CN108725355A - 与车辆电气系统集成的太阳能电池板功率点跟踪器 - Google Patents

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Abstract

通过在具有电启动的内燃发动机的机动车辆的电气系统内共享单个电压转换器(VC)来集成电压质量模块(VQM)功能和太阳能发电功能。减少了为车辆增加太阳能发电能力的成本、系统的封装复杂性、以及增加的部件数量。VC可以是在升压模式或降压模式下的DC‑DC转换器。开关电路将VC选择性地连接在主电池和辅助总线之间、或者太阳能电池板和辅助电池之间。VC控制器在发动机转动起动模式中使用主电池调节VC输出以稳定辅助总线电压，并且除发动机转动起动模式之外调节VC输出以使用太阳能电池板输出匹配辅助电池电压。

Description

与车辆电气系统集成的太阳能电池板功率点跟踪器
技术领域
本发明大体涉及配备有发电用太阳能电池板的机动车辆的电气系统，并且更具体地，涉及这种系统使用的可变电压转换器。
背景技术
使用太阳能电池板(例如光伏阵列)来发电，由于能够降低价格并且提高立刻可用的效率水平，已经在机动车工业中受到越来越多的关注。太阳能电池板可以附接到车顶，或者可以用来替代例如月亮天窗或太阳天窗。电池板产生的电能可以用来对车载电池(例如辅助电池、电动车辆的高压电池、或汽油动力车辆的12V主电池)充电。使用充电控制器(例如最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking)或MPPT控制器)来确保从太阳能电池板向负载(例如正在充电的电池)转移最大量的电力。更具体地，已知为了向负载提供最大功率，电源(包括太阳能电池板)应具有与负载阻抗相同的内部阻抗。MPPT模块通常包括设置在光伏(PV)阵列和电池负载之间的DC(直流)到DC电压转换器(VC)。通过将PV输出电压转换为电池电压，VC为PV阵列提供理想的负载，使得PV阵列能够在最佳电压和最大传输功率下工作。通常，MPPT充电控制器中的DC-DC稳压器(转换器)可以是升压、降压、降压-升压、SEPIC(单端初级电感转换器)、或任何其它类型的转换器。可以根据太阳能电池板的输出电压和负载的输入电压来选择合适的拓扑结构。已经用于MPPT的两种最流行的转换器是升压转换器和降压转换器。
如果不使用电压转换器，则产生的电力可能会丢失高达一半(取决于PV和电池电压的相对大小)。然而，MPPT模块导致太阳能充电系统的总体成本显著增加。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供了一种具有电启动的内燃发动机的车辆用的装置。DC辅助总线配置为连接到多个电气配件。主DC总线适于连接到主DC电池和发动机的电起动机。电压质量单元包括电压转换器，该电压转换器配置为在电起动机的启动操作期间将主DC总线上的电压转换为DC辅助总线上的稳定电压。电压质量单元包括旁路开关，该旁路开关用于在电起动机未处于启动操作时将主DC总线连接到DC辅助总线。太阳能电池板在电池板输出端产生输出电压。该旁路开关在电起动机未处于启动操作时还将电压转换器连接在电池板输出端和辅助负载之间。电压转换器将太阳能电池板输出电压转换为最佳电压，以优化对辅助负载的电力传输。
根据本发明，提供一种用于具有电启动的内燃发动机的车辆的装置，包括：
配置为连接到多个电气配件DC的辅助总线；
适于连接到主DC电池和用于发动机的电起动机的主DC总线；
电压质量单元，电压质量单元包括电压转换器，电压转换器配置为在电起动机的启动操作期间将主DC总线上的电压转换为DC辅助总线上的稳定电压，其中电压质量单元包括旁路开关，旁路开关用于在电起动机未处于启动操作时将主DC总线连接到DC辅助总线；和
太阳能电池板，该太阳能电池板在电池板输出端产生输出电压；
其中旁路开关在电起动机未处于启动操作时还将电压转换器连接在电池板输出端与辅助负载之间，并且其中电压转换器将太阳能电池板输出电压转换为优化向辅助负载传输电力的最佳电压。
根据本发明的一个实施例，稳定电压是主DC电池的预定标称电压。
根据本发明的一个实施例，电压转换器是升压转换器。
根据本发明的一个实施例，辅助负载包括由太阳能电池板充电的辅助电池，并且其中最佳电压是辅助电池的预定标称电压。
根据本发明的一个实施例，辅助负载包括至少一个DC负载。
根据本发明的一个实施例，DC负载包括向AC(交流)负载提供AC电力的DC-AC逆变器。
