CN108372789B - 可变电压转换系统中的旁路二极管的故障检测 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及可变电压转换系统中的旁路二极管的故障检测。一种车辆动力传动系统包括可变电压转换器、旁路二极管和控制器。所述旁路二极管可与所述可变电压转换器并联连接，并且被配置为将所述可变电压转换器的输出钳位成电池电压。所述控制器可被配置为：当处于升压模式时，并且响应于转换器电感器电流的变化率超过升压阈值，使所述可变电压转换器的开关断开以通过所述旁路二极管转移推进能量。所述控制器还可被配置为：当处于降压模式时，并且响应于转换器电感器电流的幅值超过降压阈值，使所述可变电压转换器的开关断开以在所述旁路二极管反向偏置时通过所述旁路二极管将再生能量转移到电池。

Description

可变电压转换系统中的旁路二极管的故障检测
技术领域
本申请总体上涉及被配置为检测用于混合动力电动动力传动系统的可变电压转换器的旁路二极管中的故障的系统。
背景技术
包括混合动力电动车辆(HEV)和电池电动车辆(BEV)的电气化车辆依赖牵引电池来为用于推进的牵引马达提供电力，并依赖牵引电池与牵引马达之间的电力逆变器来将直流(DC)电力转换为交流(AC)电力。典型的AC牵引马达是三相马达，所述三相马达可由三个正弦信号提供电力，所述三个正弦信号中的每个以120度的相位分离被驱动。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称为高电压电池。然而，电机的改善的性能可通过在不同的电压范围内进行操作来实现，所述电压范围通常高于牵引电池的电压。很多电气化车辆包括DC-DC转换器(还被称为可变电压转换器(VVC))以将牵引电池的电压转换为电机的操作电压电平。可包括牵引马达的电机可能需要高电压和高电流。由于电压要求、电流要求和开关要求，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)通常被用于产生电力逆变器和VVC中的信号。
发明内容
一种车辆动力传动系统包括可变电压转换器、旁路二极管和控制器。所述旁路二极管可与所述可变电压转换器并联连接，并且被配置为将所述可变电压转换器的输出钳位成电池电压。所述控制器可被配置为：当处于升压模式时，并且响应于转换器电感器电流的变化率超过升压阈值，使所述可变电压转换器的开关断开以通过所述旁路二极管转移推进能量。
一种动力传动系统包括可变电压转换器、旁路二极管和控制器。所述旁路二极管可与所述可变电压转换器并联连接，并且被配置为将所述可变电压转换器的输出钳位成电池的电压。所述控制器可被配置为：当处于降压模式时，并且响应于转换器电感器电流的幅值超过降压阈值，使所述可变电压转换器的开关断开以在所述旁路二极管反向偏置时通过所述旁路二极管将再生能量转移到电池。
一种对车辆动力传动系统进行操作的方法，所述动力传动系统包括与旁路二极管连接的电力逆变器，所述旁路二极管与可变电压转换器并联，所述方法包括：当处于降压模式时，并且响应于电感器电流的变化率超过降压阈值，通过控制器使所述可变电压转换器的开关断开以在所述旁路二极管反向偏置时通过所述旁路二极管将再生能量转移到牵引电池。
附图说明
图1是示出在动力传动系统和能量储存组件之间具有可变电压转换器(VVC)和电力逆变器的典型动力传动系统和能量储存组件的混合动力车辆的示图。
图2是包括旁路二极管的车载的可变电压转换器(VVC)示意图。
图3是在正常操作期间操作在升压模式下的具有旁路二极管的VVC的操作特性相对于时间的曲线图。
图4是在旁路二极管短路操作期间操作在升压模式下的具有旁路二极管的VVC的操作特性相对于时间的曲线图。
图5是在正常操作期间操作在降压模式下的具有旁路二极管的VVC的操作特性相对于时间的曲线图。
图6是在旁路二极管短路操作期间操作在降压模式下的具有旁路二极管的VVC的操作特性相对于时间的曲线图。
图7A和图7B是具有旁路二极管的DC-DC转换器控制系统的流程图。
具体实施方式
在此描述了本公开的多个实施例。然而，应当理解，公开的实施例仅为示例并且其它实施例可采取各种和可替代的形式。附图不需要按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化，以显示特定组件的细节。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结合，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)和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电力转换为电机使用的AC电力。此外，当处于再生模式时，电力逆变器将来自电机的AC电力转换为牵引电池储存的DC电力。