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CN101926083B - Dc-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

DC-DC转换器，具备电感器(L1)、电容器(C2)、输出电压检出电路(R1、R2)，整流侧同步整流元件(Q21)及换流侧同步整流元件(Q22)构成同步整流电路，使换流侧同步整流元件(Q22)接通，从而对具备换流侧同步整流元件(Q22)、电感器(L1)及二次电池(B2)的闭合回路进行电流通电，根据输出电压(Vo)的检出电压(Vout)的电压降，进行二次电池的特性评价。这样，就不必设置专用电路，而使用给二次电池充电的电路检测二次电池的有效容量或检知其特性劣化状态。

Description

DC-DC转换器
技术领域
本发明涉及DC-DC转换器，该DC-DC转换器例如供混合动力汽车使用，用于测量被和现有技术的汽油车搭载的装置同样的12V的铅蓄电池的有效容量(effective capacity)及检知其特性劣化状态。
背景技术
一般地说，二次电池(secondary battery)被反复充放电后，起因于其内部的物理化学性的特性劣化，其有效容量就要下降。该有效容量下降到某个程度的时刻，就视为二次电池的寿命耗尽，需要更换该二次电池。
在用启动电动机启动发动机的汽车中，为了避免出现铅蓄电池完全放电的所谓“电池耗尽(battery exhaustion)”，掌握电池的有效容量下降的程度十分重要。
另一方面，近几年来，搭载汽油发动机和电动机(electric motor)两者的所谓“混合动力汽车”日益普及。混合动力汽车在高速公路等加减速较少、燃料消耗率较好的路段，驱动汽油发动机的同时，还利用电动机发电，将发出的电积蓄到锂离子电池等二次电池中，在普通公路之类加减速较多、对于汽油发动机而言燃料消耗率较差的路段，接受由锂离子电池供给的电力，驱动电动机地进行行驶。
普通的混合动力汽车，锂离子电池产生大约300～400V左右的电压，向电动机供给旨在使车辆行驶的电力。同时，还和现有技术的汽油发动机同样，需要搭载旨在驱动电器或者启动汽油发动机的铅蓄电池(输出电压为12V)。
在现有技术的汽油车中，将交流发电机(发电机)安装到汽油发动机上，采用在发动机旋转的期间给铅蓄电池充电的方法。但是混合动力汽车已经安装了电动机，再另外安装一个交流发电机，在空间上就导致浪费。因此，利用DC-DC转换器，将电动机产生的大约300～400V左右的电压降压后产生12V的电压，从而可以去掉交流发电机地给铅蓄电池充电。
可是，铅蓄电池出现“电池耗尽”后，就不能够启动汽油发动机，所以虽然是混合动力汽车，也和汽油车同样，陷入由于铅蓄电池的电池耗尽而“不动”的窘况中。即使想利用锂离子电池启动汽油发动机，也由于DC-DC转换器没有驱动启动电动机的电流容量，所以汽油发动机不能够启动。
这样，在混合动力汽车中，测量铅蓄电池的有效容量及检知其特性劣化状态即判定铅蓄电池是不是处于寿命末期状态及预测其达到寿命末期的时期，非常重要。
专利文献1公开了一个测量电池的有效容量的装置。根据图1，讲述该专利文献1公开的装置。
该装置具备微机1、旨在给二次电池2充电的充电器3、A/D转换器4、恒电流负载5、显示装置7、条件设定部6及外部装置8，二次电池2通过开关10作媒介与充电器3连接的同时，还通过开关11作媒介与恒电流负载5连接。A/D转换器4及恒电流负载5，用于在充电结束后测量二次电池2的放电特性。测量该放电特性时，在将恒电流负载调整成为符合来自微机1的负载电流值的指令值的同时，还将开关11接通，使恒电流负载5与二次电池2连接。这时，与充电器3连接的开关10断开。
这样，对于与电池连接的负载而言，流过规定值的电流，测量这时的电池两端电压的下降时间(下降到规定的阈值电压为止花费的时间)。
专利文献1：JP实开平2-45476号公报
可是，如专利文献1公开的例子所示的那样，现有技术的旨在测量二次电池的有效容量的装置，也需要在充电电路之外，另外设定测量电路，所以加大了空间的、成本的负担。
发明内容
本发明的目的，在于提供不必设置专用电路地用给二次电池充电的电路测量二次电池的有效容量或检知其特性劣化状态的DC-DC转换器。
