DC/DC轉換裝置的制作方法

文檔序號：11335018閱讀：263來源：國知局

本發(fā)明涉及多相dc/dc轉換裝置，具有直流電壓輸入端、直流電壓輸出端和并聯(lián)連接的直流電壓轉換器，每個直流電壓轉換器具有至少一個由控制裝置控制的開關元件。本發(fā)明也涉及分別具有dc/dc轉換裝置的能量傳輸系統(tǒng)和交通工具及其操作方法。

de102011051482a1公開了用于電壓轉換器的橋電路結構和操作方法，電壓轉換器由兩個半橋結構構成。在半橋結構外設置的三個切換元件用于在第一配置和第二配置之間切換，在第一配置中所述半橋結構與輸入接線端并聯(lián)連接，在第二配置中所述半橋結構在輸入接線端之間串聯(lián)。在高輸入電壓的情況下采用半橋串聯(lián)電路，以便將電壓分散給兩個半橋。在較低輸入電壓的情況下，具有并聯(lián)半橋的橋電路結構被操作。電壓轉換器還包括諧振網、變換器和整流器。該橋電路的目的是提高電子裝置的耐電壓性。此拓撲的缺點特別是局限到兩個半橋以及三個切換元件，其決定了高的電路成本且作為半導體是相當可觀的成本部分。

de102007017187b4公開了用于機動車的電網，具有交通工具電池、超級電容、電壓敏感的負載、第一dc/dc轉換器和至少一個第二dc/dc轉換器以及電子開關。每個dc/dc轉換器以其第一接線端與超級電容相連。第一轉換器的第二接線端與該負載相連。第二轉換器的第二接線端與交通工具電池相連。該電子開關連接在dc/dc轉換器的第二接線端之間。通過該電子開關的打開保證了敏感的負載在起動過程中只由超級電容供應能量。在交通工具電池和起動機所依賴的電網部分上的電壓下降因此不影響電壓敏感的負載。在起動過程外，該開關被閉合，使得兩個dc/dc轉換器被用于超級電容的充電。為了限制充電電流，在每個dc/dc轉換器中可以設置另一個開關。所有的dc/dc轉換器具有相同的拓撲。

jp2006311776a公開了一種燃料電池交通工具，具有由多個并聯(lián)的子單元構成的轉換器。一個控制裝置根據各個子單元的狀態(tài)(如溫度)確定操作哪個(哪些)子單元。

de102010041625a1公開了一種用于移動應用的電轉換器。直流電壓轉換器由并聯(lián)的各個轉換器構成。該控制裝置在轉換器的操作中執(zhí)行有效的電流補償。為此記錄流過瞬間處于操作運行的各個轉換器的電流的值。另外，可以補償各個轉換器的故障。

us6954365b2公開了一種燃料電池交通工具，具有并聯(lián)的dc/dc變換器，其可以分別包括一個電流測量裝置。各個dc/dc變換器的控制或延時控制借助一個控制裝置進行。

de112008003489t5公開了一種燃料電池系統(tǒng)，其中，在燃料電池和電池之間設有dc/dc轉換器。該dc/dc轉換器由三個全橋單元構成，其線圈彼此感應耦合。

us7518886b1公開了一種燃料電池裝置，具有由初級側和次級側構成的轉換器。初級側由三個相同的并聯(lián)相構成。次級側包括共同的整流器。

de102012109638a1公開了一種具有輸入側emv過濾器的組串型逆變器。

在現(xiàn)有技術中已知用于重疊電壓區(qū)的直流電壓轉換器，特別是施加在轉換器輸入端的電源(如燃料電池)和施加在轉換器輸出端的蓄電器(交通工具電池)。

如果輸入電壓(燃料電池電壓)可以高于或低于輸出電壓(電池電壓)，則所用的轉換器拓撲是全橋轉換器。特別是為了分散功率，此時并行操作多個全橋轉換器。

現(xiàn)有技術的缺點是，需要許多半橋開關和相應的控制邏輯電路。微控制器、fpga、cpld、asic等類似機構的計算成本也巨大。這不利地影響到構造空間、重量、成本和效率(高功耗)。另外，已知系統(tǒng)沒有或者沒有最佳地適配或適配于電源且特別是燃料電池的電流電壓特性曲線，由此一來，或是只得到有限的工作區(qū)，或估計損耗顯著。

因此，本發(fā)明的目的是消除所述缺點并提供一種dc/dc轉換裝置，其操作運行可最佳適配于電源、優(yōu)選地是燃料電池單元的特征電流電壓特性曲線。功率損耗應該被最小化。另外，相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的特點應該是結構空間更小、重量更輕、成本更低和/或效率更高。

