专利名称：用于电压转换设备的控制设备和控制方法
技术领域：
本发明涉及用于电压转换设备的控制设备和控制方法，特别涉及用于电压转换设备的、这样的控制设备和控制方法其能够通过调节将被供到开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比。
背景技术：
作为具有电压转换设备的传统驱动系统，设计出一种系统，该系统包含例如，作为驱动系统的电源的电池；对来自电池的输入电压进行DC/DC转换的DC/DC转换器；负载，其包含将来自DC/DC转换器的输出转换为多相AC电力的变换器电路以及在接收来自变换器电路的多相AC电力时用于旋转驱动的电机；电容器，其被布置在DC/DC转换器与负载之间，并被连接到变换器电路的正负母线汇流排(线)(例如，日本专利公开No.2004-112904)。
在这种系统中，来自电池的输入电压受到DC/DC转换器的DC/DC转换，并在此后被存储在电容器中，因此，负载使用电力存储电容器受到驱动，该电容器于是被视为DC电源。另外，DC/DC转换器的电压转换比可通过调节开关控制信号的占空比得到控制，该信号被输出到DC/DC转换器中的开关元件。
另外，国际公布No.03/61104公开了电压转换设备的一种控制设备。
出于下面介绍的原因，这样的系统需要通过限制开关控制信号占空比来进行控制以限制DC/DC转换器的电压转换比。通常，典型的电池被设置为能够供给与负载所需电力对应的量的电力。然而，取决于电池的状况，电池可能不能输出与负载所需电力对应的量的电力，例如，当电池的内阻由于温度下降而增大时。
在这种情况下，如果对DC/DC转换器简单地进行控制以便对之进行驱动、使得与负载所需电力对应的量的电力被馈送到负载，可能由于电池内阻而消耗增加的电力量，因此，仅有减少的量的电力能被供到负载。为了抑制被供到负载的电力的下降，开关控制信号的占空比需要限制。
根据国际公布No.03/61104，基于电池的电动电压(其被设置为常数)和DC/DC转换器的输出电压，电压转换设备的控制设备将产生最大电池电力的占空比设置为最优占空范围(dury range)的下限，并且，将被供到开关元件的开关控制信号的占空比受到限制以便保持在最优占空范围内。也就是说，电压转换设备的相关控制设备限制占空比，以便由此抑制供到负载的电力的下降。
然而，在这一相关技术中，由于电池的电动电压被设置为常数，当电动电压由于电池充电状态(SOC)的变化而变化时，由于电池充电状态(SOC)的变化，最优占空范围的下限也不受欢迎地发生变化。这使得难以进行最优控制以限制DC/DC转换器的电压转换比。
本发明能有利地提供电压转换设备的一种控制设备和控制方法，其能够进行更为适宜的控制、以便对电压转换设备的电压转换比进行限制。
发明内容
根据本发明的一个实施形态，提供了一种用在电压转换设备中的控制设备，通过开关元件的开关操作，该电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，该控制设备能够通过调节将被供到开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，该控制设备包含可接受范围设置单元，其用于基于相对于占空比的蓄电池功率特性设置开关控制信号占空比的可接受范围；占空比限制单元，其用于限制开关控制信号的占空比，使得占空比落在可接受范围内，以及充电状态获取单元，其用于获取关于蓄电池充电状态的信息，
其中可接受范围设置单元相对于蓄电池充电状态的变化改变可接受范围。
根据本发明的另一实施形态，提供了一种用在电压转换设备之中的控制设备，通过开关元件的开关操作，该电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，该控制设备能够通过调节将被供到开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，该控制设备包含可接受范围设置单元，其用于设置开关信号占空比的可接受范围，使得蓄电池的电流落在预定范围内；占空比限制单元，其用于限制开关控制信号的占空比，使得占空比落在可接受范围内；以及充电状态获取单元，其用于获取关于蓄电池充电状态的信息，其中可接受范围设置单元相对于蓄电池充电状态的变化改变可接受范围。
根据本发明的又一实施形态，提供了一种用在电压转换设备之中的控制设备，通过开关元件的开关操作，该电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，该控制设备能够通过调节将被供到开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，该控制设备包含电流检测单元，其用于检测蓄电池的电流；可接受范围设置单元，其用于基于蓄电池电流的功率特性设置蓄电池电流的可接受范围；占空比限制单元，其用于限制开关控制信号的占空比，以便使蓄电池的电流落在可接受范围内；以及充电状态获取单元，其用于获取关于蓄电池充电状态的信息，其中可接受范围设置单元相对于蓄电池充电状态的变化改变可接受范围。
根据本发明的再一实施形态，提供了一种用在电压转换设备之中的控制设备，通过开关元件的开关操作，该电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，该控制设备能够通过调节将被供到开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，该控制设备包含电压检测单元，其用于检测蓄电池的电压；占空比限制单元，其用于限制开关控制信号的占空比，以便使蓄电池的电压落在可接受范围内；充电状态获取单元，其用于获取关于蓄电池充电状态的信息；以及可接受范围设置单元，其用于相对于蓄电池充电状态的变化改变可接受范围。
