CN113043972B - 直流-直流转换器、车辆及混合动力系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直流‑直流转换器、混合动力系统、车辆及混合动力系统的控制方法，应用于汽车的动力系统技术领域。在本发明提供的直流‑直流转换器中，其将现有的直流‑直流转换器进行了改进，从而是其在车辆的混合动力系统工作在不同的工况下，启动不同的功能模块，进而保证无论所述混合动力系统中的高压电池是否处于正常工况，该混合动力系统均可以稳定的运行。
Description
技术领域
本发明涉及汽车的动力系统技术领域，特别涉及一种直流-直流转换器、混合动力系统、车辆及混合动力系统的控制方法。
背景技术
电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的交通工具。由于对环境影响相对传统汽车较小，是目前比较推荐的车型。电动汽车分为：纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)。目前，纯电动汽车受限于充电设施不完善，不能得到普遍的应用。混合动力汽车由电池和燃料两种能源相互补充，共同提供交通工具动力，在节能减排的行业趋势下，由于其使用的燃料能够得到及时补充而具备更佳的灵活性，因此，48V混合动力系统因具备车辆集成简单，性价比高的优势，已逐步在国内外车型上应用。
目前，48V混合动力系统主要包括48V电池(动力电池)、48V启动电机、12V电池(辅助电池)和12V启动电机。其中，48V电池用于为48V启动电机供电，从而使48V启动电机启动发动机，然后，发动机通过皮带带动发电机给12V电池充电，从而使12V电池为12V的车载负载进行供电。
然而，现有技术中的48V的动力电池均为单一的锂电池，出于成本控制的考虑，其容量多在8Ah到10Ah之间。但锂电池在低温下(-10～-35℃)的放电能力存在大幅度下降的情况，即在低温下(-10～-35℃)环境下，出于保护电池电芯的角度，电池的继电器开关无法闭合或者48V电池出现故障会强制断开其继电器开关，此时，由于发电机自身稳压控制效果不佳的特性，导致48V电网电压波动，如电压波动超过部件的过压/欠压范围，即便锂电池的电容量足够，其瞬时输出电流仍不足以支撑48V启动电机启动发动机，从而造成48V混合动力系统无法正常工作，导致车辆亏电或车辆部件损坏的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流-直流转换器、混合动力系统、车辆及混合动力系统的控制方法，以解决由于混合动力系统中的高压电池在不正常的工况下无法接入到混合动力系统中，从而导致混合动力系统无法稳定运行的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种直流-直流变换器，用于根据车辆的系统控制器控制，在所述车辆的高压电池正常时进入正常模式或者在所述高压电池不正常时进入降额模式，所述直流-直流变换器包括：
诊断功能模块，用于在所述正常模式或者所述降额模式下，对所述高压电池所在的高压电气网络进行电压诊断，且当从所述正常模式进入到所述降额模式时，能将所述电压诊断的阈值适应性放宽；
功率限制模块，用于在所述正常模式或者所述降额模式下，对所述直流-直流变换器的输出功率进行限制，且当从所述正常模式进入到所述降额模式时，能适应性降低所述直流-直流变换器的输出功率限制条件；
闭环控制模块，用于在所述正常模式或者所述降额模式下，根据所述系统控制器下发的电压指令控制所述直流-直流变换器的输出电压，以为所述车辆的低压电池所在的低压电气网络供电，且当从所述正常模式进入到所述降额模式后，针对所述低压电气网络的负载变化，能降低对所述电压指令的响应速度，以使得所述低压电气网络的负载变化主要由所述低压电池承受。
可选的，所述功率限制模块还可以用于在从所述正常模式进入到所述降额模式时，对所述直流-直流变换器的输出电流进行控制。
可选的，所述诊断功能模块进行所述电压诊断时，在所述正常模式下，判定所述高压电气网络的正常工作电压范围为36V～52V，在所述降额模式下，判定所述高压电气网络的正常工作电压范围9V～58V。
可选的，所述高压电池不正常的工况可以包括所述高压电池的环境温度低于温度阈值的低温工况、所述高压电池出现故障无法正常工作的故障工况以及所述高压电池未接入所述高压电气网络的无动力电池接入工况中的至少一种。
