CN104426219B - 用于环保车辆的充电控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于环保车辆的充电控制方法和系统，该充电控制方法和系统在通过车辆中的车载充电器（OBC）对电池充电的同时，通过改善功率因子校正（PFC）转换器的功率控制方法来促进充电效率的提高。该方法在充电期间通过电压检测器感测电池电压并且通过控制器计算目标值以维持PFC转换器的输出电压。从感测的电池电压和DC‑DC转换器的最大可用占空比值计算目标值。基于计算的目标值维持PFC转换器的输出电压。

Description

用于环保车辆的充电控制方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于环保车辆的充电控制方法和系统。更具体地，本发明涉及一种通过在通过插电式混合动力电动车辆（HEV）或电动车辆（EV）中的车载充电器（OBC）对电池充电时改善功率因子校正（PFC）转换器的功率控制方法来提高充电效率的充电控制方法和系统。

背景技术

如现有技术中已知，诸如插电式混合动力电动车辆（HEV）或电动车辆（EV）的绿色车辆（例如，环保车辆）使用与配电系统连接的交流电（AC）电动车辆供电设备（EVSE）以对其电池进行充电。此外，内置在插电式HEV或EV中的车载充电器（OBC）通过将车辆连接至ACEVSE来对电池充电。

图1是示出根据现有技术的内置在车辆200中的OBC的主要部件的示例性示图。如图1所述，OBC包括将AC电源100的AC输入电压Vac转换为直流（DC）电压Vdc并且同时补偿电压的功率因子的功率因子校正（PFC）转换器210以及连接在PFC转换器210与高电压电池230之间以转换从PFC转换器210输出的DC电压的DC-DC转换器220。在图1示出的实例中，PFC转换器210被操作为升压转换器以将从AC电源100施加的AC输入电压Vac转换为在车辆200的外部的DC电压Vdc。DC-DC转换器220可以是采用全桥（FB）或半桥（HB）开关电路的绝缘型（insulated，隔离型）DC-DC转换器。

同时，随着充电能量的概念被引入燃料消耗率（例如，英里每加仑汽油当量（MPGe）），即，插电式HEV或EV的功率比，内置在车辆中的OBC的功率传输效率的重要性增加。

在插电式HEV或EV中，作为用于驱动车辆的电源的高电压电池230基于其充电/放电量而工作在宽电压范围内，并且要在整个电压范围内实现高效率是一个重要课题。此外，基于充电状态确定连接至OBC的DC-DC转换器220的输出级的电池230的电压，并且当对电池230充电时，电池230的电压的变化是巨大的。常规地，很难在整个电压范围内均实现高效率。在现有技术中，已经开发出一种在图1中示出的将OBC中的PFC转换器210的输出电压Vdc控制为固定电压的方法。

图2a和图2c是示出车辆中的电池通过OBC的充电控制方法的示例性示图。图2a示出了在现有技术中电池充电期间的PFC转换器的输出电压Vdc的状态。图2b示出了用于在电池充电期间控制DC-DC转换器的输出电压的有效占空比Deff。图2c示出了在电池充电期间的电池电压Vbat的状态。

如图2a至2c所示，在现有技术的充电控制方法中，PFC转换器的输出电压Vdc被控制为永恒固定的。特别是，电池电压的变化是巨大的，并且因此，可能无法在整个电压范围内实现高效率。在电池电压的宽工作范围内，OBC的平均充电效率被降低。因此，由于平均充电效率的降低，车辆的MPGe可能劣化并且车辆的充电时间可能增加。

发明内容

本发明提供了一种通过在通过插电式混合电动车辆（HEV）或电动车辆（EV）中的车载充电器（OBC）对电池充电时改善功率因子校正（PFC）转换器的功率控制方法来增强充电效率的充电控制方法和系统。

一方面，本发明提供了一种用于具有内置OBC的插电式HEV或EV的充电控制方法，其中，内置OBC包括连接至AC电源以将AC输入电压转换为DC电压并补偿电压的功率因子的PFC转换器；以及转换从PFC转换器输出的DC电压的DC-DC转换器。该充电控制方法可包括：在充电期间通过电压检测器感测电池电压；通过控制器从感测的电池电压与DC-DC转换器的最大可用占空比值计算目标值以维持PFC转换器的输出电压；以及基于计算的目标值，通过控制器维持PFC转换器的输出电压。

