CN111605421A - 用于改善电动化车辆的里程和燃料经济性的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供“用于改善电动化车辆的里程和燃料经济性的系统和方法”。一种车辆包括牵引电池，所述牵引电池包括多个电池单元。所述车辆还包括多个功率转换器，每个电耦接在对应的电池单元组和电气总线之间。控制器被编程为将电流需求分配给所述功率转换器并操作所述功率转换器，以最小化能量消耗和损耗。

Description

用于改善电动化车辆的里程和燃料经济性的系统和方法
技术领域
本申请总体上涉及一种用于通过一个或多个并联布置的功率转换器为低压总线供电的系统。
背景技术
电动化车辆包括混合动力电动车辆和电动车辆，并且被配置成利用包括电动马达的动力传动系统提供推进。电动化车辆向连接到高压电气总线和低压电气总线的各种部件分布能量。能量源包括连接到高压总线的电池以及也连接到高压总线的发电机。车辆通常包括用于将能量从高压电气总线传递到低压电气总线的单个功率转换器。电动化车辆的燃料经济性至少部分地取决于充电期间从电网汲取的能量的量。
发明内容
一种车辆包括：牵引电池，所述牵引电池由电池单元组成；和功率转换器，每个电耦接在对应的电池单元组与电气总线之间。车辆还包括控制器，所述控制器被编程为将电流需求分配给功率转换器，并且响应于分配给功率转换器的子组的电流的幅度小于阈值，将所述电流的总和重新分布给不在所述子组中的功率转换器并操作所述子组以不提供任何电流。
所述控制器还可以被编程为基于电池单元组的荷电状态初始地将电流需求分配给功率转换器，使得耦接到荷电状态大于耦接到第二功率转换器的第二电池单元组的荷电状态的第一电池单元组的第一功率转换器接收更大的电流分配。分配给所述功率转换器中的一个或多个的电流可以是流向电池单元的负电流。阈值可以是对应于小于预定转换器效率的效率的电流电平。控制器还可以被编程为将不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的电流幅度增加一个系数，所述系数是电流需求与已经分配给不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的总电流的比率。所述电流可以包括从电池单元流动的正电流和流向电池单元的负电流，并且控制器还可以被编程为将正电流的总和重新分布给具有正电流分配的功率转换器，并将负电流的总和重新分布给具有负电流分配的功率转换器。所述控制器还可以被编程为响应于分配给所有功率转换器的电流的幅度小于阈值，将电流需求重新分布给一组功率转换器，使得一组功率转换器供应电流，使得每个提供的电流超过阈值。所述控制器还可以被编程为重新分布电流，使得由功率转换器提供的总电流在电流的重新分布之前和之后是相同的。
一种方法包括：通过控制器操作电耦接在对应的电池单元组和电气总线之间的功率转换器，以通过将电气总线的电流需求的一部分分配给所述功率转换器中的每一个来满足电流需求，并且响应于分配给所述功率转换器的子组的电流的幅度小于阈值，将电流的总和重新分布给不在所述子组中的功率转换器，并操作所述子组以不提供任何电流。
所述方法还可以包括基于对应的电池单元组的荷电状态来分配电流需求。所述方法还可以包括：通过将至不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的电流增加一个系数来重新分布电流，所述系数是电流需求与已经分布给不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的总电流的比率。所述方法还可以包括：响应于分配给所有功率转换器的电流的幅度小于阈值，将电流需求重新分布给一组功率转换器，使得每个提供的电流超过阈值。所述方法还可以包括：重新分布电流的总和，使得由功率转换器提供的总电流在电流的重新分布之前和之后是相同的。所述电流可以包括正电流和负电流，并且所述方法还可以包括：将正电流的总和重新分布给具有正电流分配的功率转换器，以及将负电流的总和重新分布给具有负电流分配的功率转换器。阈值可以是对应于小于预定转换器效率的效率的电流电平。
一种车辆电气系统包括多个功率转换器，每个电耦接在一组电池单元和电气总线之间。车辆电气系统还包括控制器，所述控制器被编程为将电流需求分配给功率转换器，并且响应于分配给所述功率转换器的子组的电流的幅度小于阈值，将所述电流的总和重新分布给不在所述子组中的功率转换器使得由所述功率转换器提供的总电流在电流的重新分布之前和之后是相同的，并操作所述子组以不提供任何电流。
所述控制器还可以被编程为将不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的电流幅度增加一个系数，所述系数是电流需求与已经分配给不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的总电流的比率。所述电流可以包括正电流和负电流，并且所述控制器还可以被编程为将正电流的总和重新分布给具有正电流分配的功率转换器，并将负电流的总和重新分布给具有负电流分配的功率转换器。所述控制器还可以被编程为响应于分配给所有功率转换器的电流的幅度小于阈值，将电流需求重新分布给一组功率转换器，使得一组功率转换器供应电流，每个提供的电流超过阈值。阈值可以是对应于小于预定转换器效率的效率的电流电平。
附图说明
图1是示出传动系和能量存储部件(包括电机)的电动化车辆的图。
图2是包括旁路转换器的车辆电气系统的图。
图3是用于操作旁路转换器的可能配置的框图。
图4是相对于转换器输入电流的可能转换器效率曲线的曲线图。
图5是用于操作旁路转换器以满足电气总线上的电流需求的操作的可能序列的流程图。
具体实施方式
