CN102468677B

CN102468677B - 基于控制策略向负载提供功率的系统和方法

Info

Publication number: CN102468677B
Application number: CN201110367774.4A
Authority: CN
Inventors: M.佩里西克; L.A.卡霍克; R.M.兰索姆
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2031-11-18
Also published as: US20120126755A1; US8614564B2; CN102468677A; DE102011083203A8; DE102011083203A1

Abstract

本发明涉及基于控制策略向负载提供功率的系统和方法，提供了用于电气系统的系统和方法。所述电气系统包括负载、构造成从电压源接收电压的接口、以及控制器，所述控制器构造成通过所述接口从所述电压源接收电压并向所述负载提供电压和电流。其中，当所述控制器处于恒定电压模式时，所述控制器向所述负载提供恒定的电压，当所述控制器处于恒定电流模式时，所述控制器向所述负载提供恒定的电流，以及当所述控制器处于恒定功率模式时，所述控制器向所述负载提供恒定的功率。

Description

基于控制策略向负载提供功率的系统和方法

本发明是根据美国能源部颁发的协议No.DE-FC26-07NT43123在政府支持下进行的。政府在该发明中具有确定的权益。

技术领域

本文所述主题的实施例总地涉及汽车中的电气系统，更特别地，所述主题的实施例涉及能量输送系统的控制策略。

背景技术

插电式混合电动车或纯电动车近年来变得越来越流行。这些车辆通常具有较大的蓄电池系统，该系统需要花费多个小时来充电同时消耗大量的功率。当前的充电系统具有固定的充电策略，需要车辆插入民用或商用电网。

因此，期望具有一种用于给负载提供电力的灵活的电气系统和方法。结合附图和该背景，从后面的详细说明和所附权利要求可清楚其它期望特征和特性。

发明内容

根据一个实施例，提供了一种充电系统。所述充电系统包括可再充电电池、构造成从电压源接收电压的接口、以及控制器，所述控制器构造成通过所述接口从所述电压源接收电压并使用接收的电压给所述可再充电电池充电。其中，当所述控制器处于恒定电压模式时，所述控制器向所述可再充电电池提供恒定的电压，当所述控制器处于恒定电流模式时，所述控制器向所述可再充电电池提供恒定的电流，以及当所述控制器处于恒定功率模式时，所述控制器向所述可再充电电池提供恒定的功率。

根据另一实施例，提供了一种电气系统。所述电气系统包括负载、构造成从电压源接收电压的接口、以及控制器，所述控制器构造成通过所述接口从电压源接收电压并向所述负载提供电压和电流。其中，当所述控制器处于恒定电压模式时，所述控制器向所述负载提供恒定的电压，当所述控制器处于恒定电流模式时，所述控制器向所述负载提供恒定的电流，以及当所述控制器处于恒定功率模式时，所述控制器向所述负载提供恒定的功率。

在另一实施例中，提供了通过控制器从功率源向负载提供电压和电流的方法。所述方法包括：当所述控制器处于恒定电流模式时，向所述负载提供恒流充电；当所述控制器处于恒定电压模式时，向所述负载提供恒定电压；以及当所述控制器处于恒定功率模式时，向所述负载提供恒定的功率。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1：一种充电系统，包括：

可再充电电池；

构造成联接至电压的接口；以及

控制器，其构造成通过所述接口接收所述电压并使用接收的电压给所述可再充电电池充电，

其中，当所述控制器处于恒定电压模式时，所述控制器向所述可再充电电池提供恒定的电压，

当所述控制器处于恒定电流模式时，所述控制器向所述可再充电电池提供恒定的电流，以及

当所述控制器处于恒定功率模式时，所述控制器向所述可再充电电池提供恒定的功率。

技术方案2：如技术方案1的充电系统，其中所述控制器基于所述可再充电电池的状态确定其是处于所述恒定电压模式、恒定电流模式还是恒定功率模式。

技术方案3：如技术方案1的充电系统，其中当处于所述恒定功率模式时，所述控制器限制可从所述电压源汲取的功率大小。

技术方案4：如技术方案3的充电系统，其中所述控制器还构造成允许用户选择从所述电压源汲取的功率的大小。

技术方案5：如技术方案3的充电系统，其中从所述电压源汲取的功率大小基于所述电压源的功率容量。

技术方案6：如技术方案1的充电系统，其中所述控制器还包括矩阵转换模块，该矩阵转换模块包括控制从所述电压源到所述可再充电电池的电流流动的多个门，其中所述控制器基于所述控制器所处的模式可选择地操作所述门。

技术方案7：如技术方案6的充电系统，其中所述控制器还构造成根据所述控制器所处的模式产生基准电流，并使用该基准电流产生控制所述多个门的停止时间占空比。

技术方案8：一种电气系统，包括：

负载；

构造成接收电压的接口；以及

控制器，其构造成通过所述接口接收所述电压，并向所述负载提供电压和电流，

其中，当所述控制器处于恒定电压模式时，所述控制器向所述负载提供恒定的电压，

当所述控制器处于恒定电流模式时，所述控制器向所述负载提供恒定的电流，以及

当所述控制器处于恒定功率模式时，所述控制器向所述负载提供恒定的功率。

技术方案9：如技术方案8的电气系统，其中所述控制器基于所述负载的状态确定所述控制器是处于所述恒定电压模式、恒定电流模式还是恒定功率模式。

技术方案10：如技术方案8的电气系统，其中当处于所述恒定功率模式时，所述控制器限制可从所述电压源汲取的功率大小。

技术方案11：如技术方案10的电气系统，其中所述控制器还构造成允许用户选择从所述电压源汲取的功率的大小。

技术方案12：如技术方案10的电气系统，其中从所述电压源汲取的功率大小基于所述电压源的功率容量。

技术方案13：如技术方案8的电气系统，其中所述控制器还包括矩阵转换模块，该矩阵转换模块包括控制从所述电压源到所述负载的电流流动的多个门，其中所述控制器基于所述控制器所处的模式可选择地操作所述门。