該目的通過前述類型的dc/dc轉換裝置如此實現(xiàn)，在并聯(lián)連接的直流電壓轉換器中，至少一個第一直流電壓轉換器在從直流電壓輸入端至直流電壓輸出端的方向上設計為降壓轉換器和升壓轉換器，至少一個第二直流電壓轉換器在從直流電壓輸入端至直流電壓輸出端的方向上設計為升壓轉換器，其中，所述至少一個第一直流電壓轉換器的拓撲不同于所述至少一個第二直流電壓轉換器的拓撲，并且所述dc/dc轉換裝置包括至少一個優(yōu)選地分離的開關裝置，該開關裝置具有：

第一開關狀態(tài)，在第一開關狀態(tài)中所述至少一個第二直流電壓轉換器被斷開，使得在直流電壓輸入端和直流電壓輸出端之間的電壓轉換通過所述至少一個第一直流電壓轉換器進行而所述至少一個第二直流電壓轉換器不參與，

第二開關狀態(tài)，在第二開關狀態(tài)中所述至少一個第二直流電壓轉換器被接通，使得所述至少一個第二直流電壓轉換器參與所述直流電壓輸入端與直流電壓輸出端之間的電壓轉換，優(yōu)選地所述至少一個第一直流電壓轉換器同時參與。

通過本發(fā)明獲得了特別針對以下情況的優(yōu)化解決方案：施加在dc/dc轉換裝置的輸入端的電壓與施加在dc/dc轉換裝置的輸出端的電壓之差改變符號。這樣的情況特別出現(xiàn)在燃料電池單元與dc/dc轉換裝置的輸入端相連并且蓄電器(如電池)與dc/dc轉換裝置的輸出端相連時。燃料電池單元的電流電壓特性曲線或極曲線的特征在于從空載電壓起首先明顯降低的部分。通常，燃料電池電壓在該降低部分內或之后低于電池電壓，從而必須從降壓操作轉變至升壓操作(或者說調整轉換情況)。

dc/dc轉換裝置的直流電壓輸入端因此用于連接至電源、特別是燃料電池單元，直流電壓輸出端用于連接至蓄電器。

“接通”是指，所述至少一個第二直流電壓轉換器連接在輸入端和輸出端之間，使得它可參與輸入端和輸出端之間的電壓轉換。因此，“斷開”是指相反情況。在斷開狀態(tài)中，所述至少一個第二直流電壓轉換器不參與電壓轉換。

該開關裝置的第一開關狀態(tài)對應于第一操作模式，此時電壓轉換通過所述至少一個第一直流電壓轉換器進行(升壓操作)，而所述至少一個第二直流電壓轉換器不參與。

開關裝置的第二開關狀態(tài)對應于第二操作模式，此時所述至少一個第二直流電壓轉換器參與電壓轉換?，F(xiàn)在，對于第二操作模式有兩種變型：

在第一變型中通過所述至少一個第一直流電壓轉換器(升壓操作)和至少一個第二直流電壓轉換器進行在直流電壓輸入端與直流電壓輸出端之間的電壓轉換。

在第二變型中，只通過這個或這些第二直流電壓轉換器進行在直流電壓輸入端與直流電壓輸出端之間的電壓轉換而第一直流電壓轉換器不參與。

第二操作模式的第一變型例如可以在所述至少一個第二直流電壓轉換器接通之后運行。在預定時間段之后使這個或這些第一直流電壓轉換器下降運行，從而流過這個/這些第一直流電壓轉換器的電流減小，直到所述至少一個第一直流電壓轉換器完全不操作(即其開關元件不再節(jié)拍動作)。同時，所述至少一個第二直流電壓轉換器接管其開關元件的節(jié)拍被相應調整而釋放的電流負載?，F(xiàn)在，實現(xiàn)第二操作模式的第二變型(即所述至少一個第一直流電壓轉換器不參與電壓轉換)。

如果通過第一直流電壓轉換器的在升壓操作期間永久閉合的開關元件的損耗大于通過開關裝置的損耗，則從第一變型轉變至第二變型可以是有利的。第二操作模式的第二變型也可被稱為“高效模式”。它特別適用在多個第二直流電壓轉換器可供使用時。

本發(fā)明基于以下原理，所述至少一個第二直流電壓轉換器可被斷開或切斷，即它可以通過該開關裝置與所述至少一個第一直流電壓轉換器斷開并且在此(第一)開關狀態(tài)下不參與直流電壓轉換。所述轉換在第一開關狀態(tài)下只通過所述至少一個第一直流電壓轉換器進行。通過有目的地接通這個/這些第二直流電壓轉換器，電源的電流電壓特性曲線可以被盡量最佳滿足。

術語“多相”是指，所述dc/dc轉換裝置具有至少兩個相，即由至少兩個并聯(lián)連接的直流電壓轉換器構成。所述至少一個第一直流電壓轉換器和至少一個第二直流電壓轉換器此時并聯(lián)連接在dc/dc轉換裝置的輸入端與輸出端之間。

