CN102810891B - 用于初始化充电系统的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于初始化充电系统的系统和方法，具体地，提供用于启动充电系统的系统和方法。该方法例如可包括但不限于：在能量转换模块具有百分之零的占空比的同时由充电系统向电池提供达第一预定阈值的递增提高的电压；在能量转换模块具有百分之零的占空比的同时由充电系统向电池提供从电池的初始电压电平达电压源的峰值电压的递增提高的电压；和通过递增提高能量转换模块的占空比由充电系统向电池提供递增提高的电压。

Description

用于初始化充电系统的系统和方法
关于联邦资助研究或开发的声明
本发明根据由美国能源部资助的政府支持协议No.DE-FC26-07NT43123作出。政府在本发明中具有一定的权利。
技术领域
在此描述的主题的实施例大体上涉及机动车辆中的电气系统，且更具体地，主题的实施例涉及一种启动能量输送系统的控制策略。
背景技术
插电式混合动力和全电动车辆近年来变得越来越普及。这些车辆典型地具有大的电池系统，所述大的电池系统在消耗大量功率的同时可能花许多小时充电。当前用于电池系统的充电系统被构造成插入住宅或商业电网。然而，当首先连接充电系统时，可产生大的电压尖峰，这可能潜在地损害充电系统和电池系统。
发明内容
根据一个实施例，提供一种用于启动充电系统的方法，所述充电系统具有被构造成基于占空比提供升压功能的能量转换模块。该方法可包括但不限于：在能量转换模块具有百分之零的占空比的同时由充电系统向电池提供达第一预定阈值的递增提高的电压；在能量转换模块具有百分之零的占空比的同时由充电系统向电池提供从电池的初始电压电平达电压源的峰值电压的递增提高的电压；和通过递增提高能量转换模块的占空比由充电系统向电池提供递增提高的电压。
根据另一实施例，提供一种充电系统。充电系统可包括但不限于：第一接口，其被构造成接纳电压源；能量转换模块，其电连接至接口；控制器，其通信地连接至能量转换模块。控制器被构造成控制能量转换模块，以在能量转换模块具有百分之零的占空比的同时向电池提供达第一预定阈值的递增提高的电压，在能量转换模块具有百分之零的占空比的同时向电池提供从电池的初始电压电平达电压源的峰值电压的递增提高的电压，和通过递增提高能量转换模块的占空比向电池提供递增提高的电压。
根据本发明的又一实施例，提供一种用于启动具有电连接至交流(AC)接口的能量转换模块的充电系统的方法。该方法包括但不限于：由控制模块使充电系统与连接至AC接口的AC电压源同步；由控制模块确定AC电压源的下次过零；由控制模块计算AC源的每个半循环的起动时间，以启动脉宽调制(PWM)控制信号，该控制信号被构造成使能量转换模块将电压转移至电池；和由控制模块从起动时间到AC电压源的半循环的近似结束产生PWM控制信号。
本发明还提供如下方案：
1.一种用于启动充电系统的方法，所述充电系统具有被构造成基于占空比提供升压功能的能量转换模块，所述方法包括：
在所述能量转换模块具有百分之零的占空比的同时由所述充电系统向电池提供达第一预定阈值的递增提高的电压；
在所述能量转换模块具有百分之零的占空比的同时由所述充电系统向所述电池提供从所述电池的初始电压电平到电压源的峰值电压的递增提高的电压；以及
通过递增提高所述能量转换模块的占空比由所述充电系统向所述电池提供递增提高的电压。
2.根据方案1所述的方法，其中所述电压源为交流(AC)电压源，并且所述方法还包括递增提高每隔所述AC电压源的半循环向所述电池提供的电压。
3.根据方案2所述的方法，还包括：当流过所述充电系统的电流低于预定阈值时，每隔所述AC电压源的半循环向所述电池提供递增提高的电压。
4.根据方案3所述的方法，其中在所述能量转换模块具有百分之零的占空比的同时由所述充电系统向电池提供达第一预定阈值的递增提高的电压还包括：
由所述充电系统计算与所述AC电压源的过零对应的下次过零事件的时间；
由所述充电系统计算相对于下次过零的时间并基于递增提高的控制电压的起动时间；以及
从所计算的起动时间到近似所述下次过零的时间产生脉宽调制控制信号。
5.根据方案3所述的方法，其中在所述能量转换模块具有百分之零的占空比的同时由所述充电系统向所述电池提供从所述电池的初始电压电平到电压源的峰值电压的递增提高的电压还包括：
由所述充电系统计算与所述AC电压源的过零对应的下次过零事件的时间；
由所述充电系统计算相对于下次过零的时间以起动控制信号并基于横跨所述电池测量的电压的起动时间；以及
从所计算的起动时间到近似所述下次过零的时间产生脉宽调制控制信号。
6.根据方案3所述的方法，其中通过递增提高所述能量转换模块的占空比由所述充电系统向所述电池提供递增提高的电压还包括：
贯穿所述AC电压源的每个半循环连续地产生脉宽调制控制信号，
其中所产生的脉宽调制控制信号控制所述能量转换模块的占空比。
7.一种充电系统，包括：
第一接口，其被构造成接纳电压源；
能量转换模块，其电连接至所述接口；以及
控制器，其通信地连接至能量转换模块，其中所述控制器被构造成控制所述能量转换模块，以：
在所述能量转换模块具有百分之零的占空比的同时向电池提供达第一预定阈值的递增提高的电压；
在所述能量转换模块具有百分之零的占空比的同时向所述电池提供从所述电池的初始电压电平达电压源的峰值电压的递增提高的电压；以及
通过递增提高所述能量转换模块的所述占空比向所述电池提供递增提高的电压。
8.根据方案7所述的充电系统，其中所述电压源为交流(AC)电压源，并且所述控制器还被构造成控制所述能量转换模块以递增提高每隔所述AC电压源的半循环向所述电池提供的电压。
9.根据方案8所述的充电系统，其中所述控制器还被构造成控制所述能量转换模块以便：当流过所述充电系统的电流低于预定阈值时，每隔所述AC电压源的半循环递增提高到所述电池的电压。
10.根据方案9所述的充电系统，其中所述控制器，在控制所述能量转换模块以在所述能量转换模块具有百分之零的占空比的同时向电池提供达所述第一预定阈值的递增提高的电压时，还被构造成：
