CN101722906B - 具有升压变换器的电气系统和汽车驱动系统及操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有按需升压变换器的电气系统和汽车驱动系统及操作方法。提供用于使用在车辆中的按需升压变换器的系统和方法。汽车驱动系统包括具有输入节点、与第一升压脚相关联的第一输出节点和与第二升压脚相关联的第二输出节点的升压变换器。燃料电池耦接到升压变换器的输入节点以及蓄电池耦接到第一输出节点。逆变器模块耦接到第二输出节点，以及车辆牵引驱动单元耦接到逆变器模块。第一开关耦接在第二输出节点与第一输出节点之间，其中在第一开关闭合时蓄电池将能量提供到第二输出节点。

Description

具有升压变换器的电气系统和汽车驱动系统及操作方法
技术领域
本发明总体涉及电气系统，例如电动和混合动力车辆驱动系统。更具体地，涉及构造成驱动用于车辆的功率逆变器模块的多相升压变换器。 
背景技术
近年来，技术进步以及日益演进的风格品味已经导致汽车设计的重大变化。其中一个变化涉及汽车尤其是诸如混合动力、电动和燃料电池车辆的替代燃料车辆内各种电气系统的功率使用和复杂性。 
很多电动车辆需要高的初级操作电压，例如直流400伏。典型的燃料电池在负载下提供小于直流1伏的电压。因此，大量的单个燃料电池通常构造或串联“堆叠”以提供能够提供车辆所需的高的初级操作电压的燃料电池组。此外，多数燃料电池车辆和／或系统设计成从燃料电池组提供用于车辆操作的全部牵引功率。这导致燃料电池组的超裕度设计，因为它必须提供车辆所需的峰值功率。通常，由于成本和封装限制，燃料电池的充分堆叠在很多高电压应用中并不实用。 
例如直流电流到直流电流(DC／DC)升压变换器的功率变换器通常用于升高燃料电池组的电压水平并且减少车辆中所需的单个燃料电池的数目。通常，高电压蓄电池用于在需要超过燃料电池组能提供的牵引功率的操作周期期间给车辆提供峰值功率。在车辆牵引驱动单元不需要峰值功率时，高电压蓄电池可由燃料电池组充电。然而，高电压蓄电池限制变换器输出的电压范围，并且因此，在车辆不需要如此高电压的轻负载情形期间，这些设计是低效的。 
发明内容
提供一种用于使用在车辆中的电气系统的设备。电气系统包括耦接到参考节点的升压变换器。升压变换器具有输入节点、与第一脚相关联的第一输出节点和与第二脚相关联的第二输出节点。第一能量源耦接在输入节点与参考节点之间以及第二能量源耦接在第一输出节点与参考节点之间。第二能量源的电压大于第一能量源的电压。第一开关耦接在第二输出节点与第一输出节点之间，其中在第一开关闭合时第二能量源将能量提供给第二输出节点。 
在另一实施例中，提供一种用于汽车驱动系统的设备。汽车驱动系统包括具有输入节点、与第一升压脚相关联的第一输出节点和与第二升压脚相关联的第二输出节点的升压变换器。燃料电池耦接到升压变换器的输入节点以及蓄电池耦接到第一输出节点。逆变器模块耦接到第二输出节点，以及车辆牵引驱动单元耦接到逆变器模块。第一开关耦接在第二输出节点与第一输出节点之间，其中在第一开关闭合时，蓄电池将能量提供给第二输出节点。 
提供一种用于控制升压变换器的方法。升压变换器具有与第一升压脚相关联的第一输出节点和与第二升压脚相关联的第二输出节点。所述方法包括启用第一升压脚和停用第二升压脚以支持在第一负载模式下操作，以及启用第一升压脚和第二升压脚两者以支持在第二负载模式下操作。 
本节概要用于以简化形式介绍构思的选择，这些构思在下面的详细说明中将进一步描述。本发明内容不旨在辨识所要求保护主题的主要特征或必要特征，也不旨在用作确定所要求保护主题的范围的帮助。 
附图说明
通过参考详细说明和权利要求书并结合附图可对本发明有更全面的理解。 
图1是根据一个实施例的适于在车辆中使用的电气系统的示意图。 
具体实施方式
下面的详细说明本质上仅是说明性的，并且不旨在限制本发明的实施例或这些实施例的应用和使用。如在此使用的，词语“示范性”意指“用作例子、举例或示例”。作为示范而在此描述的任何实施方式不必解释为优选的或优于其他实施方式。此外，本发明不旨在受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或下面的详细说明中所提出的任何明 示或默示理论的限制。 
