CN107346942B - 多相转换器辅助电力降低 - Google Patents

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Abstract

一种使用具有多相电压、例如三相电压的AC电源的电气系统，可包括高压电池组或其它高压DC装置、向电气系统提供辅助电力的12VDC电池或其它辅助电压DC装置、多个AC‑DC转换器以及控制器。AC‑DC转换器各自均将DC输出电压提供给高压DC装置，并且可操作用以将来自AC电源的相应一相的相电压转换成DC输出电压。控制器响应于检测到的预定操作条件来选择性地停用AC‑DC转换器，以由此降低电气系统内的辅助电力消耗。一种车辆，可包括高压DC电池组、提供辅助电力的辅助电压DC电池、车载充电模块、充电端口、辅助电力模块、电动机器以及控制器。

Description

多相转换器辅助电力降低
技术领域
本发明涉及具有多相转换器的电气系统中辅助电力消耗的降低。
背景技术
电气系统可利用交流电流(AC)和直流电流(DC)电力两者。例如，电池电动或混合电动车辆或其它扭矩产生系统的动力系通常包括一个或多个高压AC电动机器，每个电动机器均由诸如多单元电池组或燃料电池之类的DC装置供电。AC-DC转换器在此类系统中用于执行所需的电力转换功能。例如，诸如MOSFETS或IGBT之类的无源二极管电桥和有源受控开关元件可用于消除AC输入波形的负周期，且所产生的电压输出之后经过滤以提供DC输出波形。
在使用AC电源的一些电气系统中，DC电池组的充电或DC装置的供电可通过将电气系统插入到诸如可用的AC墙壁插座或充电站之类的场外充电端口来实现。例如，AC-DC多转换器系统可在某些插电式车辆中用于将来自墙壁插座或充电站的AC输入电压转换成DC电压。
120/240VAC单相AC作为住宅电压供给宽泛地可用在发达国家中。在此种构造中，AC电压供给是“分裂相”供给，其中，对地峰值电压是120VAC或240VAC。然而，在一些位置中，多相AC电力是标准的，例如提供彼此相差三分之一周期或120电度的三相电压和电流。因此，用于单相应用的电力转换设计的传统方案在用于多相AC电力时并非是最佳的。
发明内容
这里公开了一种具有AC-DC电力转换器装置的电气系统，其具有多个AC-DC转换器和与每个转换器通信的控制器，且电力转换器装置在这里称为AC-DC多转换器装置。控制器可编程以降低电气系统中的辅助电力消耗。本发明涉及解决这样的问题，即在使用下文解释的主AC-DC转换器和多个次级AC-DC转换器来实施多相电力转换中可能遇到的问题，且一个转换器处理针对对应的电气相的电力转换。
本发明旨在降低再电气系统的某些操作阶段期间的辅助电力消耗。为了实现期望的电力降低，控制器被编程为当电气系统的总体控制中无需与次级转换器相关联的传感器数据(例如输入到次级转换器或者从中输出的电压或电流)时根据需要选择性地停用一些或所有次级转换器。
这里公开了电气系统的示例实施例，其在典型的应用中使用具有多相电压(例如三相电压)的AC电源。该电气系统可包括高压电池组或其它高压DC装置、向电气系统提供辅助电力的12VDC电池或其它辅助电压DC装置、多个AC-DC转换器以及控制器。AC-DC转换器各自将DC输出电压提供给高压DC装置，并且可操作用以将来自AC电源的相应一相的相电压转换成DC输出电压。控制器被编程为响应于检测到的预定操作条件来选择性地停用AC-DC转换器中的一些或所有AC-DC转换器，以由此降低电气系统内的辅助电力消耗。
电气系统可包括充电端口，其配置成将每个AC-DC转换器连接于AC电源。
AC-DC转换器能可选地容纳或包含在车辆的AC-DC多转换器系统(例如高压电池充电器模块或车载充电模块)内。在此种实施例中，预定操作条件可以是车辆的主动驾驶模式。
在可能的实施例中，控制器可被编程为个别地和直接地启用或停用AC-DC转换器。替代地，控制器可被编程为直接地启用其中一个AC-DC转换器。在此种情形中，通过个别地且直接地启用剩余的AC-DC转换器来用作次级转换器，所启用的AC-DC转换器可用作主转换器。