技术方案14：如技术方案13的电气系统，其中所述控制器还构造成根据所述控制器所处的模式产生基准电流，并使用该基准电流产生停止时间占空比以控制所述多个门。

技术方案15：一种从联接至负载的控制器向所述负载提供电压和电流的方法，包括：

当所述控制器处于恒定电流模式时，向所述负载提供恒定的电流，

当所述控制器处于恒定电压模式时，向所述负载提供恒定的电压，以及

当所述控制器处于恒定功率模式时，向所述负载提供恒定的功率。

技术方案16：如技术方案15的方法，还包括基于所述负载的状态改变所述控制器的模式。

技术方案17：如技术方案15的方法，还包括基于功率源的状态改变所述控制器的模式。

技术方案18：如技术方案15的方法，还包括基于用户输入改变所述控制器的模式。

技术方案19：如技术方案15的方法，还包括当所述控制器处于恒定功率模式时，通过所述控制器限制从功率源汲取并提供给所述负载的功率的大小。

技术方案20：如技术方案15的方法，还包括由用户选择从功率源汲取并提供给所述负载的功率的大小。

本发明内容用来以简要的形式介绍的选择的概念，将在下面的详细说明中进一步描述。本发明内容不意欲确定所要求保护主题的关键特征或本质特征，也不意欲用于确定所要求保护主题的范围的目的。

附图说明

结合附图，通过参考详细说明和权利要求可更加全面地理解所述主题，其中所有附图中，相同的附图标记指的是相似的元件。

图1为根据一个实施例的电气系统的框图；

图2为根据一个实施例的适于用在车辆中的另一电气系统的示意图；

图3为适于与图2中根据一个实施例的电气系统一起使用的控制程序的流程图；以及

图4示出了与图2中根据一个实施例的电气系统一起使用的控制策略。

具体实施方式

下面的详细描述实质上仅仅是示例性的，不意欲限制所述主题的实施方式和该实施方式的应用或使用。如本文所使用的，词语“示例性”意味着“用作例子、实例或例证”。本文作为示例描述的任何实施方式都不是必需构造成相对于其它实施方式为优选的或有利的。另外，无意被前面的技术领域、背景技术、发明内容或下面详细说明中的任何明示或暗示理论所界定。

下面的描述涉及“连接”或“联接”在一起的元件或节点或特征。如本文所使用的，除非以其它方式明述，否则“连接”意味着一个元件/节点/特征直接连接至另一元件/节点/特征（或与其直接通信），并非必需机械地连接。同样，除非以其它方式明述，“联接”意味着一个元件/节点/特征直接或间接连接至另一元件/节点/特征（或与其直接或间接通信），并非必需机械地连接。因此，尽管附图可描述了元件的一种示例性布置，但是在所述主题的实施例中可存在其它居间元件、装置、特征或部件。另外，仅为参考目的，在下面的说明中也会使用特定的术语，但是并不意味着受限制。涉及结构的术语“第一”、“第二”和其它这类数值术语并未含有次序或顺序的意思，除非通过上下文清楚地表示。

如本文所使用的，“节点”意味着任意的内部或外部参照点、连接点、交点、信号线、传导元件等，在该节点存在给定信号、逻辑电平、电压、数据类型、电流或量。另外，通过一个物理元件可实现两个或多个节点（并且即便在共同的节点接收或输出，两个或多个信号也可被多路传输、调节、或者以其它方式区分）。

图1示出了电气系统100的示例性实施例。电气系统100包括电压或电流源110、电气控制系统120和负载130。

电压或电流源110可为例如电网（例如，电力公司提供给家庭或商业的电网）、发电机（例如柴油机发电机）、太阳能系统、风力涡轮系统或任何其它类型的发电系统、电池系统、或者它们的任意组合。电压或电流源向控制系统120提供由箭头112表示的电压和由箭头114表示的电流。

控制系统120连接在电压或电流源110与负载130之间，向负载提供由箭头150表示的电压和由箭头140表示的电流，如下面更加详细描述的，其中控制系统120可包括例如功率变换器和控制器。

在一个实施例中，负载130可为电池，电气控制系统120可控制如何使用电压或电流源110给电池充电。在另一实施例中，负载130可为例如电网或电子装置，电气控制系统120控制如何向负载130供电。

电气控制系统120具有基于负载130的类型、负载130的状态、电压或电流源110的类型及电压或电流源110的状态而实施的三个模式。例如，负载130的状态可为负载130两端的当前电压。例如，电压或电流源的状态可为与从电压或电流源110汲取的电力和/或电压或电流源110当前可用的电量相关的成本。电气控制系统所处的模式还可被用户、系统管理员等调节。