分别连接有电力逆变器的两个电机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(也称为电力分流式混合动力系统)。双向升压/降压DC-DC转换器(例如，可变电压转换器(VVC))可被用于控制DC链路电压以使牵引逆变器的损耗最小。当处于推进模式时，VVC通过将较低的电压(例如，牵引电池的电压)升高为较高的电压(例如，供电电压)来控制电力逆变器的供电电压(还被称为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)降低为较低的电压(例如，牵引电池电压)。然而，当电机在近似等于牵引电池的电压的电压下操作时，VVC可操作在旁路模式或直通(pass-through)模式。在VVC的直通模式期间，上层IGBT导通并保持导通，同时下层IGBT断开并保持断开。为了改进操作，旁路二极管可与VVC并联连接(即，连接在电池正极端子和DC链路正极端子之间)以在直通模式期间减少VVC损耗。当电池放电时，在直通模式期间旁路二极管可显著降低VVC损耗。旁路二极管可以是可能不包括电流传感器、温度传感器或电压传感器的低成本二极管。
在此，提出了在旁路二极管的短路期间对包括VVC和逆变器的混合动力车辆的动力传动系统进行操作的方法。通常，固态组件(诸如，半导体组件)上的不同的应力(stress)可导致不同的故障模式。例如，二极管因过热或过电压尖峰承受应力可导致短路故障，从而允许电流以任一方向流过二极管。同时，二极管因高电流浪涌(current surge)而承受应力可导致开路故障。此外，半导体组件(诸如，二极管)可由硅(Si)、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)或其它材料构成。根据所提出的策略，当包括旁路二极管的DC-DC转换器操作在升压模式时，控制器可被配置为阻止VVC的IGBT的调制，使得电流流过二极管的短路电路，从而保护VVC的组件同时还允许车辆以有限性能运行。在可选的实施例中，根据所提出的策略，当操作在降压模式时，控制器可被配置为阻止VVC的IGBT的调制，同时控制器操作逆变器使得逆变器处于基于电池电压产生DC电压的模式，以使电流通过短路的旁路二极管来对电池进行再充电，从而在保护VVC的组件的同时允许车辆以有限性能运行。在此，控制器可响应于电感器电流的变化率超过阈值或电感器电流的幅值超过阈值而改变VVC和逆变器的操作。
图1描绘电气化车辆112，电气化车辆112可称为插电式混合动力电动车辆(PHEV)。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能够在发动机118开启或关闭时提供推进和减速的能力。电机114还可用作发电机，并通过回收在摩擦制动系统中通常作为热损失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在某些状况下允许混合动力电动车辆112在发动机118关闭的情况下以电动模式运转而减小车辆排放。电气化车辆112还可以是电池电动车辆(BEV)。在BEV构造中，可不存在发动机118。在其它构造中，电气化车辆112可以是没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储存可由电机114使用的能量。车辆电池组124可提供高电压直流(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可在断开时将牵引电池124与其它组件隔离，并且可在闭合时将牵引电池124连接到其它组件。电力电子模块126还电连接到电机114，并在牵引电池124与电机114之间提供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可利用三相交流电(AC)来运转。电力电子模块126可将DC电压转换为三相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电流转换为与牵引电池124兼容的DC电压。
车辆112可包括电连接在牵引电池124与电力电子模块126之间的可变电压转换器(VVC)152。VVC 152可以是被配置为使牵引电池124提供的电压增大或升高的DC/DC升压转换器。通过增大电压，可减小电流需求，从而导致电力电子模块126和电机114的接线尺寸减小。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力系统的能量。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输出转换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进行充电。低电压系统可电连接至辅助电池130。一个或更多个电气负载146可连接至高电压总线。电气负载146可具有适时地操作和控制电气负载146的关联的控制器。