[发明专利]用于电动化车辆的高增益DC-DC转换器

说明书

本公开提供了“用于电动化车辆的高增益DC‑DC转换器”。一种可变电压转换器在电池与DC链路之间转移电荷。第一电感器耦合正电池节点和第一节点。第一晶体管可选择地将所述第一节点耦合到负电池节点。第一电容器具有耦合到所述负电池节点的负端子。第二电感器将所述第一电容器的正端子耦合到第二节点。第二电容器具有耦合到所述第一节点的正端子。第二晶体管可选择地将所述第二节点耦合到所述第二电容器的负端子。

技术领域

本发明总体上涉及用于电动化车辆的电驱动系统中的DC-DC转换器，并且更具体地，涉及使用相对小部件尺寸和低功率损耗来实现高电压增益的开关DC-DC转换器的电路拓扑。

背景技术

诸如混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和电池电动车辆(BEV)的电动车辆使用逆变器驱动的电机来提供牵引扭矩。典型的电驱动系统可以包括通过接触器开关耦合到DC-DC转换器(也被称为可变电压转换器或VVC)的DC电源(诸如蓄电池组或燃料电池)以调节主DC链接电容器两端的主总线电压。三相马达逆变器连接在主总线与牵引马达之间，以便将DC总线电力转换为耦合到马达的绕组的AC电压以推进车辆。在车辆的减速期间，马达可以由车轮驱动并且用来递送电力以在车辆的再生制动期间对电池进行充电，其中DC-DC转换器在相反方向上工作以将所生成的电力转换为适合于对蓄电池组进行充电的电压。在一些车辆中，还可以存在另一三相逆变器以将DC总线连接到由内燃发动机驱动的发电机，以对电池进行充电或向马达提供电力。

使用对功率开关的适当调制，VVC可以在升压模式(转换为更高的电压)、降压模式(转换为更低的电压)或直通模式(电压不改变)下操作。对于在混合动力电动车辆驱动器系统中使用，VVC还被配置为可选择地提供双向电力流。

典型的VVC包括至少一个相桥，其中上部晶体管开关装置和下部晶体管开关装置(例如，绝缘栅双极晶体管，IGBT)在DC链路电容器两端串联连接。开关装置之间的中间接合部经由电感器连接到源电池。电子控制器提供开关信号(即，门信号)以根据提供期望VVC模式的调制方案来接通和断开开关装置。脉冲宽度调制通常由VVC用来控制电压的增加，其中开关信号的占空比可以改变以便将VVC电压调节到期望的幅值。

常规DC-DC转换器的电压增益被限制和/或在提供极高增益时的功率损耗很大。对于典型的电路，增益由被定义为T_接通/T_s的占空比D决定，其中T_接通是下部开关装置的导通持续时间并且T_s是开关周期。基于占空比，通过公式来确定电压增益G。当电压增益G大于二时，转换器效率随着增加占空比D而显著地降低。因此，常规DC-DC转换器的电压增益通常被限制为小于三。将期望较高的电压增益以在广泛的速度范围操作上减少马达逆变器损耗。另外，在大多数时间以较高的占空比操作DC-DC转换器导致相桥开关装置内的较高功率损耗和高电压应力。因此，需要能够以减小的占空比提供较高电压增益的改进的可变电压转换器。

常规交错转换器的另一潜在缺点在于，电感器中的高电流纹波在占空比D高时产生较大的功率损耗。需要大型电感器来限制电流纹波，但它们有损耗、庞大且沉重，这对于高功率HEV应用来说是不合需要的。

发明内容

在本发明的一方面，一种可变电压转换器被适配成在电力存储单元与电驱动系统中的DC链路之间转移电荷。第一电感器耦合在正电力存储节点与第一开关节点之间。第一开关装置可选择地将所述第一开关节点耦合到负电力存储节点。具有负端子的第一电容器耦合到所述负电力存储节点。第二电感器耦合在所述第一电容器的正端子与第二开关节点之间。第二电容器具有耦合到所述第一开关节点的正端子。第二开关装置可选择地将所述第二开关节点耦合到所述第二电容器的负端子。所述第一电感器和所述第二电感器在所述第一开关装置和所述第二开关装置未导通时串联连接，使得所述第二电感器对所述DC链路充电并且所述第一电感器对所述第一电容器和所述第二电容器充电。当所述第一开关装置和所述第二开关装置导通时，所述第一电感器和所述第二电感器由所述电力存储单元以及所述第一电容器和所述第二电容器并联地供能。