可变电压控制器的制作方法

本公开涉及可变电压控制器。

背景技术：

电机和相关联的逆变器从母线汲取电力。可变电压控制器(vvc)可调节母线电压，以满足电机和逆变器对变化电压的需求。vvc通常具有升压转换器结构，所述升压转换器结构包括两个高速开关(例如，igbt)，所述高速开关被配置为选择性地从电感传导电流。高速开关会造成大量的开关损耗，电感器可能需要额外的冷却或使逆变器系统增加不必要的体积。

技术实现要素：

一种车辆包括连接到储能装置的逆变器，所述储能装置具有可变输出电压并且包括第一对电池分区。所述车辆包括控制器，所述控制器被配置为：操作第一组开关对第一对电池分区之间的电连接进行布置，使得所述可变输出电压大于第一对电池分区中的一个电池分区的电池电压。开关的操作是响应于指示电机的转速的参数超过第一预定阈值的，所述电机电连接到所述逆变器。

一种车辆包括连接到储能装置的逆变器，所述储能装置具有可变输出电压并且包括第一对电池分区。所述车辆包括控制器，所述控制器被配置为：操作第一组开关对第一对电池分区之间的电连接进行布置，使得所述可变输出电压等于所述电池分区中的一个电池分区的电池电压。开关的操作是响应于指示电机的转速的参数下降到第二预定阈值以下的，所述电机电连接到所述逆变器。

根据本发明的一个实施例，第一预定阈值低于与电机的转速相关联的电压需求。

一种车辆包括连接到储能装置的逆变器，所述储能装置具有可变输出电压并且包括模块化的电池分区组。所述车辆包括控制器，所述控制器被配置为：操作被配置为将模块化的电池分区组组织为串联布置和并联布置的开关组，使得所述可变输出电压与所述逆变器的基于预定范围的电压要求相一致。所述操作是响应于电机的转速落在多个预定范围中的一个预定范围内的，所述电机电连接到所述逆变器。

根据本发明的一个实施例，所述布置限定每个电池分区彼此串联。

根据本发明的一个实施例，所述布置限定每个电池分区彼此并联。

根据本发明的一个实施例，第一预定范围低于与电机的转速相关联的电压需求。

附图说明

图1是vvc向母线供电的示意图，所述母线向逆变器供电，所述逆变器连接到车辆的马达和发电机；

图2是vvc向母线供电的示意图，所述母线向车辆的马达和发电机供电，所述车辆包括第一电池分区对和第二电池分区对；

图3a是vvc向母线供电的示意图，所述母线向车辆的马达和发电机供电，所述车辆包括被组织为并联的第一电池分区对和第二电池分区对，每个电池分区对具有并联的电池分区；

图3b是图3a中的vvc的示意性表示；

图4a是vvc向母线供电的示意图，所述母线向车辆的马达和发电机供电，所述车辆包括被组织为串联的第一电池分区对和第二电池分区对，每个电池分区对具有串联的电池分区；

图4b是图4a中的vvc的示意性表示；

图5a是vvc向母线供电的示意图，所述母线向车辆的马达和发电机供电，所述车辆包括被组织为并联的第一电池分区对和第二电池分区对，每个电池分区对具有串联的电池分区；

图5b是图5a中的vvc的示意性表示；

图6是用于控制vvc的开关的算法；

图7是描绘第一阈值、第二阈值、死区和开关瞬变的曲线图。

具体实施方式

在此描述了本公开的实施例。然而，应该理解的是，所公开的实施例仅仅是示例，并且其它实施例可采用各种替代形式。附图无需按比例绘制；可夸大或缩小一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种方式利用本发明的代表性基础。本领域普通技术人员将理解的是，参照任一附图示出并描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征相组合，以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，针对特定应用或实施方式，可期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。

根据所附连的电机的转速要求和转矩要求，逆变器可具有变化的电压需求。例如，较高的电机转速需求可能需要较高的逆变器母线电压。意思是，逆变器母线电压必须是可变的，以提供较宽范围的可用马达转速而没有损耗。母线电压可通过组织开关和电池分区来调节。开关可组织电池分区之间的连接，以将分区布置为并联或串联。这种组织改变整个储能装置的电压输出。

开关可以是任何类型的连接和断开工具。通常，igbt用于类似的vvc应用；然而，这种高频开关不是必要的。低频开关(例如，螺线管，继电器)可被用于组织电池分区和电池分区对。可使用其它类型的开关或连接机构(例如，mosfet、bjt)。

参照图1，示出了电驱动系统100。电驱动系统100包括储能装置102。储能装置102可包括多个能量源。例如，电容器、化学电池、整流器、换向器、光伏电池、燃料电池等。储能装置可包括一对电池分区104、106。电池分区104、106可以是以上列出或没有列出的任意能量源。例如，电池分区104、106可以是电池总成的电池模块。电池总成通常包括数十个或数百个单独的电池模块。电池模块104、106可包括锂离子、镍镉或其它电池化学成分。

