專利名稱：包括多級轉換器的電路裝置的制作方法
技術領域：
本公開的實施例涉及包括多級轉換器的電路裝置。
背景技術：
電動車或混合動力車包括將由電池裝置提供的直流電壓轉換為驅動車輛的電動機所需的至少一個交流電壓。所述電池裝置包括多個電池單元，該電池單元通常是諸如鋰離子電池的可再充電的電池。根據(jù)第一已知概念，多個電池單元被串聯(lián)連接，其中由該串聯(lián)裝置提供直流電源電壓。DC/AC逆變器接收所述直流電源電壓并從所述直流電壓產(chǎn)生交流電源電壓。這里，所述逆變器必須適于補償在所述直流電源電壓中發(fā)生的電壓變化。這種電壓變化可能是由于在操作期間對所述電池單元放電而產(chǎn)生的。根據(jù)第二已知概念，DC/DC轉換器被連接在所述電池裝置和所述DC/AC逆變器之間。所述DC/DC轉換器適于向所述DC/AC逆變器提供穩(wěn)定的直流電源電壓，并因此補償由所述電池裝置提供的電壓中的電壓變化。然而，提供所述DC/DC轉換器增加了該系統(tǒng)的復雜性。大多數(shù)類型的蓄電池單元(諸如鋰離子電池)不應被放電到低電壓極限之下，以便避免降解(degradation)或損壞。為了避免單個蓄電池單元的不合適的放電，可以應用電池平衡方案。這種平衡方案涉及對更高度地被充電的電池進行放電以對較少地被充電的電池有利。除了所述DC/AC逆變器之外還需要用于執(zhí)行電池平衡方案的電路裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本公開的第一方面涉及包括多級轉換器的電路裝置。該多級轉換器包括適于提供交流輸出電壓的電壓供應端子；至少兩個轉換器單元，每個轉換器單元包括適于具有被連接到其上的電荷存儲單元的輸入端子、輸出端子和被連接在所述輸入端子和所述輸出端子之間的開關裝置，所述開關裝置適于接收控制信號，并適于依據(jù)所述控制信號在所述輸出端子提供具有占空比的脈沖寬度調制輸出電壓，所述至少兩個轉換器單元在所述電壓供應端子之間被互相串聯(lián)連接；以及適于為所述至少兩個轉換器單元產(chǎn)生所述控制信號的控制電路，以至于所述至少兩個轉換器單元的輸出電壓的占空比取決于所述交流輸出電壓的期望的頻率，并取決于循環(huán)參數(shù)、或所述電荷存儲單元的充電狀態(tài)中的至少一個。現(xiàn)在將參考附圖解釋示例。所述附圖用于闡明基本理論，所以只示出了用于理解所述基本理論必要的方面。所述附圖是不按規(guī)定的。在所述附圖中，相同的參考標記表示類似的信號和電路組件。


圖1示出了包括具有多級轉換器的一個轉換器支路的電路裝置，該多級轉換器具有多個轉換器單元；
圖2示出了所述轉換器單元的實施例；圖3示出了所述電荷存儲單元的實施例；圖4顯示了闡明一個轉換器單元的操作原理的時序圖；圖5示出了具有五個轉換器單元的多級轉換器的實施例；圖6顯示了闡明圖5的多級轉換器的操作原理的時序圖；圖7A-7B示出了周期性地改變多級轉換器的變換級的占空比的所述多級轉換器的操作原理；圖8示出了具有多個轉換器單元、并適于旁路所述轉換器單元中的一個的多級轉換器；圖9示出了具有三個多級轉換器用于提供三個輸出電壓的電路裝置；圖10示出了電路裝置的第一實施 所述多級轉換器的充電電路；圖11示出了電路裝置的第二實施所述多級轉換器的充電電路；圖12示出了電路裝置的第三實施所述多級轉換器的充電電路；圖13示出了電路裝置的第四實施所述多級轉換器的充電電路；圖14示出了電路裝置的第五實施所述多級轉換器的充電電路；圖15示出了電路裝置的第六實施所述多級轉換器的充電電路；圖16示出了電路裝置的第七實施所述多級轉換器的充電電路；圖17示出了電路裝置的另一實施所述多級轉換器的充電電路；圖18示出了電路裝置的第一實施供輔助電源電壓的輸出端子；圖19示出了電路裝置的第二實施供輔助電源電壓的輸出端子；
