CN102582459A - 用于车辆中的电功率管理的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于车辆中的电功率管理的方法和设备，具体地，一种车载DC/DC转换器将源于车载高压源的高压电功率转换成处于调节后的电压电平的低压电功率。低压电功率通过低压总线分配。一种操作DC/DC转换器的方法包括：监控连接到低压总线的低压电池的充电状态和温度；将DC/DC转换器命令设置到作为低压电池的充电状态和温度的函数的标称电压电平；监控总低压电负载；和当车辆低于预定速度运行并且总低压电负载大于预定负载时将DC/DC转换器命令调节到最小低压参考电压。

Description

用于车辆中的电功率管理的方法和设备
技术领域
本发明涉及电功率管理。
背景技术
这部分中的陈述仅仅提供与本发明相关的背景信息并且可能不构成现有技术。
包括电动和混合动力系统的车辆系统采用使用高压和低压能量系统提供功率的电功率系统。已知的高压系统包括被构造成产生牵引转矩和反作用的传动系转矩以产生电功率的电机。已知的低压系统包括被构造成为附件例如前灯、空调压缩机和电功率转向装置提供功率的电机。已知的电功率系统包括被构造成将高压电功率转换成低压电功率的DC/DC功率转换器。用于车辆系统的已知的DC/DC功率转换器包括高压电功率输入，例如330Vdc，其中输出电功率被调节到在42Vdc和12Vdc处或附近的参考电压电平。已知的电功率系统包括具有12Vdc标称电压输出的低压电池。参考电压电平是被选择为作为低压电池的充电状态和温度的函数的预定电压电平。当前灯运行时，已知的系统限制参考电压电平的可容许范围。超过预定阈值的电功率电涌和低压电功率吸取会引起前灯闪烁和DC/DC转换器的自动关闭中的一个或两个以保护装备。
发明内容
一种车载DC/DC转换器将源于车载高压源的高压电功率转换成处于调节后的电压电平的低压电功率。低压电功率通过低压总线分配。一种操作所述DC/DC转换器的方法包括：监控连接到低压总线的低压电池的充电状态和温度；将DC/DC转换器命令设置到作为低压电池的充电状态和温度的函数的标称电压电平；监控总低压电负载；和当车辆低于预定速度运行并且总低压电负载大于预定负载时将DC/DC转换器命令调节到最小低压参考电压。
本发明提供如下方案：
1. 用于操作车载DC/DC转换器的方法，所述车载DC/DC转换器被构造成将源于车载高压源的高压电功率转换成处于调节后的电压电平的低压电功率，所述低压电功率通过低压总线分配，所述方法包括：
监控连接到所述低压总线的低压电池的充电状态和温度；
将DC/DC转换器命令设置到作为所述低压电池的所述充电状态和温度的函数的标称电压电平；
监控总低压电负载；和
当车辆低于预定速度运行并且所述总低压电负载大于预定负载时将所述DC/DC转换器命令调节到最小低压参考电压。
2. 如方案1所述的方法，其中调节所述DC/DC转换器命令包括：将所述DC/DC转换器命令调节到最小低压参考电压仅在所述总低压电负载包括车辆前灯时实现。
3. 如方案2所述的方法，还包括当总低压电负载大于所述预定负载时选择地使至少一个低压电负载失能。
4. 如方案1所述的方法，还包括：
监控横过所述低压总线的电压；和
当横过所述低压总线的监控电压超过预定第一电压时启动至少一个低压电负载。
5. 如方案4所述的方法，还包括：当横过所述低压总线的电压超过大于所述预定第一电压的预定第二电压时，在启动所述至少一个低压电负载之后停用所述DC/DC转换器。
6. 如方案5所述的方法，还包括：当横过所述低压总线的电压电平小于比所述预定第二电压更小的预定第三电压时，在停用所述DC/DC转换器之后，重新启动所述DC/DC转换器。
7. 用于操作车载DC/DC转换器的方法，所述车载DC/DC转换器被构造成将源于车载高压源的高压电功率转换成处于调节后的电压电平的低压电功率，所述低压电功率通过低压总线分配，所述方法包括：
监控连接到所述低压总线的低压电池的充电状态和温度；
将DC/DC转换器命令设置到作为所述低压电池的所述充电状态和温度的函数的标称电压电平；
监控包括车辆前灯的低压电负载；和
