专利名称：用于基于控制策略向负载提供功率的系统和方法
技术领域：
此处所描述的主题的实施例大体涉及汽车车辆中的电气系统，并且更具体地，该主题的实施例涉及一种用于能量输送系统的控制策略。
背景技术：
插入式混合和全电动车辆在近年来变得日益受欢迎。这些车辆通常具有要花费很多小时来充电同时消耗大量功率的大电池系统。电流充电系统具有固定的充电策略，该充电策略需要将车辆插入到住宅或商用电网。·因此，期望具有一种用于对负载提供功率的灵活且有效的电气系统和方法。其它期望的特征和特性将从随后结合附图和该背景技术所作的详细描述和所附权利要求变得明显。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种充电系统。该充电系统包括可再充电电池；接口，其被配置成从电压源接收电压；以及控制器，其被配置成通过该接口从电压源接收电压以及使用收到的电压对该可再充电电池再充电。该控制器进一步被配置成接收关于电连接到电压源的交流电流(AC)负载的信息，确定返回到电压源的无功电流量，以使得由充电系统和AC负载从电压源提取的电流基本上是实际的，以及在可充电电池被再充电的同时对电压源提供已确定的无功电流。根据另一个实施例，提供了一种电气系统。该电气系统包括第一负载；接口，其被配置成从电压源接收电压；以及控制器，其被配置成通过该接口接收电压以及对该第一负载提供电压和电流。此外，该控制器还可以进一步被配置成接收关于电连接到电压源的第二负载的信息，确定返回到电压源的无功电流量，以使得由电气系统和第二负载从电压源提取的电流基本上是实际的，以及对电压源提供已确定的无功电流。在又一个实施例中，提供了一种由控制器对第一负载提供电压和电流的方法。该方法包括当控制器处于恒定电流模式下时，对第一负载提供恒定电流充电；当控制器处于恒定电压模式下时，对第一负载提供恒定电压；当控制器处于恒定功率模式下时，对第一负载提供恒定功率充电；当控制器处于恒定电流模式、恒定电压模式或恒定功率模式下时，对电压源提供无功电源，以使得从电压源提取的电流基本上是实际的。本发明提供以下技术方案
I.一种充电系统，包括
可充电电池；接口，其被配置成联接到提供电压的电压源；以及
控制器，其被配置成通过所述接口接收电压以及使用所述接收的电压对所述可充电电池再充电，
其中所述控制器进一步被配置成
接收关于电连接到所述电压源的交流(AC)负载的信息；
确定返回到所述电压源的无功电流量，以使得由所述充电系统和所述AC负载从所述电压源提取的电流基本上是实际的；以及
在所述可充电电池被再充电的同时，对所述电压源提供所述已确定的无功电流。2.根据方案I所述的充电系统，其中当所述控制器在恒定电压模式下时，所述控制器对所述可充电电池提供恒定电压，当所述控制器在恒定电流模式下时，所述控制器对所述可充电电池提供恒定电流，并且当所述控制器在恒定功率模式下时，所述控制器对所述可充电电池提供恒定功率。3.根 据方案I所述的充电系统，其中所述控制器进一步被配置成
确定并算出在预定时段内由所述充电系统和所述AC负载提取的无功电流的平均量；
以及
基于所述已确定的无功电流的平均量，在随后的预定时段内对所述电压源提供无功电流。4.根据方案3所述的充电系统，其中所述预定时段是所述电压源的三个循环。5.根据方案I所述的充电系统，其中所述控制器进一步被配置成当由所述充电系统提取的电流超过预定阈值时，减少提供给所述电压源的无功电流量。6.根据方案I所述的充电系统，其中所述控制器进一步包括矩阵转换模块，所述矩阵转换模块包括多个门，所述多个门控制从所述电压源到所述可充电电池的电流的流动，其中所述控制器基于所述控制器所处的模式可选择地操纵所述门。7.根据方案6所述的充电系统，其中所述控制器进一步被配置成取决于所述控制器所处的模式产生参考电流，并且使用所述参考电流来建立非运行时间比率以控制所述多个门。8. 一种电气系统，包括
第一负载；
接口，其被配置成从电压源接收电压；以及
控制器，其被配置成通过所述接口接收电压以及向所述第一负载提供电压和电流，
其中所述控制器进一步被配置成
接收关于电连接到所述电压源的第二负载的信息；
确定返回到所述电压源的无功电流量，以使得由所述电气系统和所述第二负载从所述电压源提取的电流基本上是实际的；以及
对所述电压源提供所述已确定的无功电流。9.根据方案8所述的电气系统，其中当所述控制器在恒定电压模式下时，所述控制器对所述负载提供恒定电压，当所述控制器在恒定电流模式下时，所述控制器对所述负载提供恒定电流，并且当所述控制器在恒定功率模式下时，所述控制器对所述负载提供恒定功率。
10.根据方案8所述的电气系统，其中所述控制器进一步被配置成
确定并算出在预定时段内由所述充电系统和所述AC负载提取的无功电流的平均量；
以及
基于所述已确定的无功电流的平均量，在随后的预定时段内对所述电压源提供无功电流。11.根据方案10所述的电气系统，其中所述预定时段是所述电压源的三个循环。12.根据方案8所述的电气系统，其中所述控制器进一步被配置成当由所述电气系统提取的电流超过预定阈值时，减少提供给所述电压源的无功电流量。13.根据方案8所述的电气系统，其中所述控制器进一步包括矩阵转换模块，所 述矩阵转换模块包括多个门，所述多个门控制从所述电压源到所述第一负载的电流的流动，其中所述控制器基于所述控制器所处的模式可选择地操纵所述门。14.根据方案13所述的电气系统，其中所述控制器进一步被配置成取决于所述控制器所处的模式产生参考电流，并且使用所述参考电流来建立非运行时间比率以控制所述多个门。15.根据方案8所述的电气系统，其中所述控制器进一步被配置成
