CN111181203A - 车辆的电源及电源的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及车辆的电源及电源的控制方法。一种车辆的电源包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第一电池、电抗器元件、第二电池、平滑电容器、以及控制器。当第一电池和第二电池的连接状态从串联连接状态切换到并联连接状态时，控制器被配置为执行转换控制以便平滑电容器的电压降低到第一电池的电压和第二电池的电压中的较高者，并且在第一开关元件的二极管通电之后执行接通第一开关元件的切换控制。

Description

车辆的电源及电源的控制方法
技术领域
本发明涉及一种车辆的电源及电源的控制方法。该电源被配置为使两个电池的连接状态在串联连接状态与并联连接状态之间切换。
背景技术
日本未审专利申请公开No.2014-064416(JP 2014-064416 A)描述了一种包括两个电池和电抗器元件的电源。通过控制开关元件可使两个电池的连接状态在串联连接状态与并联连接状态之间切换。电抗器元件与两个电池中的一个串联连接。
发明内容
在JP 2014-064416 A中所述的电源中，当两个电池的连接状态从串联连接状态切换到并联连接状态时，与电抗器元件相连的电池的电压可能高于另一个电池。在这种情况下，在另一个电池中可能会发生浪涌电流。
本发明提供了一种车辆的电源及电源的控制方法，其能够在两个电池的连接状态从串联连接状态切换到并联连接状态时抑制浪涌电流的发生。
本发明的第一方面涉及一种车辆的电源。该电源包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第一电池、电抗器元件、第二电池、平滑电容器、以及控制器。第一开关元件连接在正极线与第一节点之间。第二开关元件连接在第一节点与第二节点之间。第三开关元件连接在第二节点与负极线之间。第一电池具有分别与第一节点和负极线相连的正电极和负电极。电抗器元件连接在正极线与第三节点之间。第二电池具有分别与第三节点和第二节点相连的正电极和负电极。平滑电容器连接在正极线与负极线之间。控制器被配置为使第一开关元件、第二开关元件、以及第三开关元件中的每一个在接通状态与断开状态之间切换以使第一电池和第二电池的连接状态在串联连接状态与并联连接状态之间切换。当第一电池和第二电池的连接状态从串联连接状态切换到并联连接状态时，控制器被配置为执行转换控制以便平滑电容器的电压降低到第一电池的电压和第二电池的电压中的较高者并且在第一开关元件的二极管通电之后执行接通第一开关元件的切换控制。转换控制是如下控制，即交替地接通和断开第二开关元件和第三开关元件，同时随时间的流逝使第二开关元件的接通持续时间缩短并且使第三开关元件的接通持续时间延长。
在根据上述方面的电源中，控制器可以被配置为将第一开关元件和第三开关元件控制为断开状态并且将第二开关元件控制为接通状态以便第一电池和第二电池的连接状态变为串联连接状态，并且控制器可以被配置为将第一开关元件和第三开关元件控制为接通状态并且将第二开关元件控制为断开状态以便第一电池和第二电池的连接状态变为并联连接状态。
在根据上述方面的电源中，控制器可以被配置为当第一电池的电压低于第二电池的电压时执行所述切换控制。
在根据上述方面的电源中，控制器可以被配置为当第一开关元件的二极管未通电时保持第一电池和第二电池的连接状态为串联连接状态。
