CN102343877A - 低压总线稳定性 - Google Patents

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Abstract

为低压总线提供电压稳定性的系统和方法，所述低压总线将DC/DC转换器与包含一或多个车辆配件的低压负载相偶联。DC/DC转换器可偶联至高压电池、低压负载以及配置为起动发动机的起动器电路。在接合起动电动机来起动发动机之前，可将DC/DC转换器与起动器电路隔离，由此屏蔽发动机起动事件过程中任何大的电流需求。起动发动机时，起动电动机能从次要电池提取电流，而DC/DC转换器为车辆低压配件提供充足而稳定的电压。发动机起动事件完成之后，DC/DC转换器可重新偶联至起动器电路，允许高压电池为次要电池充电。

Description

低压总线稳定性
技术领域
本发明总体上涉及混合动力电动车辆中使用的电力转换电路，具体涉及使用高压电池为低压车辆负载和起动电动机电路提供电压的电路。
背景技术
混合动力电动车辆使用相比传统内燃机(ICE)驱动系统具有更低能耗和释放更少污染物的电驱动系统。已开发出多种混合动力电动车辆的结构。在第一种结构中，操作者能在电动操作和ICE操作之间选择。在串联式混合动力电动车辆(SHEV)结构中，发动机，典型地为ICE，被连接至称为发电机的电动机。发电机进而为电池和另一个称为牵引电动机的电动机提供电流。在SHEV中，牵引电动机是车轮转矩的唯一来源。在发动机和驱动轮之间没有机械连接。在另一种结构中，即并联式混合动力电动车辆(PHEV)中，发动机与电动机协作提供车轮转矩来驱动车辆。此外，在PHEV结构中，电动机能用作发电机，用ICE产生的电力为电池充电。另一种结构，即并联式/串联式混合动力电动车辆(PSHEV)，具有SHEV和PHEV两者的特征。
HEV中的电推进可以通过可包括多个元件、典型地至少包括电力转换电路和电动机的电驱动系统执行。这种装置中，电力转换电路能可控地从电源向电动机传递电力以驱动负载。典型的电力转换电路可包含电源，例如高压电池，和能向电动机器提供三相电流的倒相电路。如上述，有时混合动力车辆能以电驱动模式操作，仅由电动机推进，其他时候，ICE能协作驱动车辆。过去，当内燃机要协助驱动车辆时，在混合动力车辆中使用行星齿轮装置来启用内燃机。然而，在某些混合动力设计中，行星齿轮装置能引起令人讨厌的表现为车辆震动的转矩扰动。
能使用起动电动机作为混合动力车辆中行星齿轮装置的替代。例如，集成式起动发电机(ISG)可用来既驱动车辆又起动ICE。然而，在多种情况下，起动发动机所必需的ISG电流提取对于驱动系统DC-DC转换器来说太高了，引起电压输出方面的暂降。在另一种结构中，可用单独的低压起动电动机而非ISG来起动ICE。在这种结构中，能通过低压总线将DC-DC转换器与起动电动机偶联。低压总线还可以将车辆的低压电池以及低压负载，例如照明器、外部灯、收音机和其他车辆配件与DC-DC转换器连接。由此，在转换电路中用来向电动机提供动力的高压电池能通过DC-DC转换器用来为低压车辆配件和用于ICE的低压起动电动机提供动力。
遗憾的是，这种结构同样具有缺点。传统的起动电动机能提取相对大的电流，引起显著的电压降，在其他地方沿着电压总线可能降至6-8V。总体上，当驾驶员起动传统的ICE车辆，很少配件，如果有的话，被打开。通电的那些配件可能经历短暂的闪烁或衰减，其随着发动机的开动结束，在驾驶过程中不再发生。因为它们仅在车辆操作开始时暂时发生，大的起动电动机电流提取的影响对于ICE车辆不是显著的问题。然而，在混合动力车辆中，在单个驾驶事件过程中，会频繁地打开和关闭发动机。低压总线上电压不足引起的反复的灯闪烁或收音机音量衰减对于HEV驾驶员来说成为烦恼的令人讨厌的烦扰。
过去，已提出多种方案以解决大的起动电动机要求引起的电压降问题。例如，授予Sarbacker等的公开号为20090107443A1的美国专利公开了用于在车辆空转时关闭发动机的控制器，用于起动发动机的电动机/发电机，用于将源于电池的DC辅助电压转换为AC电压来给电动机/发电机提供动力的逆变器，以及用于将DC电压与DC辅助电压隔离、以防止发动机起动过程中车辆系统中的电压暂降的装置。所设装置包括变压器、整流器/调节器和绝缘体。从单个能量储存装置中，例如低压电池，能够将DC电压与DC辅助电压隔离，并且提供给辅助系统，该辅助系统包含对起动发动机时电压暂降敏感的元件。方法包括检测接受指令的发动机起动，将测定的辅助电压与阈值相比较，当测定的辅助电压小于阈值时将预先确定的DC电压与DC辅助电压隔离，并且应用隔离的DC电压给辅助车辆系统提供动力。能量储存装置可由电动机/发电机充电。Sarbacker的方案依靠为起动电动机和辅助系统两个都提供足够电压的单电池。Sarbacker教导增加变压器、调节器和绝缘体，并且依赖电压的比较和对接受电压暂降的车辆配件和那些不接受电压暂降的车辆配件的区分。