计算与所述AC电压源的过零对应的下次过零事件的时间；
计算相对于下次过零的时间并基于递增提高的控制电压的起动时间；以及
从所计算的起动时间到近似所述下次过零的时间产生脉宽调制控制信号，以使所述能量转换模块将电压转移至所述电池。
11.根据方案9所述的充电系统，其中所述控制器，在控制所述能量转换模块以在所述能量转换模块具有百分之零的占空比的同时向电池提供从所述电池的初始电压电平达电压源的峰值电压的递增提高的电压时，还被构造成：
计算与所述AC电压源的过零对应的下次过零事件的时间；
计算相对于下次过零的时间以起动控制信号并基于横跨所述电池测量的电压的起动时间；以及
从所计算的起动时间到近似所述下次过零的时间产生脉宽调制控制信号，以使所述能量转换模块将电压转移至所述电池。
12.根据方案9所述的充电系统，其中所述控制器，在控制所述能量转换模块以通过递增提高所述能量转换模块的占空比来向所述电池提供递增提高的电压时，还被构造成：
贯穿所述AC电压源的每个半循环连续地产生脉宽调制控制信号，以使所述能量转换模块将电压转移至所述电池，
其中所产生的脉宽调制控制信号控制所述能量转换模块的占空比。
13.一种用于启动具有电连接至交流(AC)接口的能量转换模块的充电系统的方法，包括：
由控制模块使所述充电系统与连接至所述AC接口的AC电压源同步；
由所述控制模块确定所述AC电压源的下次过零；
由所述控制模块计算所述AC源的每个半循环的起动时间，以启动脉宽调制(PWM)控制信号，所述控制信号被构造成使所述能量转换模块将电压转移至电池；以及
由所述控制模块从所述起动时间到所述AC电压源的半循环的近似结束产生所述PWM控制信号。
14.根据方案13所述的方法，其中所述计算还包括：
基于计数器和第一预定电压递增计算控制电压；以及
基于所述AC电压源何时近似等于所述控制电压以及从所述AC源的所述相应半循环的相对峰值电压降低确定所述起动时间。
15.根据方案14所述的方法，其中在所述控制电压高于或等于预定阈值之后，所述方法还包括：
由所述控制模块测量横跨所述电池的电压；
由所述控制模块基于横跨所述电池测量的电压和第二预定电压递增计算所述AC源的每个半循环的起动时间；以及
由所述控制模块从所述起动时间到所述AC电压源的每个半循环的近似结束产生所述PWM控制信号。
16.根据方案15所述的方法，其中基于通过所述充电系统的电气部件的电压降改变所述起动时间。
17.根据方案15所述的方法，其中在横跨所述电池测量的电压高于或等于所述AC电压源的峰值电压之后，所述方法还包括：
由所述控制模块产生贯穿所述AC电压源的每个半循环的连续的PWM控制信号，
其中所述PWM控制信号的占空比从初始值递增提高至所述AC电压源的每个半循环的最高占空比。
18.根据方案17所述的方法，其中当流过所述充电系统的电流低于预定阈值时，所述PWM控制信号的所述占空比从所述初始值递增提高至所述AC电压源的每个半循环的最高占空比。
19.根据方案13所述的方法，其中所述过零是所述AC电压源的电压过零。
20.根据方案13所述的方法，其中所述过零是所述AC电压源的电流过零。
提供该发明内容，以便以简化的形式介绍以下在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。该发明内容不用于识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，并且也不用于帮助确定要求保护的主题的范围。
附图说明
可在结合以下的附图考虑时通过参考详细说明和权利要求得到对主题更完整的理解，其中相同的附图标记遍及附图指的是相似的元件。
图1是根据一个实施例适用于车辆的电气系统的示意图；
图2是图示根据一个实施例用于启动电气系统的第一阶段的流程图；
图3图示根据一个实施例在用于启动电气系统的第一阶段期间可利用的示例性控制信号；
图4是图示根据一个实施例用于启动电气系统的第二阶段的流程图；以及
图5是图示根据一个实施例用于启动电气系统的第三阶段的流程图。
具体实施方式
以下的详细说明本质上仅是说明性的，并且不意于限制主题或申请的实施例或这样的实施例的使用。如在此所使用地，文字“示例性的”是指“用作示例、实例或例证”。在此作为示范描述的任一实现不必被理解为相对于其他实现是优选的或者有利的。此外，无意受在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下的详细说明中介绍的任何明示的或暗示的理论限制。
下面的描述指“连接”或“耦接”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非有相反的明示陈述，“连接”是指一个元件/节点/特征直接结合至另一元件/结点/特征(或者与另一元件/节点/特征直接通信)，并且不一定是机械地。同样地，除非有相反的明示陈述，“耦联”是指一个元件/节点/特征直接或间接地结合至另一元件/节点/特征(或者与另一元件/节点/特征直接或间接地通信)，并且不一定是机械地。因此，尽管附图可描绘元件的一个示例性布置，但在所描绘的主题的实施例中可存在额外的居间元件、装置、特征或部件。另外，某些术语还可在以下的说明中仅用于参考的目的，并因而不意于是限制性的。除非由上下文清楚地表示，否则术语“第一”、“第二”和涉及结构的其他这样的数字术语不包含有次序或顺序的意思。
如在此所使用地，“节点”是指任何内部或外部参考点、连接点、接合、信号线、导电元件等，在所述“节点”处存在给定的信号、逻辑电平、电压、数据模式、电流或量。此外，两个或更多个节点可由一个物理元件实现(并且即使在共用节点处接收或输出，也能多路传输、调制或以另外的方式区别两个或更多个信号)。
图1描绘了适用于车辆诸如例如电动和/或混合动力车辆的电气系统100(或者替代性地，充电系统、充电器或充电模块)的示例性实施例。尽管以下的说明涉及用于电动和/或混合动力车辆的充电系统，但本领域的技术人员应认识到的是，可产生或改变其他的电气系统以利用在此讨论的特征。
