CN104396116A - 用于控制机动车辆电池的充电器的、减少由于切换导致的损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制机动车辆的电池充电器的方法，该电池充电器包括一个输入滤波器(1)，该输入滤波器将一个三相供电电路连接至一个降压斩波变换器(2)，一个升压斩波电路(3)被连接至该降压斩波变换器(2)和电池(BAT)。该方法包括以下步骤：基于一个电池电流测量值与一个电池电流请求之间的差值确定在该降压斩波变换器(2)的输出端阈值电压；使该降压斩波变换器(2)的输出电压保持恒定；以及控制该升压斩波级(3)的开关以便使这些开关保持断开。

Description

用于控制机动车辆电池的充电器的、减少由于切换导致的损耗的方法

技术领域

本发明的技术领域是对高功率充电器的控制，并且更具体地讲是减少该高功率充电器中的损耗。

背景技术

现有的电池充电器在高的功率(例如43kW)下起作用、并且是高度有效的。然而，在这些功率水平时，1％的效率变化表示400W功率消耗的差异。在另一方面，高的效率(例如90％)表示要消散4kW的热量。

专利申请FR 2964510中描述了此类的一种用于电动车辆的、使用三相供电网的充电器。在这篇申请中，额外的电感电路和电动机器中的损耗与在其中流动的电流成比例。出于不同的原因，中性电流设定点必须始终大于这些输入电流和电池电流。因为建模噪声和不确定性，在该中性电流设定点与这另两个电流之间要求一个裕度，以便提供上述关系。为了以43kW对一个300V电池进行充电，电池电流必须是143A。当前生产的车辆包括中性电流设定点为175A的充电器。

因此，显然对于提高效率和降低有待消散的热量存在一种需求。

本专利申请的一个目的是提供一种用于控制电池充电器的、允许中性电流等于电池电流并且使其尽可能小的方法。

现今，这个问题是通过减小中性电流设定点来解决的。该中性电流越低，充电器的效率就越好。在另一方面，该中性电流越高，对充电电流的调节就越好。因此必须找到一种折衷方案。由于这种折衷方案，通过目前可获得的装置解决该问题限制了有可能下降到的中性电流。该中性电流极限是175A。

以下文献在现有技术中是已知的。

FR 2943188披露了一种针对单相或三相电网的充电器的构架以及其总体控制原理。

US 2006209574披露了一种包括二极管整流器和电容的电力电源，以用于提供一个恒定电压的目的，再加上一个自耦变压器用于调节输出电压水平。

WO 2011115330披露了一种使用变压器并且通过改变次级绕组的匝数快速调节电压水平的自动电压调节器。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于控制机动车辆的电池充电器的方法，该电池充电器包括一个输入滤波器，该输入滤波器将一个三相供电电路连接至一个串联斩波器，一个升压斩波(boost)电路在一方面被连接至该串联斩波器、并且在另一方面被连接至电池。该方法包括以下步骤：

基于一个电池电流测量值与一个电池电流请求之间的差值确定在该串联斩波器的输出端的阈值电压，

使该串联斩波器的输出电压保持恒定，以及

按以下方式控制该升压斩波级的开关，即：使这些开关保持断开。

该串联斩波器可以包括三个相，即这三个相中电压最大的一个高压相、这三个相中电压最小的一个低压相、以及一个中间相。

通过执行以下步骤可以使该串联斩波器的输出电压保持恒定：

控制该串联斩波器的中间相的高压开关和低压开关以便闭合，如果在该串联斩波器的输出端的阈值电压低于该低压相的电压，则控制该低压相的高压开关的斩波以便发生一个第一占空比；否则，闭合该低压相的高压开关并且控制该高压相的低压开关的斩波以便发生一个第二占空比。

