專利名稱：直流-直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)通過由開關內(nèi)置 電力開關設備轉(zhuǎn)換來從直流電源向電負荷系統(tǒng)供給輸出。本申請基于2005年3月24日提交的日本專利申請No 2005-87004 并通過參考將其合并。
背景技術：
對于混合動力車輛和怠速停止車輛的車用電源系統(tǒng)，建議了雙電 池型車用電源系統(tǒng)。在此單元中，兩個具有不同供給電壓的電池用于 車用電源系統(tǒng)。進一步地，幾十或幾百伏的高壓電池向大的電力負荷 供電，而超過十伏的低壓電池，例如鉛電池向低的電力負荷供電。高 壓電池由高壓發(fā)電設備充電。低壓電池或連接到它的低壓負荷以高壓 電池或發(fā)電設備通過DC - DC轉(zhuǎn)換器供電。DC-DC轉(zhuǎn)換器進行內(nèi)置電力開關設備的反饋控制，使得電力開關 設備的輸出電壓收斂于預先確定的目標值，以向此負荷系統(tǒng)以適合于 對低壓電池充電的負荷系統(tǒng)的電源電壓供電。在此類的DC-DC轉(zhuǎn)換器中，內(nèi)置電力開關設備的溫度管理是特 別地重要的。當電力開關設備的溫度達到預先確定的操作停止溫度 時，電力開關設備的操作被停止。然而，電力開關設備的突然停止可能導致對電源系統(tǒng)的有害影 響。為此原因，JP-8-84438A中建議，當電力開關設備的溫度進入到 此操作停止溫度附近的過熱溫度狀態(tài)時，限制DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出 電流，使得抑制了電力開關設備的過熱，且將電力開關設備的溫度上 升限制到不高于操作停止溫度。此過熱抑制型DC-DC轉(zhuǎn)換器是電流 限制型DC-DC轉(zhuǎn)換器。常規(guī)電流限制型DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的輸出電流限制系統(tǒng)在圖4 中示出。在此圖中，數(shù)字100指示了正常(非過熱-時間)限制電流 值，線101-103分別指示了具有三個狀態(tài)的過熱-時間限制電流值 溫度低于Tl的正常(非過熱)溫度狀態(tài)、溫度從Tl至T2的過熱溫
度狀態(tài)和高于T2的停止溫度狀態(tài)。線101示出了其中輸出電流隨溫 度升高線性降低的情況，線102示出了其中輸出電流隨溫度升高分階 段降低的情況，且線103示出了其中輸出電流隨溫度升高曲線降低的 情況。使用以上的限制電流型DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，在過熱溫度狀態(tài)輸 出電流受到限制，使得電力開關設備可以被限制而不達到停止溫度。 因此，可以實現(xiàn)從電源向電壓相對低的電池的穩(wěn)定電力供給。然而，即使在限制電流型DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中，當來自負荷系 統(tǒng)的電力需求大時，DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電流必需在過熱溫度狀態(tài)內(nèi) 保持在限制值(線1Q1、 102、 103)。作為結果，過熱抑制不能獲得到 滿意的程度。此外，在其中以上取決于溫度用于限制輸出電流的控制系統(tǒng)錯誤 地操作的情況中，電力開關設備的溫度傾—于超過操作停止溫度。發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明的目的是提供具有對其電力開關設備的改進的過熱抑 制功能而不使得電路構造復雜的DC - DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，在DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中，在過熱溫度 狀態(tài)時，控制單元限制了電力開關設備，使得DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出 電流不超過預先確定的低于正常限制電流值的過熱-時間限制電流 值，該正常限制電流值等于在正常溫度狀態(tài)時的最大可允許電流值， 且使得DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電流不超過預先確定的低于正常限制電 壓值的過熱-時間限制電壓值，該正常限制電壓值等于在正常溫度狀 態(tài)時的最大可允許電壓值，且設定在等于或高于電負荷系統(tǒng)所要求的 最小要求電壓值的范圍內(nèi)。即DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)在操作停止溫度附近的過熱溫度狀態(tài)中限 制了輸出電壓作為對常規(guī)的輸出電流限制的補充。作為結果，與其中 僅簡單地限制輸出電流的情況相比，DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)在過熱溫度狀 態(tài)中可以降低不依賴于電流的變壓器和扼流線圈的鐵損以及電力開關 設備的損失。在任何DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中，輸出電壓明確地設計為設定到具 有一些裕量的高于最小要求電壓的電壓，以充分地對^氐電壓電池充 電。