授予Cohen等的公开号为20090243387的美国专利文献公开了具有主要负载和次要负载的双电池电气系统，其可以在发动机运转的“打开(ON)”状态、发动机不运转的“关闭(OFF)”状态、主要负载需要电力以起动发动机的“起动(START)”状态和发动机不运转的“暂停(PAUSE)”状态之间切换。第一电池为需要电力来起动发动机的主要负载提供电力，第二电池为不需要电力来起动发动机的次要负载提供电力。电池开关是可闭合的，以将第一电池连接至第二电池，由此两个电池都能为两个负载提供电力。所述开关取决于车辆状况和操作状态而打开或闭合。Cohen教导断开两个电池，以使主要电池具有足够的电荷来起动发动机。此外，在连接或断开两个电池之前可检查主要电池的状态。由于Cohen的发明目的在于使主要电池中具有足够的电力来起动发动机，没有强调次要负载的电压暂降问题。
发明内容
在一示例性实施例中，本发明提供了用起动电动机起动混合动力车辆ICE同时保持低压总线中稳定性的系统和方法，该总线将DC-DC转换器偶联至低压负载。示例性系统可包括配置成用于偶联至高压电池的DC-DC转换器，该转换器配置成为第一低压总线提供输出，该第一低压总线配置为将所述转换器偶联至低压负载；通过第二低压总线偶联至起动电动机的次要电池，所述起动电动机配置为起动发动机；以及配置为将所述第一和第二低压总线断开的绝缘装置。作为例子，低压负载可包含车辆照明器、外部灯、收音机和/或其他配件。当被连接时，第一和第二低压总线都从可偶联至高压电池的DC-DC转换器接收电压输出。绝缘装置可配置为在发动机起动事件过程中将第一和第二电压总线断开，将DC-DC转换器与起动电动机隔离。在发动机起动事件过程中，起动电动机能通过第二低压总线从次要电池中提取电流。因为起动电动机从第一低压总线中分离，DC-DC转换器提供给低压负载的电压不受起动器电流提取的影响，并且保持稳定。相应地，构成低压负载的车辆配件的操作能不受干扰地持续。
绝缘装置进一步配置为在发动机起动事件完成之后重新偶联第一和第二电压总线。当两总线连接时，高压电池能通过DC-DC转换器为次要电池充电。在一示例性实施例中，绝缘装置可以是可变电池充电装置的形式，其在起动事件过程中能阻止流向第二电压总线的电流，并且在起动事件完成之后以可变速率恢复流向第二电压总线的电流，以避免重新连接之后流向次要电池的大的涌入电流引起的问题。在另外的例子中，偶联装置可以是可控继电器开关的形式。
本发明的示例性方法可包括接收发动机起动要求，并作为响应，将DC/DC转换器与起动器电路隔离；接合起动电动机，确定发动机被起动，分离起动电动机，并且将DC/DC转换器重新偶联至起动器电路。在一示例性实施例中，DC-DC转换器配置为偶联至高压电池，并配置为通过第一低压总线偶联至低压负载。起动器电路可包含通过第二低压总线偶联至次要电池的起动电动机。在一示例性实施例中，从起动器电路中断开DC/DC转换器包含启用将第二低压总线和第一低压总线断开的绝缘装置。该操作在起动电动机提取起动发动机所必需的电流之前，从起动电动机中隔离DC-DC转换器。在起动事件过程中，因为起动电动机通过第二低压总线保持偶联至起动器，起动电动机能够由次要电池供能。同样，将DC/DC转换器重新偶联至起动器电路可包含停用绝缘装置以重新连接第一和第二低压总线。当第一和第二低压总线偶联时，高压电池可以通过DC-DC转换器为次要电池充电。
附图说明
图1表示示例性系统。
图2表示示例性系统。
图3表示示例性系统。
图4表示示例性方法的流程图。
图5表示本发明的示例性系统。
具体实施方式
在此介绍本发明的示例性实施例；然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明可以以多种替代形式实现。为了便于理解本发明，并且为权利要求提供基础，说明书包括若干附图。附图未按照比例绘制，并且可能省略了相关元件由此强调本发明的新颖特征。附图中描绘的结构和功能细节是为了教导本领域技术人员实施本发明而提供，不应解释为限制。例如，针对多种系统的控制模块能不同地设置和/或结合，并且为了更好地强调本发明的新颖方面，在此可能不在示例性实施例的图中描绘。此外，系统组件可以如本领域所公知的那样不同地设置。
