CN102198801A - Dc-dc功率转换器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及DC-DC功率转换器及控制方法。一种车辆包括高电压（HV）能量存储系统（ESS）、HV电源总线、电连接到HV电源总线的DC-DC功率转换器、HV总线连接器、低电压（LV）电池电源总线和一对LV总线连接器。所述车辆包括电连接到HV和LV总线连接器的车辆模块、电连接到DC-DC功率转换器和所述模块的LV电源总线，以及控制器。所述控制器具有在瞬时LV状态期间控制所述转换器经由LV总线连接器中的一个给所述模块供能的算法。还提供了所述转换器以及控制所述转换器的方法，其中，所述方法包括确定LV状态，在瞬时LV状态期间经由LV总线连接器中的一个给车辆模块供能；以及在其他情况下经由另一LV连接器给所述模块供能。

Description

DC-DC功率转换器及控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于在瞬时低电压状态期间在车辆上提供低电压功率的装置和方法。
背景技术
减少车辆燃料消耗的一种方法是当不需要发动机输出扭矩时，诸如当车辆在停车灯处临时停车或者在堵车怠速时，选择性地关闭发动机。当发动机关闭时，由发动机驱动的发电机传递到车载低电压（LV）负载的功率中断。因此，LV负载通常由12伏电池、另一LV功率源和/或LV电池/标准车辆电源总线来供给。
各种车载控制模块用于确保适当的车辆功能和控制。这些模块可包括：适合于将直流（DC）功率转换到交流（AC）功率和将交流（AC）功率转换到直流（DC）功率的牵引功率逆变器模块或者TPIM，车辆集成控制模块或VICM，其适于将功率供应到一组高电压（HV）电池继电器或接触器，即用于HV接触器控制，发动机控制器，车辆制动模块、车辆转向模块等。每当标准车辆电源总线上的电压水平降到低于最小阈值电压时，这些车辆模块中的一些或全部可自动复位。
发明内容
因此，在此提供一种车辆，包括发动机，高电压（HV）能量存储系统（ESS）、电连接到ESS 的HV电源总线、低电压（LV）电池电源总线和电连接到HV电源总线的DC-DC功率转换器。DC-DC转换器具有HV总线连接器和一对不同的LV总线连接器，即，从LV电池电源总线供给的功率和独立缓冲供能，因此提供冗余LV功率。另外，所述车辆包括一个或多个车辆模块，每一个都电连接到DC-DC转换器的不同LV总线连接器，其中LV电池电源总线电连接到DC-DC功率转换器和（多个）车辆模块。在车辆上，具有功率流控制算法的控制器控制DC-DC功率转换器。具体地，在预定瞬时LV状态期间控制器经由不同的LV总线连接器给车辆模块供能。
还提供一种DC-DC功率转换器，其用于具有HV ESS、HV电源总线、LV电池电源总线和电连接到DC-DC功率转换器的车辆模块的车辆。所述转换器包括如上所述的HV和LV总线连接器，并且在瞬时LV状态期间经由不同的LV供给给（多个）车辆模块供能，以及在预定瞬时LV状态不再存在时经由其他LV连接器给（多个）车辆模块供能。
还提供一种用于控制车辆上的DC-DC功率转换器的方法，该车辆具有HV ESS、HV电源总线、LV电池电源总线和电连接到所述转换器的车辆模块。所述方法包括确定车辆上预定瞬时LV状态的存在；在所述瞬时LV状态期间经由一对LV总线连接器中的一个用LV给车辆模块供能；以及当所述瞬时LV状态不再存在时，经由另一LV总线连接器给车辆模块供能。
结合附图，从下面详细描述的实现本发明的最佳实施方式将容易清楚本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点。
本发明还提供如下方案：
1. 一种车辆，其包括：
高电压（HV）能量存储系统（ESS）；
电连接到所述ESS的HV电源总线；
低电压（LV）电源总线；
DC-DC功率转换器，其电连接到所述LV电源总线并电连接到所述HV电源总线，并且具有HV总线连接器和一对低电压（LV）总线连接器；