本文描述本公开的实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅是示例，并且其他实施例可以采取各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可以被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而仅应解释为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如本领域一般技术人员应理解，参考附图中的任何一个示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他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。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，对于特定应用或实现方式，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可以是所期望的。
图1描绘了可以被称为插电式混合动力电动车辆(PHEV)的电动化车辆112。插电式混合动力电动车辆112可以包括机械地耦接到混合动力变速器116的一个或多个电机114。电机114可能能够作为马达或发电机来操作。此外，混合动力变速器116机械地耦接到发动机118。混合动力变速器116还机械地耦接到驱动轴120，所述驱动轴120机械地耦接到车轮122。电机114可以在发动机118开启或关闭时提供推进和减速能力。电机114还可以充当发电机，并且可以通过回收通常将在摩擦制动系统中作为热量损耗的能量来提供燃料经济性益处。电机114还可以通过允许发动机118以更高效的转速操作以及允许在某些条件下在发动机118关闭时以电动模式操作混合动力电动车辆112来减少车辆排放。电动化车辆112也可以是电池电动车辆(BEV)。在BEV配置中，可能不存在发动机118。
牵引电池或电池组124存储可以由电机114使用的能量。牵引电池124可能可电耦接到高压电气总线154。高压总线154可以包括电力导体和返回导体。车辆电池组124可以提供高压直流(DC)输出。一个或多个接触器142可以在断开时将牵引电池124与高压总线154隔离，并且在闭合时将牵引电池124连接到高压总线154。牵引电池124可以电耦接到一个或多个电力电子器件模块126(也可以称为牵引逆变器)。电力电子器件模块126还电耦接到电机114，并且提供在牵引电池124与电机114之间双向传递能量的能力。例如，牵引电池124可以提供DC电压，而电机114可以利用三相交流(AC)操作以起作用。电力电子器件模块126可以将DC电压转换为三相AC电流来操作电机114。在再生模式中，电力电子器件模块126可以将来自充当发电机的电机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可以包括电耦接在牵引电池124与电力电子器件模块126之间的可变电压转换器(VVC)(未示出)。所述VVC可以是被配置成增大或升高由牵引电池124提供的电压的DC/DC升压转换器。通过增加电压，可以降低电流要求，从而导致电力电子器件模块126和电机114的布线大小减小。此外，电机114可以以更好的效率和更低的损耗操作。
除了提供用于推进的能量之外，牵引电池124还可以为其他车辆电气系统提供能量。车辆112可以包括旁路转换器模块128，所述旁路转换器模块128将牵引电池124的高压DC输出转换成与低压车辆负载152兼容的低压DC电源。旁路转换器模块128可以耦接在高压总线154和低压电气总线156之间。旁路转换器模块128的输出端可以电耦接到低压电气总线156和辅助电池130(例如，12V电池)以为辅助电池130充电。低压系统和负载152可以电耦接到低压电气总线156。低压总线156可以包括电力导体和返回导体。一个或多个电气负载146可以耦接到高压总线154。电气负载146可以具有在适当时操作和控制电气负载146的相关联的控制器。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。
电动化车辆112可以被配置成从外部电源136对牵引电池124再充电。外部电源136可以是到电气插座的连接件。外部电源136可以电耦接到充电器或电动车辆供电装备(EVSE)138。外部电源136可以是由电力公共事业公司提供的配电网络或电网。EVSE 138可以提供电路和控件以调节和管理电源136与车辆112之间的能量传递。外部电源136可以向EVSE 138提供DC或AC电力。EVSE 138可以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可以是被配置成将电力从EVSE 138传递到车辆112的任何类型的端口。充电端口134可以电耦接到充电器或车载功率转换模块132。
功率转换模块132可以调节从EVSE 138供应的电力，以向牵引电池124提供恰当的电压和电流电平。功率转换模块132可以与EVSE138交互以协调到车辆112的电力输送。EVSE连接器140可以具有与充电端口134的对应凹槽配合的管脚。替代地，被描述为电耦接或连接的各种部件可以使用无线电感耦合来传递电力。
可以提供一个或多个车轮制动器144以用于使车辆112减速并防止车辆112的运动。车轮制动器144可以是液压致动的、电致动的或者它们的某一组合。车轮制动器144可以是制动系统150的一部分。制动系统150可以包括用于操作车轮制动器144的其他部件。出于简单起见，附图描绘了制动系统150与车轮制动器144中的一个之间的单个连接。制动系统150与其他车轮制动器144之间的连接是隐含的。制动系统150可以包括用于监测并协调制动系统150的控制器。制动系统150可以监测制动部件并控制车轮制动器144以进行车辆减速。制动系统150可以对驾驶员命令做出响应并且还可以自主地操作以实施诸如稳定性控制等特征。制动系统150的控制器可以实施当由另一个控制器或子功能请求时施加所请求的制动力的方法。