根据本发明的再一实施形态，提供了一种由电压转换设备使用的控制方法，通过开关元件的开关操作，该电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，该控制方法能够通过调节将被供到开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，该控制方法包含获取关于蓄电池充电状态的信息；基于相对于开关控制信号占空比的蓄电池功率特性设置开关控制信号占空比的可接受范围，同时，相对于蓄电池充电状态的变化改变开关控制信号占空比的可接受范围；以及限制开关控制信号的占空比，使得占空比落在可接受范围内。
根据本发明的再一实施形态，提供了一种由电压转换设备使用的控制方法，通过开关元件的开关操作，该电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，该控制方法能够通过调节将被供到开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，该控制方法包含获取关于蓄电池的充电状态的信息；设置开关控制信号占空比的可接受范围，使得蓄电池的电流落在预定的设置范围内，同时，相对于蓄电池充电状态的变化改变开关控制信号占空比的可接受范围；以及限制开关控制信号占空比，使得占空比落在可接受范围内。
根据本发明的再一实施形态，提供了一种由电压转换设备使用的控制方法，通过开关元件的开关操作，该电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，该控制方法能够通过调节将被供到开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，该控制方法包含检测蓄电池的电流；获取关于蓄电池充电状态的信息；基于相对于蓄电池电流的功率特性设置蓄电池电流的可接受范围，同时，相对于蓄电池充电状态的变化，改变蓄电池电流的可接受范围；以及限制开关控制信号的占空比，使得蓄电池的电流落在可接受范围内。
根据本发明的再一实施形态，提供了一种由电压转换设备使用的控制方法，通过开关元件的开关操作，该电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，该控制方法能够通过调节将被供到开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，该控制方法包含检测蓄电池的电压；获取关于蓄电池充电状态的信息；相对于蓄电池充电状态的变化改变蓄电池电压的可接受范围；以及限制开关控制信号的占空比，使得蓄电池的电压落在可接受范围内。
根据本发明，通过限制将被供到开关元件的开关控制信号的占空比，可以更加适宜地进行对电压转换设备的电压转换比进行限制的控制。
图1为一原理图，其示出了本发明一实施例中的驱动系统20的结构；图2示出了电池22的电动电压Vbo与SOC之间的相互关系；图3示出了驱动系统20的一个实例；图4为一框图，其示出了电子控制单元40的结构；
图5示出了电池22的温度Tb与内阻Rb之间的相互关系；图6为一典型DC/DC转换器驱动控制程序的流程图，该程序由本实施例中的驱动系统20的电子控制单元40执行；图7示出了电池22的功率特性的一个实例；图8示出了根据SOC的电池22功率特性变化；图9示出了根据内阻Rb的电池22功率特性变化；图10为一框图，其示出了电子控制单元40的另一结构；图11为一典型DC/DC转换器驱动控制程序的流程图，该程序由修改的实施例中的驱动系统的电子控制单元40执行；图12示出了电池22的功率特性的一个实例；图13示出了根据SOC的电池22功率特性变化；图14为一框图，其示出了电子控制单元40的另一结构；以及图15为一典型DC/DC转换器驱动控制程序的流程图，该程序由修改的实施例中的驱动系统的电子控制单元40执行。
具体实施例方式
下面将介绍本发明的优选实施例。
图1为一原理图，其示出了本发明一实施例中的驱动系统20的结构，该系统具有用于电压转换设备的控制设备。如图所示，该实施例中的驱动系统20包含电池22，其作为可充电且可放电的蓄电池运行；DC/DC转换器24，其作为用于在来自电池22的输入电压上进行DC/DC转换并输出转换结果的电压转换设备运行；电容器26，其能够存储输出自DC/DC转换器24的电力；负载28，其能够使用存储在电容器26中的电力被驱动；电子控制单元40，其用于控制整个设备。
例如，电池22可以用铅或锂(Li)离子二次电池的形式被制备。这里提到的电池22具有这样的特性电动电压Vbo相对于SOC(充电状态)的变化而变化，例如如图2所示。具体而言，电动电压Vbo随着SOC增大或向着满充电状态变化而增大。
DC/DC转换器24包含两个串联连接的晶体管T1与T2、两个二极管D1与D2以及电抗器L。两个晶体管T1与T2分别被连接到正负线以及在负载28的正侧与负侧上。两个二极管D1与D2分别被反向并联连接到晶体管T1与T2，电抗器L在一端被连接到电池22的一端，在另一端被连接到连接晶体管T1与T2的点。
晶体管T1被布置在电抗器L的另一端与DC/DC转换器24的输出端之间，而晶体管T2被连接在电抗器L的另一端与电池22的另一端之间。
在DC/DC转换器24中，当晶体管T2被开通时，形成连接电池22、电抗器L以及晶体管T2的短路，使得按照来自电池22的DC电流的能量被存储在电抗器L中。当晶体管T2接下来被关断时，存储在电抗器L中的能量于是经由二极管D1被存储在电容器26中。在上文中，电容器26的电压可变得高于由电池22馈送的电压。
在此DC/DC转换器24中，还可以使用存储在电容器26中的电荷对电池22充电。在这个意义上，DC/DC转换器24组成升压/降压斩波电路，该电路可通过开通/关断晶体管T1与T2对电容器26进行充电，并能使用存储在电容器26中的电荷进一步对电池22进行充电。DC/DC转换器24的电抗器可使用线圈。
