CN107222099B - 具有降低的旁路二极管导通的可变电压转换系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有降低的旁路二极管导通的可变电压转换系统。一种车辆动力传动系统包括旁路二极管和控制器。所述旁路二极管被配置为将逆变器DC端电压钳位到电池电压。所述控制器被配置为：当所述端电压在所述电池电压的预定范围内时，当所述车辆动力传动系统处于推进模式时使DC‑DC转换器的下IGBT保持截止，并且当所述车辆动力传动系统处于再生模式时对所述下IGBT进行调制，以增大所述端电压，从而使所述旁路二极管保持反向偏置。

Description

具有降低的旁路二极管导通的可变电压转换系统
技术领域
本申请总体上涉及用于混合动力电动动力传动系统的具有旁路二极管的DC-DC转换器中的IGBT的控制。
背景技术
电气化车辆(包括混合动力电动车辆(HEV)和电池电动车辆(BEV))依靠牵引电池向用于推进的牵引马达提供电力，并依靠牵引电池与牵引马达之间的电力逆变器将直流(DC)电力转换为交流(AC)电力。典型的AC牵引马达是三相马达，所述三相马达可由分别以120度相位分离而被驱动的三个正弦信号供电。牵引电池被配置为在特定电压范围内操作。典型的牵引电池的端电压超过100伏特DC，并且牵引电池可选地被称作高电压电池。然而，改善的电机性能可通过在不同电压范围内(通常在比牵引电池更高的电压处)进行操作来实现。很多电气化车辆包括用于将牵引电池的电压转换为电机的可操作电压水平的DC-DC转换器(也被称作可变电压转换器(VVC))。可包括牵引马达的电机可能需要高电压和高电流。由于电压需求、电流需求和开关需求，所以通常使用绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)来产生电力逆变器和VVC中的信号。
发明内容
一种车辆动力传动系统包括旁路二极管和控制器。所述旁路二极管被配置为将逆变器DC端电压钳位到电池电压。所述控制器被配置为：当所述端电压在所述电池电压的预定范围内时，当所述车辆动力传动系统处于推进模式时使DC-DC转换器的下IGBT保持截止，并且当所述车辆动力传动系统处于再生模式时对所述下IGBT进行调制，以增大所述端电压，从而使所述旁路二极管保持反向偏置。
根据本发明的一个实施例，所述车辆动力传动系统还包括电机，并且其中，所述控制器还被配置为：响应于当在再生模式下操作时所述电机的转速降低至最小转速限制以下，对所述DC-DC转换器的上IGBT和下IGBT进行调制，以将所述端电压至少升高到所述电池电压。
一种在总线电压在电池电压的预定范围内时操作车辆动力传动系统的DC-DC转换器的方法包括：在所述车辆动力传动系统处于推进模式时将上IGBT保持在导通状态，以增强从电池到负载的通道；对上IGBT进行调制，以增大流过所述DC-DC转换器的电感器的电流的波动幅值，从而使转换器旁路二极管反向偏置。
根据本发明，提供一种操作车辆动力传动系统的DC-DC转换器的方法，所述方法包括：当总线电压在电池电压的预定范围内时，由控制器执行以下操作：在所述车辆动力传动系统处于推进模式时将上IGBT保持在导通状态，以增强从电池到负载的通道；对上IGBT进行调制，以增大流过所述DC-DC转换器的电感器的电流的波动幅值，从而使转换器旁路二极管反向偏置。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：以与上IGBT相反的方式调制下IGBT，使得下IGBT的导通时间百分比大于2％。
根据本发明的一个实施例，调制上IGBT，使得上IGBT的截止时间百分比大于2％。
根据本发明的一个实施例，所述预定范围为在25伏特以内。
根据本发明的一个实施例，在小于操作频率的再生频率下进行所述调制。
根据本发明的一个实施例，所述再生频率小于所述操作频率的一半。
一种车辆动力传动系统包括升压转换器、旁路二极管和控制器，所述升压转换器将电池与逆变器连接，所述旁路二极管被配置为将逆变器DC端电压钳位到电池电压。所述控制器被配置为：当以再生模式操作所述车辆动力传动系统时，对所述升压转换器的IGBT进行调制，以增大流过所述升压转换器的电感器的电流的波动幅值，从而通过增大所述逆变器DC端电压的平均值使所述旁路二极管截止。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：对所述升压转换器的IGBT进行调制，以减小所述升压转换器的输入电容器两端的电压的波动，从而通过增大所述逆变器DC端电压的平均值来使所述旁路二极管截止。
根据本发明的一个实施例，所述控制器被配置为：当所述逆变器DC端电压在所述电池电压的预定范围内时，当所述车辆动力传动系统处于推进模式时使上IGBT导通并且使下IGBT截止，当所述车辆动力传动系统处于再生模式时对上IGBT和下IGBT进行调制。