在第一模式中，电气控制系统120向负载130提供恒定电流（由箭头140表示）。恒定电流模式例如可用于在电池荷电状态低时给电池充电。在第二模式中，电气控制系统120向负载130提供恒定电压（由箭头150表示）。恒定电压模式例如可用于在电池接近满电量且多个电子负载和被动负载具有供电需求时给电池充电。在一个实施例中，如果负载130为电池，那么电气控制系统120可基于电池的状态（例如电池的电量水平）在第一与第二模式之间转换。在许多情形下，通过在电池电量低时提供恒定电流和在电池接近满电量时提供恒定电压来最有效地给电池充电。

在第三模式中，电气控制系统向负载130提供恒定功率，其中提供给负载130的功率大小是提供给负载130的电流140的大小乘以提供给负载130的电压150的大小。如下面所进一步描述的，通过向负载130提供固定电流140和固定电压150，或者控制提供给负载130的电流140与电压150的乘积，可提供恒定电流。

通过向负载130提供恒定功率，电气控制系统120可限制从电压或电流源110汲取的功率大小。该模式具有多个优点和用途。例如，如果电压源110为电网，那么用户可选择能在任意给定时间从电网汲取的最大功率大小。例如，如果从电网汲取功率的成本变化（例如，基于一天的时间），那么用户可降低高峰时间期间的最大汲取，并增大非工作小时期间的最大汲取，以降低其电费帐单。在另一实施例中，如果电压或电流源110供应可变量的功率（即，如果电压或电流源110为太阳能、风能或电池系统），那么电气系统控制器可基于可用功率调节供给负载130的功率的大小。

图2示出了适于用在车辆（例如，电动和/或混合动力车辆）中的电气系统200（或者可选地，充电系统、充电器或充电模块）的示例性实施例。尽管下面的说明涉及用于电动和/或混合动力车辆的充电系统，但是本领域的普通技术人员会认识到，可产生或修改其它电气系统来获取本文所述特征的优点。

电气系统200包括，不限于，第一接口202、第一能量转换模块204、隔离模块206、第二能量转换模块208、感应元件210、电容元件212、第二接口214和控制模块216。第一接口202通常表示用于将电气系统200联接至DC能源218的物理接口（例如，终端、连接器等），第二接口214通常表示用于将电气系统200联接到交流（AC）能源220的物理接口（例如，终端、连接器等）。因此，为方便起见，第一接口202本文可称为DC接口，第二接口214本文可称为AC接口。在具体实施例中，控制模块216联接至转换模块204、208并操作转换模块204、208，以获得从AC能源220到DC能源218的期望功率流。如下面更加详细描述的。

在具体实施例中，DC能源218（或可选地，能量存储源或ESS）能够从电气系统200接收在特定DC电压电平V_DC（由箭头260表示）的直流电i_DC（由箭头250表示）。根据一个实施例，DC能源218实现为具有从约200到约500伏DC的常规DC电压范围的可再充电高压电池组。这样，DC能源218可包括用于车辆中的另一电气系统和/或电机的主能源。例如，DC能源218可联接至功率逆变器，该功率逆变器构造成向电机提供电流和/或电压，电机进而可接合变速器以便以传统的方式驱动车辆。在其它实施例中，DC能源218可实现为电池、燃料电池、超级电容或其它的适当能量存储元件。

AC能源220（或电源）构造成以特定的AC电压电平V_AC（由箭头280表示）向充电系统200提供AC电流i_AC（由箭头270示），其可实现为用于建筑、民宅或电网（例如，主电力或电网）内其它结构的主电源或主电力系统。根据一个实施例，AC能源220包括对大多民用结构通用的单相电源，其依赖于地理区域而变化。例如，在美国，AC能源220可实现为60Hz的220伏（RMS）或240伏（RMS），而在其它区域，AC能源220可实现为50Hz的210伏（RMS）或220伏（RMS）。在另一实施例中，AC能源220可实现为适于与充电系统100一起操作的任意AC能源。

如下面更加详细描述的，DC接口202联接至第一转换模块204，AC接口214通过感应元件210联接至第二转换模块208。隔离模块206联接在转换模块204、208之间，并提供两个转换模块204、208之间的电流隔离。控制模块216联接至转换模块204、208并操作第二转换模块208以将AC能源220的能量转换为穿过隔离模块206的高频能量，然后通过转换模块204在DC接口202转换为DC能量。应当理解，尽管本文为说明起见在电网至车辆的应用中（例如，AC能源220输送能量到DC能源218）描述了所述主题，但是在其它实施例中，本文所述主题可实施和/或利用在车辆至电网的应用中（例如，DC能源218输送能量到AC接口214和/或AC能源220）。

为了给DC能源218充电，第一转换模块204在节点222和224将高频能量转换为在DC接口202提供给DC能源218的DC能量。这样，当将高频AC能量转换为DC能量时，第一转换模块204操作为整流器。在所示实施例中，第一转换模块204包括四个开关元件9-12，每个开关元件都具有构造成与相应开关元件反向平行的二极管29-32，以适应双向能量输送。如图所示，电容器226构造为电并联在DC接口202两端，以减小DC接口202处的电压脉动，如本领域所明白的。