本发明的第二方面涉及一种电源的控制方法。该电源包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第一电池、电抗器元件、第二电池、平滑电容器、以及控制器。第一开关元件连接在正极线与第一节点之间。第二开关元件连接在第一节点与第二节点之间。第三开关元件连接在第二节点与负极线之间。第一电池具有分别与第一节点和负极线相连的正电极和负电极。电抗器元件连接在正极线与第三节点之间。第二电池具有分别与第三节点和第二节点相连的正电极和负电极。平滑电容器连接在正极线与负极线之间。该控制方法包括：通过控制器，使第一开关元件、第二开关元件、以及第三开关元件中的每一个在接通状态与断开状态之间切换以使第一电池和第二电池的连接状态在串联连接状态与并联连接状态之间切换；并且当第一电池和第二电池的连接状态从串联连接状态切换到并联连接状态时，通过控制器执行转换控制以便平滑电容器的电压降低到第一电池的电压和第二电池的电压中的较高者并且在第一开关元件的二极管通电之后通过控制器执行接通第一开关元件的切换控制。该转换控制是如下控制，即交替地接通和断开第二开关元件和第三开关元件，同时随时间的流逝使第二开关元件的接通持续时间缩短并且使第三开关元件的接通持续时间延长。
在根据上述方面的电源中，执行转换控制以便平滑电容器的电压降低到第一电池的电压和第二电池的电压中的较高者。转换控制是如下控制，即交替地接通和断开第二开关元件和第三开关元件，同时随时间的流逝使第二开关元件的接通持续时间缩短并且使第三开关元件的接通持续时间延长。在第一开关元件的二极管通电之后，第一开关元件接通。因而，可以抑制当两个电池的连接状态从串联连接状态切换到并联连接状态时浪涌电流的产生。
附图说明
下面参考附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业重要性进行描述，在附图中相同数字表示相同元件，并且其中：
图1是示出了应用根据本发明实施例的车辆的电源的车辆的配置的方框图；
图2是示出了图1中所示的电源的配置的电路图；
图3A是示出了当第一电池的电压高于第二电池的电压时在串联/并联切换控制前和后的平滑电容器的电压的示图。
图3B是示出了当图3A中的串联/并联切换控制完成时的电流流动的电路图；
图3C是示出了当在图3A中的串联/并联切换控制完成之后第一开关接通时的电流流动的电路图；
图4A是示出了当第一电池的电压低于第二电池的电压时串联/并联切换控制前和后的平滑电容器的电压的示图；
图4B是示出了当图4A中的串联/并联切换控制完成时的电流流动的电路图；
图4C是示出了当在图4A中的串联/并联切换控制完成之后第一开关接通时的电流流动的电路图；
图5是示出了根据本发明实施例的串联/并联切换控制的流程的流程图；
图6A是用于对图5所示的步骤S3中的操作进行说明的示图；
图6B是用于对图5所示的步骤S3中的操作进行说明的示图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述根据本发明实施例的车辆的电源的配置。
车辆配置
首先，参考图1，将描述应用根据本发明实施例的车辆的电源的车辆的配置。
图1是示出了应用根据本发明实施例的车辆的电源的车辆的配置的方框图。如图1所示，应用根据本发明实施例的车辆的电源的车辆1是例如混合动力车辆(HV)、电动车辆(EV)、插电式混合动力车辆(PHV)、或燃料电池电动车辆(FCEV)。车辆1包括电源2、逆变器3、以及驱动电机4。
电源2通过正极线PL和负极线NL与逆变器3相连，并且具有根据来自未示出的诸如电子控制单元(ECU)这样的控制设备的控制信号来用逆变器3对电力进行充放电的功能。
逆变器3通过线路L1、L2、L3与驱动电机4相连，并且具有在直流(DC)功率与交流(AC)功率之间转换的功能。在本实施例中，逆变器3将从电源2所供给的DC功率转换为AC功率并将该AC功率供给到驱动电机4，并且将驱动电机4所产生的AC功率转换为DC功率并且将该DC功率供给到电源2。可以提供多个逆变器3。
驱动电机4包括同步电机/发电机。驱动电机4是由从逆变器3所供给的AC功率驱动以用作用于驱动车辆的电机，并且还用作使用车辆的驱动功率产生AC功率的发电机。
电源配置
接下来，将参考图2来描述电源2的配置。
