專利名稱：具有診斷單元功率供應(yīng)輸出的功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及功率變換器，更具體的，涉及用在電動車輛中的功率變換器。
背景技術(shù)：
車輛制造商使用多種不同類型的推進(jìn)系統(tǒng)(例如，發(fā)動機(jī)或其它動力裝置)在許多不同構(gòu)造方面生產(chǎn)用于運(yùn)輸?shù)能囕v。大部分消耗汽油或柴油。最近，制造商增加了具有采用可替換燃料的推進(jìn)系統(tǒng)的車輛的生產(chǎn)。這些車輛有時被稱為可替換燃料車輛。這類車輛的一個示例是混合電動車輛，或簡單地，混合動力車輛，其組合了內(nèi)燃機(jī)(ICE)和電機(jī)為車輛提供推動力。在這種情況下，ICE燃燒汽油或柴油燃料，并且電池用于驅(qū)動電機(jī)。另一個示例是純電動車輛。在一些情況下，純電動車輛不包括ICE，并且包括例如燃料電池作為為電機(jī)提供電功率的主要來源。這樣的系統(tǒng)還可包括可驅(qū)動電機(jī)的電池。具體來說，當(dāng)車輛加速時以及在燃料電池提高輸出以滿足加速的需求之前或之時，電池提供所需的即時功率。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實(shí)施例中，公開了一種在包括燃料電池和電機(jī)的車輛中使用的功率變換器。該實(shí)施例的功率變換器包括具有正極輸入線和負(fù)極輸入線的輸入線和跨所述輸入線連接的輸入電容。該實(shí)施例的功率變換器還包括開關(guān)，其跨所述輸入線連接，包括控制觸點(diǎn)和額外觸點(diǎn)。該實(shí)施例的功率變換器還包括開關(guān)控制器，其與所述控制觸點(diǎn)連接，并包括正極輸入連接和負(fù)極輸入連接。該實(shí)施例的功率變換器還包括連接在所述正極輸入連接和所述額外觸點(diǎn)之間的接觸器診斷供應(yīng)接口。在另一個實(shí)施例中，公開了一種車輛，包括:燃料電池；電機(jī)；以及電連接在所述燃料電池和電機(jī)之間的功率變換器。在該實(shí)施例中，所述功率變換器包括具有正極輸入線和負(fù)極輸入線的輸入線和跨所述輸入線連接的輸入電容。該實(shí)施例中的功率變換器還包括開關(guān)，其跨所述輸入線連接，并包括控制觸點(diǎn)和額外觸點(diǎn)。該實(shí)施例中的功率變換器還包括開關(guān)控制器，其與所述控制觸點(diǎn)連接，并包括正極輸入連接和負(fù)極輸入連接。該實(shí)施例中的功率變換器還包括連接在所述正極輸入連接和所述額外觸點(diǎn)之間的接觸器診斷供應(yīng)接口。在再一個實(shí)施例中，公開了一種在車輛的燃料電池上執(zhí)行診斷測試的方法，所述車輛包括在所述燃料電池和電機(jī)之間電連接的功率變換器。該實(shí)施例的方法包括:通過與所述燃料電池電隔離的電源給所述功率變換器的輸入電容充電；以及使用所述輸入電容中的電荷執(zhí)行所述診斷測試。本發(fā)明的上述特征和優(yōu)勢以及其它的特征和優(yōu)勢在下述結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中將更加明顯。
本發(fā)明進(jìn)一步提供下述的解決方案:
1、一種在包括燃料電池和電機(jī)的車輛中使用的功率變換器，所述功率變換器包括: 包括正極輸入線和負(fù)極輸入線的輸入線；
跨所述輸入線連接的輸入電容；
開關(guān)，其跨所述輸入線連接，并包括控制觸點(diǎn)和額外觸點(diǎn)；
開關(guān)控制器，其與所述控制觸點(diǎn)連接，并包括正極輸入連接和負(fù)極輸入連接；以及 連接在所述正極輸入連接和所述額外觸點(diǎn)之間的接觸器診斷供應(yīng)接口。
2、如方案I所述的功率變換器，其特征在于，還包括:
連接至正極輸入連接和負(fù)極輸入連接的隔離電源。
3、如方案2所述的功率變換器，其特征在于，所述隔離電源是反激式直流(DC)至直流變換器。
4、如方案I所述的功率變換器，其特征在于，所述接觸器診斷供應(yīng)接口包括:
二極管；以及
串聯(lián)連接到二極管的電阻器。
5、如方案I所述的功率變換器，其特征在于，所述接觸器診斷供應(yīng)接口是電荷泵。
6、如方案I所述的功率變換器，其特征在于，所述開關(guān)是包括柵極、集電極和發(fā)射極的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