电气负载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可被配置为通过外部电源136对牵引电池124进行再充电。外部电源136可以连接到电插座。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络或电网。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或AC电力提供给EVSE 138。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，以将适当的电压电平和电流电平提供给牵引电池124。电力转换模块132可与EVSE 138进行交互，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的相应凹部紧密配合的插脚。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减速和防止车辆112移动。车轮制动器144可以是液压致动的、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可包括监测与协调制动系统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以用于车辆减速。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。车辆网络的附加信道可包括模块之间的离散连接，并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或者经由离散信号进行传输。车辆网络可包括协助在模块之间传输信号和数据的任意硬件组件和软件组件。车辆网络未在图1中示出，但可以隐含了车辆网络可连接到存在于车辆112中的任何电子模块。可存在车辆系统控制器(VSC)148以协调各个组件的操作。
图2描绘了配置作为升压转换器的VVC 152的示意图。VVC 152可包括输入端，所述输入端可通过接触器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。VVC 152可操作于升压模式以使输出端处的电压大于输入端处的电压。VVC 152可操作于降压模式以使输出端处的电压小于输入端处的电压。VVC 152可操作于旁路模式以使输出端处的电压近似等于输入端处的电压。车辆112可包括用于监测和控制VVC 152内的不同位置处的电气参数(例如，电压和电流)的VVC控制器200。在一些构造中，VVC控制器200可被包括作为VVC 152的一部分。VVC控制器200可确定参考输出电压VVC控制器200可基于电气参数和参考电压/>来确定足以使VVC 152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宽调制(PWM)信号，其中，PWM信号的占空比是变化的。可在预定开关频率下操作控制信号。VVC控制器200可利用控制信号来命令VVC 152提供期望的输出电压。用于VVC 152操作的特定控制信号可与VVC 152提供的升压量直接相关。
可控制VVC 152的输出电压来实现期望的参考电压。在一些构造中，VVC 152可以是升压转换器。在升压转换器的构造中，VVC控制器200控制占空比，可利用以下等式示出输入电压Vin和输出电压Vout与占空比D之间的理想关系：
可通过测量输入电压(例如，牵引电池的电压)并将输出电压设置为参考电压来确定期望的占空比D。VVC 152可以是用于使从输入到输出的电压降低的降压转换器。在降压配置中，可推导出将输入电压和输出电压关联到占空比的不同表达式。在一些构造中，VVC152可以是可使输入电压增大或减小的升压-降压转换器。在此描述的控制策略不限于特定的可变电压转换器的拓扑结构。
参照图2，VVC 152可将牵引电池124提供的电力的电压电位升高或“提高”。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伏特和400伏特之间的电压。接触器142可串联电连接在牵引电池124和VVC152之间。当接触器142闭合时，HV DC电力可从牵引电池124传输到VVC152。输入电容器202可并联电连接到牵引电池124。输入电容器202可使总线电压稳定并使任何电压和电流纹波减小。VVC 152可接收HV DC电力或根据占空比升高“提高”输入电压的电压电位。
输出电容器204可电连接在VVC 152的输出端之间。输出电容器204可使总线电压稳定并使VVC 152输出处的电压和电流纹波减小。