例，該電路裝置具有多級轉換器并具有耦接到例，該電路裝置具有多級轉換器并具有耦接到例，該電路裝置具有多級轉換器并具有耦接到例，該電路裝置具有多級轉換器并具有耦接到例，該電路裝置具有多級轉換器并具有耦接到例，該電路裝置具有多級轉換器并具有耦接到例，該電路裝置具有多級轉換器并具有耦接到例，該電路裝置具有多級轉換器并具有耦接到例，該電路裝置具有多級轉換器并具有用于提例，該電路裝置具有多級轉換器并具有用于提
具體實施例方式圖1示例性地示出了包括多級轉換器的電路裝置。該多級轉換器包括適于提供交流輸出電壓Vac的電壓供應端子11、12，以及多個至少兩個轉換器單元。在本示例中，該多級轉換器包括三個轉換器單元Cl、C2、Cn。然而，這僅是示例。不言而喻的是，可以提供多于一個的任何數(shù)量的轉換器單元。所述轉換器電路Cl、C2、Cn中的每個包括適于具有被連接于其上的電荷存儲單
元 Bl、B2、Bn 的輸入端子 P1、M1，、......、Ρη，、Μη，；輸出端子 PI、Ml、Ρ2、Μ2、Ρη、Mn ；以及
被連接在所述輸入端子和所述輸出端子之間的開關裝置Hl、H2、Hn。所述開關裝置H1、H2、Hn中的每個接收控制信號豇、S2> Sn并適于在所述輸出端子Pl、Ml、P2、M2、Pn, Mn處提供脈沖寬度調制輸出電壓VI、V2、Vn，其中這些輸出電壓VI、V2、Vn的每個的占空比取決于所述控制信號Si、巡、顯中的一個。所述變換級形成輸出端子11、12之間的級聯(lián)排列。為此，所述變換級中的一個(諸如第一變換級Cl)具有被連接到第一輸出端子11的第一輸出端子P1，其他變換級(諸如變換級C2、Cn)具有其被連接到另一變換級的第二輸出端子的第一輸出端子P2、Pn，以及所述變換級中的一個(諸如第三變換級Cn)具有被連接到所述第二輸出端子12的第二輸出端子Mn。所述控制信號豇、堅、墜由控制電路20提供?？刂齐娐?0適于產(chǎn)生所述控制信號豇、堅、墜以便所述輸出電壓Vac是振蕩電壓。所述輸出電壓Vac是單個變換級C1、C2、 Cn的單個輸出電壓VI、V2、Vn之和。為了便于理解圖1中所示的變換級Cl、C2、Cn的功能性，圖2示意性地示出了一個變換級C的實施例。變換級C代表圖1中所示的變換級Cl、C2、Cn中的任何一個。H指定所述開關裝置，B指定所述電荷存儲單元，P和M指定所述輸出端子，V’是所述變換級C的輸入電壓，以及V是其輸出電壓。S是控制從所述輸入電壓V’產(chǎn)生輸出電壓的控制信號。根據(jù)圖2中所示的實施例，所述開關裝置H包括形成被連接在所述輸入端子P’、M’ 和所述輸出端子P、M之間的H橋的四個開關Sp S2, S3、、。所述H橋電路包括被連接在所述第一輸入端子P’和所述第一輸出端子P之間的第一開關Tl，被連接在所述第二輸入端子 M，和所述第一輸出端子P之間的第二開關T2，被連接在所述第一輸入端子P’和所述第二輸出端子M之間的第三開關T3，以及被連接在所述第二輸入端子M’和所述第二輸出端子M 之間的第四開關抖?？刂菩盘朣包括四個子信號控制所述第一開關Tl的第一子信號S1, 控制所述第二開關T2的第二子信號&，控制所述第三開關T3的第三子信號S3,以及控制所述第四開關T4的第四子信號、。開關Si、S2、&、S4例如被實施為半導體開關，諸如雙極晶體管或場效應晶體管。