因此，即使當DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓值降低到剛好高于使得 負荷系統(tǒng)的必需操作變成不可能的電壓值時，負荷系統(tǒng)的操作可以保 證的。因此，當在高于負荷系統(tǒng)操作所要求的最小電壓值的電壓范圍內(nèi) DC-DC轉(zhuǎn)換器的溫度升高到停止溫度附近時，作為控制降低輸出電流 的補充，DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)進行了降低DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓的控 制。通過此控制，因為降低輸出電壓和降低輸出電流的協(xié)同效果，DC -DC轉(zhuǎn)換器的電力開關設備的功率損失和變壓器和扼流線圏的鐵損可 以比常規(guī)的電流限制型DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)更顯箸地降低。因此，可 以通過抑制電力開關設備的過熱防止DC - DC轉(zhuǎn)換器的操作停止。而且，因為除了常規(guī)輸出電流限制系統(tǒng)以外DC-DC轉(zhuǎn)換器具有 在過熱溫度狀態(tài)可操作的輸出電壓限制系統(tǒng)，所以即使當兩個限制系 統(tǒng)之一故障時，另一個限制系統(tǒng)也存在。因此，DC-DC轉(zhuǎn)換器可以確 定地抑制由于在過熱溫度狀態(tài)中的錯誤操作而由輸出限制的故障引起 的電力開關設備的過熱的發(fā)展。另外，DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)具有的優(yōu)點是輸出電壓限制系統(tǒng)幾乎在 電路構造內(nèi)不要求另外的零件，原因是在正常溫度狀態(tài)時具有輸出電 壓恒定控制系統(tǒng)，且因此不導致電路構造的復雜化和成本的增加。在優(yōu)選實施例中，在溫度在過熱溫度狀態(tài)時升高時，控制單元逐 步或連續(xù)地降低了過熱-時間限制電流值和過熱-時間限制電壓值。 通過此操作，可以在過熱溫度狀態(tài)時平滑地控制電力開關設備的生 熱。在優(yōu)選的實施例中，在負荷系統(tǒng)處于過熱溫度狀態(tài)時，控制單元 將過熱-溫度限制電壓值設定到等于或高于電池的開路電壓值。通過 此設定，即使在過熱溫度狀態(tài)時也不允許負荷系統(tǒng)的電池在DC-DC 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)內(nèi)放電。因此，在過熱溫度狀態(tài)時平滑地操作負荷系統(tǒng)變 成可能。另外，在此情況中，當DC-DC轉(zhuǎn)換器的溫度超過停止溫度 時，DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)將停止，且負荷系統(tǒng)將可以臨時地僅由此電池 的放電來操作，在此期間DC - DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)被冷卻。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，在DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中，在過熱溫度 狀態(tài)時，控制單元將電力開關設備的開關頻率降低到低于正常溫度狀 態(tài)的開關頻率的值。 即，杜遼熱^厭狀念0TE刀，天A 時的值降低例如幾十。DC - DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的電力開關設備例如通過P麗 反饋控制來控制。 一般地，為降低噪聲、開關噪聲電壓、輸出電流波 動等，電力開關設備以數(shù)百kHz至數(shù)MHz的頻率操作。然而，當開關 頻率高時，瞬態(tài)損失，即DC-DC轉(zhuǎn)換器的電力開關設備的開關損失 增加且電力開關設備的發(fā)熱增加。因此，考慮到確保從DC-DC轉(zhuǎn)換 器到負荷系統(tǒng)的電源比解決噪聲、開關噪聲電壓等問題更重要，在過》尋在停止溫度:i的過:溫度狀態(tài)中可以維持到負荷系統(tǒng)的穩(wěn)定電源同時抑制發(fā)熱。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的雙電池型車用電源系統(tǒng) 的電路圖；圖2是示出了在優(yōu)選實施例中控制器的輸出控制操作的流程圖； 圖3是示出了在優(yōu)選實施例中過熱-時間限制電壓值和過熱-時間限制電壓值作為溫度的函數(shù)的特征圖；圖4是示出了常規(guī)電流限制型DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的輸出電流限制系統(tǒng)的特征圖。
具體實施方式