当车辆在低于预定速度运行并且总低压电负载大于预定负载时将所述DC/DC转换器命令调节到最小低压参考电压；
监控横过所述低压总线的电压；和
当横过所述低压总线的监控电压超过预定第一电压时启动至少一个低压电负载。
8. 如方案7所述的方法，还包括：在启动所述至少一个低压电负载之后，当横过所述低压总线的电压超过大于所述预定第一电压的预定第二电压时停用所述DC/DC转换器。
9. 如方案8所述的方法，还包括：在停用所述DC/DC转换器之后，当横过所述低压总线的电压电平小于比所述预定第二电压更小的预定第三电压时重新启动所述DC/DC转换器。
10. 如方案7所述的方法，其中将所述至少一个低压电负载启动一预定持续时间。
11. 用于操作车载DC/DC转换器的方法，所述车载DC/DC转换器被构造成将源于车载高压源的高压电功率转换成处于调节后的电压电平的低压电功率，所述低压电功率通过低压总线分配，所述方法包括：
监控连接到所述低压总线的低压电池的充电状态和温度；
将DC/DC转换器命令设置到作为所述低压电池的所述充电状态和温度的函数的标称电压电平；
监控包括被动低压电负载、主动低压负载、可控的低压电负载和用于所述低压电池的充电负载的总低压电负载；
监控横过所述低压总线的电压；和
当横过所述低压总线的监控电压超过第一电压时启动所述可控的低压电负载。
12. 如方案11所述的方法，还包括：在启动所述可控的低压电负载之后，当横过所述低压总线的电压超过预定第二电压时停用所述DC/DC转换器。
13. 如方案12所述的方法，还包括：在停用所述DC/DC转换器之后，当横过所述低压总线的电压电平小于比所述预定第二电压更小的预定第三电压时重新启动所述DC/DC转换器。
附图说明
现在将参考附图以例子方式描述一个或多个实施方式，附图中：
图1是根据本发明的包括DC/DC转换器的车辆系统的示意性描述，所述DC/DC转换器被构造成将源自于车载高压源的高压电功率变换成经调节的电压电平处的低压电功率；和
图2是根据本发明的用于将DC/DC转换器操作到优选的经调节的电压电平的控制方案的流程图。
具体实施方式
现在参考附图，其中示图仅仅是为了示出某些代表性的实施方式的目的并且不是为了对其限制的目的，图1示意性地示出了包括混合动力系统20的车辆100，所述混合动力系统20连接到传动系60并且受到控制系统10的控制。贯穿整个描述，相同的附图标记表示相同的元件。混合动力系统20包括机械动力路径，所述机械动力路径包括发动机40和机械地连接到混合变速器50的电供能的扭矩机器（MGA）35，混合变速器50具有连接到传动系60的输出构件62。用线元素84示出了在混合动力系统20的元件之间传递转矩的机械动力路径。用线元素82示出了混合动力系统20的元件之间的信号和命令的通信，其包括通信总线18。电功率传递包括：包括高压总线29的高压电功率连接86和包括低压总线28的低压电功率连接88。电路包括经由高压总线29电连接到逆变器（IMA）32和DC/DC转换器（DC/DC）34的高压电池（HV）25。DC/DC转换器34电连接到低压总线28和低压电池27。
代表性的混合动力系统20包括发动机40，作为通过燃烧过程将燃料转换成机械功率的多缸内燃发动机。发动机40装备有多个致动器以及用于监控操作和递送燃料以形成燃烧充量从而产生响应于操作者转矩需求的转矩的感测装置。转矩机器35优选是被构造成将存储的电能转换成机械功率和将机械功率转换成能存储在高压电池25中的电能的多相电马达/发电机。变速器50优选地包括一个或多个差动齿轮组和可启动的离合器部件以在一速度范围上在发动机40、转矩机器35和输出构件62之间实现转矩传递。在一个实施方式中，传动系60能包括机械地连接到车桥（axle）64或半轴的差动齿轮装置65，所述车桥64或半轴机械地连接到轮66。传动系60在混合变速器50和路面之间传递牵引动力。将认识到，混合动力系统20是示例性的。