基于如上所述的直流-直流变换器，本发明还提供了一种混合动力系统，包括系统控制器、高压电池、低压电池、发动机、发电机和如上所述的直流-直流变换器。
可选的，所述高压电池可以为48V电池，所述低压电池可以为12V电池，所述发电机的工作电压为48V。
基于如上所述的混合动力系统，本发明还提供了一种混合动力系统的控制方法，所述混合动力系统包括系统控制器、具有高压电池和直流-直流变换器的高压电气网络以及具有低压电池的低压电气网络，所述直流-直流变换器还连接所述低压电气网络，所述控制方法包括：
所述系统控制器判断所述高压电池是否正常；
若否，则所述混合动力系统正常工作，所述系统控制器控制所述直流-直流转换器工作在正常模式；
若是，则所述混合动力系统进入系统电压控制模式，所述系统控制器控制所述直流-直流转换器进入降额模式，在所述降额模式下，所述直流-直流转换器将用于对所述高压电气网络进行电压诊断的条件适应性放宽，并适应性降低输出功率，以及，针对所述低压电气网络的负载变化，降低对所述系统控制器的电压指令的响应速度，以调整用于给所述低压电气网络供电的输出电压，并使得所述低压电气网络的负载变化主要由所述低压电池承受。
可选的，所述混合动力系统还可以包括连接所述高压电池的发电机，所述系统控制器控制所述直流-直流转换器进入降额模式的步骤可以包括：
所述系统控制器控制所述直流-直流转换器对所述高压电气网络进行升压充电，直至所述高压电气网络的电压稳定；
所述系统控制器控制所述发电机的励磁电路开始工作且随后进入自由滑行模式，同时控制所述系统控制器控制所述直流-直流转换器进入降额模式，以为所述低压电气网络供电。
可选的，所述高压电池不正常的工况可以包括所述动力电池的环境温度低于温度阈值的低温工况、所述动力电池出现故障无法正常工作的故障工况以及所述动力电池未接入所述高压电气网络的无动力电池接入工况中的至少一种。
此外，本发明还提供了一种车辆，包括：如上所述的混合动力系统，或者，具有一种采用如上所述的混合动力系统的控制方法的混合动力系统。
与现有技术相比，本发明技术方案至少具有如下有益效果之一：
在本发明提供的直流-直流转换器中，其将现有的直流-直流转换器进行了改进，从而使其在车辆的混合动力系统工作在不同的工况下，启动不同的功能模块，进而保证无论所述混合动力系统中的高压电池是否处于正常工况，该混合动力系统均可以稳定的运行。
进一步的，当车辆的混合动力系统工作在降额模式下，可以通过控制本发明提供的改进的直流-直流转换器，针对低压电气网络的负载变化，能降低对所述电压指令的响应速度，以使得所述低压电气网络的负载变化主要由所述低压电池承受，即，避免了由于低压电气网络中的低压负载发生变化，如负载突增和突降时，对48V高压电气网络的电压造成的扰动冲击，从而保证了该混合动力系统可以稳定的运行，避免了由于低压负载的变化对48V高压电气网络的电压造成的扰动冲击，从而引起车辆部件损坏的问题。
附图说明
图1为本发明一实施例中的直流-直流变换器的结构示意图；
图2为本发明一实施例中的混合动力系统的结构示意图；
图3为图2对应的混合动力系统的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的半导体器件及其形成方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
诚如背景技术所述，目前，48V混合动力系统主要包括48V高压电池(动力电池)、48V启动电机、12V低压电池(辅助电池)和12V启动电机。其中，48V高压电池用于为48V启动电机供电，从而使48V启动电机启动发动机，然后，发动机通过皮带带动发电机给12V低压电池充电，从而使12V电压电池为12V的低压网络系统中的车载负载进行供电。
然而，现有技术中的48V高压电池均为单一的锂电池，出于成本控制的考虑，其容量多在8Ah到10Ah之间。但锂电池在低温下(-10～-35℃)的放电能力存在大幅度下降的情况，即在低温下(-10～-35℃)环境下，出于保护电池电芯的角度，电池的继电器开关无法闭合或者48V高压电池出现故障会强制断开其继电器开关，此时，由于发电机自身稳压控制效果不佳的特性，导致48V高压电网电压发生波动，如电压波动超过部件的过压/欠压范围，即便锂电池的电容量足够，其瞬时输出电流仍不足以支撑48V启动电机启动发动机，从而造成48V混合动力系统无法正常工作，导致车辆亏电或车辆部件损坏的问题。