确定返回到所述电压源的谐波电流量，以使得由所述电气系统和所述第二负载从所述电压源提取的电流基本上是无谐波的；以及对所述电压源提供所述已确定的谐波电流。16. 一种由联接到负载的控制器从电压源到第一负载提供电压和电流的方法，所述方法包括
当所述控制器处于恒定电流模式下时，对所述第一负载提供恒定电流充电；
当所述控制器处于恒定电压模式下时，对所述第一负载提供恒定电压；
当所述控制器处于恒定功率模式下时，对所述第一负载提供恒定功率充电；以及当所述控制器处于所述恒定电流模式、所述恒定电压模式或所述恒定功率模式下时，对所述电压源提供无功电流，以使得从所述电压源提取的电流基本上是实际的。17.根据方案16所述的方法，进一步包括接收关于电连接到所述电压源的第二负载的信息；以及
当所述控制器处于所述恒定电流模式、所述恒定电压模式或所述恒定功率模式下时，对所述电压源提供无功电流，以使得由所述第一负载和所述第二负载从所述电压源提取的电流基本上是实际的。18.根据方案16所述的方法，进一步包括
确定在预定数量的周期内提取的无功电流的平均量，使得在所述预定数量的周期内从所述电压源提取的电流基本上是实际的；以及
基于在随后的预定数量的周期内对所述电压源提供所述已确定的平均无功电流。19.根据方案18所述的方法，其中所述预定时段是所述电压源的三个循环。20.根据方案16所述的方法，进一步被配置成当所述提取的电流超过预定阈值时，减少提供给所述电压源的无功电流量。以简化的形式提供本发明内容来介绍对概念的选择，这种对概念选择将在下面的具体实施方式
中作出进一步的描述。本发明内容既不旨在确定要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不旨在用作对确定要求保护的主题的范围的帮助。
当结合下列附图考虑时，对主题的更彻底的理解可以通过参照详细的描述和权利要求书来得到，其中在整个附图中相似的附图标记表示类似的元件。图I是根据一个实施例的电气系统的框 图2是根据一个实施例的适合于在车辆中使用的另一电气系统的示意 图3是根据一个实施例的适合于与图2的电气系统一起使用的控制过程的流程图；并
且
图4示出根据一个实施例的用于与图2的电气系统一起使用的控制策略。·
具体实施例方式下列详细描述在性质上仅仅是例证性的并且不旨在限制主题的实施例或限制对这样的实施例的应用和使用。如此处所使用的，词语“示例性”是指“充当示例、实例、例证”。在此处被描述为不例性的任何实施方式不一定被理解为相比其它实施方式是优选的或有利的。而且，不存在受到在先前的技术领域、背景技术、发明内容或下面的具体实施方法中所提出的任何明示或默示的理论的限制的意图。下列描述提及“连接”或“联接”在一起的元件或节点或特征。如此处所使用的，除非另有明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征直接并且不一定机械地连接到另一元件/节点/特征(或直接与之通信)。同样地，除非另有明确说明，“联接”意指一个元件/节点/特征直接或间接并且不一定机械地连接到另一元件/节点/特征(或直接或间接地与之通信)。因此，虽然附图可以描绘元件的一个示例性布置，但是另外的中间元件、器件、特征、或部件可以存在于所描述的主题的实施例中。此外，某些术语可以用在下列描述中仅用于参考目的，因此不是限制性的。术语“第一”、“第二”和其它这样的表示结构的数字术语并不暗示着顺序或次序，除非上下文明确指明之外。如此处所使用的，“节点”意指任何内部或外部参考点、连接点、接头、信号线、导电元件等，给定的信号、逻辑电平、电压、数据图案、电流、或量存在于所述节点处。而且，两个或更多节点可以通过一个物理元件实现(和两个或更多信号即使在共同的节点处被接收或输出也能够被多路复用、调制、或以其它方式区别)。图I不出电气系统100的一不例性实施例。电气系统100包括电压或电流源110、电气控制系统120和负载130。电压或电流源110可以是例如电网诸如由电力公司提供给家庭或商业的电网、发电机诸如柴油发电机、太阳能系统、风力涡轮系统或任何其它类型的发电系统、电池系统或它们的任意组合。电压或电流源对控制系统120提供由箭头112表示的电压和由箭头114表示的电流。控制系统120可以包括例如功率转换器和控制器，控制系统120连接在电压或电流源Iio和负载130之间并且对如下文进一步详细描述的负载提供由箭头150表示的电压和由箭头140表不的电流。在一个实施例中，负载130可以是电池，并且电气控制系统120可以控制如何使用电压或电流源110对电池充电。在另一个实施例中，负载130可以是例如电力网或电子装置，并且电气控制系统120控制如何对负载130供应功率。电气控制系统120具有三个模式，该三个模式能够基于负载130的类型、负载130的状态、电压或电流源110的类型和以及电压或电流源110的状态实现。负载130的状态可以是例如负载130两端的当前电压。电压或电流源的状态可以 是例如与从电压或电流源110提取功率相关联的成本和/或当前可从电压或电流源Iio获取的功率量。电气控制系统所处的模式也可以由用户、系统管理员等调节。在第一模式下，电气控制系统120对负载130提供(由箭头140指示的)恒定电流。当电池电荷状态低时，恒定电流模式例如对于对电池充电是有用的。在第二模式下，电气控制系统120对负载130提供(由箭头150表示的)恒定电压。恒定电压例如对于当电池接近满电荷时对电池充电以及对具有电压供给要求的各种电子负载和无源负载是有用的。