车辆模块，其电连接到两组LV总线连接器的每一个；以及
控制器，其具有适合于控制所述DC-DC功率转换器的操作的功率流控制算法；
其中，所述控制器在预定瞬时LV状态期间经由所述一对LV总线连接器中的一个选择性地给车辆模块供能，以确保向所述车辆模块提供LV阈值功率供应，并且当所述预定瞬时LV状态不再存在时，经由LV电源总线供能。
2. 如方案1所述的车辆，其特征在于，其还包括发动机，其中，在所述发动机的发动和起动期间，所述瞬时LV状态是电压降发生。
3. 如方案2所述的车辆，其特征在于，当供给至所述车辆模块的电压水平下降低于大约9.0 VDC时，所述瞬时LV状态出现。
4. 如方案1所述的车辆，其特征在于，所述车辆模块包括牵引功率逆变器模块和车辆集成控制模块之一。
5. 如方案1所述的车辆，其特征在于，所述一对LV总线连接器中的至少一个提供大约12.0 VDC的固定电压水平。
6. 如方案1所述的车辆，其特征在于，所述瞬时LV状态是在车辆发动机发动和起动事件期间出现的电压下降，其中，所述算法适用于控制所述DC-DC转换器，以便当检测到车辆点火时所述HV电源总线向所述DC-DC转换器供能，且其中所述DC-DC转换器向所述车辆模块输出校正的电压。
7. 如方案6所述的车辆，其特征在于，所述算法适用于控制所述DC-DC转换器，以便如果电压水平降低到低于所述DC-DC功率转换器的阈值最小输出电压，则经由所述一对LV总线连接器中的一个提供所述车辆模块所需的几乎所有功率。
8. 一种用于车辆的DC-DC功率转换器，所述车辆具有高电压（HV）能量存储系统（ESS）、HV电源总线、电连接到所述DC-DC功率转换器的车辆模块、和低电压（LV）电源总线，所述DC-DC功率转换器包括：
HV总线连接器；以及
一对LV总线连接器，每一个所述LV总线连接器都提供LV电源；
其中， 所述DC-DC功率转换器适用于经由所述一对LV总线连接器之一给所述车辆模块供能，包括：在所述车辆上预定瞬时LV状态期间经由所述HV电源总线，以确保向所述车辆模块提供阈值LV功率供应，并且当所述预定瞬时LV状态不再存在时，经由所述LV电源总线。
9. 如方案8所述的DC-DC功率转换器，其特征在于，当供给至所述车辆模块的电压水平下降到低于大约9.0 VDC时，所述瞬时LV状态出现。
10. 如方案8所述的DC-DC功率转换器，其特征在于，所述车辆模块被配置为牵引功率逆变器模块和车辆集成控制模块之一。
11. 如方案8所述的DC-DC功率转换器，其特征在于，所述一对LV总线连接器提供大约12.0 VDC的固定电压水平。
12. 如方案8所述的DC-DC功率转换器，其特征在于，所述瞬时LV状态是在车辆发动机发动和起动事件期间出现的电压下降，其中，当检测到车辆点火时所述HV电源总线向所述DC-DC功率转换器供能，并且其中所述DC-DC功率转换器向所述车辆模块输出校正的电压。
13. 如方案12所述的DC-DC功率转换器，其特征在于，如果所述HV电源总线的电压水平降低到低于所述DC-DC功率转换器的阈值最小输出电压，则所述一对LV总线连接器中的一个提供由上述车辆模块所需的几乎所有功率。
14. 一种控制车辆上的DC-DC功率转换器的方法，所述车辆具有高电压（HV）能量存储系统（ESS）、HV电源总线、电连接到所述DC-DC功率转换器的车辆模块、和低电压（LV）电源总线，所述方法包括：
确定车辆上预定瞬时LV状态的存在；
在所述瞬时LV状态期间经由所述DC-DC功率转换器的一对LV总线连接器中的一个给所述车辆模块供能，以确保向所述车辆模块提供阈值LV功率供应；以及
当所述瞬时LV状态不再存在时，经由所述DC-DC功率转换器的所述一对LV总线连接器中的另一个给所述车辆模块供能。
15. 如方案14所述的方法，其特征在于，所述预定瞬时LV状态是所述车辆的发动机发动和起动期间出现的电压下降。
16. 如方案14所述的方法，其特征在于，所述车辆模块包括牵引功率逆变器模块和车辆集成控制模块之一。