在示例性实施例中，开关元件9-12为晶体管且可使用任意合适的半导体晶体管开关来实现，例如，绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管（例如MOSFET）、或本领域已知的任何其它类似装置。所述开关与二极管是反并联的，意味着所述开关与二极管以相反或颠倒的极性电并联。反并联结构允许双向电流流动，同时单向地阻止电压，如本领域所清楚的。在该结构中，通过开关的电流的方向与通过相应二极管的可允许电流的方向相反。反并联二极管联接在各开关的两端，从而在相应开关断开时提供到DC能源218的电流通路，用于在给DC能源218充电。如下面更加详细描述的，在示例性实施例中，控制模块216操作第一转换模块204的开关，以提供从DC能源218到隔离模块206的电流通路，从而在第二转换模块208的节点234、236提供注入电流。

在所示实施例中，开关9连接在DC接口202的节点228与节点222之间，并构造成在开关9关闭时提供从节点228到节点222的电流通路。二极管29连接在节点222与节点228之间，并构造成提供从节点222到节点228的电流通路（即，二极管29与开关9反向并联）。开关10连接在DC接口202的节点230与节点222之间，并构造成在开关10关闭时提供从节点222到节点230的电流通路，而二极管30连接在节点222与节点230之间，并构造成提供从节点230到节点222的电流通路。类似的方式，开关11连接在节点228与节点224之间，并构造成在开关11关闭时提供从节点228到节点224的电流通路，二极管31连接在节点224与DC接口202之间，并构造成提供从节点224到节点228的电流通路，开关12连接在节点230与节点224之间，并构造成在开关12关闭时提供从节点224到节点230的电流通路，二极管32连接在节点224与DC接口202之间，并构造成提供从节点230到节点224的电流通路。

在示例性实施例中，第二转换模块208便于从AC能源220和/或感应元件210到隔离模块206的电流（能量）流动。在所示实施例中，第二转换模块208实现为包括八个开关元件1-8的前端单相矩阵转换器，每个开关元件都具有构造成与各自开关元件反向并联的二极管21-28，与上面关于第一转换模块204所描述的相类似。为简便起见，但是并无限制，第二转换模块208这里可另选地称为矩阵转换模块（或矩阵转换器）或循环换流器。如下面更加详细描述的，控制模块216调节（例如，打开和/或关闭）矩阵转换器208的开关1-8，以在节点222、224产生高频电压，获得到DC接口和/或DC能源218的期望功率流。

在图2所示的实施例中，第一对开关1，2和二极管21，22联接在节点232与节点234之间，第一对开关和反向并联二极管（例如，1和21）构造成具有与第二对开关和反向并联二极管（例如，2和22）相反的极性。这样，开关1和二极管22构造为在开关1关闭、接通或以其它方式激活时提供从节点234、通过开关1和二极管22、到达节点232的电流通路，且节点234处的电压比节点232处的电压正的更多。开关2和二极管21构造成在开关2关闭、接通或以其它方式激活时提供从节点232、通过开关2和二极管21、到达节点234的电流通路，并且节点232处的电压比节点234处的电压正的更多。同样，第二对开关3，4和二极管23，24联接在节点236与节点238之间，第三对开关5，6和二极管25，26联接在节点232与节点236之间，第四对开关7，8和二极管27，28联接在节点234与节点238之间。

在所示实施例中，开关1、3、5和7构成第一组开关，开关2、4、6和8构成第二组开关，其中第一组开关能够在通过感应元件210的电流沿负方向（例如，i_L<0）流动时将通过感应元件210的电流i_L（由箭头290表示）从节点232换向到节点238，第二组开关能够在通过感应元件210的电流沿正方向（例如，i_L>0）流动时将通过感应元件210的电流从节点238换向至节点232，如下面更加详细描述的。换句话说，开关1、3、5、7能够传导沿负方向流过感应元件210的电流（例如，i_L<0）的至少一部分，开关2、4、6、8能够传导沿正方向流过感应元件210的电流（例如，i_L>0）的至少一部分。如本文所使用的，电流变向应当理解为使通过感应元件210的电流循环通过矩阵转换器208的开关和二极管使得不中断通过感应元件210的电流流动的过程。

在示例性实施例中，隔离模块206包括连接在第一转换模块204的节点222、224之间的第一组绕组244和连接在节点234、236之间的第二组绕组246。为说明起见，绕组246本文可称为包括主绕组级（或主绕组），绕组244本文可称为副绕组级（或副绕组）。绕组244、246提供以传统方式磁性联接的感应元件，以形成变压器，如本领域所公知的。在示例性实施例中，隔离模块206实现为高频变压器。这样，隔离模块206包括为在高频（例如，转换模块204、208的开关的开关频率（例如，50kHz））下的特定功率水平而设计的变压器，导致相对于为在较低频率（例如，AC能源220的频率（例如，主频率））下的相同功率水平而设计的变压器降低了变压器的物理尺寸。

在示例性实施例中，感应元件210实现为在矩阵转换器208的节点232与AC接口214的节点240之间电串联构造的感应器。因此，为简便起见，但是没有限制，感应元件210本文称为感应器。感应器210用作电气系统200操作期间的高频感应能量存储元件。电容元件212实现为联接在AC接口214的节点240和242之间的电容，电容212和感应器210配合构造成提供高频滤波器，以最小化AC接口214处的电压脉动，如本领域所公知的。

控制模块216通常表现为构造成操作和/或调节转换模块204、208的开关，以获得从AC能源220到DC能源218的期望功率流的硬件、固件和/或软件。依赖于实施方式，控制模块216可通过设计成支持和/或执行本文所述功能的通用处理器、微处理器、微控制器、按内容可寻址内存、数字信号处理器、专用集成电路、场可编程门阵列、任何适当的可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件、或它们的任意组合来实施或实现。