在示例性实施方式中，该充电控制方法可进一步包括在充电期间进一步感测AC输入电压以将计算的目标值与感测的AC输入电压相比较。当计算的目标值是比感测的AC输入电压大的值时，可基于目标值维持PFC转换器的输出电压。此外，当计算的目标值等于或小于感测的AC输入电压时，可将PFC转换器的输出电压维持为比AC输入电压大的值。

在另一示例性实施方式中，当计算的目标值等于或小于感测的AC输入电压时，PFC转换器的输出电压（Vdc）可被维持成为通过向感测的AC输入电压的最大值（Vac_max）增加预定的余量值（α）而获得的值。进一步地，可使用电池电压和DC-DC转换器的最大可用占空比值从下列公式计算目标值：

公式：

Vdc_target=K×Vbat

此处，Vdc_target表示目标值，K=n/Deff_max，Deff_max表示DC-DC转换器的最大可用占空比值，以及n表示DC-DC转换器中的变压器的线圈匝数。

基于计算的目标值，在维持PFC转换器的输出电压的同时，DC-DC转换器的输出电压可被维持为最大可用占空比。

根据本发明的充电控制方法，可基于AC输入电压和电池电压实时动态地控制PFC转换器的输出电压，因此在整个电压范围内实现提高的效率。此外，由于基本在电池充电电压的整个范围内可通过OBC的高效率操作对电池进行充电，因此可以提高充电效率以减少充电时间并提高MPGe。

附图说明

现将参照在附图中示出的本发明的某些示例性实施方式详细地描述本发明的上述和其他特征，下文仅通过说明的方式给出了附图，并且因此附图不限制本发明，并且其中：

图1是示意性示出根据现有技术的车载充电器（OBC）的主要部件的示例性示图；

图2a至图2c是示出根据现有技术的充电控制方法的示例性示图；

图3和图4a至图4c是示出根据本发明的示例性实施方式的充电控制方法的示例性示图；

图5a至图5c和图6a至图6c是示出根据本发明的示例性实施方式的为单位功率因子控制而限定功率因子校正（PFC）转换器的输出电压的示例性示图；

图7是示出根据本发明的示例性实施方式的充电控制过程的示意性流程图；以及

图8a和图8b是示出在根据本发明的示例性实施方式的充电控制方法中实现充电效率的提高和充电时间的减少的示例性示图。

应理解，附图不一定按照比例绘制，其呈现说明本发明的基本原理的各种示例性特征的略微简化的表示。如本文公开的包括例如具体尺寸、方位、位置和形状的本发明的具体设计特征将部分地由特定的预期应用和使用环境来确定。在附图中，表示本发明相同或等价部分的附图标记贯穿附图的几个图形。

具体实施方式

应理解，如本文使用的术语“车辆”或“用车辆运载的”或其他类似的术语通常包括旅客汽车（诸如，包括运动型多功能车（SUV）、客车、货车、各种商用车辆）、包括各种船只和舰船的船舶、飞机等机动车辆，并且包括混合车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢动力车辆、燃料电池车辆以及其他替代燃料（例如，源于除了石油之外的资源的燃料）车辆。如本文中提及，混合车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如，汽油动力和电动式车辆。

尽管示例性实施方式被描述为使用多个单元来执行示例性过程，应理解，也可通过一个或多个模块来执行示例性过程。另外，应理解，术语控制器/控制单元表示包括存储器和处理器的硬件装置。存储器被配置为存储模块以及存储器被特定地配置为执行所述的模块以执行下面进一步描述的一个或多个过程。

此外，本发明的控制逻辑可被具体化为在包含被处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非瞬时性计算机可读媒介。计算机可读介质的实例包括但不限于，ROM、RAM、光盘（CD）-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡以及光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在耦接网络的计算机系统中，从而以分布式方式（例如，通过远程信息服务器或控制器局域网（CAN））存储和执行计算机可读媒介。

