CN103199708A - 高压电池转换系统 - Google Patents

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朱立志
言超
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白圣辉
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Delta Electronics Shanghai Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种高压电池转换系统，主要包含：第一阶直流-直流转换电路，与高压电池电性连接，当高压电池所输出的直流高电压逐渐下降时，将直流高电压升压至具有固定电平的过渡电压；以及第二阶直流-直流转换电路，与第一阶直流-直流转换电路电性连接，将过渡电压转换为直流低电压，以提供给电动汽车内由低压所驱动的至少一负载。本发明一种高压电池转换系统，解决了现有高压电池转换系统于高压电池的直流高电压的电平下降时，由于高压电池的输出电流对应持续上升，导致直流-直流转换电路内的电子组件容易损坏，且直流-直流转换电路转换效率亦不佳的问题，同时达到具有生产成本便宜，且可输出同样额定功率的优点。

Description

高压电池转换系统
技术领域
本发明关于一种高压电池转换系统，尤指一种应用于电动汽车的高压电池转换系统。
背景技术
燃油式汽车的发明确实改善了人类行动上的方便与货物运送的问题，且随着制造技术的进步，燃油式汽车被大量生产，现今燃油式汽车已经成为人类生活中不可或缺的工具之一。目前世界燃油式汽车总数约8.5亿辆，而全球57％的石油消费在交通领域(其中美国达到67％)，预计到2020年燃油式汽车将达到12亿辆，全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口，石油能源供需矛盾日益凸显。预计2050年的供需缺口几乎相当于2000年世界石油总产量的两倍，石油价格会飞速上涨，造成汽车使用成本越来越高。因此，各国都在积极鼓励发展新能源汽车，以改变能源结构，降低对石油的依赖。
此外，燃油式汽车运作时，会燃烧汽油造成空气污染，使整个生态环境遭致破坏，近年来为了改善车辆对环境的破坏，各个车商都致力研发低污染的汽车，以保护我们的环境。在各种新能源汽车中，电动汽车的技术背景相对比较成熟，且电网已经铺设到全球各地，可以很方便的获得稳定的电能，所以电动汽车(electric vehicle，EV)或者混合动力汽车(Plug-in Hybridelectric vehicle，PHEV)是新能源汽车发展的一个重要方向。
电动汽车或者混合动力汽车使用高压电池作为一个稳定的电能来源，其可通过例如充电站等设备并利用电动汽车内的充电系统而对高压电池进行充电，以提供电动汽车运行时所需的电能，此外，为了使高压电池提供的高压电能可供电动汽车内由低电压驱动的相关电子设备，例如低压电池等，使用，电动汽车会具有一高压电池转换系统，以将高压电池所提供的高压电能进行转换。
请参阅图1，其为现有高压电池转换系统的电路方块示意图。如图1所示，现有高压电池转换系统1是应用在电动汽车中，且电性连接于电动汽车的高压电池90以及由低电压所驱动的负载91之间，用于将高压电池90所提供的直流高电压VH转换为直流低电压VL，以驱动负载91运作。高压电池转换系统1包含一电磁干扰滤波器(EMI filter)10以及一直流-直流转换电路11。电磁干扰滤波电路10与高压电池90电性连接，用于滤除电磁干扰信号。直流-直流转换电路11与电磁干扰滤波器10以及负载91电性连接，用于将高压电池90所提供的直流高电压VH进行转换，以输出直流低电压VL来驱动负载91。
虽然现有高压电池转换系统1可将高压电池90所提供的直流高电压VH转换为直流低电压VL，以驱动负载91进行运作，然而当电动汽车在行驶的过程中，无法对高压电池90进行充电，又电动汽车内的负载91持续运转，因此高压电池90持续输出电能而造成直流高电压VH的电平下降，如此一来，将使得高压电池90的输出电流Io随着直流高电压VH的下降而持续上升，因此直流-直流转换电路11内的电子组件，例如开关组件及整流组件等，会因承受越来越高的电流而造成温度对应上升，使得电子组件因高电流及高温度而容易损坏，同时亦造成直流-直流转换电路11具有电能损耗而转换效率不佳。
