CN104734316B - 电池充电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池充电系统和方法。该电池充电系统包括：PFC转换器，将从电源输入的交流输入电压转换成直流输出电压；DC‑DC转换器，改变PFC转换器的输出电压；电池，通过DC‑DC转换器充电，以及控制器，基于电源的输入电压、输入电流、电池充电电压以及电池充电电流计算功率转换效率，并且根据功率转换效率更新PFC转换器的输出电压。一种电池充电方法包括以下步骤：使用来自电源的输入电流和输入电压，以及电池的充电电流和充电电压计算功率转换效率；以及根据计算出的功率转换效率更新PFC转换器的输出电压。

Description

电池充电系统和方法
技术领域
本发明涉及用于为车辆的高压电池充电的系统和方法，并且更加具体地，涉及可以通过使用最佳功率转换效率为电池充电来增加燃料效率的系统和方法。
背景技术
在使用具有全桥或半桥结构的隔离型DC-DC转换器的拓扑中，必须使用最大占空比。安装在车辆上的慢充电器的功率因数校正(PFC)转换器处的输出电压被控制为保持在恒定值。然而，当电池的充电电压低时，在隔离型DC-DC转换器中不能使用最大占空比。因此，由于续流电流导致出现显著的传导损耗。这个问题使得慢充电器的总效率显著劣化，导致充电时间的增加。
具体地，当慢充电器的PFC转换器的输出电压被控制为保持在预定恒定值时，连接至慢充电器的DC-DC转换器的输出端子的电池的电压取决于充电状态(SOC)。因为当电池充电时电池的电压在很大的范围内波动，所以如果PFC转换器的输出电压保持在恒定值，那么效率降低。慢充电器的降低的平均充电效率导致汽油等效的英里/加仑(MPGe)的减少以及充电时间的增加。
图1(现有技术)示出了根据常规技术的电池充电系统。参照图1，电池充电系统100包括交流输入电源110、PFC转换器120、DC-DC转换器130、高压电池140以及控制器150。控制器150将电压固定命令传送到PFC转换器120使得PFC转换器120的输出电压可以被固定。
上述内容仅旨在帮助对本发明的背景技术进行理解，而并非旨在表示本发明落入已为本领域中技术人员所知的现有技术的范围内。
发明内容
因此，本发明的目标是用于为电池充电的系统和方法，该系统和方法可使用最佳功率转换效率为电池充电。
根据一个方面，提供一种电池充电系统，该系统包括：PFC转换器，将从电源输入的交流输入电压转换成直流输出电压；DC-DC转换器，改变PFC转换器的输出电压；电池，由DC-DC转换器的输出电流充电；以及控制器，利用第一时段，基于输入电压、输入电流、电池的充电电压以及电池充电电流计算功率转换效率，并且根据计算出的功率转换效率更新PFC转换器的输出电压。
控制器可利用第二时段根据输入电压设定PFC转换器的输出电压的下限值和上限值，并且设定的下限值可高于输入电压的峰值。
当PFC转换器的更新的输出电压与前一时段获得的输出电压相同时，控制器可确定是否改变根据输入电压设定的上限值和下限值。
当上限值和下限值改变时，控制器可将PFC转换器的输出电压设定为改变后的上限值。
当上限值和下限值不改变时，控制器可将PFC转换器的输出电压设定为前一时段中设定的输出电压。
控制器可基于当PFC转换器的输出电压被设定为改变后的上限值时获得的输入电压和输入电流并且基于电池充电电压和电池充电电流计算功率转换效率。
控制器可利用第一时段将当前时段中计算出的功率转换效率与前一时段中计算出的功率转换效率进行比较，并且更新PFC转换器的输出电压。
根据另一方面，提供一种电池充电方法，该方法包括以下步骤：用预先设定的第一时段，利用从电源输入的交流电的输入电流和输入电压，以及分别与所述输入电流和所述输入电压相对应的电池的充电电流和充电电压，计算功率转换效率；以及根据计算出的功率转换效率更新将交流电的输入电流和输入电压转换为直流电的输出电压的PFC转换器的输出电压。
电池充电方法可进一步包括用第二时段根据输入到PFC转换器的输入电压设置PFC转换器的输出电压的上限值和下限值，上限值和下限值的设定在计算功率转换效率之前执行。
电池充电方法可进一步包括确定当前设定的上限值和下限值是否是由前一时段中设定的上限值和下限值变化来的。
电池充电方法可进一步包括当上限值和下限值改变时，将PFC转换器的输出电压设定为上限值。
上限值和下限值的更新可包括：当上限值和下限值不变时，将PFC转换器的输出电压设定为与前一时段中使用的相同的输出电压。
功率转换效率的计算可包括：使用当PFC转换器的输出电压被设定为上限值时的输入电压和输入电流，以及电池的充电电压和充电电流计算功率转换效率。
电池充电方法可进一步包括将当前时段计算出的功率转换效率与前一时段计算出的功率转换效率相比较。