电气系统100非限制性地包括第一接口102、第一能量转换模块104、隔离模块106、第二能量转换模块108、感应元件110、电容元件112、第二接口114和控制模块116。第一接口102通常表示用于将电气系统100耦联至DC能量源118的物理接口(例如端子、连接器等)，而第二接口114通常表示用于将电气系统100耦联至交流(AC)能量源120的物理接口(例如端子、连接器等)。因此，为了方便起见，第一接口102在此可称为DC接口，而第二接口114在此可称为AC接口。在示例性实施例中，如在此更详细地描述地，控制模块116耦联至转换模块104、108，并且操作转换模块104、108，以获得从AC能量源120到DC能量源118的所期望的功率流。
在示例性实施例中，DC能量源118(或者替代性地，能量存储源或ESS)能够从电气系统100在特定的DC电压电平(VDC)(由箭头160指示)接收直流电流(iDC)(由箭头150指示)。根据一个实施例，DC能量源118被实现为具有从大约两百至大约五百伏DC的标称DC电压范围的可再充电的高压电池组。在这点上，DC能量源118可包括用于车辆中的另一电气系统和/或电动机的一次能源。例如，DC能量源118可耦联至功率逆变器，所述功率逆变器被构造成向电动机提供电压和/或电流，所述电动机继而可使变速器接合，以便以传统的方式驱动车辆。在其他实施例中，DC能量源118可被实现为电池、燃料电池、超级电容器或另一合适的能量存储元件。
AC能量源120(或功率源)被构造成以特定的AC电压电平(VAC)(由箭头180指示)向充电系统100提供AC电流(iAC)(由箭头170指示)，并且可被实现为用于电力网(例如市电或网电)内的建筑、住宅或另一结构的主电源或主电气系统。根据一个实施例，AC能量源120包括取决于地理区域而改变的单相电源，如对于大部分住宅结构所常见。例如，在美国，AC能量源120可被实现为60Hz的220伏(RMS)或者240伏(RMS)，而在其他区域中，AC能量源120可被实现为50Hz的210伏(RMS)或者220伏(RMS)。在替代性实施例中，AC能量源120可被实现为适于具有充电系统100的操作的任何AC能量源。
如以下更详细地描述，DC接口102耦联至第一转换模块104，而AC接口114经由感应元件110耦联至第二转换模块108。隔离模块106耦联在转换模块104、108之间，并提供这两个转换模块104、108之间的电流隔离。控制模块116耦联至转换模块104和108，并操作第二转换模块108，以横跨隔离模块106将来自AC能量源120的能量转变成高频能量，其然后被转换模块104转变成DC接口102处的DC能量。应理解的是，尽管在此为了解释，可在电网到车辆的应用(例如，AC能量源120将能量输送至DC能量源118)的背景下描述主题，但在其他实施例中，在此描述的主题可在车辆到电网的应用(例如，DC能量源118将能量输送至AC接口114和/或AC能量源120)中实施和/或使用。
为了给DC能量源118充电，第一转换模块104将节点122和124处的高频能量转变成DC能量，所述DC能量在接口102处被提供至DC能量源118。在这点上，第一转换模块104在将高频AC能量转变成DC能量时操作为整流器。在图示的实施例中，第一转换模块104包括四个开关元件(52、54、56和58)，其中每个开关元件具有构造成与相应开关元件反并联的二极管(60、62、64和68)，以适应双向能量输送。如所示，电容器126被构造成横跨DC接口102电力地并联，以减少DC接口102处的电压脉动，如本领域所明白。
在示例性实施例中，开关元件(52、54、56和58)是晶体管，并且可利用任何合适的半导体晶体管开关实现，诸如绝缘栅双极型晶体管、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他相当装置。开关与二极管是反并联的，意味着开关与二极管以反向或逆极性电力地并联。如本领域所意识到地，反并联构造在单向地阻止电压的同时允许双向电流流动。在该构造中，通过开关的电流的方向与通过相应二极管的可容许电流的方向相反。反并联二极管横跨每个开关连接，以便为到DC能量源118的电流提供路径，从而当相应的开关断开时给DC能量源118充电。如以下更详细地描述地，在示例性实施例中，控制模块116操作第一转换模块104的开关，以便为从DC能量源118到隔离模块106的电流提供路径，从而在第二转换模块108的节点134、136处提供注入电流。
在图示的实施例中，开关52连接在DC接口102的节点128与节点122之间，并被构造成当开关52闭合时为从节点128到节点122的电流流动提供路径。二极管60连接在节点122与节点128之间，并被构造成为从节点122到节点128的电流流动提供路径(例如，二极管60与开关52反并联)。开关54连接在DC接口102的节点130与节点122之间，并被构造成当开关54闭合时为从节点122到节点130的电流流动提供路径，而二极管62连接在节点122与节点130之间，并被构造成为从节点130到节点122的电流流动提供路径。以相似的方式，开关56连接在节点128与节点124之间，并被构造成当开关56闭合时为从节点128到节点124的电流流动提供路径，二极管64连接在节点124与DC接口102之间，并被构造成为从节点124到节点128的电流流动提供路径，开关58连接在节点130与节点124之间，并被构造成当开关58闭合时为从节点124到节点130的电流流动提供路径，并且二极管66连接在节点124与DC接口102之间，并被构造成为从节点130到节点124的电流流动提供路径。
在示例性实施例中，第二转换模块108利于电流(或能量)从AC能量源120和/或感应元件110到隔离模块106的流动。在图示的实施例中，以如以上关于第一转换模块104所提出的相似的方式，第二转换模块108被实现为包括八个开关元件(20、22、24、26、28、30、32和34)的前端单相矩阵变换器，其中每个开关元件具有与相应开关元件反并联构成的二极管(36、38、40、42、44、46、48和50)。为了方便起见，但非限制地，第二转换模块108在此可替代性地称为矩阵转换模块(或矩阵变换器)或周波变换器。如以下更详细地描述地，控制模块116调整(例如打开和/或闭合)矩阵变换器108的开关(20、22、24、26、28、30和34)，以便在节点122、124处产生高频电压，从而获得到DC接口102和/或DC能量源118的所期望的功率流。