车辆112内的电子模块可以经由一个或多个车辆网络进行通信。车辆网络可以包括用于通信的多个信道。车辆网络的一个信道可以是串行总线，诸如控制器局域网(CAN)。车辆网络的信道中的一个可以包括由电气和电子工程师协会(IEEE)802系列标准定义的以太网网络。车辆网络的附加信道可以包括模块之间的离散连接，并且可以包括来自辅助电池130的电力信号。可以通过车辆网络的不同信道传递不同的信号。例如，视频信号可以通过高速信道(例如，以太网)传递，而控制信号可以通过CAN或离散信号传递。车辆网络可以包括有助于在模块之间传递信号和数据的任何硬件和软件部件。图1中并未示出车辆网络，但可以暗示，车辆网络可以连接到车辆112中存在的任何电子模块。可以存在车辆系统控制器(VSC)148以协调各种部件的操作。
电动化车辆(例如，BEV、PHEV)经由高压总线154和低压总线156分布电力。先前的布置通常利用电耦接在高压总线154和低压总线156之间的单个DC/DC转换器来向低压总线156提供电力。DC/DC转换器可以被配置成将高压总线154的电压减小到低压总线156的电压电平(例如，12V)。本文所述的系统用旁路转换器模块128替换传统DC/DC转换器以向低压总线156提供电力并提供将在本文描述的附加益处。
常规内燃发动机(ICE)车辆的车辆性能可以根据燃料经济性来评估。但是，电动化车辆可以根据能量经济性进行评估。电动化车辆的能量经济性分析可以考虑充电期间提供的能量的总量。因为电能可以用于推进，所以可以使用电能的等效表示来计算类似于燃料经济性的能量经济性项。能量经济性可以表示为由牵引电池124提供的行驶里程或距离。电能可以提供给高压电气总线154和低压电气总线156。在操作期间，由牵引电池124提供的能量用于推进并且用于低压负载152。低压负载152可以类似于常规车辆中的负载。在电动化车辆112中，旁路转换器128可以执行类似于常规车辆的交流发电机的功能。
电动化车辆的燃料和/或能量经济性可能会受到旁路转换器128的效率的影响。功率转换器的效率可以随通过转换器的电流或功率的量而变化。由旁路转换器128输出的功率可以被定义为在转换器输出端处的电压与由转换器提供的电流的乘积。通过旁路转换器128的电流可以由耦接到低压电气总线156的低压负载152汲取的电流确定。旁路转换器128可以被配置成满足低压电气总线156的最大电流要求。低压电气总线156的电流需求可以基于车辆112的工况而发生显著变化。例如，在驾驶循环期间，电流需求可以是数百安培。在电池充电或闲置状况期间，电流需求可能为10安或更小。旁路转换器128可以在大电流范围内操作。被设计为在高电流电平下是高效的常规功率转换器在较低电流电平下效率可能大大降低。
功率转换器的效率可能会受到转换比率的影响。转换比率可以表示为功率转换器的输入电压与输出电压的比率。例如，在一些电动化车辆配置中，输入电压可以是300伏，而输出电压可以是12伏。通过降低转换比率可以实现效率的提高。能量经济性和/或效率还可能受到系统中浪费或损耗(例如，作为热量)的能量的影响。
一些提高能量经济性的解决方案可能包含第二功率转换器，所述第二功率转换器被优化以在较低电流电平下实现高效率。但是，这样的解决方案可能会增加系统的额外成本和复杂性。此外，需要额外的控制逻辑来管理转换器之间的切换。
图2描绘了车辆电气系统200的可能配置。牵引电池124可以通过正极端子210和负极或返回端子216耦接到高压电气总线156。牵引电池124可以由多个电池单元202组成。电池单元202可以由各种化学配方构造。典型的电池组化学物质可以为铅酸、镍金属氢化物(NIMH)或锂离子。牵引电池124可以由n个电池单元202的串联配置构成。然而，其他配置也是可能的，并且牵引电池124可以由串联或并联连接或以它们的某个组合连接的任何数量的单独的电池单元202构成。所述系统可以包括被配置成监测和控制牵引电池124的性能的一个或多个控制器，诸如电池能量控制模块(BECM)208。BECM208可以监测若干牵引电池特性，诸如电池组电流、电池组电压和电池组温度。BECM 208可以包括非易失性存储器，使得在BECM 208处于关闭状况时，数据可以被保留。保留的数据可以在下一个钥匙循环中可用。
除了电池组电平特性之外，还存在被测量和监测的电池单元电平特性。例如，可以测量电池单元202中的每一个的端子电压、电流和温度。车辆电气系统200可以使用一个或多个传感器模块204来测量电池单元202的特性。传感器模块204可以包括被配置成测量电池单元202中的每一个上的电压的电压传感器。根据所述能力，传感器模块204可以测量电池单元202中的一个和/或电池单元202组的特性。牵引电池124可以利用多个传感器模块204来测量所有电池单元202的特性。每个传感器模块204可以将测量值传递至BECM 208以用于进一步处理和协调。传感器模块204可以将模拟或数字形式的信号传递到BECM 208。在一些配置中，传感器模块204的功能性可以合并到BECM 208内部。即，传感器模块204硬件可以集成为BECM 208中的电路的一部分并且BECM 208可以进行对原始信号的处理。
BECM 208可以被配置成计算牵引电池124和/或电池单元202的各种特性。诸如电池供电能力和电池荷电状态的量对于控制牵引电池124的操作以及任何电气负载146从牵引电池124接收电力可以是有用的。电池供电能力是牵引电池124可以提供的最大功率量的量度或牵引电池124可以接收的最大功率量的量度。电池单元202中的每一个的特征可以在于电池供电能力。了解电池供电能力允许电气负载146被管理，使得所请求的电力在牵引电池124可以处理的极限内。
电池荷电状态(SOC)给出电池中剩余多少电荷的指示。电池SOC可以被输出以告知驾驶员牵引电池124中剩余多少电荷，与燃料表类似。电池SOC还可以用于控制电动化车辆的操作。电池SOC的计算可以通过多种方法实现。计算电池SOC的一种可能的方法是执行电池组电流随时间的积分。这在本领域中熟知为安培-时间积分。电池单元202中的每一个的SOC可以以类似方式计算。