這些開關可以被植入為常合或常斷晶體管。根據(jù)一個實施例，或上面的晶體管Si、S3或下面的晶體管S2、S4。電荷存儲單元B可以是適于分別存儲電荷或能量的任何電荷存儲單元。根據(jù)實施例，電荷存儲單元B是如蓄電池(諸如鋰離子蓄電池)的可再充電的電荷存儲單元。然而， 也可以使用適于存儲電能的任何其他設備。電荷存儲單元B可以包括單個蓄電池單元，或參考圖3，可以包括串聯(lián)連接的多個蓄電池單元BpByBmtl被串聯(lián)連接的單元的數(shù)量取決于由一個單元提供的電壓，并取決于所述電荷存儲單元B的所期望的最大電源電壓。在根據(jù)圖3的實施例中，多個單個蓄電池單元BpByBm串聯(lián)連接。然而，不言而喻的是，取代單個蓄電池單元，也可以串聯(lián)連接每個都包括多個并聯(lián)連接的蓄電池單元的蓄電池單元組。現(xiàn)在將參考圖4解釋一個變換級(諸如圖2中所示的變換級C)的輸出電壓V的產(chǎn)生。圖4示出了取決于控制信號S的時序圖的輸出電壓V的時序圖。為了控制具有H橋的開關裝置(諸如圖2的開關裝置H)力包括四個子信號。用于這些子信號S1A2A3A4的每個的時序圖在圖4中被示出。為了解釋的目的，可以假設所述子信號中的每個是采用高電平或低電平中的一個的二值信號。為了解釋的目的，進一步可以假設如果特定開關的控制子信號采用高電平則所述特定開關關閉，并如果其控制子信號采用低電平則所述特定開關打開。參考圖4，可以認為控制信號S是子信號Si、S2、S3、\的向量S= (S1, S2, S3, S4) 0 在圖4的說明中，在子信號的向量位置處的“0”值表示對應的子信號的低電平，以及在子信號的向量位置處的“1”值表示對應的子信號的高電平。例如，S= (0,1,0,1)表示第一信號S1是低電平、第二信號&是高電平，第三信號&是低電平以及第四信號、是高電平。所述輸出電壓V可以采用三個不同的電壓值中的一個。為了解釋的目的，可以假設開關T1-T4是在其中在開關打開狀態(tài)中沒有損失產(chǎn)生的理想開關。在這種情況下，所述輸出電壓V可以取決于輸入電壓V’而被描述如下當所述第一開關Tl和第四開關T4關閉而所述第二開關T2和第三開關T3打開時(即當S= (1,0,0,1)時)，V = V，；當所述第二開關T2和第三開關T3關閉而所述第一開關Tl和第四開關T4打開時(即當S = (0，1，1， 0)時)，V = -V’。當所述第一開關Tl和第三開關T3關閉而所述第二開關T2和第四開關 T4打開時(即當S= (1,0,1,0)時)，或當所述第二開關和第四開關T2、T4關閉而所述第一開關Tl和第三開關Τ3打開時(即當S= (0,1,0,1)時)，所述輸出電壓V是零。在圖4所示的實施例中，在時間tl和t2之間的時間間隔期間所述輸出電壓V等于+V’，以及在時間t3和t4之間的第二時間間隔中V等于-V’。在tl之前、t2和t3之間以及t4之后，所述輸出電壓V是零?？梢酝ㄟ^選擇兩個信號配置S= (0,1,0,1)或者S = (1,0,1,0)中的一個而獲得為零的輸出電壓。然而，不同的信號配置的序列特別地被如此選擇使得單個開關T1-T4中的每個的切換頻率盡可能低。圖5示意性地示出了在輸出端子11、12之間包括串聯(lián)連接的五個轉換器單元 C1-C5的多級轉換器。所述轉換器單元中的每個提供輸出電壓V1-V5。所述轉換器的輸出電壓Vac是五個輸出電壓V1-V5之和。所述轉換器單元C1-C5中的每個接收控制信號叢-迎， 該控制信號控制從單個輸入電壓(未示出)產(chǎn)生輸出電壓V1-V5。