图1表示示例性车辆100的示意图。车辆100可以是任何适合的类型，例如电动、混合电动(HEV)或插电式混合动力电动车辆(PHEV)。在至少一个实施例中，车辆100可包括第一车轮组102、第二车轮组104、发动机106、HEV驱动桥108和电驱动系统(EDS)110。电驱动系统110可配置为，例如通过动力传送单元120和差动装置130，为第一和/或第二车轮组102、104提供转矩。电驱动系统110可具有任何适合的结构，可以是本领域技术人员公知的并联驱动、串联驱动或分离混合驱动。作为例子，电驱动系统110可包括偶联至永磁同步电机(PMSM)114的电力电子转换器(PEC)112。可预期的是，PMSM114能作为电动机起作用，将电能转化为动能，或者作为发电机起作用，将动能转化为电能。在一示例性实施例中，PEC 112能连接至作为电动机起作用的第一PSMS，以及作为发电机起作用的第二PMSM。
可将EDS110偶联至发动机106和HEV驱动桥108，与它们协作驱动车辆。此外，可将EDS110偶联至低压系统140。更具体地，PEC112可配置为通过低压总线150偶联至低压系统140。为了防止现有技术中低压总线不稳定的问题，包括有稳定器152以防止低压总线150上的陡降，该稳定器152配置为稳定用于低压系统140的PEC110的输出电压。可将配置为监控和/或控制各种车辆子系统，例如传动系统、充电系统、发动机控制系统，以及与其他车载模块连通的动力传动控制模块(PCM)160偶联至EDS110以及其他车辆子系统。例如，PCM 160可以是与各种车辆模块和控制器相连通的车载计算机或微处理器形式。
动力传送单元120可以是任何合适的类型，例如但不限于本领域技术人员公知的多级齿轮“有级(step ratio)”变速器、无级变速器或电子无转换器变速器。动力传送单元120可适应于驱动一或多个车轮，并且能可选择地偶联到至少一个PMSM 114。在图1所示实施例中，动力传送单元120以任何合适的方式，例如使用驱动轴或其他机械装置连接至差动装置130。差动装置130可通过轴134，例如轮轴或半轴，连接至车轮组104的每个车轮。
图2表示示例性系统200。作为电驱动系统的一部分，PEC 212能配置成为实施为ISG 219的电动机提供动力。ISG 219能与发动机208一起驱动车轮组204。ISG 219能通过断开离合器221可选择地偶联至发动机208，该断开离合器使得ISG 219与发动机208偶联或隔离。类似地，起动离合器222能将ISG 219与变速箱224隔离或偶联，以驱动车轮组204。除了为ISG 219提供动力，PEC 212还可通过具有稳定器252的低压总线250为低压系统240提供动力。稳定器252可配置为防止源自PEC 212的电压输出降得太低而不能为低压系统240充分地提供电力。
示例性PEC 212可包括逆变器214、DC-DC转换器216和高压电池218。DC-DC转换器216可配置为将源自高压电池218的输入电压转化为逆变器214使用的输出电压，为ISG 219提供三相电流，如本领域所公知的。DC-DC转换器216可以是可变电压转换器的形式，如本领域所公知的，其能在升压或降压模式下操作，通过再生制动为逆变器提供电力或为也称为主要电池的高压电池218提供电荷。高压电池218可以是多节镍金属氢化物电池或锂离子电池的形式。例如，高压电池可包含100-200个串联电池，能组合提供约330V的电压。
PEC 212可通过低压总线250和稳定器252偶联至低压系统240。低压系统240可包括低压负载242。在一示例性实施例中，低压负载包含多种低压车辆配件，例如内部照明器、外部灯、收音机、雨刷、通风风扇等等。低压系统240可进一步包括也称为次要电池的低压电池244，其可实施为额定12伏特的车辆电池。低压系统240还可包括起动电动机246，其偶联至低压电池244并配置为起动发动机208。在一示例性实施例中，高压电池218能通过DC/DC转换器216和低压总线250为低压系统240提供电压。稳定器252配置为稳定低压总线250电压，以便保持用于低压负载242的足够电压，由此能满足各种车辆配件的电压需求。
图3提供了示例性系统300，其具有提供源自电力转换系统的输出电压的稳定的低压总线。DC/DC转换器302配置成用于偶联至高压电池304。源自DC/DC转换器302的输出电压可提供给第一低压总线308，该低压总线将DC/DC转换器偶联至低压车辆负载306，在一示例性实施例中，该车辆负载包含例如在此先前论述过的低压车辆配件。可将第一低压总线308偶联至第二低压总线312，该第二低压总线将此处显示为低压电池314的次要电池与起动电动机316偶联。第一和第二低压总线308、312可以在实施为隔离装置310的稳定器处偶联在一起，该隔离装置能可控地将它们偶联或断开。当偶联在一起时，高压电池304能通过DC/DC转换器302和低压总线308和312为低压电池314充电。同时，高压电池304能通过DC/DC转换器302和低压总线308为车辆负载306提供电力。