为了解决上述课题，本发明采用下述结构。
(1)是变换与输入端子连接的输入电源的电压后给与输出端子连接的二次电池充电的DC-DC转换器，其特征在于：
所述DC-DC转换器，构成包含整流侧同步整流元件及换流侧同步整流元件在内的同步整流电路，
具备电感器(该电感器在所述整流侧同步整流元件接通、所述换流侧同步整流元件断开的期间积蓄电能，在所述整流侧同步整流元件断开、所述换流侧同步整流元件接通的期间释放所述积蓄的电能)、电容器(该电容器使被所述同步整流电路整流的电压平滑)和输出电压检出电路(该输出电压检出电路检出所述输出端子的输出电压)；
还具备特性评价单元，该特性评价单元在DC-DC转换器的非动作时，使所述整流侧同步整流元件接通，从而使电流通过具备所述换流侧同步整流元件、所述电感器及所述二次电池的闭合回路的同时，还根据所述输出电压检出电路检出的电压的所述通电时的下降或下降的斜率，测量所述二次电池的有效容量或检知其特性劣化状态。
采用该结构后，使用给二次电池充电所必要的DC-DC转换器，不必设置其他的专用电路就能够测量二次电池的有效容量或检知其特性劣化状态。
此外，在绝缘型DC-DC转换器中，因为将整流侧同步整流元件接通后，放电电流还流入整流侧同步整流元件，所以可以使整流侧同步整流元件和换流侧同步整流元件一起接通。
(2)还可以具备所述特性评价单元检知所述二次电池达到寿命末期时，将该情况告知使用者的单元。这样，能够在适当的时期更换二次电池，能够避免所谓电池耗尽导致的问题。
(3)可以将所述特性评价单元进行评价时遮断的开关元件，与所述电容器串联。这样，能够防止所述电感器或线路的电感成分和所述电容器形成的共振，能够防止过大的电压外加给整流侧同步整流元件或换流侧同步整流元件。
(4)可以在所述DC-DC转换器的输出端子和所述二次电池之间设置过流保护器(例如熔断器)，具备在所述特性评价单元进行评价时，检出电流不流入所述闭合回路，从而检出所述过流保护器的遮断状态的单元。
采用该结构后，还可以在测量二次电池的有效容量或检知其特性劣化状态时，根据电流不流入的情况，检出过流保护器的断开状态。
(5)所述特性评价单元，例如在转换器动作的启动前的规定时间内，测量所述二次电池的有效容量或检知其特性劣化状态。这样，因为能够在开始给二次电池充电前进行评价，所以能够更加正确地测量二次电池的有效容量或检知其特性劣化状态。另外，因为不妨碍DC-DC转换器本来的二次电池的充电的功能，所以二次电池的充电性能也不会下降。
(6)所述输入电源，例如是被发电机充电的、输出电压比所述二次电池高的二次电池。
这样，能够不附加特别的电路地在例如就像混合动力汽车那样，具备高电压大容量的锂离子电池的同时，还用DC-DC转换器给启动汽油发动机的启动电动机驱动用的铅蓄电池充电的电路结构的装置中应用。
采用本发明后，能够有效的利用旨在给二次电池充电所必要的DC-DC转换器，能够不附加特别的专用的电路地测量二次电池的有效容量或检知其特性劣化状态。因此，不会增加空间、不会使成本上升，能够避免二次电池的有效容量下降带来的问题。
附图说明
图1是表示专利文献1公开的二次电池的限界容量测量装置的结构的图形。
图2是包含其周边电路地表示第1实施方式涉及的DC-DC转换器的电路结构的电路图。
图3是表示该DC-DC转换器的通常动作时及特性评价时的电流经过的路线的图形。
图4是讲述二次电池的特性评价的动作的图形。
图5是表示第1实施方式涉及的DC-DC转换器的开关控制电路从刚启动后到通常动作为止的期间各部的动作的波形图。
图6是包含其周边电路地表示第2实施方式涉及的DC-DC转换器的电路结构的电路图。
图7是包含其周边电路地表示第3实施方式涉及的DC-DC转换器的电路结构的电路图。
图8是包含其周边电路地表示第4实施方式涉及的DC-DC转换器的电路结构的电路图。
符号说明
21-电动机(发电机)
22-充放电控制电路
23-开关电路
24-熔断器
31-开关控制电路
32-绝缘电路
101～104-DC-DC转换器
T-变压器
B1-第1二次电池(锂离子电池)
B2-第2二次电池(铅蓄电池)
QA、QB、QC、QD-开关元件
Q11、Q21-整流侧同步整流元件