在一个实施例中，如果负载130是电池，则电气控制系统120可以基于电池的状态例如电池的电荷水平在第一模式和第二模式之间切换。在许多情况下，通过当电池电量低时提供恒定电流并且当电池接近满电荷时提供恒定电压来最有效地对电池充电。在第三模式下，电气控制系统对负载130提供恒定功率，其中提供给负载130的功率量是提供给负载130的电流量140乘以提供给负载130的电压量150。如在下文中进一步详细讨论的，通过对负载130提供固定电流140和固定电压150，或通过控制提供给负载130的电流140和电压150的乘积，可以提供恒定功率。通过对负载130提供恒定功率，电气控制系统120能够限制从电压或电流源110提取的功率量。该模式具有许多优势和用途。如果例如电压源或电流源110是电力网，则在任何给定时间用户能够选择可从电网提取的最大功率量。例如，如果从电网提取功率的成本(例如，基于一天的时间)变化，则用户能够减小在高峰时段期间的最大提取并且增加在非高峰时段的最大提取来减少他们的电费。在另一个实施例中，如果电压或电流源110供应可变功率量(即，如果电压或电流源110是太阳系统、风系统或电池系统)，则电力系统控制器能够基于可用功率来调节供给到负载130的功率量。如上所讨论的，电压或电流源110可以是提供交流电流(AC)功率的住宅或商用电网。当控制系统120以以上讨论的模式中的任一个对负载130提供电流和电压时，从电压或电流源110以及无功功率取出有效(或有功)功率。视在功率是有效功率和无功功率的矢量和的大小。电气系统100的功率因数是有效功率与视在功率的比率，并且通常是在O和I之间的值。由于功率因数接近1，无功或非运行功率接近0，这意味着在配电系统中较少的能量被浪费。如在下文中进一步详细讨论的，控制系统可以从电压或电流源110取出额外的无功功率或将额外的无功功率返回给电压或电流源110，使得感知到基本上仅仅有效功率将由负载130从电压或电流源110被提取(S卩，功率因数是I或接近I)。此外，电气系统100还可以包括另一 AC负载160，其从电压或电流源110接收电压162和电流164。AC负载160也可以从电压或电流源110取出有效功率和无功功率。整个电气系统100的功率因数优选地接近1，其中存在很少甚至不存在耗散功率。负载130和AC负载160可以从电压或电流源110取出不同量的无功功率。因此，在一实施例中，例如，控制系统可以从电压或电流源110取出额外的无功功率或将额外的无功功率返回给电压或电流源110，使得只有有效功率被感知到由负载130和AC负载160两者从电压或电流源110被提取。在其它实施例中，多个AC负载160可以连接到电压或电流源110。相应地，控制系统120能够被配置成将额外的无功功率返回给电压或电流源110或从电压或电流源110取出额外的无功功率，以使得由负载130和所有的AC负载160的感知到的从电压或电流源110提取的功率基本上仅是有效功率。在一个实施例中，例如，AC负载160可能与负载130在相同的住宅或商业综合体内。例如，AC负载160可以是诸如冰箱或洗衣机的电器，或与使用AC功率的负载130在相同的电网上的任何其它AC负载。在另一个实施例中，AC负载160可以与负载130在不同的住宅或商业综合体中，但是与负载130连接到相同的电压或电流源110。图2描绘适合于在诸如例如电动车和/或混合动 力车的车辆中使用的电气系统200(或可替代地，充电系统、充电器或充电模块)的示例性实施例。虽然下文的描述涉及用于电动和/或混合车辆的充电系统，但是本领域中的一个普通技术人员将认识到，可以创建或改进其它电气系统以利用此处所讨论的特征。电气系统200包括但不限于第一接口 202、第一能量转换模块204、隔离模块206、第二能量转换模块208、感应元件210、电容性元件212、第二接口 214、和控制模块216。第一接口 202 —般代表用于将电气系统200联接到DC能量源218的物理接口(例如，端子、连接器等)，并且第二接口 214 —般代表用于将电气系统200联接交流电流(AC)能量源220的物理接口(例如，端子、连接器等)。因此，为了方便起见，第一接口 202在此处可被称为DC接口，并且第二接口 214在此处可被称为AC接口。在一示例性实施例中，控制模块216联接到转换模块204、208并且操纵转换模块204、208以从AC能量源220到DC能量源218实现期望的功率流，如下文更详细地描述的。在一示例性实施例中，DC能量源218 (或可替代地，能量储存源或ESS)能够在(由箭头260指示的)特定DC电压电平(Voc)下从电气系统200接收(由箭头250指示的)直流电流Udc)。根据一个实施例，DC能量源218被实现为具有从约200到约500伏DC的标称DC电压范围的可再充电高电压电池组。就这点而言，DC能量源218可以包括用于在车辆中的另一电气系统和/或电马达的一次能源。例如，DC能量源218可以联接到被构造成对电马达提供电压和/或电流的功率逆变器，该电马达进而可以接合变速器从而以常规方式驱动车辆。在其它实施例中，DC能量源218可以被实现为电池、燃料电池、超级电容器、或另一适当的能量储存元件。AC能量源220 (或电源)被构造成在(由箭头280指示的)特定AC电压电平(&)下对充电系统200提供(由箭头270指示的)AC电流(^)并且可以被实现为用于电力电网内的建筑物、住宅、或另一结构的主电源或主电气系统(例如，市电或电网功率)。根据一个实施例，AC能量源220包括如对于大多数住宅结构来说常见的单相电源，该单相电源取决于地理区域而变化。