虽然为了避免上述的问题存在，可将直流-直流转换电路11的电子组件选用高额定度的材料，藉此承受较高的电流并避免电子组件温度持续上升，或是通过特定机制及电路结构来设定如图2所示的高压电池的直流高电压与直流-直流转换电路11的输出功率的对应关系曲线图，以当直流高电压VH相对较高时，调整直流-直流转换电路11的输出功率相对为高(如图2中的功率P1)，反之当高压电池90的电压下降时，调整直流-直流转换电路11的输出功率降低(如图2中的功率P2)，藉此使高压电池90的输出电流Io不会对应高压电池90的电压下降而持续上升，然而所述的多个解决方法却又导致高压电池转换系统1的生产成本过高，或是无法驱动部份需由高功率驱动的负载91，甚为不便。
因此，如何发展一种可改善上述现有技术问题，且可使直流-直流转换电路不会受高压电池的直流高电压的下降而输出电流上升的影响，同时可输出同样功率额度却又成本较为便宜的高压电池转换系统，为本领域技术人员目前所迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高压电池转换系统，以解决现有高压电池转换系统于高压电池的直流高电压的电平下降时，由于高压电池的输出电流对应持续上升，导致直流-直流转换电路内的电子组件容易损坏，且直流-直流转换电路转换效率亦不佳的问题，同时达到具有生产成本便宜，且可输出同样额定功率的优点。
为达上述目的，本发明的较佳实施方式为提供一种高压电池转换系统，主要包含：第一阶直流-直流转换电路，与电动汽车的高压电池电性连接，当高压电池释放电能而使高压电池所输出的直流高电压逐渐下降时，将直流高电压升压至具有固定电平的过渡电压；以及第二阶直流-直流转换电路，与第一阶直流-直流转换电路电性连接，将过渡电压转换为直流低电压，以提供给电动汽车内由低压所驱动的至少一负载。
附图说明
图1为现有高压电池转换系统的电路方块示意图；
图2为高压电池的直流高电压与现有高压电池转换系统的直流-直流转换电路的输出功率对应关系图；
图3为本发明较佳实施例的高压电池转换系统的电路示意图；
图4为图3所示的负载大小与第二阶直流-直流转换电路的转换效率对应关系图；
图5为图3所示的负载大小与第二阶直流-直流转换电路的开关电路的切换损耗对应关系图。
其中，附图标记说明如下：
1、3：高压电池转换系统；
10、32：电磁干扰滤波器；
11：直流-直流转换电路；
30：第一阶直流-直流转换电路；
300：升压电路；
301：第一脉冲宽度调制控制单元；
302：第一反馈电路；
31：第二阶直流-直流转换电路；
310：开关电路；
311：整流电路；
312：滤波电路；
313：第二脉冲宽度调制控制单元；
314：第二反馈电路；
90：高压电池；
91：负载；
92：微控制单元；
93：控制器局域网络通讯接口；
94：行车电脑；
95：保护电路；
VH：直流高电压；
VL：直流低电压；
VI：过渡电压；
Io：输出电流；
P1、P2：功率；
CB：总线电容；
Cf：滤波电容；
L1：升压电感；
L2：滤波电感；
D：二极管；
Q1：第一开关组件；
Q2：第二开关组件；
VF1：第一反馈信号；
VF2：第二反馈信号；
T：变压器；
Np：初级绕组；
NS：次级绕组；
SR：同步整流器；
A：负载量；
B-E：曲线。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用于限制本发明。
请参阅图3，其为本发明较佳实施例的高压电池转换系统的电路示意图。如图3所示，本实施例的高压电池转换系统3可为但不限于应用于电动汽车，且设置于电动汽车的车体9内，并与电动汽车的一高压电池90以及至少一负载91电性连接，其中负载91由低电压，例如10-16伏特，驱动，且可为但不限于为低压电池、音响或车头灯等车用电子设备所构成。
高压电池转换系统3主要包含一第一阶直流-直流转换电路30以及一第二阶直流-直流转换电路31。第一阶直流-直流转换电路30电性连接于高压电池90以及第二阶直流-直流转换电路31之间，用于当电动汽车在行驶而高压电池90持续释放电能，使得高压电池90所输出的一直流高电压VH的电压电平系逐渐下降至低于一固定电平时，将直流高电压VH升压至具有该固定电平的一过渡电压VI。