根据本发明的一个实施例，装置还包括控制器，控制器配置为：a)检测启动操作、b)通过至少一个磁继电器来设定旁路开关、以及c)控制电压转换器的占空比以分别调节稳定电压和最佳电压。
根据本发明的一个实施例，装置还包括反向流动开关，反向流动开关将太阳能电池板、电压转换器、和辅助负载相互连接，以根据需要选择电压转换器的升压模式或降压模式来产生最佳电压。
根据本发明，提供一种机动车电气系统，包括：
DC-DC转换器；
开关电路，开关电路在发动机转动起动模式期间选择性地将转换器连接在主电池和辅助总线之间、或者除发动机转动起动模式期间以外将转换器连接在太阳能电池板和辅助电池之间；和
控制器，控制器在转动起动模式期间使用主电池调节转换器的输出来稳定辅助总线电压、并且除发动机转动起动模式期间以外使用太阳能电池板来匹配辅助电池的电压。
根据本发明的一个实施例，辅助总线电压被稳定在主电池的预定标称电压。
根据本发明的一个实施例，转换器是升压转换器。
根据本发明的一个实施例，控制器配置为：a)检测发动机转动起动模式、b)通过至少一个磁继电器来设定开关电路、以及c)控制转换器的占空比以分别调节辅助总线电压和匹配电压。
根据本发明的一个实施例，系统还包括反向流动开关，反向流动开关将太阳能电池板、转换器、和辅助电池相互连接，以根据需要选择电压转换器的升压模式或降压模式来产生匹配电压。
根据本发明，提供一种用于内燃车中的电压转换器(VC)的控制方法，包括：
将来自太阳能电池板的太阳能转换成用于对辅助电池充电的最佳电压；
检测车辆中起动机的转动起动；
在转动起动期间，将VC与太阳能电池板断开连接，并将主电池电力转换成为电气配件供电的预定的总线电压；和
在转动起动后，将VC重新连接到太阳能电池板和辅助电池。
根据本发明的一个实施例，在转动起动期间连接VC以提供在第一方向上通过VC的电力流动，并且其中太阳能转换期间连接VC以提供在相反方向上通过VC的电力流动。
根据本发明的一个实施例，VC的输入端在转动起动期间切换到主电池，除转动起动模式期间之外切换到太阳能电池板。
附图说明
图1是示出具有电压质量模块的典型车辆电气系统的框图；
图2是示出在发动机转动起动事件期间的主电池电压和辅助总线电压的电压曲线图；
图3是传统DC-DC转换器的一个实施例的示意图；
图4是示出具有太阳能发电系统的车辆的一个实施例的框图；
图5是示出从太阳能电池板到负载的电力传输最大化所需要的电压转换的曲线图；
图6是具有功率点跟踪的传统太阳能发电系统的一个实施例的框图；
图7是示出本发明的第一实施例的框图，其中电压稳定/质量系统和太阳能发电系统之间共享电压转换器；
图8是示出本发明的第二实施例的框图，其中电压转换器配置为作为升压转换器或降压转换器工作；
图9是示出可用于图8的实施例中的电压转换器的一个优选实施例的示意图。
具体实施方式
本发明将电压稳定系统(例如电压质量模块(voltage quality module)或VQM)与太阳能发电系统组合以更好地利用具有电启动的内燃发动机(ICE)的车辆中的硬件部件。传统VQM中的电压转换器仅用于短时间段(例如在发动机转动起动期间)，并且在其它时间是空闲的。包含于太阳能电池板最大功率点跟踪器(maximum power point tracker，MPPT)中的电压转换器即使在车辆被停放且无人看管的情况下也能长时间有效。尽管VQM和MPPT的DC-DC电压转换器的输入和输出电压电平和动态控制需求是不同的，但本发明成功地配置单个转换器来满足两个系统。本发明降低了配备太阳能电池板的车辆所需的部件数量、提高了效率、降低了两个系统的总重量、并降低了总体成本和包装复杂性。
可以至少以两种不同方式获得与两个子系统的要求相兼容的电压转换器/稳定电路。在一种情况下，由于在某些电压和电流范围内VQM功能的典型设计，太阳能电池板系统可以设置为使其提供与这些电压和电流额定值相匹配的输出。在这种情况下，VQM的电压转换器可以无需任何修改地用作MPPT充电控制器。在第二种情况下，VQM的电路和控制策略可以设计成可适于太阳能电池板系统的不同设计架构(例如可设置为不同的电压和电流)，同时保持其在转动起动期间在所需的电压和电流范围内的执行能力。
将参考图1-3描述传统电压质量模块的操作。图1中的典型车辆电气系统包括连接在地线11和主DC总线12之间的主电池10。由内燃发动机(未示出)驱动的交流发电机/发电机13在发动机运转期间对电池10充电。电起动机马达14通过继电器开关15选择性地连接到主电池10以便转动起动(即启动)内燃发动机。主发动机控制单元(ECU)16响应于例如手动点火开关或远程启动信号来控制开关15的状态。