图2是示出了图1中所示的电源2的配置的电路图。如图2所示，电源2包括第一开关元件S1、第二开关元件S2、第三开关元件S3、第一电池B1、电抗器元件R、第二电池B2、以及平滑电容器CH。第一开关元件S1连接在正极线PL与第一节点N1之间。第二开关元件S2连接在第一节点N1与第二节点N2之间。第三开关元件S3连接在第二节点N2与负极线NL之间。第一电池B1具有分别与第一节点N1和负极线NL相连的正电极和负电极。电抗器元件R连接在正极线PL与第三节点N3之间。第二电池B2具有分别与第三节点N3和第二节点N2相连的正电极和负电极。平滑电容器CH连接在正极线PL与负极线NL之间。电源2包括作为其控制系统的用于检测第一开关元件S1的二极管电流的电流传感器21以及用于控制电源2的操作的控制器22。控制器22是控制器的示例。
第一开关元件S1、第二开关元件S2、以及第三开关元件S3中的每一个是半导体开关元件。作为半导体开关元件，使用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。二极管(整流器)连接在IGBT的集电极端子与发射极端子之间，其阳极与发射极端子相连。在使用除IGBT之外的半导体开关元件的情况下，二极管与半导体开关元件并联连接以便电流在与开关元件导通时电流流动的方向相反的方向上流动。二极管可以是与半导体开关元件相关联的寄生二极管。在本说明书中，将半导体开关元件和二极管的组合称为开关元件。
在电源2中，控制器22控制第一开关元件S1、第二开关元件S2、以及第三开关元件S3中的每一个的接通状态和断开状态，以便第一电池B1和第二电池B2的连接状态可在串联连接状态与并联连接状态之间切换。具体地，当控制器22将第一开关元件S1和第三开关元件S3控制为断开状态并且将第二开关元件S2控制为接通状态时，第一电池B1和第二电池B2串联连接。当控制器22将第一开关元件S1和第三开关元件S3控制为接通状态并将第二开关元件S2控制为断开状态时，第一电池B1和第二电池B2并联连接。
在具有这种配置的电源2中，当第一电池B1和第二电池B2的连接状态从串联连接状态切换到并联连接状态时，控制器22执行串联/并联切换转换控制，以便平滑电容器CH的电压VH降低到第一电池B1的电压VB1和第二电池B2的电压VB2中的较高者。在串联/并联切换转换控制中，控制器22交替地接通和断开第二开关元件S2和第三开关元件S3，同时随时间的流逝使第二开关元件S2的接通持续时间缩短并且使第三开关元件S3的接通持续时间S3延长。此后，在串联/并联切换转换控制完成之后，控制器22接通第一开关元件S1。
如图3A至3C所示，当第一电池B1的电压VB1高于第二电池B2的电压VB2时，第一开关元件S1的二极管通电以便电流从第一电池B1流向第二电池B2。此时，因为在第二电池B2侧存在电抗器元件R，因此当第一开关元件S1接通时不会发生浪涌电流。然而，如图4A至4C所示，当第一电池B1的电压VB1低于第二电池B2的电压VB2时，在第一开关元件S1接通的时刻浪涌电流从平滑电容器CH流向第一电池B1，因为在第一开关元件S1与平滑电容器CH之间没有电抗器元件R。图3A和4A示出了在执行串联/并联切换转换控制前和后第一电池B1的电压VB1和第二电池B2的电压VB2。
在根据本发明实施例的车辆的电源中，控制器22执行下面所描述的串联/并联切换控制，以便抑制当第一电池B1和第二电池B2的连接状态从串联连接状态切换到并联连接状态时发生浪涌电流。下面将参考图5、6A和6B来描述在执行串联/并联切换控制期间控制器22的操作。
串联/并联切换控制
图5是示出了根据本发明实施例的串联/并联切换控制的流程的流程图。图6A和6B是用于对图5中所示的步骤S3中的操作进行说明的示图。在图5的流程图中，串联/并联切换控制开始于车辆1的点火开关从断开状态切换到接通状态的时间，并且过程进行到步骤S1。
在步骤S1中，控制器22确定对电源2的操作模式命令是否是并联连接状态。作为确定的结果，当操作模式命令是并联连接状态时(步骤S1：是)，控制器22使串联/并联切换控制进行到步骤S2。当操作模式命令不是并联连接状态时(步骤S1：否)，控制器22终止串联/并联切换控制的序列。