在用于电网到车辆的正常操作中，控制模块216确定脉宽调节（PWM）指令信号，该信号控制矩阵转换器208的开关1-8的正时和占空度，以产生在隔离模块206的主绕组246两端的高频AC电压，其感应生成在节点222、224处副绕组244两端的电压，产生流向DC接口202以给DC能源218充电的期望电流i_DC。例如，根据一个实施例，控制模块216产生正弦PWM可变占空度控制信号，该信号控制状态机转换，从而控制开关1-8的占空度，以在开关间隔期间实施恰当的开关模式（例如，开关频率的倒数）。控制模块216获取、监测或以其它方式取样DC接口202处的电压V_DC，并将获取的DC电压与参考电压（例如，DC接口202的期望电压）作比较，以获得误差信号，该信号被与对应于开关频率（例如，50kHz）的高频载波信号作比较，以获得正弦PWM调节占空度。当所述误差信号小于载波信号时，控制模块216操作开关1-8，以有效地短路节点232、238，并使能量循环通过矩阵转换器208，以施加电压到感应器210的两端。当所述误差信号大于载波信号时，控制模块216操作开关1-8以释放感应器210的存储能量和/或电压（可选地，逆程电压）。逆程电压与AC接口214的电压之和被应用至隔离模块206的主绕组246，导致向节点222、224和/或DC能源218的功率传输。控制模块216重复在所述误差信号变得小于载波信号时操作开关1-8以使能量循环通过矩阵转换器208和在所述误差信号大于载波信号时释放感应器210的存储能量的步骤。这样，矩阵转换器208在充电系统200的整个操作期间根据需要在使能量循环通过感应器210和输送能量到隔离模块206和/或DC接口202之间交替。

应当理解，图2是为说明目的的电气系统200的简图，并不意欲以任何方式限制本文所述主题的范围或应用。因此，尽管图2示出了电路元件和/或终端之间的直接电连接，但是其它实施例可在以基本类似的方式发挥作用时采用居间电路元件和/或部件。另外，虽然电气系统200本文描述在用于车辆的矩阵转换器208中，但是该主题不意欲限于车辆和/或汽车应用，本文所述主题可实施在使用开关元件利用能量转换模块（例如，降压转换器、增压转换器、功率逆变器、电流源逆变器和/或转换器、电压源逆变器和/或转换器等等）传输能量的任何应用中。

现在参考图3，在示例性实施例中，电气系统可构造成执行控制程序300和下述另外的任务、功能和操作。所述各种任务可由软件、硬件、固件或它们的任意组合来实施。为示意性起见，下面的描述涉及上面结合图2描述的元件。实践中，所述任务、功能和操作可由所述系统的不同元件执行，例如第一转换模块204、隔离模块206、矩阵转换器208和/或控制模块216。应当清楚，可包括任意数量的另外或可选任务，并可将其集成为具有本文未详细描述的其它功能的更加综合的程序或过程。

参考图3，并继续参考图2，通过获取DC接口的电压和获取感应器电流（任务302、304）起动或开始控制程序300。例如，控制模块216可获取、取样或以其它方式测量DC接口202的电压以及通过感应器210的电流（例如，通过构造在感应器210与节点232或节点240之间的电流传感器）。控制程序300通过确定用于矩阵转换器的开关的PWM指令信号（任务306）而继续。这样，控制模块216利用高频PWM来调节或以其它方式操作矩阵转换器208的开关1-8，从而在副绕组244的输出222、224提供期望的电压、电流或功率，以上面参考图2描述所类似的方式。在开关间隔（或PWM循环）期间，即，当相应的开关关闭、接通或以其它方式激活时，PWM指令信号控制矩阵转换器208的相应开关1-8的正时。

例如，再参考图2，当感应器电流处于正方向（例如，i_L>0）时，控制模块216同时关闭（或接通）开关2、4、6和8，以循环或以其它方式使感应器电流i_L环流通过矩阵转换器208，从而施加电压到感应器210的两端。为了释放感应器210的存储能量和/或电压并输送正电压到副绕组244的两端（或通过其的正电流），控制模块216打开（或断开）开关2和4同时保持开关6和8在关闭状态，使得只有开关6和8通过主绕组246将感应器电流i_L从节点232传导至节点238，以施加正电压到主绕组246的两端。在特定时间量之后，控制模块216关闭开关2和4，以使能量循环通过矩阵转换器208，如上所述。为了输送负电压到副绕组244的两端（或通过其的负电流），控制模块216打开（或断开）开关6和8同时保持开关2和4在关闭状态，使得只有开关2和4通过主绕组246将感应器电流i_L从节点232传导至节点238，以施加负电压到主绕组246的两端。开关2、4、6和8关闭时的正时以及开关2、4、6和8关闭的持续时间（即，占空度）由控制模块216确定，以在副绕组244的输出222、224提供期望电压（或电流），如上所述。