该串联斩波器的输出端的电流设定点可以始终大于从该三相供电网接收的电流并且大于该电池电流。

附图说明

从单纯以非限制性实例并且参照附图提供的以下说明中将显现其他目的、特征和优点，在附图中：

-图1示出了由根据本发明的控制方法控制的一个充电器，

-图2以一种简化的形式示出了这个充电器的升压斩波电路的主要元件，

-图3更详细地示出了由根据本发明的控制方法控制的一个充电器的降压斩波电路，并且

-图4示出了根据本发明的一个控制系统的积分调节器。

具体实施方式

图1示出了由根据本发明的控制方法控制的一个充电器。该图示出了一个输入滤波器1将该充电器连接至三相电路，输入滤波器1被连接至一个降压斩波(buck)电路2的输入端，该降压电路在其输出端发送一个电压V_kn和一个电流I_n。该输入滤波器可以针对供电网的每个供电相包括一个缓冲电路，该缓冲电路包括与一个阻抗L₁串联的一个电阻R，这个组合与一个阻抗L₂并联。这些缓冲电路各自可以对流入该系统中的电流进行滤波；例如，该缓冲电路(L₁，L₂，R)可以对来自该供电网的相V₁的电流I进行滤波。这些缓冲电路各自的输出端还被连接至一个电容器C的一个第一板，这些第二板彼此相连并且如果必要的话接地，以便对这些共模分量进行滤波。还被称作串联斩波器的降压斩波电路2是一个降压电路。降压斩波电路2和输入滤波器1被包含在一个称作接线盒的元件中。降压斩波电路2的输出端通过三个并联的连接物而被连接至一个升压斩波电路3的输入端，这些连接物各自包括与一个电阻串联的一个电感。还被称作并联斩波器的升压斩波电路3是一个升压电路。这些并联的连接物各自被连接至升压斩波电路3的一个分支上。升压斩波电路3被连接电池BAT。

图2以一种简化的形式示出了这个充电器的升压斩波电路的一个分支n的主要元件，其中针对图1中示出的升压斩波电路，n在从1至3的范围内变化，各个分支具有一个二极管D_nd和一个开关S_nd。

从降压斩波电路2输出的电压V_kn和电流I_n被施用在地线与这三个并联连接物从其经过的一个点之间，这些并联连接物各自包括相串联的一个电感L_nd和一个电阻R_nd。电阻R_nd在一方面被连接至二极管的阳极D_nd和开关S_nd。开关S_nd的另一个端子被接地。二极管D_nd的阴极被连接至一个电池BAT，该电池本身也被接地。一个额外的中间电感被放置在与这些开关(S_1p，S_2p，S_3p)共同的连接物与各自包括相串联的一个电感L_nd和一个电阻R_nd的这三个并联连接物从其经过的点之间。在确定与该充电器相关的电动机器的绕组的尺寸时，这个额外的中间电感提供了更大的自由度。

决定该电路的这个分支的动态方程如下：

(L s+R)·I_n＝V_kn-α_bst·V_batt        (Eq.1)

其中：

L：是电感L_nd的值

R：是电阻R_nd的值

I_n：是降压斩波电路的输出电流

V_kn：是降压斩波电路的输出电压

V_batt：是电池的充电电压

α_bst是控制开关S_nd的占空比，并且

s是拉普拉斯(Laplace)算子。

术语“开关”指代能够中断电流流动的任何切换装置。这种类型的装置值得注意地包括多个晶体管、以及值得注意的绝缘栅双极型晶体管(英文缩写为IGBT)。

因此，对于带有三个分支的一个升压斩波电路而言，如在图1中示出的，存在各自接收电流I_n和电压V_kn的三个分支，所有这三个分支都被并列地连接至电池BAT。一个第一分支包括一个电感L_1d、一个电阻R_1d、一个二极管D_1d、以及一个开关S_1d。一个第二分支包括一个电感L_2d、一个电阻R_2d、一个二极管D_2d、以及一个开关S_2d。一个第三分支包括一个电感L_3d、一个电阻R_3d、一个二极管D_3d、以及一个开关S_3d。

在一个升压斩波电路3具有三个分支的情况下，与鉴于以相同的方式控制该升压斩波电路的这三个开关(S_1d，S_2d，S_3d)事实的实际情况相比，简化了方程1的应用。假定如果使用占空比α_bst＝1，则相对应的开关被断开。

在方程1的简化公式中，当这些开关被断开时，该升压斩波电路也被断开，并且因此该电池被连接至降压斩波电路。

当该升压斩波电路被闭合时，该升压斩波电路使该电池与这些充电电流隔离。流动至该电池的电流因此按如下方式被调制：

I_batt＝α_bst*I_n            (Eq.2)