于一些实施例中，如图3所示，高压电池转换系统3还可包含一电磁干扰滤波器32，电性连接于高压电池90以及第一阶直流-直流转换电路30之间，用于滤除第一阶直流-直流转换电路30的输入端的电磁干扰信号。
于本实施例中，第一阶直流-直流转换电路30可为但不限于为一直流-直流升压转换器，且包含至少一升压电路300以及一总线电容CB。升压电路300，例如图3所示可使用两组升压电路300，每一升压电路300以并联方式电性连接，且各自包含一升压电感L1、一二极管D以及一第一开关组件Q1。升压电感L1电性连接于高压电池90以及二极管D的阳极端之间。第一开关组件Q1的一端与该升压电感L1以及二极管D的阳极端电性连接，第一开关组件Q1的另一端与一接地端G电性连接。二极管D的阴极端与总线电容CB的一端电性连接。总线电容CB的另一端与接地端G电性连接，用于储能稳压。因此当第一开关组件Q1进行导通或截止的切换运作时，升压电感L1便会对应地充电或放电，藉此对直流高电压VH进行升压，并经由二极管D以及总线电容CB的整流及稳压，使得第一阶直流-直流转换电路30输出过渡电压VI。
当然，升压电路300并不局限于例如图3所示具有两组升压电路300，可依实际成本需求及控制方法而对应增减为一组或是多组，而由于本发明的第一阶直流-直流转换电路30可利用多组升压电路300来同时对直流高电压VH进行升压，因此实际上每一升压电路300的第一开关组件Q1的工作周期可减少，进而提升升压电路300的效率，此外，升压电感L1的体积可缩小，再者，第一开关组件Q1可选用电流额定较小的组件，更甚者，可有效降低纹波(ripple)电压及纹波电流，是以可无须额外增加滤波电路并缩小总线电容CB的体积。
于上述实施例中，第一阶直流-直流转换电路30还包含一第一脉冲宽度调制控制单元301以及一第一反馈电路302，其中第一反馈电路302与第一阶直流-直流转换电路30的输出端电性连接，用于根据过渡电压VI的大小而对应输出一第一反馈信号VF1。第一脉冲宽度调制控制单元301与第一开关组件Q1的控制端以及第一反馈电路302电性连接，用于依据第一反馈信号VF1而对应控制第一开关组件Q1的责任周期，使得第一阶直流-直流转换电路30可于高压电池90所输出的直流高电压VH逐渐下降时，将直流高电压VH升压而维持于具有固定电平的过渡电压VI。
于一些实施例中，如图3所示，第一脉冲宽度调制控制单元301可与电动汽车的一微控制单元(MCU)92电性连接，藉此将第一阶直流-直流转换电路30的运作状态传送至微控制单元92，如此一来，微控制单元92便可经由一控制器局域网络(CAN)通讯接口93将信息回馈至电动汽车的一行车电脑94，使行车电脑93获取微控制单元92做相应的处理信息，例如当第一阶直流-直流转换电路30有过电压或过电流的情况发生时，行车电脑94便可经由控制器局域网络通讯接口93获取微控制单元92启动电动汽车的一保护电路95开始运作，以执行过电压保护或过电流保护的相关处理信息。
于本实施例中，第二阶直流-直流转换电路31电性连接于第一阶直流-直流转换电路30以及负载91之间，用于将中继的过渡电压VI进行转换，以输出一直流低电压VL至负载91，进而驱动负载91运作。
于本实施例中，第二阶直流-直流转换电路31为一移相全桥转换器(phase shift full bridge)，但不此为限，亦可为其它电路架构的直流-直流转换器，例如顺向式(forward)直流-直流转换器等，第二阶直流-直流转换电路31主要包含一开关电路310、一变压器T、一整流电路311以及一滤波电路312。其中开关电路310包含多个第二开关组件Q2而构成全桥电路，且与第一阶直流-直流转换电路30的输出端以及变压器T的初级绕组Np电性连接，开关电路310通过导通或截止的切换运作而使初级绕组Np将过渡电压VI的电能传送至变压器T的次级绕组NS。整流电路311与次级绕组NS电性连接，用于将次级绕组Ns所接收的电能进行整流。滤波电路312电性连接于整流电路311以及负载91之间，用于将整流电路311所输出的整流电能进行滤波，以输出直流低电压VL至负载91。
于上述实施例中，第二阶直流-直流转换电路31还包含一第二脉冲宽度调制控制单元313以及一第二反馈电路314，其中第二反馈电路314与第二阶直流-直流转换电路31的输出端电性连接，用于根据直流低电压VL的大小而对应输出一第二反馈信号VF2。第二脉冲宽度调制控制单元313与开关电路310的控制端以及第二反馈电路314电性连接，用于依据第二反馈信号VF2而对应控制开关电路310的责任周期，使得第二阶直流-直流转换电路31所输出的直流低电压VL可维持于一额定值。