7、如方案6所述的功率變換器，其特征在于，所述控制觸點(diǎn)是所述柵極，所述接觸器診斷供應(yīng)接口連接至所述集電極，并且所述發(fā)射極連接至所述負(fù)極輸入線。
8、如方案7所述的功率變換器，其特征在于，還包括:
連接在所述輸入電容和所述集電極之間的電感。
9、一種車輛，包括:
燃料電池；
電機(jī)；以及
電連接在所述燃料電池和電機(jī)之間的功率變換器，所述功率變換器包括:
包括正極輸入線和負(fù)極輸入線的輸入線；
跨所述輸入線連接的輸入電容；
開關(guān)，其跨所述輸入線連接，并包括控制觸點(diǎn)和額外觸點(diǎn)；
開關(guān)控制器，其與所述控制觸點(diǎn)連接，并包括正極輸入連接和負(fù)極輸入連接；以及 連接在所述正極輸入連接和所述額外觸點(diǎn)之間的接觸器診斷供應(yīng)接口。
10、如方案9所述的車輛，其特征在于，所述功率變換器還包括:
連接至正極輸入連接和負(fù)極輸入連接的隔離電源。
11、如方案10所述的車輛，其特征在于，所述隔離電源是反激式直流(DC)至直流變換器。
12、如方案10所述的車輛，其特征在于，還包括: 連接至所述隔離電源的電源，其中所述隔離電源將電源與燃料電池隔離。
13、如方案9所述的車輛，其特征在于，所述接觸器診斷供應(yīng)接口包括:
二極管；以及
與所述二極管串聯(lián)的電阻器。
14、如方案9所述的車輛，其特征在于，所述接觸器診斷供應(yīng)接口是電荷泵。
15、如方案9所述的車輛，其特征在于，所述開關(guān)是包括柵極、集電極和發(fā)射極絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
16、如方案15所述的車輛，其特征在于，所述控制觸點(diǎn)是所述柵極，接觸器診斷供應(yīng)接口連接至所述集電極，并且所述發(fā)射極連接至所述負(fù)極輸入線。
17、如方案16所述的車輛，其特征在于，還包括:
連接在所述輸入電容和所述集電極之間的電感。
18、一種在車輛的燃料電池上執(zhí)行診斷測試的方法，所述車輛包括在所述燃料電池和電機(jī)之間電連接的功率變換器，所述方法包括:
通過與所述燃料電池電隔離的電源給所述功率變換器的輸入電容充電；以及 使用所述輸入電容中的電荷執(zhí)行所述診斷測試。
19、如方案18所述的方法，其特征在于，所述診斷測試是燃料電池接觸器測試。


其它的特征、優(yōu)勢和細(xì)節(jié)通過對實(shí)施例的下述詳細(xì)描述僅作為示例而顯現(xiàn)，詳細(xì)描述參考附圖，附圖中:附圖1是車輛的簡圖；附圖2是連接至功率變換器的燃料電池堆的連接器的電路圖；以及附圖3是功率變換器的詳細(xì)電路圖。
具體實(shí)施例方式下面的描述本質(zhì)上僅是示例性的，并不意于限制本發(fā)明公開、其應(yīng)用或使用。可以理解的是，在所有附圖中，對應(yīng)的附圖標(biāo)記代表相同或相應(yīng)的部件和特征。如上所述，純電動車輛包括燃料電池和蓄電池，兩者均為電機(jī)提供功率。當(dāng)關(guān)閉車輛時，接觸器打開，并將燃料電池與車輛其它部分電氣地斷開。然而，在一些情況下，接觸器會卡在關(guān)閉位置且無法打開。存在接觸器會卡在關(guān)閉位置的數(shù)個原因。例如，使接觸器打開的電磁閥可能失效，或者接觸器由于電弧會被焊接成封閉。此外，在一些情況下，接觸器也會卡成打開。目前，一些電動車輛可能需要在燃料電池被激活以及電動車輛會被起動之前接觸器應(yīng)正確地運(yùn)行。這可以幫助確保當(dāng)車輛關(guān)閉時燃料電池可再次與車輛其它部分?jǐn)嚅_。這種車輛可包括測試電路/邏輯，其執(zhí)行自測試來確定接觸器是否卡住或以其他方式不正確地運(yùn)行。為了適當(dāng)?shù)貓?zhí)行這些測試，在一個實(shí)施例中，功率被從功率變換器反饋給接觸器。這與當(dāng)前的電動車輛操作是相反的，其功率僅從燃料電池流向功率變換器。附圖1是車輛10的簡圖。在一個實(shí)施例中，車輛10是純電動車輛,但是在另一個實(shí)施例中可包括ICE。示出的車輛10包括由電機(jī)14驅(qū)動的車輪12。如所示，車輛12通過以附圖標(biāo)記15示出的變速器系統(tǒng)連接至電機(jī)14。在一個實(shí)施例中，電機(jī)14是交流(AC)電機(jī)?？梢岳斫獾氖牵姍C(jī)14可以是目前已知或未來開發(fā)的任何合適類型的電機(jī)。在下述的討論中，假設(shè)電機(jī)14是AC電機(jī)。