CN115882713A - 用于控制功率因数校正以抑制过电流的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
提出了用于控制功率因数校正以抑制过电流的设备和方法。本发明提供了一种实施方式控制装置,包括:电压控制器,配置为基于功率因数校正PFC的输出电压和输出电压命令值来输出PFC的输入电流命令值;电流控制器,配置为通过基于输入电流命令值确定PFC的开关占空比来控制PFC的输入电流;以及电流命令上限生成器,配置为基于PFC的输入电流极限值和输入电流命令偏移值来输出PFC的输入电流命令上限值,其中,输入电流命令上限值具有交流AC分量。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制功率因数校正的设备和方法。
背景技术
通常,插电式混合动力汽车和电动汽车(一种环保型汽车)具有单独的车载充电器(OBC),配置为将外部电源(例如,家用AC电源)转换为可充电的DC电源,从而生成高压电池充电电流,使电池从外部AC电源(家用AC电源)通过OBC积累行驶所需的电能,从而驱动环保车辆。
环保车辆的OBC包括用于控制输入电流的功率因数的功率因数校正(PFC)和用于控制输出电压的上/下转换的DC-DC高电压转换器。
用于控制PFC的PFC控制器分为用于控制DC链路电压(Vlink)的电压控制器,其对应于PFC输出端,以及用于控制输入到PFC的输入电流(Iin)的电流控制器。PFC控制存在以满足功率因数(PF)和总谐波失真(THD)规定。
PFC的电压控制器输出PFC的输出端电流的均方根(RMS)命令。具体地,如果电压控制器的输出值乘以通过输入电源的输入电压除以峰值获取的信号,则获取了PFC输入端电流命令(Iin*,具有与输入电压相同的相位和形状)。PFC电流控制器通过生成占空比来控制PFC,从而使PFC输入端电流(Iin)通过比例积分(PI)控制变得与电流命令(Iin*)相同。
同时,如果施加到OBC上的输入电压突然下降(或者其它类型的不利情况出现),过电流会立即出现在OBC中。存在的问题是,如果这种输入过电流出现,电动车辆供电设备(EVSE)会自动关闭并且造成充电延迟的情况,从而给用户带来不便。
关于背景技术的以上描述仅用于帮助理解本发明的背景,并且本领域的技术人员不应认为与已知的现有技术相对应。
发明内容
本发明涉及一种用于控制功率因数校正(PFC)的设备和方法。特别的实施方式涉及一种用于PFC控制的设备和方法,能够防止电动汽车充电设施由于向环保车辆的PFC施加过电流而关闭。
本发明的实施方式提供一种用于PFC控制的设备和方法,其中,PFC的输入电流命令的上限值配置为具有AC分量,而不是固定的常数,以最小化输入电流命令和输入电流命令的上限值之间的差值,从而防止EVSE由于抑制输入电流命令和输入电流命令的上限值之间的过大的差值造成的过电流的出现而关闭,为用户提供便利。上述技术方面不是限制性的,并且其它技术方面可以从以下描述中得出。
根据本发明的实施方式的PFC控制装置包括:电压控制器,配置为基于PFC的输出电压和输出电压命令值输出PFC的输入电流命令值;电流控制器,配置为通过基于输入电流命令值确定PFC的开关占空比来控制PFC的输入电流;以及电流命令上限生成器,配置为基于PFC的输入电流极限值和输入电流命令偏移值来输出PFC的输入电流命令上限值,其中,输入电流命令上限值具有AC分量。
输入电流命令上限值可以具有与输入电流命令值相同的AC分量。
输入电流命令偏移值可以是基于相位分量(theta)值计算的,用于与从外部AC电源施加到PFC上的电源电流同步。
相位分量可以是通过锁相环(PLL)从外部AC电源计算的值。
输入电流命令偏移值(IPFC_d_Ref_Offset)可以是IPFC_d_Ref_Offset=α*sin(2theta)+β,其中,可以满足α=k*ΔVlink,并且(Vlink:输出电压,fac:外部AC电压频率,并且Po:输出功率)。
输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)可以满足(Iac_Lmt_Algo:内部输入电流极限值,Iac_Lmt_VCMS:外部输入电流极限值,并且IPFC_d_Ref_Offset:输入电流命令偏移值)。
输入电流命令值可以是输入电流d轴命令值,输入电流命令上限值可以是输入电流d轴命令上限值,并且输入电流命令偏移值可以是输入电流d轴命令偏移值。
PFC的输出电压可以是PFC和高电压转换器之间的DC链路端电压。
电压控制器可以执行PI控制,从而使PFC的输出电压跟随输出电压命令值。
PFC的输入电流极限值可以配置为关于PFC预定的内部输入电流极限值和由另一控制器确定的外部输入电流极限值中的较小值。