例如，在美国，AC能量源220可以被实现为在60Hz下220伏(RMS)或240伏(RMS)，而在其它区域，AC能量源220可以被实现为在50Hz下210伏(RMS)或220伏(RMS)。在替代实施例中，AC能量源220可以被实现为适合于与充电系统200 —起运行的任何AC能量源。如下文更详细地描述的，DC接口 202联接到第一转换模块204，并且AC接口 214经由感应元件210联接到第二转换模块208。隔离模块206联接在转换模块204、208之间并且在两个转换模块204、208之间提供电流隔离。控制模块216联接到转换模块204、208并且操纵第二转换模块208以将来自AC能量源220的能量转换成隔离模块206两端的高频能量，该高频能量然后由转换模块204转换成在DC接口 202处的DC能量。应理解，虽然为了解释的目的，在此处可以在电网到车辆应用(例如，AC能量源220将能量输送到DC能量源218)的背景下描述本主题，但是在其它实施例中，可以在车辆到电网应用(例如，DC能量源218将能量输送至AC接口 214和/或AC能量源220)中实现和/或利用在此处描述的本主题。为了对DC能量源218充电，第一转换模块204将节点222和224处的高频能量转换成被提供给DC接口 202处的DC能量源218的DC能量。就这点而言，当将高频AC能量转换DC能量时，第一转换模块204作为整流器运行。在该示出的实施例中，第一转换模块204包括四个切换元件52、54、56和58,且每个切换元件具有被配置成与相应的切换元件反并联以适应双向能量输送的二极管60、62、64和68。如所不出的，电容器226被配置成电并联跨接DC接口 202以减少DC接口 202处的电压纹波，如将在本领域中意识到的。在一示例性实施例中，切换元件52、54、56和58是晶体管，并且可以使用任何适·当的半导体晶体管开关，诸如绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管(例如，M0SFET)，或本领域已知的任何其它可比较的装置来实现。开关和二极管是反并联的，意味着开关和二极管以相反的或颠倒的极性电并联。反并联配置允许双向电流流动同时单向地阻止电压，如将在本领域中意识到的。在这种配置中，流过开关的电流方向与流过各个二极管的容许电流的方向相反。当各个开关断开时，反并联二极管跨接在每个开关两端以对DC能量源218提供电流路径用于对DC能量源218充电。如下文更详细地描述的，在一示例性实施例中，控制模块216操纵第一转换模块204的开关以提供从DC能量源218到隔离模块206的电流路径以在第二转换模块208的节点234、236处提供注入电流。在该示出的实施例中，开关52连接在DC接口 202的节点228和节点222之间并且被配置成当开关被合上时提供从节点228到节点222的电流流动路径。二极管60连接在节点222和节点228之间并且被配置成提供从节点222到节点228的电流流动路径(例如，二极管60反并联到开关52)。开关54连接在DC接口 202的节点230和节点222之间并且被配置成当开关54被合上时提供从节点222到节点230的电流流动路径，而二极管62连接在节点222和节点230之间并且被配置成提供从节点230到节点222的电流流动路径。以类似的方式，开关56连接在节点228和节点224之间并且被配置成当开关56被合上时提供从节点228到节点224的电流流动路径，二极管64连接在节点224和DC接口 202之间并且被配置成提供从节点224到节点228的电流流动路径，开关58连接在节点230和节点224之间并且被配置成当开关58被合上时提供从节点224到节点230的电流流动路径，并且二极管66连接在节点224和DC接口 202之间并且被配置成提供从节点230到节点224的电流流动路径。在一示例性实施例中，第二转换模块208有利于电流(或能量)从AC能量源220和/或感应元件210到隔离模块206的流动。在该示出的实施例中，以与以上阐明的关于第一转换模块204类似的方式，第二转换模块208被实现为包括八个切换元件20、22、24、26、28、30、32和34的前端单相矩阵转换器，且每个切换元件具有被配置成反并联到各自的切换元件的二极管36、38、40、42、44、46、48和50。为了方便，但无限制性，第二转换模块208在此处可以可替代地被称为矩阵转换模块(或矩阵转换器)或循环换流器。如下文更详细地描述的，控制模块216调制(例如，断开和/被闭合)矩阵转换器208的开关20、22、24、26、28、30,32和34以在节点222、224处产生高频电压，该高频电压实现到DC接口 202和/或DC能量源218的期望的功率流。在图2的示出的实施例中，第一对开关20和22和二极管36和38联接在节点232和节点234之间，且第一对的开关和反并联二极管(例如，20和36)被配置成具有与第二对的开关和反并联二极管(例如，22和38)相反的极性。以这种方式，开关20和二极管38被构造成当开关20被合上、接通、或以其它方式激活时，提供从节点234通过开关20和二极管38到节点232的电流流动路径，并且节点234处的电压比节点232处的电压更为正的。开关22和二极管36被构造成当开关22被合上、接通、或以其它方式激活时提供从节点232通过开关22和二极管36到节点234的电流流动路径，并且节点232处的电压比节点234处的电压更为正的。以类似的方式，第二对开关24和26以及二极管40和42联接在节点236和节点238之间，第三对开关28和30以及二极管44和46联接在节点232和节点236之间，第四对开关32和34以及二极管48和50联接在节点234和节点238之间。 