在发动机起动事件过程中，隔离装置310能分离第一和第二低压总线308、312，从起动电动机316中分离DC/DC转换器302，并从起动器316电流需求中屏蔽转换器302。次要电池，即低压电池314，能通过低压总线312保持偶联至起动电动机316，提供起动发动机所必需的电流。DC/DC转换器302能通过第一电压总线308保持偶联至车辆负载306，以在起动电动机316起动发动机的同时时，提供各种车辆配件需要的电压。因此，在发动机起动事件过程中，灯、照明器、娱乐设备等等能持续不间断地操作。
在一示例性实施例中，隔离装置310可以是可变电池充电装置的形式，其配置成为低压电池314提供可变电流。在发动机起动事件过程中，可变电池充电装置能将电流限制在低水平，或完全阻止流向电压总线312的电流，以有效地保护DC/DC转换器302免遭起动电动机316的高电流要求的损害。发动机起动事件完成及分离起动电动机316之后，可变充电装置能重新连接第一和第二电压总线308、312，逐渐增大流向第二电压总线312的电流，以保护低压电池314免遭大的涌入电流及其潜在负面影响的损害。
作为进一步的示例性实施例，隔离装置310可以是可控继电器的形式。例如，用一或多个电阻器分段的一系列继电器能由微处理器控制，用以可选地允许或阻止电流从第一电压总线308流向第二电压总线312。在一示例性实施例中，PCM 160或DC/DC转换器302微处理器(未示出)能控制继电器电路，使得在发动机起动事件过程中该电路打开(无电流)。
图4表示本发明的示例性方法400的流程图。在一示例性实施例中，用于实施方法400的逻辑可存储于PCM 160的存储器(未示出)中。在一示例性实施例中，PCM 160负责对于离合器221、222、起动电动机246、稳定器252以及其他车辆组件、子系统和控制器的指令。在方框402，响应发动机起动要求，可从起动器电路隔离DC/DC转换器。在一示例性实施例中，PCM 160能接收起动发动机要求；例如，可响应例如能在加速事件过程中发生的增加的能量需求而产生起动要求。响应于接收发动机起动要求，PCM 160能启用绝缘装置310，以从起动器电路中分离DC/DC转换器302和电压负载306之间的第一电压总线308，该起动器电路包含由低压总线312偶联的低压电池314和起动电动机316。例如，PCM 160能启用实施为可变电池充电装置的绝缘装置310，以限制或切断第一和第二低压总线308、312之间的电流，有效地将DC/DC转换器302与起动电动机316和低压电池314分离。在绝缘装置310实施为可控继电器的实施例中，PCM 160或其他例如微处理器的控制器装置可以打开继电器，以阻止电流从DC/DC转换器302流向第二电压总线312。
在方框404，可以接合起动器。例如，在已将包含起动电动机316和低压电池314的起动器电路与DC/DC转换器302隔离之后，PCM 160可以接合起动电动机316。在试图起动发动机108的同时，起动电动机316可以从低压电池314提取电流。因为在发动机起动事件过程中，绝缘装置310阻止电流从DC/DC转换器302流向起动电动机316，所以DC/DC转换器302的电压输出不受起动电动机316电流提取的影响。通过DC/DC转换器302，高压电池304能够充分满足车辆负载306的电压要求。因此，任何运行的车辆配件的性能能够持续，而不被起动电动机316的电流提取不利地影响。
在判断方框406，可以确定发动机是否已经起动。例如，发动机108上的传感器(未示出)能检测发动机起动，为PCM 160提供发动机起动的确认。可选地电流监测器，检测到起动器电流接近零能表明发动机已经起动。成功起动发动机之后，可以在方框408分离起动电动机316。例如，PCM 160能够指示起动电动机316分离。已经分离起动电动机316之后，可以在方框410将DC/DC转换器302重新偶联至起动器电路。例如，可以停用绝缘装置310以重新偶联第一和第二低压总线308、312，允许电流从DC/DC转换器302流向起动器电路。当实施为可变充电装置时，绝缘装置310能根据重新连接提供相对小的电流，由此避免大的涌入电流流向低压电池314。将DC/DC转换器重新偶联至起动器电路使得高压电池304为低压电池314充电。通过可变电池充电装置的电流能够随后随着时间推移而增大。当实施为可控继电器时，该继电器或继电器系列能够被PCM 160关闭，以允许电流从DC/DC转换器302流向第二电压总线312来为低压电池314重新充电。