当当前时段计算出的功率转换效率高于前一时段计算出的功率转换效率时，更新可包括改变PFC转换器的输出电压，并且根据改变后的输出电压和下限值之间的比较结果更新PFC转换器的输出电压。
当改变后的输出电压大于下限值时，更新可包括使用PFC转换器的改变后的输出电压更新PFC转换器的输出电压。
当改变的输出电压小于下限值时，更新可包括将PFC转换器的输出电压设定为与前一时段使用的相同的输出电压。
当计算出的功率转换效率低于前一时段计算出的功率转换效率时，更新可包括将PFC转换器的输出电压设定为与前一时段使用的相同的输出电压。
附图说明
结合附图，通过下面的详细描述，将更为清晰地理解本发明的上述以及其他目标、特性和其他优点，其中：
图1(现有技术)是示出了根据常规技术的电池充电系统的示意图；
图2是示出了根据本发明实施方式的电池充电系统的示意图；以及
图3和图4是示出了根据本发明实施方式的电池充电方法的流程图。
具体实施方式
本文所公开的本发明实施方式的特定结构和功能的说明仅用于本发明实施方式的说明性目的。在不背离本发明的精神和显著特征的情况下，本发明可以以很多不同的形式来实施。因此，所公开的本发明的实施方式仅用于说明性目的，并不应被解释为对本发明的限制。
由于本发明的实施方式可以以多种不同的形式进行各种修改，所以以下将详细地作出本发明的各种实施方式的参考，其各种实施方式的具体实例在附图中示出并在下面进行描述。尽管将结合其示例性实施方式描述本发明，但应理解，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替代、变形、等价物以及其他实施方式。
应当理解，尽管本文中可以使用术语“第一”、“第二”等来于描述各种元件，但是这些元件并不受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个区分开。例如，在不背离本发明的教导的情况下，以下讨论的第一元件可以被称为第二元件。类似地，第二元件也可被称为第一元件。
应当理解，当元件被称为被“耦接”或“连接”至另一个元件时，其可以直接耦接或连接至另一个元件或者在其间可以存在中间元件。相反，应理解，当元件被称为被“直接耦接”或“直接连接”至另一元件时，则不存在中间元件。解释元件之间的关系的其他表述，诸如“在…之间”、“直接在…之间”、“相邻”或“直接相邻”应当以相同的方式解释。
本文所用的措辞仅是为了描述特定实施方式的目的，而不旨在限制。除非上下文另有明确说明，否则如本文所用的单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”旨在也包括复数形式。应进一步理解，当在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”、“具有”等指定所述特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在时，并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或附加。如本发明中使用的，术语“和/或”包括一种或者多种关联列出项的任何和所有组合。
应当理解，本文所使用的术语“车辆(vehicle)”或者“车辆的(vehicular)”或者其他的类似术语包括广义的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客车辆，包括各种小船(boat)和船舶(ship)的水运工具(watercraft)，航天器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插入式混合电动车辆、氢动力车辆、及其他代用燃料车辆(例如从除石油以外的资源获得的燃料)。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。
此外，本发明的控制逻辑可以包括包含有由处理器、控制器等执行的可执行编程指令的计算机可读介质上的非易失性计算机可读介质。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、闪存盘、智能卡以及光学数据存储设备。该计算机可读介质也可以被分布在耦接网络的计算机系统，使得该计算机可读介质以分布的方式存储和执行，例如，通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)。