如在此使用的，“节点”意指任何内部的或外部的参考点、连接点、结点、信号线、传导元件或类似物，在该节点处存在给定信号、逻辑电平、电压、数据模式、电流或数量。此外，可以通过一个物理元件实现两个或更多个节点(以及即使在共用模式下接收或输出，两个或更多个信号也可多路复用、调制或以其他方式区别开)。 
下面的描述指“耦接”在一起的元件或节点或零件。如在此所使用的，除非有相反的明示陈述，“耦接”意指一个元件/节点/零件直接或间接地联结到另一个元件/节点/零件(或直接或间接地与另一个元件/节点/零件通信)，并且不必是机械地联结。因此，虽然图1所示的示意图描述元件的一个示范性布置，但是，额外的介入元件、装置、零件或部件可以出现在所描述的本发明的实施例中。 
此外，仅为了参考目的，某些术语也可使用在下面的描述中，并且因此不意在限制。例如，涉及结构的术语“第一”、“第二”和其他这类数字术语并不意味着顺序或次序，除非通过上下文清楚地表示。 
简洁起见，与系统(和系统的各个操作部件)的信号处理、基于晶体管的开关控制和其他功能方面有关的常规技术在此不再详细描述。此外，在此包含的各种图形中示出的连接线意在表示各种元件之间的示范性功能关系和/或物理耦接。应当明白，很多替代或额外的功能关系或物理连接可出现在本发明的实施例中。 
在此描述的技术和/或构思总体涉及使用在汽车驱动系统中的具有多相升压变换器的电气系统。各相脚(升压脚)的输出可经开关耦接以能够根据需要改变每一输出处的电压，从而通过减少各装置中的开关损耗而改善升压变换器和由升压变换器驱动的逆变器模块的效率。 
参考图1，在示范性实施例中，适合用于用作车辆中的汽车驱动系统的一部分的电气系统100包括、但不限于第一能量源102、升压变换器104、第二能量源106、功率模块108和开关110。控制器112可耦接到升压变换器104和开关110，而且控制器112适合地构造成用于支持电气系统100的操作，如在下面更详细地描述。在示范性实施例中，电气系统100构造成用于减少升压变换器104和功率模块108的开关损耗并且最大化升压变换器104和功率模块108的效率，如在下面更详细地描述。应当理解，图1是电气系统100的简化表示并且不意在以 任何方式限制本发明。 
在示范性实施例中，升压变换器104耦接到电气系统100的参考节点114。升压变换器104的输入节点116耦接到第一能量源102，第一能量源102继而也耦接到参考节点114。更具体地，输入节点116对应于第一能量源102的正极端子，而参考节点114对应于第一能量源102的负极端子。在示范性实施例中，升压变换器104是具有多个输出节点118、120的多相DC-DC变换器。在示范性实施例中，第二能量源106耦接在升压变换器104的第一输出节点118与参考节点114之间。更具体地，第一输出节点118对应第二能量源106的正极端子，而参考节点114对应第二能量源106的负极端子。在一个或多个实施例中，辅助负载122可耦接在升压变换器104的第一输出节点118与参考节点114之间，如下面详细描述。辅助电容器124可耦接在第一输出节点118与参考节点114之间以减小输出电压脉动并平稳升压变换器104与第二能量源106之间的电压，如本领域中将理解的。功率模块108耦接在升压变换器104的第二输出节点120与参考节点114之间。第二电容器126可耦接在第二输出节点120与参考节点114之间以减小输出电压脉动并平稳升压变换器104与功率模块108之间的电压。根据一个实施例，车辆牵引驱动单元128耦接到功率模块108的输出。 