为了优化效率，电流In必须尽可能地低。α_bst的值因此必须始终等于1。

额外地，在变量α_bst的范围内中性相电流必须保持恒定。由于此时这个值假定是被锁定的，只可以通过控制电压V_kn来使该中性电流保持恒定。

因此，为了使该中性电流保持恒定，电压V_kn必须是恒定的。因此，必须按以下方式控制该降压斩波电路，即输出电压的平均值是恒定的。

图3更详细地示出了该降压斩波电路。

该降压斩波电路包括三个并联的输入连接物，这些输入连接物各自承载该供电网的一个相并且各自被连接至形成该降压斩波电路的一个分支的一对开关。

第一连接物被连接在该降压斩波电路的第一分支的一个由S_1N指代的第一开关H与一个由S_1P指代的第二开关B之间。

第二连接物被连接在该降压斩波电路的第二分支的一个由S_2N指代的第一开关H与一个由S_2P指代的第二开关B之间。

第三连接物被连接在该降压斩波电路的第三分支的一个由S_3N指代的第一开关H与一个由S_3P指代的第二开关B之间。

这些开关H还被称作高压开关，并且这些开关B被称作低压开关。

该降压斩波电路的各个相的第一开关(S_1N，S_2N，S_3N)还各自被连接至一个第一二极管(D_1N，D_2N，D_3N)的阳极和一个第二二极管(D_1P，D_2P，D_3P)的阴极。这些第一二极管(D_1N，D_2N，D_3N)的阴极被共同地连接至该降压斩波电路的一个第一输出。

该降压斩波电路的各个相的第二开关(S_1p，S_2p，S_3p)在它们的一个电极处还各自被连接至一个第二二极管(D_1p，D_2p，D_3p)的阳极、并且在它们的另一个电极处被共同地连接至该降压斩波电路的一个第二输出上。与该降压斩波电路的第二输出串联地放置一个电感。

该三相电网的正弦电压在该降压斩波电路的输入处被这些开关斩波成电压V_kn。以此方式产生的电压V_kn由于自身的斩波原理而展现突然的变化。当被当成一个整体时，由于这些电容和电感，该系统展现一种惯性。这种惯性相当于一个滤波器从而只允许存留低频率。术语“低频率”指代低于500Hz的频率。该值是使得能够控制该电流的这个滤波后的电压的平均值。之后，不变化的或仅以低于500Hz的频率变化的任何量将被认为是恒定的。

该降压斩波电路的最大电压是通过将该电路运行成一个整流桥、也就是说使所有这些开关闭合来获得的。这将提供在大于这三个输入相的电压的幅值的1.5倍的水平恒定的整流电压V_kn。因此，通过一个适合的控制系统，有可能具有可高达该输入电压的幅值的1.5倍的恒定电压V_kn。

为了能够控制电压V_kn，必须可获得该电网的电角度θ_eiec的测量值。该三相电网电压(V₁，V₂，V₃)按以下方式变化：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1=A\·\sin (\mathrm{\ω}\·t)\\ V_2=A\·\sin (\mathrm{\ω}\·t-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ V_3=A\·\sin (\mathrm{\ω}\·t+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right.---(\mathrm{Eq}.3)$

其中：

A是该电网电压的幅值

ω是该电网的频率

在每个时刻t，乘积ω.t的值被称作电角度，由θ_eiec指代。因此，基于这个值，有可能确定各个相的电压。

下面将使用以下约定来对降压斩波电路2的这些相进行分类。

具有最高电压的相将被称作高压相。

具有最低电压的相将被称作低压相。

具有在另两个之间电压的相将被称作中间相。

因此，根据电角度θ_eiec，可看到的是存在六个不同的运行区段，每个运行区段都具有其高压相、中间相以及低压相。

该中间相始终被用作一个惯性同步电路。出于此目的，与这个相相对应的这些低压开关B和高压开关H被闭合。这样具有提供独立于这些高压分支和低压分支的行为的而同时不限制可以施用的电压V_kn的双重益处。

因此，防止了该降压斩波电路被损毁，因为所产生的电流始终提供了一条返回路径。此外，可以通过使低压相的高压开关H和高压相的低压开关B闭合而在任何时间获得最大电压V_kn。

该高压相与中间相之间的、以及该中间相与低压相之间的电压摆幅是基于值θ_eiec来确定的，这两个电压摆幅被对应地称作V_haut和V_bas：

V_haut＝V_{ph_haut}-V_{ph_int}             (Eq.4)

V_bas＝V_{ph_int}-V_{ph_bas}              (Eq.5)