对此，本发明研究人员发现现有技术中的12V低压电池一般为铅酸电池，其在上述低温下的输出电流足够支撑12V启动电机启动发动机，因而在现有的混合动力系统可以保留12V低压电池和12V电机，以支持低温冷启动的工况。但是，随着低压电气网络中的低压负载发生变化，如负载突增和突降时，会对48V电气网络的电压造成扰动冲击，从而导致该混合动力系统无法稳定的运行，严重时会造成车辆部件损坏的问题。
为此，本发明提供了一种改进的直流-直流变换器，以确保在混合动力系统中的高压电池无法正常工作时，在低压电池供电的情况下，所述混合东西系统可以稳定的运行。
参考图1，图1为本发明提供的一种直流-直流转换器的结构示意图。如图1所示，所述直流-直流转换器，用于根据车辆的系统控制器控制，在所述车辆的高压电池正常时进入正常模式或者在所述高压电池不正常时进入降额模式，所述直流-直流变换器包括：诊断功能模块10，功率限制模块20和闭环控制模块30；其中，
诊断功能模块10，用于在所述正常模式或者所述降额模式下，对所述高压电池所在的高压电气网络进行电压诊断，且当从所述正常模式进入到所述降额模式时，能将所述电压诊断的阈值适应性放宽。
其中，所述诊断功能模块10进行所述电压诊断时，在所述正常模式下，判定所述高压电气网络的正常工作电压范围可以为36V～52V，在所述降额模式下，判定所述高压电气网络的正常工作电压范围可以为9V～58V。
功率限制模块20，用于在所述正常模式或者所述降额模式下，对所述直流-直流变换器的输出功率进行限制，且当从所述正常模式进入到所述降额模式时，能适应性降低所述直流-直流变换器的输出功率限制条件。
闭环控制模块30，用于在所述正常模式或者所述降额模式下，根据所述系统控制器下发的电压指令控制所述直流-直流变换器的输出电压，以为所述车辆的低压电池所在的低压电气网络供电，且当从所述正常模式进入到所述降额模式后，针对所述低压电气网络的负载变化，能降低对所述电压指令的响应速度，以使得所述低压电气网络的负载变化主要由所述低压电池承受。
其中，所述高压电池不正常的工况可以包括所述高压电池的环境温度低于温度阈值的低温工况、所述高压电池出现故障无法正常工作的故障工况以及所述高压电池未接入所述高压电气网络的无动力电池接入工况中的至少一种。所述高压电池可以为48V电池，所述低压电池可以为12V电池。
在本实施例中，当混合动力系统中的系统控制器检测到该系统中的高压电气网络的高压电池出现故障无法为该混合动力系统正常供电时，系统控制器控制本发明提供的改进后的直流-直流转换器进入降额模式。在所述降额模式下，所述系统控制器控制所述低压电池通过所述直流-直流转换器对所述高压电气网络进行升压充电，直至所述高压电气网络的电压稳定；待所述高压电气网络的电压稳定之后，所述系统控制器控制所述发电机的励磁电路开始工作且随后进入自由滑行模式，同时控制所述系统控制器控制所述直流-直流转换器进入降额模式，以为所述低压电气网络供电。
具体的，当所述直流-直流转换器进入降额模式后，该直流-直流转换器接收所述系统控制器下发的12V电压指令，然而，通过控制闭环控制模块内部的PI控制器(比例调节器)产生占空比，然后，驱动所述直流-直流转换器的功率电路输出真实电压。所述真实电压跟随电压指令的快慢取决于PI控制器的设计，针对低压电气网络中连接的电压负载发生变化，调整所述闭环控制模块为响应更慢的PI控制器，使得当低压电气网络连接的电子负载发生的变化主要由低压电池承受而非所述48V的高压电气网络。
当车辆的混合动力系统工作在降额模式下，可以通过控制本发明提供的改进的直流-直流转换器，针对低压电气网络的负载变化，能降低对所述电压指令的响应速度，以使得所述低压电气网络的负载变化主要由所述低压电池承受，即，避免了由于低压电气网络中的低压负载发生变化，如负载突增和突降时，对48V高压电气网络的电压造成的扰动冲击，从而保证了该混合动力系统可以稳定的运行，避免了由于低压负载的变化对48V高压电气网络的电压造成的扰动冲击，从而引起车辆部件损坏的问题。
进一步的，所述功率限制模块20还可以用于在从所述正常模式进入到所述降额模式时，对所述直流-直流变换器的输出电流进行控制。
在本实施例中，为了更好地降低闭环控制模块中的PI控制器的抖动，同时在所述功率限制模块中添加了额外的电流限制单元，以在所述直流-直流变换器从正常模式进入到所述降额模式时，对所述直流-直流变换器的输出电流进行控制。