“分離的開關裝置”是指，開關裝置不是各個第一直流電壓轉換器和第二直流電壓轉換器的組成部分，而只是除此之外另外設置。分離的開關裝置也可以由該控制裝置來控制。

本發(fā)明的一個重要特征在于，這個或這些第一直流電壓轉換器具有與這個或這些第二直流電壓轉換器不同的拓撲(即不同構造)。

因此，第一直流電壓轉換器從輸入端至輸出端按照兩個不同的操作模式投入使用，即按照降壓操作和按照升壓操作。第二直流電壓轉換器可僅設計用于一個操作模式，即用于升壓操作(從輸入端至輸出端來看)，由此，它可以簡單、緊湊且廉價許多地設定尺寸。

與燃料電池的極曲線相關地，所述第一直流電壓轉換器從空載電壓起首先用作降壓轉換器(所謂下拉相)。電流在此區(qū)域內尚小，使得通過這個/這些第一直流電壓轉換器的負載仍然可以損耗低。一旦燃料電池電壓等于或小于蓄電器電壓，則這個或這些第二直流電壓轉換器也可以為此被接通(即參與電壓轉換)。電流通過這種方式被分散給多個轉換器?，F(xiàn)在，這個或這些第一直流電壓轉換器像這個/這些第二直流電壓轉換器那樣用作升壓轉換器。

這個/這些第一直流電壓轉換器同時是降壓轉換器和升壓轉換器，即它們按照不僅能以降壓操作運行也能以升壓操作運行的方式設計。本發(fā)明的一個重要優(yōu)點在于，這個/這些第二直流電壓轉換器在從輸入端至輸出端的方向上只能設計成升壓轉換器，由此，它們可以簡單且廉價許多地設定尺寸。

在此要說明的是，術語“直流電壓輸入端”和“直流電壓輸出端”被用于限定降壓操作或升壓操作的方向。但也可行的是該直流電壓轉換器雙向構成，使得施加在直流電壓輸出端上的電壓轉變至直流電壓輸入端。這個/這些第二直流電壓轉換器于是可以在從輸出端至輸入端的方向上起到降壓轉換器的作用。

在此要說明的是，這個/這些第二直流電壓轉換器整個被斷開或接通，即在斷開狀態(tài)下不進行與第一直流電壓轉換器的拓撲的組合或結合。

一個優(yōu)選實施方式的特點在于，第二直流電壓轉換器具有比第一直流電壓轉換器更簡單的拓撲，和/或第二直流電壓轉換器具有比第一直流電壓轉換器更少的、優(yōu)選為一半的開關元件。由此，特別可以減小所用半導體組件的數(shù)量，由此可以減小結構空間、重量和成本。

一個優(yōu)選實施方式的特點在于，所述至少一個第二直流電壓轉換器因為其拓撲而在從直流電壓輸入端至直流電壓輸出端的方向上只具有升壓操作。這個/這些第二直流電壓轉換器為此能比第一直流電壓轉換器簡單且廉價許多地設定尺寸。此實施方式并非排除這個/這些第二直流電壓轉換器雙向設計(即可在相反方向起到降壓轉換器作用)。

一個優(yōu)選實施方式的特點在于，所述至少一個第一直流電壓轉換器是全橋轉換器，和/或所述至少一個第二直流電壓轉換器是半橋轉換器。這是一個特別優(yōu)選的變型，因為一方面該全橋轉換器同樣適用于降壓操作和升壓操作，另一方面，半橋轉換器作為升壓轉換器在升壓操作時具有與全橋轉換器一樣的性能，但只需要一半的半導體開關元件。

一個優(yōu)選實施方式的特點在于，在開關裝置的第一開關狀態(tài)中，所述至少一個第二直流電壓轉換器以其至少一極與所述直流電壓輸入端和/或直流電壓輸出端并且與所述至少一個第一直流電壓轉換器斷開。因此，所述斷開只通過分隔開一個極來實現(xiàn)也就夠了。

一個優(yōu)選實施方式的特點在于，設有唯一的開關裝置用于斷開或接通第二直流電壓轉換器。由此保持低的切換成本。

也可行的是，每個第二直流電壓轉換器或每組第二直流電壓轉換器分別可通過自己的開關裝置被接通或斷開。

本發(fā)明優(yōu)選是電連接的轉換器(即不是通過變壓器電隔離的轉換器)，即輸入端和輸出端電連接。

一個優(yōu)選實施方式的特點在于，與直流電壓轉換器的開關元件的開關狀態(tài)無關地，在直流電壓輸入端的一極與直流電壓輸出端的相應極之間形成電連接，該電連接優(yōu)選地不存在感應組件，特別優(yōu)選地不存在任何有源和無源電組件。這樣的轉換器拓撲可以簡單廉價地實現(xiàn)并且損耗極低。