如图1所示，在示范性实施例中，开关110耦接在第一输出节点118与第二输出节点120之间。如下面详细描述的，在电气系统100的操作期间在控制器112的控制下操作开关110，以在各种负载情形下减少开关损耗并改善电气系统100的效率。例如，在第二输出节点120处需要超过第一能量源102所能提供的功率的重负载情形下，控制器112可启用(或闭合)开关110以耦接输出节点118、120(或者替代地，将第二能量源106耦接到功率模块108)从而在重负载情形下从第二能量源106提供峰值功率给第二输出节点120。在其他情形下，控制器112可停用(或断开)开关110以减小第二输出节点120处的电压并因此减小功率模块108的开关损耗并且增加功率系统100的效率，如下所述。 
取决于实施例，能量源102、106每个可实现为蓄电池、燃料电池(或燃料电池组)、一个或多个电容器(例如，超级电容器或电容器组)或其他合适的电压源。对于这里所述的实施方式，第二能量源106具有大于或等于第一能量源102的电压。在示范性实施例中，第一 能量源102实现为燃料电池组，以及第二能量源106实现为高电压蓄电池。在这一点，燃料电池组通常包括大约300个单个燃料电池，在全负载下，每个燃料电池提供大约直流0.6伏的电压。高电压蓄电池具有范围从直流300伏到直流400伏的电压，并且可能甚至更高，具有大约直流360伏的典型标称电压。在本领域中将明白蓄电池的实际电压取决于蓄电池的充电状态和辅助电容器124的特性及其他变量而随时间改变。 
在示范性实施例中，升压变换器104是具有多个升压脚130、132、134的多相DC-DC变换器。图1描述了具有三个升压脚130、132、134的升压变换器104，然而，实际中，升压变换器104取决于具体应用的需要可包括额外的或更少的升压脚。此外，升压变换器104在希望时可包括与额外的升压脚关联的额外的输出节点。如在此使用的，升压脚130、132、134应当理解为全体地称为能够独立操作为单相渐增(或升压)变换器的装置或电路元件的构造。例如，如图1中所示，第一升压脚130包括耦接在升压变换器104的输入节点116与节点138之间的电感器136。二极管140耦接在节点138与第一输出节点118之间，以及升压开关142耦接在节点138与参考节点114之间。在示范性实施例中，升压开关142实现为半导体装置，优选地，为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。可以以可变占空比调节(断开和闭合)升压开关142，其改变通过电感器136的电流，从而确定第一输出节点118处的电压。在该构造中，第一升压脚130类似于常规的单相升压变换器，如本领域中将理解的。在示范性实施例中，额外的升压脚132、134相似地配置在升压变换器104的输入节点116与第二输出节点120之间。 
虽然图1描述了第二升压脚132和第三升压脚134在第二输出节点120处耦接在一起，但是在某些实施例中，第三升压脚134可与从其他输出节点118、120分开的第三输出节点相关联。此外，在替代实施例中，节点120可耦接到多于一个升压脚的输出。而且，升压脚130、132、134中的一个或多个可实现为双向实施方式。例如，虽然未示例，但是可通过增加与二极管140电气地并联的另一开关和增加与开关142并联的另一二极管来实施升压脚130。该双向实施方式将允许能量源106和/或节点116被充电到来自节点118的高电压，如本领域中将理解的。 
在示范性实施例中，功率模块108实现为构造成将来自输出节点120的直流电转换为交流电的功率逆变器。在这一点，虽然未示例， 但是逆变器功率模块108包括在微处理器(或控制器)的控制下的一系列开关(通常是半导体装置，例如绝缘栅双极晶体管即IGBT)与续流二极管，从而在功率模块108的输出处提供期望的交流电压和/或电流。车辆牵引驱动单元128可包括以受到在功率模块108的输出处提供的交流电的影响的方式而操作的马达。在某些实施例中，车辆牵引驱动单元128可包括再生制动系统或用于将动能变换为电能以经由功率模块108提供电能给电气系统100的其他设备，如下面详细描述的。 