于一些实施例中，如图3所示，第二脉冲宽度调制控制单元313同样与微控制单元(MCU)92电性连接，藉此将第二阶直流-直流转换电路31的运作状态传送至微控制单元92，如此一来，微控制单元92便可经由控制器局域网络(CAN)通讯接口93将信息回馈至电动汽车的行车电脑94，使行车电脑93可从微控制单元92知道目前状态，例如当第二阶直流-直流转换电路31有过电压或过电流的情况发生时，行车电脑94便可从微控制单元92知道第二阶直流-直流转换电路31发生保护，保护原因是启动电动汽车的保护电路95，使保护电路95执行过电压保护或过电流保护运作。
于上述该多个实施例中，变压器T的次级绕组Ns可为但不限于为中央抽头，整流电路311可为但不限于由多个同步整流器SR所构成，且同步整流器SR可与第二脉冲宽度调制控制单元313电性连接，其通过第二脉冲宽度调制控制单元313的控制而进行同步整流作动，滤波电路312可为但不限于由一滤波电感L2以及一滤波电容Cf所构成。此外，当电动汽车开始行使时，高压电池90所输出的直流高电压VH实质上于200伏特至400伏特间变动，而过渡电压VI约为320伏特，直流低电压VL约为10伏特至16伏特。
请参阅图4及图5，并配合图3，其中图4为图5所示的负载大小与第二阶直流-直流转换电路的转换效率对应关系图，图5为图3所示的负载大小与第二阶直流-直流转换电路的开关电路的切换损耗对应关系图。由图3-5所示可知，当在同一负载量时，例如图4及图5所标记的负载量A，若第二阶直流-直流转换电路31所接收的电压较高(例如图4的曲线B及图5所示的曲线D)，则开关电路310的切换损耗越少而第二阶直流-直流转换电路31的转换效率越佳，反之，若第二阶直流-直流转换电路31所接收的电压较低时(例如图4的曲线C及图5所示的曲线E)，则开关电路310的切换损耗越高而第二阶直流-直流转换电路31的转换效率越差，而由于本发明的高压电池转换系统3具有第一阶直流-直流转换电路30，其可于高压电池90所输出的直流高电压VH因电动汽车行驶而逐渐下降时，将直流高电压VH进行升压而输出同样为高电平且为固定值的过渡电压VI至第二阶直流-直流转换电路31，如此一来，当电动汽车行驶时，第二阶直流-直流转换电路31便会因为接收过渡电压VI而非直接接收逐渐下降的直流高电压VH，使得第二阶直流-直流转换电路31所接收的输入电流并不会因直流高电压VH下降而对应升高，因此第二阶直流-直流转换电路31内的电子组件并无须承较高电流且温度亦不会持续上升，是以电子组件较不易损坏且可选择较低额定度的材料，藉此降低高压电池转换系统3的生产成本，此外，亦可减少第二阶直流-直流转换电路31的开关电路310的切换损耗而使得第二阶直流-直流转换电路31的转换效率较高，再者，第二阶直流-直流转换电路31可输出同样额度的功率，更甚者，由于第二阶直流-直流转换电路31所接收的输入电流较低，因此变压器T在未饱和的情况下(例如环境温度在70度以下)其初级绕组NP的线圈数可减少，且变压器T的铁芯的截面积亦可缩少，使得变压器T的体积对应缩小，以提升电动汽车内的空间利用率。
综上所述，本发明的高压电池转换系统，通过设置第一阶直流-直流转换电路于高压电池以及第二阶直流-直流转换电路之间，藉此当电动汽车行驶而高压电池的直流高电压的电平逐渐下降时，将高压电池进行升压而输出同样为高电平且为固定值的过渡电压至第二阶直流-直流转换电路，使得第二阶直流-直流转换电路所接收的输入电流并不会因直流高电压下降而对应升高，如此一来，第二阶直流-直流转换电路的电子组件较不易损坏且可选择较低额定度的材料，进而降低高压电池转换系统的生产成本，同时，第二阶直流-直流转换电路的输出功率维持于同样额度且具有较佳的转换效率，更甚者，亦可提升电动汽车内的空间利用率。
本发明得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如本专利权利要求的保护范围。

Claims (15)

1.一种高压电池转换系统，主要包含：
一第一阶直流-直流转换电路，与一高压电池电性连接，当该高压电池释放电能而使该高压电池所输出的一直流高电压逐渐下降时，将该直流高电压升压至具有一固定电平的一过渡电压；以及