进一步参照图2，VVC 152可包括第一开关器件206和第二开关器件208，以用于升高输入电压从而提供升高的输出电压。第一开关器件206还可被称为上层输出开关，并且第二开关器件208还可被称为下层输出开关。开关器件206和208可被配置为使电流选择性地流到电气负载(例如，电力电子模块126和电机114)。可通过VVC控制器200的栅极驱动电路(未示出)来单独地控制每个开关器件206和208，所述开关器件206和208可包括任何类型的可控开关(例如，绝缘栅双极结型晶体管或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或场效应晶体管(FET))。栅极驱动电路可向开关器件206和208中的每个提供基于控制信号(例如，PWM控制信号的占空比)的电信号。二极管可跨接在开关器件206和208中的每个上。每个开关器件206和208都可具有关联的开关损耗。开关损耗是在开关器件的状态改变(例如，导通/断开和断开/导通的转换)期间发生的功率损耗。可在转换期间通过流过开关器件206和208的电流和开关器件206和208上的电压来量化开关损耗。开关器件还可具有在开关器件被切换到导通时发生的关联导通损耗。
车辆系统可包括用于测量VVC 152的电气参数的传感器。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)并向VVC控制器200提供相应的输入信号(Vbat)。在一个或更多个实施例中，第一电压传感器210可测量与电池电压相对应的输入电容器202两端的电压。第二电压传感器212可测量VVC 152的输出电压并向VVC控制器200提供相应的输入信号(Vdc)。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合VVC控制器200的电平的电路。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和开关器件206和208之间。输入电感器214可在使VVC 152储存能量和使VVC 152释放能量之间交替进行，以使能够提供可变电压和电流作为VVC 152输出，并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的输入电流并向VVC控制器200提供相应的电流信号(IL)。通过输入电感器214的输入电流可以是VVC 152的输入电压和输出电压之间的电压差、开关器件206和208的导通时间以及输入电感器214的电感L所产生的结果。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的输入和VVC的输出之间，使得VVC的输出(例如，逆变器的输入电压)被钳位(clamp)成VVC的输入电压(例如，牵引电池的电压)。
VVC控制器200可被配置为对VVC 152的输出电压进行控制。VVC控制器200可经由车辆网络从VVC 152和其它控制器接收输入，并确定控制信号。VVC控制器200可监测输入信号(Vbat、Vdc、IL和)以确定控制信号。例如，VVC控制器200可向栅极驱动电路提供对应于占空比命令的控制信号。然后，栅极驱动电路可基于占空比命令来控制每个开关器件206和208。
到VVC 152的控制信号可被配置为以特定开关频率来驱动开关器件206和208。在开关频率的每个循环内，开关器件206和208可被操作处于特定占空比。占空比限定了开关器件206和208处于导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208操作于不断开的持续导通状态。0％的占空比可使开关器件206和208操作于不导通的持续断开状态。50％的占空比可使开关器件206和208在一半周期中操作于导通状态而在一半周期中操作于断开状态。用于两个开关器件206和208的控制信号可以是互补的。也就是，向其中一个开关器件(例如，开关器件206)发送的控制信号可以是向另一开关器件(例如，开关器件208)发送的控制信号的反转型(inverted version)。
由开关器件206和208控制的电流可包括具有的幅值随电流的幅值变化而变化的纹波分量，并包括开关器件206和208的占空比和开关频率。相对于输入电流，在相对高的输入电流条件下出现最差情况的纹波电流幅值。当占空比固定时，电感器电流的增加导致纹波电流幅值的增加。纹波电流的幅值还与占空比相关。当占空比等于50％时发生最高幅值的纹波电流。
在相对高的电流条件期间，开关器件206和208可经受增加的电压应力。在VVC 152的最大操作电流下，可期望的是选择相对高的开关频率，用于在开关损耗水平合理的情况下使纹波分量幅值降低。可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增加而增加。开关频率可增加到预定最大开关频率。预定最大开关频率可以是在较低纹波分量幅值与较高开关损耗之间提供折衷的水平。开关频率可在操作电流范围内以离散步长变化或连续地变化。