一個優(yōu)選實施方式的特點在于，所述第一直流電壓轉換器和/或第二直流電壓轉換器具有至少一個半導體開關元件、特別是igbt或mosfet，以及至少一個扼流圈。

一個優(yōu)選實施方式的特點在于，至少其中一個直流電壓轉換器具有變壓器式耦合的扼流圈，由此可以提高效率。

一個優(yōu)選實施方式的特點在于，該dc/dc轉換裝置包括至少一個電流和/或電壓測量裝置，它與該控制裝置連接且設計為使得根據用電流和/或電壓測量裝置確定的測量值實現(xiàn)開關裝置的控制。該開關裝置優(yōu)選地也與該控制裝置相連。得到整個dc/dc轉換裝置的自動可靠控制。

所述目的也通過一種能量傳輸系統(tǒng)來實現(xiàn)，它包括電源、特別是燃料電池單元，蓄電器、特別是電池，以及根據本發(fā)明的dc/dc轉換裝置，其中，該電源和該蓄電器經由dc/dc轉換裝置彼此電連接。在此，該電源與該dc/dc轉換裝置的直流電壓輸入端相連，該蓄電器與其直流電壓輸出端相連。已經在更前面詳細介紹了特別與燃料電池系統(tǒng)相關的優(yōu)點。

所述目的也通過一種交通工具、特別是燃料電池交通工具來實現(xiàn)，其具有根據本發(fā)明的能量傳輸系統(tǒng)。

所述目的也通過一種操作dc/dc轉換裝置和/或能量傳輸系統(tǒng)和/或交通工具的方法來實現(xiàn)，其中，

當施加在直流電壓輸入端的電壓大于施加在直流電壓輸出端的電壓時，所述dc/dc轉換裝置按照第一操作模式被操作，其中在第一操作模式中所述至少一個第一直流電壓轉換器按照降壓操作運行，且該開關裝置處于所述至少一個第二直流電壓轉換器被斷開的第一開關狀態(tài)，

并且其中當施加在直流電壓輸入端的電壓小于施加在直流電壓輸出端的電壓時，所述dc/dc轉換裝置按照第二操作模式被操作，其中在第二操作模式中所述開關裝置處于所述至少一個第二直流電壓轉換器被接通的第二開關狀態(tài)，且優(yōu)選地所述至少一個第一直流電壓轉換器按照升壓操作運行。

以上限定的方法也在第二操作模式中包括已如上所述的第一和第二變型。

在第一變型中，所述至少一個第二直流電壓轉換器和至少一個第一直流電壓轉換器處于操作(升壓操作)中且參與電壓轉換。在第二變型中，使所述至少一個第一直流電壓轉換器不操作(即它不支持電壓轉換)。

一旦施加在直流電壓輸入端的電壓等于施加在直流電壓輸出端的電壓或比施加在直流電壓輸出端的電壓小了預定值，則所述至少一個第二直流電壓轉換器的接通和/或斷開優(yōu)選地借助該開關裝置進行。

該開關裝置的切換優(yōu)選地基本上無負載地進行，其中流過開關裝置的電流優(yōu)選地通過所述至少一個第二直流電壓轉換器來調整。因此，流過第二直流電壓轉換器的電流可以通過其開關元件的節(jié)拍形式被減小。同時，所述至少一個第一直流電壓轉換器接受很多電流(也通過其開關元件的節(jié)拍形式的改變)。開關裝置切換至第一開關狀態(tài)因此優(yōu)選地只在流過開關裝置的電流基本上為零時才進行。也可能的是，第二直流電壓轉換器的開關元件已經在開關過程(從第一開關狀態(tài)至第二開關狀態(tài))前處于操作中以完成從輸出電壓至輸入電壓的調整，使得流過開關裝置的電流變?yōu)榱慊蛑辽俦３趾艿汀?/p>

在開關裝置和第二直流電壓轉換器之間的支持電容可以支持或簡化無負載接通。通過這些措施，也可以簡單廉價地設定該開關裝置的尺寸。

以下還將概述一個特別的實施方式：在(如交通工具的)燃料電池和電池之間連接有下述類型的dc/dc轉換裝置：dc/dc轉換裝置在輸入端和輸出端之間由多個并聯(lián)連接的子單元組成，每個子單元單獨地是一個直流電壓轉換器。(稱為“下拉相”的)第一直流電壓轉換器、特別是全橋轉換器不僅可以按照升壓模式、也可按照降壓模式操作。至少另一個只能以升壓模式操作的(第二)轉換器、特別是半橋轉換器可以通過分離的開關裝置被接通以實現(xiàn)“下拉相”。本發(fā)明表明一種最佳適應于燃料電池的電流電壓特性曲線(極曲線)的解決方案。