Q12、Q22-换流侧同步整流元件
Q3-开关元件
L1-电感器
C2-电容器
Lp-寄生电感器
Vo-第2二次电池B2的输出电压
Vout-输出端子电压的检出电压
Io-放电电流
具体实施方式
《第1实施方式》
图2是包含其周边电路地表示第1实施方式涉及的DC-DC转换器的电路结构的电路图。
该电路是混合动力汽车的充放电电路系统，具备电动机(发电机)21、第1二次电池B1及第2二次电池B2。
在混合动力汽车中，电动机(发电机)21在用汽油发动机行驶时作为发电机使用，在用锂离子电池驱动时作为电动机使用。
在电动机(发电机)21和第1二次电池B1之间，设置充放电控制电路22。另外，在第1二次电池B1和DC-DC转换器101的输入部之间，设置开关电路23。通过熔断器24作媒介，使第2二次电池B2与DC-DC转换器101的输出侧连接。将该DC-DC转换器101的输出部和第2二次电池B2之间的线路的电感，作为寄生电感器Lp表示。通过开关SW作媒介，使负载(各种电器)25与该第2二次电池B2及DC-DC转换器101连接。
这样，DC-DC转换器101变换与输入端子连接的输入电源的电压后，给与输出端子连接的第2二次电池B2充电。
主控制器35与DC-DC转换器101连接。该主控制器35控制各种控制电路，显示器36显示各种状态。例如显示后文讲述的第2二次电池B2的有效容量或是否达到寿命末期的状态等。
DC-DC转换器101具备变压器T，在其一次侧，设置具备4个开关元件QA、QB、QC、QD的开关电路FB及平滑电容器C1。在变压器T的二次侧，构成由整流侧同步整流元件Q21、换流侧同步整流元件Q22、电感器L1、电容器C2形成的同步整流电路。另外，还在输出端子之间，设置利用电阻R1、R2的输出电压检出电路。
开关控制电路31通过脉冲变压器等绝缘电路32作媒介，向驱动电路33输出控制信号。驱动电路33以规定的正向占空比驱动具备4个开关元件QA、QB、QC、QD的开关电路FB。另外，开关控制电路31与开关电路FB的驱动时刻同步地将整流侧同步整流元件Q21及换流侧同步整流元件Q22接通/断开，从而进行同步整流。开关控制电路31还输入输出电压的检出电压Vout，控制开关电路FB的正向占空比，以便使DC-DC转换器101的输出电压趋于稳定。
图3示出图2所示的DC-DC转换器101通常动作时(第2二次电池B2充电时)及测量第2二次电池B2的有效容量或检知其特性劣化状态(以下称作“特性评价”)时电流经过的路线。但是，只绘出变压器T的二次侧的主要部位。
通常动作时，如图3(A)所示，与变压器T的一次侧的开关元件QA、QD的接通同步地使整流侧同步整流元件Q21接通，在该状态中，电流Ia在变压器T的二次线圈的感应电压的作用下流动。利用该电流Ia，在电感器L1中积蓄电能。
然后，与开关元件QA、QD的断开及开关元件QB、QC的接通同步地使整流侧同步整流元件Q21断开，使换流侧同步整流元件Q22接通后，在电感器L1中积蓄的电能释放之际，电流Ib就流动。
反复进行上述动作，从而进行同步整流。
另一方面，对第2二次电池B2进行特性评价时，变压器T的一次侧的开关元件QA～QD都保持断开的状态，使换流侧同步整流元件Q22接通。这时，在图3(B)所示的线路中，电流Io流动，产生第2二次电池B2的放电线路。这时，还可以使整流侧同步整流元件Q21接通。这样，电流就在图中用虚线所示的线路中流动。
所述特性评价时的特性评价的方法如下。
图4(B)示出输出电压(第2二次电池B2的端子电压)Vo与第2二次电池B2的放电电流Io的关系。第2二次电池B2具备额定的有效容量时，如用特性S1所示的那样，放电电流越大(放电率越高)，内部电阻增大后输出电压就越下降。二次电池的特性逐渐劣化后，在有效容量减少的状态中，如用特性S2所示的那样，即使放电电流比较小(即使放电率比较低)，输出电压也进一步下降。
因此，如图4(A)所示，将换流侧同步整流元件Q22接通后，第2二次电池B2的放电电流Io流动，但是这时的斜率取决于图2、图3所示的电感器L1及寄生电感器Lp的阻抗和第2二次电池B2的输出电压Vo。然而，由于在Q22接通的期间(Ton)输出电压Vo下降，所以该电流Io的斜率成为稍微到顶的形状。伴随着电流Io的变化，输出电压Vo下降。