以类似的方式，当感应器电流沿负方向（例如，i_L<0）时，控制模块216同时关闭（或接通）开关1、3、5和7，以循环或以其它方式使感应器电流i_L环流通过矩阵转换器208。为了释放感应器210的存储能量和/或电压并输送正电压到副绕组244的两端（或通过其的正电流），控制模块216打开（或断开）开关5和7同时保持开关1和3在关闭状态，使得只有开关1和3通过主绕组246将感应器电流i_L从节点238传导至节点232，以释放感应器210的存储能量，并施加正电压到主绕组246的两端。在特定时间量之后，控制模块216关闭开关5和7，以使能量循环通过矩阵转换器208，如上所述。为了输送负电压到副绕组244的两端（或通过其的负电流），控制模块216打开（或断开）开关1和3同时保持开关5和7在关闭状态，使得只有开关5和7通过主绕组246将感应器电流i_L从节点238传导至节点232，以释放感应器210的存储能量，并施加负电压到主绕组246的两端。开关1、3、5和7关闭时的正时以及开关1、3、5和7关闭的持续时间（即，占空度）由控制模块216确定，以在副绕组244的输出222、224提供期望电压（或电流），如上所述。

再参考图3，并继续参考图2，根据一个实施例，控制程序300确定是否启用电流注入（任务308）。这样，控制模块216可将获取的感应器电流i_L与一个或多个阈值作比较，以确定是启用还是禁用电流注入。例如，在一个实施例中，控制模块216获得感应器电流i_L的测量值（例如，通过取样和/或读取来自电流传感器的值），并基于感应器电流i_L的最新获取值和之前感应器电流的获取值来确定感应器电流的移动平均值。确定移动平均值降低了噪声对感应器电流测量值的影响，如本领域所公知的。当对于之前的开关间隔未事先启用电流注入时，控制模块216将感应器电流的移动平均值的大小与第一阈值作比较，并且在移动平均值的大小大于第一阈值时启用电流注入。这样，第一阈值被选择成为用于通过感应器210的如此电流大小的值，该电流大小可能足以在矩阵转换器208的开关的两端产生瞬时电压峰值，该瞬时电压峰值超过开关1-8的击穿电压。当对之前的开关间隔启用了电流注入时，控制模块216将移动平均值的大小与第二阈值作比较，并且在移动平均值的大小小于第二阈值时禁止电流注入。在示例性实施例中，第一阈值大于第二阈值，以提供滞后，并防止控制程序300在启用和禁用电流注入之间振荡。例如，根据一个实施例，第一阈值选择成约4安培，第二阈值选择成约2安培。应当注意，在某些实施例中，不管感应器电流的大小，可一直启用电流注入。

在示例性实施例中，响应于确定不应当启用电流注入（或可选地，应当禁用电流注入），控制程序300通过基于矩阵转换器开关的PWM指令信号操作矩阵转换器（任务310）而继续。这样，当电流注入被禁用时，控制模块216根据之前确定的PWM指令信号操作矩阵转换器208的开关1-8，以在使感应器电流循环通过矩阵转换器208与输送能量到DC接口202和/或DC能源218之间变换，如上所述。由任务302、304、306、308限定的循环可在电气系统200的整个操作期间重复，直到感应器电流超过第一阈值且控制程序300确定应当启用电流注入为止。

响应于确定应当启用电流注入，控制程序300通过确定PWM指令信号用于通过隔离模块主绕组注入电流至矩阵转换器（例如312）而继续。在示例性实施例中，基于DC接口202的电压V_DC和感应器电流，控制模块216确定用于操作第一转换模块204的开关9-12的正时和占空度（或脉宽），以提供通过主绕组246的注入电流，从而减小通过矩阵转换器208的一个或多个关闭开关的电流，并在矩阵转换器208的一个或多个开关次序打开时防止超过开关1-8的击穿电压的瞬时电压峰值。在示例性实施例中，控制模块216采用两维查寻表，并基于感应器电流i_L的大小（或幅度）和DC接口202处的电压V_DC确定开关9-12的正时和占空度。这样，所述查寻表由同时接通各对开关9-12的占空度（或脉宽）以及为输送能量到DC接口202而相对于打开矩阵转换器208的一对开关应当接通/断开相应开关9-12的正时的值组成。控制模块216基于通过变压器206的电流预期方向识别或以其它方式确定要同时被关闭以提供注入电流的一对开关9-12。例如，基于感应器电流i_L的方向和/或矩阵转换器208的开关1-8的PWM指令信号，控制模块216把开关9和12识别为要被关闭的一对开关，以在矩阵转换器208操作成向主绕组246施加负电压之前提供通过主绕组246从节点234到节点236的注入电流，以及将开关10和11识别为要被关闭的一对开关，以在矩阵转换器208操作成向主绕组246施加正电压之前提供通过主绕组246从节点236到节点234的注入电流，如下文详细描述。

在确定用于提供通过隔离模块的主绕组的注入电流的PWM指令信号之后，控制程序300通过基于用于矩阵转换器开关的PWM指令信号来操作矩阵转换器和在输送能量到DC接口和/或DC能源之前提供通过主绕组的注入电流（任务314、316）而继续。这样，控制模块216根据之前确定的PWM指令信号操作矩阵转换器208的开关1-8，以在使感应器电流i_L循环通过矩阵转换器208与输送能量到DC接口202和/或DC能源218之间转换。控制模块216根据之前确定的用于通过隔离模块206的主绕组246的注入电流的PWM指令信号操作第一转换模块204的开关9-12，以在打开矩阵转换器208的一个或多个开关之前传导电流通过副绕组244，并感应产生或以其它方式提供通过主绕组246的注入电流，以输送能量到DC接口202和/或DC能源218。由任务302、304、306、308、310、312、314和316限定的循环可按需要在电气系统200的整个操作中重复。