本文使用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的并且并不旨在限制本发明。如本文所使用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确规定。将进一步理解，当在说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，指定规定的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的群组的存在或添加。如本文所使用，术语“和/或”包括一个或多个相关的列出的条目的任意和全部组合。

在下文中，将详细地参考本发明的各种示例性实施方式，各种实施方式的实例在附图中示出并在下面进行描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但将理解，本说明书不旨在将本发明限定于那些示例性实施方式。相反，本发明旨在不仅覆盖示例性实施方式，而且覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种变形、修改、等价物以及其他实施方式。

本发明提供了一种用于插电式混合电动车辆（HEV）或电动车辆（EV）的充电控制方法和系统，在插电式HEV或EV中，可使用安装在车辆中的可包括功率因子校正（PFC）转换器和DC-DC转换器的车载充电器（OBC），通过将车辆连接至AC电动车辆供电设备（EVSE）来对高电压电池充电。特别是，本发明提供了一种用于OBC的PFC转换器的改善的功率控制方法。本发明提供了一种可通过改善在电池充电过程中将PFC转换器的输出电压控制为固定电压的现有技术方法来提高充电效率的充电控制方法。

在本发明中，为了高效充电的目的，基于可在电池充电期间被感应的OBC的输入和输出电压，可实时动态地控制PFC转换器的输出电压。此外，可基于最佳操作点动态地控制在PFC转换器的输出级的链路电压，并且因此不仅可以促进充电效率的提高，而且可以减少充电时间以及提高燃料消耗率（例如，英里每加仑汽油当量（MPGe））。

在下文中，将参照附图描述本发明的示例性实施方式。图3和图4a至图4c是示出根据本发明的示例性实施方式的充电控制方法的示例性示图。图7是示出根据本发明的示例性实施方式的充电控制方法的示例性流程图。

在本发明中，控制器（未示出）可被配置为基于可使用电压检测器（未示出）来感测的OBC的输入和输出电压，实时动态地维持（例如，控制）PFC转换器210的输出电压Vdc，即，在可连接至DC-DC转换器220的链路级处的电压。特别是，当车辆200被连接至AC电源100时，OBC的输入电压是在电池充电期间从车辆200外部的AC电源100施加于PFC转换器210的AC输入电压Vac，以及OBC的输出电压是连接至DC-DC转换器220的输出级的电池230的电压Vbat。

在本发明中，为了高效充电的目的，PFC转换器210的输出电压Vdc可被控制为使用电池电压Vbat和DC-DC转换器220的最大可用占空比值（Deff_max）确定的电压值（目标值Vdc_target）。然而，当PFC转换器210的输出电压Vdc大于AC输入电压Vac时，PFC转换器210的输出电压Vdc可被控制为从电池电压和最大可用占空比值获得的电压值。特别是，当PFC转换器210的输出电压Vdc小于AC输入电压Vac时，主要被操作为升压转换器的PFC转换器的单位功率因子控制可能是不可行的。因此，PFC转换器的输出电压可能需要被控制为比AC输入电压大的电压值。

在应用本发明的OBC中，当DC-DC转换器220包括全桥（FB）或半桥（HB）绝缘型DC-DC转换器时，DC-DC转换器的输入与输出电压Vdc与Vbat之间的关系可通过使用转换器的有效占空比Deff和变压器的线圈匝数n的下列公式1来表示。

公式1：

Vbat=Vdc×(Deff/n)（此处，Deff=0～1）

在公式1中，可基于电池电压Vbat而被最大输出的PFC转换器的输出电压Vdc可通过下列公式2来表示。

公式2：

Vdc=Vbat×(n/Deff)