输入电流命令值可以基于通过执行输出电压和输出电压命令值的PI控制获取的值和输入电流命令上限值确定。
根据本发明的另一实施方式的PFC控制方法包括:基于PFC的输入电流极限值和输入电流命令偏移值计算PFC的输入电流命令上限值,基于PFC的输出电压、输出电压命令值和计算的输入电流命令上限值计算PFC的输入电流命令值,以及通过使用输入电流命令值控制PFC,其中,输入电流命令上限值具有AC分量。
输入电流命令上限值可以具有与输入电流命令值相同的AC分量。
输入电流命令偏移值可以是基于相位分量(theta)值计算的,用于与从外部AC电源施加到PFC上的电源电流同步。
相位分量可以是通过锁相环(PLL)从外部AC电源计算的值。
PFC的输入电流命令的上限值可以配置为具有AC分量,而不是固定的常数,以最小化输入电流命令和输入电流命令的上限值之间的差值,从而防止EVSE由于抑制输入电流命令和输入电流命令的上限值之间过大的差值造成的过电流的出现而关闭,给用户提供便利。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述,本发明的实施方式的上述和其它方面、特征和优点将更加显而易见,其中:
图1是用于帮助理解本发明的环保车辆的充电系统的概念图;
图2A示出常规的PFC控制装置;
图2B示出根据常规的PFC控制装置的作为PFC的输出电压的链路电压、基于链路电压计算的输入电流命令值和输入电流命令上限值;
图3A示出根据本发明的实施方式的PFC控制装置;
图3B示出根据本发明的实施方式的作为PFC的输出电压的链路电压、基于链路电压计算的输入电流命令值和输入电流命令上限值;
图4是示出根据本发明的实施方式的PFC控制方法的流程图;
图5A示出根据常规的PFC控制方法的输入电流值;并且
图5B示出根据本发明的实施方式的PFC控制方法的输入电流值。
具体实施方式
在下文中,将参照附图详细描述本发明的实施方式。
本发明涉及一种PFC控制装置和方法,其中,PFC的输入电流命令上限值计算为具有交流(AC)分量的值,并且使用相同的值控制PFC,以抑制PFC中出现过电流。以下,可以分别简称为“PFC控制装置”和“PFC控制方法”。
图1是用于帮助理解本发明的环保车辆的充电系统的概念图。
参照图1,外部AC电源110连接到车辆,并且外部AC电源连接到车辆的OBC 120。OBC120包括PFC 130和高电压转换器140,并且高电压电池150是通过高电压转换器140充电/放电的。
PFC控制装置160是用于控制PFC 130的装置,并且配置为包括电压控制器170、电流控制器180和电流命令上限生成器190。
电压控制器170通过使用PFC输出电压和PFC输出电压命令值控制PFC输出端电压。电流控制器180通过使用电压控制器170的输出得出PFC输入电流命令值并且使用PFC输入电流命令值和PFC输入电流值得出PFC占空比来控制PFC输入端电流。电流命令上限生成器190得出用于限制输入电流命令值的上限的输入电流命令上限值。
更具体地,电压控制器170可以接收通过使用传感器等检测PFC 130的输出电压(Vlink_Inst)获取的输出电压感测值和对应于由PFC 130输出的电压的输出电压命令值(Vlink_Ref),并且可以生成用于通过使用一般控制器(例如,比例积分(PI)或比例积分微分(PID)控制器)最小化输出电压感测值和输出电压命令值之间的误差的输入电流命令值(IPFC_d_Ref)。
电流控制器180可以接收从电压控制器170提供的输入电流命令值(IpFC_d_Ref)和通过传感器等在PFC 130的输入端检测的输入电流感测值(IpFC_d_Inst),并且可以确定用于通过使用常规控制器(例如,比例积分(PI)或比例积分微分(PID)控制器)最小化输入电流感测值和输入电流命令值之间的误差的PFC 130中的开关元件的占空比。
图2A示出常规的PFC控制装置160。更具体地,图2A示出常规PFC控制装置160的电压控制器170和电流命令上限生成器190的操作。
参照图2A,常规PFC控制装置160的电流命令上限生成器190通过使用关于PFC预定的内部输入电流极限值(Iac_Lmt_Algo)和由另一控制器(例如,充电管理系统控制器等)确定的外部输入电流极限值(Iac_Lmt_VCMS)中的较小值和输入电流命令偏移值(IPFC_d_Ref_Offset)得出输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)。