VVC控制器200可被配置为响应于电流输入小于预定最大电流而使开关频率降低。预定最大电流可以是VVC 152的最大操作电流。开关频率的改变可基于输入到开关器件206和208的电流的幅值。当电流大于预定最大电流时，开关频率可被设置为预定最大开关频率。随着电流减小，纹波分量的幅值减小。通过在电流减小时使操作处于较低开关频率，使开关损耗降低。开关频率可基于输入到开关器件的功率而发生变化。当输入功率是输入电流和电池电压的函数时，可以相似的方式使用输入功率和输入电流。
由于纹波电流还受占空比的影响，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的比值确定占空比。同样的，开关频率还可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，并且开关频率可设置为预定最大频率。预定最大频率可以是为了使纹波电流幅值最小化而选择的最大开关频率值。开关频率可在占空比范围内以离散步长变化或连续地变化。
VVC控制器200可被配置为响应于占空比与使预测的纹波分量幅值最大的占空比值(例如，50％)之间的差值的大小而使开关频率从预定最大频率降低。当差值的大小小于阈值时，开关频率可设置为预定频率。当差值的大小减小时，开关频率可向着预定最大频率增大以使纹波分量的幅值降低。当差值的大小小于阈值时，开关频率可设置为预定最大频率。
开关频率可限制在预定最大频率与预定最小频率之间。预定最小频率可以是大于电力电子模块126的预定开关频率的频率水平，所述电力电子模块126连接到电压转换器152的输出。
当使VVC操作于再生旁路模式以使电流从PEM 126流到牵引电池124时，通常使上层IGBT 206导通以允许从PEM 126到电感器214的导通路径，同时使下层IGBT 208截止，从而使上层IGBT 206与系统地断开连接。当处于再生旁路模式时IGBT 206和208保持处于各自的状态(例如，当上层IGBT206导通并且下层IGBT 208截止时)。然而当处于再生模式时，在PEM 126上的电压略微大于或近似等于电池124的电压时，电流从PEM 126流到电池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电压以下。这种波动可导致旁路二极管218导通并使电流流动。当VVC操作于这种状况时，形成电流回路，其中，电流从电池124的正极端子通过旁路二极管218流到上层IGBT 206的集电极的端子，再通过上层IGBT206、通过电感器214流到电池124的正极端子。这种电流回路还称为通过旁路二极管的纹波电流。
当由于流过旁路二极管的纹波电流而使旁路二极管导通时，在旁路二极管中可发生一些非期望的损耗。由输入电容器202和电池124来供应通过旁路二极管的纹波电流。因此，额外损耗是由于输入电容器202的ESR(Equivalent Series Resistance，等效串联电阻)和电池124的ESR导致的。通过旁路二极管的另一纹波电流源为VVC电感器214。当DC链路的电压波动时，电感器214可使电流通过旁路二极管续流。通过电感器214的续流电流导致非期望的电流循环通过旁路二极管218，并导致电感器214的ESR中的额外损耗。为了降低并在一些情况下消除旁路二极管218中的纹波电流，可对上层IGBT 206和下层IGBT 208进行调制。
车辆的动力传动系统可包括由两个驱动逆变器、可变电压转换器(VVC)和旁路二极管组成的电力逆变器的构造。两个电机驱动逆变器可被配置为一个逆变器与发电机连接而另一逆变器可与电机连接。VVC可以是能够操作于升压模式或降压模式的双向VVC。DC-DC转换器(例如，VVC)可用于控制DC链路电压，以使牵引逆变器损耗最小。在VVC的直通模式期间，通常将上层IGBT 206导通并且将下层IGBT 208断开。其中，旁路二极管218可在直通模式期间使VVC损耗降低。
在直通模式期间(诸如，当电池对电机放电时)旁路二极管218可使VVC损耗显著降低。通常，二极管(诸如，旁路二极管218)不包括片上的电流传感器、电压传感器或温度传感器。如果旁路二极管218具有会导致二极管218开路的故障，则可通过对上层开关206和下层开关208进行调制，使逆变器126仍可操作于标准的升压/降压模式。此处，如果旁路二极管218具有会导致二极管218短路的故障，则通过将上层开关206和下层208二者封锁(latch)为断开并使电流流过短路电路，仍可对逆变器进行操作。如果动力传动系统在二极管218处于短路状态时试图操作VVC处于降压或升压模式，则可能损坏VVC的内部组件，因此使逆变器强制进入关闭模式。此处，将利用与动力传动系统控制器连接的传感器和数据来公开二极管218短路的检测以及用于操作牵引逆变器和车辆的步骤。
在可选的实施例中，DC-DC转换器/VVC可包括与在PEM 126和电容器202(未示出)之间的开关206和208一起形成围绕电感器214的“H”形的两个附加开关。