除非另外有定义，包括技术术语和科学术语等本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。应当进一步理解，诸如通常使用词典中所定义的那些术语应当解释为具有与它们在现有技术和本发明的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确进行如此限定，否则不应解释为理想的或过于正式的意义。
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的示例性实施方式。贯穿附图，相同的参考标号指代相同或者相似的部件。
图2是示出了根据本发明的实施方式的电池充电系统的示意图。参照图2，电池充电系统200包括交流输入电源210、PFC转换器220、DC-DC转换器230、高压电池240以及控制器250。
PFC转换器220将交流电压，即从交流输入电源AC输入的输入电压，转换为直流电压，即输出电压，并且可补偿功率因数。具体地，PFC转换器220通过将交流电压转换成直流电压对电压整流，并且通过减少输入电流和输入电压之间的相位差来增加功率因数。PFC转换器220的输出电压是根据由控制器250发布的命令来确定的。
DC-DC转换器230是具有全桥或半桥结构的隔离型DC-DC转换器。DC-DC转换器230可改变PFC转换器220的输出电压VDC。根据一个实施方式，DC-DC转换器230将充电电流Iout传送到高压电池240使得电池240的充电电压Vout可以被增加。DC-DC转换器230的输出电压Vout等于高压电池240的开路电压，还等于高压电池240的充电电压Vout。PFC转换器220的输出电压VDC还用作DC-DC转换器230的输入电压。电压Vout是充电电压，其表示高压电池240的SOC。
高压电池240通过DC-DC转换器230充电。根据一个实施方式，高压电池240被充电至大约240V至413V然后放电。当高压电池240的充电电压Vout是预定值或较低时，这个情形表示必须进行充电的状态。例如，当高压电池240的充电电压Vout是大约403V时，这个情形表示充分充电状态。
控制器250可接收通过传感元件(未示出)检测的高压电池240的充电电压Vout和充电电流Iout的值，以及从交流输入电源210输入的输入电压Vin和输入电流Iin。利用第一时段T1，控制器250可由输入电压Vin和输入电流Iin以及充电电压Vout和充电电流Iin计算功率转换效率ζ，并且根据所计算的功率转换效率ζ更新PFC转换器220的输出电压VDC。
利用第二时段T2，控制器250可设定从PFC转换器220输出的输出电压VDC的上限值和下限值。上限值是固定值，下限值是可变值并且可设定为大于从交流输入电源210输入的输入电压Vin的峰值。控制器250可计算上限值和下限值之间的范围内的功率转换效率ζ。具体地，第二时段T2可以比第一时段T1长。用于设定PFC转换器220的输出电压VDC的上限值和下限值的时段可以比用于更新PFC转换器220的输出电压VDC的时段长。
当上限值和下限值改变时，控制器250可以将PFC转换器220的输出电压VDC设定为改变后的上限值。当PFC转换器220的输出电压VDC是上限值时，控制器250可以接收高压电池240的充电电压Vout和充电电流Iout的值，以及从交流输入电源210输入的输入电压Vin和输入电流Iin的值。控制器250可基于所接收的值使用公式1计算功率转换效率ζ。
公式1
这里，Vinput指的是输入电压Vin，Iinput指的是输入电流Iin。
控制器250可将当前时段计算的功率转换效率ζ[k]与前一(previous，在先)时段计算的功率转换效率ζ[k-1]进行比较，并且当当前时段的功率转换效率ζ[k]高于前一时段的ζ[k-1]时，更新PFC转换器220的输出电压VDC。具体地，控制器在发布关于PFC转换器220的改变的输出电压VDC的命令之前，确定PFC转换器的改变后的输出电压VDC[k+1]是否大于PFC转换器220的当前设定的输出电压VDC[k]的下限值VDC[k]_min，并且当PFC转换器220的输出电压VDC[k+1]大于PFC转换器220的当前设定的输出电压VDC[k]的下限值VDC[k]_min时，可以将PFC转换器220的输出电压从VDC[k]改变为VDC[k+1]。
具体地，当在当前时段计算的功率转换效率ζ[k]高于在前一时段计算的功率转换效率ζ[k-1]时，控制器250可以根据改变后的输出值VDC[k+1]和下限值VDC[k]_min之间的比较结果改变PFC转换器220的输出电压并且更新PFC转换器220的输出电压。
另一方面，当改变的后输出电压VDC[k+1]小于下限值VDC[k]_min时，控制器250可将PFC转换器220的输出电压设定为与在前一时段中使用的相同的输出电压VDC[k]。