在图1的图示的实施例中，第一对开关(20和22)与二极管(36和38)耦联在节点132与节点134之间，其中第一对开关与反并联二极管(例如20和36)配置有与第二对开关与反并联二极管(例如22和38)相反的极性。这样，开关20与二极管38被构造成当开关20闭合、接通或以另外的方式启动并且节点134处的电压比节点132处的电压正得多时，为从节点134通过开关20和二极管38到节点132的电流流动提供路径。开关22与二极管36被构造成当开关22闭合、接通或以另外的方式启动并且节点132处的电压比节点134处的电压正得多时，为从节点132通过开关22和二极管36到节点134的电流流动提供路径。以相似的方式，第二对开关(24和26)与二极管(40和42)耦联在节点136与节点138之间，第三对开关(28和30)与二极管(44和46)耦联在节点132与节点136之间，第四对开关(32和34)与二极管(48和50)耦联在节点134与节点138之间。
在图示的实施例中，开关20、24、28和32包括第一组开关，当通过感应元件110的电流负向流动时(例如iL＜0)，所述第一组开关能够整流通过感应元件110(iL)(由箭头190指示)从节点132到节点138的电流，而开关22、26、30和34包括第二组开关，当通过感应元件110的电流沿正向流动时(例如iL＞0)，所述第二组开关能够整流通过感应元件110从节点138到节点132的电流，如以下更详细地所描述。换句话说，开关20、24、28和32能够传导沿负向流过感应元件110(例如iL＜0)的电流的至少一部分，而开关22、26、30和34能够传导沿正向流过感应元件110(例如iL＞0)的电流的至少一部分。如在此所使用地，整流应被理解为通过矩阵变换器108的开关和二极管使电流循环通过感应元件110的过程，使得通过感应元件110的电流的流动不中断。
在示例性实施例中，隔离模块106包括连接在第一转换模块104的节点122与124之间的第一组绕组144和连接在节点134与136之间的第二组绕组146。为了解释，绕组146在此可被认为包括初级绕组级(或初级绕组)，而绕组144的组在此可被认为包括次级绕组级(或次级绕组)。如本领域所意识到地，绕组144和146提供以传统方式磁耦联的感应元件，以形成变压器。在示例性实施例中，隔离模块106被实现为高频变压器。在这点上，隔离模块106包括设计用于诸如转换模块104和108的开关的开关频率(例如50Hz)的高频的特定功率水平的变压器，导致变压器的物理尺寸相对于设计用于诸如AC能量源120的频率(例如市电频率)的较低频率的相同功率水平的变压器得到减小。
在示例性实施例中，感应元件110被实现为在矩阵变换器108的节点132与AC接口114的节点140之间电力地串联构成的感应器（电感器）。因此，为了方便起见，但在无限制的情况下，感应元件110在此称作感应器。感应器110在电气系统100的操作期间用作高频感应能量存储元件。如本领域所意识到地，电容元件112被实现为耦联在AC接口114的节点140与节点142之间的电容器，而电容器112与感应器110被合作地构造成提供高频滤波器，以使AC接口114处的电压脉动最小。
控制模块116通常表示被构造成操作和/或调整转换模块104和108的开关以获得所期望的从AC能量源120到DC能量源118的功率流的硬件、固件和/或软件。取决于实施例，控制模块116可用通用处理器、微处理器、微控制器、相联存储器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、任何合适可编程的逻辑装置、分立栅极或晶体管逻辑、分立硬件部件或它们的被设计成支持和/或执行在此描述的功能的任何组合实施或实现。
在正常操作期间，在起动周期之后，对于电网到车辆的应用，控制模块116确定脉宽调制(PWM)指令信号，所述脉宽调制(PWM)指令信号控制矩阵变换器108的开关(20-34)的定时和占空比，以产生横跨隔离模块106的初级绕组146的高频AC电压，所述高频AC电压在节点122和124处感生横跨次级绕组144的电压，从而导致流向DC接口102的所期望的电流(iDC)，以给DC能量源118充电。例如，根据一个实施例，控制模块116产生正弦PWM可变占空比控制信号，所述正弦PWM可变占空比控制信号控制状态机变迁并从而控制开关(20-34)的占空比，以实现开关间隔期间合适的开关模式(例如开关频率的反转)。控制模块116获得、监测或以另外的方式采样DC接口102处的电压(VDC)，并将获得的DC电压与参考电压(例如所期望的DC接口102的电压)比较，以获得误差信号，将所述误差信号与对应于开关频率(例如50Hz)的高频载波信号比较，以获得正弦PWM调制占空比。当误差信号低于载波信号时，控制模块116操作开关20-34，以有效地短路节点132与138，并使能量循环通过矩阵变换器108，以横跨感应器110施加电压。当误差信号高于载波信号时，控制模块116操作开关(20-34)，以释放感应器110的储能和/或电压(替代性地，驰返式（fly-back）电压)。驰返式电压与AC接口114处的电压的和被施加于隔离模块106的初级绕组146，导致到节点122和124和/或DC能量源118的功率转移。控制模块116重复操作开关(20-34)的步骤，以便当误差信号变得低于载波信号时使能量循环通过矩阵变换器108，而当误差信号高于载波信号时释放感应器110的储能。这样，矩阵变换器108贯穿充电系统100的操作根据需要在使能量循环通过感应器110与向隔离模块106和/或DC接口102输送能量之间交替变化。