当为了高效充电的目的将最大可用占空比值用作PFC转换器210的有效占空比时，PFC转换器的输出电压Vdc可通过使用常数K和电池电压Vbat的下列公式3来表示。

公式3：

Vdc=K×Vbat（=Vdc_target）

此处，常数K=n/Deff_max，以及Deff_max是DC-DC转换器的最大可用占空比值。

Vdc_target表示用于实时动态地控制PFC转换器的输出电压的目标值（或用于PFC转换器的Vdc电压指令）。换言之，当通过控制器维持PFC转换器的输出时，PFC转换器的输出电压可被实时动态地控制为基于电池电压Vbat由公式3计算的目标值Vdc_target。特别是，当计算用于控制PFC转换器的输出的目标值时，可如公式3所示使用DC-DC转换器的最大可用占空比值Deff_max。

然而，当PFC转换器的输出电压Vdc小于AC输入电压Vac时，主要被操作为升压转换器的PFC转换器的单位功率因子控制可能是不可行的。因此，PFC转换器的输出电压Vdc可被维持为比AC输入电压Vac大的值。特别是，可如公式4所示确定用于控制PFC转换器的输出电压的目标值Vdc_target。

公式4：

当Vdc≤Vac时，Vdc_target=Vac_max+α

此处，Vdc表示通过公式3确定的计算值，Vac_max表示AC输入电压Vac的最大值，以及α表示预定的余量值。

例如，在其中通过公式3计算的目标值大于感测的AC输入电压的条件（即，Vdc（=Vdc_target）>Vac的条件（条件1））下，PFC转换器的输出电压可被维持为计算的目标值，以及在Vdc≤Vac的条件（条件2）下，可提供公式4中示出的限制值。因此，PFC转换器的输出电压Vdc可被维持为通过使AC输入电压Vac的最大值Vac_max增加余量值所获得的目标值（Vdc_target=Vac_max）。

图4a示出了可在电池充电期间被维持的PFC转换器的输出电压Vdc，以及图4b示出了在电池充电期间的DC-DC转换器的输出电压的控制中使用的有效占空比Deff。图4c示出了电池充电期间的电池电压Vbat。

参照图4a，在满足条件2（Vdc≤Vac）的部分，PFC转换器的输出电压可被恒定地维持为从公式4获得的目标值Vdc_target，以将PFC转换器的输出电压Vdc维持为比AC输入电压Vac大的值。因此，可以消除其中PFC转换器的单位功率因子控制是不可行的区域。此外，在满足条件1（Vdc>Vac）的部分，PFC转换器的输出电压Vdc可被动态维持为使用感测的电池电压Vbat和最大可用占空比值Deff_max通过公式3计算的目标值。

参照图4b，在满足条件1（Vdc>Vac）的部分，DC-DC转换器的最大可用占空比值Deff_max可被用于确定PFC转换器的输出电压。

图7的流程图示出了基于在控制器中感测的AC输入电压Vac和电池电压Vbat确定用于动态控制PFC转换器的输出电压Vdc的控制目标值（例如，电压指令）的过程。

如图7所示，控制器可被配置为感测PFC转换器的AC输入电压Vac和电池电压Vbat，并且使用感测的电池电压Vbat和最大可用占空比值Deff_max计算用于维持PFC转换器的输出电压的目标值。随后，基于计算的目标值，可实时动态地维持PFC转换器（图3中的210）的输出电压Vdc，即，在连接至DC-DC转换器（图3中的220）的链路级处的电压。

此外，当计算的目标值大于感测的AC输入电压Vac时（即，当Vdc（=Vdc_target）>Vac时），可执行PFC转换器的输出电压的动态控制。PFC转换器的输出电压的动态控制可以指使用电池电压Vbat和最大可用占空比值Deff_max计算的目标值Vdc_target可被确认为电压指令，并且可基于确认的电压指令维持PFC转换器的输出电压。特别是，可将最大可用占空比值Deff_max用作有效占空比Deff来维持连接在PFC转换器210与电池230之间的DC-DC转换器220的输出电压。

同时，当PFC转换器的输出电压Vdc小于AC输入电压Vac时，PFC转换器的单位功率因子控制可能是不可行的。因此，PFC转换器的输出电压可被维持为比AC输入电压大。因此，当计算的目标值小于AC输入电压Vac时（即，当Vdc（=Vdc_target）≤Vac时），可通过将对AC输入电压的最大值（Vac_max）增加余量值α所获得的值确定为目标值（Vdc_target=Vac_max+α）来维持PFC转换器的输出电压。

