钳位电容器和漏电感的串联谐振限制流过开关的电流，

-由开关QS1和QS3形成的同步整流器仅在非常低的电流下导通或关断，这导致较低的开关损耗，

-EMF排放很少，

-开关设备不需要任何额外的组件，

-接通时间以简单的方式调节。由于组件公差而引起的谐振频率的小幅偏差几乎不会影响该方法的性能。

根据本发明的一个有利的扩展方案，充电循环的长度由钳位电容器与漏电感的串联谐振的半个周期持续时间而确定。由此实现了，在利用上述两个组件的谐振特性的条件下，将存储在钳位电容器中的能量以理想的方式传输至整流电容器中并且使整流电容器通过循环实施的充电步骤而达到一次电池的电压。

根据本发明的一个有利的扩展方案，当整流电容器与一次电池之间的电压差低于阈值(例如10V)时，整流电容器的充电过程结束。由此实现了充电循环以这样的长度重复，即，直到整流电容器具有足够高的电压并且在随后连接一次电池的过程中流过足够小的电流为止。

根据本发明的一个有利的扩展方案，DC-DC转换器具有以下构造：

-电压转换器具有带有初级绕组和分段的次级绕组的电感变压器，次级绕组具有漏电感，

-初级绕组的第一连接能够经由第一开关连接到负初级电压连接并且能够经由第二开关连接到正初级电压连接，

-初级绕组的第二连接能够经由第三开关连接到负初级电压连接并且能够经由第四开关连接到正初级电压连接，

-次级绕组的两个端连接能够经由第五开关和第六开关连接到负次级电压连接，

-次级绕组的两个端连接能够还经由第七开关和第八开关连接到钳位电容器，

-分段的次级绕组的中间连接经由次级侧的整流电感连接至正次级电压连接，

-次级电压连接与二次电池连接。

借助这种设备可以实施以下方法：

-在第一时段(T0-T1)期间，第六开关和第七开关是导通的，从而流过次级线圈的钳位电容器的放电电流在初级侧经由第二开关和第三开关产生整流电容器的充电电流，其中，第一时段(T0-T1)的持续时间等于钳位电容器和漏电感的串联谐振的半个振荡周期；

-在第二时段(T1-T2)期间，第七开关和第八开关是导通的，以使得正次级电压连接的钳位电容器经由整流电感由二次电池充电；

-在第三时段(T2-T3)期间，第一开关和第四开关以及第五开关和第八开关是导通的，以使得流过次级线圈的钳位电容器的放电电流在初级侧产生整流电容器的充电电流，

-在第四时段(T3-T4)期间，开关的位置对应于第二时段的开关的位置。

附图说明

其他优点、特征和细节可以从以下的描述中得出，在以下的描述中参照附图详细地描述了至少一个实施例。相同的、类似的和/或功能相同的部分标记有相同的附图标记。

附图中：

图1：电池-转换器-系统的框图，

图2：根据本发明的方法的流程图，

图3：DC-DC转换器的电路，

图4：根据本发明的方法的波形图，

图5-8：具有在不同的充电周期阶段具有明显的电流的根据图1的电路。

具体实施方式

在图1中示出了电池-转换器-系统10的框图，电池-转换器-系统10基本上由高压一次电池12、继电器开关14、具有初级侧的整流电容器16的高压总线15、DC-DC转换器18和低压二次电池20组成。控制装置22控制存在于DC-DC转换器18中的半导体开关(以下将进一步描述)以及继电器开关14，其中，半导体开关优选设计为MOSFET-开关。高压总线15另外还连接至待由一次电池12驱动的、未示出的电动机。整流电容器16用于减小初级电压或高压电压的波度。

首先，在静止状态下继电器开关14被阻断，从而在高压总线15上并因此在整流电容器16上没有电压。可以在继电器开关14中安装合适的电压检测器，以用于检测一次电池12和高压总线15之间的电压差。

现在参考图2。如果按照步骤50由控制装置22使一次电池12连接到高压总线15(以使得电动机运行)，则在步骤52中检查一次电池12和整流器电容16之间的电压差是否超过阈值(例如10V)。如果没有超过，则在步骤54中关闭继电器开关14并建立一次电池12与DC-DC转换器18之间的连接。因此，DC-DC转换器18由控制装置22切换至常规运行模式(所谓的降压模式)，其中，对低压二次电池20充电。