应理解的是，图1是为了解释的电气系统100的简化表示，并且不意于以任何方式限制在此描述的主题的范围或应用。因此，尽管图1描绘了电路元件和/或端子之间的直接电连接，但替代性的实施例在以大致相似的方式运行的同时可采用居间电路元件和/或部件。另外，尽管在此在用于车辆的矩阵变换器108的背景下描述电气系统100，但主题不意于受限于车辆和/或机动车应用，并且在此描述的主题可在利用开关元件将能量转换模块(例如降压变换器、升压变换器、功率逆变器、电流源逆变器和/或变换器、电压源逆变器和/或变换器等)用于转移能量的任何应用中实现。
图2是图1所图示的电气系统100的示例性初始起动阶段的流程图200。初始起动阶段以及以下讨论的随后的起动阶段可例如由控制模块116控制。初始起动阶段通过使电气系统100与AC能量源120同步开始。(步骤202)。如以下更详细地讨论地，在起动阶段期间，控制模块116基于AC能量源120的过零发出PWM控制信号。在一个实施例中，例如，控制模块116包括锁相回路(PLL)，以使电气系统100与AC能量源120同步。在其他实施例中，控制模块可利用硬件、软件或它们的任何组合，以确定AC能量源120的过零。
控制模块于是初始化初始起动循环。(步骤204)。为了安全地启动电气系统100以给电容器126和/或DC能量源118充电，控制模块116使用PWM信号以控制开关20-34和52-58，以缓慢建立横跨电容器126和/或DC电压源118的充电。如以上所讨论地，驰返式电压与AC接口114处的电压的和被施加于隔离模块106的初级绕组146，导致到节点122和124和/或DC能量源118的功率转移。在初始起动阶段期间，电气系统100被构造成具有百分之零的占空比，使得驰返式电压为零伏(即没有电压升高)。例如，在示例性半循环中，电气系统100在提供百分之零的占空比时、在闭合开关22、26、28和32的同时将打开开关20、24、30和34。在随后的半循环中，在闭合开关20、24、30和34的同时将打开开关22、26、28和32。如以下更详细地讨论地，当提供升压时，控制模块116基于所期望的占空比将所有的开关20-34打开达预定时间。
步骤204中的初始化例如可基于电气系统的构造和电压升高的速率改变，使得能安全地起动电气系统100。控制模块116可产生或初始化起动计数器以控制控制回路(以下更详细地讨论的步骤206-226)，并确定在每个全循环通过控制回路提高电压并转移至电容器126和/或DC电压源118的电压递增量。控制模块116确定起动阶段的最高电压和/或对应的最大计数器值。在一个实施例中，例如，电压递增可以是一伏，最高电压可以是二十伏，并且对应的最大计数器值为二十。在另一实施例中，例如，电压递增可以是十分之一伏，最高电压可以是二十伏，并且对应的最大计数器值为二百。然而，电压递增和最高电压可取决于电气系统100的构造、DC电压源118的电压和AC接口114的电压改变。在另一实施例中，例如，计数器在第一阶段中的最大值可对应于AC源120的峰值电压。
控制模块116于是等待下次过零。(步骤206)。控制模块116于是计算下次过零什么时候出现。(步骤208)。如以上所讨论地，AC接口114可附接至AC功率源。在美国，例如，标准AC功率源以60赫兹操作。因此，在一个实施例中，例如，AC接口的过零可近似每隔8.3333ms出现；然而，可使用其他的频率。
控制模块116于是计算PWM信号的起动时间，以在下次计算的过零之前起动PWM信号。(步骤210)。换句话说，在起动阶段中，仅在每个AC半循环的尾端产生PWM信号。在每个AC半循环的结尾，AC接口114的线电压低并接近零。因此，从AC接口114流入感应器110的任何电流逐渐减小至零。由于当PWM信号结束时，通过感应器110的电流逐渐减小至零，所以在电气系统100中不存在不得不考虑的过量电流。在一个实施例中，例如，控制模块116基于以下方程计算起动时间：
其中ZeroCross(x+1)是来自步骤208的下次所计算的过零，而控制电压ControlVoltage(x)是在步骤204中确定的电流起动计数器值与电压递增量的乘积。尽管示例性流程图图示了当初始化电气系统100时实时计算下次起动时间的控制模块，但起动时间可在任何时间计算。在另一实施例中，例如，控制模块116可预先计算起动时间。
控制模块116然后等待计算的起动时间。(步骤212)。在计算的起动时间时，控制模块116开始具有百分之零的占空比的PWM信号。(步骤214)。如以上所讨论地，控制模块116在初始和第二阶段中发出具有百分之零的占空比的PWM信号，这不提供升压功能。在以下更详细地讨论地，开关20-34可被构造成从感应器110通过隔离模块106向电容器126和/或DC电压源118提供驰返式电压。升压功能允许电气系统100提供比AC接口114的峰值电压高的电压，以给电容器126和/或DC电压源118充电。在一个实施例中，例如，DC电压源是电动或混合动力车辆中的可再充电电池。在该实施例中，可再充电电池可具有三百伏的峰值电压。相反，AC源120可以是家中的标准美国电源插座，以提供一百七十伏的峰值电压。
一旦PWM信号开始，控制模块116就监测流过感应器110的电流190的量。如果电流超过预定阈值，则控制模块停止PWM信号。(步骤222)。预定阈值例如可基于对电气系统100可能出现损害的阈值固定。在一个实施例中，例如，预定阈值为十安培。在其他实施例中，预定阈值例如可基于当前控制电压改变。
如果通过感应器110的电流190没超过预定阈值，则控制模块确定是否已到达PWM停止时间。(步骤218)。在一个实施例中，例如，PWM停止时间可以是在步骤208中计算的过零时间。如果没有到达PWM停止时间，则控制模块116返回至步骤216，并继续监测通过感应器110的电流190。如果已到达PWM停止时间，则控制模块116使起动计数器递增。(步骤220)。控制模块于是停止PWM信号。(步骤222)。在一个实施例中，例如，控制模块116可在过零点停止PWM信号。在另一实施例中，控制模块116可在电流过零点或在过零之后的某一其他预定的点停止PWM信号。