在示范性实施例中，开关110实现为半导体装置。根据一个实施例，开关110实现为金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。图1图示对于N沟道MOSFET的开关110的示范性构造。清晰以及解释方便起见，在此根据N沟道构造描述本发明，然而，本领域将理解本发明也可使用P沟道装置来实施。如图1所示，在示范性实施例中，开关110的源极端子144耦接到第二输出节点120以及开关110的漏极端子146耦接到第一输出节点118。在这种构造中，在使用MOSFET时，在MOSFET内存在具有所示极性的寄生体二极管148。开关110的栅极端子150可用于以公知方式控制开关110的功能。根据一个实施例，栅极端子150耦接到控制器112并且响应于来自控制器112的控制信号，如下所述。 
在示范性实施例中，控制器112构造成响应于第二输出节点120处的各种负载情形操作升压脚130、132、134和开关110以优化电气系统100的效率。虽然未示例，但是控制器112构造成改变升压开关142、152、154的各自的占空比以控制输出节点118、120处的电压，如本领域中将理解的。在示范性实施例中，控制器112控制第一升压开关142以在第一输出节点118处提供电压大致等于第二能量源106的电压。在这一点，控制器112可监测第二能量源106的电压和/或充电状态，并调节第一升压开关142的占空比，相应地以产生第一输出节点118处的必要电压。在电气系统100的操作期间，只要开关110未被启用(即，断开)，则第二能量源106可由第一能量源102连续充电。 
在示范性实施例中，控制器112构造成确定第二输出节点120处的负载水平并基于该负载情形启用第二升压脚132和第三升压脚134。虽然未示例，但是控制器112可与功率模块108、车辆牵引驱动单元128或车辆内的另一电子控制单元(ECU)通信以确定第二输出节点 120处的期望电压和/或电流水平。通常，第二输出节点120处的期望电压和/或电流水平基于车辆操作期间车辆牵引驱动单元128的负载。例如，在某些情形下，在车辆牵引驱动单元128的负载相对轻时，功率模块108和/或车辆牵引驱动单元128可仅仅需要电压小于或等于第一能量源102的电压。在这种情形下，在第二输出节点120处的负载相对轻时，控制器112将通过断开各升压开关152、154来不启用与第二输出节点120相关联的升压脚132、134从而实现在轻负载模式下操作。也即是说，与升压开关152、154相关联的占空比为零。在升压开关152、154未被启用(即，断开)时，与切换升压开关152、154关联的功率损失减少。在示范性情况下，在轻负载期间通过不启用升压脚132、134可提高升压变换器104的效率大约1％。还减少了升压脚132、134中其他部件(即，二极管和电感器)上的压力。在示范性实施例中，控制器112还构造成响应于确定出第二输出节点120处的轻负载情形停用或断开开关110。通过不启用升压脚132、134和开关110，跨逆变器功率模块108中的开关两侧的电压(即，输出节点120与参考节点114之间的电压)降低，从而减少功率模块108中的开关损耗。在如上述的示范性情况下，功率模块108的效率在轻负载下可提高约0.6％，从而产生对于电气系统100约1.6％的总效率增益。 
随着第二输出节点120处的负载水平增加，控制器112启用第二升压脚132和第三升压脚134，同时将开关110维持在断开状态以支持在中间负载周期中的操作。例如，控制器112可确定出功率模块108和/或车辆牵引驱动单元128期望第二输出节点120处的电压超过第一能量源102的电压。作为响应，控制器112可在需要时改变升压开关152、154的占空比以产生第二输出节点120处的期望电压，用于以较高的电压操作车辆牵引驱动单元128。在这种方式下，电气系统100可称为为车辆牵引驱动单元128提供“按需”升压。 