当在当前时段计算的功率转换效率ζ[k]小于在前一时段计算的功率转换效率ζ[k-1]时，控制器250可以将PFC转换器220的输出电压VDC[k]设定为与前一时段中使用的PFC转换器220相同的输出电压VDC[k]。
当PFC转换器220的输出电压被设定为与在前一时段中使用的相同的输出电压VDC[k]时，控制器250可再次确定PFC转换器220的输出电压的上限值和下限值是否改变。
当确定上限值和下限值改变时，控制器250将PFC转换器220的输出电压VDC设定为改变后的上限值。当PFC转换器220的输出电压VDC是上限值时，控制器250可以接收高压电池240的充电电压Vout和充电电流Iout的值，以及从交流输入电源210输入的输入电压Vin和输入电流Iin的值。控制器250可基于所接收的值计算功率转换效率ζ，将重新计算的功率转换效率与前一时段计算的功率转换效率相比较，并且根据比较结果更新PFC转换器220的输出电压。
控制器250可将与在前一时段使用的PFC转换器220相同的输出电压设定为在当前时段使用的PFC转换器220的输出电压VDC，(a)当预先设定的上限值和下限值不改变时，(b)当在当前时段计算的功率转换效率ζ[k]与在前一时段计算的功率转换效率ζ[k-1]一致时，或者(c)当PFC转换器220的输出电压VDC小于下限值时。在这些情况中任意一种情况下，控制器250可再次确定PFC转换器220的输出电压的上限值和下限值是否改变。
具体地，控制器250可以通过利用第一时段计算功率转换效率，将当前计算功率转换效率与先前计算的功率转换效率相比较，并且通过更新PFC转换器220的输出电压使得可获得最大功率转换效率来提高燃料效率并缩短充电时间。
图3和图4是示出了根据本发明实施方式的电池充电方法的流程图。参照图2至图4，首先，在步骤S301中，通过传感器检测的输入电流、交流输入电压、直流输出电压以及输出电流的值被传输至控制器250。在步骤S303中，使用检测的交流输入电压设定PFC转换器220的输出电压的上限值VDC_max和下限值VDC_min。上限值是固定值，并且下限值是比检测的交流输入电压Vin的峰值大的值。
然后，在步骤S305中，执行用于追踪最佳功率转换效率的时间点的控制算法。步骤305与如下所述的步骤S405和步骤S421相同。在步骤S307中，PFC转换器220的输出电压VDC是根据追踪到的最佳功率转换效率设定的。
参照图4，在步骤S401中，控制器250检测交流电的输入电压。在步骤S403中，控制器250使用检测到的输入电压设置PFC转换器220的输出电压(VDC)的上限值(VDC_max)和下限值(VDC_min)。在第二时段T2执行步骤S401和步骤S403。具体地，步骤S401和步骤S403可在T2之间的时间间隔进行。
在步骤S405中，控制器250可以确定当前时段的上限值和下限值是否是从前一时段设定的上限值和下限值改变来的。当上限值和下限值是对第一时间(即，在第一时段内)设定的时候，当上限值和下限值改变时将随后执行步骤。
在步骤S407中，当上限值和下限值改变时，控制器250将PFC转换器220的输出电压设定为改变后的上限值。在步骤S409中，当PFC转换器220的输出电压是上限值时，控制器可接收电池240的充电电压Vout和充电电流Iout的值，以及从交流输入电源210输入的输入电压Vin和输入电流Iin的值。在步骤S411中，控制器250可利用第一时段基于所接收的值计算功率转换效率ζ[k]，将重新计算的功率转换效率ζ[k]与前一时段计算的功率转换效率ζ[k-1]相比较，并且可以根据比较结果更新PFC转换器220的输出电压。
当当前计算的功率转换效率ζ[k]高于前一功率转换效率ζ[k-1]时，控制器250可以在步骤S415中改变PFC转换器220的输出电压，在步骤S417中将改变的输出电压与步骤S403中设定的下限值相比较，并且根据比较结果更新PFC转换器220的输出电压。
在步骤S419中，当输出电压大于设定的下限值时，控制器250可使用改变的输出电压更新PFC转换器220的输出电压。相反地，当输出电压小于设定的下限值时，控制器250可将PFC转换器220的输出电压设定为与前一时段使用的相同的输出电压。PFC转换器220的输出电压的更新或设定指的是以下操作，其中控制器250确定PFC转换器220的输出电压并且发布命令至PFC转换器220使得确定的输出电压从PFC转换器220输出。
在步骤S421中，当设定的上限值和下限值不改变时或者当当前计算的功率转换效率ζ[k]小于前一时段计算的功率转换效率ζ[k-1]时，PFC转换器的当前输出电压被设定为与前一时段使用的相同的输出电压。