在圖1中示出的優(yōu)選實施例中，DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)應用于雙電池 型車用電源系統(tǒng)。此雙電池型車用電源系統(tǒng)連4矣到主電池1和輔助電池2,且具有 電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3、用于控制此電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的 開關操作的DC-DC轉(zhuǎn)換器控制電路單元4。此電源系統(tǒng)構造為從主電 池l向電子控制器(未示出)供電，以在變換了其電壓后用于為混合 動力車充以牽引能量，且供給電力到輔助或附屬設備和輔助電池2以 用于輔助目的。電源系統(tǒng)也連接到電流傳感器6和溫度傳感器7。用于電池充電的DC-DC轉(zhuǎn)換器3采用了已熟知的電路構造，該 電路構造包括輸入平滑電容器31、全橋型反相器電路32、降壓變壓 器33、同步整流電路34、扼流線圏35和輸出平滑電容器36。此DC-DC轉(zhuǎn)換器電路3可以構造為多種方式。扼流線圈35和輸出平滑電 容器36形成了輸出平滑電路。用于DC-DC轉(zhuǎn)換器3的控制單元4具有電子控制電路41和驅(qū)動 電路42，驅(qū)動電路42通過從此控制電路41輸入的控制信號形成了用 于脈寬調(diào)制(PWM)控制的柵電壓，且將這些柵電壓輸出到反相器電 路(開關設備)32的MOS晶體管32a和同步整流電路34的MOS晶體 管34b?？刂茊卧?也具有輔助電源5以用于將電源電壓施加到控制 電路41和驅(qū)動電路42?？刂齐娐?1具有電路功能是讀取由電流傳感器6檢測的電流檢 測值以用于檢測電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的輸出電流和電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的輸出電壓，且輸出將此輸出電壓和預先確定的目標電壓 值之間的偏差降低到零的控制信號?？刂齐娐?1具有基于由電流傳 感器6感測到的電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的輸出電流、由溫度傳感 器7感測到的電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的溫度和電池充電DC-DC轉(zhuǎn) 換器3的輸出電壓來控制或停止電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的開關操 作的輸出控制和限制功能。通過以從驅(qū)動電路42輸入的柵電壓以開關方式來驅(qū)動反相器電 路32的MOS晶體管32a，使反相器電路32的平均輸出電壓被PWM控 制，使得電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的輸出電壓和預先確定的目標電 壓值之間的偏差降低為零。此外， 一對組成了同步整流電路34的晶 體管34b也與反相器電路32的相應MOS晶體管32a同步地被開關控 制，以同步地整流降壓變壓器33的次級電壓。同步整流電路34的輸 出在其電壓被輸出平滑電路平滑后為輔助電池2充電?？刂齐娐?1可以被微型計算機編程以執(zhí)行電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換 器3的輸出控制操作，如在圖2中示出。編程的功能可以以硬件電路 實現(xiàn)。首先，讀取電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的輸出電壓V、輸出電流I 和溫度T,且將輸出電壓V和輸出電流I進行平均處理(步驟SI00)。 然后，將溫度T與用于分開過熱溫度狀態(tài)(區(qū)域)和正常溫度狀態(tài)的 限制開始溫度Tl比較。也將溫度T與用于分開正常溫度狀態(tài)和停止 溫度狀態(tài)的操作停止溫度T2進行比較。因此，電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換 器3的狀態(tài)確定為正常溫度狀態(tài)、過熱溫度狀態(tài)和停止溫度狀態(tài)中的
一個(步驟S102)。當溫度等于或低于限制開始溫度Tl時，即當電池充電DC-DC轉(zhuǎn) 換器3處于正常溫度狀態(tài)(T〈T1)時，進行正?？刂?步驟S104)， 因為不需要限制電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的輸出。此正?？刂茷檫@ 樣的操作，其中進行PWM反饋使得輸出電壓V可以變成等于預先確定 的目標值VP、將輸出電流I和預先確定的非過熱-時間限制電流值Inn 進行比較。當輸出電流I超過此非過熱-時間限制電流值Irm時，P麵 反饋控制中的占空比降低以限制輸出。因為此正常控制已熟知，將省 略進一步的解釋。當溫度T高于停止溫度T2 (T〉T2)時，電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器 3的開關操作停止，使得電力開關設備被防止擊穿(步驟S106)。即， PWM反饋控制中的占空比設定為零。當溫度T處于限制開始溫度Tl和停止溫度T2之間的過熱范圍內(nèi) 時，將進行如下的節(jié)電操作以限制電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的電力 開關設備的發(fā)熱。首先，溫度T在事先提供的數(shù)據(jù)存儲圖中指定，以確定過熱-時 間限制電流Ir和過熱-時間限制電壓值Vr (步驟SI 08)。圖3示出 了此圖數(shù)據(jù)的一個例子。例如，過熱-時間限制電流值Ir設定為分 組，而過熱-時間限制電壓值Vr線性地設定(實線)。過熱-時間限 制電壓值Vr可以是多種變化的一個，如在圖3中以虛線示出。然后，將輸出電流I和過熱-時間限制電流值Ir進4亍比較(步 驟SllO)。當輸出電流I高于Ir時，電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的被 PWM控制的電力開關設備的占空比降低預先確定的值(步驟S112)。 當輸出電流I不高于Ir時，將輸出電壓V和過熱-時間限制電壓值Vr 進行比較(步驟S114)。當輸出電壓V高于Vr時，電池充電DC-DC 轉(zhuǎn)換器3的被PWM控制的電力開關設備的占空比被降低預先確定的值 (步驟S112 )。在步驟S112和步驟S114后，P麗反饋控制中的開關頻率降低到 一半，因此結束了此程序且返回到主程序(未示出)。以上的程序被 周期地執(zhí)4亍。如在圖3中示出，過熱-時間限制電壓值Vr的最小值設定為高 于輔助電池2的開路電壓Vbo。通過此設定，盡管電池充電DC-DC轉(zhuǎn)