控制系统10包括信号地连接到操作者界面14的控制模块12。控制模块12优选为直接或经由通信总线18信号地和操作地连接到混合动力系统20的单独元件。控制模块12信号地连接到高压电池25、逆变器模块32、转矩机器35、发动机40和混合变速器50中的每一个的感测装置，以监控操作并且确定其参数状态。一个监控的参数状态是车辆速度（Vss）。车辆100包括多个人工/机器界面装置，通过其车辆操作员命令车辆100的操作，包括，例如，点火开关以使操作员能转动曲柄并且起动发动机40，加速器踏板，制动器踏板，变速器范围选择器（PRNDL），转向轮，和前灯开关。将会认识到，可以用用于启动和停用前灯的自动系统替换前灯开关。尽管控制模块12和操作者界面14被示为单独的分离的元件，但是，这种示出是为了易于描述的目的。将会认识到，被描述为通过控制模块12执行的功能可以合并到一个或多个装置中，举例来说，在软件、硬件、和/或专用集成电路（ASIC）以及与控制模块12分离的和不同的辅助控制器和电路中执行。其中一个辅助控制器是控制器37，其在这里参考低压电功率电路来描述。将会认识到，能使用一个或多个通信路径，举例来说，通信总线18，其能包括一个或多个直接连接，局域网总线和一系列外围界面总线，实现将信息传递到控制模块12和控制器37以及从控制模块12和控制器37传送。
控制模块、模块、控制器、控制单元、处理器和类似术语意指以下中的任何合适的一个或者一个或多个的各种组合：专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的中央处理单元（优选为微处理器）以及相关的存储器和存贮器（只读，可编程只读，随机存取，硬盘驱动器，等）、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、合适的信号调节和缓冲电路、以及提供所描述的功能的其它合适的部件。控制模块可以具有一组控制算法，包括存储在存储器中并且被执行以提供所期望的功能的驻留软件程序指令和标准。优选为在预设循环周期期间执行算法。执行算法，诸如通过中央处理单元，并且算法是可操作的以监控来自感测装置和其它网络控制模块的输入，并且执行控制和诊断程序以控制致动器的操作。在正在进行的发动机和车辆操作期间，可以以有规则的时间间隔，诸如每3.125，6.25，12.5，25和100毫秒执行循环周期。替换地，可以响应于事件的发生而执行算法。
高压电池25存储潜在的电能并且经由高压总线29电连接到逆变器32，所述逆变器32连接到转矩机器35以在它们之间传递电功率。将会认识到，高压电池25是电能存储装置，其能包括多个电单元，超级电容器，和被构造成将电能存储在车上的其它装置。一个代表性的高压电池25包括多个锂-离子电池。与高压电池25相关的参数状态包括充电状态，温度，可用电压，以及可用电池功率，它们中的每一个由控制系统10监控。在一个实施方式中，从高压电池25提供到高压总线29的可用电压在270Vdc和390Vdc之间的范围内。可用电池功率描述电池功率的极值，其包括在最小和最大可容许电池功率之间的可容许范围，被描述为最大充电功率（Pbat-Max Charge）和最大放电功率（Pbat-Max Discharge）。将会认识到，根据能有规律地监控的参数，举例来说，充电状态（SOC）或其它合适的参数测量电池功率。可容许电池功率极值优选被建立在阈值水平以防止高压电池25的过分充电或过分放电，其能导致减少其使用寿命的损坏。
低压电路包括电连接到低压总线28以响应于总低压电负载提供电功率的DC/DC转换器34。总车载低压电负载对应于被动低压电负载42、主动低压负载44、可控的低压电负载46和低压电池27的充电负载，它们分别都电连接到低压总线28。控制器37信号地和操作地连接到DC/DC转换器34并且操作地连接到与可控的低压电负载46相关的装置。被动低压电负载42包括车载电功率附件，其产生低压总线28上的电功率需求并且不主动地受到控制器37的控制，并且可以包括，举例来说，前灯，HVAC部件，信息娱乐装置，和其它系统。与可控的低压电负载46相关的装置包括一个或多个车载低压电负载装置，其能通过控制器37启动以吸取电功率并且停用，包括，举例来说，电后窗除雾器，电挡风玻璃除冰器，和乘客座位加热装置。可控的低压电负载46也可以包括电阻装置。主动低压电负载44包括车载硬件构造，其在特定操作环境下可以操作在再生模式中以产生被传递到低压总线28的电流。