图4示出了例如由控制模块216执行的示例性控制策略400。所述控制策略包括恒定电压模式、恒定电流模式和恒定功率模式。每个控制策略（即，恒定电压、电流或功率）产生基准电流Iref，该基准电流然后用于计算停止时间占空比Uref。然后URef被输入控制模块216，用来产生用于上述矩阵转换器的开关1-12的PWM指令信号。

为了确定操作于恒定电压模式时的基准电流，控制模块216先确定给电池充电所需电压Vref，并测量电池的当前电压Vout。然后，控制器在框410计算公式1的结果。

(1)

然后框410的电压输出被输入至电压调节器412。电压调节器412可以设计成为公式（1）中描述的比例能量误差提供低通功能（例如，低于30Hz）同时为外电压循环带宽频率提供相位增大以能够获得期望相位裕度（例如，>45度）。电压调节器412基于框410的输出而输出功率Pref。

然后，控制器在框414根据公式2将功率Pref乘以输入AC电压与RMSAC电压的平方的比值。

(2)

框414的输出为用于产生停止时间占空比的基准电流Iref，如下面更加详细描述的。

为了确定操作于恒定电流模式时的基准电流Iref，控制模块216先确定期望电流Idcref和实际电池电流Ibattery。然后估计器420根据公式3-5计算对应于从电压源220汲取的电流的电流Iacmax。

(3)

(4)

(5)

公式3定义了可从电压源220汲取的初始最大电流，其中Vout对应于电池218两端的当前电压，Vacmax对应于可从电压源220汲取的最大电压（最大电压Vacmax可因国家和/或基于电压源类型而变化），Icapmax为电容212能够处理的最大电流。

然后控制器基于公式4增大最大电流，其中kTs表示当前时间（分、秒等），(k+1)Ts表示下一时间，kp表示增益，Ibatteryrms表示当前电池电流的均方根（RMS）。增益kp由控制模块216确定，用于控制允许如何快地改变电流Iacmax。在一个实施例中，例如，kp通过监测AC电流基准变化的动态响应来确定。例如，在某些情形下，假定将AC电流指令中的增量变化限制为特定值并且kp可自适应地改变以适应该限制。在另一实施例中，kp可通过实验调节来确定以避免电池电流中的不必要瞬变。

在增大最大电流Iacmax的同时，控制模块216监测Iacmax以使用公式5确保电流不超过电流最大量。

然后根据公式6，在框422将从估计器420输出的电流Iacmax乘以对应于电压源220的当前电压Vac与能够从电压源220汲取的最大电压Vacmax的比值的增益。

(6)

框422的输出对应于用来确定使用哪个产生停止时间占空比的电流Iref，如下面更加详细描述的。

为了确定操作于恒定功率模式时的基准电流Iref，控制模块216根据公式7在框430将期望恒定功率Pconst乘以电压源220输出的当前电压Vac与电压源220输出的RMS电压Vacrms的比值。

(7)

然后控制模块采用为恒定电压模式、恒定电流模式或恒定功率模式产生的基准电流Iref，并产生停止时间占空比Uref。

控制模块216先根据公式8在框440计算Iref与穿过电容212的电流Icap和穿过感应器210的电流Iind（图2中标记的电流290）之间的差Idiff。

(8)

因为Uref为停止时间占空比，所以Idiff一般会是负数。在另一实施例中，运行时间占空比可用于控制例如图2中的门1-12，其中会使用正的Idiff。

然后控制模块在框450将电流Idiff乘以增益K1。增益K1由控制器确定，且可根据系统的需求而变化。增益K1直接影响系统的带宽，该带宽影响如何快地改变Uref。K1是与内部电流循环的带宽直接成比例的增益。由于受微控制器中计算延迟影响的小相位裕度，所以更大的K1值会在电流控制中带来不期望的振荡。框450的输出为具有主基频成分（例如，60Hz）的误差电流信号。

然后控制模块216在框460将电压源220输出的当前电压Vac加到从框450输出的电压上。最终，控制模块220在框470通过将框460输出的电压除以电池218的当前电压Vout来确定Uref。

然后，停止时间占空比Uref用于产生PWM指令信号。Uref确定与PWM周期作比较的用于功率传输的有效时间比。如上所述，Uref更新的速率可变化。但是，如上所述，PWM信号可以50kHz的速率更新。

为简便起见，本文未详细描述与电能和/或功率转换、充电系统、功率转换器、脉宽调节（PWM）和系统的其它功能方面（以及系统的各操作部件）相关的传统技术。另外，本文所含各附图中所示的连线意欲表示各元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应当注意，在所述主题的实施例中可存在许多替代或另外的功能关系或物理连接。

本文中描述的技术和科技可根据功能和/或逻辑框部件并参考可由各种计算部件或装置执行的操作、处理任务和功能的符号表示来描述。应当清楚，附图中所示各种框部件可通过构造成执行具体功能的任意数量的硬件、软件和/或固件组件来实现。例如，系统或部件的实施例可利用在一个或多个微处理器或其它控制装置的控制下可实施多种功能的各种集成电路部件，例如内存元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查寻表等。