根据本发明的一个实施例，所述预定范围为在25伏特以内。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：在小于操作频率的再生频率下对所述升压转换器的上IGBT和下IGBT进行调制。
根据本发明的一个实施例，所述升压转换器的操作频率为至少5kHz，所述再生频率不大于2.5kHz。
根据本发明的一个实施例，所述IGBT被调制为使得下IGBT的导通时间百分比大于2％的PWM占空比。
附图说明
图1是示出典型的动力传动系统和能量储存组件的混合动力车辆的示图，其中，在动力传动系统和能量储存组件之间具有电力逆变器。
图2是车辆可变电压转换器(VVC)的示意图。
图3是VVC控制系统的流程图。
图4A是当VVC的高侧IGBT导通时旁路二极管电流和电池电流相对于时间的图形化表示。
图4B是当VVC的高侧IGBT导通时电感器电流和输入电容器电流相对于时间的图形化表示。
图5A是当VVC的高侧IGBT导通时电池电压和DC链路电压相对于时间的图形化表示。
图5B是当对VVC的IGBT进行调制时电池电压和DC链路电压相对于时间的图形化表示。
图6A是当对VVC的IGBT进行调制时旁路二极管电流和电池电流相对于时间的图形化表示。
图6B是当对VVC的IGBT进行调制时电感器电流和输入电容器电流相对于时间的图形化表示。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解，公开的实施例仅为示例并且其它实施例可采取各种形式和替代的形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供了用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
混合动力车辆(HEV)(诸如，电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV))通常被配置有至少一个电机。当在HEV的动力传动系统中使用多个电机时，每个电机通常与电力逆变器连接。当处于推进模式时，电力逆变器将来自牵引电池的DC电力转换为由电机使用的AC电力。可选地，当处于再生模式时，电力逆变器将来自电机的AC电力转换为由牵引电池储存的DC电力。两个电机(两个电机中的每个与电力逆变器连接)的使用可应用于串联式混合动力系统、并联式混合动力系统和串并联式混合动力系统(也被称作功率分流式混合动力系统)。可变电压转换器(VVC)是用于控制DC链路电压以使牵引逆变器损耗最小化的双向升压/降压DC-DC转换器。当处于推进模式时，VVC通过将较低的电压(例如，牵引电池电压)升高到较高的电压(例如，供电电压)，来控制电力逆变器的供电电压(也被称作DC链路电压或DC总线电压)。当处于再生模式时，VVC将较高的电压(例如，供电电压)降低到较低的电压(例如，牵引电池电压)。然而，当以大约等于牵引电池电压的电压操作电机时，VVC可在旁路模式(bypass mode)或通过模式(pass-through mode)下操作。在VCC的通过模式期间，上IGBT导通并且保持导通，同时下IGBT截止并保持截止。旁路二极管被放置在电池正极端子和DC链路正极端子之间，以减小通过模式期间的VVC损耗。当电池放电时，旁路二极管可显著地减小通过模式期间的VVC损耗。然而，当电池由于车辆的再生操作而被充电时，旁路二极管可能由于DC链路电压的振荡而导通。由于能量通过旁路二极管从电池和输入电容器(Ci)流回逆变器以及电感器和旁路二极管之间的循环电流，因此该振荡导致VVC中的额外损耗。
这里，提出了一种对VVC的上IGBT和下IGBT进行调制的控制策略，以减小由于在车辆再生操作期间能量通过旁路二极管的循环而产生的损耗。例如，当在该提出的策略下进行操作时，控制器可被配置为以大约为操作频率的1/2的频率对IGBT进行调制，使得控制器在95％的时间使上IGBT导通并使下IGBT截止，并且在5％的时间使上IGBT截止并使下IGBT导通。在可选实施例中，控制器可被配置为以大约为操作频率的1/4的频率对IGBT进行调制，使得控制器在90％的时间使上IGBT导通并使下IGBT截止，并且在10％的时间使上IGBT截止并使下IGBT导通。在另一实施例中，控制器可被配置为以可比操作频率的3/4小的可变频率对IGBT进行调制，使得控制器在98％的时间使上IGBT导通并使下IGBT截止，并且在2％的时间使上IGBT截止并使下IGBT导通。
图1描绘了可被称为插电式混合动力电动车辆(PHEV)的电气化车辆112。插电式混合动力电动车辆112可包括机械地连接到混合动力传动装置116的一个或更多个电机114。电机114能够作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置116机械地连接到发动机118。混合动力传动装置116还机械地连接到驱动轴120，驱动轴120机械地连接到车轮122。电机114可在发动机118启动或者关闭时提供推进和减速能力。电机114还能够作为发电机操作并且通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热损失掉的能量来提供燃料经济性效益。电机114还可通过允许发动机118以更高效的转速运转并允许混合动力电动车辆112在某些状况下运转在发动机118关闭的电动模式下来减少车辆排放。电气化车辆112还可以是电池电动车辆(BEV)。在BEV构造中，发动机118可以不存在。在其它构造中，电气化车辆112可以是不具有插电能力的全混合动力电动车辆(FHEV)。