如上所述，可以执行基于输入电压来限制输出电压的PFC转换器的控制以基于输入值将PFC转换器的输出电压限制和维持为更低的或更高的限制值。

图5a至图6c是示出根据本发明的示例性实施方式的为了单位功率因子控制的目的而限制PFC转换器的输出电压的示例性示图。

图5a至图5c示出了PFC转换器的单位功率因子控制在PFC转换器的输出电压等于或小于AC输入电压（Vdc≤Vac）时是不可行的。因此，如图6a至6c所示，通过将PFC转换器的输出电压维持为比AC输入电压（例如，输入电压的最大值）大（Vdc>Vac），使得PFC转换器的单位功率因子控制可以是可行的。

在本发明中，在感测OBC的AC输入电压和电池电压之后，可使用电池电压和DC-DC转换器的最大可用占空比值来实时动态地维持PFC转换器的输出电压。特别是，可使用最大可用占空比值维持DC-DC转换器的输出电压，从而最大化高电压电池的充电效率。此外，可将PFC转换器的输出电压限制为比输入电压更大的值以消除其中PFC转换器的单位功率因子控制是不可行的区域（例如，当输出电压小于输入电压时，单位功率因子控制是不可行的）。因此，可以维持高效率并实现PFC转换器的单位功率因子控制。

图8a和图8b是示出在根据本发明的示例性实施方式的充电控制方法中可以实现充电效率的提高和充电时间的减少的示例性示图。

已经参考本发明的示例性实施方式详细描述了本发明。然而，本领域普通技术人员将理解，在不偏离本发明（其范围在所附权利要求和它们的等价物中被限定）的原理和精神的前提下，可以在这些示例性实施方式中做出改变。

Claims (15)

1.一种用于具有内置车载充电器(OBC)的车辆的充电控制方法，所述车载充电器(OBC)包括连接至AC电源以将AC输入电压转换为DC电压并且补偿所述AC输入电压的功率因子的功率因子校正(PFC)转换器；以及用于转换从所述功率因子校正转换器中输出的所述DC电压的DC-DC转换器，所述充电控制方法包括：

在充电期间由电压检测器感测电池电压；

由控制器从所感测的电池电压和所述DC-DC转换器的最大可用占空比值计算目标值以维持所述功率因子校正转换器的输出电压；

基于所计算的目标值，由所述控制器维持所述功率因子校正转换器的所述输出电压，以及

基于所计算的目标值，在维持所述功率因子校正转换器的所述输出电压的同时，由所述控制器将所述DC-DC转换器的所述输出电压维持为所述最大可用占空比值。

2.根据权利要求1所述的充电控制方法，进一步包括：

在所述充电期间由所述电压检测器感测AC输入电压以将所计算的目标值与所感测的AC输入电压相比较；

当所计算的目标值是比所感测的AC输入电压大的值时，基于所述目标值，由所述控制器维持所述功率因子校正转换器的所述输出电压。

3.根据权利要求2所述的充电控制方法，进一步包括：

当所计算的目标值等于或小于所感测的AC输入电压时，由所述控制器将所述功率因子校正转换器的所述输出电压维持为比AC电压大的值。

4.根据权利要求3所述的充电控制方法，进一步包括：

当所计算的目标值等于或小于所感测的AC输入电压时，由所述控制器将所述功率因子校正转换器的所述输出电压维持成为通过向所感测的AC输入电压的最大值增加预定的余量值而获得的值。

5.根据权利要求4所述的充电控制方法，进一步包括：

由所述控制器使用所述电池电压和所述DC-DC转换器的所述最大可用占空比值从下列公式计算所述目标值：

Vdc_target＝K×Vbat，

其中，Vdc_target表示所述目标值，Vbat表示感测的电池电压，K＝n/Deff_max，Deff_max表示所述DC-DC转换器的所述最大可用占空比值，以及n表示在所述DC-DC转换器中的变压器的线圈匝数。