在优选实施例中，本发明的方法包括，在起动器分离之后，将DC/DC转换器302重新偶联至起动器电路之前，等待一段预先确定的延迟时间。该延迟时间给予低压电池314额外的时间，以在重新充电之前，从起动电动机316引起的电荷损耗中恢复，进一步减轻任何潜在的涌入电流效应。为了易于标记，绝缘装置310表示在DC/DC转换器302框之外。然而，可理解的是，稳定器，更具体地是绝缘装置310，能不同地布置。例如，稳定器可以处在DC/DC转换器之内连接第一和第二电压总线。
在另一示例性实施方式500中，可以使用单独的电流限制电路在发动机起动事件完成之后为次要电池充电。例如，第一和第二电压总线308、312各自能够如图5所示配置：由绝缘装置510形式的稳定器偶联。绝缘装置510可以是如上述的可控继电器的形式，其能够可控地将第一和第二电压总线308、312断开。源自DC/DC转换器502的第二输出可以包含电流限制电路，该电路能将DC/DC转换器502与低压电池314连接。例如，可以使用电流限制装置515，以使电流限制电路能为次要电池314提供约20A的最大电流。起动事件完成之后，重新偶联总线308、312之前，能通过电流限制器电路515由DC/DC转换器502为电池314充电，该电流限制器电路保护次要电池314不受大的涌入电流的损害。分离起动电动机316之后，经过预先确定的时间段之后，或者次要电池314重新获得其电荷之后，可以停用绝缘装置510以偶联第一和第二低压总线308、312，由此通过不限电流的电路将低压电池314偶联至DC/DC转换器502。
因此，本发明提供了使用混合动力车辆的电力转换系统与车辆的低压电池一起为起动电动机和各种车辆配件同时提供足够电流和电压而不负面影响配件性能的系统和方法。通过在发动机起动事件过程中将起动电动机与DC/DC转换器隔离，偶联至高压电池的DC/DC转换器能充分满足低压车辆负载的要求，同时车辆的低压电池能满足起动电动机的电流要求。将DC/DC转换器重新偶联至起动电路，该起动电路将起动电动机与低压电池连接，使得高压电池为低压充电，使得其具有足以用于下次起动事件的电荷。本发明提供了以高效经济的方式应对混合动力车辆中电压暂降的系统和方法，该方式使用车辆的主要和次要电池，不需要增加专门的能量转换系统或变压器或增大DC/DC转换器输出能力。

Claims (11)

1.一种系统，其特征在于，包含：
配置为偶联至高压电池的DC-DC转换器，所述转换器配置为向第一低压总线提供输出，所述第一低压总线配置为将所述转换器偶联至低压负载；
起动器电路，包含通过第二低压总线偶联至起动电动机的次要电池，所述起动电动机配置为起动发动机；以及
偶联至所述第一和第二电压总线的稳定器，其配置为稳定所述转换器对所述第一电压总线的输出。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述稳定器包含绝缘装置，该绝缘装置配置为将所述DC-DC转换器与所述起动器电路隔离。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述绝缘装置包含可变电池充电装置，该可变电池充电装置配置为改变流向所述第二电压总线的电流。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述可变电池充电装置配置为向所述第二电压总线提供低电流，以避免大的涌入电流流向所述次要电池。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述绝缘装置包含可控继电器。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述稳定器配置为将所述第一和第二低压总线断开。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述稳定器可控，以在接合所述起动电动机以起动所述发动机之前将所述第一和第二低压总线断开。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述稳定器配置为在分离所述起动电动机之后重新偶联所述第一和第二电压总线。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低压负载包含至少一个车辆配件。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述次要电池包含低压电池。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高压电池配置为通过所述DC/DC转换器和所述第二电压总线为所述起动电动机充电。
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