牵引电池124的另一个特征可以是平衡电池单元202的能力。牵引电池124可以包括硬件和软件特征以执行电池单元202的平衡。平衡电池单元202可以包括为各个电池单元202充电和放电，使得电池单元202的荷电状态或供电能力均衡。该操作对于防止各个电池单元的过度充电和/或充电不足是有用的。为了有利于电池单元平衡，牵引电池124和/或传感器模块204可以包括耦接到电池单元202中的每一个的开关元件214和电阻器212。开关元件214和电阻器212可以被布置成使得电阻器212可以与电池单元202并联耦接以使电流从电池单元202流动通过电阻器212。通过激活开关元件214，电流可以从电池单元202流动通过电阻器212以使电池单元的SOC降低。开关元件214可以通过传感器模块204经由控制信号进行控制。开关元件214可以处于正常断开位置。开关元件214可以是固态元件(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))。由电阻器实现的电池单元平衡可以被称为无源电池单元平衡，因为它仅影响电池单元的放电。无源电池单元平衡可能导致能量浪费，因为能量在电阻器212中作为热量损耗了。
BECM 208可以被编程为管理牵引电池124的寿命平衡。寿命平衡可能包括有源和无源平衡过程。用于管理电池单元平衡的各种方法可以为可用的。例如，电池单元平衡可以在充电事件之后执行。可以比较电池单元202中的每一个的SOC。通过激活相关联的开关元件214以从电池单元排放电流，具有较高SOC的电池单元202可以被放电以匹配其余电池单元的SOC。寿命平衡允许通过在驾驶循环期间操作电池单元或电池单元组来实现电池单元平衡。寿命平衡可以在电池单元202组之间实现平衡，而无源电池单元平衡可以通过使电流排放通过电阻器212来实现各个电池单元之间的平衡。可以使用用于管理电池单元平衡的其他标准。例如，寿命平衡可以被配置成平衡电池单元202以最大化里程、寿命和/或驾驶循环期间的可用电力。每种策略可能导致不同的平衡策略。
旁路转换器模块128可以包括被配置成提供与低压总线156兼容的输出电压的多个DC/DC旁路转换器206。旁路转换器206的电压输出端可以并联连接，使得旁路转换器206中的每一个可以对电流流过低压总线156做出贡献。至旁路转换器206中的每一个的电压输入可以跨预定数量的电池单元202耦接。例如，至旁路转换器206的输入可以跨m个电池单元202。m个电池单元可以被称为一组电池单元。至旁路转换器206的电压输入可以是跨m个电池单元202的电压的总和。电压输入还可以被称为跨所述电池单元组的电压。此外，每个电池单元组可以具有可以从构成该组的各个电池单元获得的相关联的SOC。例如，该组的SOC可以是平均电池单元SOC、中间电池单元SOC、该组中的电池单元的最低电池单元SOC或该组的电池单元的最高SOC。
根据电压输入，旁路转换器206可以被配置成增加(升高)或减少(降低)电压以提供输出电压。在一些配置中，旁路转换器206可以包括在输入电压电平和输出电压电平类似时高效地将输入耦合到输出的旁路模式。例如，旁路模式可以通过避免转换器内的开关损耗来增加效率。旁路转换器206可以包括用于管理电压转换操作的内部控制器。由于存在多个旁路转换器206，因此BECM 208可以管理和协调旁路转换器206的操作以供应提供给低压总线156的总电流。例如，旁路转换器206中的每一个可以通过车辆网络或专用通信信道与BECM 208通信。
旁路转换器206中的每一个可以被操作以向低压总线156提供电流。低压总线156上的电流需求可以通过操作旁路转换器206而得到满足。由于存在多个旁路转换器206，因此电流可以在旁路转换器206中的每一个之间被分布或成比例。可以存在预定数量个转换器，其中每个转换器被分配在1至最大范围内的整数索引。BECM 208可以管理通过旁路转换器206提供给低压总线156的总电流。BECM 208可以被编程为将总电流的一部分分布给旁路转换器206中的每一个。BECM 208可以实施电流分布功能。电流分布功能可以基于与旁路转换器206中的每一个相关联的电池单元202的荷电状态(电池单元单位)将总电流分布给各个旁路转换器206。
旁路转换器206可以与相关联的传感器模块204通信。例如，旁路转换器206和传感器模块204可以连接到串行外围接口(SPI)总线。SPI总线可以为旁路转换器206和相关联的传感器模块204之间的专用通信链路。来自对应的电池单元202组的电压和电流值可以从传感器模块204传递到旁路转换器206。
BECM 208可以与传感器模块204和旁路转换器206通信。例如，BECM 208和传感器模块204可以经由CAN通信信道通信。在一些配置中，BECM 208与旁路转换器206之间的通信可以为间接的并且穿过传感器模块204。例如，BECM 208可以经由CAN通信信道与传感器模块204通信。然后传感器模块204可以将针对旁路转换器206的消息传递到SPI总线。
旁路转换器206可以包括用于测量旁路转换器206的输入和/或输出电流的一个或多个电流传感器。电流测量值可以用于控制转换操作。此外，电流测量值可以被传送到BECM208。旁路转换器206或相关联的传感器模块204可以包括用于测量旁路转换器206的输入和/或输出电压的一个或多个电压传感器。在一些配置中，输出电压可以由BECM 208测量，并且输出电压值可以被传送到旁路转换器206。在一些配置中，传感器模块204可以测量或计算跨电池单元202组的电压，并将该值传送到旁路转换器206作为输入电压。
从牵引电池124向低压总线156供应的总电流可以随LV负载152所需要的电流而变化以将LV总线电压调节成目标电压。低压总线156上的电流需求在电动化车辆中可以在几安培到超过数百安培变化。如此，旁路转换器128的总电流汲取在相同的范围内变化。具有多个DC/DC旁路转换器206的车辆电气系统不仅能够单独地调整流过旁路转换器206中的每一个的电流，而且还可以降低旁路转换器输入与输出之间的电压转换比率。可能使所述比率接近1以便转换器以较高的转换效率工作(例如，采用转换器的旁路模式)。如图2所示，旁路转换器206的输入电压可以由预定数量的电池单元202确定，并且转换器的输出电压可以由车辆的标称为12V左右的LV总线电压确定。考虑到电压转换比率对转换器效率的影响，所述比率可以被选择为在1-2的范围内。针对该比率范围，可以存在串联连接在电池上或旁路转换器206的输入侧上的3至6个电池单元202。