常规PFC控制装置160的电压控制器170接收输出链路电压命令值(Vlink_Ref)和输出链路电压感测值(Vlink_Inst)以执行其PI控制,并且之后,通过反映从电流命令上限生成器190得出的输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)来得出输入电流命令值(IPFC_d_Ref)。
因此,输入电流命令值(IPFC_d_Ref)具有AC分量,并且输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)具有预定的固定值。
图2B示出作为PFC的输出电压的链路电压、基于链路电压计算的输入电流命令值(IPFC_d_Ref)和输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)。
参照图2B,与输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)具有固定值的情况不同,因为输入电流命令值(IPFC_d_Ref)具有AC分量,所以输入电流命令值(IPFC_d_Ref)的最低点和输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)两者之间具有过大的差值,并且过大的差值增大过电流出现的可能性。
图3A示出根据本发明的实施方式的PFC控制装置。更具体地,图3A示出根据本发明的实施方式的PFC控制装置160的电压控制器170和电流命令上限生成器190的操作。
参照图3A,根据本发明的实施方式的PFC控制装置160的电流命令上限生成器190基于为PFC 130配置的输入电流极限值和输入电流命令偏移值(IPFC_d_Ref_Offset)计算PFC130的输入电流命令上限值。
在本发明的实施方式中,输入电流极限值可以是关于PFC预定的内部输入电流极限值(Iac_Lmt_Algo)和由另一控制器(例如,充电管理系统控制器等)确定的外部输入电流极限值(Iac_Lmt_VCMS)中的较小值。
根据本发明的实施方式,计算输入电流命令偏移值(IPFC_d_Ref_Offset)以具有AC分量。
在本发明的实施方式中,输入电流命令偏移值(IPFC_d_Ref_Offset)可以基于相位分量(theta)来计算,用于与从外部AC电源施加到PFC上的电源电流同步。
在本发明的实施方式中,相位分量(theta)可以是通过锁相环(PLL)从外部AC电源计算的值。像这样,可以使用PLL控制器的相位分量值计算输入电流命令上限值,并且使用计算的输入电流命令上限值计算输入电流命令。因此,当AC系统电源频率在车辆充电期间改变时,改变可以反映在电压控制器的输出中,即,输入电流命令,并且因此,可以快速管理充电期间出现的不利情况以实现稳定充电。
首先,电流命令上限生成器190检测通过PLL从外部AC电源110得出的相位分量(theta)。通过在检测的相位上施加正弦函数来计算用于形成正弦波的值。计算的正弦波值乘以允许由正弦波值形成的正弦波具有与输入电流命令相同的AC分量形状的阿尔法值(∝)。
此处,阿尔法值满足等式α=k*ΔVlink,并且(Vlink:链路电压,Jac:外部AC电压频率,并且Po:输出功率)。等式基于输入电流命令的120Hz波纹与输出链路电压的120Hz波纹成比例来获得,并且通过将施加正弦函数获得的相位分量(theta)值乘以ΔVlink,可以形成具有与输入电流命令相同的AC分量形状的波形。
根据本发明的实施方式计算的输入电流命令偏移值(IPFC_d_Ref_Offset)具有与输入电流命令相同的AC分量形状。从其计算的输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)可以具有与输入电流命令相同的AC分量形状,并且计算的输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)可以表示为等式
根据本发明的实施方式的PFC控制装置160的电压控制器170接收输出链路电压命令值(Vlink_Ref)和输出链路电压感测值(Vlink_Inst),并且执行用于最小化误差的控制技术,并且之后,反映从电流命令上限生成器190得出的输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)以得出输入电流命令值(IPFC_d_Ref)。
此处,用于最小化误差的控制技术可以是本领域已知的控制技术,例如,比例控制,其中,输出链路电压感测值(Vlink_Inst)和输出链路电压命令值(Vlink_Ref)之间的误差乘以比例常数;积分控制,用于积分输出链路电压感测值(Vlink_Inst)和输出链路电压命令值(Vlink_Ref)之间的误差;以及微分控制,用于微分输出链路电压感测值(Vlink_Inst)和输出链路电压命令值(Vlink_Ref)之间的误差。图3A示出比例积分(PI)控制作为示例。