图3是在正常操作期间在升压模式下的具有旁路二极管的VVC的操作特性相对于时间302的曲线图300。操作特性包括牵引电池电压304、DC链路电压306、VVC电感器电流308和旁路二极管电流310。在正常操作期间，当VVC操作于升压模式时，DC链路电压306在大约40ms内从约250V逐渐增加到约400V，并且VVC电感器电流308在大约40ms内从约75A增加到约150A。DC链路电压306的变化率大约为4000V/sec，并且VVC电感器电流308的变化率大约为2000A/sec。同时，由于二极管以反向偏置的方向(orientation)被连接而阻断了通过旁路二极管的电流。
图4是在旁路二极管短路操作期间在升压模式下的具有旁路二极管的VVC的操作特性相对于时间402的曲线图400。操作特性包括牵引电池电压404、DC链路电压406、VVC电感器电流408和旁路二极管电流410。在旁路二极管被短路并且VVC操作于升压模式的操作期间，DC链路电压406保持近似等于电池电压404，同时VVC电感器电流408在大约20ms内从约200A迅速增加到约1000A，并且旁路二极管电流410在大约20ms内从约50A增加到约800A。VVC电感器电流408的变化率大约为40000A/sec，是在正常操作期间大约为2000A/sec的VVC电感器电流的变化率的20倍。当旁路二极管被短路时，旁路二极管的方向(orientation)被反向偏置的事实不受在反向偏置时发生的传统导通阻止的影响。
图5是在正常操作期间在降压(buck)模式下的具有旁路二极管的VVC的操作特性相对于时间502的曲线图500。操作特性包括牵引电池电压504、DC链路电压506、VVC电感器电流508和旁路二极管电流510。在正常操作期间，当VVC操作在降压模式时，DC链路电压506在大约30ms内从约400V逐渐增加到约600V，再返回400V，同时，VVC电感器电流508在大约40ms内从约0A增加到约250A。DC链路电压506的变化率大约为7000V/sec，并且VVC电感器电流508的变化率大约为6000A/sec。同时，由于旁路二极管被反向偏置而阻断了通过旁路二极管的电流。
图6是在旁路二极管短路操作期间在降压模式下的具有旁路二极管的VVC的操作特性相对于时间的曲线图600。操作特性包括牵引电池电压604、DC链路电压606、VVC电感器电流608和旁路二极管电流610。在旁路二极管被短路并且VVC操作于降压模式的操作期间，DC链路电压606保持近似等于电池电压604，同时，VVC电感器电流608在大约20ms内从约0A迅速增加到约1000A，并且旁路二极管电流610在大约20ms内从约0A增加到约-1000A。VVC电感器电流608的变化率大约为50000A/sec，是在正常操作期间大约为6000A/sec的VVC电感器电流的变化率的8倍。
基于操作期间的变化率和/或VVC电感器电流的巨大差异，可通过将VVC电感器电流的变化率与预定变化率阈值进行比较或通过将VVC电感器电流的幅值与预定最大电感器电流进行比较来确定旁路二极管的短路状况。针对各种状况下的标称操作来确定预定变化率阈值和预定最大电感器电流。
旁路二极管被配置为在直通操作模式期间为VVC提供电流辅助以使电池放电并且改善燃料经济性。然而，在其它操作状况期间(例如，升压/降压操作或直通电池充电)，旁路二极管被反向偏置并且不允许电流流过旁路二极管。
图7A和图7B是具有旁路二极管的DC-DC转换器控制系统的流程图700。在步骤702，控制器被配置为使VVC操作于一种操作模式，并进行到步骤704。在步骤704，控制器基于操作模式进行程序分支。如果VVC处于升压模式，则控制器分支至步骤706，如果处于降压模式，则控制器分支至步骤708，并且如果处于直通模式，则控制器分支至步骤710。
在步骤706，当阴极端子处的电压高于阳极端子处的电压时旁路二极管通常被反向偏置，从而允许输出电压超过VVC的输入电压。然而，如果二极管有短路故障，则VVC将不能如图4示出的那样将输入电压升高。控制器可用于检测旁路二极管的短路故障的多个方面包括：第一，无法升压，使得VVC输入端子和输出端子之间的电压差将仅有几伏特；第二，电感器电流将以高变化率增加和/或将超过在正常操作情况下所建立的最大电流值；第三，占空比命令将超过正常操作限制。通常可利用VVC输入处和输出处的电压传感器数据、通过电感器电流传感器获得的电感器电流数据以及通过由控制器和控制电路命令获得的占空比命令数据来确定这些状况。
在步骤706，控制器从VVC和车辆传感器收集数据以评定VVC操作，并进行到步骤712。在步骤712，控制器将VVC的输入电压与VVC的输出电压进行比较，如果在处于升压模式时输出电压大于输入电压，则控制器分支至操作714并退出。如果在处于升压模式时输出电压近似等于输入电压，则控制器分支至操作716。
在另一实施例中，在步骤712，控制器将VVC电感器的电流变化率与预定值进行比较，如果在处于升压模式时电流变化率小于预定值，则控制器分支至操作714并退出。如果在处于升压模式时电流变化率大于或等于预定值，则控制器分支至操作716。