尽管本发明所述的优选实施方式仅用于示例性说明的目的，但本领域中的技术人员应当理解，在不背离如所附权利要求所公开的本发明的范围和精神的情况下，可进行各种修改、附加和替代。

Claims (15)

1.一种电池充电系统，包括：
PFC转换器，将从电源输入的交流输入电压转换成直流输出电压；
DC-DC转换器，改变所述PFC转换器的输出电压；
电池，通过所述DC-DC转换器充电；以及
控制器，利用第一时段基于从所述电源输入的输入电流和输入电压以及所述电池的充电电压和充电电流计算功率转换效率，并且根据计算出的所述功率转换效率更新所述PFC转换器的输出电压，其中，所述控制器利用第二时段根据所述输入电压设定所述PFC转换器的输出电压的下限值和上限值，并且设定的所述下限值大于所述输入电压的峰值，
其中，当所述PFC转换器的更新的输出电压与所述第一时段中的前一周期中使用的输出电压相同时，所述控制器确定是否改变根据所述输入电压设定的所述上限值和所述下限值。
2.根据权利要求1所述的电池充电系统，其中，当所述上限值和所述下限值改变时，所述控制器将所述PFC转换器的输出电压设定为改变后的上限值。
3.根据权利要求1所述的电池充电系统，其中，当所述上限值和所述下限值没有改变时，所述控制器将所述PFC转换器的输出电压设定为与所述第一时段中的前一周期中使用的相同的输出电压。
4.根据权利要求2所述的电池充电系统，其中，所述控制器使用当所述PFC转换器的输出电压被设定为所述改变后的上限值时获得的输入电压和输入电流，以及所述电池的所述充电电压和所述充电电流，计算所述功率转换效率。
5.根据权利要求1所述的电池充电系统，其中，所述控制器利用所述第一时段将所述第一时段中的当前周期中计算出的所述功率转换效率与所述第一时段中的前一周期中计算出的功率转换效率进行比较，并且更新所述PFC转换器的输出电压。
6.一种电池充电方法，包括以下步骤：
用预先设定的第一时段，利用从电源输入的交流电的输入电流和输入电压，以及分别与所述输入电流和所述输入电压相对应的电池的充电电流和充电电压，计算功率转换效率；以及
根据计算出的所述功率转换效率更新将所述交流电的所述输入电流和所述输入电压转换为直流电的输出电压的PFC转换器的输出电压，
用第二时段根据输入到所述PFC转换器的所述输入电压设置所述PFC转换器的输出电压的上限值和下限值，并且设定的所述下限值大于所述输入电压的峰值，
其中，当所述PFC转换器的更新的输出电压与所述第一时段中的前一周期中使用的输出电压相同时，确定是否改变根据所述输入电压设定的所述上限值和所述下限值，
其中，所述上限值和所述下限值的设置在计算所述功率转换效率的步骤之前执行。
7.根据权利要求6所述的电池充电方法，还包括以下步骤：
确定所述第一时段中的当前周期中的设定的上限值和下限值是否从所述第一时段中的前一周期中的设定的上限值和下限值变化。
8.根据权利要求7所述的电池充电方法，还包括以下步骤：
当所述上限值和所述下限值改变时，将所述PFC转换器的输出电压设定为改变后的上限值。
9.根据权利要求7所述的电池充电方法，其中，在更新所述上限值和所述下限值的步骤中，当所述上限值和所述下限值不变时，将所述PFC转换器的输出电压设定为与在所述第一时段中的前一周期中使用的相同的输出电压。
10.根据权利要求6所述的电池充电方法，其中，计算所述功率转换效率的步骤包括：使用当所述PFC转换器的输出电压被设定为所述上限值时输入的输入电压和输入电流，以及所述电池的所述充电电压和所述充电电流，计算所述功率转换效率。
11.根据权利要求10所述的电池充电方法，还包括以下步骤：
将计算出的所述功率转换效率与所述前一周期中计算出的功率转换效率相比较。
12.根据权利要求11所述的电池充电方法，其中，当计算出的所述功率转换效率高于所述前一周期中计算出的所述功率转换效率时，更新所述输出电压的步骤包括改变所述PFC转换器的输出电压，并且根据改变后的输出电压和所述下限值之间的比较结果更新所述PFC转换器的输出电压。
13.根据权利要求12所述的电池充电方法，其中，当所述改变后的输出电压大于所述下限值时，更新所述输出电压的步骤包括使用所述PFC转换器的改变后的输出电压更新所述PFC转换器的输出电压。
14.根据权利要求12所述的电池充电方法，其中，当所述改变后的输出电压小于所述下限值时，更新所述输出电压的步骤包括将所述PFC转换器的输出电压设定为与所述前一周期中使用的相同的输出电压。
15.根据权利要求11所述的电池充电方法，其中，当计算出的所述功率转换效率低于所述前一周期计算出的功率转换效率时，更新所述输出电压的步骤包括将所述PFC转换器的输出电压设定为与所述前一周期中使用的相同的输出电压。
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