由于在本发明的实施例中，在所述功率限制模块20中添加了一个对所述直流-直流变换器的输出电流进行控制的电流限制单元，从而使所述直流-直流转换器的输出功率不仅要先对功率进行判断，还要对输出电流进行判断，从而增加了所述直流-直流转换器的响应时间，进而达到了稳压的作用。
可以理解的是，本发明提供的所述直流-直流转换器还可以包括信号处理模块(未图示)、通讯模块(未图示)和状态机模块(未图示)，以用于所述直流-直流转换器可以和所述混合动力系统的其他部件进行数据交互。
基于如上所述的直流-直流转换器，本发明还提供了一种混合动力系统，如图2所示，本发明提供的混合动力系统可以包括系统控制器1、高压电池2、低压电池3、发电机4、发动机6和如上所述的直流-直流变换器5。其中，所述发电机4还包括逆变器41，所述高压电池为48V电池，所述低压电池为12V电池，所述发电机的工作电压为48V。
并且，基于如上所述的混合动力系统，本发明还提供了一种混合动力系统的控制方法，其中，所述混合动力系统包括系统控制器、具有高压电池和直流-直流变换器的高压电气网络以及具有低压电池的低压电气网络，所述直流-直流变换器还连接所述低压电气网络。
参见图3，图3为本发明一实施例中混合动力系统的控制方法的流程示意图。如图3所示，所述混合动力系统的控制方法可以包括如下步骤：
步骤S100，所述系统控制器判断所述高压电池是否正常；
步骤S200，若是，则所述混合动力系统正常工作，所述系统控制器控制所述直流-直流转换器工作在正常模式；
步骤S300，若否，则所述混合动力系统进入系统电压控制模式，所述系统控制器控制所述直流-直流转换器进入降额模式，在所述降额模式下，所述直流-直流转换器将用于对所述高压电气网络进行电压诊断的条件适应性放宽，并适应性降低输出功率，以及，针对所述低压电气网络的负载变化，降低对所述系统控制器的电压指令的响应速度，以调整用于给所述低压电气网络供电的输出电压，并使得所述低压电气网络的负载变化主要由所述低压电池承受。
其中，所述高压电池不正常的工况可以包括所述动力电池的环境温度低于温度阈值的低温工况、所述动力电池出现故障无法正常工作的故障工况以及所述动力电池未接入所述高压电气网络的无动力电池接入工况中的至少一种。
可选的，在本发明实施例中还提供了一种所述系统控制器控制所述直流-直流转换器进入降额模式的具体实现方式，包括如下步骤：
首先，所述系统控制器控制所述直流-直流转换器对所述高压电气网络进行升压充电，直至所述高压电气网络的电压稳定。
其次，所述系统控制器控制所述发电机的励磁电路开始工作且随后进入自由滑行模式，同时控制所述系统控制器控制所述直流-直流转换器进入降额模式，以为所述低压电气网络供电。
在本实施例中，当车辆的混合动力系统工作在降额模式下，可以通过控制本发明提供的改进的直流-直流转换器，针对低压电气网络的负载变化，能降低对所述电压指令的响应速度，以使得所述低压电气网络的负载变化主要由所述低压电池承受，即，避免了由于低压电气网络中的低压负载发生变化，如负载突增和突降时，对48V高压电气网络的电压造成的扰动冲击，从而保证了该混合动力系统可以稳定的运行，避免了由于低压负载的变化对48V高压电气网络的电压造成的扰动冲击，从而引起车辆部件损坏的问题。
此外，基于如上所述的混合动力系统以及混合动力系统的控制方法，本发明还提供了一种车辆，该车辆可以包括：如上所述的混合动力系统，或者，所述混合动力系统的控制方法。
综上所述，在本发明提供的直流-直流转换器中，其将现有的直流-直流转换器进行了改进，从而使其在车辆的混合动力系统工作在不同的工况下，启动不同的功能模块，进而保证无论所述混合动力系统中的高压电池是否处于正常工况，该混合动力系统均可以稳定的运行。
进一步的，当车辆的混合动力系统工作在降额模式下，可以通过控制本发明提供的改进的直流-直流转换器，针对低压电气网络的负载变化，能降低对所述电压指令的响应速度，以使得所述低压电气网络的负载变化主要由所述低压电池承受，即，避免了由于低压电气网络中的低压负载发生变化，如负载突增和突降时，对48V高压电气网络的电压造成的扰动冲击，从而保证了该混合动力系统可以稳定的运行，避免了由于低压负载的变化对48V高压电气网络的电压造成的扰动冲击，从而引起车辆部件损坏的问题。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、电子设备以及计算机可读存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种直流-直流变换器，其特征在于，用于根据车辆的系统控制器控制，在所述车辆的高压电池正常时进入正常模式或者在所述高压电池不正常时进入降额模式，所述直流-直流变换器包括：