图中(1)为有效容量较大时，(2)为有效容量较小时。有效容量较大时，在t0时将Q22接通，经过Ton后(t2时)的电压成为Vd1，有效容量较小时成为Vd2。
因此，根据在t0时将Q22接通，经过Ton后的电压下降，评价有效容量。有效容量较大时，下降电压(Vd0-Vd1)变小；有效容量较小时，下降电压(Vd0-Vd2)变大。这样，由于在下降电压和有效容量之间存在着这种相关的关系，所以利用它求出有效容量。或者在所述下降电压超过预先规定的值时，视为第2二次电池B2的寿命达到末期，发出警告。
作为利用所述下降电压和有效容量之间存在的这种相关的关系的别的评价方法，可以根据在Q22接通的状态下、规定期间中的输出电压Vo的斜率，进行特性评价。例如作为最简单的例子，将在Q22的接通期间Ton的中间时刻t1的输出电压和结束时刻t2的输出电压的差分，作为该输出电压变化曲线的斜率求出。因为第2二次电池B2的有效容量越小，或者特性劣化状态越严重，该斜率就越大，所以能够进行评价。
图2所示的开关控制电路31，可以向主控制器35输出由电阻R1、R2构成的输出端子电压的检出电路检出的检出电压Vout(第2二次电池B2的输出电压Vo的比例电压)，在主控制器35一侧进行所述特性评价。用DSP构成开关控制电路31时，在其内部进行A/D变换，通过数字演算，进行所述特性评价，向主控制器35输出该评价结果。
此外，图2所示的熔断器24熔断后，所述放电电流Io就不流动，也不产生电压Vo的下降，所以由此能够检出熔断器24熔断了的情况。该判定程序还被所述特性评价包含。除了所述熔断器以外，只要是过流保护器，都能够发挥同样的作用。
图5是用波形表示图2所示的开关控制电路31从刚启动到通常动作为止的期间各部的状态的图形。
用DSP构成开关控制电路31时，图2所示的开关电路23导通后，在图外的辅助电源的作用下，开关控制电路31启动后，首先进行DSP的初始设定。
然后，将换流侧同步整流元件Q22接通。在该例中，还将整流侧同步整流元件Q21接通。这样，放电电流Io就流动。如果用Imax表示最大电流、用L表示图2所示的电感器L1和寄生电感器Lp的合成电感、用V表示第2二次电池B2的额定输出电压，那么就可以用
Ton＝Imax×L/V
的关系，决定该Q22(Q21)的接通期间Ton。
以和通常被小卧车搭载的装置同样的被混合动力汽车搭载的通常的铅蓄电池为例，Imax例如是150A。另外，Ton是数μs～数十μs的等级。就是说，如果用V＝L×di/dt表示，那么电动汽车用时，V＝12[V]、di＝150[A]、L＝3[μH]左右。如果使转换器的输出电感为数μH(到电池为止的寄生电感充其量为数百pH～数μH)，那么dt就大约为数μs～数十μs的等级。
这样，特性评价所需的时间Ton是短时间后，驾驶员在启动发动机时，即使实际的发动机始动延迟该特性评价所需的时间，也几乎感觉不到。
为了实质性的特性评价而进行的测量，在Ton的时间(t2的时刻)结束，按照评价的结果，以后的控制变化，所以经过2Ton的时刻t3以后，开始通常动作。
在通常动作中，首先遍及t3～t4的期间，在将开关元件QA、QD接通的同时，还将整流侧同步整流元件Q21接通。这样，电流Ia(参照图3(A))就流动。然后，在遍及t4～t5的期间，在将开关元件QA、QD、Q21断开、将QB、QC接通的同时，还将换流侧同步整流元件Q22接通。这样，电流Ib(参照图3(A))就流动。以后反复同样的动作。这样，利用产生的电压给第2二次电池B2充电。
《第2实施方式》
图6是包含其周边电路地表示第2实施方式涉及的DC-DC转换器的电路结构的电路图。该DC-DC转换器102与在第1实施方式中用图2所示的DC-DC转换器101的不同之处，在于设置与电容器串联的开关元件Q3这一点。开关控制电路31只在对第2二次电池B2进行特性评价时断开，通常动作时保持接通状态。其它的结构都和图2所示的同样。
这样，只在进行特性评价时，用开关元件Q3遮断流入电容器C2的电流线路，从而阻止电感器L1或寄生电感器Lp和电容器C2的LC共振动作。就是说，在不设置开关元件Q3的状态下，进行特性评价时，将换流侧同步整流元件Q22接通后，在上述LC共振的作用下，往往产生过大电压。整流侧同步整流元件Q21及换流侧同步整流元件Q22有可能被该过大电压烧损。但是设置所述开关元件Q3后，能够防止出现这种情况，不必使用高耐压的Q21、Q22。