否则，DC-DC转换器18由控制装置22以根据本发明的(预充电)方法执行整流电容器16的充电(步骤56-62)，直到控制装置22在步骤52中确定借助于二次电池20的整流电容器16的充电下降到继电器开关14处的电压阈值以下，即，整流电容器16几乎被充电到一次电池12的电压。

DC-DC转换器18的第三种运行模式也是可能的，其中，可以借助于低压二次电池20为高压总线15提供电压(所谓的升压模式)。

DC-DC转换器18的电路在图3中示出。其包括一个电感变压器Tr1，该电感变压器具有初级线圈和带有次级侧的中心抽头的次级线圈。位于图示左侧的初级侧上，可以在用于连接到图1中示出的高压总线15的初级电压连接(+)和(-)旁边看到整流电容器C1

在变压器T

在图4的波形图中，从上到下示出了针对四个时间间隔T0-T1、T1-T2、T2-T3、T3-T4，开关QS1、QS2、QS3、QS4处、在钳位电容器C

以下将解释根据本发明的(预充电)方法的图2示出的步骤56-62的四个时间间隔。

图5示出了步骤56中的开关状态，其对应于图4的波形图中的时间点T0和T1之间的第一时间间隔，其中，以粗线表示电流。在时间间隔T0-T1期间，次级侧的开关QS2和QS3是导通的，而开关QS1和QS4被阻断。在初级侧，由于电流可以流过开关QP2和QP3的体二极管，因此所有MOSFET开关都可以被阻断。但是，还可能的是，在初级侧闭合开关QP2和QP3，以减少损耗。

从整流电容器C1

从开关QS3的波形图(图4上方的图线6)可以看出，由于钳位电容器C

时间间隔T0-T1的持续时间基于谐振频率确定，该谐振频率又取决于钳位电容器C

例如，为了以2mF的电容将整流电容器C1

其中，

Chv＝2mF 整流电容器C1

Vcaphv＝475V 一次电池的电压

Fswpre＝60kHz 开关频率

Tcharge＝0.2s 为使整流电容器C1

Hpre＝90％ 效率

Vclamp＝35V 钳位电容器C

因此，钳位电容器C

因此，谐振频率可根据以下而确定：

其中，“L_1_sec”是针对串联的次级绕组的两个部分区段的变压器的漏电感L

如果不能将变压器Tr设计成具有适当大的漏电感，则根据有利的扩展方案可以将额外的适应电感与变压器Tr的初级绕组串联连接。

图6示出了步骤58中的开关状态，其在图4的波形图中对应于时间点T1和T2之间的第二时间间隔，其中，电流仍由粗线示出。

在时间点T1，开关QS3被打开，从而现在通过连接到次级侧的(+)和(-)端子的低压次级电池20(图1)用次级电压V2

图7示出了步骤60中的开关状态，其在图4的波形图中对应于时间T2和T3之间的第三时间间隔，其中，电流仍由粗线示出。

在该时间间隔T2-T3中，次级侧的开关QS2被打开并且QS1导通，其中，开关QS4保持导通(从而类似于第一时间间隔T0-T1，钳位电容器C

图8示出了步骤62中的开关状态，其在图4的波形图中对应于时间点T3和T4之间的第四时间间隔，其中，电流仍由粗线示出。在该时间间隔T3-T4中，次级侧开关QS1打开并且钳位电容器C

随后通过步骤58-62进行另一个充电循环。

尽管已经通过优选的示例性实施例对本发明进行了更详细的描述和说明，但是本发明不受公开的示例所限制，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的条件下从中得出其他变型。因此显然存在许多可能的变型。同样清楚的是，通过示例引用的实施例实际上仅表示示例，这些示例不应以任何方式解释为对本发明的保护范围、可能的应用或配置的限制。相反，以上的说明和附图的描述使本领域技术人员能够具体地实施示例性实施例，由此，本领域技术人员在了解所公开的发明构思的情况下可以进行各种改变，例如关于在不脱离由权利要求及其合法等同物所限定的保护范围(例如在说明书中的进一步说明)的情况下，本公开不限于示例性实施例中提及的单个元件的功能或布置。

附图标记列表

10 电池-转换器-系统

12 一次电池

14 继电器开关

15 高压总线

16 整流电容器

18 DC-DC转换器

20 次级电池

22 控制装置

50-62 步骤

C

C1

L

L2 整流电感

QP1..4 MOSFET-开关

QS1..4 MOSFET-开关

T

T0-T1 时间间隔

T1-T2 时间间隔

T2-T3 时间间隔

T3-T4 时间间隔。