电源系统的制作方法
【专利说明】电源系统
[0001]优先权信息
[0002]本申请要求2014年7月22日提交的日本专利申请N0.2014-148894的优先权，其全部内容在此引入以供参考。
技术领域
[0003]本发明涉及包括连接在多个DC电源和共用的电力线之间的电力转换器的电源系统。
【背景技术】
[0004]在JP 2011-97693 A(在下文中，称为专利文献1)中已经公开了将两个DC电源经转换器并联连接到电力线的车辆电源系统。在说明书中，该电源系统对DC电源中的一个执行电压控制，同时通过反馈控制对另一个电源执行电力控制，使得两个DC电源一起协作来供应由用作负荷的电动机需求的电力。此外，基于作为实际输入/输出的实际电力值相对于对其执行电力控制的DC电源请求的电力命令值的偏差，电源系统根据电力分配比，调整对该DC电源设定的目标电力值。因此，根据该描述，能消除由于实际电力值与电力命令值的偏差导致的不利影响，诸如过放电和过充电，并且能执行稳定电力管理。
[0005]对专利文献1中的车辆电源系统，基于各个电源的状态，诸如S0C和温度，以及负荷请求，确定电力分配比，以便适当地采用各个DC电源。
[0006]在该电源系统中，相对于基于电力分配比提供的目标电力值，强加在DC电源中的一个上的电力负担可能高于强加在另一 DC电源上的负担。例如，当增加用于第一 DC电源的电力分配比时，升高通过电力转换器的升压的比，即系统电压，来满足负荷需求的电力。然后，可能增加系统电压与第二DC电源的电压之间的差，并且第二DC电源的过充电可能发生。相反，当降低第一 DC电源的电力分配比时，可能增加从第二 DC电源获得的电力，并且第二电源的过放电可能发生。因此，在由第一和第二 DC电源供应电力来满足负荷需求的电力的情况下，应当设定电力分配比来适当地调节由各个DC电源输入和输出的电力。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目的是提供能执行用于第一和第二 DC电源的适当电力分配来防止在DC电源中的任何一个中发生过电力，诸如过放电或过充电的电源系统。
[0008]根据本发明的电源系统包括:
[0009]负荷；
[0010]连接到负荷的电力线；
[0011]能够向负荷供应电力的第一和第二 DC电源；
[0012]连接在第一和第二 DC电源与电力线两者之间的电力转换器；以及
[0013]用于控制电力转换器的操作的控制器，
[0014]其中，第一和第二 DC电源能够并联连接到电力线，
[0015]其中，操作模式能够在第一操作模式和第二操作模式之间切换，在第一操作模式中，仅第一和第二 DC电源中的一个输入或输出由负荷需求的电力，而在第二操作模式中，由负荷需求的电力被分配为将分别由第一和第二 DC电源输入/输出的电力，并且第一和第二 DC电源输入和输出由此分配的电力，以及
[0016]其中，当开始第一操作模式到第二操作模式的转变时，控制器将用于第一和第二DC电源中的另一个的输入和输出电力命令值设定成等于或高于下限值，并且使用于第一和第二 DC电源的输入和输出电力命令值相对于由负荷需求的电力的比保持在预定范围内。
[0017]根据本发明的电源系统，控制器可以能够执行反馈控制来使第一和第二 DC电源的实际电力值接近输入和输出电力命令值，并且当在第二操作模式中，第一和第二 DC电源中的该另一个的实际电力低于预定电力阈值时，控制器可以禁止用于增加第一和第二 DC电源中的该一个的实际电力的反馈控制。
[0018]在这种情况下，当第一和第二电源中的该另一个的实际电力低于预定电力阈值时，控制器可以禁止用于增加第一和第二 DC电源中的一个的实际电力的反馈控制，并且当第一和第二电源的另一个的实际电力等于或高于预定电力阈值时，控制器可以允许用于增加第一和第二 DC电源中的一个的实际电力的反馈控制。
[0019]根据本发明的电源系统，在对第一和第二 DC电源执行电力分配以满足负荷需求的电力时，能防止在第一或第二 DC电源中出现过电力。
【附图说明】
[0020]图1是根据本发明的一个实施例的电源系统的配置的图；
[0021]图2是示例图1中所示的负荷的示例性布置的示意图；
[0022]图3是用于说明图1中的电力转换器的多个不同操作模式的表；
[0023]图4A和4B是用于说明PB模式中的第一 DC电源的DC/DC转换(升压)的电路图；
[0024]图5A和5B是用于说明PB模式中的第二 DC电源的DC/DC转换(升压)的电路图；
[0025]图6是示出用于控制PB模式中的电力转换器的切换元件的例子的波形图；
[0026]图7是用于说明设定用于PB模式中的各个切换元件的控制信号的逻辑表达式的表;