电连接到低压总线28的一个示例性的主动低压电负载44包括电动转向系统（EPS），其包括被构造成响应于操作员到转向轮的输入为操控可转向的车轮提供机械功率的一个或多个低压电马达。代表性的电动转向系统在大部分车辆运行状况下吸取小于3amp的电流。在包括低速或零速转向诸如在驻车操作期间的车辆状况下，电动转向系统可以瞬时吸取超过100amp的电流。电动转向系统（EPS）被认为是主动低压电负载44，因为电功率可当在转向操作期间通过电动转向系统的硬件部件有可转向轮的回弹运动时产生。由回弹运动产生的电功率被传递到低压总线28，因此在低压总线28上提供电压升高并且产生电压峰值。
低压电池27存储潜在的电能并且经由低压总线28电连接到DC/DC转换器34以在它们之间传递电功率。将会认识到，在一个实施方式中，低压电池27是能包括铅酸电池的电能存储装置。与低压电池25相关的参数状态包括充电状态和温度，其由控制器37监控。在一个实施方式中，从低压电池25提供到低压总线28的可用电压在12.8Vdc和15.5Vdc之间的范围内。可容许的电池功率极值优选被建立在阈值水平以防止过分充电或过分放电，其能导致损坏低压电池25，从而减少其使用寿命。
逆变器32电连接到转矩机器35并且将存储的电能转换成机械功率并且将机械功率转换成能存储在高压电池25中的电能。将会认识到，逆变器32操作以将高压DC电功率变换成高压AC电功率并且还操作以将高压AC电功率变换成高压DC电功率。
控制器37信号地连接到DC/DC转换器34以监控横过低压总线28的电压电平以及通过低压总线28的电流负载。控制器37操作地连接到DC/DC转换器34以响应于DC/DC转换器命令（RVC）而命令来自DC/DC转换器34的低压DC电压电平输出，其是调节后的电压电平。在一个实施方式中，控制器37操作地连接到可控的电负载46以控制其的启动和停用。
DC/DC转换器34电连接到高压总线29并且操作以将高压DC电功率转换成处于调节后的电压电平的低压DC电功率，因此将低压DC电功率提供到低压总线28用以给被动低压负载42、主动低压电负载44和可控的低压电负载46供能并且给低压电池27充电。DC/DC转换器34被构造成响应于来自控制器37的DC/DC转换器命令（RVC）输出而以调节后的电压电平将低压电功率提供到低压总线28。如所构造的，DC/DC转换器34代替低压电功率发电机并且起作用以给低压电池27充电。关于DC/DC转换器34的设计和操作的细节对熟练的从业者来说是已知的。
从DC/DC转换器34到低压总线28的电功率输出的调节后的电压电平能在最小电平到最大电平之间变化，例如，在12.8Vdc和15.5Vdc之间变化，其中最小和最大电压极值对应于低压电池25的极值。标称调节后的电压电平可以被设置为与低压电池27的充电状态（SOC）和电池温度成函数关系，除非在这里被描述为以其它方式设置。在一个实施方式中，标称调节后的电压电平被设置在13.8Vdc，对于100％的SOC，在-40℃到大于50℃之间的周围温度范围之上。标称调节后的电压电平随着低压电池27的SOC的降低而增加，并且随着电池温度的增加而降低。
能根据电功率和电流极值指定DC/DC转换器34。当来自DC/DC转换器34的横过低压总线28的低压总线电流小于预定电流极值时，DC/DC转换器34将到低压总线28的电压维持在调节后的电压电平。通过低压总线28的电流包括来自被动低压电负载42、主动低压电负载44和可控的低压电负载46加载的电流，以及用于低压电池27的充电电流。当超过DC/DC转换器34的电流极值时，DC/DC转换器34操作以折回到横过低压总线28的电压从而将从DC/DC转换器34到低压总线28的电功率输出维持在电功率极值，使得低压总线28上的降低或下降到低于调节后的电压电平。DC/DC转换器34折回到横过低压总线28的电压，直到低压电池27能共享低压电负载电流。
当电压电平超过预定下电压极值和上电压极值，导致车辆100中的低电压电功率的中断和损失时，DC/DC转换器34响应于低压总线28上的电压下降和电压峰值中的任一个可以临时关闭或者进入备用模式。