负载28可具有例如图3所示的结构，其包含变换器和例如安装在电气车辆和/或混合动力车中的电机或发电机(见图3(a))，或者，可具有包含两个并联连接的变换器的结构，所述变换器分别连接到电机和发电机(见图3(b))，然而例如安装在电气车辆或混合动力车中的电机或发电机不是唯一的实例，使用来自电池22的电力被驱动的任何电气装置也是适用的。
电子控制单元40以微处理器的形式构建，该微处理器如图1所示具有作为主要部件的CPU 42、用于存储处理程序的ROM 44、用于临时存储数据的RAM 46以及输入/输出端口(未示出)。电子控制单元40经由输入端口接收来自安装到电池22的电压传感器30的电池(端子之间的)电压Vb、来自安装到连接电池22与DC/DC转换器24的电力线的电流传感器32的电池电流Ib、来自安装到电容器26的电压传感器34的电容器电压(DC/DC转换器24的输出电压)、来自安装到电池22的温度传感器36的电池温度Tb、关于负载28的驱动的指令值。同时，电子控制单元40经由输出端口向DC/DC转换器24的晶体管T1与T2输出开关控制信号，以及向负载28输出驱动控制信号。
这里，电子控制单元40可通过调节将被供到晶体管T1与T2的开关控制信号的占空比D来控制DC/DC转换器24的电压转换比。在本实施例中，占空比D为上晶体管T1的导通周期(T1on)与下晶体管T2的导通周期(T2on)之间的比值，其表示为D＝T1on/(T1on+T2on)，且占空比D(＝T1on/(T1on+T2on))的减小导致DC/DC转换器24的电压转换比(＝Vc/Vb)的增大。
例如，电子控制单元40可被构建为例如图4的功能框图所示。具体而言，电子控制单元40包含SOC推定单元52、电动电压计算单元54、内阻计算单元56、占空比限制值计算单元58、占空比计算单元60以及占空比限制单元62，如下面所介绍的那样。
SOC推定单元52推定电池22的SOC(充电状态)并将结果输出到电动电压计算单元54。由于可基于例如电池电流Ib和电池电压Vb的特性获得电池22的SOC，SOC推定单元52可基于输入的电池电流Ib与电池电压Vb判定SOC。
电动电压计算单元54计算电池22的电动电压Vbo，并将结果输出到占空比限制值计算单元58。在本实施例中，例如，电池22的SOC和电动电压Vbo保持如图2所示的相互关系。因此，电动电压计算单元54可基于所输入的、电池22的SOC判定电池电动电压Vbo。
内阻计算单元56计算电池22的内阻Rb并将结果输出到占空比限制值计算单元58。例如，由于电池22的温度Tb与内阻Rb保持如图5所示的相互关系，内阻计算单元56可基于所输入的、电池22的温度Tb判定电池22的内阻Rb。
基于所输入的电池电动电压Vbo、电池内阻Rb以及电容器电压Vc，占空比限制值计算单元58计算开关控制信号占空比的下限值DL与上限值DH，并将结果输出到占空比限制单元62。
下限值DL是基于电池电动电压Vbo和电容器电压Vc计算的，而上限值DH是基于电池电动电压Vbo、电池内阻Rb以及电容器电压Vc计算的。使用下限值DL和上限值DH，设置占空比D的可接受范围(在下限值DL与上限值DH之间)。后文将详细介绍占空比D的下限值DL与上限值DH的计算。
基于所输入的电池电压Vb，占空比计算单元60计算将被供到晶体管T1与T2的开关控制信号的占空比D，并将结果输出到占空比限制单元62。占空比D的计算将在后文详细介绍。
占空比限制单元62限制占空比D，使得由占空比计算单元60计算得到的、开关控制信号的占空比D落在由占空比限制值计算单元58设置的可接受的范围(在下限值DL与上限值DH之间)内。
具体而言，当占空比D落在可接受的范围(在下限值DL与上限值DH之间)内时，占空比限制单元62向DC/DC转换器24的晶体管T1与T2输出具有该占空比D的开关控制信号。当占空比D小于下限值DL时，占空比限制单元62向晶体管T1与T2输出占空比为DL的开关控制信号。当占空比D大于上限值DH时，占空比限制单元62向晶体管T1与T2输出占空比为DH的开关控制信号。
下面介绍本实施例中如此构建的驱动系统20的运行，特别是DC/DC转换器24的驱动控制。
图6为典型DC/DC转换器驱动控制程序的流程图，该程序由本实施例中的驱动系统20的电子控制单元40执行。该程序以预定的时间间隔(例如0.2msec)重复执行。
具体而言，在DC/DC转换器驱动控制程序开始时，电子控制单元40的CPU 42读取电容器目标电压Vc*、电容器电压Vc、电池电压Vb、电池电流Ib以及电池温度Tb(S100)。这里，基于需要的功率P设置电容器目标电压Vc*，其作为驱动负载28的指令值，换句话说，作为使用所需功率P驱动负载28所必需的、电容器26的电压值。
在读取关于电池22的状况的信息之后，基于所读取的电容器目标电压Vc*以及电池电压Vb，使用下面的表达式(1)，占空比计算单元60计算占空比D(＝T1on/(T1on+T2on))，占空比D为上晶体管T1的导通周期(T1on)与下晶体管T2的导通周期(T2on)之间的比值，式中，α对应于占空比D的修正(S102)。
D＝Vb/Vc*+α (1)接着，SOC推定单元52基于所读取的电池电压Vb以及电池电流Ib计算电池22的SOC(S104)，电动电压计算单元54基于电池22的SOC计算电池电动电压Vbo(S106)。内阻计算单元56基于所读取的电池温度Tb计算电池内阻Rb(S108)。
接着，占空比限制值计算单元58基于电容器电压Vc、电池电动电压Vbo以及电池内阻Rb设置最优占空范围DR(S110)。这里，最优占空范围DR为占空比D的范围，其对应于通过驱动DC/DC转换器24能够从电池提取的功率的范围。
下面，将详细介绍最优占空范围DR。
当从负载28观察驱动系统20时，基于占空比D、电容器电压Vc以及电池电流Ib，功率BP用下面的表达式(2)表示。
BP＝Vc×Ib×D(2)电池电流Ib用下面的表达式(3)表示。
Ib＝(Vbo-D×Vc)/Rb (3)将表达式(3)代入表达式(2)得到表达式(4)。