所述轉換器單元C1-C5中的每個適于產(chǎn)生輸出電壓V1-V5，該輸出電壓V1-V5可以采用三個不同的電壓電平中的一個。假設所述變換級C1-C5接收相同的輸入電壓，則這三個不同的電壓電平是+V’、-V’或0(零)。使用具有五個變換級C1-C5的多級轉換器可以產(chǎn)生11( = 2 ·5+1)個不同的輸出電壓Vac的值。這些不同的電壓電平在圖6中被示出并且范圍從-5V’經(jīng)過0 (零)到+5V’， 其中V’是單個變換級的輸入電壓的絕對值。在這一點上，應該提及單個變換級的輸入電壓當然會由于制造工藝的差異、由于不同的溫度依存性或由于不同的充電狀態(tài)而改變。僅僅為了便于解釋，假設單個變換級C1-C5的輸入電壓是相同的。通常，具有多個η個變換級的轉換器可以產(chǎn)生輸出電壓Vac的2η+1個不同的電壓電平，其中這些不同的電壓電平范圍從-η · V’經(jīng)過0(零)到+η·ν’。通過選擇單個電壓電平的合適的時序，所述多級轉換器的輸出電壓Vac可以接近時間連續(xù)信號，尤其是諸如具有正弦波形的信號的連續(xù)振蕩信號。然而，提供正弦信號作為輸出信號僅僅是示例。當然，也可以產(chǎn)生任何其他信號，尤其是任何其他周期性信號，諸如具有三角波形或矩形波形的信號或具有正弦信號的絕對值的波形的信號。當從電池或具有多個存儲單元的蓄電池裝置(諸如所述變換級的電荷存儲單元 (參見圖1中的Β1、Β2、Βη)的裝置)提供諸如輸出電壓Vac的輸出電壓時關鍵方面是電荷平衡。“電荷平衡”意思是平衡單個存儲單元中的電荷，以使得單個存儲單元的充電狀態(tài)不會互相顯著地不同。
參考圖2和圖4，每當輸出電壓V分別等于正電源電壓+V’或負電源電壓-V’時對電荷存儲單元B放電。在對所述電荷存儲單元B放電方面，在采用正+V’或負-V’電壓電平的輸出電壓V之間沒有差別。因此，這些電壓電平通常將被稱為“放電電平”，因為這些是在其處電荷存儲單元B被放電的電平。參考圖6和圖7，現(xiàn)在將解釋使用具有五個變換級的多級轉換器提供周期性輸出電壓的方法。在圖6所示的實施例中，要被接近的輸出電壓Vac是正弦電壓。正弦電壓具有兩個半周期正半周期和負半周期，每個具有時間期間T。在當產(chǎn)生正半周期或或負半周期時從所述電荷存儲單元接收的總體電荷方面，所述正半周期和負半周期是等同的，即如果在正半周期和負半周期期間由所述輸出電壓供應的負載(未示出)是相同的，則在所述正半周期和負半周期期間從電荷存儲單元的整體裝置接收的總體電荷是相同的。為了產(chǎn)生周期性輸出電壓Vac，電荷存儲單元的整體裝置被周期性地放電，其中一個放電周期的持續(xù)時間由期望的輸出電壓定義。當產(chǎn)生具有正半周期和負半周期的周期性信號(諸如正弦信號)時，放電周期的持續(xù)時間等于一個半周期的持續(xù)時間。當產(chǎn)生其他周期性信號時，放電周期的持續(xù)時間等于所述信號的一個周期的持續(xù)時間。為了說明的目的，圖6示出了使用具有五個變換級的多級轉換器的十一個不同電壓電平的正弦輸出信號Vac的近似值。在圖6中，示出了在正半周期和負半周期期間的近似的正弦信號。此外，在圖6中示出了單個變換級C1-C5的單個輸出電壓V1-V5的時序圖。為了使單個輸出電壓V1-V5的切換頻率保持在低水平，每個輸出電壓在正弦信號的正半周期期間只將其信號電平改變兩次，即當輸出電壓從零變到其正電平+V’時的第一時間，以及當輸出信號將其信號電平變回到零時的第二時間。相等同地，輸出電壓中的每個在正弦信號的負半周期期間將其信號電平改變兩次，即當輸出電壓從零變到其負值-V’時的第一時間，以及當輸出電壓將其信號電平變回到零時的第二時間。