《第3实施方式》
在第1、第2实施方式中，列举了绝缘型的DC-DC转换器的例子。在第3实施方式中，列举非绝缘型的DC-DC转换器的例子。
图7是包含其周边电路地表示第3实施方式涉及的DC-DC转换器的电路结构的电路图。图7所示的DC-DC转换器103以外的结构，都和第1、第2实施方式一样。DC-DC转换器103，具备整流侧同步整流元件Q11、换流侧同步整流元件Q12、电感器L1及电容器C2，由它们构成同步整流电路。另外，还具备输出电压检出电路，该输出电压检出电路在输入侧具备平滑电容器C1，在输出侧具备电阻R1、R2。
开关控制电路41控制整流侧同步整流元件Q11及换流侧同步整流元件Q12，从而进行同步整流。还将输出端子电压的检出电压Vout与基准电压比较，控制Q11的正向占空比，以便使DC-DC转换器103的输出电压成为规定电压。进而，开关控制电路41对第2二次电池B2进行特性评价，将该评价结果向主控制器35输出。
使用图7所示的非绝缘型的DC-DC转换器103对第2二次电池B2进行特性评价，在DC-DC转换器103启动时，不接通整流侧同步整流元件Q11地接通换流侧同步整流元件Q12，从而使放电电流Io流动，根据输出端子电压的检出电压Vout，用和第1实施方式所示的方法，同样地进行评价。
《第4实施方式》
图8是包含其周边电路地表示第2实施方式涉及的DC-DC转换器的电路结构的电路图。该DC-DC转换器104与在第3实施方式中用图7所示的DC-DC转换器103的不同之处，在于设置了与电容器C2串联的开关元件Q3这一点。开关控制电路31只在对第2二次电池B2进行特性评价时断开，通常动作时保持接通状态。
这样，只在进行特性评价时，用开关元件Q3遮断流入电容器C2的电流线路，从而阻止电感器L1或寄生电感器Lp和电容器C2的LC共振动作。因此，能够防止换流侧同步整流元件Q22或整流侧同步整流元件Q21被LC共振产生的过大电压烧损的现象。

Claims (6)

1.一种DC-DC转换器，变换与输入端子连接的输入电源的电压后，对与输出端子连接的二次电池充电，
所述DC-DC转换器，构成包含整流侧同步整流元件及换流侧同步整流元件在内的同步整流电路，
所述DC-DC转换器，具备：
电感器，该电感器在所述整流侧同步整流元件接通且所述换流侧同步整流元件断开的期间积蓄电能，在所述整流侧同步整流元件断开且所述换流侧同步整流元件接通的期间释放所述积蓄的电能；
电容器，该电容器使被所述同步整流电路整流的电压平滑；和
输出电压检出电路，该输出电压检出电路检出所述输出端子的输出电压，
所述DC-DC转换器还具备特性评价单元，该特性评价单元在DC-DC转换器的非动作时，使所述换流侧同步整流元件接通，从而对具备所述换流侧同步整流元件、所述电感器及所述二次电池的闭合回路进行电流的通电的同时，还根据所述输出电压检出电路检出的电压在所述通电时的电压降或电压降的斜率，测量所述二次电池的有效容量或检知其特性劣化状态。
2.如权利要求1所述的DC-DC转换器，其特征在于：具备在所述特性评价单元检知所述二次电池达到寿命末期时，将该情况告知使用者的单元。
3.如权利要求1或2所述的DC-DC转换器，其特征在于：将所述特性评价单元进行评价时隔断的开关元件，与所述电容器串联连接。
4.如权利要求1或2所述的DC-DC转换器，其特征在于：在所述DC-DC转换器的输出端子与所述二次电池之间设置过流保护器，所述DC-DC转换器具备在所述特性评价单元进行评价时，通过检出电流不流入所述闭合回路从而检出所述过流保护器的隔断状态的单元。
5.如权利要求1或2所述的DC-DC转换器，其特征在于：所述特性评价单元，在转换器动作的启动前的规定时间内，测量所述二次电池的有效容量或检知其特性劣化状态。
6.如权利要求1或2所述的DC-DC转换器，其特征在于：所述输入电源，是被发电机充电的、输出电压比所述二次电池高的二次电池。
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