BP＝-Vc2/Rb×(D-Vbo/2Vc)2+Vbo2/4Rb(4)表达式(4)可如图7所示地表达为电池22的功率特性，其用于表示电池22的功率BP相对于晶体管T1与T2的占空比D的相互关系。如图7所示，为了从电池22中提取最大功率Vbo2/4Rb，应当对DC/DC转换器进行控制24以便进行驱动，使得占空比D等于值Vbo/2Vc。因此，如果控制DC/DC转换器24以便进行驱动、使得占空比D小于值Vbo/2Vc(也就是说，在增大升压比的方向上)，则从电池22中提取的功率BP将减小。
因此，通过将最优占空范围DR的下限值DL设置在Vbo/2Vc，可以可靠地从电池22提取最大功率BPmax，同时以稳定的方式驱动负载28。注意，当电池22被放电时功率BP被视为正的，当电池充电时功率BP被视为负的。
在本实施例中，如图8中所示，电池电动电压Vbo随着电池22的SOC的增大或向着满充电变化而增大，因此，对应于最大功率BPmax的占空比D增大。于是，为了即使是在电池22的SOC变化时维持下限值DL被保持为基本等于与最大功率BPmax对应的占空比D的条件，取决于电池22的SOC地改变下限值DL(＝Vbo/2VC)。具体而言，下限值DL(＝Vbo/2Vc)随着电池22的SOC增大或向着满充电状态变化而增大。
应当注意的是，并不总是必须将最优占空范围DR的下限值DL设置在与电池22的功率特性中的最大功率BPmax对应的占空比Vbo/2Vc。例如，作为替代的是，略大于与最大功率BPmax对应的占空比Vbo/2Vc的值Vbo/2Vc+ΔD(ΔD＞0)或者略小于占空比Vbo/2Vc的值Vbo/2Vc-ΔD可被设置为下限值DL。
优选为在对电池22充电(处于再生并具有负的功率BP)时，限制占空比D，因此，防止过量电力流进电池22。
这里，假设电池功率BP充电侧的限制值为Pblim(负的常数)，基于上面提到的表达式(4)，电池功率BP为Pblim的占空比D可用下面提到的表达式(5)表示。
D＝(Vbo+(Vbo2-4Rb×Pblim)0.5)/2Vc(5)因此，为了防止电池功率BP下降到低于限制值Pblim(也就是说，为了防止过量电力流进电池22)，优选为将最优占空范围DR的上限值DH设置在(Vbo+(Vbo2-4Rb×Pblim)0.5)/2Vc。
在本实施例中，如图8中所示，电池电动电压Vbo随着电池22的SOC增大或向着满充电变化而增大，因此，对应于功率Pblim的占空比D增大。
因此，为了即使在电池22的SOC变化时保持上限值DH仍基本等于与功率Pblim对应的占空比D的条件，取决于电池22的SOC地改变上限值DH(＝(Vbo+(Vbo2-4Rb×Pblim)0.5)/2Vc)。具体而言，随着电池22的SOC增大或向着满充电状态变化而增大上限值DH。
进一步地，在本实施例中，如图9所示，对应于功率Pblim的占空比D随着电池内阻Rb增大(电池温度Tb降低)而增大。因此，为了即使是在电池内阻Rb(电池温度Tb)变化时保持上限值DH仍基本等于与功率Pblim对应的占空比D的条件，取决于电池内阻Rb(电池温度Tb)地改变上限值DH。
具体而言，上限值DH随着电池内阻Rb增大即随着电池温度Tb降低而增大。
当最优占空范围DR即下限值DL与上限值DH被设置时，占空比限制单元62判定在步骤S102中计算得到的占空比D是否落在最优占空范围DR(在下限值DL与上限值DH之间)内(S112)。
当判定为步骤S102处计算得到的占空比D落在最优占空范围DR内时，使用占空比为D的开关控制信号，占空比限制单元62进行控制以驱动DC/DC转换器24(步骤S114)。于是，作为占空比D不受限制的指示，限制标识F被设置为关闭(S116)，此时，本程序完成。
同时，当判定为在步骤S102处计算得到的占空比D在最优占空范围DR之外时，占空比限制单元62进行控制以驱动DC/DC转换器24，同时，对占空比D进行限制以便保持在最优占空范围DR内(S118)。
也就是说，当占空比D小于下限值DL时，使用占空比为DL的开关控制信号，占空比限制单元62进行控制以驱动DC/DC转换器24。当占空比D大于上限值DH时，使用占空比为DH的开关控制信号，占空比限制单元62进行控制以驱动DC/DC转换器24。于是，作为占空比D受到限制的指示，限制标识F被设置为打开(步骤S120)，此时，本程序完成。
在上面介绍的过程中，每当判定将被输出到晶体管T1与T2的开关控制信号的占空比D时，电池22的SOC被检测，且电池电动电压Vbo被计算。
在上面介绍的实施例中的驱动系统20中，相对于电池22的SOC的变化改变占空比D的下限值DL。即使是在电池22的SOC变化且电池电动电压Vbo因此变化时，这可确保下限值DL仍基本等于与最大功率BPmax对应的占空比D的条件。因此，可以用稳定的方式从电池22提取最大功率BPmax。
因此，即使是在不能从电池22提取与负载28所请求的功率P对应的量的电力的情况下，可更为适当地抑制电容器26的电压下降，并可以用更为稳定的方式驱动负载28。
进一步地，由于相对于电池22的SOC的变化而改变占空比的上限值DH，即使是在电池22的SOC变化且电池电动电压Vbo因此变化的条件下，可确保上限值DH仍基本等于与功率Pblim对应的占空比D的条件。
更进一步而言，由于相对于电池内阻Rb的变化而改变占空比的上限值DH，即使是在电池内阻Rb变化时，可确保上限值DH仍基本等于与功率Pblim对应的占空比D的条件。
因此，即使是在电池22的SOC和/或内阻变化的时候，可适当地限制供到电池22的电力。
如上所述，在本实施例中的驱动系统20中，取决于电池22的充电状态(SOC)，通过限制将被供到晶体管T1与T2的开关控制信号的占空比D，可更加适当地进行控制以便限制DC/DC转换器24的电压转换比(升压比)。
应当注意，作为替代的是，在图6的DC/DC转换器驱动控制程序的步骤S110中设置的最优占空范围DR(在下限值DL与上限值DH之间)可在下面介绍的过程中进行设置。