在另一实施例中，在步骤712，控制器将VVC电感器的电流幅值与预定值进行比较，如果在处于升压模式时电流幅值小于预定值，则控制器分支至操作714并退出。如果在处于升压模式时电流幅值大于或等于预定值，则控制器分支至操作716。
在操作716，控制器评定VVC的开关操作，如果检测到VVC的开关有故障，则控制器分支至操作718。在操作718，控制器可设置用于指示VVC开关故障的位(bit)、标志或变量并退出。如果未检测到VVC的开关有故障，则控制器分支至操作720。
在操作720，控制器使VVC的开关断开，并通过使电流流过短路的旁路二极管，基本以电池电压操作动力传动系统。
此处，在步骤708，控制器从VVC和车辆传感器收集数据以评定VVC操作，并进行到步骤722。在步骤722，控制器将VVC的输入电压与VVC的输出电压进行比较，如果在处于降压模式时输出电压大于输入电压，则控制器分支至操作724并退出。如果在处于降压模式时输出电压近似等于输入电压，则控制器分支至操作726。
在另一实施例中，在步骤722，控制器将VVC电感器的电流变化率与预定值进行比较，如果在处于降压模式时电流变化率小于预定值，则控制器分支至操作724并退出。如果在处于降压模式时电流变化率大于或等于预定值，则控制器分支至操作726。
在另一实施例中，在步骤722，控制器将VVC电感器的电流幅值与预定值进行比较，如果在处于降压模式时电流幅值小于预定值，则控制器分支至操作724并退出。如果在处于降压模式时电流幅值大于或等于预定值，则控制器分支至操作726。
在操作726，控制器评定VVC的开关操作，如果检测到VVC的开关有故障，则控制器分支至操作728。在操作728，控制器可设置用于指示VVC开关故障的位(bit)、标志或变量并退出。如果未检测到VVC的开关有故障，则控制器分支至操作730。
在操作730，控制器使VVC的开关断开，并通过使电流流过短路的旁路二极管，基本以电池电压操作动力传动系统。
此处，在步骤710，控制器从VVC和车辆传感器收集数据以评定VVC操作，并进行到步骤732。在步骤732，如果在旁路二极管可能以正向偏置被导通时电池正在放电，则控制器分支至操作734，然后进行到步骤736并退出。然而，在步骤732，如果在旁路二极管可能被反向偏置时电池正在充电，则控制器分支至步骤738，然后进行到步骤740。在步骤740，控制器将电感器电流与电池电流进行比较，使得如果电感器电流比电池电流小预定量，则控制器将分支至操作742。在操作742，控制器使VVC的开关断开，并通过使电流流过短路的旁路二极管，基本以电池电压操作动力传动系统。在步骤740，控制器将电感器电流与电池电流进行比较，使得如果电感器电流大致等于电池电流，则控制器将分支至操作744并退出。
基本上，在直通模式期间，旁路二极管将在电池通过VVC正在放电时承载电流。然而，如果二极管短路，则电池可通过旁路二极管的短路电路进行充电或放电，从而允许VVC操作。
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，或者通过处理装置、控制器或计算机来实现，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的电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可以以多种形式被存储为可由控制器或计算机执行的数据和命令，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)上以及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)装置和其它磁介质和光学介质)上。所述处理、方法或算法也可在软件可执行对象中被实现。可选地，可使用合适的硬件组件(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)或硬件、软件和固件组件的组合来整体或部分地实现所述处理、方法或算法。
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未明确描述或示出的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已经被描述为提供优点或者就一个或更多个期望特性来说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，为了达到期望的整体系统属性，可以对一个或更多个特征或特性进行折衷。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性上不如其它实施例或现有技术的实施方式合意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 (20)