牵引电池或电池组124储存可被电机114使用的能量。车辆电池组124可提供高电压直流电(DC)输出。牵引电池124可电连接到一个或更多个电力电子模块126。一个或更多个接触器142在断开时可将牵引电池124与其它组件隔离并且，在闭合时可将牵引电池124与其它组件连接。电力电子模块126还电连接至电机114并且提供在牵引电池124与电机114之间双向传输能量的能力。例如，牵引电池124可提供DC电压而电机114可使用三相交流电(AC)操作来运转。电力电子模块126可将DC电压转化为三相AC电流以运转电机114。在再生模式下，电力电子模块126可将来自用作发电机的电机114的三相AC电流转化为与牵引电池124兼容的DC电压。
车辆112可包括在牵引电池124与电力电子模块126之间电连接的可变电压转换器(VVC)152。VVC 152可以是被配置为增大或升高由牵引电池124提供的电压的DC/DC升压转换器。通过增大电压，可降低电流需求，从而导致电力电子模块126和电机114的布线尺寸减小。此外，电机114可以以较高的效率和较低的损耗运转。
牵引电池124除了提供用于推进的能量之外，还可提供用于其它车辆电系统的能量。车辆112可包括DC/DC转换器模块128，DC/DC转换器模块128将牵引电池124的高电压DC输出转化为与低电压车辆负载兼容的低电压DC供应。DC/DC转换器模块128的输出可电连接至辅助电池130(例如，12V电池)，用于对辅助电池130充电。低电压系统可电连接至辅助电池130。一个或更多个电负载146可连接至高电压总线。电负载146可具有适时地操作和控制电负载146的关联的控制器。电负载146的示例可以是风扇、电加热元件和/或空调压缩机。
电气化车辆112可被配置为从外部电源136对牵引电池124进行再充电。外部电源136可连接到电插座。外部电源136可电连接至充电器或电动车辆供电设备(EVSE)138。外部电源136可以是由公共电力公司提供的配电网或电网。EVSE 138可提供电路和控制，以调节和管理电源136与车辆112之间的能量传输。外部电源136可将DC电力或AC电力提供至EVSE138。EVSE 138可具有用于插入到车辆112的充电端口134中的充电连接器140。充电端口134可以是被配置为将电力从EVSE 138传输至车辆112的任何类型的端口。充电端口134可电连接至充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块132可调节由EVSE 138供应的电力，以将适当的电压水平和电流水平提供至牵引电池124。电力转换模块132可与EVSE 138接口连接，以协调至车辆112的电力传输。EVSE连接器140可具有与充电端口134的对应凹槽匹配的插脚。可选地，被描述为被电耦合或电连接的各种组件可使用无线感应耦合来传输电力。
可提供一个或更多个车轮制动器144用于使车辆112减速以及防止车辆112移动。车轮制动器144可为液压致动的、电致动的或前述致动方式的某种组合。车轮制动器144可以是制动系统150的一部分。制动系统150可包括用于操作车轮制动器144的其它组件。为了简要起见，附图描绘了制动系统150与车轮制动器144中的一个之间的单一连接。隐含了制动系统150与其它车轮制动器144之间的连接。制动系统150可包括监测和协调制动系统150的控制器。制动系统150可监测制动组件并且控制车轮制动器144用于车辆减速。制动系统150可对驾驶员命令做出响应，并且还可自主运转以实施诸如稳定性控制的功能。制动系统150的控制器可实施当被另一控制器或子功能请求时施加请求的制动力的方法。
车辆112中的电子模块可通过一个或更多个车辆网络进行通信。车辆网络可包括多个用于通信的信道。车辆网络的一个信道可以是诸如控制器局域网(CAN)的串行总线。车辆网络的信道中的一个可包括由电气与电子工程师协会(IEEE)802标准族定义的以太网。车辆网络的其它信道可包括模块之间的离散连接，并且可包括来自辅助电池130的电力信号。不同的信号可通过车辆网络的不同信道进行传输。例如，视频信号可通过高速信道(例如，以太网)进行传输，而控制信号可通过CAN或离散信号进行传输。车辆网络可包括协助在模块之间传输信号和数据的任何硬件组件和软件组件。车辆网络未在图1中示出，但是可隐含了车辆网络可连接到存在于车辆112的任何电子模块。可存在车辆系统控制器(VSC)148以协调各个组件的操作。