例如，ECU 16通过多路复用总线(MUX)并通过携带点火状态信号和转动起动状态信号的信号线而连接到VQM 17中的控制部分20。主DC总线12连接到电压转换器(VC)21的输入端和旁路继电器开关22。VC 21的输出端和旁路继电器22连接到DC辅助总线18，DC辅助总线18供给多个电气配件19(例如音频系统、蜂窝电话系统、导航系统、驾驶员信息/显示系统、照明设备、或其它电子设备等)。控制部分20设置旁路继电器22的状态并且根据发动机转动起动事件是否正在进行来提供命令信号以控制VC 21。当继电器22被控制部分20关闭(例如车辆点火开关处于接通位置或配件位置)时，则停用VC 21并且主电池10直接将主系统电压(例如12伏)供应给总线18。在转动起动期间，控制部分20断开继电器22并使用可变占空比来启动VC 21，该可变占空比被动态控制以继续向总线18提供调节过的电压Vreg(例如12伏)。
图2比较了在转动起动事件期间的主电池电压迹线24和电压转换器输出电压迹线30。发动机启动信号在时刻25产生。发动机起动机马达在短暂延迟之后受激励，导致主DC总线12处可用电压的下降26。在延迟期间，VQM 17在31从旁路模式转换到升压模式，以便开始在32产生稳定的电压Vreg，并且继电器22开路。最终来自起动机马达的电力消耗减少并且总线12上的电池电压在27开始恢复，直到沿线28完全恢复。然后继电器22可以闭合并且停用VC 21。
为了提供VC 21的升压转换，图3示出了DC-DC转换器35的示例拓扑结构，其在输入端36从主电池接收可变DC电压，并且在输出端37提供调节过的电压Vreg。当开关(例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))39导通时电感器38储存能量，然后当开关39断开时通过二极管40将能量传输到电容器41和电阻器42。通过调制开关39的占空比(例如使用控制部分中的电压反馈)，可以控制传输的能量的量以及由此控制输出电压。
转到使用太阳能电池产生和存储电能的典型车辆系统，图4示出了具有于车顶安装的太阳能电池板45的车辆44。可以连接最大功率点跟踪(MPPT)充电控制器46以对电池47再充电(电池47可以是主车辆电池，在这种情况下电池47可能仅在车辆不使用时再充电)，或连接到辅助负载48(可以包括能够连续再充电的辅助电池)。辅助负载48可以包括由DC电力驱动的DC负载，或者可以包括驱动AC负载的DC-AC转换器(即逆变器)。
图5示出了典型太阳能电池板的功率传输特性50，其中来自电池板的DC电流相对于充电中电池的端电压绘制。在该示例中，太阳能电池板的标称为17伏特和4.4安培(即75瓦特的最大功率)。曲线51示出了就不同电池电压而言传输到电池负载的实际功率。传输的峰值功率发生在电池负载电压与太阳能电池板的标称电压相匹配的点55处(例如在该示例中为大约17伏)。如果使用未修改的太阳能电池板输出端在所示的52处对12伏特的典型机动车电池充电，则在53从太阳能电池板获得高电流，但是获得在54示出的非最佳传输功率。相反地，对应于点55的负载电压向负载提供最大功率。因此，使用DC-DC电压转换器是为了向太阳能电池板提供最佳负载，同时向负载提供正确的电压。电压转换器引入其自身的内部损耗，但这些通常比没有转换时损失的功率要小得多。如图6所示，充电控制器46优选地包括MPPT控制器46A和DC-DC转换器46B。对于固定负载和固定的太阳能电池板配置，MPPT控制器46A也可以是固定的(即非适应性的)。在负载电压或太阳能电池板配置可变的情况下，MPPT控制器46A可以使用自适应反馈。在典型车辆系统中，MPPT控制器46A可以是固定的，并且电压可以从较高的太阳能电池板电压降低到较低的电池电压。
由于VQM系统中的升压转换器(即稳定电路)仅在车辆转动起动事件期间(通常每次只有5秒)使用，并且考虑到VQM和MPPT硬件之间的相似性(例如两者都使用DC-DC转换器)，本发明整合了这些单独的系统以共享单个电压转换器。通过降低系统的封装复杂性并减少附加组件的数量，这降低了向车辆增加太阳能发电能力的成本。
图7示出了用于将机动车辆中的电压稳定和太阳能发电与电启动的内燃发动机相结合的装置50的第一实施例。主电池51对主DC总线52供电，以连续地与交流发电机/发电机53和起动机马达54交互。DC辅助总线55连接到多个电气配件56，所有电气配件56配置为在额定电池电压下工作。因此，如果配件56仅依靠主电池51供电，则在转动起动事件期间的自然电压下降期间配件56的适当操作将中断。