BECM 208可以被编程为实施用于在旁路转换器206之间分配电流或使电流成比例的策略。当低压电气总线156的电流需求高时，电流可以在旁路转换器206之间均等地成比例。旁路转换器206中的每一个可以以大于电流阈值的电流操作，从而导致操作高于所选择的效率极限。
影响转换器效率的一个因素可能是在确定输入电压和输出电压的范围之后流动通过旁路转换器206的电流。作为示例，图4中示出了旁路转换器206的可能的效率曲线402的曲线图400。在高于某个阈值的电流幅度下，效率一般超过85％。当输入电流幅度落在某个电流边界内定义的窗口内时，转换器效率降低，并且当输入电流幅度接近零时，转换器效率接近零。当从效率立场来看时，期望在较高的电流电平(例如，>2A)下操作旁路转换器206以实现大于预定效率水平408的效率。转换器效率也可以表示为由旁路转换器206提供的功率的函数。例如，图4的电流轴也可以表示为功率轴。可以定义功率阈值，在所述功率阈值处，效率超过预定效率(例如，85％)。在下面的讨论中，电流或功率可以用于选择旁路转换器206和相关联的操作点。
当多个DC/DC旁路转换器206用于从牵引电池124向电动化车辆的低压总线156供电时，被使用的旁路转换器206的数量可以在考虑到电压转换比率和平衡要求之后由旁路转换器206的最大允许电流以及连接到旁路转换器206的电池单元202的数量确定。例如，如果高压总线154的标称电压为约300V，则在电压转换比率在1-2的范围内时，所述系统可能需要13-26个转换器。一个操作模式可以是在DC/DC旁路转换器206之间均等分布电流负载。作为示例，系统可以包括转换比率为2(例如，输入/输出为2)的14个旁路转换器并且可以操作所述转换器使得转换器中的每一个提供相同电平的电流。在该示例中，当连接到旁路转换器的输出端的低压总线156的电流负载在10A至200A的范围内时，旁路转换器的平均输入电流可以在小于0.5A至大于7A之间的范围内。当均等地分布电流时，在低压总线156的电流负载小于约30A时，转换器效率可以低于75％。如果低压总线156的电流负载小于约15A，则所述效率可以降到低于50％。转换器的较低工作效率不仅影响车辆的等效燃料经济性而且导致较高的热发生。
从高压电气总线154供应到低压电气总线156的总电流可以基于低压负载152的电流需求来变化。流过DC/DC旁路转换器206中的每一个的电流可以根据对应的电池单元单位状态单独地进行调整。电池单元单位状态可以包括电池单元电压、跨电池单元202组的电压、电池单元容量、电池单元组的容量、电池单元荷电状态和/或电池单元202组的荷电状态。流过旁路转换器206中的一些的电流可能低(例如，<1安培)，即使供应给低压电气总线156的总电流和/或平均转换器电流可能要高得多。电流分布可以由相关联的电池单元202的平衡状态确定。当选择旁路转换器电流电平时，可以考虑电池单元或电池单元组的SOC。电池单元组之间的SOC差值可以用于调整分布给旁路转换器206中的每一个的电流的比例。考虑SOC差值可以降低电池SOC与参考SOC的偏差。所述策略可以提供电池单元的有源平衡，而不会因无源电阻器中的能量耗散而造成有意的损耗。
使用电池单元单位状态可以导致旁路转换器206中的每一个通过不同量的电流。为了在电池放电期间实现电池单元平衡，具有较高荷电状态的电池单元组可以具有比具有较低荷电状态的电池单元组更大的电流流动。在这种情况下，旁路转换器206中的一些的电流流动可能导致相关联的转换器在较低效率的范围内操作。可以基于电池单元202组的荷电状态将电流需求分配给旁路转换器206，使得耦接到荷电状态大于耦接到第二旁路转换器的第二电池单元组的荷电状态的第一电池单元组的第一旁路转换器接收更大的电流分配。
如图4所示，对于旁路转换器206，转换器效率和转换器输入电流之间的关系可是已知的。根据该关系，可以确定实现高于预定效率值408的效率的输入电流的最小幅度。预定效率值408可以基于车辆性能要求。可以将预定效率值408选择为旁路转换器206的最低操作效率。当选择了效率的极限时，可以确定电流和/或功率极限。
可以将旁路转换器206的最小接受的效率极限选择为预定效率水平408。预定效率水平408可以是基于系统设计要求的可校准值。对应于预定效率水平408，零电流范围410可以由上限零电流界限404和下限零电流界限406定义。如果在介于上限零电流界限404和下限零电流界限406之间的电流的零电流范围410内将电流分配给所述旁路转换器206中的一个，则电流可以被限制为零。在零电流范围410之外，可以允许电流通过。当使用功率时，可以定义具有对应的上限零功率界限和下限零功率界限的零功率范围。
图3描绘了用于管理和操作旁路转换器206的过程的框图300。定时过程302可以生成用于触发其他过程的信号。定时过程302可以是中断驱动或轮询的。定时过程302可以生成用于触发过程的执行的多个触发信号。定时过程302可以以不同速率生成触发信号。定时过程302可以生成被配置成触发高速过程的执行的快速触发314。高速过程可以是将被最频繁执行的那些过程。定时过程302可以生成被配置成触发低速过程的执行的慢速触发320。低速过程可以是将被最不频繁执行的那些过程。定时过程302可以生成被配置成触发中速过程的执行的第一中速触发318和第二中速触发316。第一中速触发318和第二中速触发316可以以介于低速触发320和高速触发314之间的速率发生。
触发信号可能导致不同过程的执行。例如，高速过程可以包括低水平控制例程。低速过程可以包括高水平或后台操作(诸如设置总体参数)。中速过程可以包括中间控制决策，所述中间控制决策为低水平控制例程设置参考或设定点值。
目标电流分布过程304可以被配置成确定旁路转换器206中的每一个的电流分布比率。目标电流分布过程304可以由慢速触发320触发。例如，目标电流分布过程304可以基于相关联的电池单元组的荷电状态来确定对旁路转换器206中的每一个的电流分配。