通過疊加單個變換級的輸出電壓V1-V5獲得正弦信號波形。現(xiàn)在將解釋在正半周期期間產(chǎn)生正弦輸出電壓Vac。 在負半周期期間產(chǎn)生輸出信號Vac等同于變換級的輸出電壓V1-V5在正半周期期間是正電壓，并且在負半周期期間是負電壓的差異。為了接近所期望的輸出電壓Vac波形，所述變換級C1-C5中的每個提供輸出電壓 V1-V5，該輸出電壓V1-V5在放電周期內(nèi)的給定時間采用放電電平(在正半周期內(nèi)采用正信號電平以及在負半周期內(nèi)采用負信號電平)并持續(xù)給定的持續(xù)時間。因此，每個變換級 C1-C5的輸出電壓可以通過參數(shù)集而被描述，所述參數(shù)集定義在其處輸出電壓改變到放電電平的時間以及出現(xiàn)放電電平的持續(xù)時間。具有給定數(shù)量的變換級的多級變換器并具有所期望的輸出電壓Vac波形，用于單個變換級的這些參數(shù)集可以被容易地計算出。用于計算這些參數(shù)集的方法是公知的，所以在本文中不需要進一步的闡釋。在圖6中，T1-T5指示單個變換級C1-C5的輸出電壓V1-V5采用放電信號電平的時間?？梢钥闯觯@些時間對于單個變換級C1-C5是不同的。由于此，在每個放電周期內(nèi)單個變換級C1-C5被不同地放電。 輸出電壓V1-V5具有占空比D1-D5，該占空比D1-D5是當輸出電壓V1-V5在一個放電周期內(nèi)采用放電電平時的時間T1-T5與放電周期的持續(xù)時間T之間的比率，即
權利要求
1.一種包括至少一個多級轉換器的電路裝置，所述多級轉換器包括適于提供交流輸出電壓的電壓供應端子；至少兩個轉換器單元，每個轉換器單元包括適于具有被連接到其上的電荷存儲單元的輸入端子，輸出端子，以及被連接在所述輸入端子和所述輸出端子之間的開關裝置，所述開關裝置適于接收控制信號，并適于依據(jù)所述控制信號在所述輸出端子提供具有占空比的輸出電壓，所述至少兩個轉換器單元在所述電壓供應端子之間彼此串聯(lián)連接；控制電路，所述控制電路適于提供一組參數(shù)集，所述一組參數(shù)集取決于所期望的輸出電壓波形，并且每個參數(shù)集定義占空比；為所述至少兩個轉換器單元產(chǎn)生所述控制信號，以便將從所述一組參數(shù)集中選擇的一個參數(shù)集指定給一個變換級，其中所述將參數(shù)集指定到所述變換級隨時間而改變。
2.根據(jù)權利要求1所述的電路裝置，其特征在于，其中至少在放電周期的持續(xù)時間將參數(shù)集指定給變換級，所述放電周期的持續(xù)時間取決于所述輸出信號的所述期望的波形。
3.根據(jù)權利要求2所述的電路裝置，其特征在于，其中所述輸出電壓是具有正半周期和負半周期的正弦電壓，以及其中一個放電周期的持續(xù)時間等于一個半周期的持續(xù)時間。
4.根據(jù)權利要求2所述的電路裝置，其特征在于，其中所述控制電路適于檢測所述變換級的所述電荷存儲單元的所述充電狀態(tài)，并適于依據(jù)所述檢測的充電狀態(tài)將所述參數(shù)集指定給各個變換級。
5.根據(jù)權利要求4所述的電路裝置，其特征在于，其中所述控制電路適于將所述參數(shù)集指定給所述變換級，以便被指定給一個變換級的占空比越低，則所述變換級的所述電荷存儲單元的所述充電狀態(tài)越低。
6.根據(jù)權利要求2所述的電路裝置，其特征在于，其中所述將參數(shù)集指定給所述變換級周期性地改變。