图2描绘了被配置为升压转换器的VVC 152的示图。VVC 152可包括输入端子，所述输入端子可通过接触器142连接到牵引电池124的端子。VVC 152可包括连接到电力电子模块126的端子的输出端子。可以以升压模式操作VVC 152，以使输出端子处的电压大于输入端子处的电压。可以以降压模式操作VVC 152，以使输出端子处的电压小于输入端子处的电压。可以以旁路模式操作VVC 152，以使输出端子处的电压大致等于输入端子处的电压。车辆112可包括监测和控制在VVC 152内的各个位置处的电参数(例如，电压和电流)的VVC控制器200。在一些配置中，VVC控制器200可被包括而作为VVC 152的一部分。VVC控制器200可确定输出电压基准
Figure BDA0001251574750000071
基于电参数和所述电压基准
Figure BDA0001251574750000072
VVC控制器200可确定足以使VVC152实现期望的输出电压的控制信号。在一些配置中，控制信号可被实施为脉冲宽度调制(PWM)信号，其中，PWM信号的占空比是变化的。控制信号可以以预定的开关频率操作。VVC控制器200可使用控制信号命令VVC 152提供期望的输出电压。使VVC 152操作的特定控制信号可直接与将由VVC 152提供的电压升高量相关。
可控制VVC 152的输出电压以达到期望的基准电压。在一些配置中，VVC 152可以是升压转换器。在VVC控制器200控制占空比的升压转换器的配置中，输入电压Vin和输出电压Vout与占空比D之间的理想关系可使用下列等式示出：
Figure BDA0001251574750000081
期望的占空比D可通过测量输入电压(例如，牵引电池电压)并将输出电压设置为基准电压来被确定。VVC 152可以是将电压从输入电压降低为输出电压的降压转换器。在降压配置中，可以推导出将输入电压和输出电压与占空比相关联的不同表达式。在一些配置中，VVC 152可以是可以增大或减小输入电压的降压-升压转换器。此处描述的控制策略不限于特定的可变电压转换器拓扑。
参照图2，VVC 152可升高或“提高(step up)”由牵引电池124提供的电力的电势。牵引电池124可提供高电压(HV)DC电力。高电压是大于100伏特DC或100伏特AC的任何电压。在一些配置中，牵引电池124可提供150伏特与400伏特之间的电压。接触器142可串联电连接在牵引电池124与VVC 152之间。在接触器142闭合时，HV DC电力可从牵引电池124传输到VVC 152。输入电容器202可与牵引电池124并联电连接。输入电容器202可稳定总线电压并减小任何电压纹波和电流纹波。VVC 152可接收HV DC电力，并根据占空比来升高或“提高”输入电压的电势。
输出电容器204可电连接在VVC 152的输出端子之间。输出电容器204可稳定总线电压，并减小VVC 152的输出处的电压纹波和电流纹波。
进一步参照图2，VVC 152可包括用于升高输入电压以提供升高的输出电压的第一开关器件206和第二开关器件208。开关器件206和开关器件208可被配置为选择性地使电流流向电负载(例如，电力电子模块126和电机114)。开关器件206和开关器件208中的每个可由VVC控制器200的栅极驱动电路(未示出)独立控制，并可包括任意类型的可控开关(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)和场效应晶体管(FET))。栅极驱动电路可将基于控制信号(例如，PWM控制信号的占空比)的电信号提供给开关器件206和开关器件208中的每个。二极管可被跨接在开关器件206和开关器件208中的每个上。开关器件206和开关器件208可各自具有相关的开关损耗。开关损耗是在开关器件的状态改变(例如，开/关和关/开的转换)期间产生的功率损耗。可通过在转换期间流经开关器件206和开关器件208的电流以及开关器件206两端的电压和开关器件208两端的电压来量化开关损耗。开关器件还可具有在所述开关器件接通时产生的相关联的传导损耗。
车辆系统可包括用于测量VVC 152的电参数的传感器。第一电压传感器210可被配置为测量输入电压(例如，电池124的电压)，并将相应的输入信号(Vbat)提供给VVC控制器200。在一个或更多个实施例中，第一电压传感器210可测量输入电容器202两端的电压，该电压与电池电压相对应。第二电压传感器212可测量VVC 152的输出电压，并将相应的输入信号(Vdc)提供给VVC控制器200。在一个或更多个实施例中，第二电压传感器212可测量与DC总线电压相对应的输出电容器204两端的电压。第一电压传感器210和第二电压传感器212可包括将电压缩放到适于VVC控制器200的水平的电路。VVC控制器200可包括用于对来自第一电压传感器210和第二电压传感器212的信号进行滤波和数字化的电路。