图2以流程图的形式示意性地示出了用于将DC/DC转换器操作到优选的调节后的电压电平以使与低压总线上的过量电功率需求相关的电压下降的可能性最小化的控制方案200。使与低压总线上的过量电功率需求相关的电压下降的可能性最小化可以使可察觉的前灯闪烁以及影响操作者满意的其它状况最小化。
参考包括DC/DC转换器34和低压总线28的车辆100描述控制方案200。将会认识到，控制方案200可以应用到其它操作系统并且不被限制到参考图1所描述的实施方式。车载DC/DC转换器34被构造成将源自于高压电池25的高压电功率变换成处于调节后的电压电平的低压电功率，其中通过低压总线28分配低压电功率。控制方案包括监控低压电池27的充电状态（SOC）和温度（Temperature）（202）。DC/DC转换器命令（RVC）被设置为对应于低压电池的充电状态和温度的标称电压电平（204）。其它监控的状态包括总车载低压电负载，其包括被动低压电负载42，主动低压负载44，可控的低压电负载46，和低压电池27的充电负载，它们中的每一个都电连接到低压总线28。确定车辆100是否正在以燃料经济模式（FE模式）运行（206）。如果是，则DC/DC转换器命令（RVC）被重新设置到最小可允许电平，在一个实施方式中是12.8Vdc（208）。如果不是，则不重新设置DC/DC转换器命令（RVC）（207）。然后确定是否启动前灯或其它高功率低压负载（210）。该高功率低压负载可以是车辆低压负载中的预定多个或组合。当没有高功率低压负载被启动时（209），则调节后的电压电平如所述来设置并且用来控制DC/DC转换器34的操作（218）。
当启动前灯或其它高功率低压负载时，接下来确定车辆速度是否小于下速度阈值，举例来说，是否小于8kph（5mph）（212）。车辆速度的下速度阈值旨在显示车辆速度接近零或者静态转向可能发生的情形。当车辆速度大于下速度阈值时（211）时，DC/DC转换器命令如所描述来设置并且用来控制DC/DC转换器34的控制操作（218）。
当车辆速度小于下速度阈值时，确定总车载低压电负载是否大于DC/DC转换器34的负载阈值（214）。当总车载低压电负载小于DC/DC转换器34的高负载阈值时（213）时，DC/DC转换器命令如所描述来设置并且用来控制DC/DC转换器34的操作（218）。
当总车载低压电负载大于DC/DC转换器34的高负载阈值时，DC/DC转换器命令被选择为与低压电池27的SOC相关的调节后的电压电平的最低可容许值（RVC=Min RVC(SOC)(216)，并且DC/DC转换器命令如所述来设置并且用来控制DC/DC转换器34的操作（218）。基于低压电池27的容量以及用低压总线28供能的其它装置的操作状况确定DC/DC转换器命令的最低可容许值，并且在一个实施方式中是13.5Vdc。这样，在具体限定的环境下，在允许来自调节后的电压电平的电压电平折回之前，使来自DC/DC转换器34的电流输出最大化。此外，当总车载低压电负载大于DC/DC转换器34的高负载阈值时，可以选择性地使一个或多个可控的低压电负载失能（disable）或脱落（shed）。
当电压电平超过预定上电压极值时，其它操作状况能响应于低压总线28的电压峰值而导致临时关闭DC/DC转换器34或者以备用模式控制DC/DC转换器34。这种操作状况在前面已经参考主动低压负载44例如电动转向来描述，所述电动转向可以以再生模式操作以产生传递到低压总线28的电流。
为了使低压总线28上的电压峰值以及相关的DC/DC转换器34的临时关闭或者以备用模式控制DC/DC转换器34的发生的可能性最小化，第二控制方案监控横过低压总线28的电压。当横过低压总线的监控电压电平超过第一阈值时，启动一个或几个可控的低压电负载46，优选为一预定时间段，以消耗低压总线28上的电流。低压总线28上的消耗在可控的低压电负载46中的并且因此被可控的低压电负载46耗散掉的电流，是与以可再生模式操作主动低压负载44以产生传递到低压总线28的电流试图防止低压总线28上的电压超过上电压阈值相关的电功率负载。当横过低压总线28的电压超过上电压阈值时，命令DC/DC转换器34进入备用模式。在进入备用模式之后，仅仅当横过低压总线28的电压电平小于下阈值时，重新启动DC/DC转换器34。优选地第一阈值小于上阈值。优选地下阈值小于上阈值，允许操作系统中的滞后。在一个实施方式中，下阈值是16.0Vdc并且上阈值是16.5Vdc。优选地第一阈值小于下阈值以使可控的低压电负载46的循环最小化。