在该示出的实施例中，开关20、24、28和32包括第一组开关，当通过感应元件210的电流沿负方向流动(例如，厶< O)时，该第一组开关能够使通过感应元件210的电流(iz)(由箭头290指示的)从节点232到节点238变换方向，并且开关22、26、30和34包括第二组开关，当通过感应元件210的电流沿正方向流动(例如，iL > O)时,该第二组开关能够使通过感应元件210的电流从节点238到节点232变换方向，如下文更详细地描述的。换言之，开关20、24、28和32能够传导沿负方向流动通过感应元件210的电流(例如，iz < O)的至少一部分，并且开关22、26、30和34能够传导沿正方向流动通过感应元件210的电流(例如，iL > O)的至少一部分。如此处所使用的，换向(commutating)应被理解为如下过程使通过感应元件210的电流循环通过矩阵转换器208的开关和二极管，以使得通过感应元件210的电流的流动不被中断。在一示例性实施例中，隔离模块206包括连接在第一转换模块204的节点222、224之间的第一组绕组244和连接在节点234、236之间的第二组绕组246。为了解释的目的，绕组246在此处可以被视为包括一次绕组阶段(或一次绕组)，所述一组绕组244在此处可以被视为包括二次绕组阶段(或二次绕组)。绕组244、246提供以常规方式磁性地联接的感应元件以形成变压器，如将在本领域中意识到的。在一示例性实施例中，隔离模块206被实现为高频变压器。就这点而言，隔离模块206包括如下变压器该变压器设计用于高频下的特定功率电平，诸如转换模块204、208的开关的切换频率(例如，50 kHz),导致变压器的实际尺寸相对于设计用于在诸如AC能量源220的频率(例如，市电频率)的较低频率下的相同功率电平的变压器减小。在一示例性实施例中，感应元件210被实现为如下感应器该感应器被配置成电串联在矩阵转换器208的节点232和AC接口 214的节点240之间。因此，为了方便起见，但无限制性，感应元件210在此处被称为感应器。感应器210在电气系统200的运行期间用作高频感应能量储存元件。电容性元件212被实现为联接在AC接口 214的节点240和节点242之间的电容器，并且电容器212和感应器210共同地被配置成提供高频滤波器以最小化AC接口 214处的电压纹波，如将在本领域中意识到的。
控制模块216 —般代表被配置成操作/或调整转换模块204、208的开关以实现从AC能量源220到DC能量源218的期望的功率流的硬件、固件和/或软件。取决于该实施例，控制模块216可以采用被设计用来支持和/或执行此处所描述的功能的通用处理器、微处理器、微控制器、内容可寻址存储器、数字信号处理器、特殊应用集成电路、可现场编程门陈列、任何适当的可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件、或其任何组合来实施或实现。在电网到车辆应用的正常运行期间，控制模块216确定控制矩阵转换器208的开关20-34的正时和负载循环的脉冲宽度调制(PWM)命令信号以在隔离模块206的一次绕组246的两端产生高频AC电压，这感应在节点222、224处的二次绕组244的两端的电压，该电压产生流向DC接口 202的期望的电流(ii)以对DC能量源218充电。例如，根据一个实施例，控制模块216产生正弦PWM可变负载循环控制信号，控制状态机转换并且因此控制开关 (20-34)的负载循环以在切换间隔(例如，切换频率的倒数)期间实现适当的切换模式。控制模块216获得、监测DC接口 202处的电压(K,)或对该电压取样并且将获得的DC电压与参考电压(例如，DC接口 202的期望的电压)相比较以获得误差信号，将该误差信号与对应于切换频率(例如，50 kHz)的高频载波信号相比较以获得正弦PWM调制的负载循环。当该误差信号小于载波信号时，控制模块216操作开关20-34以有效地使节点232、238短路并且使能量通过矩阵转换器208循环以在感应器210两端施加电压。当该误差信号大于载波信号时，控制模块216操纵开关(20-34)以释放感应器210的储存的能量和/或电压(替代地，回扫电压)。回扫电压和AC接口 214处的电压的和被施加到隔离模块206的一次绕组246，导致功率转移到节点222、224和/或DC能量源218。控制模块216重复以下步骤当误差信号变得小于载波信号时，操作开关(20-34)以使能量通过矩阵转换器208循环，以及当误差信号大于载波信号时，释放感应器210的存储的能量。以这种方式，在充电系统200的整个运行中，矩阵转换器208根据需要在使能量通过感应器210循环和将该能量输送至隔离模块206和/或DC接口 202之间交替。AC能量源220还连接到AC负载292。如上所讨论的，AC负载292可以是使用AC功率并且连接到与电气系统200相同的AC能量源220的任何电气装置。如在下文中进一步详细讨论的，控制模块216确定由电气系统200和AC负载292使用的有功和无功功率并且要么取出更多无功功率要么返回更多的无功功率，以使得从AC能量源的角度来讲由电气系统200和AC负载292提取的功率基本上是实际的。应理解，为了解释的目的，图2是电气系统200的简化表征并且不旨在以任何方式限制此处所描述的主题的范围或适用性。因此，虽然图2描绘电路元件和/或端子之间的直接电连接，但是替代实施例可以利用中间电路元件和/或部件同时以基本上类似的方式运行。