示出的車輛10包括燃料電池16和高壓(HV)蓄電池22。燃料電池16是為電機(jī)14提供電功率的主要來源。燃料電池的操作是廣為人知的，并且通常包括由來自氫和氧之間電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量。通常，必須使燃料電池16通過功率變換器18接口到高壓推進(jìn)總線，以使得適當(dāng)?shù)墓β试谌剂想姵?8和高壓蓄電池22之間能夠分享。具體來說，燃料電池16提供電壓V1給功率變換器18，接著該電壓由功率變換器18提高為更高的電壓V2。在一個實(shí)施例中，V1和％都是DC電壓。當(dāng)然，V1和V2的實(shí)際值可根據(jù)應(yīng)用而改變。在接下來的描述中，功率變換器18作為功率變換器被示出。然而，可以理解的是，功率變換器可以實(shí)施為降壓轉(zhuǎn)換器(buck converter)或其它合適的轉(zhuǎn)換器。如現(xiàn)有技術(shù)所知，功率變換器18可包括控制器(未示出)，其從隔離電源(附圖3中以82示出)接收功率以驅(qū)動在將V1變換為V2中所用的開關(guān)(例如，絕緣柵雙極晶體管(IGBT))。因此，附圖1中示出的車輛還包括連接至功率變換器18的電源24。在一個實(shí)施例中，電源24是包含在傳統(tǒng)的ICE中的標(biāo)準(zhǔn)的12V汽車電池，并且如下所解釋，與燃料電池16和HV電池22中的一個或兩個隔離。電源24可用作車輛10上的多個功能，但是從在此目的，假設(shè)它至少為驅(qū)動功率變換器18中的開關(guān)的部件提供功率。車輛10還包括逆變器20，其從V2形成單相或多相AC輸出(V3)。V3提供給電機(jī)
14。例如，在加速期間，燃料電池16可能不會足夠快速地提供功率來引起期望的加速。這樣，車輛10還包括一個或多個連接至功率變換器18的高壓蓄電池(統(tǒng)稱地由附圖標(biāo)記22指代)。如在本領(lǐng)域已知的，蓄電池22還可以為電機(jī)14的制動(再生制動)期間產(chǎn)生的功率提供貯存。如上所述，在現(xiàn)有應(yīng)用中，功率僅從燃料電池16流向功率變換器18，并沒有其他方向上的流動。依據(jù)一個實(shí)施例，在起動期間(即，功率開始從燃料電池16向功率變換器18流動之前)，功率從功率變換器18饋送回到燃料電池16以在一個或多個接觸器診斷測試中使用。更詳細(xì)地，并且如下所示，在起動期間，功率變換器18的輸入電容C1被充電，并提供在接觸器診斷測試中使用的功率源。附圖2是電路圖，示出燃料電池16和功率變換器18的部分?？梢岳斫獾氖?，燃料電池16和功率變換器18兩者可以包括比附圖2所示出的更多的部件。附圖2示出的燃料電池16的部分通常稱為堆接口單元，并大體由附圖標(biāo)記50示出。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，堆接口 50用于將燃料電池堆(未示出)電氣地耦接或以其他方式連接到外部元件。在一個實(shí)施例中，燃料電池堆是單個燃料電池串聯(lián)的集合，以增加輸出電壓。堆接口單元50包括一個或多個接觸器52。該接觸器52可以是任何類型的開關(guān)，其允許電路的打開和關(guān)閉。在一個實(shí)施例中，接觸器52的一個或多個是機(jī)械開關(guān)，其物理地和電氣地斷開兩個電部件。操作中，接觸器52用于將燃料電池16與至少功率變換器18以及在一個例子中車輛10的其它任何部分(附圖1)電連接或斷開。堆接口單元50還包括接觸器測試單元54，其與燃料電池16的輸出(示出為Vwt)并聯(lián)。在一個實(shí)施例中，接觸器測試單元54包括使接觸器52a和52b以特定模式分別打開和關(guān)閉的邏輯55。施加在節(jié)點(diǎn)58處的電壓會基于接觸器52的結(jié)構(gòu)使電流流動或電壓升高。測試單元54還可包括傳感器56，以測量這些電流和電壓?；跍y量的電壓和電流，測試單元54可以確定接觸器52是否正確工作。該測試是如何執(zhí)行的具體細(xì)節(jié)可以改變，并且基于這里的教導(dǎo)在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識內(nèi)。