控制模块116于是确定起动计数器是否已达到其最终值，以发出初始起动阶段结束的信号。(步骤224)。如果起动计数器低于最终值，则控制模块返回至步骤208，以确定什么时候出现下次过零。如果计数器等于最终值，则控制模块进入第二阶段，如以下更详细地讨论。(步骤226)。
图3图示了初始起动阶段期间的示例性循环的时序图300。应指出的是，图3没有按比例绘制。如图3中所看到地，与AC接口114的电压对应的信号314在时间302具有过零。如以上所讨论地，控制模块确定在过零时间302之前的起动时间304，在该点处，控制模块116启动分别与开关20-34对应的PWM信号320-334。如以上所讨论地，假定流过感应器110的电流190不超过预定阈值，则初始起动阶段的随后循环将具有比先前循环早的起动时间。例如，随后的起动时间可以在时间周期306。
图4是图1所图示的电气系统100的示例性第二起动阶段的流程图400。在第二起动阶段中，控制模块116将电容器和/或DC电压源118充电至AC电压接口114的峰值AC电压。取决于第一起动阶段之后横跨电容器的电压，该第二起动阶段是可选的。如以上所讨论地，可选择第一起动阶段中的计数器，以将电容器和/或DC电压源118的充电提高至AC电压接口114的峰值AC电压。
控制模块116首先等待AC线电压过零。(步骤402)。控制模块于是以与相对于初始起动阶段所讨论的相同的方式计算下次过零并将时间存储为下次PWM停止事件。(步骤404)。
控制模块116于是计算PWM信号的起动时间，以在下次计算的过零与控制电压之前起动PWM信号。(步骤406)。与起动时间基于计数器的初始起动阶段形成对比，在第二起动阶段中，起动时间基于输出电压。输出电压例如可以是电容器126的电压和/或DC电压源118的电压。在一个实施例中，例如，控制模块116测量横跨DC电压源118的电压。控制模块于是通过向横跨DC电压源118的测量电压添加预定的常数确定控制电压。在一个实施例中，例如，预定的常数可在二至六伏的范围内；然而，预定的常数基于电气系统100的构造和电气系统在百分之零的占空比的情况下能多快地安全斜升至峰值电压能变化至二至六伏的范围外。此外，在其他实施例中，可基于测量的输出电压改变贯穿第二阶段的每个循环向控制电压添加的电压量。进一步，在其他实施例中，可基于横跨电气系统100的半导体装置(例如开关20-34)的计算的电压降调节向控制电压添加的电压量。
控制模块于是等待计算的PWM起动时间。(步骤408)。一旦到达计算的PWM起动时间，控制模块116就开始发出PWM信号，以控制开关20-34，使得在百分之零的占空比的情况下将电压转移至电容器126和/或DC电压源118。如以上所讨论地，开关20-34可由控制模块116控制，以向电容器126和/或DC电压源118提供高于AC接口114的峰值电压的电压(即提供升压)。然而，在第二起动循环中，百分之零的占空比被使用，不提供升压。尽管可使用其他构造，但图1所图示的电气系统的构造的一个益处是，即使当控制模块116将第二能量转换模块108配置成具有百分之零的占空比，电压也仍然横跨隔离模块106转移，以允许控制模块116向电容器126和/或DC电压源118提供电压。
在控制模块116开始发出对应的PWM信号之后，控制模块监测通过感应器110的电流190的量。(步骤412)。如果电流190超过可能出现对电气系统100的损害的预定阈值，则控制模块对第二起动阶段随后的循环降低控制电压。(步骤416)。
如果通过感应器110的电流190没超过预定阈值，则控制模块确定是否已到达PWM停止时间。(步骤414)。如以上所讨论地，PWM停止时间可在AC接口114的过零。在其他实施例中，PWM停止时间例如可在过零之前或之后不久。如果没有到达PWM停止时间，则控制模块116返回至步骤412，并继续监测通过感应器110的电流190。如果已到达PWM停止时间，则控制模块测量输出电压(即横跨电容器126和/或DC电压源118的电压)。(步骤418)。如果输出电压高于或等于AC接口114的峰值AC电压，则控制模块进入起动程序的第三阶段。(步骤420)。如果输出电压低于AC接口114的峰值AC电压，则控制模块返回至步骤402并返回至步骤404，以如以上所讨论地计算随后的过零。
图5是图1所图示的电气系统100的示例性第三起动阶段的流程图500。与在控制模块116仅在循环的一部分期间产生PWM信号的初始和第二阶段形成对比，在第三阶段中，连续地产生PWM信号。如以上所讨论地，对于初始起动阶段和第二起动阶段，控制模块116产生PWM信号，以控制开关20-34，使得存在百分之零的占空比。如以下更详细地讨论地，在第三阶段中，控制模块使占空比从百分之零斜升至最大值，以通过产生电压尖峰提供升压功能。
当电流流过感应器110时，占空比与PWM周期的比例相关联。例如，如果控制模块116使占空比斜升至10%，则控制模块116控制开关20-34，以允许电流流过感应器116达AC半循环的10%，从而将能量储存在感应器中。当控制模块116通过打开开关20-34中的一些开关来中断从AC接口114的电流路径时，感应器释放储能，以提供升压(即提高转移至电容器126和/或DC能量源118的能量的电压)。
在图1所图示的实施例中，输入电压源是附接在AC接口114处的AC能量源120。由于AC能量源120的电压沿着正弦波调整，所以同样与占空比成比例的升压量取决于AC能量源120的相位角而改变。产生给定输出电压所需的升压与瞬时AC电压成反比。换句话说，在AC能量源120的过零处，需要的升压是无限的，而在AC半循环的峰值处，需要的升压为相对的极小值。
控制模块116首先计算维持在第二阶段中达到的输出电压所需的PWM占空比。(步骤502)。对于首次通过第三起动阶段，初始占空比例如可以是百分之零。控制模块116于是将计算的占空比与最大占空比钳制值比较。(步骤504)。最大占空比钳制值对应于最大占空比，控制模块116将允许当前AC半循环。对于首次通过第三起动阶段，最大钳制值例如可设定成百分之零。在其他实施例中，初始最大钳制值可设定成标称量例如百分之二。在不存在过电流的每个半AC循环之后，向上调节最大钳制值，如以下更详细地讨论。在该占空比钳制上升周期期间，计算并使用单个占空比，直到钳制提高至其最终值为止。该占空比是基于已知的系统参数、设计成使电容器电压升压至其目标值的估计。