输入电感器214可串联电连接在牵引电池124与开关器件206、208之间。输入电感器214可在将能量储存在VVC 152中与释放VVC 152中的能量之间转换，从而能够提供可变的电压和电流作为VVC 152的输出，并且能够实现期望的电压升高。电流传感器216可测量通过输入电感器214的输入电流，并可将相应的电流信号(IL)提供给VVC控制器200。通过输入电感器214的输入电流可以是VVC 152的输入电压与输出电压之间的电压差、开关器件206和开关器件208的导通时间以及输入电感器214的电感L共同作用的结果。VVC控制器200可包括用于对来自电流传感器216的信号进行缩放、滤波和数字化的电路。在另一实施例中，旁路二极管218可连接在VVC的输入与VVC的输出之间，使得VVC的输出被钳位到(例如，逆变器输入电压)VVC的输入电压(例如，牵引电池电压)。
VVC控制器200可被配置为控制VVC 152的输出电压。VVC控制器200可通过车辆网络接收来自VVC 152和其它控制器的输入，并可确定控制信号。VVC控制器200可监测输入信号(Vbat,Vdc,IL,
Figure BDA0001251574750000091
)，以确定控制信号。例如，VVC控制器200可将与占空比命令相对应的控制信号提供给栅极驱动电路。栅极驱动电路可随后基于占空比命令控制每个开关器件206和开关器件208。
提供给VVC 152的控制信号可被配置为以特定的开关频率来驱动开关器件206和开关器件208。在开关频率的每个周期内，开关器件206和开关器件208可以以特定的占空比操作。所述占空比限定开关器件206和开关器件208处于接通状态和断开状态的时间量。例如，100％的占空比可使开关器件206和开关器件208操作在没有断开的持续接通状态下。0％的占空比可使开关器件206和开关器件208操作在没有接通的持续断开状态。50％的占空比可使开关器件206和开关器件208在半个周期内操作在接通状态下并且在另一半周期内操作在断开状态下。用于两个开关器件206、208的控制信号可以是互补的。即，发送到开关器件之一(例如，开关器件206)的控制信号可以是发送到另一开关器件(例如，开关器件208)的控制信号的相反版本。
由开关器件206和开关器件208控制的电流可包括纹波分量，该纹波分量具有随着电流幅值以及开关器件206和开关器件208的开关频率和占空比的变化而变化的幅值。相对于输入电流，状况最差的纹波电流的幅值出现在相对高的输入电流的状况期间。当占空比不变时，电感器电流的增大导致纹波电流幅值的增大(如图4A和图4B所示)。纹波电流的幅值还与占空比相关。当占空比等于50％时，出现最大幅值的纹波电流。电感器的纹波电流幅值与占空比之间的大体关系如图5A和图5B所示。基于这些事实，在高电流以及中等范围的占空比状况下实施用于减小纹波电流幅值的措施可能是有益的。
在设计VVC 152时，可选择开关频率和电感器214的电感值以满足最大容许的纹波电流幅值。纹波分量可以是出现在DC信号中的周期性变量。纹波分量可以通过纹波分量的幅值和纹波分量的频率来定义。纹波分量可具有处于可听频率范围内的谐波，所述可听频率范围内的谐波可增加车辆的噪声特征。此外，纹波分量可能对精确控制由电源供电的装置造成困难。在开关瞬变期间，开关器件206和开关器件208可在最大电感器电流(DC电流加纹波电流)处断开，这可导致产生开关器件206两端和开关器件208两端的大电压峰值。由于尺寸和成本的限制，可基于传导电流选择电感值。通常，随着电流增大，电感可由于饱和而减小。
可选择开关频率，以限制在最差情况情境(例如，最高输入电流和/或占空比接近50％的状况)下的纹波电流分量的幅值。开关器件206和开关器件208的开关频率可被选择为高于连接到VVC 152的输出的马达/发电机逆变器的开关频率(例如，5kHz)的频率(例如，10kHz)。在一些应用中，VVC 152的开关频率可被选择为预定的固定频率。为了满足噪声和纹波电流的规范而通常选择预定的固定频率。然而，预定的固定频率的选择可能无法在VVC152的全部操作范围内提供最佳性能。预定的固定频率可在操作状况的特定集合下提供最佳结果，但可能在其它操作状况下对预定的固定频率做出折衷。
增大开关频率可减小纹波电流幅值并降低开关器件206和开关器件208上的电压应力，但可能导致更高的开关损耗。虽然可针对最差情况的纹波状况而选择开关频率，但是VVC 152在最差情况的纹波状况下进行操作仅持续总操作时间的小百分比。这可能导致可能降低燃料经济性的不必要的高开关损耗。此外，固定的开关频率可将噪声频谱集中在非常窄的范围内。在这个窄的范围内噪声密度增大可导致显著的噪声、振动和声振粗糙度(NVH)问题。
VVC控制器200可被配置为基于占空比和输入电流而改变开关器件206和开关器件208的开关频率。在保持最差情况的操作状况下的纹波电流目标的同时，开关频率的改变可通过减小开关损耗来改善燃料经济性，并减少NVH问题。