主AC-DC转换器和次级AC-DC转换器的每个可包括电气传感器，电气传感器测量作为使用该电气传感器的相应AC-DC转换器的输入或输出电压(例如AC输入或DC输出)的传感器数据。这些传感器可将它们的传感器数据个别地且直接地传递到控制器。替代地，这些传感器可将它们的传感器数据个别地且直接地传递到主传感器，且该主转换器又进而将来自其自身和次级转换器的所有传感器数据传递到控制器。控制器可与主转换器相集成。
该电气系统还可包括电动机器和电力逆变器模块，且电动机器由高压DC装置经由PIM提供能量。
这里还公开了利用三相AC电源的车辆。该车辆可包括高压DC电池组、提供辅助电力的辅助电压DC电池、AC-DC多转换器装置、充电端口和辅助电力模块(APM)、电动机器以及控制器。AC-DC多转换器装置具有多个AC-DC转换器，每个AC-DC转换器均将DC输出电压提供给高压DC电池组。每个AC-DC转换器可操作，用以将来自AC电源的相应相电压转换成DC输出电压。充电端口将多转换器装置连接于AC电源。APM将多转换器装置电气连接于辅助DC电池并且将DC输出电压减小为较低的DC辅助电压。电动机器当由高压DC电池组提供能量时将输出扭矩输送至车辆的传动系。控制器被编程以检测电气系统的预定操作条件，并且响应于检测到的预定操作条件选择性地停用一些或所有AC-DC转换器，以由此降低辅助电力消耗。
一种用于降低上述电气系统内辅助电力消耗的方法包括经由控制器来检测电气系统的预定操作条件并且响应于检测到的预定操作条件来选择性地停用AC-DC转换器，以降低电气系统内的辅助电力消耗。
从当结合附图时对用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述中，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点显而易见。
附图说明
图1是电气系统的示意图，该电气系统具有多个AC-DC转换器和控制器，该控制器被编程为降低电气系统中的辅助电力使用。
图2是描述用于降低图1中示出的电气系统中的辅助电力使用的示例方法的流程图。
图3-6是用于使用图1的电气系统来实施图2的方法的不同示例实施例的示意图。
具体实施方式
参照附图，其中，类似的附图标记指代若干附图中的类似部件，图1示出示意的示例电气系统10，其具有直流电流(DC)装置18，例如所示出的可再充电能量存储系统(RESS)或多单元电池组、燃料电池或任何其它DC供电装置。DC装置18可使用充电端口(CP)17和下文所描述类型的AC-DC多转换器装置14(标为AC-DC)电气连接于多相交流电流(AC)电源12。AC电源12经由电缆13、通常利用三相电线和第四中性/接地电线(未示出)来将多相电压(VAC)提供给充电端口17。例如，电气系统10可体现为或者可以是插电式车辆的一体部分，其中，当车辆怠速时，充电端口17可插入到墙壁插座或充电站中以对DC装置18充电。
AC-DC多转换器装置14(例如示例高压电池充电器或车载充电模块)包括多个AC-DC转换器25。多转换器装置14经由高压DC总线16H将DC输出电压(VDC)提供给DC装置18。多转换器装置14的每个单个转换器25针对特定的电气相来转换AC电力，即经由充电端口17通过对应的AC输入电缆15(VAC)的对应电线来接收来自AC电源12的对应相电压，并且将所接收的相电压转换成DC输出电压(VDC)，该DC输出电压发送至DC装置18，例如当DC装置体现为多单元电池组时用于对DC装置18的各个电池单元充电，或者用于对其它实施例中的DC装置18进行充电。
例如本领域众所周知的是，每个AC-DC转换器25均包括数个内部电子部件，它们一致地一起工作以将来自AC电源12的相应相电压转换为DC电压输出(VDC)。虽然为了说明简单起见进行了省略，但此类内部结构通常包括诸如输入和输出波形过滤器、无源二极管电桥、诸如MOSFET或IGBT的半导体开关、链路电容器以及变压器之类的元件。这些部件中，半导体开关具有开/关切换状态，这些状态能由控制器(C)50指令以根据需要来打开或关闭转换器25，且当电气系统10电气连接于AC电源12时以及当从给定一个转换器25需要传感器数据时，通常打开或启用所有的转换器25。通过当电气系统10处于操作中并且并不连接于AC电源12时切断或停用转换器25中的一些或所有转换器，例如在一些实施例中除了一个转换器25以外停用所有转换器时，控制器50能降低辅助电力使用。例如，典型的转换器25使用约10W的辅助电力来经由通信总线(双头箭头11)来收集和中继它们向控制器50的传感器数据。控制器50由此被编程为精确地确定何时应发生此种控制动作。