本发明已经描述了某些优选实施方式以及它们的修改。在阅读和理解了说明书的基础上，可以进行进一步的修改和变化。因此，旨在本发明不被限制到作为用于执行本发明的最佳模式所披露的特定实施方式，而是本发明将包括落入随附权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (10)

1.用于操作车载DC/DC转换器的方法，所述车载DC/DC转换器被构造成将源于车载高压源的高压电功率转换成处于调节后的电压电平的低压电功率，所述低压电功率通过低压总线分配，所述方法包括：
监控连接到所述低压总线的低压电池的充电状态和温度；
将DC/DC转换器命令设置到作为所述低压电池的所述充电状态和温度的函数的标称电压电平；
监控总低压电负载；和
当车辆低于预定速度运行并且所述总低压电负载大于预定负载时将所述DC/DC转换器命令调节到最小低压参考电压。
2.如权利要求1所述的方法，其中调节所述DC/DC转换器命令包括：将所述DC/DC转换器命令调节到最小低压参考电压仅在所述总低压电负载包括车辆前灯时实现。
3.如权利要求2所述的方法，还包括当总低压电负载大于所述预定负载时选择地使至少一个低压电负载失能。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
监控横过所述低压总线的电压；和
当横过所述低压总线的监控电压超过预定第一电压时启动至少一个低压电负载。
5.如权利要求4所述的方法，还包括：当横过所述低压总线的电压超过大于所述预定第一电压的预定第二电压时，在启动所述至少一个低压电负载之后停用所述DC/DC转换器。
6.如权利要求5所述的方法，还包括：当横过所述低压总线的电压电平小于比所述预定第二电压更小的预定第三电压时，在停用所述DC/DC转换器之后，重新启动所述DC/DC转换器。
7.用于操作车载DC/DC转换器的方法，所述车载DC/DC转换器被构造成将源于车载高压源的高压电功率转换成处于调节后的电压电平的低压电功率，所述低压电功率通过低压总线分配，所述方法包括：
监控连接到所述低压总线的低压电池的充电状态和温度；
将DC/DC转换器命令设置到作为所述低压电池的所述充电状态和温度的函数的标称电压电平；
监控包括车辆前灯的低压电负载；和
当车辆在低于预定速度运行并且总低压电负载大于预定负载时将所述DC/DC转换器命令调节到最小低压参考电压；
监控横过所述低压总线的电压；和
当横过所述低压总线的监控电压超过预定第一电压时启动至少一个低压电负载。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：在启动所述至少一个低压电负载之后，当横过所述低压总线的电压超过大于所述预定第一电压的预定第二电压时停用所述DC/DC转换器。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：在停用所述DC/DC转换器之后，当横过所述低压总线的电压电平小于比所述预定第二电压更小的预定第三电压时重新启动所述DC/DC转换器。
10.用于操作车载DC/DC转换器的方法，所述车载DC/DC转换器被构造成将源于车载高压源的高压电功率转换成处于调节后的电压电平的低压电功率，所述低压电功率通过低压总线分配，所述方法包括：
监控连接到所述低压总线的低压电池的充电状态和温度；
将DC/DC转换器命令设置到作为所述低压电池的所述充电状态和温度的函数的标称电压电平；
监控包括被动低压电负载、主动低压负载、可控的低压电负载和用于所述低压电池的充电负载的总低压电负载；
监控横过所述低压总线的电压；和
当横过所述低压总线的监控电压超过第一电压时启动所述可控的低压电负载。
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