以下將描述多個實施方式，其適用于特殊應用且由本發(fā)明涵蓋：

-dc/dc轉換裝置能設計為“正?！眃c/dc轉換器的形式(具有4個極，兩極輸入端和兩極輸出端)。

-dc/dc轉換裝置可以被集成在三端轉換器(有6個極)中。三端轉換器形成有三個引線端子。

-dc/dc轉換裝置可以附加地在輸入側或輸出側具有另外的輸出，其用于輔助設備(渦輪壓縮機變頻器、空調壓縮機等)的連接或與之連接。

-本發(fā)明也可以涉及一種部件，在該部件中裝有或集成有本發(fā)明的dc/dc轉換裝置。該部件還可以覆蓋其它功能且包含其它子部件。它們例如可以是：電網轉換器(由hv電路的12v或24v或48v電路供電)；用于hv電池充電的車載充電器；給車輛牽引用電動機供電的牽引變頻器；具有用于燃料電池系統(tǒng)和/或電池電路的保險、接觸器、控制功能的pdu(配電單元)以及用于輔助設備的各種各樣的hv輸出端和lv輸出端(如上所述)。

從以下參照附圖對本發(fā)明的實施方式的說明中得到本發(fā)明的其它優(yōu)點、特征和細節(jié)。在此，如權利要求書和說明書所述的特征分別單獨地或在任何組合形式中可能對本發(fā)明是重要的。

附圖標記列表是本公開的組成部分。相關聯(lián)且觸類旁通地描述所述附圖。相同的附圖標記表示相同的組件，帶有不同的索引的附圖標記表示功能相同或相似的組件。

附圖中：

圖1示出根據本發(fā)明的dc/dc轉換裝置的一個實施方式，

圖2示出在燃料電池交通工具中的供電系統(tǒng)，

圖3示出燃料電池單元的極曲線，

圖4示出呈半橋轉換器形式的第二直流電壓轉換器的實施方式，

圖5示出呈全橋轉換器形式的第一直流電壓轉換器的實施方式，

圖6示出第二直流電壓轉換器(半橋轉換器)，輸入端和輸出端的正極經由其永久地即與開關元件的開關狀態(tài)無關地電連接，

圖7示出第一直流電壓轉換器(全橋轉換器)，輸入端和輸出端的正極經由其永久地即與開關元件的開關狀態(tài)無關地電連接，

圖8以示意圖示出具有控制裝置和電流測量裝置的dc/dc轉換裝置。

圖1示出多相(在此是三相)dc/dc轉換裝置10，包括直流電壓輸入端3、直流電壓輸出端4和并聯(lián)連接的直流電壓轉換器1、2、2'，每個直流電壓轉換器具有至少一個由控制裝置16(見圖8)控制的開關元件11、12、13、14；21、22、21'、22'。

在并聯(lián)連接的直流電壓轉換器1、2、2'中，第一直流電壓轉換器1在從直流電壓輸入端3至直流電壓輸出端4的方向上(同時)設計為降壓轉換器和升壓轉換器。在此要說明的是，也可以設置具有上述性能并且彼此并聯(lián)連接的兩個或更多個第一直流電壓轉換器。

第二直流電壓轉換器2、2'(分別與第一直流電壓轉換器1并聯(lián)連接)在從直流電壓輸入端3至直流電壓輸出端4的方向上設計為升壓轉換器，其中，第一直流電壓轉換器1的拓撲不同于第二直流電壓轉換器2、2'的拓撲。在此要說明的是，也可以設置具有上述性能的僅一個第二直流電壓轉換器或者三個或更多個第二直流電壓轉換器。

dc/dc轉換裝置10包括至少一個優(yōu)選地分離的開關裝置5，開關裝置5具有第一開關狀態(tài)和第二開關狀態(tài)，在第一開關狀態(tài)中第二直流電壓轉換器2、2'被斷開，使得直流電壓輸入端3和直流電壓輸出端4之間的電壓轉換通過第一直流電壓轉換器1實現(xiàn)而第二直流電壓轉換器2、2'不參與，在第二開關狀態(tài)中第二直流電壓轉換器2、2'被接通，使得第二直流電壓轉換器2、2'參與直流電壓輸入端3和直流電壓輸出端4之間的電壓轉換，優(yōu)選地通過第一直流電壓轉換器1的同時參與。

不同于圖1所示，也可以針對每個第二直流電壓轉換器2、2'設置自己的開關裝置5，使得能可選地接通僅一個第二直流電壓轉換器2或兩個第二直流電壓轉換器2、2'。

如圖1所示，每個第二直流電壓轉換器2、2'具有比第一直流電壓轉換器1更簡單的拓撲，并且每個第二直流電壓轉換器2、2'具有比第一直流電壓轉換器1更少的開關元件(在此是其一半)。