控制器101可被配置为操作开关组108，以布置第一电池分区104和第二电池分区106之间的电连接。如上所述，开关可以是任意类型的。开关组108包括第一开关s1110、第二开关s2114和第三开关s3112。当s1110和s2114闭合且s3112断开时，在电池分区104、106和母线vdc122之间形成并联电路。当s1110和s2114断开且s3112闭合时，在电池分区104、106和母线vdc122之间形成串联电路。dc链路电容器120可用于稳定vdc122的母线电压。vdc122向连接到相同或不同的电机128、130的至少一个逆变器124、126供电。逆变器124、126可包括独立于开关组108的开关。逆变器124、126使用脉冲宽度调制(pwm)来产生用于电机128、130的正弦信号。电机可运行在驱动模式或发电模式下。

开关组108可被配置为响应于马达128的转速超过预定阈值而组织电池分区104、106。例如，具有超过1000转每分钟的转速的马达128可能需要较高的母线电压(vdc122)以达到或保持这样的转速。储能装置102可被组织为使得电池模块104、106串联以增大储能装置102的输出电压。以类似的方式，开关组108可被配置为响应于马达128的转速小于预定阈值而组织电池分区104、106。例如，具有低于1000转每分钟的转速的马达128可能需要较低的母线电压(vdc122)。储能装置102可被组织为使得电池模块104、106并联以降低储能装置102的输出电压。控制器101可被配置为根据电机128、130的转速来编排开关位置。

控制器101可被配置为预测阈值转变，以保证逆变器有充足的电压可用。例如，在加速或减速事件期间，电机可具有变化率。控制器可被配置为：在预期马达转速超过阈值的情况下，通过组织或布置开关来预先提高储能装置102的输出电压。预先变化可基于开关的开关时间。例如，继电器可能在致动后需要15ms才能稳定。因此，控制器101可被配置为至少在超过阈值之前15ms时布置开关组108，这是基于电机的瞬时变化率或历史变化率的。

多个逆变器124和126以及电机128和130可以从相同的电压母线122汲取电力。控制器101可选择电机128和130中的一个作为电压要求的基础。例如，控制器101可使用处于马达模式的电机128、130。控制器101可使用驱动电机128的转速作为电压要求的基础。控制器101可使用马达转速和发电机转速的组合作为电压要求的基础。控制器101可使用来自一个驱动电机128的最高电压要求。

参照图2至图5b，示出了电驱动系统200。电驱动系统200包括储能装置232。如上所述，储能装置232可包括多个能量源。储能装置232可包括第一电池分区对202(204和206)。第一电池分区对202(204和206)可以是以上列出或没有列出的任何能量源。如上所述，第一对电池分区对202(204和206)可以是电池总成的电池模块。储能装置232可包括第二电池分区对242(244和246)。第二电池分区对242(244和246)可以是以上列出或没有列出的任何能量源。第二电池分区对242(244和246)可以是如上所述的电池总成的电池模块或单独的电池总成。第一电池分区对202和第二电池分区对242分别包括第一开关组208和第二开关组248。第三开关组260可被配置为对第一电池分区对202和第二电池分区对242之间的电连接进行布置。

控制器201可被配置为操作开关组208、248，以布置第一电池分区对202(204和206)之间的电连接以及第二电池分区对242(244和246)之间的电连接。开关组208、248和260中的每个开关组包括第一开关(s1210、s4250、s7262)、第二开关(s2214、s5254、s8266)和第三开关(s3212、s6252、s9264)。

当s1210和s2214闭合且s3212断开时，在电池分区204和206之间形成并联电路。当s1210和s2214断开且s3212闭合时，在电池分区204和206之间形成串联电路。当s4250和s5254闭合且s6252断开时，在电池分区244和246之间形成并联电路。当s4250和s5254断开且s6252闭合时，在电池分区244和246之间形成串联电路。

储能装置232的第一电池分区对202和第二电池分区对242可通过第三开关组260进行布置。当s7262和s8266闭合且s9264断开时，在第一电池分区对202以及第二电池分区对242与母线vdc222之间形成并联电路。当s7262和s8266断开且s9264闭合时，在第一电池分区对202以及第二电池分区对242与母线vdc222之间形成串联电路。

dc链路电容器220可用于稳定vdc222母线电压。vdc222向连接到相同或不同的电机228、230的至少一个逆变器224、226供电。逆变器224、226可包括独立于开关组208、248、260的开关。逆变器224、226使用脉冲宽度调制(pwm)来产生用于电机228、230的正弦信号。电机可运行在驱动模式或发电模式下。