开始时，例如，基于DC/DC转换器24的晶体管T1与T2以及电池22的电流容量中的至少一个，在电子控制单元40中的ROM 44中判定并预先存储最大可允许电流Ibmax。
也就是说，通过选择能被供到晶体管T1与T2以及电池22的电流容量中的任何一个或较大的一个，判定最大可允许电流Ibmax。应当注意的是，ROM 44是非易失性存储器，优选为包括可再写入的EEPROM以及闪存。
在图6所示DC/DC转换器驱动控制程序中的步骤S110中，基于最大可允许电流Ibmax、电池内阻Rb、电池电动电压Vco以及电容器电压Vc，占空比限制值计算单元58设置最优占空范围DR(在下限值DL与上限值DH之间)。
如上面提到的表达式(3)所示，电池电流Ib被表达为Ib＝(Vbo-D×Vc)/Rb。因此，占空比D被表达为D＝(Vbo-Rb×Ib)/Vc。
于是，占空比限制值计算单元58将最优占空范围DR的下限值DL设置为(Vbo-Rb×Ibmax)/Vc，并将上限值DH设置为(Vbo-Rb×(-Ibmax))/Vc，使得电池电流Ib落在-Ibmax与Ibmax之间的范围内(S110)。这里，附在Ibmax上的正号对应于从电池22放电的方向，而负号对应于充电的方向。
在本实施例中，电池电动电压Vbo随着电池22的SOC增大或向着满充电状态变化而增大，因此，对应于电流Ibmax、-Ibmax的占空比D增大。
因此，为了即使在电池22的SOC变化的条件下保持下限值DL与上限值DH仍分别基本等于与电流Ibamx、-Ibmax对应的占空比D的条件，根据电池22的SOC而改变下限值DL(＝(Vbo-Rb×Ibmax)/Vc)和上限值DH(＝(Vbo-Rb×(-Ibmax))/Vc)。具体而言，随着电池22的SOC增大或向着满充电状态变化而增大下限值DL与上限值DH。由此，通过在步骤S112中限制占空比D并由此使之落在最优占空范围DR(在下限值DL与上限值DH之间)内，对电池电流Ib进行限制、以便不超过DC/DC转换器24的晶体管T1与T2的最大可允许电流或电池22的最大可允许电流。
在本实施例中，由于相对于电池22的SOC的变化改变占空比D的下限值DL与上限值DH，即使是在电池22的SOC变化且电池电动电压Vbom因此变化的时候，可确保下限值DL与上限值DH仍基本等于分别与电流Ibmax、-Ibmax对应的占空比D的条件。
因此，取决于电池22的充电状态(SOC)，可更为适当地进行控制，以便防止电池电流Ib超过DC/DC转换器24的晶体管T1与T2的最大可允许电流或电池22的最大可允许电流。
下面，将介绍第二实施例中的驱动系统。
第二实施例中的驱动系统的硬件结构与第一实施例中的驱动系统20的相同。例如，电子控制单元40可被如图10的功能框图所示地构建。
图10中的功能框图包括将在下面介绍的电流限制值计算单元64，其取代了图4中的占空比限制值计算单元58。
基于所输入的电池电动电压Vbo和电池内阻Rb，电流限制值计算单元64计算电池电流Ib的上限值IH，并将结果输出到占空比限制单元62。使用上限值IH，限定电池电流Ib的可接受的范围。下面将详细介绍电池电流Ib的上限值IH的计算。
占空比限制单元62限制由占空比计算单元60计算得到的开关控制信号的占空比D，使得电池电流Ib落在由电流限制值计算单元64设置的可接受范围(等于或小于上限值IH)内。
具体而言，当电池电流Ib落在可接受范围(等于或小于上限值IH)内时，占空比限制单元62将占空比为D的开关控制信号输出到DC/DC转换器24的晶体管T1与T2。当电池电流Ib大于上限值IH时，占空比限制单元62将占空比为D的开关控制信号输出到晶体管T1与T2，其中，占空比D受到限制，使得电池电流Ib保持为等于或小于上限值IH。
图11为典型的DC/DC转换器驱动控制程序的流程图，该程序由第二实施例中的驱动系统20的电子控制单元40执行。该程序以预定的时间间隔(例如0.2msec)重复执行。
具体而言，在DC/DC转换器驱动控制程序开始时，电子控制单元40的CPU 42读取电容器目标电压Vc*、电池电压Vb、电池电流Ib以及电池温度Tb(S200)。
于是，基于所读取的电容器目标电压Vc*与电池电压Vb，使用上面提到的表达式(1)，占空比计算单元60计算占空比D(＝T1on/(T1on+T2on))(S202)。
接着，SOC推定单元52基于所读取的电池电压Vb和电池电流Ib计算电池22的SOC(S204)，电动电压计算单元54基于电池22的SOC计算电池电动电压Vbo(S206)。进一步地，内阻计算单元56基于所读取的电池温度Tb计算电池内阻Rb(S208)。
于是，电流限制值计算单元64基于电池电动电压Vbo和电池内阻Rb设置最优电流范围IR(S210)。这里，最优电流范围IR是电池电流Ib的范围，其对应于通过驱动DC/DC转换器24能够从电池22提取的功率的范围，具体而言，即具有上限值IH的范围，上限值IH等于与能从电池22提取的最大功率BPmax对应的电流值。
下面，将详细介绍最优电流范围IR。
基于电池电压Vb和电池电流Ib，能从电池22提取的功率BP可用表达式(6)表示。
BP＝Vb×Ib(6)基于内阻Rb与电动电压Vbo，电池电压Vb可用下面的表达式(7)表示。
Vb＝Vbo-Ib×Rb(7)将表达式(6)代入表达式(7)，结果得到表达式(8)。
BP＝(Vbo-Ib×Rb)×Ib＝-Rb×(Ib-Vbo/2Rb)2+Vbo2/4Rb(8)表达式(8)可如图12所示地表示为电池22的功率特性，用于表示电池22的功率BP相对于电池电流Ib的相互关系。
如图12所示，为了从电池22提取最大功率Vbo2/4Rb，应当对DC/DC转换器24进行控制以便进行驱动，使得电池电流Ib等于值Vbo/2Rb。因此，如果对DC/DC转换器24进行控制以便进行驱动、使得电池电流Ib超过值Vbo/2Rb(也就是说，在增大升压比的方向上)，电池22的内阻Rb消耗增多的量的电力，因此，仅能从电池22提取减少的量的功率BP。