如果(来自步骤502的)计算的PWM占空比高于最大占空比钳制值，则控制模块116将PWM占空比钳制至钳制值(步骤506)。储存在感应器110中的能量与占空比成比例。该能量在每个PWM循环中释放。电流从感应器110是否流向电容器126和/或DC能量源118取决于横跨电容器126和/或DC能量源118的电压。
控制模块116于是继续基于计算的PWM占空比以及计算的PWM占空比对于当前AC半循环是否高于最大占空比钳制值产生PWM信号。(步骤508)。如果计算的PWM占空比对于当前AC半循环高于最大占空比钳制值，则控制模块116产生PWM信号，以维持当前占空比。如果计算的PWM占空比对于当前AC半循环低于最大占空比钳制值，则控制模块116产生PWM信号，以提高当前占空比。换句话说，控制模块116计算将产生稍微接近所期望的输出电压的占空比。在整个第三起动阶段期间使用该占空比。在计算占空比之后，控制器计算最终钳制值例如当前占空比加上百分之五。例如，如果计算的占空比为百分之十，则最终的钳制值为百分之十五。控制模块116将开始使钳制从零斜升。由于占空比不能高于钳制，所以占空比将跟随钳制上升至百分之十。当钳制继续上升时，占空比将保持在百分之十，这将产生差不多在所期望的输出电压周围的输出电压。
控制模块116于是监测在电气系统100中流动的电流的量。(步骤510)。如果电流的量超过预定阈值，则控制模块116设定过电流标志。(步骤512)。
控制模块116于是确定AC半循环是否完成。(步骤514)。换句话说，控制模块监测，以了解在AC接口114上是否已出现过零。如果过零没有出现，则控制模块返回至步骤502，以计算横跨电容器126和/或DC电压源118测量的输出电压所需的PWM占空比。
如果已出现过零，则控制模块116确定在AC半循环期间是否设定过电流标志。(步骤516)。如果在AC半循环期间已设定过电流标志，则控制模块清除过电流标志并返回至步骤504。
如果在上一AC半循环没有设定过电流标志，则控制模块166提高最大占空比钳制值。(步骤520)。在一个实施例中，例如，使最大占空比钳制值对于没有设定过电流标志的每个AC半循环提高预定的量。例如，在一个实施例中，使最大占空比钳制值对于没有设定过电流标志的每个AC半循环提高0.5%。最大占空比钳制值提高的量可取决于电气系统100的构造和在不损害电气系统100的情况下能使占空比提高多快而改变。
控制模块于是确定最大占空比钳制值是否高于或等于所期望的最高占空比。(步骤522)。在一个实施例中，例如，所期望的最高占空比为百分之九十四。然而，所期望的最高占空比可取决于电气系统的构造改变。例如，在其他实施例中，所期望的最高占空比可从百分之九十至百分之九十五变动。占空比需要一些断开时间，以产生使电气系统100的输出升压的驰返式电压。如果最高占空比钳制值低于所期望的最高占空比，则过程返回至步骤502。如果最高占空比钳制值高于或等于所期望的最高占空比，则起动完成，并且电气系统开始正常操作。(步骤524)。在另一实施例中，控制模块116可将第三阶段的所期望的最高占空比设定在比总的最高占空比低的值。在该实施例中，控制模块116可被构造成在正常操作期间使占空比斜升至总的最高值。
为了简洁起见，在此可能没有详细地描述与电能和/或功率转换、电气充电系统、功率变换器、脉宽调制(PWM)及系统(以及系统单独的操作部件)的其他功能方面相关的传统技术。此外，在此包含的各种附图中示出的连接线意于表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理耦联。应指出的是，在主题的实施例中可存在许多替代性的或附加的功能关系或物理连接。
在此可根据功能和/或逻辑块部件、并参考可由各种计算部件或装置执行的操作的符号表示、处理任务和功能描述技术和工艺。应意识到，在附图中示出的各种块部件可由被构造成执行指定的功能的任意数量的硬件、软件和/或固件部件实现。例如，系统或部件的实施例可采用可在一个或多个微处理器或其他控制装置的控制下实现各种功能的各种集成电路部件，例如存储元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查阅表等。
尽管在前述详细说明中已介绍了至少一个示例性实施例，但应意识到的是，存在许许多多的变体。还应意识到的是，在此描述的一个或多个示例性实施例不意于以任何方式限制要求保护的主题的范围、适用性或构造。相反地，前述详细说明给本领域的技术人员提供用于实现描述的一个或多个示例性实施例的便利指导。应理解的是，在不偏离由权利要求限定的在提交该专利申请时包括已知的等同和可预见到的等同的范围的情况下，可在元件的功能和布置中作出各种变化。

Claims (20)

1.一种用于启动充电系统的方法，所述充电系统具有被构造成基于占空比提供升压功能的能量转换模块，所述方法包括：
自从所述能量转换模块具有百分之零的占空比开始由所述充电系统向电池提供达第一预定阈值的递增提高的电压；
自从所述能量转换模块具有百分之零的占空比开始由所述充电系统向所述电池提供从所述电池的初始电压电平到电压源的峰值电压的递增提高的电压；以及
通过递增提高所述能量转换模块的占空比由所述充电系统向所述电池提供递增提高的电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电压源为交流电压源，并且所述方法还包括递增提高每隔所述交流电压源的半循环向所述电池提供的电压。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：当流过所述充电系统的电流低于预定阈值时，每隔所述交流电压源的半循环向所述电池提供递增提高的电压。