在示范性实施例中，控制器112构造成启用或闭合开关110以实现第二能量源106与功率模块108之间的期望功率流。响应于确定出车辆牵引驱动单元128处存在峰值负载情形，控制器112可启用(即，闭合)开关110将来自第二能量源106的功率提供给功率模块108以支持车辆牵引驱动单元128在峰值负载模式下操作。对于N沟道MOSFET实施方式，控制器112可构造成将控制信号或正电压提供给栅极端子 150以在开关110中产生导电沟道，如在本领域中将理解的。在某些实施例中，控制器112可构造成限制升压开关152、154的占空比使得第二输出节点120处的电压并不过分大于第一输出节点118处的电压，以在开关110闭合时防止潜在破坏性的涌浪电流。在示范性实施例中，在不再期望或需要来自第二能量源106的峰值功率时，控制器112可构造成停用(或断开)开关110。这种情形可在例如牵引驱动单元128处于轻或中间负载下时发生。 
根据一个实施例，控制器112构造成确定再生事件是否发生，以及启用(闭合)开关110以将来自功率模块108的功率提供给第二能量源106。例如，牵引驱动单元128可包括再生制动系统或能够将动能变换成电能的另外的系统。该电气系统可用于在开关110启用或闭合时使用功率模块108和/或牵引驱动单元128使第二能量源106再充电。在开关110实现为构造成如图1所示的N-沟道MOSFET时，在第二输出节点120处的电压基于MOSFET装置特性超过第一输出节点118处的电压某个量时，寄生二极管148将自动允许电能流动到第二能量源106。在这一点，第二能量源106可由功率模块108和/或牵引驱动单元128再充电，而在栅极端子150处没有任何输入或者没有任何由于控制器112的作用。然而，在示范性实施例中，开关110被启用(即，闭合)以减少开关110的损耗并且防止对开关110或其他部件的任何潜在损害。 
在各种替代实施例中，一个或多个辅助负载122可耦接在第一输出节点118与参考节点114之间。例如，在燃料电池车辆中，辅助负载122可包括用于将氧提供给燃料电池组的空气压缩机。在其他实施例中，辅助负载122可包括其他类型的压缩机(例如，涡轮压缩机或系统压缩机)、其他功率模块(例如，DC-DC变换器或逆变器)或适于操作在第二能量源106的电压水平下的其他负载。在本领域中将理解，这种构造允许辅助负载122从较高电压并因此以较低电流操作，这对于某些负载可提供效率优势或容许较低的成本实施。虽然在此未详细描述，但是辅助节点的各种组合和构造对于实现期望的性能目标是可能的，如在本领域将理解的。 
上述的系统和/或方法的一个优点是电气系统的效率可通过减少升压变换器和逆变器功率模块的开关损耗得到提高。在轻负载周期 期间，一个升压脚可以操作以将充电功率提供给高电压蓄电池用于峰值功率，同时其他升压脚不起作用。通过使用开关，高电压蓄电池可选择地耦接到逆变器功率模块。取决于情形，高电压蓄电池可将峰值功率提供给车辆牵引驱动单元或吸收来自牵引驱动单元的再生能量。 
虽然在前面的详细描述中已经介绍了至少一个示范性实施例，但是应当理解存在大量的变化。也应当理解在此描述的(一个或多个)示范性实施例并不意在以任何方式限制所要求保护的发明的范围、适用性或构造。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供实施所描述的(一个或多个)实施例的方便的路线图。应当知道，在不偏离由权利要求所限定的范围(其包括在提交本发明申请时公知的等同范围和可预见的等同范围)的情况下，在元件的功能和布置方面可以做出各种变化。 

Claims (19)

1.一种用于使用在车辆中的电气系统，所述电气系统包括： 
参考节点； 
耦接到所述参考节点的升压变换器；所述升压变换器具有输入节点、与第一脚相关联的第一输出节点和与第二脚相关联的第二输出节点； 
直接地耦接在所述输入节点与所述参考节点之间的第一能量源，所述第一能量源具有第一电压； 
耦接在所述第一输出节点与所述参考节点之间的第二能量源，所述第二能量源具有第二电压，其中，所述第二电压大于所述第一电压；以及 
耦接在所述第二输出节点与所述第一输出节点之间的第一开关，其中在所述第一开关闭合时所述第二能量源将能量提供到所述第二输出节点。 
2.如权利要求1所述的电气系统，其特征在于，所述第一能量源是燃料电池。 
3.如权利要求1所述的电气系统，其特征在于，还包括耦接在所述第二输出节点与所述参考节点之间的功率模块。 
4.如权利要求3所述的电气系统，其特征在于，还包括耦接到所述功率模块的牵引驱动单元。 