另外，虽然在此处在车辆的矩阵转换器208的背景下描述了电气系统200，但是本主题不旨在是限制于车辆应用和/或汽车应用，并且在此处所描述的本主题可以在如下任何应用中实现其中能量转换模块(例如，降压转换器、升压转换器、功率逆变器，电流源逆变器和/或转换器，电压源逆变器和/或转换器等)被利用以使用切换元件来转移能量。现在参照图3，在一示例性实施例中，电气系统可以被配置成执行控制过程300和另外任务、功能、以及操作，如下所述。各种任务可以通过软件、硬件、固件、或其任何组合来执行。为了说明的目的，下列描述可以结合图2来提及上述元件。实际上，任务、功能、和操作可以由所描述的系统的不同的元件执行，所述不同的元件诸如第一转换模块204、隔离模块206、矩阵转换器208和/或控制模块216。应理解，许多另外的或替代任务可以被包括并且可以被合并到具有在此处未详细描述的另外的功能的更广泛的程序或过程中。参照图3，并且继续参照图2，控制过程300以获得DC接口处的电压和获得感应器电流(任务302、304)初始化或开始。例如，控制模块216可以(例如，经由被配置在感应器210和节点232或节点240之间的电流传感器)获得、采样、或测量DC接口 202处的电压和通过感应器210的电流。控制过程300继续确定矩阵转换器的开关的PWM命令信号(任务306)。就这点而言，控制模块216以如上在图2的背景下所描述的类似的方式利用高频PWM来调整或操纵矩阵转换器208的开关20-34以在二次绕组244的输出端222、224处提供期望的电压、电流或功率。PWM命令信号在切换间隔(或PWM循环)内控制矩阵转换器208的各自开关20-34的正时，即各自开关被闭合、接通、或被激活的时间。
例如，再次参照图2，当感应器电流在正方向(例如，iz > O)上时，控制模块216同时合上(或接通)开关22、26、30和34以使感应器电流(iz)通过矩阵转换器208循环或环流以在感应器210两端施加电压。为了释放感应器210的存储的能量和/或电压以及传送二次绕组244两端的正电压(或通过二次绕组244的正电流)，控制模块216在将开关30和34维持在合上状态的同时断开(或切断)开关22和26，使得仅开关30和34传导感应器电流(iz)经由一次绕组246从节点232到节点238以在一次绕组246的两端施加正电压。在特别的时间量之后，控制模块216合上开关22和26以使能量通过矩阵转换器208循环，如上所阐明的。为了传送二次绕组244两端的负电压(或通过二次绕组244的负电流)，控制模块216在将开关22和26维持在合上状态的同时断开(或切断)开关30和34，使得仅开关22和26传导感应器电流(iz)经由一次绕组246从节点232到节点238以在一次绕组246的两端施加负电压。当开关22、26、30和34被合上的正时以及开关22、26、30和34被合上的持续时间(即，负载循环)由控制模块216确定以在二次绕组244的输出端222、224处提供期望的电压(或电流)，如上所述。以类似的方式，当感应器电流在负方向(例如，iL < O)时，控制模块216同时合上(或接通)开关20、24、28和32以使感应器电流(iz)通过矩阵转换器208循环或环流。为了释放感应器210的存储的能量和/或电压以及传送二次绕组244两端的正电压(或通过二次绕组244的正电流)，控制模块216在将开关20和24维持在合上状态的同时断开(或切断)开关28和32，使得仅开关20和24传导感应器电流从节点238经由一次绕组246到节点232以释放感应器210的存储的能量并且在一次绕组246的两端施加正电压。在特别的时间量之后，控制模块216合上开关28和32以使能量通过矩阵转换器208循环，如上所阐明的。为了传送二次绕组244两端的负电压(或通过二次绕组244的负电流)，控制模块216在将开关28和32维持在合上状态的同时断开(或切断)开关20和24，使得仅开关28和32传导感应器电流从节点238经由一次绕组246到节点232以释放感应器210的存储的能量并且在一次绕组246的两端施加负电压。当开关20、24、28和32被合上的正时以及开关20、24、28和32被合上的持续时间(即，负载循环)由控制模块216确定以在二次绕组244的输出端222、224处提供期望的电压(或电流)，如上所述。再次参照图3，并且继续参考图2，根据一个实施例，控制过程300确定电流注入是否应被启用(任务308)。就这点而言，控制模块216可以将所获得的感应器电流(iz)与一个或更多个阈值相比较以确定电流注入是否应被启用或禁用。例如，在一实施例中，控制模块216 (例如，通过取样和/或读取来自电流传感器的值)获得感应器电流(iz)的测量值，并且基于最近所获得的感应器电流(iz)的值和先前所获得的感应器电流的值确定感应器
电流的移动平均值(ijX确定移动