在本发明的实施方式中,输入电流命令值是输入电流d轴命令值,输入电流命令上限值是输入电流d轴命令上限值,并且输入电流命令偏移值是输入电流d轴命令偏移值。
图3B示出根据本发明的实施方式的作为使用PFC控制装置160的PFC的输出电压的链路电压,基于链路电压计算输入电流命令值(IPFC_d_Ref)和输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)。
参照图3B,输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)具有与具有AC分量的输入电流命令值(IPFC_d_Ref)相同的AC分量形状,并且因此,整段输入电流命令值(IPFC_d_Ref)差值不大。像这样,通过使用输入电流命令值(IPFC_d_Ref)和具有与输入电流命令值(IPFC_d_Ref)相同的AC分量形状的输入电流命令上限值(IPFC_d_Ref_Max)来控制PFC 130,可以减小由于输入电流命令和输入电流命令上限之间的差值造成的过电流出现的可能性。
图4是示出根据本发明的实施方式的PFC控制方法的流程图。
根据本发明的实施方式的PFC控制方法可以由安装在车辆上的单个或多个控制器执行。或者,根据本发明的实施方式的PFC控制方法可以由单个控制器,即,一个集成的控制器来执行,并且在以下描述中,控制器可以是统称多个控制器的术语或者可以称为用于执行功能的单个集成控制器。
参照图4,根据本发明的实施方式的PFC控制方法通过PFC输入电流命令上限计算410、PFC输入电流命令计算420和PFC控制430的操作来执行。
在操作410中,控制器计算输入电流命令上限值,用于限制表示需要施加到PFC的输入端上的电流值的输入电流命令值的上限。
在本发明的实施方式中,控制器可以通过使用输入电流命令偏移值和用于限制输入到PFC的电流的输入电流极限值来得出输入电流命令上限值。此处,输入电流极限值可以是关于PFC预定的内部输入电流极限值和由另一控制器(例如,充电管理系统控制器等)确定的外部输入电流极限值中的较小值。
根据本发明的实施方式的输入电流命令偏移值具有AC分量。输入电流命令偏移值可以基于相位分量(theta)计算,用于与从外部AC电源施加到PFC上的电源电流同步,并且相位分量(theta)可以是通过PLL从外部AC电源计算的值。
在本发明的实施方式中,具有AC分量的输入电流命令偏移值可以通过检测从外部AC电源得出的相位分量(theta),计算通过将正弦函数施加到检测的相位分量上形成正弦波的值,并且之后,将正弦波值乘以阿尔法值来获得,这使由正弦波值形成的正弦波具有与输入电流命令相同的AC分量形状。阿尔法值是允许输入电流命令偏移值具有与输入电流命令相同的AC分量形状的值,并且具有与作为PFC的输出电压的链路电压(Vlink)的波纹值成比例的值。
像这样,控制器通过使用用于限制输入到PFC的电流的输入电流极限值和具有与输入电流命令相同的AC分量形状的输入电流命令偏移值来计算输入电流命令上限值,并且因此,允许使用输入电流命令偏移值计算的输入电流命令上限值具有与输入电流命令相同的AC分量形状。
在操作420中,控制器计算PFC输入电流命令。
在本发明的实施方式中,控制器接收PFC的输出端的输出电压和需要输出的电压(即,输出电压命令),执行控制以最小化误差,并且之后,通过使用操作410中计算的输入电流命令极限值来计算输入电流命令。
此处,用于最小化误差的控制技术可以是本领域已知的控制技术,例如,比例控制,其中,输出链路电压感测值和输出链路电压命令值之间的误差乘以比例常数;积分控制,用于积分输出链路电压感测值和输出链路电压命令值之间的误差;以及微分控制,用于微分输出链路电压感测值和输出链路电压命令值之间的误差。
在操作430中,控制器通过使用在操作420中计算的输入电流命令值控制PFC。更具体地,控制器通过使用计算的输入电流命令值和实际感测的输入电流值得出PFC占空比,生成具有得出的PFC占空比值的脉冲宽度调制(PWM)信号,并且将生成的PWM信号传输到PFC的开关元件以控制开关元件的操作。像这样,可以通过使用确定的开关占空比值控制PFC来控制PFC输入端电流。
图5A示出当PFC控制根据常规的PFC控制方法执行时的输入电流,并且图5B示出当PFC控制由根据本发明的实施方式的PFC控制方法执行时的输入电流。在图5A和图5B中,由实线指示的电流是现有输入电流(50A/div),并且由虚线指示的电流是新输入和测量的电流(50A/div)。
参照图5A,在通过常规PFC控制方法执行PFC控制的情况下,当PFC输入电压急剧下降(从240Vrms下降到132Vrms)时,输入电流从67A突然增大到85A。当过电流流过上述的PFC时,EVSE强制关闭并且充电停止,并且因此,给驾驶员带来不便。