第二直流電壓轉換器2、2'可以基于其“簡化”的拓撲而在從直流電壓輸入端3至直流電壓輸出端4的方向上分別僅被操作為升壓轉換器。在所示的優(yōu)選實施方式中，第一直流電壓轉換器1設計為全橋轉換器，第二直流電壓轉換器2、2'分別設計為半橋轉換器。

在此，第一直流電壓轉換器1具有至少四個開關元件11、12、13、14，它們與至少一個扼流圈15一起形成全橋電路，其中，扼流圈15形成橋臂。第二直流電壓轉換器2、2'包括至少兩個開關元件21、22或21'、22'，它們與至少一個扼流圈25或25'一起形成半橋電路。

以下更詳細地說明全橋轉換器的性能(圖1中的全橋轉換器示出為具有共同的負極，但也可以實現(xiàn)為具有共同的正極；見圖7)：

全橋轉換器允許升壓操作(輸入電壓ue<輸出電壓ua)和降壓操作(ue>ua)。它由兩個半橋構成。開關元件11、12、13、14能實現(xiàn)為igbt和/或fet和/或二極管。全橋轉換器可以取決于開關元件如何實現(xiàn)而實現(xiàn)為雙向(電流可在兩個方向上流動)或單向(電流只能在一個方向流動)的。

以下更詳細地說明半橋轉換器的性能(圖1中的半橋轉換器示出為具有共同的負極，但也可以實現(xiàn)為具有共同的正極；見圖6)：

半橋轉換器只允許升壓操作(輸入電壓ue<輸出電壓ua)。降壓操作(ue>ua)是不可能的。其原因是開關元件21、22或21'、22'通常實現(xiàn)為igbt或fet且具備反并聯(lián)二極管。在具有共同的負極的半橋轉換器(圖1)中，如果輸入電壓(燃料電池電壓)大于輸出電壓(電池電壓)，則開關元件的連接在橋點與輸出端4的正極之間的二極管將在導通方向上被極化。在此情況下將得到無法用轉換器控制的電流。在具有共同的正極的半橋轉換器(圖6)中，開關元件的連接在橋點與輸出端4的負極之間的二極管將是此行為的原因。

就像在全橋轉換器中那樣，開關元件能實現(xiàn)為igbt和/或fet和/或二極管。半橋轉換器可以取決于開關元件如何實現(xiàn)而實現(xiàn)為雙向(電流可在兩個方向上流動)或單向(電流只能在一個方向上流動)的。

分離地即除了直流電壓轉換器1、2、2'或其開關元件外設置開關裝置5?？尚械氖?，所有第二直流電壓轉換器附接至共同的開關裝置5或者通過所述開關裝置被接通或斷開(例如像在圖1中那樣)。然而，也可以想到，每個第二直流電壓轉換器或者每組第二直流電壓轉換器分別分配有自己的開關裝置。后一變型開啟了接通選擇的第二直流電壓轉換器的可能性。

在開關裝置5的第一開關狀態(tài)中，第二直流電壓轉換器2、2'以它們的極中的至少一個與直流電壓輸入端3(也可能與直流電壓輸出端4)斷開且以它們的極中的至少一個與第一直流電壓轉換器1斷開。如圖1所示，可以設置唯一的開關裝置5用于斷開或接通一個或所有的第二直流電壓轉換器2、2'。

與直流電壓轉換器1、2、2'的開關元件11、12、13、14；21、22、21'、22'的開關狀態(tài)無關地，在直流電壓輸入端3的一極與直流電壓輸出端4的相應極之間形成電連接。所述電連接不存在感應組件(在此也不存在任何有源和無源電組件)。

如上所述，第一直流電壓轉換器1和/或第二直流電壓轉換器2、2'可以具有至少一個半導體開關元件，特別是igbt或mosfet，以及至少一個扼流圈15、25、25'。圖4和圖5示出直流電壓轉換器1、2、2'的替代圖1的實施方式。在此，直流電壓轉換器1、2、2'分別設計成具有變壓器式耦合的扼流圈。

圖8示出dc/dc轉換裝置10包括至少一個電流測量裝置17(也可能的是電壓測量機構)，其與控制裝置16相連，并且設計為使得根據用電流測量裝置17確定的測量值來實現(xiàn)開關裝置5的控制。

圖2示出根據本發(fā)明的能量傳輸系統(tǒng)18(如交通工具)，其具有電源6特別是燃料電池單元、蓄電器7特別是(交通工具)電池和dc/dc轉換裝置10，其中，電源6和蓄電器7經由dc/dc轉換裝置10彼此電連接。逆變器8也連接至直流電壓轉換器10的輸出端4，該逆變器8將直流電壓轉變?yōu)閷τ?牽引)馬達9適合的交流電壓。