平均值减少了对感应器电流的测量值的噪声效应，如将在本领域中意识到的。当电流注入在先前的切换间隔内未被以前启用时，控制模块216将感应器电流的移动平均值的大小与第一阈值相比较，并且当移动平均值的大小大于第一阈值时启用电流注入。就这点而言，第一阈值被挑选为十分可能在矩阵转换器208的开关的两端产生将超过开关20-34的击穿电压的瞬时电压峰值的通过感应器210的电流的大小的值。当电流注入在先前的切换间隔内被启用时，控制模块216将移动平均值的大小与第二阈值相比较，并且当移动平均值的大小小于第二阈值时禁用电流注入。在一不例性实施例中，第一阈值大于第二阈值以提供滞后作用并且防止控制过程300在启用和禁用电流注入之间振荡。例如，根据一个实施例，第一阈值被挑选为约4安培并且第二阈值被挑选为约2安培。应注意，在一些实施例中，电流注入可以总是被启用，无论感应器电流的大小。·在一示例性实施例中，响应于确定电流注入不应被启用(或替代地，电流注入应被禁用)，控制过程300继续基于矩阵转换器的开关的PWM命令信号来操作矩阵转换器(任务310)。以这种方式，当电流注入被禁用时，控制模块216根据先前已确定的PWM命令信号来操纵矩阵转换器208的开关20-34以在使电流通过矩阵转换器208感应器循环和将能量输送至DC接口 202和/或DC能量源218之间交替，如上所述。由任务302、304、306、308限定的循环可以在电气系统200的整个运行中重复直到感应器电流超过第一阈值并且控制过程300确定电流注入应被启用为止。响应于确定电流注入应被启用，控制过程300继续确定PWM命令信号用于将电流通过隔离模块的一次绕组注入到矩阵转换器(任务312)。在一示例性实施例中，基于DC接口 202处的电压(K,)和感应器电流，控制模块216确定用于操作第一转换模块204的开关52-58的正时和负载循环(或脉冲宽度)以提供通过一次绕组246的注入电流以减小通过矩阵转换器208的闭合的开关中的一个或更多个的电流，并且当矩阵转换器208的一个或更多个开关随后被断开时，控制模块216防止超过开关20-34的击穿电压的瞬时电压峰值。在一示例性实施例中，控制模块216实现二维查询表并且基于感应器电流(iz)的绝对值和DC接口 202处的电压(K,)确定开关52-58的正时和负载循环。就这点而言，查询表包括用于同时接通相应的一对开关52-58的负载循环(或脉冲宽度)的值以及当相应的开关52-58相对于断开矩阵转换器208的一对开关应被接通/切断以将能量传送至DC接口 202的正时。控制模块216基于通过隔离模块206的电流的预期方向来识别或确定要被同时合上以提供注入电流的那对开关52-58。例如，基于感应器电流(iz)的方向和/或矩阵转换器208的开关20-34的PWM命令信号，在矩阵转换器208被操纵以对一次绕组246施加负电压之前，控制模块216将开关52和58识别为将被合上以提供从节点234到节点236通过一次绕组246的注入电流的一对开关，并且在矩阵转换器208被操作以对一次绕组246施加正电压之前，控制模块216将开关54和56识别为将被合上以提供从节点236到节点234通过一次绕组246的注入电流的一对开关，如下文更详细地描述的。在确定用于提供通过隔离模块的一次绕组的注入电流的PWM命令信号之后，控制过程300继续基于用于矩阵转换器的开关的PWM命令信号来操作矩阵转换器并且在将能量输送至DC接口和/或DC能量源之前提供通过一次绕组的注入电流(任务314、316)。以这种方式，控制模块216根据先前已确定的PWM命令信号来操纵矩阵转换器208的开关20-34以在使感应器电流(iz)通过矩阵转换器208循环和将能量输送至DC接口 202和/或DC能量源218之间交替。控制模块216根据先前已确定的PWM命令信号来操纵第一转换模块204的开关52-58用于注入通过隔离模块206的一次绕组246的电流以传导通过二次绕组244的电流，并且在断开矩阵转换器208的一个或更多个开关以将能量传送至DC接口 202和/或DC能量源218之前感应或提供通过一次绕组246的注入电流。在电气系统200的整个运行中，由任务302、304、306、308、310、312、314和316限定的循环可以根据需要重复。图4示出能够例如由控制模块216实现的示例性控制策略400。控制策略包括恒定电压模式、恒定电压模式和恒定功率模式。控制策略(即，恒定电压、电流或功率)中的每一个产生参考电流Iref，参考电流Iref然后被用来计算断开时间占空比Uref。Uref然后 被输入到控制模块216并且被用来产生用于矩阵转换器的开关20-34和52-58的PWM命令信号，如上所述。此外，控制模块216被构造成在控制模式中的每一个中，从AC接口 214取出更多无功电流或将额外的无功电流返回到AC接口 214，以使得由电气系统200和AC负载292从AC能量源220提取的功率从AC能量源的角度来说基本上是实际的，如在下文中进一步详细讨论的。为了确定当在恒定电压模式下运行时的参考电流Iref，控制模块216首先确定对电池充电所需的电压Vref并且测量电池两端的当前电压Vout。然后，在块410中，控制器计算方程(I)的结果。
Vref2 Vout2、
~^^一--(I)
22
块410的电压输出然后被输入到电压调节器412。电压调节器412可以以这样的方式设计为针对在方程(I)中描述的按比例调整的能量误差(例如，低于30Hz)提供低通功能，同时为外电压回路带宽频率提供相升压以能够获得期望的相位裕度(例如，>45度)。基于块410的输出，电压调节器412输出功率Pref。然后，在块414中，控制器根据方程(2)用功率Pref乘以输入AC电压和RMS AC电压的平方的比率。
{ Fac ')
ire/ = Pre/ x ---j(2)
\VacrmB J
块414的输出是用来产生断开时间占空比的参考电流Iref，如下文进一步详细描述的。为了当在恒定电流模式下运行时确定参考电流Iref，控制模块216首先确定期望的电池电流Idcref和实际电池电流Ibattery。然后，估计器420根据方程(3)至(5)计算对应于从AC能量源220提取的电流的电流Iacmax。
τIff 8 ■ Vbut2 ■ Idcref21 r 2、..