17. 如方案14所述的方法，其特征在于，其还包括：
控制所述DC-DC功率转换器，以便如果所述HV电源总线的电压水平降低到低于所述DC-DC功率转换器的阈值最小输出电压，则所述一对LV总线连接器控制成提供所述车辆模块所需的几乎所有功率。
附图说明
图1是具有DC-DC功率转换器以及适用于控制该DC-DC功率转换器的操作的控制器的车辆的示意图；
图2是与图1所示的车辆可一同使用的车辆模块的示意性逻辑电路图；
图3是描述图1所示的车辆的车辆模块的可能低电压水平的表；以及
图4是描述用于控制图1所示的车辆随载的DC-DC功率转换器的算法的流程图。
具体实施方式
参照附图，其中，在若干附图中，相同的附图标记对应于相同或相似的部件，图1示出车辆10。车辆10可被配置为具有次电源的任何车辆，包括但不限于混合动力电动车（HEV）。车辆10包括具有输出部件20的内燃机（E）14。车辆10还包括具有输入部件22和输出部件24的变速器（T）16。发动机14的输出部件20可经由离合器18选择性地连接到变速器16的输入部件22。变速器16可被配置为电动可变变速器或者能够经由输出部件24向轮17传递扭矩的任何其他适当的变速器。
车辆10包括具有功率流控制算法100的顶层控制器（C）12，下面将参照图4详细描述。控制器12适用于控制车辆10上的功率流，并且特别地，适用于经由DC-DC功率转换器28独立于转换器的主要功能协调次LV功率输出或总线连接器，允许专用功率供给被路由到指定车辆控制模块。根据一个可行实施例，在预定瞬时LV状态期间，例如冷发动机发动和起动事件，功率可被路由到这些模块。
车辆10还包括至少一个HV电动马达/发电机单元（MGU），例如，根据车辆设计，大约60伏至大约300伏或更大的多相电机器。在图1所示的实施例中，车辆10被配置为分别具有第一MGU和第二MGU，即MGU 26A和MGU 26B的双模式HEV。每个MGU经由HV交流电（AC）电源总线29A、牵引功率逆变器模块（TPIM）27（即，根据需要将DC功率逆变为AC功率以及将AC功率转换为DC功率的控制模块）和车辆集成控制模块（VICM）31（即，适于向HV电池接触器11供应功率的控制模块）电连接到HV DC电源总线29。车辆10包括HV能量存储系统（ESS）25，例如，可充电电池，其可在MGU作为发电机操作时使用MGU 26A和/或26B来选择性充电，例如，通过在再生制动事件期间捕获能量。
如本领域普通技术人员所理解，发动机的发动和起动在车载电源上施加大量的LV电负载，尽管是瞬时的，因此引起车辆10的辅助电压水平快速下降。在发动和起动事件开始之后，所减小的LV水平可保持长达100毫秒。这种LV水平可引起TPIM 27和/或VICM 31，或者其他车辆模块或HV负载33如上所述地自动复位，并暂时丧失其各自的功能。
再参照图1，DC-DC功率转换器28经由HV电源总线29电连接到HV ESS 25。转换器28还经由LV电池电源总线19（简单起见还被称为LV总线）电连接到辅助电池41，例如，12伏DC电池，从而最终激励一个或多个LV辅助系统45，例如，挡风玻璃刮水器、收音机、座椅加热器等。转换器28包括内部LV总线连接器50A，50B，如本领域所理解，该内部LV总线连接器50A，50B并联连接而不可能返回供给，并且供给LV总线19，即标准总线，以及独立缓冲LV电源99。LV电源99提供经由DC-DC功率转换器28可给指定车辆模块供能的固定电压。
如上所述，根据一个可行实施例，指定车辆模块可包括TPIM 27和/或VICM 31，以及取决于车辆10的设计可以与DC-DC功率转换器28一起使用的其他车辆模块。转换器28可被配置为降压/降低转换器和升压/升高转换器中的一种或两种。转换器28分别经由LV总线连接器50A，50B、LV电源总线19和LV电源99向指定车辆模块提供冗余LV功率。通过去除其他情况将需要的LV升压电路可以充分减小硬件和软件的复杂度以及降压电路相关的功率损失。