現(xiàn)在將參考圖1和圖3來更詳細地說明用于操作dc/dc轉換裝置(或者能量傳輸系統(tǒng)和/或交通工具)的方法。盡管這個例子涉及燃料電池應用，但要說明的是本發(fā)明也適用于其它的電源，特別適用于具有可比較的或相似的電流電壓曲線的電源。

圖3示出作為電源6的燃料電池單元的極曲線?？蛰d電壓(ibz＝0)相比于燃料電池單元在最大功率下的電壓很高(在此，作為參考值僅適用至少2:1的比例)。ubzmax是最大燃料電池電壓，ubzmin是最小燃料電池電壓，ubatt.max是最大電池電壓，ubatt.min是最小電池電壓。在圖3中看到不同的工作區(qū)a、b和c：

工作區(qū)a：因為燃料電池電壓ubz大于電池電壓ubatt.，所以需要降壓操作。燃料電池單元的電壓必須向下轉換至電池的電平。這利用第一直流電壓轉換器1進行，而第二直流電壓轉換器2、2'被斷開且因此不參與轉換。

工作區(qū)b：在此，燃料電池電壓ubz可以小于或大于電池電壓ubatt.。根據工作點，可能需要升壓操作或降壓操作以調整該系統(tǒng)。

工作區(qū)c：因為燃料電池電壓ubz小于電池電壓ubatt.，所以需要升壓操作。燃料電池單元的電壓必須上轉換至電池的電平。這在第二直流電壓轉換器2、2'接通的情況下進行，因此第二直流電壓轉換器2、2'參與轉換。

-當施加在直流電壓輸入端3上的電壓大于施加在直流電壓輸出端4上的電壓時，dc/dc轉換裝置10因此以第一操作模式操作，其中，在第一操作模式中，至少一個第一直流電壓轉換器1按照降壓操作運行，開關裝置5處于至少一個第二直流電壓轉換器2、2'被斷開的第一開關狀態(tài)，并且

-當施加在直流電壓輸入端3的電壓小于施加在直流電壓輸出端4的電壓時，dc/dc轉換裝置10因此以第二操作模式操作，其中，在第二操作模式中，開關裝置5處于至少一個第二直流電壓轉換器2、2'被接通的第二開關狀態(tài)，且優(yōu)選地所述至少一個第一直流電壓轉換器1按照升壓操作運行。

現(xiàn)在存在第二操作模式的兩個變型：

在第一變型中，直流電壓輸入端3與直流電壓輸出端4之間的電壓轉換在至少一個第一直流電壓轉換器1(升壓操作)和至少一個第二直流電壓轉換器2、2'參與的情況下進行。

在第二變型中，直流電壓輸入端3與直流電壓輸出端4之間的電壓轉換只通過第二直流電壓轉換器2、2'進行但第一直流電壓轉換器1不參與。

第二操作模式的第一變型例如可以(緊接)在至少一個第二直流電壓轉換器2、2'接通之后運行。在預定時間段之后或在達到電源的電流電壓特性曲線的預定點之后，第一直流電壓轉換器1下降運行，從而流過第一直流電壓轉換器1的電流減小，直到至少一個第一直流電壓轉換器1完全不操作(即其開關元件不再節(jié)拍動作)。同時，至少一個第二直流電壓轉換器2、2'接管其開關元件的節(jié)拍被相應調整而釋放的電流負載。現(xiàn)在實現(xiàn)第二操作模式的第二變型(即至少一個第一直流電壓轉換器1不參與電壓轉換)。

如果通過第一直流電壓轉換器1的在升壓操作期間永久閉合的開關元件(在此是開關元件11)的損耗大于通過開關裝置5的損耗，則從第一變型轉變至第二變型可以是有利的。第二操作模式的第二變型也可被稱為“高效模式”。它特別適用在多個第二直流電壓轉換器2、2'可供使用或電流可被分散至其時。

一旦施加在直流電壓輸入端3的電壓等于施加在直流電壓輸出端4的電壓或比施加在直流電壓輸出端4的電壓小了預定值，則至少一個第二直流電壓轉換器2、2'的接通和/或斷開借助開關裝置5進行。

特別優(yōu)選的是開關裝置5的接通基本上無負載地進行，其中流過開關裝置5的電流通過至少一個第二直流電壓轉換器2、2'來調整。

因此，本發(fā)明特別允許針對電源6和蓄電器7的重疊電壓區(qū)的dc/dc轉換。第一直流電壓轉換器1(也稱為下拉相)初始在降壓操作中被使用。下拉相此時從燃料電池中汲取電流并且下拉燃料電池電壓(下拉原理)。一旦燃料電池的電壓等于或小于電池電壓，則開關裝置5能被接通，而沒有不可控電流從燃料電池流向電池。