总电流需求过程306可以被配置成确定针对低压电气总线156的总电流需求。总电流需求过程306可以从低压负载152接收信息。总电流需求过程306可以接收低压电气总线156的电压。总电流需求过程306可以由第一中速触发318触发。例如，总电流需求过程306可以包括基于低压电气总线156的参考电压和实际电压的闭环控制策略。
电流分布过程308可以被配置成生成旁路转换器206的电流分布。电流分布过程308可以从总电流需求过程306接收总电流需求，并且从目标电流分布过程304接收分布比率。电流分布过程308可以由第二中速触发316触发。电流分布过程308可以调整电流分配以提高车辆电气系统的整体效率。
电流分布过程308可以累积被约束或被限制的电流。被限制的电流可以被识别为正或负。正电流可以被定义为从牵引电池单元202流到低压电气总线156的电流。负电流可以被定义为从低压电气总线156流到牵引电池单元202的电流。正电流和负电流可以被分别累积。例如，第一变量可以用于累积负电流，而第二变量可以用于累积正电流。累积的电流可以被重新分布给不受限制或不受约束的旁路转换器206。不受限制的旁路转换器的初始目标电流分配可能在零电流范围410之外(例如，大于上限零电流界限404或小于下限零电流界限406)。累积的正电流可以被重新分布给电流大于上限零电流界限404的旁路转换器。累积的负电流可以被分布给电流小于下限零电流界限406的旁路转换器。
旁路转换器管理过程310可以被配置成操作旁路转换器206以实现所选择的目标电流。旁路转换器管理过程310可以由快速触发314触发。旁路转换器管理过程310可以包括用于旁路转换器206中的每一个的转换器控制过程312。旁路转换器管理过程310可以为旁路转换器206中的每一个接收目标电流。转换器控制过程312可以接收目标电流并且操作旁路转换器以实现目标电流。
图5描绘了用于将电流分配给旁路转换器206的操作的可能序列的流程图500。在操作502处，可以确定分布比率。操作502可以被实施为目标电流分布过程304的一部分。例如，如本文先前所述，可以基于与旁路转换器206相关联的电池单元组的荷电状态来确定分布比率。可以选择分布比率以使电池单元202朝向平衡状况移动，使得所有电池单元202在预定时间之后具有相同的SOC。有源平衡策略可以在耦接到对应的旁路转换器206的电池单元202组之间实现平衡。使用电阻器212的无源平衡可以用于实现针对组中的每一个的电池单元202之间的平衡。有源平衡策略可以减少在无源平衡期间电阻器212中放电的电流。
在操作504处，可以确定总电流或功率需求。操作504可以被实施为总电流需求过程306的一部分。可以实施一种闭环电压控制策略，其中总电流需求是基于总线电压和参考电压之间的误差。操作502和操作504可以并行或依序执行。
在操作506处，可以确定初始电流分配。对于旁路转换器206中的每一个，目标电流I(i)可以被计算为总电流需求和对应的分布比率的乘积。结果可以是旁路转换器206中的每一个的目标电流的初始估计。所述分配也可以是功率分配。然而，可以执行进一步的处理以解决转换器效率。
可能期望在零电流处以低初始电流分配操作旁路转换器，并将电流重新分配给其他旁路转换器206。初始目标电流分配可以各自与零电流范围410进行比较。如果初始目标电流分配落在零电流范围410内，则分配给对应的旁路转换器的电流可以被限制为零。
在操作508处，可以将目标电流与上限零电流界限404和下限零电流界限406进行比较以确定目标电流是否落在零电流范围410内。如果没有目标电流落在零电流范围410之外，则可以执行操作510。例如，初始电流分布可能导致所有目标电流都落在零电流范围410内。在这种状况下，除非目标电流以不同的方式分布，否则旁路转换器206可能潜在地以较低的效率水平操作。
在操作510处，可以将目标电流分布给旁路转换器206的子组。当所有电流都在零电流范围410内时，旁路转换器206的操作将导致效率低下。在这种状况下，可以重新分布电流需求，使得一组所有数量的旁路转换器206在预定效率值408以上操作。旁路转换器206中的一些可以在零电流下进行操作。在这种状况下，可以将总的电流需求分布给一组m个旁路转换器，使得所述m个旁路转换器中的每一个在预定效率值408处或以上操作。可以根据电池单元单位参数选择m个旁路转换器。例如，可以将数量m估计为总电流除以上限零电流界限404。
当总电流需求落在零电流范围410内时也可以执行操作510。在这种状况下，可以将所有旁路转换器206的分布电流设置为零。在这种情况下，电流重新分布之前和之后的总电流可能会有所不同。在一些配置中，可以操作在预定效率值408以下操作的旁路转换器206中的一个来供应电流需求。以这种方式操作，分布之前和之后的总电流可能相同。这种操作模式导致效率较低。
如果初始目标电流中的至少一者在零电流范围410之外，则可以执行操作512。初始电流分配中的每一个可以与零电流范围410进行比较。落在下限零电流界限406和上限零电流界限404之间的电流估计值表示转换器以低效率水平进行操作。在操作512处，可以检查初始电流分配以确定该值是否在零和上限零电流界限404(ILimH)之间。这指示小的正电流(例如，流向低压电气总线156)。如果满足条件，则可以执行操作518。在操作518处，可以在第一变量(Ip)中累积或求和对应的初始电流分配。在操作520处，可以将对应的最终电流分配If(i)设置为零。
如果不满足条件，则可以执行操作514。在操作514处，可以检查初始电流分配以确定该值是否在零和下限零电流界限406(ILimL)之间。这指示小的负电流(例如，从低压电气总线156流出)。如果满足条件，则可以执行操作516。在操作516处，在第二变量(In)中累积或求和对应的初始电流分配。在操作520处，将最终电流分配If(i)设置为零。
在操作522处，可以将索引i与最大索引(例如，转换器的总数)进行比较。所述索引等于最大索引可以指示正在处理所有电流分配。如果所述索引小于最大索引，则可以执行操作524。在操作524处，索引i可以递增，并且可以针对下一个电流分配执行512处开始的操作。如果初始电流分配已经被全部处理，则可以执行操作526和操作528。