[0027]图8A和8B是用于说明SB模式中的DC/DC转换(升压)的电路图；
[0028]图9是示出用于控制SB模式中的各个切换元件的例子的波形图；
[0029]图10是用于说明设定用于控制SB模式中的各个切换元件的操作的逻辑表达式的表;
[0030]图11A和11B是用于说明在PBD模式中，第一 DC电源的DC/DC转换和第二 DC电源的直接连接的电路图；
[0031]图12是示出用于PBD模式中，各个切换元件的示例性控制操作的波形图；
[0032]图13是用于说明设定PBD模式中的各个切换元件的控制操作的逻辑表达式的表;
[0033]图14是为图3中的各个操作模式采用的、表示使能还是禁用用于DC电源的电力分配比的控制，以及比较可用于设定输出电压的范围的表；
[0034]图15是用于说明负荷需求的电压的电压范围的定义的概念图；
[0035]图16是用于说明用于图15中所示的每一电压范围的操作模式的选择的表；
[0036]图17中用于说明控制本实施例中的电力转换器的基本概念的概念图；
[0037]图18是用于说明本实施例中的电力转换器的控制的框图；
[0038]图19是用于说明本实施例中的电力转换器的控制的另一框图；
[0039]图20是示出用于PB模式中的第一 DC电源的占空比和电力分配比之间的关系的图；
[0040]图21是用于控制器的过电力避免控制单元的功能框图；
[0041]图22是示出由控制器执行的过电力避免控制处理的流程图；
[0042]图23A、23B和23C是当执行过电力避免控制时提供的图，分别表示用于第一 DC电源的电力命令值和实际电力的变化、用于第一 DC电源的升压比的变化和用于第二 DC电源的电力命令值和实际值的变化，以及
[0043]图24是示出电源系统的另一示例性配置的图。
【具体实施方式】
[0044]现在，将参考附图，详细地描述本发明的一个实施例。在说明中，具体提出的形状、材料、数值和方向仅是示例性的，以便易于理解本发明，并且根据应用、目的和规格，可以按需改变。此外，在下述描述中包括多个实施例及改进的情况下，通常假定适当组合使用这些实施例或改进的特征。
[0045]图1是示出根据本发明的实施例的电源系统的配置的电路图。电源系统1包括第一DC电源10a和第二 DC电源10b、负荷30、控制器40和电力转换器50。
[0046]在该实施例中，通过采用二次电池，诸如锂离子电池或镍氢电池，或具有良好输出特性的DC电压源部件，诸如双电层电容器或锂离子电容器，提供第一和第二 DC电源10a和10bo
[0047]第一和第二 DC电源10a和10b可以提供为具有相同电容的同一类型的DC电源，或提供为具有不同电容的不同类型的DC电源。
[0048]电力转换器50连接在第一和第二 DC电源10a和10b与电力线20两者之间。电力转换器50基于电压命令值VH*，控制连接到负荷30的电力线20上的DC电压(在下文中称为系统电压VH)。g卩，第一和第二 DC电源10a和10b共用电力线20。
[0049]在接收作为由电力转换器50输出的电压的系统电压VH后，操作负荷30。根据负荷30的操作状态，诸如转矩或转速，电压命令值VH*可变地设定为适合于负荷30操作的电压。负荷30可以被配置成能通过发电产生用于充电第一和第二 DC电源10a和10b的电能。
[0050]电力转换器50包括切换元件S1至S4和电抗器L1和L2。在该实施例中，IGBT (绝缘栅双极型晶体管)例如能用作切换元件S1至S4。反并联二极管D1至D4连接到切换元件S1至S4。
[0051]能分别响应控制信号SG1至SG4，控制切换元件S1至S4的接通/断开状态。即，当控制信号SG1至SG4为有效高(在下文中称为电平H)时，接通切换元件S1至S4，而当信号SG1至SG4为有效低(在下文中称为电平L)时断开。
[0052]切换元件S1电连接在电力线20和节点N1之间。电抗器L2连接在节点N1和第二 DC电源10b的正极端子之间。流过电抗器L2的电流ILb由电流检测器12b检测，并且传送到控制器40。切换元件S2电连接在节点N1和节点N2之间。电抗器L1连接在节点N2和第一 DC电源10a的正极端子之间。流过电抗器L1的电流ILa由电流传感器12a检测，并且传送到控制器40。
[0053]切换元件S3电连接在节点N2和节点N3之间。节点N3电连接到第二 DC电源10b的负极端子。切换元件S4电连接在节点N3和地线21之间。地线21电连接在负荷30和第一 DC电源10a的负极端子之间。