图1的电气系统10还可包括呈电力牵引电动机或电动机发电机单元形式的高压多相电动机器(M1)26。电动机器26可将输出扭矩(箭头TO)输送至转子轴27来执行工作，例如但不限于经由变速器输出轴30来推进车辆的一个或多个驱动车轮29或者驱动另一扭矩系统中的负载。在电动机器26使用来自DC装置18的经由DC高压总线16H供给的能量时，电气系统10可附加地包括电力逆变器模块(PIM)20，该电力逆变器模块可操作用以将来自DC装置18的DC输出电压(VDC)转换成适合于对电动机器26供电的多相AC输出电压(VAC)。AC输出电压然后经由多相AC电压总线23提供给电动机器26。虽然在图1中未示出，但本领域众所周知的是，DC-AC电力逆变器使用脉宽调制或其它半导体开关技术来控制PIM20内的半导体开关，以提供期望的AC波形。
电气系统10附加地包括通常为12-15VDC的低电压或辅助电压DC电压总线16L。因此，这里使用的术语“高压”指代高于此种辅助电压电位的电压电位。高压DC总线16H的实际电压电位会随着应用而改变。例如，某些插电式车辆应用可能使用至少300VDC的电压电位，而适度混合电动和其它配置可使用显著较低的、例如约48VDC的电压电位。
在这里设想的所有配置中，AC-DC多转换器装置14的传感器和电力转换功能通过来自诸如12VDC电池的辅助电压装置(AUX)24的辅助电压和/或经由低电压DC总线16L通过辅助电力模块(APM)22供电。可能的配置在图1中示出，其中，APM22电气连接于高压DC总线16H。可体现为提供电压总线16H和16L之间的电力流的传统DC/DC转换器的APM22为电气系统10内的12VDC附加负载和电子控制模块、包括下文解释的控制器50和各个转换器25提供辅助电力。
控制器50包括处理器(P)和存储器(M)。存储器M包括有形非瞬态存储器，例如只读存储器，而不管是光学的、磁性的、闪存的还是其它的。控制器50还包括足够数量的随机访问存储器、电可擦除可编程只读存储器之类、以及高速时钟、模拟到数字和数字到模拟电路以及输入/输出电路和装置以及合适的信号调节和缓冲电路。
如下文所阐述地，控制器50被编程为检测电气系统10的预定操作条件，例如经由指示此种条件、例如电池充电信息、点火或接通/关闭状态、充电状态的输入信号(箭头CCI)或者指示或者有助于确定该预定操作条件的任何其它数据来检测，并且响应于所检测的预定操作条件来选择性地停用转换器25的一些或者除了一个以外的所有。这样，控制器50能够降低电气系统10中的辅助电力使用。
例如下文参照图3-6所进行地解释，在各种实施例中，控制器50可以是其中一个转换器25的一部分或者与其直接通信，且该转换器25中继向剩余转换器25的启用/停用指令，由此致使该特定转换器25是AC-DC多转换器装置14的“主转换器”并且再致使多转换器装置14中的所有其它转换器25作为“次级转换器”。然而，在结构上，转换器25另外同等地配置。
简要地参照图2，为了实现上述辅助电力降低，控制器50被编程为执行方法100，以仅仅当需要转换器25的相应传感器数据时、选择性地且个别地启用这些转换器。因此，在步骤S102处，对于AC-DC转换器装置14整体，控制器50首先检测电气系统10的预定操作条件并且确定针对此种操作条件是否需要来自任何一个转换器25的传感器数据。例如，传感器数据可包括AC输入电压或DC输出电压，且各个转换器25具有呈电压感测电路形式的传感器(S1、S2、S3)或者能用于测量或计算所报告电压的各个电流或电压传感器。然而，如图1中所示，所有DC输出系在一起并且由此是相同的，并且因此仅仅需要来自一个转换器25的传感器数据来确定来自AC-DC多转换器装置14的DC输出电压。
在充电操作期间，控制器50可需要此种传感器数据来报告供给至每个转换器25的AC输入电压。在电气系统10的操作期间的其它时候，控制器50可周期性地需要来自任何或所有转换器25的传感器数据，例如用于当并不对图1的DC装置18主动地充电时的驾驶事件期间的诊断目的。控制器50会在每个驾驶周期开始时需要传感器数据，或者会需要周期性传感器读数来监控电气系统10的状态或外部条件。类似地，一些降低电力模式会需要最少量的此类传感器数据。如果需要来自任何转换器25的传感器数据，则方法100行进至步骤S104。当并不需要传感器数据时、例如当电气系统10在延长时间段内并不用于任何目的时，方法100替代地行进至步骤S103。