尽管在前面的详细描述中已经展现了至少一个示例性实施例，但是应当清楚，存在大量的变形。还应当清楚，本文所述示例性实施例并不意欲以任何方式限制所要求保护主题的范围、应用或结构。相反，前面的详细描述会给本领域的技术人员提供实施所述实施例的方便路线图。应当理解，在不脱离由权利要求限定范围的情况下，可对元件的功能和布置进行各种改变，包括在提交该专利申请时的已知等效物和可预见的等效物。

Claims

1.一种充电系统，包括：

可再充电电池；

构造成联接至电压源的接口；以及

其中，当所述控制器处于恒定电压模式时，所述控制器向所述可再充电电池提供恒定的电压以在所述可再充电电池接近满电量给所述可再充电电池充电，

当所述控制器处于恒定电流模式时，所述控制器向所述可再充电电池提供恒定的电流以在所述可再充电电池荷电状态低时给所述可再充电电池充电，以及

当所述控制器处于恒定功率模式时，所述控制器向所述可再充电电池提供恒定的功率，其中提供给所述可再充电电池的功率大小是提供给所述可再充电电池的电流的大小乘以提供给所述可再充电电池的电压的大小，

其中所述控制器还包括能量转换模块和矩阵转换模块以及联接在所述能量转换模块与所述矩阵转换模块之间的隔离模块，所述隔离模块提供所述能量转换模块与所述矩阵转换模块之间的电流隔离，

其中所述能量转换模块包括多个开关元件，每个开关元件都具有构造成与相应开关元件反向平行的二极管，以适应双向能量输送，且所述矩阵转换模块包括控制从所述电压源到所述可再充电电池的电流流动的多个门，其中所述控制器基于所述控制器所处的模式可选择地操作所述门。

2.如权利要求1的充电系统，其中所述控制器基于所述可再充电电池的状态确定其是处于所述恒定电压模式、恒定电流模式还是恒定功率模式。

3.如权利要求1的充电系统，其中当处于所述恒定功率模式时，所述控制器限制可从所述电压源汲取的功率大小。

4.如权利要求3的充电系统，其中所述控制器还构造成允许用户选择从所述电压源汲取的功率的大小。

5.如权利要求3的充电系统，其中从所述电压源汲取的功率大小基于所述电压源的功率容量。

6.如权利要求1的充电系统，其中所述控制器还构造成根据所述控制器所处的模式产生基准电流，并使用该基准电流产生控制所述多个门的停止时间占空比。

7.一种电气系统，包括：

负载；

构造成联接至电压源以接收电压的接口；以及

其中，当所述控制器处于恒定电压模式时，所述控制器向所述负载提供恒定的电压以在所述负载接近满电量给所述负载充电，

当所述控制器处于恒定电流模式时，所述控制器向所述负载提供恒定的电流以在所述负载荷电状态低时给所述负载充电，以及

当所述控制器处于恒定功率模式时，所述控制器向所述负载提供恒定的功率，其中提供给所述负载的功率大小是提供给所述负载的电流的大小乘以提供给所述负载的电压的大小

其中所述能量转换模块包括多个开关元件，每个开关元件都具有构造成与相应开关元件反向平行的二极管，以适应双向能量输送，且所述矩阵转换模块包括控制从所述电压源到所述负载的电流流动的多个门，其中所述控制器基于所述控制器所处的模式可选择地操作所述门。

8.如权利要求7的电气系统，其中所述控制器基于所述负载的状态确定所述控制器是处于所述恒定电压模式、恒定电流模式还是恒定功率模式。

9.如权利要求7的电气系统，其中当处于所述恒定功率模式时，所述控制器限制可从所述电压源汲取的功率大小。

10.如权利要求9的电气系统，其中所述控制器还构造成允许用户选择从所述电压源汲取的功率的大小。

11.如权利要求9的电气系统，其中从所述电压源汲取的功率大小基于所述电压源的功率容量。

12.如权利要求7的电气系统，其中所述控制器还构造成根据所述控制器所处的模式产生基准电流，并使用该基准电流产生停止时间占空比以控制所述多个门。

13.一种从联接至负载的控制器向所述负载提供电压和电流的方法，包括：

当所述控制器处于恒定电流模式时，向所述负载提供恒定的电流以在所述负载荷电状态低时给所述负载充电，

当所述控制器处于恒定电压模式时，向所述负载提供恒定的电压以在所述负载接近满电量给所述负载充电，以及

当所述控制器处于恒定功率模式时，向所述负载提供恒定的功率，其中提供给所述负载的功率大小是提供给所述负载的电流的大小乘以提供给所述负载的电压的大小，

其中所述能量转换模块包括多个开关元件，每个开关元件都具有构造成与相应开关元件反向平行的二极管，以适应双向能量输送，且所述矩阵转换模块包括控制从功率源到所述负载的电流流动的多个门，其中所述控制器基于所述控制器所处的模式可选择地操作所述门。

14.如权利要求13的方法，还包括基于所述负载的状态改变所述控制器的模式。

15.如权利要求13的方法，还包括基于功率源的状态改变所述控制器的模式。

16.如权利要求13的方法，还包括基于用户输入改变所述控制器的模式。

17.如权利要求13的方法，还包括当所述控制器处于恒定功率模式时，通过所述控制器限制从功率源汲取并提供给所述负载的功率的大小。

18.如权利要求13的方法，还包括由用户选择从功率源汲取并提供给所述负载的功率的大小。