在步骤S2中，控制器22确定第一开关元件S1的状态是否为断开状态。作为确定的结果，当第一开关元件S1的状态是断开状态时(步骤S2：是)，控制器22使串联/并联切换控制进行到步骤S3。当第一开关元件S1的状态是接通状态时(步骤S2：否)，控制器22终止串联/并联切换控制的序列。
在步骤S3中，如图6A和6B所示，控制器22执行串联/并联切换转换控制，以便平滑电容器CH的电压VH降低到第一电池B1的电压VB1和第二电池B2的电压VB2中的较高者。在串联/并联切换转换控制中，控制器22交替地接通和断开第二开关元件S2和第三开关元件S3，同时随时间的流逝使第二开关元件S2的接通持续时间缩短并且使第三开关元件S3的接通持续时间延长。因而，步骤S3中的操作完成，并且串联/并联切换控制进行到步骤S4。
在步骤S4中，控制器22确定串联/并联切换转换控制是否完成。作为确定的结果，当串联/并联切换转换控制完成时(步骤S4：是)，控制器22使串联/并联切换控制进行到步骤S5。当串联/并联切换转换控制未完成时(步骤S4：否)，在规定时间逝去之后控制器22再次执行步骤S4中的操作。可通过检测例如第一电池B1的电压VB1、第二电池B2的电压VB2、以及电源2的输出电压VH已变为相同来确定串联/并联切换转换控制是否完成。
在步骤S5中，控制器22基于电流传感器21的检测信号来确定第一开关元件S1的二极管是否通电。作为确定的结果，当第一开关元件S1的二极管通电时(步骤S5：是)，控制器22使串联/并联切换控制进行到步骤S6。当第一开关元件S1的二极管未通电时(步骤S5：否)，控制器22终止串联/并联切换控制的序列。应当注意的是考虑到电流传感器21的检测误差来设置确定阈值以免基于电流传感器21的检测信号做出错误确定。
在步骤S6中，控制器22接通第一开关元件S1。因而，步骤S6中的操作完成，并且串联/并联切换控制的序列结束。
从以上描述清楚的是，在根据本发明实施例的串联/并联切换控制中，当第一电池B1和第二电池B2的连接状态从串联连接状态切换到并联连接状态时，控制器22执行串联/并联切换转换控制，以便平滑电容器CH的电压VH降低到第一电池B1的电压VB1和第二电池B2的电压VB2中的较高者。在串联/并联切换转换控制中，控制器22交替地接通和断开第二开关元件S2和第三开关元件S3，同时随时间的流逝使第二开关元件S2的接通持续时间缩短并且使第三开关元件S3的接通持续时间延长。此外在根据本发明实施例的串联/并联切换控制中，在第一开关元件S1的二极管通电之后控制器22接通第一开关元件S1。因而，可以抑制当第一电池B1和第二电池B2的连接状态从串联连接状态切换到并联连接状态时浪涌电流的发生。
更具体地，当第一电池B1和第二电池B2的连接状态从串联连接状态切换到并联连接状态时，第一电池B1、第二电池B2、以及平滑电容器CH并联连接。因此，第一电池B1的电压VB1和第二电池B2的电压VB2中的较高者被施加到平滑电容器CH上，并且浪涌电流流入具有较低电压的电池。在图2所示的配置中，电抗器元件R排列在第二电池B2侧。因此，通常，第一电池B1的电压变得高于第二电池B2的电压并且浪涌电流试图流入第二电池B2。然而，利用电抗器元件R，抑制了浪涌电流流入第二电池B2。然而，根据该情况，第一电池B1的电压VB1可能低于第二电池B2的电压VB2。在这种情况下，因为在第一电池B1侧没有电抗器元件，因此浪涌电流流入第一电池B1。因而，在本实施例中，执行上述控制以便即使当第一电池B1的电压VB1低于第二电池B2的电压VB2时也可抑制浪涌电流流入第一电池B1。当第一电池B1的电压VB1高于第二电池B2的电压VB2，即第一开关元件S1的二极管被通电时，即使第一电池B1和第二电池B2的连接状态变为并联连接状态也不会发生浪涌电流。
尽管上面已经描述了应用本发明人所做出的本发明的实施例，但是构成了本公开的一部分的与实施例有关的描述和附图不限制本发明。也就是说，本领域普通技术人员基于实施例所构思的其它实施例、示例、操作技术等都被包含在本发明的范围之中。