在相对高的电流状况期间，开关器件206和开关器件208可能经受增大的电压应力。在VVC 152的最大操作电流处，可期望选择相对高的开关频率，从而减小纹波分量的幅值并且开关损耗水平是合理的。可以基于输入电流幅值来选择开关频率，使得开关频率随着输入电流幅值的增大而增大。开关频率可增大至预定的最大开关频率。预定的最大开关频率可以是在较低的纹波分量幅值与较高的开关损耗之间提供折衷的水平。可在操作电流范围内按照离散步长改变开关频率或持续改变开关频率。
VVC控制器200可被配置为响应于电流输入小于预定的最大电流而降低开关频率。所述预定的最大电流可以是VVC 152的最大操作电流。开关频率的改变可以基于输入到开关器件206和开关器件208的电流的幅值。当电流大于预定的最大电流时，开关频率可被设置为预定的最大开关频率。纹波分量的幅值随着电流的减小而减小。通过在电流减小时以较低的开关频率操作，开关损耗降低。开关频率可基于输入到开关器件的功率而变化。由于输入功率是输入电流和电池电压的函数，因此输入功率和输入电流可以以类似的方式被使用。
由于纹波电流还受占空比影响，所以开关频率可基于占空比而变化。可基于输入电压与输出电压之间的比值来确定占空比。这样，开关频率还可以基于输入电压与输出电压之间的比值而变化。当占空比接近50％时，预测的纹波电流幅值为最大值，并且开关频率可被设置为预定的最大频率。预定的最大频率可以是被选为使纹波电流幅值最小化的最大开关频率值。开关频率可在占空比范围内按照离散步长改变或持续改变。
VVC控制器200可被配置为响应于占空比与在预测的纹波分量幅值为最大值时的占空比值(例如，50％)之间的差的大小而从预定的最大频率开始减小开关频率。当所述差值的大小小于阈值时，开关频率可被设置为预定频率。当所述差值的大小减小时，开关频率可向着预定的最大频率增大，以减小纹波分量幅值。当所述差值的大小小于阈值时，开关频率可被设置为预定的最大频率。
开关频率可被限制在预定的最大频率与预定的最小频率之间。预定的最小频率可以是大于连接到电压转换器152的输出的电力电子模块126的预定开关频率的频率水平。
当以再生旁路模式操作VVC使电流从电力电子模块(PEM)126流向牵引电池124时，传统上，上IGBT 206导通以允许从PEM 126到电感器214的导通路径，同时下IGBT 208截止以将上IGBT 206与系统地断开连接。当处于再生旁路模式时，IGBT(206、208)保持在它们各自的状态下(例如，当上IGBT 206导通并且下IGBT 208截止时)。当处于再生模式时，当PEM126两端的电压略微大于或大致等于电池124的电压时，电流从PEM 126流向电池124。
在再生旁路模式期间，DC链路电压的波动可导致PEM 126处的电压下降到电池124的电压以下。该波动可导致旁路二极管218导通并且使电流流动。当VVC在该状况下操作时，形成了电流回路，其中，电流从电池124的正极端子通过旁路二极管218流到上IGBT 206的集电极的端子，流过上IGBT 206，流过电感器214而到达电池124的正极端子。该电流回路也被称作通过旁路二极管的纹波电流。
在旁路二极管导通时，可能由于流过旁路二极管的纹波电流而在旁路二极管中产生一些不期望的损耗。流过旁路二极管的纹波电流由输入电容器202和电池124提供。因此，额外的损耗是由于输入电容器202的等效串联电阻(ESR)和电池124的ESR所导致的。流过旁路二极管的纹波电流的另一个源是VVC电感器214。当DC链路电压波动时，电感器214可续流(freewheel)流过旁路二极管的电流。流过电感器214的被续流的电流导致通过旁路二极管218的不期望的电流循环，并且导致电感器214的ESR中的额外损耗。为了减小旁路二极管218中的纹波电流并且在一些情况下消除所述纹波电流，可对上IGBT 206和下IGBT 208进行调制。
图3是用于对上IGBT 206和下IGBT 208进行调制的VVC控制系统300的流程图。在操作302，控制器监测车辆状况。车辆状况包括电机的转速、车辆功率需求、车辆的速度、车辆的倾角、VVC组件的温度和车辆的历史行驶模式。在操作304，控制器基于车辆状况计算目标DC链路电压。当动力传动系统在再生模式下操作时，目标DC链路电压是来自PEM 126的输出，并且是针对VVC 152的输入。
在操作306，控制器将目标DC链路电压与电池电压进行比较。如果目标DC链路电压大于电池电压，则控制器可分支到操作308。如果目标DC链路电压小于或等于电池电压，则控制器可分支到操作310。在可选实施例中，在操作306，如果目标DC链路电压比电池电压大预定量，则控制器可分支到操作308，并且如果目标DC链路电压在电池电压的预定量或预定范围内(例如，10伏特或25伏特内)，则控制器可分支到操作310。
在操作308，控制器将根据动力传动系统正在推进车辆还是处于再生模式而以升压模式或降压模式操作VVC。如果动力传动系统在推进模式下操作，则控制器以升压模式操作VVC，以将电池电压升高到较高的DC链路电压。如果动力传动系统在再生模式下操作，则控制器以降压模式操作VVC，以将DC链路电压降低到电池电压。