一第二阶直流-直流转换电路，与该第一阶直流-直流转换电路电性连接，将中继的该过渡电压转换为一直流低电压，以提供给一电动汽车内由低压所驱动的至少一负载。
2.如权利要求1所述的高压电池转换系统，其中该第一阶直流-直流转换电路为一直流-直流升压转换器。
3.如权利要求1所述的高压电池转换系统，其中该第二阶直流-直流转换电路为一移相全桥转换器。
4.如权利要求1所述的高压电池转换系统，其中该第一阶直流-直流转换电路包含：
至少一升压电路，每一该升压电路具有一升压电感、一二极管以及一开关组件，该升压电感电性连接于该高压电池以及该二极管的阳极端之间，该开关组件电性连接于该升压电感、该二极管的阳极端以及一接地端之间；以及
一总线电容，与该二极管的阴极端及该接地端电性连接，且与该第二阶直流-直流转换电路的输入端电性连接。
5.如权利要求4所述的高压电池转换系统，其中该第一阶直流-直流转换电路包含多个该升压电路，且多个该升压电路以并联方式电性连接。
6.如权利要求4所述的高压电池转换系统，其中该第一阶直流-直流转换电路还包含：
一第一反馈电路，与第一阶直流-直流转换电路的输出端电性连接，并依据该过渡电压的大小值而对应输出一第一反馈信号；以及
一第一脉冲宽度调制控制单元，与该开关组件的控制端以及该第一反馈电路电性连接，并用于控制该开关组件导通或截止的切换运作，且依据该第一反馈信号对应控制该开关组件的责任周期，使该过渡电压维持于该固定电平。
7.如权利要求6所述的高压电池转换系统，其中该第一脉冲宽度调制控制单元还与一微控制单元电性连接，将该第一阶直流-直流转换电路的运作状态传送至该微控制单元，使该微控制单元经由一控制器局域网络通讯接口将信息回馈至该电动汽车的一行车电脑，俾使该行车电脑获取该微控制单元做相应处理的信息。
8.如权利要求7所述的高压电池转换系统，其中当该第一阶直流-直流转换电路过电压或过电流，使一保护电路执行过电压保护或过电流保护运作时，该微控制单元回馈保护状态至该电动汽车的该行车电脑。
9.如权利要求1所述的高压电池转换系统，其中该第二阶直流-直流转换电路包含：
一变压器，具有一初级绕组以及一次级绕组；
一开关电路，与该第一阶直流-直流转换电路的输出端以及该初级绕组电性连接，其中该初级绕组通过该开关电路导通或截止的切换运作而将该过渡电压的电能传送至该次级绕组；
一整流电路，与该次级绕组电性连接，用于将该次级绕组所接收的电能进行转换；以及
一滤波电路，电性连接于该整流电路以及该负载之间，用于将该整流电路所输出的电能进行滤波，以输出该直流低电压至该负载。
10.如权利要求9所述的高压电池转换系统，其中该第二阶直流-直流转换电路还包含：
一第二反馈电路，与第二阶直流-直流转换电路的输出端电性连接，用于依据该直流低电压的大小而对应输出一第二反馈信号；以及
一第二脉冲宽度调制控制单元，与该开关电路的控制端以及该第二反馈电路电性连接，用于控制该开关电路导通或截止的切换运作，且依据该第二反馈信号对应控制该开关电路的责任周期，使该直流低电压维持在一额定值。
11.如权利要求10所述的高压电池转换系统，其中该整流电路由多个同步整流器所构成，且该多个同步整流器与该第二脉冲宽度调制控制单元电性连接，以通过该第二脉冲宽度调制控制单元的控制进行同步整流。
12.如权利要求10所述的高压电池转换系统，其中该第二脉冲宽度调制控制单元还与一微控制单元电性连接，用于将该第二阶直流-直流转换电路的运作状态传送至该微控制单元，使该微控制单元经由一控制器局域网络通讯接口回馈至该电动汽车的一行车电脑，以使该行车电脑通过该微控制单元知道目前该第二阶直流-直流转换器状态，而做相应的处理。
13.如权利要求12所述的高压电池转换系统，其中当该第二阶直流-直流转换电路过电压或过电流时，该微控制单元启动该电动汽车的一保护电路，并将该第二阶直流-直流转换器的状态回馈给该行车电脑。
14.如权利要求1所述的高压电池转换系统，其中该高压电池转换系统应用于该电动汽车中，且该高压电池设置于该电动汽车中，于该电动汽车运作时，该高压电池释放电能。
15.如权利要求1所述的高压电池转换系统，其中当该直流高电压的电压电平下降至低于该固定电平时，该第一阶直流-直流转换电路将该直流高电压升压至具有该固定电平的该过渡电压。
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