附圖2中示出的功率變換器18包括升壓轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)部件，也就是，電感L1、開關(guān)SI (示出為IGBT并包括跨IGBT的集電極/發(fā)射極布置的二極管D2)和與正極和負(fù)極輸入線62、64連接的二極管D1。在一個實(shí)施例中，正極和負(fù)極輸入線62、64之間的電壓差與V1相等。可以理解的是，在一個實(shí)施例中，負(fù)極輸入線64可表示為相對于地的負(fù)電壓。這就是，在一個實(shí)施方式中，負(fù)極輸入線64不是參考(地)電壓。如本領(lǐng)域已知的，開關(guān)S1打開和關(guān)閉的適當(dāng)正時會導(dǎo)致在功率變換器18的輸入(V1)處提供的電壓提高到其輸出處的較高電壓(V2)。更詳細(xì)地，電感L1連接在節(jié)點(diǎn)58和二極管D1的陽極之間。開關(guān)S1連接使得它的集電極連接至二極管D1的陽極并且其發(fā)射極連接至負(fù)極輸入線64。在一個實(shí)施例中，功率變換器18進(jìn)一步包括連接在二極管D1的陰極和負(fù)極輸入線64之間的大電容Cbulk,以平緩V2的輸出波動。雖然附圖2中未示出，但是可以理解的是，開關(guān)控制器70 (附圖3)連接至開關(guān)S1，并驅(qū)動開關(guān)S1的打開和關(guān)閉。在一個實(shí)施例中，功率變換器18還包括跨V1連接的輸入電容Cp在正常的操作中，C1用做濾波電容器，以平緩由功率變換器18接收的輸入電壓 '。如上所討論的，電流/功率通常僅從燃料電池16流到功率變換器18，并不反向。依據(jù)這里公開的實(shí)施例，輸入電容C1充電，并用于提供回流入燃料電池16的穩(wěn)壓(以及電流)，從而測試單元54可有效地執(zhí)行如上所述的接觸器診斷。如將從下述描述顯現(xiàn)，這樣的功率可被提供，而不需要當(dāng)前存在于純電動車輛或混合電動車輛中的那些電源部件。具體來說，依據(jù)一個實(shí)施例，功率變換器18包括接觸器診斷供應(yīng)接口 66，其直接或間接地連接到開關(guān)S1的集電極。在一個實(shí)施例中，接觸器診斷供應(yīng)接口 66形成為一個或串聯(lián)的二極管和電阻器。在另一個實(shí)施例中，接觸器診斷供應(yīng)接口 66可形成為電荷泵。有利的是，在這兩種情況下，接觸器診斷供應(yīng)接口 66可通過隔離電源82(附圖3)連接到車輛中已存在的電源24(附圖1)。這樣，C1可被充電并用于為測試接觸器52提供功率，而不需要提供額外的電源。附圖3是依據(jù)一個實(shí)施例的功率變換器18的示意圖。如前，功率變換器18包括電感L1、二極管D1和開關(guān)Sp功率變換器18包括開關(guān)控制器70。開關(guān)控制器接收來自隔離電源82的功率。在一個實(shí)施例中，隔離電源82用于將電源24與燃料電池和HV蓄電池中的一個或兩個隔離。由此，隔離電源82可包括反激式(flyback)DC到DC變換器。如示出的，隔離電源82通過連接72、74分別提供正電壓和負(fù)電壓到控制器70?？刂破?0利用其接收的電壓以在其輸出線76、78、80產(chǎn)生電壓差，其中輸出線78用作參考，以如本領(lǐng)域已知的方式控制開關(guān)S1的打開和關(guān)閉。在正常的操作中，大電容Cbulk充電至V2,并且來自該電壓的波動被高壓蓄電池22平滑。高壓蓄電池22通過二極管D1被阻止給輸入電容C1提供功率。在一個實(shí)施例中，起動時(例如，在電壓施加到C1之前)，開關(guān)S1是打開的。電流接著從隔離電源82流動，通過接觸器診斷供應(yīng)接口 66，并使電容仏充電。該電荷然后可用于提供功率源從而可用于執(zhí)行接觸器52(附圖2)的診斷。這可以通過將接觸器診斷供應(yīng)接口 66連接在正極輸出72和開關(guān)S1的集電極之間而實(shí)現(xiàn)，如附圖3所示。在一個實(shí)施例中，接觸器診斷供應(yīng)接口 66由一個或多個電阻器和一個或多個二極管的串聯(lián)形成。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，當(dāng)燃料電池(未示出)具有跨輸入電容C1的電壓時，該電壓防止電流流過接觸器診斷供應(yīng)接口 66。相似的，高壓蓄電池22具有跨Cbulk的電壓，其保持電流流過接觸器診斷供應(yīng)接口 66以通過流過二極管D1來對輸入電容C1充電。在另一個實(shí)施例中，接觸器診斷供應(yīng)接口 66形成為電荷泵。如果輸入電容C1上需要比由隔離電源82可以提供的更高的電壓以執(zhí)行接觸器診斷，這樣的實(shí)施例是有用的。