控制器12可被配置为单个或分布式控制设备，其经由一个或多个控制通道（箭头51）电连接到发动机14、MGU 26A和26B、ESS 25、DC-DC转换器28、TPIM 27、VICM 31和辅助电池41的每一个或者以其他方式与它们硬线或者无线通信。控制通道51可包括任何需要的传输导体，例如，适合于发送和接收用于车辆10上适当的功率流控制和协调的必要电控制信号的硬线或无线控制（多条）链路或（多条）路径。控制器12可包括按照期望的方式执行车辆10上所有要求的功率流控制功能所需的这些模块和能力。
控制器12可被配置为通用数字计算机，其通常包括微处理器或中央处理单元，只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、高速时钟、模拟-数字（A/D）和数字-模拟（D/A）电路、输入/输出电路和设备（I/O）以及适当的信号调节和缓冲电路。控制器12中驻留的或者由控制器12可访问的任何算法，包括下面参照图4描述的根据本发明的算法100，可存储在ROM内，且可由控制器12执行以提供相应的功能。
参照图2，提供有LV功率的指定车辆模块被表示为TPIM 27或VICM 31。在内部，电压连接是相同的，因此，实际的车辆模块可以改变而不脱离本发明范围。车辆模块经由LV总线连接器50A，50B供能，LV总线连接器50A，50B分别经由LV总线19和冗余LV电源99选择性地向模块供能。经由LV连接器50A和LV总线19呈现第一电压水平（V1），而在LV总线连接器50B和电源99上呈现第二电压水平（V2）。可通过“或”门61或其他适当的逻辑比较性地处理电压（V1, V2）。门61供给（多个）指定车辆模块电源64。门61可被配置成确保以至少阈值电压水平将来自LV总线连接器50A，50B之一的电源供给（多个）指定车辆模块电源64。
参照图3，电压表70分别示出如图2所示的LV电源总线19和电源99上的V1和V2的可能值。例如，如果V1是4.5 VDC，V2是13.0 VDC，阈值是9.0 VDC，则（多个）指定车辆模块电源64可以通过V2和LV电源99来供给，即在一个实施例中，固定的13.0 VDC电源，在另一实施例中，高达大约16.0 VDC。如果LV电源总线19上的V1是13.8 VDC，电源99上的V2是任何其他值，则（多个）指定车辆模块电源64可以通过V1来供给，即通过连接到LV电源总线19的LV总线连接器50A，从而减小DC-DC转换损失。
参照图4并结合图1所示的车辆10，算法100从步骤102开始，在此处检测预定瞬时LV状态。例如，如果发动起14被发动且起动，则算法100进行到步骤104，否则，在循环中重复，直到检测到瞬时LV状态。
在步骤104，算法100确定到（多个）指定车辆模块的LV水平是否足够高。如果是，则算法100进行到步骤108。如果不是，则算法100进行到步骤106。
在步骤106，通过经由总线连接器50A的LV电源总线19指定LV功率。然后，算法100进行到步骤110。
在步骤108， DC-DC功率转换器28的LV总线连接器50B经由LV电源99给指定车辆模块供能，例如，在一个实施例中为TPIM 27或VICM 31。然后，算法100进行到步骤110。
在步骤110，连续监控LV电压和其他LV负载，并且算法周期性地重复步骤104以确定是否存在改变。
使用算法100，DC-DC功率转换器28可以使用LV电源总线19和电源99向任何指定模块输出大约9.0 VDC至大约16.0 VDC范围内的电压，额定输出为大约13.8 VDC。如果HV电源总线29上的HV水平降到低于阈值，则LV总线连接器50A允许LV电源总线19提供仅维持LV电源总线上的指定车辆模块所需的几乎所有功率，所述阈值可通过DC-DC功率转换器28的操作范围的下限来确定。LV总线连接器50A，50B可适用于使用正向偏置/反向偏置二极管特性，以按照需要打开或关闭转换器28，从而选择性地供给指定车辆模块，或者以将所述模块连接到LV电源总线19。