在操作310，如果车辆处于推进模式，则控制器分支到操作312，并且如果车辆处于再生模式，则控制器分支到操作314。在操作312，控制器将使上IGBT(例如，IGBT 206)导通并使下IGBT(例如，IGBT 208)截止，并且使所述IGBT(例如，IGBT 206和208)保持在该状态以通过VVC(例如，VVC 152)传送电力。在该操作期间，静态地操作IGBT以提供通过的通道。这允许电机(例如，电机114)和逆变器以电池电压进行操作。为了进一步改善在该模式下的操作，旁路二极管(例如，旁路二极管218)被用于提供从牵引电池到逆变器(例如，PEM 126)的电流路径。该旁路二极管允许电力绕过VVC，以提供从牵引电池到逆变器的电流路径。当在通过模式(也被称作旁路模式)下操作时，旁路二极管具有比与VVC关联的损耗低的损耗。传统上，当DC链路电压和电池电压在预定范围(例如，5伏特、10伏特或25伏特)内时，当动力传动系统在推进模式和再生模式两者下操作时，IGBT导通并且保持导通。这里，在操作314，控制器在处于再生模式时将对VVC的IGBT进行调制。通过在动力传动系统处于再生模式时对IGBT进行调制，DC链路电压被增大为使得旁路二极管(例如，旁路二极管218)保持处于反向偏置模式并且通过旁路二极管的通道被切断。这减小了由于在通过模式下通过旁路二极管和VVC的再循环电流引起的关联的损耗。在图4A至图6B中示出了优点，图4A至图6B示出了当在通过模式下静态地操作VVC时以及当通过调制IGBT动态地操作VVC时的关联组件的电压和电流。动态操作可在小于VVC的操作频率的频率处进行，以使损耗最小化。在一些实施例中，频率可以是可变频率。例如，频率可在操作频率的1/4与操作频率的1/2之间变化。
图4A是当VVC的高侧IGBT导通时旁路二极管电流404和电池电流402相对于时间406的图形化表示400。通常，操作VVC，使得旁路二极管电流曲线410在VVC操作在使上IGBT导通的再生模式下时具有超过40安培的电流尖峰。而当VCC在保持上IGBT导通的再生模式下操作时，关联的电池电流曲线408从大约-50安培波动到-73安培。负数指示电流正流向电池。
图4B是当VVC的高侧IGBT导通时电感器电流454和输入电容器电流452相对于时间456的图形化表示450。当VVC在再生模式下操作同时保持上IGBT导通时，典型的电感器电流曲线460在-65安培与-71安培之间波动并具有-68安培的平均电流。而当VVC在再生模式下操作同时保持上IGBT导通时，输入电容器曲线458在-20安培和42安培之间波动。
图5A是当VVC的高侧IGBT导通时电池电压504和DC链路电压502相对于时间506的图形化表示500。当VVC在保持上IGBT导通的再生模式下操作时，电池电压曲线510在288伏特与295伏特之间波动并具有大约293伏特的平均值。DC链路电压曲线508在286伏特与304伏特之间波动并具有295伏特的平均值，该平均值与电池电压大致相差IGBT的饱和电压和电感器两端的电压降。
图5B是当对VVC的IGBT进行调制时电池电压554和DC链路电压552相对于时间556的图形化表示550。当VVC在再生模式下操作并且控制对VVC的IGBT进行调制时，电池电压曲线560在292伏特与298伏特之间波动并具有大约295伏特的平均值。而DC链路电压曲线558在大约300伏特与320伏特之间波动并具有309伏特的平均值。当在如图5A所示的典型操作与对IGBT进行调制的操作之间进行操作比较时，电池电压的波动被示出为减小，而DC链路电压被示出为保持在电池电压之上，从而将旁路二极管保持在反向偏置状态使得通过旁路二极管的电流被截止。
图6A是当对VVC的IGBT进行调制时旁路二极管电流604和电池电流602相对于时间606的图形化表示600。当VVC在再生模式下操作并且控制器对VVC的IGBT进行调制时，与图4A不同，旁路二极管电流曲线610由于二极管被反向偏置而被示出为没有电流尖峰。而关联的电池电流曲线608在大约-50安培与-77安培之间波动。当在如图4A所示的典型操作与对IGBT进行调制的操作之间进行操作比较时，将旁路二极管保持在反向偏置状态被示出为消除了旁路二极管电流的波动而稍微增大电池电流的波动。
图6B是当对VVC的IGBT进行调制时电感器电流654和输入电容器电流652相对于时间656的图形化表示650。当VVC在再生模式下操作并且控制器对VVC的IGBT进行调制时，与图4B不同，电感器电流曲线660在大约-50安培与-77安培之间波动并具有-65安培的平均电感器电流。这里，通过在VVC处于再生模式时对IGBT进行调制，波动被示出为增大而平均电流减小。此外，当VVC在再生模式下操作并且控制器对VVC的IGBT进行调制时，输入电容器被示出为具有在大约-5安培与23安培之间波动的电流曲线658。这里，输入电容器的电流波动从当IGBT在再生模式下保持在静态时的超过60安培的范围减小到当控制器在再生模式下对IGBT进行调制时的小于30安培。