步骤S103包括经由控制器50停用AC-DC多转换器装置14的所有转换器25并且然后返回至步骤S102。
步骤S104包括确定需要哪个转换器25来提供传感器数据。步骤S104处使用的标准可与在步骤S102中采用的操作条件考虑相同，例如不管是电气系统10例如在主动车辆电力驾驶模式中主动地消耗来自DC装置18的电力还是当在给定转换器25上正执行诊断时。如果需要来自给定转换器25的传感器数据，则方法100行进至步骤S105。否则，方法100行进至步骤S106。
在步骤S105处，控制器50选择性地启用需要其的传感器数据的特定转换器25。步骤S105可需要将二进制启用信号发送至受影响的转换器25，以要求报告来自转换器25的传感器数据。如果还需要转换器25的电力转换操作，则控制信号可如下文所阐述地那样发送至转换器25。方法100然后返回至步骤S102。
步骤S106包括选择性地停用并不需要其的传感器数据的特定转换器25。步骤S106可需要将二进制启用信号发送至受影响的转换器25以要求该转换器25的停用，即转换器25断电或关闭。方法100然后返回至步骤S102并且循环地重复步骤S102-S106，由此在校准控制环路中个别地评估对于来自每个转换器25的传感器的需求。
图3-6示出用于实现上述控制功能的不同可能实施方式。具体地说，图3-5示出控制器50位于各个转换器25外部的实施例。图6示出控制器50与主转换器25P集成的实施例。控制器50在这些实施例中可以借助示例是本领域已知类型的电池管理系统。
参照图3，响应于输入信号(箭头CCI)的接收，控制器50可被编程以将启用指令(ENBL)51例如作为二进制信号、发送至所指定的主转换器25P，其中1对应于启用状态而0对应于停用状态。当启用指令51中止时，例如通过经由转换器25P内的机械开关(未示出)的操作断开与图1的辅助电池24的电路连接，终止向转换器25的辅助电力。
当需要控制所启用的主转换器25p的AC-DC电力转换功能时，控制器50也可将控制信号(CNTL)52发送至主转换器25P。控制信号52指令向一个或多个转换器25的特定校准电流/电压/功率。作为回应，主转换器25P将传感器数据(SDA)53发送至控制器50、例如针对主转换器25P的电压或电流读数，以用于诊断和控制主转换器25P。在菊花链方式中，主转换器25P可控制(n)个附加的或次级转换器25至25(n)、即第n个转换器25的启用状态。通常，这里指代的多相电力是三相电力，在该情形中会使用三个转换器25。然而，在期望的本发明范围内，可使用较少或较多的电气相。
主转换器25P可配置成个别地且直接地根据需要来启用或停用作为次级转换器的所有剩余转换器25、25(n)，例如通过将单独的启用指令151和251发送至如图所示的次级转换器25、25(n)以指令这些装置的开状态以及终止启用指令151和251以停用装置。为了提供此种功能，控制器50可被编程为个别地且直接地启用或停用如图4中所示的每个AC-DC转换器25，或者经由图3、5和6中示出的主转换器25P来间接地这样做。主转换器25p可在操作中保持打开以报告DC输出电压来作为其传感器数据(SDA)，同时指令次级转换器25、25(n)关闭。再者，当启用时，次级转换器25、25(n)将它们的相应传感器数据(SDB)54和(SDn)55发送回至控制器50。
图3的特定配置可由图4的配置替换，以使得控制器50如上所述以与图3中的主转换器25P相同的方式、即经由启用指令51、151和251个别地且直接地控制次级转换器25、25(n)的启用状态。控制器50还可将控制信号52发送至转换器25来控制操作。在此种实施例中，转换器25P、25和25(n)可将它们的相应传感器数据52、54、55个别地且直接地发送至控制器50，即无需通过主转换器25P来中继这些数据。
图5示出来自相应转换器25P、25、25(n)的传感器数据(SDA、B、n)153经由主转换器25P中继至控制器50的替代实施例。也就是说，次级转换器25将其传感器数据54发送至主转换器25P，直至并且包括第n个转换器25(n)的任何其它转换器与其传感器数据55同样如此。控制信号52发送至主转换器25P，且主转换器25P之后将控制信号152和252发送至相应的次级转换器25和25(n)。