车辆装置50包括用于存储来自太阳能发电的能量的辅助电池57。代替电池57或除电池57外，可以使用太阳能供应其它DC负载(或具有DC负载之一是DC-AC逆变器的AC负载)。稳定电路58(例如升压转换器)具有选择性地连接到电气配件56或辅助电池57的输出端。控制部分60连接到稳定电路58并连接到具有受控开关元件62、63、和64的继电器开关的控制输入端61(例如电磁线圈)。开关元件62将主DC总线52选择性地连接到电气配件56或稳定电路58的输入端。开关元件63将稳定电路58的输出端选择性地连接到电气配件56或辅助电池57。开关元件64是可用于将太阳能电池板65和二极管66选择性地连接到稳定电路58的输入端的可选特征。
图7中的实施例特别适于使用具有来自典型VQM系统的未修改的电压转换器的稳定电路58。更具体地，图7适于将稳定电路58作为升压转换器来操作。为了采用升压转换，太阳能电池板65的输出电压需要小于在转动起动阶段期间提供给电气配件56的稳定电压。此外，将辅助电池57的标称电压设计为相同的电压(例如12伏)使得稳定电路58总是调节到相同的目标电压是方便的。尽管如此，不同的电压可以用于辅助电池和用于太阳能充电的目标电压(如果需要的话)。继电器开关元件62和63具有标记为1和2的位置。在位置1(当发动机起动机马达未处于启动操作中时)，VQM功能获得旁路状态，使得稳定电路58连接在太阳能电池板65和辅助电池57之间，并且主DC总线52连接到电气配件56。在转动起动事件期间，旁路开关元件62和63处于位置2，其中稳定电路58连接在主DC总线52和辅助总线55之间。因此当电起动机处于启动操作时，没有利用来自太阳能电池板65的能量。当开关元件62处于位置2时，开关元件64可以断开以隔离太阳能电池板65。然而在一些实施例中，由于二极管66通常会反向偏置，使得没有电流流出太阳能电池板65或者任何流动的电流都足够小以至于不会对系统运转有害，因此开关元件64可能不是必需的。
在本实施例中来自太阳能电池板65的输出电压必须与作为升压转换器的稳定电路58相兼容的限制，通过设置太阳能电池板65以提供比充电(辅助)负载所需电压更低的电压而易于满足。例如，如果辅助电池57的电压是12V，则包含于太阳能电池板中的单个太阳能电池可以相互连接以提供小于12V的电压。例如，在包含60个太阳能电池的太阳能电池板中，电池可以以各种串联和并联支路连接以产生适当的电压，其中每个电池具有0.5V的标称输出电压。具有并联连接的3个分支的布局导致太阳能电池板具有10V的输出，其中每个分支包含20个太阳能电池。在太阳能充电期间，升压转换器58将太阳能电池板的10V输出转换为将电力传输至辅助电池57的12V的最佳电压。
在图8中示出了本发明的更一般化的实施例，其中来自太阳能电池板的电压不必小于辅助负载(例如辅助电池、DC负载、或具有AC负载的DC-AC电压转换器)的目标充电电压。在这种情况下，添加额外的继电器开关元件67作为双刀双掷(DPDT)继电器，双刀双掷(DPDT)继电器当连接在太阳能电池板65和辅助电池57之间时反转通过稳定电路58的电力流动方向。磁性致动器68根据来自控制部分60的控制信号在位置1和2之间移动元件67。通过使用反转，稳定电路58可以在发动机启动操作期间用作升压转换器，以便稳定降低的主电池电压；并且在不处于启动操作时用作降压转换器，以便将来自太阳能电池板65的输出电压降低至辅助电池57的较低电压。图8中的实施例可以是可编程的，以便使具体模块设计适于在具有不同电压电平的系统(例如，太阳能电池板电压是大于还是小于辅助负载的电压)中工作。
图9提供了用于DC-DC转换器70的电路拓扑结构，DC-DC转换器70具有用于电力流经单元的两个方向的选择性地降压和升压操作模式。电感器71以H桥配置与开关器件(例如MOSFET)S1-S4连接。取决于所选择的电力流动74或75，左侧平滑电容器72和右侧平滑电容器73均可以是转换器70的输入端或输出端。
在电压源(即主电池或太阳能电池板)连接到转换器70的左侧并且辅助负载连接到转换器70的右侧的情况下，可以提供栅极开关信号，栅极开关信号使得S3持续导通、S4持续截止、并且调制S1和S2的截止和导通以创建电力从左向右流动的同步降压转换器。可替代地，S1可以持续导通、S2持续截止、并且调制S3和S4的截止和导通以获得电力同样从左向右流动的同步升压转换器。
在电压源(即主电池或太阳能电池板)连接到转换器70的右侧并且辅助负载连接到转换器70的左侧的情况下，可以提供栅极开关信号，栅极开关信号使得S1持续导通、S2持续截止、并且调制S3和S4的截止和导通以创建电力从右向左流动的同步降压转换器。可替代地，S3可以持续导通、S4持续截止、并且调制S1和S2的截止和导通以获得电力同样从右向左流动的同步升压转换器。