6.一种用于具有内置车载充电器(OBC)的车辆的充电控制系统，所述车载充电器(OBC)包括连接至AC电源以将AC输入电压转换为DC电压并且补偿所述AC输入电压的功率因子的功率因子校正(PFC)转换器；以及用于转换从所述功率因子校正转换器输出的所述DC电压的DC-DC转换器，所述充电控制系统包括：

存储器，被配置为存储程序指令；以及

处理器，被配置为执行所述程序指令，所述程序指令在被执行时被配置为：

由控制器从感测的电池电压和所述DC-DC转换器的最大可用占空比值计算目标值以维持所述功率因子校正转换器的输出电压；

基于所计算的目标值，由所述控制器维持所述功率因子校正转换器的所述输出电压；以及

基于所计算的目标值，在维持所述功率因子校正转换器的所述输出电压的同时，将所述DC-DC转换器的所述输出电压维持为所述最大可用占空比值。

7.根据权利要求6所述的充电控制系统，其中，所述程序指令在被执行时被进一步配置为：

当所计算的目标值是比所感测的AC输入电压更大的值时，基于所述目标值，维持所述功率因子校正转换器的所述输出电压。

8.根据权利要求7所述的充电控制系统，其中，所述程序指令在被执行时被进一步配置为：

当所计算的目标值等于或小于所感测的AC输入电压时，将所述功率因子校正的所述输出电压维持为比AC电压大的值。

9.根据权利要求8所述的充电控制系统，其中，所述程序指令在被执行时被进一步配置为：

当所计算的目标值等于或小于所感测的AC输入电压时，将所述功率因子校正转换器的所述输出电压维持成为通过向所感测的AC输入电压的最大值增加预定的余量值而获得的值。

10.根据权利要求9所述的充电控制系统，其中，所述程序指令在被执行时被进一步配置为：

使用所述电池电压和所述DC-DC转换器的所述最大可用占空比值从下列公式计算所述目标值：

Vdc_target＝K×Vbat

其中，Vdc_target表示所述目标值，Vbat表示感测的电池电压，K＝n/Deff_max，Deff_max表示所述DC-DC转换器的所述最大可用占空比值，以及n表示在所述DC-DC转换器中的变压器的线圈匝数。

11.一种包含由控制器执行的程序指令的非瞬时性计算机可读介质，所述计算机可读介质包括：

在充电期间控制电压检测器以感测电池电压的程序指令；

从所感测的电池电压和DC-DC转换器的最大可用占空比值计算目标值以维持功率因子校正转换器的输出电压的程序指令；以及

基于所计算的目标值维持所述功率因子校正转换器的所述输出电压的程序指令，

基于所计算的目标值，在维持所述功率因子校正转换器的所述输出电压的同时，将所述DC-DC转换器的所述输出电压维持为所述最大可用占空比值的程序指令。

12.根据权利要求11所述的非瞬时性计算机可读介质，进一步包括：

当所计算的目标值是比所感测的AC输入电压大的值时基于所述目标值维持所述功率因子校正转换器的所述输出电压的程序指令。

13.根据权利要求12所述的非瞬时性计算机可读介质，进一步包括：

当所计算的目标值等于或小于所感测的AC输入电压时将所述功率因子校正转换器的所述输出电压维持为比所述AC电压大的值的程序指令。

14.根据权利要求13所述的非瞬时性计算机可读介质，进一步包括：

当所计算的目标值等于或小于所感测的AC输入电压时将所述功率因子校正转换器的所述输出电压维持成为通过向所感测的AC输入电压的最大值增加预定的余量值而获得的值的程序指令。

15.根据权利要求14所述的非瞬时性计算机可读介质，进一步包括：

使用所述电池电压和所述DC-DC转换器的所述最大可用占空比值从下列公式计算所述目标值的程序指令：

Vdc_target＝K×Vbat，

其中，Vdc_target表示所述目标值，Vbat表示感测的电池电压，K＝n/Deff_max，Deff_max表示所述DC-DC转换器的所述最大可用占空比值，以及n表示在所述DC-DC转换器中的变压器的线圈匝数。