先前的操作确定包括具有小于阈值(例如，下限零电流界限406和上限零电流界限404)的幅度(例如，电流或功率)的零极限旁路转换器的功率转换器的子组。可以将分布给所述子组的总电流重新分布给不是所述子组的部分的旁路转换器(例如，其电流分配在零电流范围410之外)。作为所述子组的成员的旁路转换器被操作为不提供任何电流。
在操作526处，可以将正电流重新分布给不在包括零极限旁路转换器的子组中的旁路转换器。可以将正电流重新分布给具有正电流分配的那些旁路转换器。用于重新分布在第一变量(Ip)中累积的正电流的一种策略可能是将累积的电流均等地分布给具有正电流分配的那些转换器。电流也可以按以下等式重新分布：
If(i)＝I(i)*Iptotal/(Iptotal–Ip)
其中Iptotal是所有正初始电流分配的累积，并且I(i)是初始电流分配。至旁路转换器中的每一个的电流分配可以增加一个系数，所述系数是总电流需求(由Iptotal表示)与已分配给具有高于阈值的电流的旁路转换器中的每一个的总电流(由Iptotal–Ip表示)的比率。
在操作528处，可以重新分布负电流。可以将负电流重新分布给具有负电流分布的那些转换器。用于重新分布在第二变量(In)中累积的负电流的一种策略可能是将累积的电流均等地分布给具有负电流分配的那些转换器。电流可以按以下等式重新分布：
If(i)＝I(i)*Intotal/(Intotal–In)
其中Intotal是所有负初始电流分配的累积，并且I(i)是初始电流分配。至旁路转换器中的每一个的电流分配可以增加一个系数，所述系数是总电流需求(由Intotal表示)与已分配给具有高于阈值的电流的旁路转换器中的每一个的总电流(由Intotal–In表示)的比率。
在操作530处，可以将转换器控制在目标电流If(i)。可以向旁路转换器206中的每一个提供目标电流，并且可以操作旁路转换器206内的开关装置以实现目标电流。
在电流截止和重新分布之后，所有旁路转换器206的总电流可以保持不变。在施加效率极限之前和之后，分配给旁路转换器206的总电流保持相同。区别可能在于对旁路转换器的电流分配。此外，受限制或受约束的旁路转换器在零电流下操作。
所公开的操作策略提高了系统的总体效率，因为旁路转换器以更高水平的效率进行操作。此外，所述策略提供了用于在车辆操作期间有源平衡电池单元而没有不必要的损耗的机会。
本文公开的过程、方法或算法可能能够递送到处理装置、控制器或计算机/由其实施，所述处理装置、控制器或计算机可以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，所述过程、方法或算法可存储为可由控制器或计算机以许多形式执行的数据和指令，所述形式包括但不限于持久地存储在诸如ROM装置等不可写存储介质上的信息和可改动地存储在诸如软盘、磁带、CD、RAM装置以及其他磁性和光学介质等可写存储介质上的信息。所述过程、方法或算法也可以在软件可执行对象中实施。替代地，所述过程、方法或算法可整体地或部分地使用合适的硬件部件(诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或者其他硬件部件或装置)或者硬件、软件和固件部件的组合来体现。
虽然上文描述了示例性实施例，但并不意图这些实施例描述权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中使用的用词是描述用词而非限制用词，并且应理解，可以在不背离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所描述，可以组合各种实施例的特征以形成可能未明确描述或示出的本发明的另外的实施例。虽然各种实施例就一个或多个期望的特性而言可能已经被描述为提供优点或优于其他实施例或现有技术实现方式，但本领域普通技术人员认识到，可以折衷一个或多个特征或特性以实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实现方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，就一个或多个特性而言被描述为不如其他实施例或现有技术实现方式的实施例也在本公开的范围内，并且对于特定应用可能是理想的。
根据本发明，提供了一种车辆，其具有：牵引电池，其由电池单元构成；功率转换器，每个电耦接在对应的电池单元组和电气总线之间；以及控制器，所述控制器被编程为将电流需求分配给功率转换器，并且响应于分配给功率转换器的子组的电流的幅度小于阈值，将所述电流的总和重新分布给不在所述子组中的功率转换器并操作所述子组以不提供任何电流。
根据实施例，所述控制器还被编程为基于电池单元组的荷电状态初始地将电流需求分配给功率转换器，使得耦接到荷电状态大于耦接到第二功率转换器的第二电池单元组的荷电状态的第一电池单元组的第一功率转换器接收更大的电流分配。
根据实施例，分配给功率转换器中的一个或多个的电流是流向电池单元的负电流。
根据实施例，阈值是对应于小于预定转换器效率的效率的电流电平。
根据实施例，控制器还被编程为将不在所述子组中的功率转换器中的每一个的电流幅度增加一个系数，所述系数是电流需求与已经分配给不在所述子组中的功率转换器中的每一个的总电流的比率。
根据实施例，所述电流包括从电池单元流动的正电流和流向电池单元的负电流，并且控制器还被编程为将正电流的总和重新分布给具有正电流分配的功率转换器，并将负电流的总和重新分布给具有负电流分配的功率转换器。
根据实施例，所述控制器还被编程为响应于分配给所有功率转换器的电流的幅度小于阈值，将电流需求重新分布给一组功率转换器，使得一组功率转换器供应电流，使得每个提供的电流超过阈值。
根据实施例，所述控制器还被编程为重新分布电流，使得由功率转换器提供的总电流在电流的重新分布之前和之后是相同的。
根据本发明，一种方法包括：通过控制器操作电耦接在对应的电池单元组和电气总线之间的功率转换器，以通过将电气总线的电流需求的一部分分配给功率转换器中的每一个来满足电流需求，并且响应于分配给功率转换器的子组的电流的幅度小于阈值，将电流的总和重新分布给不在所述子组中的功率转换器，并操作所述子组以不提供任何电流。