Claims (15)

1.一种用于具有电启动的内燃发动机的车辆的装置，包括：
配置为连接到多个电气配件的DC辅助总线；
适于连接到主DC电池和用于所述发动机的电起动机的主DC总线；
电压质量单元，所述电压质量单元包括电压转换器，所述电压转换器配置为在所述电起动机的启动操作期间将所述主DC总线上的电压转换为所述DC辅助总线上的稳定电压，其中所述电压质量单元包括旁路开关，所述旁路开关用于在所述电起动机未处于所述启动操作时将所述主DC总线连接到所述DC辅助总线；和
太阳能电池板，所述太阳能电池板在电池板输出端产生输出电压；
其中所述旁路开关在所述电起动机未处于所述启动操作时还将所述电压转换器连接在所述电池板输出端与辅助负载之间，并且其中所述电压转换器将所述太阳能电池板输出电压转换为优化向所述辅助负载传输电力的最佳电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述稳定电压是所述主DC电池的预定标称电压。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述电压转换器是升压转换器。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述辅助负载包括由所述太阳能电池板充电的辅助电池，并且其中所述最佳电压是所述辅助电池的预定标称电压。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述辅助负载包括至少一个DC负载。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括控制器，所述控制器配置为：a)检测所述启动操作、b)通过至少一个磁继电器来设定所述旁路开关、以及c)控制所述电压转换器的占空比以分别调节所述稳定电压和所述最佳电压。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括反向流动开关，所述反向流动开关将所述太阳能电池板、所述电压转换器、和所述辅助负载相互连接，以根据需要选择所述电压转换器的升压模式或降压模式来产生所述最佳电压。
8.一种机动车电气系统，包括：
DC-DC转换器；
开关电路，所述开关电路在发动机转动起动模式期间选择性地将所述转换器连接在主电池和辅助总线之间、或者除所述转动起动模式期间之外将所述转换器连接在太阳能电池板和辅助电池之间；和
控制器，所述控制器在所述转动起动模式期间使用所述主电池调节转换器的输出来稳定辅助总线电压、并且除所述转动起动模式期间之外使用所述太阳能电池板来匹配所述辅助电池的电压。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述辅助总线电压被稳定在所述主电池的预定标称电压。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述转换器是升压转换器。
11.根据权利要求8所述的系统，所述控制器配置为：a)检测所述发动机转动起动模式、b)通过至少一个磁继电器来设定所述开关电路、以及c)控制所述转换器的占空比以分别调节所述辅助总线电压和所述匹配电压。
12.根据权利要求8所述的系统，还包括反向流动开关，所述反向流动开关将所述太阳能电池板、所述转换器、和所述辅助电池相互连接，以根据需要选择所述电压转换器的升压模式或降压模式来产生所述匹配电压。
13.一种用于内燃车中的电压转换器(VC)的控制方法，包括：
将来自太阳能电池板的太阳能转换成用于对辅助电池充电的最佳电压；
检测所述车辆中起动机的转动起动；
在所述转动起动期间，将所述VC与所述太阳能电池板断开连接，并且将主电池电力转换成为电气配件供电的预定的总线电压；和
在所述转动起动后，将所述VC重新连接到所述太阳能电池板和所述辅助电池。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述转动起动期间连接所述VC以提供在第一方向上通过所述VC的电力流动，并且其中在太阳能转换期间连接所述VC以提供在相反方向上通过所述VC的电力流动。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述VC的输入端在所述转动起动期间切换到所述主电池，除所述转动起动模式期间之外切换到所述太阳能电池板。
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