其中

V_{ph_haut}是高压相电压，

V_{ph_int}是中间相电压，并且

V_{ph_bas}是低压相电压。

还假定的是，这两个电压V_haut和V_bas在每个瞬间都是正的。

额外地，如果在每个瞬间电流都流动，该斩波器的一个二极管必须是导通的。电压V_kn是由该低压相的高压开关H的状态以及高压相的低压开关B的状态来定义的。

如果这两个开关都被断开，则V_kn＝0。电流流动通过该惯性同步电路。

如果该低压相的高压开关H被闭合而该高压相的低压开关B被断开，则V_kn＝V_bas。该电流经由这个高压开关H返回，因为在那的电压更低。

如果该高压相的低压开关B被闭合而该低压相的高压开关H被断开，则V_kn＝V_haut。该电流经由这个低压开关B抵达，因为在那的电压更高。

如果这两个开关都闭合，则V_kn＝V_haut+V_bas。该电流经由该高压相抵达并且经由该低压相返回。

为了使损耗最小化，必须使斩波保持最低以便减少切换损耗。因此，针对每个区段限定一个优先相、例如低压相。

如果有待提供的电压V_kn低于电压V_bas，则该低压相的高压开关H将用于根据一个第一占空比α_bas(常开为0并且常闭为1)来对该电压进行斩波。因此：

V_kn＝α_bas.V_bas            (Eq.6)

通过调整该占空比α_bas，可以提供希望的电压V_kn。

如果有待提供的电压V_kn高于电压V_bas，则该低压相的高压开关H将被闭合并且该高压相的低压开关B将被用于根据一个第二占空比α_haut来对该电压进行斩波。在这种情况下，

V_kn＝V_bas+α_haut.V_haut          (Eq.7)

可以将恒定电压调整至高达1.5*A。

因此，显然在每个瞬间不超过一个开关被斩波，并且在降压斩波电路2的输出端获得一个恒定电压。

因此，可以通过修改该降压斩波电路的输出端的电压来调节进入电池的电流。由于该电池是在300V，为了对该电池充电必须设定一个稍微更高的电压阈值。

出于这个目的，基于电池电流请求Ibat_req与滤波后的电池电流之间的差值通过积分调节来确定对该电池充电所要求的阈值电压。基于所确定的阈值电压，根据上述情况确定占空比。

可替代地，该方法还可以确定用于获得这个电流阈值所使用的降压斩波级的这些开关的占空比控制设定。

图4示出了包含在一个执行上述方法的控制系统中的一个积分调节器4的主要元件。积分调节器4可以被用于确定与从该降压斩波电路输出的电压阈值相对应的占空比控制设定。在本实例中，假定该升压斩波电路常开，滤波后的中性电流等于该电池电流的测量值。

积分调节器4确定传输至降压斩波电路控制装置的一个阈值电压设定点，该降压斩波电路控制装置然后基于这个电压阈值来确定占空比。用于控制该电池充电器的方法因此有可能限制由于切换导致的电损耗。

Claims (3)

1.一种用于控制机动车辆的电池充电器的方法，该电池充电器包括一个输入滤波器(1)，该输入滤波器将一个三相供电电路连接至一个串联斩波器(2)，一个升压斩波电路(3)在一方面被连接至该串联斩波器(2)、并且在另一方面被连接至电池(BAT)，其特征在于，该方法包括以下步骤：

基于一个电池电流测量值与一个电池电流请求之间的差值确定在该串联斩波器(2)的输出端的阈值电压，

使该串联斩波器(2)的输出电压保持恒定，以及

按以下方式控制该升压斩波级(3)的这些开关，即：使这些开关保持断开。

2.如权利要求1所述的控制方法，该串联斩波器(2)包括三个相，即这三个相中电压最大的一个高压相、这三个相中电压最小的一个低压相、以及一个中间相，

其中通过执行以下步骤使该串联斩波器(2)的输出电压保持恒定：

控制该串联斩波器(2)的该中间相的高压开关和低压开关以便闭合，

如果在该串联斩波器(2)的输出端的阈值电压低于该低压相的电压，则控制该低压相的高压开关的斩波以便发生一个第一占空比，

否则，闭合该低压相的高压开关并且控制该高压相的低压开关的斩波以便发生一个第二占空比。

3.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中该串联斩波器(2)的输出端的电流设定点始终大于从该三相供电网接收的电流并且大于该电池电流。