因此，通过将最优电流范围IR的上限值IH设置在值Vbo/2Rb，可确保来自电池22的最大功率BPmax，同时，负载28能以稳定的方式被驱动。
在本实施例中，如图13所示，电池电动电压Vbo随着电池22的SOC增大或向着满充电变化而增大，因此，对应于最大功率BPmax的电池电流Ib增大。于是，为了即使在电池22的SOC变化的条件下保持上限值IH仍基本等于与最大功率BPmax对应的电池电流Ib的条件，取决于电池22的SOC地改变上限值IH(＝Vbo/2Rb)。
具体而言，随着电池22的SOC增大或向着满充电状态变化而增大上限值IH(＝Vbo/2Rb)。
应当注意的是，并不总是有必要将最优电流范围IR的上限值IH设置在与电池22的功率特性中的最大功率BPmax对应的电池电流Vbo/2Rb。例如，作为替代的是，略大于与最大功率BPmax对应的电流Vbo/2Rb的值Vbo/2Rb+ΔI(ΔI＞0)或略小于电池电流Vbo/2Rb的值Vbo/2Rb-ΔI可被设置为上限值IH。
当最优电流范围IR即上限值IH被如上所示地设置时，占空比设置单元62判定电池电流Ib是否落在最优电流范围IR内(是否等于或小于上限值IH)(S212)。
当判定为电池电流Ib落在最优电流范围IR内(等于或小于上限值IH)时，使用占空比为步骤S202处计算得到的D的开关控制信号，占空比限制单元62进行控制以驱动DC/DC转换器24(S214)。于是，作为占空比D没有被限制的指示，将限制标识F设置为关闭(S116)，此时，本程序完成。
同时，当判定为电池电流Ib在最优电流范围IR之外(大于上限值)时，使用占空比为D的开关控制信号，占空比限制单元62进行控制以驱动DC/DC转换器24，其中，占空比D受到限制，使得电池电流Ib保持在最优占空范围DR内(等于或小于上限值IH)(S218)。于是，作为存在受限的占空比D的指示，限制标识F被设置为打开(S220)，此时，本程序完成。
在上面介绍的过程中，每当判定输出到晶体管T1与T2的开关控制信号的占空比D时，电池22的SOC被检测，电池电动电压Vbo被计算。
在上面介绍的第二实施例中的驱动系统中，电池电流Ib的上限值IH相对于电池22的SOC的变化被改变。即使是在电池22的SOC变化且电池电动电压Vbo因此变化的条件下，这可确保上限值IH仍基本等于与最大功率BPmax对应的电池电流Ib的条件。因此，可以用稳定的方式从电池22提取最大功率BPmax。
下面将介绍第三实施例中的驱动系统。
第三实施例中的驱动系统的硬件结构与第一实施例中的驱动系统20的相同。例如，电子控制单元40可如图14的功能框图所示地被构建。
图14中的功能框图没有示出图10中示出的内阻计算单元56，并包括将在下面介绍的电压限制值计算单元66，其取代了图10中的电流限制值计算单元64。
基于所输入的电池电动电压Vbo，电压限制值计算单元66计算电池电压Vb的下限值VL，并将结果输出到占空比限制单元62。使用下限值VL，限定电池电压Vb的可接受范围。下面将详细介绍电池电压Vb的下限值VL的计算。
占空比限制单元62限制由占空比计算单元60计算得到的、开关控制信号的占空比D，使得电池电压Vb落在由电压限制值计算单元66设置的可接受范围内(等于或大于下限值VL)。
具体而言，当电池电压Vb落在可接受范围内(等于或大于下限值VL)时，占空比限制单元62将占空比为D的开关控制信号输出到DC/DC转换器24的晶体管T1与T2。当电池电压Vb小于下限值VL时，占空比限制单元62将占空比为D的开关控制信号输出到晶体管T1与T2，其中，占空比D受到限制，使得电池电压Vb保持为等于或大于下限值VL。
图15为典型的DC/DC转换器驱动控制程序的流程图，该程序由第三实施例中的驱动系统20的电子控制单元40执行。该程序以预定的时间间隔(例如0.2msec)重复执行。
具体而言，在DC/DC转换器驱动控制程序开始时，电子控制单元40的CPU 42读取电容器目标电压Vc*、电池电压Vb以及电池电流Ib(S300)。
于是，基于所读取的电容器目标电压Vc*与电池电压Vb，使用上面提到的表达式(1)，占空比计算单元60计算占空比D(＝T1on/(T1on+T2on))(S302)。
接着，SOC推定单元52基于所读取的电池电压Vb和电池电流Ib计算电池22的SOC(S304)，电动电压计算单元54基于电池22的SOC计算电池电动电压Vbo(S306)。
于是，基于电池电动电压Vbo，电压限制值计算单元66设置最优电压范围VR(S308)。
这里，最优电流范围VR是电池电压Vb的范围，其对应于通过驱动DC/DC转换器24能从电池提取的功率的范围，具体而言，即具有下限值VL的范围，VL等于与能从电池22提取的最大功率BPmax对应的电压值。
下面，将详细介绍最优电压范围VR。
基于电池电压Vb、电池电流Ib以及内阻Rb，可使用下面的表达式(9)计算电池电压Vb。
Vb＝Vbo-Ib×Rb(9)同时，如同结合第二实施例中的驱动系统所介绍的那样，当从电池中提取最大功率BPmax时电池电流Ib具有值Vbo/2Rb，此时的电池电压Vb可如表达式(10)所示。
Vb＝Vbo/2(10)因此，为了从电池22提取最大功率Vbo2/4Rb，应当对DC/DC转换器24进行控制以便进行驱动，使得电池电压Vb等于值Vbo/2。因此，如果对DC/DC转换器24进行控制以便进行驱动、使得电池电压Vb小于值Vbo/2(也就是说，在增大升压比的方向上)，电池22的内阻Rb消耗增多的量的电力，因此，仅能从电池22提取减少的量的功率BP。
因此，通过将最优电压范围VR的下限值VL设置在值Vbo/2，能可靠地从电池22提取最大功率BPmax，同时，负载28能以稳定的方式被驱动。