1.一种车辆动力传动系统，包括：
可变电压转换器；
旁路二极管，与所述可变电压转换器并联连接，并且被配置为将所述可变电压转换器的输出钳位成电池电压；
控制器，被配置为：当处于升压模式时，并且响应于转换器电感器电流的变化率超过升压阈值而确定所述旁路二极管发生短路故障，使所述可变电压转换器的开关断开，以通过短路的所述旁路二极管转移推进能量。
2.根据权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，所述控制器还被配置为：操作逆变器以将处于电池电压的直流(DC)电流转换为交流(AC)电流，以驱动电机。
3.根据权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，所述控制器还被配置为：当处于降压模式时，并且响应于转换器电感器电流的变化率超过降压阈值，使所述可变电压转换器的开关断开，以在所述旁路二极管反向偏置时通过短路的所述旁路二极管转移再生能量。
4.根据权利要求3所述的车辆动力传动系统，其中，所述升压阈值大于所述降压阈值。
5.根据权利要求3所述的车辆动力传动系统，其中，所述控制器还被配置为：操作逆变器以将来自电机的交流(AC)电流转换为基本处于电池电压的直流(DC)电流。
6.根据权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，所述可变电压转换器的开关包括上层输出开关和下层输出开关。
7.根据权利要求6所述的车辆动力传动系统，其中，所述可变电压转换器的开关为绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)。
8.根据权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，所述旁路二极管为硅(Si)二极管或碳化硅(SiC)二极管。
9.一种动力传动系统，包括：
可变电压转换器；
旁路二极管，与所述可变电压转换器并联连接，并且被配置为将所述可变电压转换器的输出钳位成电池的电压；
控制器，被配置为：当处于降压模式时，并且响应于转换器电感器电流的幅值超过降压阈值而确定所述旁路二极管发生短路故障，使所述可变电压转换器的开关断开，以在所述旁路二极管反向偏置时通过短路的所述旁路二极管将再生能量转移到电池。
10.根据权利要求9所述的动力传动系统，其中，所述控制器还被配置为：操作逆变器以将来自电机的再生交流(AC)电流转换为基本处于电池电压的直流(DC)电流。
11.根据权利要求9所述的动力传动系统，其中，所述控制器还被配置为：当所述可变电压转换器处于升压模式时，并且响应于转换器电感器电流的幅值超过升压阈值，使所述可变电压转换器的开关断开，以通过短路的所述旁路二极管将推进能量转移到电机。
12.根据权利要求11所述的动力传动系统，其中，所述升压阈值大于所述降压阈值。
13.根据权利要求11所述的动力传动系统，其中，所述可变电压转换器的开关包括上层输出开关和下层输出开关。
14.根据权利要求13所述的动力传动系统，其中，所述可变电压转换器的开关为绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)。
15.根据权利要求9所述的动力传动系统，其中，所述旁路二极管为硅(Si)二极管或碳化硅(SiC)二极管。
16.一种对车辆动力传动系统进行操作的方法，所述车辆动力传动系统包括与旁路二极管连接的电力逆变器，所述旁路二极管与可变电压转换器并联，所述方法包括：
当处于降压模式时，并且响应于电感器电流的变化率超过降压阈值而确定所述旁路二极管发生短路故障，通过控制器使所述可变电压转换器的开关断开，以在所述旁路二极管反向偏置时通过短路的所述旁路二极管将再生能量转移到牵引电池。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：通过电力逆变器将来自电机的再生交流(AC)电流转换为基本处于牵引电池的电压的直流(DC)电流。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：当所述可变电压转换器处于升压模式时，并且响应于转换器电感器电流的幅值超过升压阈值，使所述可变电压转换器的开关断开，以通过短路的所述旁路二极管将推进能量转移到电机。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述升压阈值大于所述降压阈值。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述可变电压转换器的开关为绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)。
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