4.根据权利要求3所述的方法，其中自从所述能量转换模块具有百分之零的占空比开始由所述充电系统向电池提供达第一预定阈值的递增提高的电压还包括：
由所述充电系统计算与所述交流电压源的过零对应的下次过零事件的时间；
由所述充电系统计算相对于下次过零的时间并基于递增提高的控制电压的起动时间；以及
从所计算的起动时间到所述下次过零的时间产生脉宽调制控制信号。
5.根据权利要求3所述的方法，其中自从所述能量转换模块具有百分之零的占空比开始由所述充电系统向所述电池提供从所述电池的初始电压电平到电压源的峰值电压的递增提高的电压还包括：
由所述充电系统计算与所述交流电压源的过零对应的下次过零事件的时间；
由所述充电系统计算相对于下次过零的时间以起动控制信号并基于横跨所述电池测量的电压的起动时间；以及
从所计算的起动时间到所述下次过零的时间产生脉宽调制控制信号。
6.根据权利要求3所述的方法，其中通过递增提高所述能量转换模块的占空比由所述充电系统向所述电池提供递增提高的电压还包括：
贯穿所述交流电压源的每个半循环连续地产生脉宽调制控制信号，
其中所产生的脉宽调制控制信号控制所述能量转换模块的占空比。
7.一种充电系统，包括：
第一接口，其被构造成接纳电压源；                
能量转换模块，其电连接至所述接口；以及
控制器，其通信地连接至能量转换模块，其中所述控制器被构造成控制所述能量转换模块，以：
自从所述能量转换模块具有百分之零的占空比开始向电池提供达第一预定阈值的递增提高的电压；
自从所述能量转换模块具有百分之零的占空比开始向所述电池提供从所述电池的初始电压电平达电压源的峰值电压的递增提高的电压；以及
通过递增提高所述能量转换模块的所述占空比向所述电池提供递增提高的电压。
8.根据权利要求7所述的充电系统，其中所述电压源为交流电压源，并且所述控制器还被构造成控制所述能量转换模块以递增提高每隔所述交流电压源的半循环向所述电池提供的电压。
9.根据权利要求8所述的充电系统，其中所述控制器还被构造成控制所述能量转换模块以便：当流过所述充电系统的电流低于预定阈值时，每隔所述交流电压源的半循环递增提高到所述电池的电压。
10.根据权利要求9所述的充电系统，其中所述控制器，在控制所述能量转换模块以自从所述能量转换模块具有百分之零的占空比开始向电池提供达所述第一预定阈值的递增提高的电压时，还被构造成：
计算与所述交流电压源的过零对应的下次过零事件的时间；
计算相对于下次过零的时间并基于递增提高的控制电压的起动时间；以及
从所计算的起动时间到所述下次过零的时间产生脉宽调制控制信号，以使所述能量转换模块将电压转移至所述电池。
11.根据权利要求9所述的充电系统，其中所述控制器，在控制所述能量转换模块以自从所述能量转换模块具有百分之零的占空比开始向电池提供从所述电池的初始电压电平达电压源的峰值电压的递增提高的电压时，还被构造成：
计算与所述交流电压源的过零对应的下次过零事件的时间；
计算相对于下次过零的时间以起动控制信号并基于横跨所述电池测量的电压的起动时间；以及
从所计算的起动时间到所述下次过零的时间产生脉宽调制控制信号，以使所述能量转换模块将电压转移至所述电池。
12.根据权利要求9所述的充电系统，其中所述控制器，在控制所述能量转换模块以通过递增提高所述能量转换模块的占空比来向所述电池提供递增提高的电压时，还被构造成：
贯穿所述交流电压源的每个半循环连续地产生脉宽调制控制信号，以使所述能量转换模块将电压转移至所述电池，
其中所产生的脉宽调制控制信号控制所述能量转换模块的占空比。
13.一种用于启动具有电连接至交流接口的能量转换模块的充电系统的方法，包括：
由控制模块使所述充电系统与连接至所述交流接口的交流电压源同步；
由所述控制模块确定所述交流电压源的下次过零；
由所述控制模块计算所述交流电压源的每个半循环的起动时间，以启动脉宽调制控制信号，所述控制信号被构造成基于所述脉宽调制控制信号使所述能量转换模块将电压转移至电池；以及
由所述控制模块从所述起动时间到所述交流电压源的半循环的结束产生所述脉宽调制控制信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述计算还包括：
基于计数器和第一预定电压递增计算控制电压；以及
基于所述交流电压源何时等于所述控制电压以及从所述交流电压源的相应半循环的相对峰值电压降低确定所述起动时间。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在所述控制电压高于或等于预定阈值之后，所述方法还包括：
由所述控制模块测量横跨所述电池的电压；
由所述控制模块基于横跨所述电池测量的电压和第二预定电压递增计算所述交流电压源的每个半循环的起动时间；以及
由所述控制模块从所述起动时间到所述交流电压源的每个半循环的结束产生所述脉宽调制控制信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中基于通过所述充电系统的电气部件的电压降改变所述起动时间。
17.根据权利要求15所述的方法，其中在横跨所述电池测量的电压高于或等于所述交流电压源的峰值电压之后，所述方法还包括：
由所述控制模块产生贯穿所述交流电压源的每个半循环的连续的脉宽调制控制信号，
其中所述脉宽调制控制信号的占空比从初始值递增提高至所述交流电压源的每个半循环的最高占空比。
18.根据权利要求17所述的方法，其中当流过所述充电系统的电流低于预定阈值时，所述脉宽调制控制信号的所述占空比从所述初始值递增提高至所述交流电压源的每个半循环的最高占空比。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述过零是所述交流电压源的电压过零。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述过零是所述交流电压源的电流过零。
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