图6的实施例与图5的实施例相同，除了一个关键区别在于：控制器50可例如作为集成电路与主转换器25P集成。这样，控制器50的控制功能可与AC-DC多转换器装置14的功能相组合。
鉴于上述电气系统10，本领域的普通技术人员将意识到的是，可设想用于降低车辆或其它顶级系统内的电气系统10内的辅助电力消耗的方法，该方法包括经由图1的控制器50来检测电气系统10的预定操作条件，以及然后响应于预定操作条件来选择性地停用AC-DC转换器25的其中一些或除了一个以外所有，以由此降低电气系统内的辅助电力消耗。如上所述，预定操作条件可以是DC装置并不经由多转换器装置和AC电源主动地充电的任何条件。
本领域普通技术人员将意识到的是，上文详述的方案可用于降低三相或其它多相实施方式中AC-DC多转换器装置14的辅助电力消耗。在其中每个相使用7W功率的示例12VDC辅助应用中，三个转换器25中两个的选择性停用会在停用持续期间内节省14W功率。这样，针对单相应用设计的转换器25可延展至多相应用，同时确保上文公开的功率节省益处。
虽然已详细地描述了用于执行本发明的最佳模式，但本发明所涉及领域的专业人士会认识到落在所附权利要求范围内的用于实践本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (9)

1.一种使用具有多相电压的交流电流(AC)电源的电气系统，所述电气系统包括：
高压直流电流(DC)装置；
辅助电压DC装置，所述辅助电压DC装置将辅助电力提供给所述电气系统；
多个AC-DC转换器，每个AC-DC转换器均将DC输出电压提供给所述高压直流电流装置，其中所述多个AC-DC转换器的每个可操作用以将来自所述交流电流电源的相应一相的相电压转换成所述DC输出电压；以及
控制器，所述控制器被编程以检测所述电气系统的预定操作条件，并且响应于检测到的所述预定操作条件选择性地停用所述多个AC-DC转换器中的一些或所有AC-DC转换器，以由此降低由所述多个AC-DC转换器在所述电气系统内的辅助电力消耗。
2.根据权利要求1所述的电气系统，进一步包括充电端口，其配置成将所述多个AC-DC转换器的每个连接于所述交流电流电源。
3.根据权利要求2所述的电气系统，其中，所述多个AC-DC转换器包含在车辆的高压电池充电模块内，并且其中所述预定操作条件是所述车辆的主动驾驶模式。
4.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制器被编程以个别地且直接地启用或停用所述多个AC-DC转换器的每个。
5.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制器被编程以直接地启用其中所述多个AC-DC转换器中的一个，将该启用的一个AC-DC转换器配置成用作主AC-DC转换器，并且其中通过个别地且直接地启用剩余的多个AC-DC转换器中的一些或所有剩余AC-DC转换器作为次级AC-DC转换器。
6.根据权利要求5所述的电气系统，其中，所述主AC-DC转换器和次级AC-DC转换器的每个包括电气传感器，所述电气传感器配置成测量作为使用所述电气传感器的相应AC-DC转换器的输入电压或输出电压的传感器数据，并且个别地且直接地将所述传感器数据传递到所述控制器。
7.根据权利要求5所述的电气系统，其中，所述主AC-DC转换器和次级AC-DC转换器的每个包括电气传感器，所述电气传感器配置成测量作为使用所述电气传感器的相应AC-DC转换器的输入电压或输出电压的传感器数据，所述次级AC-DC转换器的电气传感器配置成将它们的相应传感器数据个别地且直接地传递到所述主AC-DC转换器，并且所述主AC-DC转换器配置成将来自所述主AC-DC转换器和所述次级AC-DC转换器的所述传感器数据传递到所述控制器。
8.根据权利要求5所述的电气系统，其中，所述控制器与所述主AC-DC转换器集成。
9.根据权利要求1所述的电气系统，进一步包括电动机器和电力逆变器模块，其中所述电动机器由所述高压直流电流装置经由电流逆变器模块提供能量。
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