在本实施例中，电池电动电压Vbo随着电池22的SOC增大或向着满充电变化而增大，因此，对应于最大功率BPmax的电池电压Vb变得更大。于是，为了即使在电池22的SOC变化的条件下保持下限值VL仍基本等于与最大功率BPmax对应的电池电压Vb的条件，取决于电池22的SOC地改变下限值VL(＝Vbo/2)。
具体而言，下限值VL(＝Vbo/2)随着电池22的SOC增大或向着满充电状态变化而增大。
应当注意的是，并不总是有必要将最优电压范围VR的下限值VL设置在与电池22的功率特性中的最大功率BPmax对应的电池电压Vbo/2。例如，作为替代的是，略大于对应于最大功率BPmax的电池电压Vbo/2的值Vbo/2+ΔV(ΔV＞0)或略小于电池电压Vbo/2的值Vbo/2-ΔV可被设置为下限值VL。
当最优电压范围VR即下限值VL被如上所述地设置时，占空比设置单元62判定电池电压Vb是否落在最优电压范围VR内(是否等于或大于下限值VL＝Vbo/2)(S310)。
当判定为电池电压Vb落在最优电压范围VR内(等于或大于下限值VL)时，使用占空比为步骤S302处计算得到的D的开关控制信号，占空比限制单元62进行控制以驱动DC/DC转换器24(S312)。于是，作为占空比D没有被限制的指示，将限制标识F设置为关闭(S314)，此时，本程序完成。
同时，当判定为电池电流Vb在最优电压范围VR之外(小于下限值VL)时，使用占空比为D的开关控制信号，占空比限制单元62进行控制以驱动DC/DC转换器24，其中，占空比D受到限制、使得电池电压Vb落在最优电压范围VR内(等于或大于下限值VL)(S316)。于是，作为占空比D受到限制的指示，限制标识F被设置为打开(S318)，此时，本程序完成。
在上面介绍的过程中，每当判定将被输出到晶体管T1与T2的开关控制信号的占空比D时，电池22的SOC被检测，电池电动电压Vbo被计算。
在上面介绍的第三实施例中的驱动系统中，相对于电池22的SOC的变化改变电池电压Vb的下限值VL。即使是在电池22的SOC变化且电池电动电压Vbo因此变化的条件下，可保证下限值VL仍基本等于与最大功率BPmax对应的电池电压Vb的条件。因此，可以用稳定的方式从电池22提取最大功率BPmax。
在第一至第三实施例中的驱动系统中，电子控制单元40进行控制以驱动负载28以及DC/DC转换器24。然而，用于DC/DC转换器24和负载28的驱动控制可以由不同的电子控制单元进行，这些电子控制单元通过通信交换信息。
尽管第一至第三实施例中的驱动系统相应地包含被布置在DC/DC转换器与负载28之间的电容器26，可使用不具有这种电容器的驱动系统。
作为替代的是，负责DC/DC转换器和/或负载的驱动控制的控制系统可优选为使计算机运行的程序和/或计算机可读的记录介质，所述记录介质例如为存储该程序的CD-ROM、DVD-ROM以及软盘。在该程序被安装在计算机上并在其上执行的情况下，可获得本发明的优点。
应当注意的是，尽管参照上面的、本发明的实施例对本发明进行了介绍，本发明不限于这些实施例，且本发明可以用不脱离本发明的要点的多种形式实践。
权利要求
1.一种用在电压转换设备之中的控制设备，通过开关元件的开关操作，所述电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，所述控制设备能够通过调节将被供到所述开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，所述控制设备包括可接受范围设置单元，其用于基于相对于所述占空比的、所述蓄电池的功率特性设置开关控制信号的所述占空比的可接受范围；占空比限制单元，其用于限制所述开关控制信号的所述占空比，使得所述占空比落在所述可接受范围内；以及充电状态获取单元，其用于获取关于所述蓄电池的充电状态的信息，其中所述可接受范围设置单元相对于所述蓄电池的所述充电状态的变化改变所述可接受范围。
2.根据权利要求1的电压转换设备的控制设备，其中所述可接受范围设置单元相对于所述蓄电池的所述充电状态的变化改变所述可接受范围的下限值，且所述占空比限制单元限制所述开关控制信号的所述占空比，使得所述占空比变得等于或大于所述下限值。
3.根据权利要求2的电压转换设备的控制设备，其中所述可接受范围设置单元相对于所述蓄电池的所述充电状态向着满充电状态的变化增大所述下限值。
4.根据权利要求2的电压转换设备的控制设备，其中所述电压转换设备相对于所述开关控制信号的所述占空比的减小增大所述电压转换比，且所述下限值基本等于与所述蓄电池的所述功率特性中的最大功率对应的占空比。
5.根据权利要求1的电压转换设备的控制设备，其中所述可接受范围设置单元相对于所述蓄电池的所述充电状态的变化改变所述可接受范围的上限值，且所述占空比限制单元限制所述开关控制信号的所述占空比，使得所述占空比变得等于或小于所述上限值。
6.根据权利要求5的电压转换设备的控制设备，其中所述可接受范围设置单元相对于所述蓄电池的所述充电状态向着满充电状态的变化增大所述上限值。
7.根据权利要求5的电压转换设备的控制设备，所述控制设备还包括内阻获取单元，其用于获取关于所述蓄电池的内阻的信息，其中所述可接受范围设置单元相对于所述蓄电池的所述内阻的变化改变所述可接受范围的所述上限值。
8.根据权利要求7的电压转换设备的控制设备，其中所述可接受范围设置单元相对于所述蓄电池的所述内阻的增大而增大所述可接受范围的所述上限值。
9.一种用在电压转换设备之中的控制设备，通过开关元件的开关操作，所述电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，所述控制设备能够通过调节将被供到所述开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，所述控制设备包括可接受范围设置单元，其用于设置开关信号的所述占空比的可接受范围，使得所述蓄电池的电流落在预定范围内；占空比限制单元，其用于限制所述开关控制信号的所述占空比，使得所述占空比落在所述可接受范围内；以及充电状态获取单元，其用于获取关于所述蓄电池的充电状态的信息，其中所述可接受范围设置单元相对于所述蓄电池的所述充电状态的变化改变所述可接受范围。