参照图5B,当PFC控制通过根据本发明的实施方式的PFC控制方法执行时,即使PFC的输入电压急剧下降这种不利情况出现,输入电流从67A增大到73.5A,并且因此,具有比现有技术的电流小11.5A的电流增大。因此,可以减小EVSE关闭的可能性。根据本发明的实施方式的PFC控制方法,可以通过使用PLL控制器的相位分量计算输入电流命令上限值,并且通过使用计算的输入电流命令上限值计算输入电流命令。因此,当AC系统电源频率在车辆充电期间变化时,变化可以立即反映在电压控制器的输出,即,输入电流命令中,并且因此,可以快速管理充电期间出现的不利情况以实现稳定充电。
根据本发明的实施方式的PFC控制方法,PFC的输入电流命令的上限配置为具有AC分量的值,而不是固定的预定值,因此,最小化输入电流命令和输入电流命令上限值之间的差值。因此,可以防止EVSE通过抑制由于输入电流命令和输入电流命令上限值之间的过大的差值造成的过电流的出现而关闭,从而为用户提供便利。
到目前为止,已经描述了本发明的优选实施方式。本领域的技术人员可以理解的是,本发明可以在不脱离本发明的关键特征的情况下以修改的形式实现。因此,实施方式应该被认为是描述性的而不是为了限制的目的。本发明的范围由所附权利要求而非前述描述来限定,并且在范围内的所有差异将被解释为包括在本发明中。
Claims (20)
1.一种控制装置,包括:
电压控制器,配置为基于功率因数校正PFC的输出电压和输出电压命令值来输出所述PFC的输入电流命令值;
电流控制器,配置为通过基于所述输入电流命令值确定所述PFC的开关占空比来控制所述PFC的输入电流;以及
电流命令上限生成器,配置为基于所述PFC的输入电流极限值和输入电流命令偏移值来输出所述PFC的输入电流命令上限值,其中,所述输入电流命令上限值具有交流AC分量。
2.根据权利要求1所述的控制装置,其中,所述输入电流命令值具有与所述输入电流命令上限值相同的AC分量。
3.根据权利要求1所述的控制装置,其中,所述输入电流命令偏移值是基于相位分量theta值计算的,用于与从外部AC电源施加到所述PFC的电源电流同步。
4.根据权利要求3所述的控制装置,其中,所述相位分量theta值是使用锁相环从所述外部AC电源计算的值。
7.根据权利要求1所述的控制装置,其中:
所述输入电流命令值是输入电流d轴命令值;
所述输入电流命令上限值是输入电流d轴命令上限值;并且
所述输入电流命令偏移值是输入电流d轴命令偏移值。
8.根据权利要求1所述的控制装置,其中,所述PFC的输出电压是所述PFC和高压转换器之间的直流链路端电压。
9.根据权利要求1所述的控制装置,其中,所述电压控制器配置为执行比例积分控制,从而使所述PFC的输出电压跟随所述输出电压命令值。
10.根据权利要求1所述的控制装置,其中,所述PFC的输入电流极限值配置为关于所述PFC预定的内部输入电流极限值和由另一控制器确定的外部输入电流极限值中的较小值。
11.根据权利要求1所述的控制装置,其中,所述输入电流命令值基于通过执行所述输出电压和所述输出电压命令值的比例积分控制获取的值和所述输入电流命令上限值来确定。
12.一种控制方法,包括:
基于功率因数校正PFC的输入电流极限值和输入电流命令偏移值计算所述PFC的输入电流命令上限值,其中,所述输入电流命令上限值具有AC分量;
基于所述PFC的输出电压、输出电压命令值和所述输入电流命令上限值来计算所述PFC的输入电流命令值;以及
通过使用所述输入电流命令值控制所述PFC。
13.根据权利要求12所述的方法,其中,所述输入电流命令值具有与所述输入电流命令上限值相同的AC分量。
14.根据权利要求12所述的方法,其中,所述输入电流命令偏移值是基于相位分量theta值计算的,用于与从外部AC电源施加到所述PFC的电源电流同步。
15.根据权利要求14所述的方法,其中,所述相位分量theta值是使用锁相环从所述外部AC电源计算的值。
18.根据权利要求12所述的控制方法,其中:
所述输入电流命令值是输入电流d轴命令值;
所述输入电流命令上限值是输入电流d轴命令上限值;并且
所述输入电流命令偏移值是输入电流d轴命令偏移值。
19.根据权利要求12所述的控制方法,其中,所述PFC的输入电流极限值配置为关于所述PFC预定的内部输入电流极限值和由另一控制器确定的外部输入电流极限值中的较小值。
20.根据权利要求12所述的控制方法,其中,所述输入电流命令值基于通过执行所述输出电压和所述输出电压命令值的比例积分控制获取的值和所述输入电流命令上限值来确定。
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