根據操作策略，可以產生滯后，并且開關裝置只在燃料電池電壓比電池電壓小預定差δu1的情況下才被接通。

一旦開關裝置5被接通，第二直流電壓轉換器2、2'(半橋相)可在升壓操作中工作并且支持第一直流電壓轉換器5(下拉相)。

開關裝置5必須最遲在電源6的電壓等于蓄電器7的電壓時斷開第二直流電壓轉換器2、2'。為了在此考慮保留情況，一旦達到或低于最小差δu2＝ubatt.-ubz，則開關裝置5可以已打開。

為了能無負載地接通開關裝置5，流過開關裝置5的電流的通過兩個第二直流電壓轉換器2、2'的相應額定值設定的調整是值得推薦的。

當實現(xiàn)具有共同的負極的相(直流電壓轉換器1、2、2')時，開關裝置5可以實現(xiàn)為使得它分開正極、或者正極和負極。當實現(xiàn)具有共同的正極的相時，開關裝置5可以實現(xiàn)為使得它分開負極、或者負極和正極。在共同的負極的情況下，也可能負接線端(輸入側和輸出側)兩側分開。在共同的正極的情況下，也可能正接線端(輸入側和輸出側)兩側分開。

下拉相和半橋相的數(shù)量取決于燃料電池、電池和相的功率能力。但所述的發(fā)明包含至少一個下拉相(第一直流電壓轉換器1)和不同拓撲的至少一個第二直流電壓轉換器2、2'(優(yōu)選地，半橋相)。所述的發(fā)明也可借助以下相實現(xiàn)：其主扼流圈變壓器式耦合(圖4、5)。

以下，再次指出優(yōu)選實施方式的優(yōu)點：通過按照描述的拓撲形式構成dc/dc轉換裝置10，僅對與直流電壓輸入端3(或燃料電池單元)并聯(lián)連接的下拉相需要全橋。只能在升壓操作中運行的直流電壓轉換器2、2'能實現(xiàn)為半橋相。由此，可以節(jié)省半導體及其控制邏輯。另外，通過μc、fpga、cpld和/或asic的計算成本降低。因為開關裝置5可被無負載地接通，故功耗也可降低。因為開關裝置5因此不像半橋的開關元件21、22或21'、22'那樣必須永久節(jié)拍動作，而是永久導通或不導通，故也可不同地設計開關裝置(更有利，損耗更低)。組件節(jié)省帶來了下述形式的優(yōu)點：構造空間，重量，成本，效率。

在此要說明的是作為極其簡化的視圖來理解所示電路圖。在輸入側和輸出側的可以具有支持和過濾任務的電容也未被畫出。在此，輸入電容可以連接在直流電壓輸入端3的極之間、向開關裝置5的分支之前。但替代地或附加地可以想到針對每個直流電壓轉換器設置自己的輸入電容。同樣情況適用于輸出電容。

在圖8中以控制單元16的形式單純示意性示出直流電壓轉換器1、2、2'的開關元件的切換時間的調整所需要的控制邏輯。所有的轉換器拓撲(半橋轉換器；全橋轉換器；以及其組合)不僅可以實現(xiàn)成具有共同負極(圖1所示)，也可以實現(xiàn)成具有共同正極(圖6、圖7)。

所有的轉換器拓撲(半橋轉換器；全橋轉換器；以及其組合)不僅可以是雙向(電流從左向右流動或從右向左流動)的，也可以是單向的(電流只從右向左流動或者電流只從左向右流動)。這取決于開關元件及其可能的控制的實施變型。所有開關元件能以下述組件之一的形式出現(xiàn)：二極管、igbt、(mos)fet、其它半導體或其組合。

本發(fā)明的開關裝置5也能實現(xiàn)為下述組件之一：雙極晶體管，半導體閘流管，雙向晶閘管，igbt，具有反并聯(lián)二極管的igbt，fet，具有反并聯(lián)二極管的fet，mosfet，接觸器，繼電器，和/或實現(xiàn)為其組合。開關裝置5可以由半導體、半導體繼電器或機電開關構成。

本發(fā)明不限于所述的實施方式和在此強調的方面。相反，在本發(fā)明構思的范圍內，位于技術人員能力范圍內的許多改變是可能的。也可行的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，通過組合所述裝置和特征來實現(xiàn)其它變型實施方式。

附圖標記列表

1第一直流電壓轉換器

2,2'第二直流電壓轉換器

3直流電壓輸入端

4直流電壓輸出端

5開關裝置

6電源

7蓄電器

8逆變器

9馬達

10dc/dc轉換裝置