诊断功能模块，用于在所述正常模式或者所述降额模式下，对所述高压电池所在的高压电气网络进行电压诊断，且当从所述正常模式进入到所述降额模式时，能将所述电压诊断的阈值适应性放宽；
功率限制模块，用于在所述正常模式或者所述降额模式下，对所述直流-直流变换器的输出功率进行限制，且当从所述正常模式进入到所述降额模式时，能适应性降低所述直流-直流变换器的输出功率限制条件；
闭环控制模块，用于在所述正常模式或者所述降额模式下，根据所述系统控制器下发的电压指令控制所述直流-直流变换器的输出电压，以为所述车辆的低压电池所在的低压电气网络供电，且当从所述正常模式进入到所述降额模式后，针对所述低压电气网络的负载变化，能降低对所述电压指令的响应速度，以使得所述低压电气网络的负载变化主要由所述低压电池承受。
2.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述功率限制模块还用于在从所述正常模式进入到所述降额模式时，对所述直流-直流变换器的输出电流进行控制。
3.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述诊断功能模块进行所述电压诊断时，在所述正常模式下，判定所述高压电气网络的正常工作电压范围为36V~52V，在所述降额模式下，判定所述高压电气网络的正常工作电压范围为9V~58V。
4.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述高压电池不正常的工况包括所述高压电池的环境温度低于温度阈值的低温工况、所述高压电池出现故障无法正常工作的故障工况以及所述高压电池未接入所述高压电气网络的无动力电池接入工况中的至少一种。
5.一种混合动力系统，其特征在于，包括系统控制器、高压电池、低压电池、发动机、发电机和如权利要求1至4中任一项所述的直流-直流变换器。
6.如权利要求5所述的混合动力系统，其特征在于，所述高压电池为48V电池，所述低压电池为12V电池，所述发电机的工作电压为48V。
7.一种混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述混合动力系统包括系统控制器、具有高压电池和直流-直流变换器的高压电气网络以及具有低压电池的低压电气网络，所述直流-直流变换器还连接所述低压电气网络，所述控制方法包括：
所述系统控制器判断所述高压电池是否正常；
若是，则所述混合动力系统正常工作，所述系统控制器控制所述直流-直流转换器工作在正常模式；
若否，则所述混合动力系统进入系统电压控制模式，所述系统控制器控制所述直流-直流转换器进入降额模式，在所述降额模式下，所述直流-直流转换器将用于对所述高压电气网络进行电压诊断的条件适应性放宽，并适应性降低输出功率，以及，针对所述低压电气网络的负载变化，降低对所述系统控制器的电压指令的响应速度，以调整用于给所述低压电气网络供电的输出电压，并使得所述低压电气网络的负载变化主要由所述低压电池承受。
8.如权利要求7所述的混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述混合动力系统还包括连接所述高压电池的发电机，所述系统控制器控制所述直流-直流转换器进入降额模式的步骤包括：
所述系统控制器控制所述直流-直流转换器对所述高压电气网络进行升压充电，直至所述高压电气网络的电压稳定；
所述系统控制器控制所述发电机的励磁电路开始工作且随后进入自由滑行模式，同时控制所述系统控制器控制所述直流-直流转换器进入降额模式，以为所述低压电气网络供电。
9.如权利要求7所述的混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述高压电池不正常的工况包括动力电池的环境温度低于温度阈值的低温工况、动力电池出现故障无法正常工作的故障工况以及动力电池未接入所述高压电气网络的无动力电池接入工况中的至少一种。
10.一种车辆，其特征在于，包括：如权利要求5或6所述的混合动力系统，或者，具有一种采用权利要求7至9中任一项所述的混合动力系统的控制方法的混合动力系统。
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