lac max !u I = --- + leap max(3)
來1 3-Fac max2 JJ
Iac max ((i +1) ) = lac max( kTs) + kpfjdcrqf (kTs) - lhaiieryrms (kTs))(4)
权利要求
1.一种充电系统，包括 可充电电池； 接口，其被配置成联接到提供电压的电压源；以及 控制器，其被配置成通过所述接口接收电压以及使用所述接收的电压对所述可充电电池再充电， 其中所述控制器进一步被配置成 接收关于电连接到所述电压源的交流(AC)负载的信息； 确定返回到所述电压源的无功电流量，以使得由所述充电系统和所述AC负载从所述电压源提取的电流基本上是实际的；以及 在所述可充电电池被再充电的同时，对所述电压源提供所述已确定的无功电流。
2.根据权利要求I所述的充电系统，其中当所述控制器在恒定电压模式下时，所述控制器对所述可充电电池提供恒定电压，当所述控制器在恒定电流模式下时，所述控制器对所述可充电电池提供恒定电流，并且当所述控制器在恒定功率模式下时，所述控制器对所述可充电电池提供恒定功率。
3.根据权利要求I所述的充电系统，其中所述控制器进一步被配置成 确定并算出在预定时段内由所述充电系统和所述AC负载提取的无功电流的平均量；以及 基于所述已确定的无功电流的平均量，在随后的预定时段内对所述电压源提供无功电流。
4.根据权利要求3所述的充电系统，其中所述预定时段是所述电压源的三个循环。
5.根据权利要求I所述的充电系统，其中所述控制器进一步被配置成当由所述充电系统提取的电流超过预定阈值时，减少提供给所述电压源的无功电流量。
6.根据权利要求I所述的充电系统，其中所述控制器进一步包括矩阵转换模块，所述矩阵转换模块包括多个门，所述多个门控制从所述电压源到所述可充电电池的电流的流动，其中所述控制器基于所述控制器所处的模式可选择地操纵所述门。
7.根据权利要求6所述的充电系统，其中所述控制器进一步被配置成取决于所述控制器所处的模式产生参考电流，并且使用所述参考电流来建立非运行时间比率以控制所述多个门。
8.—种电气系统,包括 第一负载； 接口，其被配置成从电压源接收电压；以及 控制器，其被配置成通过所述接口接收电压以及向所述第一负载提供电压和电流， 其中所述控制器进一步被配置成 接收关于电连接到所述电压源的第二负载的信息； 确定返回到所述电压源的无功电流量，以使得由所述电气系统和所述第二负载从所述电压源提取的电流基本上是实际的；以及 对所述电压源提供所述已确定的无功电流。
9.根据权利要求8所述的电气系统，其中当所述控制器在恒定电压模式下时，所述控制器对所述负载提供恒定电压，当所述控制器在恒定电流模式下时，所述控制器对所述负载提供恒定电流，并且当所述控制器在恒定功率模式下时，所述控制器对所述负载提供恒定功率。
10.一种由联接到负载的控制器从电压源到第一负载提供电压和电流的方法，所述方法包括 当所述控制器处于恒定电流模式下时，对所述第一负载提供恒定电流充电； 当所述控制器处于恒定电压模式下时，对所述第一负载提供恒定电压； 当所述控制器处于恒定功率模式下时，对所述第一负载提供恒定功率充电；以及当所述控制器处于所述恒定电流模式、所述恒定电压模式或所述恒定功率模式下时，对所述电压源提供无功电流，以使得从所述电压源提取的电流基本上是实际的。
全文摘要
本发明涉及用于基于控制策略向负载提供功率的系统和方法。提供了用于电气系统的系统和方法。该电气系统例如包括第一负载；接口，其被配置成从电压源接收电压；以及控制器，其被配置成通过该接口接收电压以及对该第一负载提供电压和电流。该控制器还可以进一步被配置成接收关于电连接到电压源的第二负载的信息，确定返回到电压源的无功电流量，以使得由电气系统和第二负载从电压源提取的电流基本上是实际的，以及对电压源提供已确定的无功电流。
文档编号H02J7/10GK102969778SQ201210317459
公开日2013年3月13日 申请日期2012年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者M.佩里西克, C.P.劳伦斯, R.M.兰索姆, L.A.卡尤克 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司