由上，應(yīng)明白這里公開的實(shí)施例可有效地為輸入電容C1提供電荷，其可以用于執(zhí)行接觸器診斷。該電荷由使用車輛上已存在的部件(電源)并且僅加了極少的電路來提供。盡管已結(jié)合示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍下，可以進(jìn)行多種改變并且其元件可由等價物替換。此外，在不脫離本發(fā)明的本質(zhì)范圍下，可以進(jìn)行多種修改以將具體的情形或材料適于本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，本發(fā)明不意于受限到這里公開的實(shí)施例，而是本發(fā)明將包括落入本申請范圍的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種在包括燃料電池和電機(jī)的車輛中使用的功率變換器，所述功率變換器包括: 包括正極輸入線和負(fù)極輸入線的輸入線； 跨所述輸入線連接的輸入電容； 開關(guān)，其跨所述輸入線連接，并包括控制觸點(diǎn)和額外觸點(diǎn)； 開關(guān)控制器，其與所述控制觸點(diǎn)連接，并包括正極輸入連接和負(fù)極輸入連接；以及 連接在所述正極輸入連接和所述額外觸點(diǎn)之間的接觸器診斷供應(yīng)接口。
2.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其特征在于，還包括: 連接至正極輸入連接和負(fù)極輸入連接的隔離電源。
3.如權(quán)利要求2所述的功率變換器，其特征在于，所述隔離電源是反激式直流(DC)至直流變換器。
4.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其特征在于，所述接觸器診斷供應(yīng)接口包括: 二極管；以及 串聯(lián)連接到二極管的電阻器。
5.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其特征在于，所述接觸器診斷供應(yīng)接口是電荷泵。
6.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其特征在于，所述開關(guān)是包括柵極、集電極和發(fā)射極的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
7.如權(quán)利要求6所述的功率變換器，其特征在于，所述控制觸點(diǎn)是所述柵極，所述接觸器診斷供應(yīng)接口連接至所述集電極，并且所述發(fā)射極連接至所述負(fù)極輸入線。
8.—種車輛，包括: 燃料電池； 電機(jī)；以及 電連接在所述燃料電池和電機(jī)之間的功率變換器，所述功率變換器包括: 包括正極輸入線和負(fù)極輸入線的輸入線； 跨所述輸入線連接的輸入電容； 開關(guān)，其跨所述輸入線連接，并包括控制觸點(diǎn)和額外觸點(diǎn)； 開關(guān)控制器，其與所述控制觸點(diǎn)連接，并包括正極輸入連接和負(fù)極輸入連接；以及 連接在所述正極輸入連接和所述額外觸點(diǎn)之間的接觸器診斷供應(yīng)接口。
9.一種在車輛的燃料電池上執(zhí)行診斷測試的方法，所述車輛包括在所述燃料電池和電機(jī)之間電連接的功率變換器，所述方法包括: 通過與所述燃料電池電隔離的電源給所述功率變換器的輸入電容充電；以及 使用所述輸入電容中的電荷執(zhí)行所述診斷測試。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有診斷單元功率供應(yīng)輸出的功率變換器，具體地，一種功率變換器包括正極輸入線和負(fù)極輸入線以及跨輸入線連接的輸入電容。功率變換器還包括跨輸入線連接的開關(guān)，其包括控制觸點(diǎn)和額外觸點(diǎn)。功率變換器還包括開關(guān)控制器，其與控制觸點(diǎn)連接，并且包括正極和負(fù)極輸入連接。該功率變換器還包括連接在正極輸入連接和額外觸點(diǎn)之間的接觸器診斷供應(yīng)接口。
文檔編號B60L11/18GK103121411SQ20121055853
公開日2013年5月29日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者J·伯格, J·W·邁爾三世, W·O·哈米爾頓, R·S·富利 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司