5.如权利要求3所述的电气系统，其特征在于，所述第二脚具有耦接在所述第二输出节点与所述参考节点之间的第二升压开关，其中所述电气系统还包括耦接到所述升压变换器的控制器，所述控制器构造成： 
如果所述第二输出节点处的期望电压大于所述第一能量源的电压，则以第二占空比启用所述第二升压开关以产生所述期望电压；以及 
如果所期望电压小于所述第一能量源的电压，则不启用所述第二升压开关。 
6.如权利要求5所述的电气系统，其特征在于，所述控制器耦接到所述第一开关，其中，所述控制器构造成启用所述第一开关从而实现所述第二能量源与所述功率模块之间的期望功率流。 
7.如权利要求5所述的电气系统，其特征在于，所述第一脚具有耦接在所述第一输出节点与所述参考节点之间的第一升压开关，其中所述 控制器构造成以第一占空比启用所述第一升压开关从而实现所述第一输出节点处的所述第二电压。 
8.如权利要求1所述的电气系统，其特征在于，还包括耦接在所述第一输出节点与所述参考节点之间的辅助负载。 
9.如权利要求1所述的电气系统，其特征在于，所述第一开关包括金属氧化物-半导体场效应晶体管。 
10.如权利要求1所述的电气系统，其特征在于，所述第二能量源包括电容器。 
11.如权利要求1所述的电气系统，其特征在于，所述第二能量源包括蓄电池。 
12.如权利要求11所述的电气系统，其特征在于，所述蓄电池具有在300伏和400伏之间的标称直流电压。 
13.如权利要求11所述的电气系统，其特征在于，还包括耦接在所述第一输出节点与所述参考节点之间的辅助电容器。 
14.一种汽车驱动系统，包括： 
具有输入节点、与第一升压脚相关联的第一输出节点和与第二升压脚相关联的第二输出节点的升压变换器； 
直接地耦接到所述输入节点的燃料电池； 
耦接到所述第一输出节点的蓄电池； 
耦接到所述第二输出节点的逆变器模块； 
耦接到所述逆变器模块的车辆牵引驱动单元；以及 
耦接在所述第二输出节点与所述第一输出节点之间的第一开关，其中在所述第一开关闭合时，所述蓄电池将能量提供到所述第二输出节点。 
15.如权利要求14的汽车驱动系统，其特征在于，还包括耦接到所述升压变换器的控制器，所述控制器构造成： 
如果在所述第二输出节点处的期望电压大于所述燃料电池的电压，则启用所述第二升压脚；以及 
如果期望电压小于所述燃料电池的电压，则不启用所述第二升压脚。 
16.如权利要求15的汽车驱动系统，其特征在于，所述控制器耦接到所述第一开关，其中，所述控制器构造成启用所述第一开关从而实现 所述蓄电池与所述车辆牵引驱动单元的期望功率流。 
17.如权利要求16的汽车驱动系统，其特征在于，所述控制器构造成启用所述第一升压脚从而实现第一输出节点处的期望电压。 
18.一种用于控制具有与第一升压脚相关联的第一输出节点和与第二升压脚相关联的第二输出节点的升压变换器的方法，其中所述第一输出节点耦接到能量源，所述方法包括： 
启用所述第一升压脚和不启用所述第二升压脚以支持在第一负载模式下操作； 
启用所述第一升压脚和所述第二升压脚两者以支持在第二负载模式下操作；以及 
启用耦接在所述第一输出节点与所述第二输出节点之间的开关以支持在第三负载模式下操作。 
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第二输出节点耦接到车辆牵引驱动单元，其中所述方法包括： 
启用所述第一升压脚和不启用所述第二升压脚以支持所述车辆牵引驱动单元在所述第一负载模式下操作，所述第一负载模式对应于所述车辆牵引驱动单元的相对轻负载； 
启用所述第一升压脚和所述第二升压脚两者以支持所述车辆牵引驱动单元在所述第二负载模式下操作，所述第二负载模式对应于所述车辆牵引驱动单元的相对高负载；以及 
启用耦接在所述第一输出节点与所述第二输出节点之间的所述开关以支持所述车辆牵引驱动单元在所述第三负载模式下操作，所述第三负载模式对应于所述车辆牵引驱动单元的峰值负载。 
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