換器3的輸出電壓在此過熱溫度狀態(tài)中被限制，但電池充電DC-DC 轉(zhuǎn)換器3可以為輔助電池2充電。因此，即使當電池充電DC-DC轉(zhuǎn) 換器3處于過熱溫度狀態(tài)內(nèi)長的時間期間也不存在輔助電池2的過充 電的風險。在此實施例中，溫度傳感器7提供在同步整流電路34附近。溫 度傳感器7可以布置在可檢測電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的內(nèi)部溫度 的任何區(qū)內(nèi)。例如，溫度可以基于用于冷卻DC-DC轉(zhuǎn)換器3的冷卻 系統(tǒng)的溫度檢測。替代地，電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器3的溫度可以通 過其他檢測參數(shù)估計，例如電流傳感器6的歷史和外部溫度。許多不偏離本發(fā)明的精神的其他修改是可以的。
權利要求
1. 一種直流-直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其包括直流-直流轉(zhuǎn)換器，該直流-直流轉(zhuǎn)換器包括用于轉(zhuǎn)換來自輸入 直流電源的供給的電力的電壓且產(chǎn)生到電負荷系統(tǒng)的輸出電壓的電力 開關設備；用于檢測直流-直流轉(zhuǎn)換器的溫度的溫度傳感器；和 控制直流-直流轉(zhuǎn)換器的控制單元，使得在正常溫度狀態(tài)中，通 過對電力開關設備的開關控制使輸出電壓變成預先確定的目標值，且 當檢測到溫度超過預先確定的操作停止溫度狀態(tài)時，停止電力開關設 備的操作，其中，在基于檢測到的溫度確定的在正常溫度狀態(tài)和操作停止溫 度狀態(tài)之間的過熱溫度狀態(tài)時，控制單元控制電力開關設備，使得直 流 - 直流轉(zhuǎn)換器的輸出電流限制為低于預先確定的小于正常限制電流 值的過熱-時間電流值，該正常限制電流值為在正常溫度狀態(tài)時的最 大可允許電流值，且使得直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓限制為低于預 先確定的小于正常限制電壓值的過熱限制電壓值，該正常限制電壓值 為在正常溫度狀態(tài)時的最大電壓值，且設定為高于負荷系統(tǒng)所要求的 最小要求電壓值。
2. 根據(jù)權利要求1所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其中當檢測 到的溫度在過熱溫度狀態(tài)時升高時，控制單元降低過熱-時間限制電 流值和過熱-時間限制電壓值中的至少 一個。
3. 根據(jù)權利要求1所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其中在過熱 溫度狀態(tài)時，控制單元將過熱-時間限制電壓值設定為高于電負荷系 統(tǒng)的電池的開路電壓值的值。
4. 根據(jù)權利要求1所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其中在過熱度^態(tài)的開關頻率。'、 、 、、、》<、."
5. —種直流-直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其包括直流-直流轉(zhuǎn)換器，該直流-直流轉(zhuǎn)換器包括用于轉(zhuǎn)換來自直流 電源的供給的電力的電壓且產(chǎn)生到電負荷系統(tǒng)的輸出電壓的電力開關設備；用于檢測直流-直流轉(zhuǎn)換器的溫度的溫度傳感器；和 控制直流-直流轉(zhuǎn)換器的控制單元，使得在正常溫度狀態(tài)中通過 對電力開關設備的開關控制使輸出電壓變成預先確定的目標值，且當 其中檢測到溫度超過預先確定的操作停止溫度的操作停止溫度狀態(tài) 時，停止電力開關設備的操作，其中在正常溫度狀態(tài)和操作停止溫度狀態(tài)之間的過熱溫度狀態(tài) 時，控制單元將電力開關設備的開關頻率降低到低于正常溫度狀態(tài)的 開關頻率的值。
全文摘要
提供了DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)以改進電池充電DC-DC轉(zhuǎn)換器(3)在過熱溫度狀態(tài)中的開關控制操作而不需將控制單元(4)復雜化。當DC-DC轉(zhuǎn)換器(3)的溫度處于在操作停止溫度附近的過熱溫度狀態(tài)時，控制單元(4)進行輸出電壓限制和輸出電流限制。以此能力可限制輸出電流和輸出電壓，且因此可以抑制DC-DC轉(zhuǎn)換器(3)的電力開關設備(32)的過熱。
文檔編號H02J7/00GK101147312SQ20068000944
公開日2008年3月19日 申請日期2006年3月17日 優(yōu)先權日2005年3月24日
發(fā)明者大塚健司, 山下剛, 戶田守 申請人:株式會社電裝;豐田自動車株式會社