10.一种用在电压转换设备之中的控制设备，通过开关元件的开关操作，所述电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，所述控制设备能够通过调节将被供到所述开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，所述控制设备包括电流检测单元，其用于检测所述蓄电池的电流；可接受范围设置单元，其基于所述蓄电池电流的功率特性设置所述蓄电池电流的可接受范围；占空比限制单元，其用于限制所述开关控制信号的所述占空比，使得所述蓄电池电流落在所述可接受范围内；以及充电状态获取单元，其用于获取关于所述蓄电池的充电状态的信息，其中所述可接受范围设置单元相对于所述蓄电池的所述充电状态的变化改变所述可接受范围。
11.一种用在电压转换设备之中的控制设备，通过开关元件的开关操作，所述电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，所述控制设备能够通过调节将被供到所述开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，所述控制设备包括电压检测单元，其用于检测所述蓄电池的电压；占空比限制单元，其用于限制所述开关控制信号的所述占空比，使得所述蓄电池电压落在所述可接受范围内；充电状态获取单元，其用于获取关于所述蓄电池的充电状态的信息；以及可接受范围设置单元，其用于相对于所述蓄电池的所述充电状态的变化改变所述可接受范围；
12.根据权利要求1至11中任意一项的、用于电压转换设备的控制设备，其中，所述电压转换设备包括电抗器，其一端被连接到所述蓄电池的一端；第一开关元件，其被布置在所述电抗器的另一端与所述电压转换设备的输出端之间；以及第二开关元件，其被布置在所述电抗器的所述另一端与所述蓄电池的另一端之间，其中所述开关控制信号的所述占空比被表示为T1on/(T1on+T2on)，T1on表示所述第一开关元件的导通周期，T2on表示所述第二开关元件的导通周期。
13.根据权利要求1至11中任意一项的、用于电压转换设备的控制设备，其中，所述蓄电池为锂离子二次电池。
14.一种由电压转换设备使用的控制方法，通过开关元件的开关操作，所述电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，所述控制方法能够通过调节将被供到所述开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，所述控制方法包括获取关于所述蓄电池的充电状态的信息；基于相对于开关控制信号的所述占空比的、所述蓄电池的功率特性，设置开关控制信号的所述占空比的可接受范围，同时，相对于所述蓄电池的所述充电状态的变化，改变所述开关控制信号的所述占空比的所述可接受范围；以及限制所述开关控制信号的所述占空比，使得所述占空比落在所述可接受范围内。
15.一种由电压转换设备使用的控制方法，通过开关元件的开关操作，所述电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，所述控制方法能够通过调节将被供到所述开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，所述控制方法包括获取关于所述蓄电池的充电状态的信息；设置所述开关控制信号的所述占空比的可接受范围，使得所述蓄电池的电流落在预定的设置范围内，同时，相对于所述蓄电池的所述充电状态的变化，改变所述开关控制信号的所述占空比的所述可接受范围；以及限制所述开关控制信号的所述占空比，使得所述占空比落在所述可接受范围内。
16.一种由电压转换设备使用的控制方法，通过开关元件的开关操作，所述电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，所述控制方法能够通过调节将被供到所述开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，所述控制方法包括检测蓄电池的电流；获取关于所述蓄电池的充电状态的信息；基于相对于所述蓄电池电流的功率特性，设置所述蓄电池电流的可接受范围，同时，相对于所述蓄电池的所述充电状态的变化，改变所述蓄电池电流的所述可接受范围；以及限制所述开关控制信号的所述占空比，使得所述蓄电池电流落在所述可接受范围内。
17.一种由电压转换设备使用的控制方法，通过开关元件的开关操作，所述电压转换设备将供自可充电且可放电的蓄电池的DC电压转换为希望的电压以便进行输出，所述控制方法能够通过调节将被供到所述开关元件的开关控制信号的占空比来控制电压转换比，所述控制方法包括检测所述蓄电池的电压；获取关于所述蓄电池的充电状态的信息；相对于所述蓄电池的所述充电状态的变化，改变所述蓄电池电压的可接受范围；以及限制所述开关控制信号的所述占空比，使得所述蓄电池电压落在所述可接受范围内。
18.根据权利要求14至17中任意一项的、用于电压转换设备的控制方法，其中，所述蓄电池为锂离子二次电池。
全文摘要
基于电池的电压Vb和电流Ib计算电池的SOC，并基于电池的SOC计算电池电动电压Vbo。基于电池电动电压Vbo和被连接到DC/DC转换器输出侧的电容器的电压Vc，将获得最大电池功率的占空比D(＝Vbo/2Vc)设置为最优占空范围DR的下限值DL，使得下限值DL根据电池的SOC变化。对占空比D进行限制、以便落在最优占空范围DR内，并使用受限的占空比D对DC/DC转换器进行控制以便进行驱动。
文档编号H02J7/00GK101040417SQ20058003519
公开日2007年9月19日 申请日期2005年10月4日 优先权日2004年10月15日
发明者佐藤荣次 申请人:丰田自动车株式会社