Claims (5)

1.一种车辆的电源，所述电源特征在于包括：
第一开关元件，所述第一开关元件连接在正极线与第一节点之间；
第二开关元件，所述第二开关元件连接在所述第一节点与第二节点之间；
第三开关元件，所述第三开关元件连接在所述第二节点与负极线之间；
第一电池，所述第一电池具有分别与所述第一节点和所述负极线相连的正电极和负电极；
电抗器元件，所述电抗器元件连接在所述正极线与第三节点之间；
第二电池，所述第二电池具有分别与所述第三节点和所述第二节点相连的正电极和负电极；
平滑电容器，所述平滑电容器连接在所述正极线与所述负极线之间；以及
控制器，所述控制器被配置为使所述第一开关元件、所述第二开关元件、以及所述第三开关元件中的每一个在接通状态与断开状态之间切换以使所述第一电池和所述第二电池的连接状态在串联连接状态与并联连接状态之间切换，
当所述第一电池和所述第二电池的所述连接状态从所述串联连接状态切换到所述并联连接状态时，所述控制器被配置为执行转换控制以便所述平滑电容器的电压降低到所述第一电池的电压和所述第二电池的电压中的较高者，并且在所述第一开关元件的二极管通电之后执行接通所述第一开关元件的切换控制，所述转换控制是如下控制，即交替地接通和断开所述第二开关元件和所述第三开关元件，同时随时间的流逝使所述第二开关元件的接通持续时间缩短并且使所述第三开关元件的接通持续时间延长。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于：
所述控制器被配置为将所述第一开关元件和所述第三开关元件控制为所述断开状态并且将所述第二开关元件控制为所述接通状态以便所述第一电池和所述第二电池的所述连接状态变为所述串联连接状态；并且
所述控制器被配置为将所述第一开关元件和所述第三开关元件控制为所述接通状态并且将所述第二开关元件控制为所述断开状态以便所述第一电池和所述第二电池的所述连接状态变为所述并联连接状态。
3.根据权利要求1或2所述的电源，其特征在于：所述控制器被配置为当所述第一电池的电压低于所述第二电池的电压时执行所述切换控制。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电源，其特征在于：所述控制器被配置为当所述第一开关元件的所述二极管未通电时保持所述第一电池和所述第二电池的所述连接状态为所述串联连接状态。
5.一种电源的控制方法，
所述电源包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第一电池、电抗器元件、第二电池、平滑电容器、以及控制器，
所述第一开关元件连接在正极线与第一节点之间，
所述第二开关元件连接在所述第一节点与第二节点之间，
所述第三开关元件连接在所述第二节点与负极线之间，
所述第一电池具有分别与所述第一节点和所述负极线相连的正电极和负电极，
所述电抗器元件连接在所述正极线与第三节点之间，
所述第二电池具有分别与所述第三节点和所述第二节点相连的正电极和负电极，
所述平滑电容器连接在所述正极线与所述负极线之间，
所述方法的特征在于包括：
通过所述控制器，使所述第一开关元件、所述第二开关元件、以及所述第三开关元件中的每一个在接通状态与断开状态之间切换以使所述第一电池和所述第二电池的连接状态在串联连接状态与并联连接状态之间切换；并且
当所述第一电池和所述第二电池的所述连接状态从所述串联连接状态切换到所述并联连接状态时，通过所述控制器执行转换控制以便所述平滑电容器的电压降低到所述第一电池的电压和所述第二电池的电压中的较高者，并且在所述第一开关元件的二极管通电之后通过所述控制器执行接通所述第一开关元件的切换控制，所述转换控制是如下控制，即交替地接通和断开所述第二开关元件和所述第三开关元件，同时随时间的流逝使所述第二开关元件的接通持续时间缩短并且使所述第三开关元件的接通持续时间延长。
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