在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机/通过处理装置、控制器或计算机实现，其中，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，处理、方法或算法可按照多种形式被存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，所述多种形式包括但不限于：信息永久地存储在非可写存储介质(诸如，只读存储器(ROM)装置)上和信息可变地存储在可写存储介质(诸如，软盘、磁带、致密盘(CD)、随机存取存储器(RAM)装置以及其它磁性介质和光学介质)上。所述处理、方法或算法还可被实施为软件可执行对象。可选地，所述处理、方法或算法可利用合适的硬件组件(诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或者其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的组合来整体或部分地实现。
虽然上文描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。如前所述，可组合各个实施例的特征以形成本发明的可能未明确描述或示出的进一步的实施例。虽然关于一个或更多个期望特性，多个实施例可能已被描述为提供优点或优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，根据具体应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、装配的便利性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (10)

1.一种车辆动力传动系统，包括：
旁路二极管，连接在DC-DC转换器的输入与输出之间并且被配置为将逆变器DC端电压钳位到电池电压；
控制器，被配置为：当所述端电压在所述电池电压的预定范围内时，当所述车辆动力传动系统处于推进模式时使所述DC-DC转换器的下IGBT保持截止，并且当所述车辆动力传动系统处于再生模式时对所述下IGBT进行调制，以增大所述端电压，从而使所述旁路二极管保持反向偏置。
2.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，控制器还被配置为：以小于操作频率的再生频率对所述DC-DC转换器的上IGBT和下IGBT进行调制。
3.如权利要求2所述的车辆动力传动系统，其中，所述DC-DC转换器的操作频率为至少5kHz，并且所述再生频率不大于2.5kHz。
4.如权利要求3所述的车辆动力传动系统，其中，所述IGBT被调制为使得所述下IGBT的导通时间百分比大于2％。
5.如权利要求3所述的车辆动力传动系统，其中，以PWM占空比对所述IGBT进行调制，其中，所述下IGBT导通时间百分比随着所述再生频率减小而增大。
6.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，还包括电机，并且其中，所述控制器还被配置为：响应于当在再生模式下操作时所述电机的转速降低至最小转速限制以下，对所述DC-DC转换器的上IGBT和下IGBT进行调制，以将所述端电压至少升高到所述电池电压。
7.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，对所述下IGBT的调制增大流过所述DC-DC转换器的电感器的电流的波动幅值，以增大所述逆变器DC端电压，从而使所述旁路二极管反向偏置。
8.一种操作车辆动力传动系统的DC-DC转换器的方法，包括：
当总线电压在电池电压的预定范围内时，由控制器执行以下操作：
在所述车辆动力传动系统处于推进模式时将所述DC-DC转换器的上IGBT保持在导通状态，以增强从电池到负载的通道；
在所述车辆动力传动系统处于再生模式时对所述上IGBT进行调制，以增大流过所述DC-DC转换器的电感器的电流的波动幅值，从而使连接在所述DC-DC转换器的输入与输出之间的转换器旁路二极管反向偏置。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：以与所述上IGBT相反的方式调制所述DC-DC转换器的下IGBT，使得所述下IGBT的导通时间百分比大于2％。
10.一种车辆动力传动系统，包括：
升压转换器，将电池与逆变器连接；
旁路二极管，连接在所述升压转换器的输入与输出之间并且被配置为将逆变器DC端电压钳位到电池电压；
控制器，被配置为：当以再生模式操作所述车辆动力传动系统时，对所述升压转换器的IGBT进行调制，以增大流过所述升压转换器的电感器的电流的波动幅值，从而通过增大所述逆变器DC端电压的平均值使所述旁路二极管截止。
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