在算法100的执行中，指定车辆模块可以监控LV总线连接器50A，50B的阳极侧上的LV电源总线19上的电压，即，标准车辆总线电压，因此验证和提供DC-DC功率转换器28仍然给这些模块提供电压输出并且标准LV总线电压仍然可用的反馈。DC-DC转换器28因此向指定车辆模块提供独立供给，使得：如果DC-DC转换器28不能向LV电源总线19供能且发生瞬时事件，则LV总线99上的LV水平不下降。
尽管已经详细描述了实现本发明的最佳实施方式，但是本领域的技术人员将认识到，实现本发明的各种替换设计和实施例落入所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1. 一种车辆，其包括：
高电压（HV）能量存储系统（ESS）；
电连接到所述ESS的HV电源总线；
低电压（LV）电源总线；
DC-DC功率转换器，其电连接到所述LV电源总线并电连接到所述HV电源总线，并且具有HV总线连接器和一对低电压（LV）总线连接器；
车辆模块，其电连接到两组LV总线连接器的每一个；以及
控制器，其具有适合于控制所述DC-DC功率转换器的操作的功率流控制算法；
其中，所述控制器在预定瞬时LV状态期间经由所述一对LV总线连接器中的一个选择性地给车辆模块供能，以确保向所述车辆模块提供LV阈值功率供应，并且当所述预定瞬时LV状态不再存在时，经由LV电源总线供能。
2. 如权利要求1所述的车辆，其特征在于，其还包括发动机，其中，在所述发动机的发动和起动期间，所述瞬时LV状态是电压降发生。
3. 如权利要求2所述的车辆，其特征在于，当供给至所述车辆模块的电压水平下降低于大约9.0 VDC时，所述瞬时LV状态出现。
4. 如权利要求1所述的车辆，其特征在于，所述车辆模块包括牵引功率逆变器模块和车辆集成控制模块之一。
5. 如权利要求1所述的车辆，其特征在于，所述一对LV总线连接器中的至少一个提供大约12.0 VDC的固定电压水平。
6. 如权利要求1所述的车辆，其特征在于，所述瞬时LV状态是在车辆发动机发动和起动事件期间出现的电压下降，其中，所述算法适用于控制所述DC-DC转换器，以便当检测到车辆点火时所述HV电源总线向所述DC-DC转换器供能，且其中所述DC-DC转换器向所述车辆模块输出校正的电压。
7. 如权利要求6所述的车辆，其特征在于，所述算法适用于控制所述DC-DC转换器，以便如果电压水平降低到低于所述DC-DC功率转换器的阈值最小输出电压，则经由所述一对LV总线连接器中的一个提供所述车辆模块所需的几乎所有功率。
8. 一种用于车辆的DC-DC功率转换器，所述车辆具有高电压（HV）能量存储系统（ESS）、HV电源总线、电连接到所述DC-DC功率转换器的车辆模块、和低电压（LV）电源总线，所述DC-DC功率转换器包括：
HV总线连接器；以及
一对LV总线连接器，每一个所述LV总线连接器都提供LV电源；
其中， 所述DC-DC功率转换器适用于经由所述一对LV总线连接器之一给所述车辆模块供能，包括：在所述车辆上预定瞬时LV状态期间经由所述HV电源总线，以确保向所述车辆模块提供阈值LV功率供应，并且当所述预定瞬时LV状态不再存在时，经由所述LV电源总线。
9. 如权利要求8所述的DC-DC功率转换器，其特征在于，当供给至所述车辆模块的电压水平下降到低于大约9.0 VDC时，所述瞬时LV状态出现。
10. 一种控制车辆上的DC-DC功率转换器的方法，所述车辆具有高电压（HV）能量存储系统（ESS）、HV电源总线、电连接到所述DC-DC功率转换器的车辆模块、和低电压（LV）电源总线，所述方法包括：
确定车辆上预定瞬时LV状态的存在；
在所述瞬时LV状态期间经由所述DC-DC功率转换器的一对LV总线连接器中的一个给所述车辆模块供能，以确保向所述车辆模块提供阈值LV功率供应；以及
当所述瞬时LV状态不再存在时，经由所述DC-DC功率转换器的所述一对LV总线连接器中的另一个给所述车辆模块供能。
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