[0054]从图1看出，电力转换器50包括升压斩波器，分别用于第一 DC电源10a和第二 DC电源10b。S卩，对第一 DC电源10a，提供第一 DC双向升压斩波器，其中，将切换元件S1和S2用作上臂元件，并且切换元件S3和S4用作下臂元件。同样地，对第二 DC电源10b，提供第二DC双向升压斩波器，其中，切换元件S1和S4被用作上臂元件，并且切换元件S2和S3用作下臂元件。
[0055]因为第一升压斩波器，沿在第一 DC电源10a和电力线20之间延伸的电力转换路径和在第二 DC电源10b和电力线20之间延伸的电力转换路径，均存在切换元件S1至S4。
[0056]控制器40生成用于控制切换元件S1至S4的接通/断开状态的控制信号SG1至SG4，以便控制施加到负荷30的系统电压VH。控制器40接收由电压传感器11a检测的第一 DC电源10a的电压Va、流过第一 DC电源10a并且由电流传感器(未示出)检测的电流Ia、由电压传感器lib检测的第二 DC电源10b的电压Vb，以及由电流传感器(未示出)检测的第二 DC电源10b的电流lb。控制器40还接收由温度传感器(未示出)检测的第一和第二 DC电源10a和10b的温度Ta和Tb。此外，控制器40还接收由电压传感器11c (见图2)检测的电力转换器50的系统电压VH。
[0057]在延伸到辅助设备的电力分配线未连接在第一 DC电源10a和电抗器L1之间的情况下，能将流过电抗器L1的电流ILa看作等于第一 DC电源10a的电流la。同样地，在延伸到辅助设备的电力分配线未连接在第二 DC电源10b和电抗器L2之间的情况下，流过电抗器L2的电流Ib2能看作等于第二 DC电源10b的电流lb。
[0058]图2是示出用于负荷30的示例性布置的示意图。提供包括例如用于推动电动车辆的电动机的负荷30。负荷30包括平滑电容器CH、逆变器32、电动发电机35、动力传输齿轮36和驱动轮37。
[0059]电动发电机35是生成车辆的驱动力，并且提供为例如多相永久磁体同步电动机的牵引电动机。电动发电机35的输出转矩经包括减速器和动力分配机构的动力传输齿轮36被传递到驱动轮37。由经动力传输齿轮36传递到驱动轮37的转矩推动电动车辆。此夕卜，在电动车辆的再生制动时，电动发电机35通过驱动轮37的旋转力发电。通过逆变器32，将所产生的电力从交流电转换成直流电，并且直流电用作用于充电包括在电源系统1中的第一和第二 DC电源10a和10b的电力。
[0060]对其中除电动发电机外还安装发动机(未示出)的混合动力车，发动机和电动发电机35协作来产生电动车辆需求的车辆驱动力。同时，由发动机的旋转产生的电力还可以用来充电第一和第二 DC电源10a和10b。
[0061]如上所述，电动车辆广泛包括安装牵引电动机的车辆，并且包括由发动机和电动发电机产生用于车辆的推动力的混合动力车、以及不安装发动机的电动车和燃料电池车。用于驱动力源或发电机的多个电动发电机也可以安装到电动车辆上。
[0062](电力转换器的操作模式)
[0063]电力转换器50具有包含在第一和第二 DC电源10a、10b与动力源20两者之间执行的直流电转换的不同形式的多个操作模式。
[0064]在图3中示出电力转换器50的多个操作模式。如图3所示，操作模式粗细地划分成:“升压模式(B) ”，其中，与切换元件S1至S4的周期性接通/断开有关，执行由第一 DC电源10a/第二 DC电源10b输出的电压的升压；以及“直接连接模式(D)”，其中，第一 DC电源10a/第二 DC电源10b电且直接地连接到电力线20，而固定切换元件S1至S4的接通/断开状态。
[0065]升压模式包括:“并联升压模式(在下文中，称为PB模式)”，其中，在DC电源10a、10b与电力线20之间，执行并联DC/DC转换；“串联升压模式(在下文中，称为SB模式)”，其中，在串联连接的DC电源10a和10b与电力线20之间，执行DC/DC转换；以及“并联升压直接连接模式(在下文中，称为PBD模式)”，其中，对DC电源10a和10b中的一个和电力线20执行DC/DC转换，并且与用于DC/DC转换的DC电源10a或10b并联地将剩余DC电源10a或10b直接连接到电力线20。由于PBD模式是伴有用于DC电源中的一个的升压操作的操作模式，在下述描述中，将PBD模式看作分成“升压模式(B) ”的模式。
[0066]升压模式还包括:“使用第一 DC电源10a的单独模式(在下文中，称为aB模式)”，其中，仅采用第一 DC电源来执行用于该DC电源和电力线20的DC/DC转换；以及“使用第二DC电源10b的单独模式(在下文中，称为bB模式)”，其中，仅采用第二 DC电源10b来执行用于该DC电源和电力线20的DC/DC转换。在aB模式中，只要使系统