7.根據(jù)權利要求2所述的電路裝置，其特征在于，其中所述將參數(shù)集指定給所述變換級隨機地改變。
8.根據(jù)權利要求4所述的電路裝置，其特征在于，其中所述控制電路適于通過下列中的至少一個檢測一個電荷存儲單元的所述充電狀態(tài)測量其輸出電壓；評估其輸入電流和輸出電流；評估其溫度。
9.根據(jù)權利要求2所述的電路裝置，其特征在于，其中所述控制電路適于依據(jù)所述變換級的所述電荷存儲單元的所述充電狀態(tài)旁路至少一個變換級。
10.根據(jù)權利要求1所述的電路裝置，其特征在于，其中所述變換級包括至少三個轉換器支路，每個轉換器支路具有串聯(lián)連接的至少兩個轉換器單元并具有第一輸出端子。
11.根據(jù)權利要求1所述的電路裝置，其特征在于，所述電路裝置進一步包括被耦接到所述多級轉換器的充電電路。
12.根據(jù)權利要求11所述的電路裝置，其特征在于，所述電路裝置進一步包括被連接到所述輸出端子的電感性的負載，所述充電電路借助于所述負載而被耦接到所述多級轉換器。
13.根據(jù)權利要求11所述的電路裝置，其特征在于，所述電路裝置進一步包括被連接在所述輸出端子中的一個和具有所述轉換器單元的串聯(lián)電路之間的至少一個開關，所述充電電路被耦接到為所述至少一個輸出端子和所述串聯(lián)電路所共有的結點。
14.根據(jù)權利要求11所述的電路裝置，其特征在于，其中所述充電電路包括用于施加電源電壓的至少一個端子。
15.根據(jù)權利要求14所述的電路裝置，其特征在于，其中所述充電電路適于接收交流電源電壓。
16.根據(jù)權利要求15所述的電路裝置，其特征在于，其中所述充電電路包括被耦接在所述至少一個電源電壓端子和所述多級轉換器之間的變壓器。
17.根據(jù)權利要求14所述的電路裝置，其特征在于，其中所述充電電路適于接收直流電源電壓。
18.根據(jù)權利要求11所述的電路裝置，其特征在于，其中所述控制電路適于選擇性地向所述變換級提供第一組參數(shù)集，或向所述變換級提供第二組參數(shù)集，所述第一組適于使所述多級轉換器在電源電壓端子提供電源電壓，所述第二組適于使所述多級轉換器將借助于所述電源電壓端子接收的電能存儲在所述電荷存儲單元的至少一個中。
19.根據(jù)權利要求18所述的電路裝置，其特征在于，其中所述第一組參數(shù)集取決于所述輸出電壓，以及其中所述第二組參數(shù)集至少取決于所述電荷存儲單元的所述充電狀態(tài)。
20.根據(jù)權利要求20所述的電路裝置，其特征在于，其中所述第二組參數(shù)集取決于由所述充電電路接收的所述電源電壓。
21.根據(jù)權利要求1所述的電路裝置，其特征在于，所述電路裝置進一步包括被耦接到輸出端子并具有用于提供輔助直流輸出電壓的輸出端子的整流裝置。
全文摘要
為了避免單個蓄電池單元的不合適的放電，公開了一種電路裝置，該電路裝置包括至少一個多級轉換器，并且所述多級轉換器包括電壓供應端子、至少兩個轉換器單元和控制電路。其中，所述至少兩個轉換器單元中的每個包括輸入端子，輸出端子，以及開關裝置，并且所述控制電路適于提供一組參數(shù)集并為所述至少兩個轉換器單元產(chǎn)生控制信號。所述電路裝置用于執(zhí)行電池平衡方案。
文檔編號H02M7/49GK102263524SQ20111004269
公開日2011年11月30日 申請日期2011年2月16日 優(yōu)先權日2010年2月16日
發(fā)明者A·佩克拉納, B·克普爾, D·格勞瓦克 申請人:英飛凌科技股份有限公司