根据实施例，本发明的特征还在于，基于对应的电池单元组的荷电状态来分配电流需求。
根据实施例，本发明的特征还在于，通过将至不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的电流增加一个系数来重新分布电流，所述系数是电流需求与已经分配给不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的总电流的比率。
根据实施例，本发明的特征还在于，响应于分配给所有功率转换器的电流的幅度小于阈值，将电流需求重新分布给一组功率转换器，使得每个提供的电流超过阈值。
根据实施例，本发明的特征还在于，重新分布电流的总和，使得由功率转换器提供的总电流在电流的重新分布之前和之后是相同的。
根据实施例，所述电流包括正电流和负电流，并且所述方法还包括将正电流的总和重新分布给具有正电流分配的功率转换器，以及将负电流的总和重新分布给具有负电流分配的功率转换器。
根据实施例，阈值是对应于小于预定转换器效率的效率的电流电平。
根据本发明，提供了一种车辆电气系统，其具有：多个功率转换器，每个电耦接在电池单元组和电气总线之间；以及控制器，所述控制器被编程为将电流需求分配给功率转换器，并且响应于分配给功率转换器的子组的电流的幅度小于阈值，将所述电流的总和重新分布给不在所述子组中的功率转换器使得由功率转换器提供的总电流在电流重新分布之前和之后是相同的，并且操作所述子组以不提供任何电流。
根据实施例，所述控制器还被编程为将至不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的电流幅度增加一个系数，所述系数是电流需求与已经分配给不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的总电流的比率。
根据实施例，所述电流包括正电流和负电流，并且控制器还被编程为将正电流的总和重新分布给具有正电流分配的功率转换器，并将负电流的总和重新分布给具有负电流分配的功率转换器。
根据实施例，所述控制器还被编程为响应于分配给所有功率转换器的电流的幅度小于阈值，将电流需求重新分布给一组功率转换器，使得一组功率转换器供应电流，每个提供的电流超过阈值。
根据实施例，阈值是对应于小于预定转换器效率的效率的电流电平。

Claims (15)

1.一种车辆，其包括；
牵引电池，其由电池单元构成；
功率转换器，每个电耦接在对应的电池单元组和电气总线之间；以及
控制器，其被编程为将电流需求分配给所述功率转换器，并且响应于分配给所述功率转换器的子组的电流的幅度小于阈值，将所述电流的总和重新分布给不在所述子组中的功率转换器并操作所述子组以不提供任何电流。
2.如权利要求1所述的车辆，其中所述控制器还被编程为基于所述电池单元组的荷电状态初始地将电流需求分配给所述功率转换器，使得耦接到荷电状态大于耦接到第二功率转换器的第二电池单元组的荷电状态的第一电池单元组的第一功率转换器接收更大的电流分配。
3.如权利要求1所述的车辆，其中分配给所述功率转换器中的一个或多个的电流是流向所述电池单元的负电流。
4.如权利要求1所述的车辆，其中所述阈值是对应于小于预定转换器效率的效率的电流电平。
5.如权利要求1所述的车辆，其中所述控制器还被编程为将不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的电流幅度增加一个系数，所述系数是所述电流需求与已经分配给不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的总电流的比率。
6.如权利要求1所述的车辆，其中所述电流包括从所述电池单元流动的正电流和流向所述电池单元的负电流，并且所述控制器还被编程为将所述正电流的总和重新分布给具有正电流分配的功率转换器，并将所述负电流的总和重新分布给具有负电流分配的功率转换器。
7.如权利要求1所述的车辆，其中所述控制器还被编程为响应于分配给所有所述功率转换器的电流的幅度小于所述阈值，将所述电流需求重新分布给一组所述功率转换器，使得一组功率转换器供应电流，使得每个提供的电流超过所述阈值。
8.如权利要求1所述的车辆，其中所述控制器还被编程为重新分布所述电流，使得由所述功率转换器提供的总电流在所述电流的重新分布之前和之后是相同的。
9.一种方法，其包括：
通过控制器操作电耦接在对应的电池单元组和电气总线之间的功率转换器，以通过将所述电气总线的电流需求的一部分分配给所述功率转换器中的每一个来满足所述电流需求；并且响应于分配给所述功率转换器的子组的电流的幅度小于阈值，将所述电流的总和重新分布给不在所述子组中的功率转换器，并操作所述子组以不提供任何电流。
10.如权利要求9所述的方法，其还包括基于所述对应的电池单元组的荷电状态来分配所述电流需求。
11.如权利要求9所述的方法，其还包括通过将至不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的电流增加一个系数来重新分布电流，所述系数是所述电流需求与已经分配给不在所述子组中的所述功率转换器中的每一个的总电流的比率。
12.如权利要求9所述的方法，其还包括：响应于分配给所有所述功率转换器的电流的幅度小于所述阈值，将所述电流需求重新分布给一组功率转换器，使得每个提供的电流超过所述阈值。
13.如权利要求9所述的方法，其还包括：重新分布所述电流的所述总和，使得由所述功率转换器提供的总电流在所述电流的重新分布之前和之后是相同的。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述电流包括正电流和负电流，并且所述方法还包括将所述正电流的总和重新分布给具有正电流分配的功率转换器，以及将所述负电流的总和重新分布给具有负电流分配的功率转换器。
15.如权利要求9所述的方法，其中所述阈值是对应于小于预定转换器效率的效率的电流电平。
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