储能装置232可被配置为向逆变器224提供任意数量的电压值。例如，储能装置232可具有四个电池模块，每个电池模块具有100伏的输出。在并联配置中，储能装置232的电压输出为100伏。在混合配置中，储能装置232的电压输出为200伏。在串联配置中，储能装置232的电压输出为400伏。

如图3a和图3b所示，电池模块204、206、244、246可被布置为在每个电池分区对202、242中并联，并且第一电池分区对202和第二电池分区对242可被布置为并联，示意性地形成完全并联的电驱动系统300。并联电驱动系统300具有储能装置380，储能装置380具有分别与母线vdc322和dc链路电容器320并联的电池模块304、306、344、346。母线上的电压vdc322向连接到电机328、330的一对逆变器324、326供电。vdc322等于电池模块304、306、344、346中的一个的电压。可以使用任意数量的逆变器或电机。多个逆变器可为单个电机供电，反之亦然。

如图4a和图4b所示，电池模块204、206、244、246可被布置为在每个电池分区对202、242中串联，并且第一电池分区对202和第二电池分区对242可被布置为串联，示意性地形成完全串联的电驱动系统300。串联电力驱动系统300具有储能装置380，储能装置380具有均与母线vdc322和dc链路电容器320串联的电池模块302、304、342、344。母线上的电压vdc322向连接到电机328、330的一对逆变器324、326供电。vdc322等于电池模块302、304、342、344的电压总和。可以使用任意数量的逆变器或电机。多个逆变器可为单个电机供电，反之亦然。

如图5a和图5b所示，电池模块204、206、244、246以及第一电池分区对202和第二电池分区对242可被布置为并联电路和串联电路的混合组合以形成期望的输出电压。例如，第一电池分区对202和第二电池分区对242可被布置为并联，并且电池模块204和电池模块206可被布置为串联，电池模块244和电池模块246可被布置为串联，示意性地形成具有可变电压的电驱动系统300。电驱动系统300具有储能装置380，储能装置380具有均与母线vdc322和dc链路电容器320串联的电池模块304和306、均与母线vdc322和dc链路电容器320串联的电池模块344和346以及与母线vdc322和dc链路电容器320并联的第一电池分区对202和第二电池分区对242。母线上的电压vdc322向连接到电机328、330的一对逆变器324、326供电。vdc322等于电池模块304和306的电压总和或者电池模块344和346的电压总和。可以使用任意数量的逆变器或电机。多个逆变器可为单个电机供电，反之亦然。

参照图6，示出了流程图400。流程图400可以作为用于实施本公开的教导的算法被嵌入在控制器中。控制器可以是处理器、存储器和用于控制机械、接收用户输入及协调车辆功能的其它硬件的任何组合。控制器可以是分开且不同的装置或单个实体。在步骤402，处理开始。在步骤404，监测电机加速度。电机加速度提供用于预测性分析的信息。在步骤406，确定或检索用于开关转换的最大时间。用于开关转换的最大时间可基于需要转换的开关的数量、需要致动的开关闭合所需的平均时间、需要致动的开关中的一个闭合所需的最大时间或其它方法。在步骤408，确定加速度的符号。

以正加速度跨过预定阈值可能需要主动切换以确保针对电机转速有可用于逆变器的足够的电压。例如，逆变器可能需要高于300伏的电压以向转速高于预定阈值(例如，1000rpm)的电机提供驱动信号。为了确保合适的转矩传递，控制器可对开关进行布置，以在需要电压之前提供足够的电压。如果马达正在加速(如在步骤408所确定的)，则控制器可在步骤414基于加速度的大小或其它因素(例如，驾驶历史、环境)而预期跨过阈值。在步骤416，控制器操作开关对电池模块之间的电连接以及电池模块对之间的电连接进行布置以满足逆变器电压要求，使得在跨过所需的阈值之前执行转换。例如，如果平均开关闭合时间为15ms并且基于马达的加速度预期逆变器和马达在30ms内需要较高的电压，则控制器可在10ms内将开关闭合，以确保在需要较高的电压之前满足电压要求。

如果电机正在减速，则控制器可被配置有死区，以确保有充足的电压可用，以防转速或转矩命令波动。在步骤408，在确定加速度符号之后，控制器可在步骤410确定马达是否已跨过阈值加死区。控制器可被配置为：操作开关对电连接进行布置，以满足逆变器的电压要求，使得在跨过阈值和死区之后执行转换。控制器可在跨过预定阈值之后等待一段时间再致动开关以降低储能装置的电压。控制器可在降低电压之前等待一段时间，或者建立作为预定阈值的特定比例(例如，10％)的死区。在步骤418，重复该算法。

参照图7，示出了曲线图500。曲线图500包括电机转速曲线502。电机转速曲线502可与逆变器为获得这种转速所需要的电压相关。示出了第一阈值504。为了使逆变器在第一阈值之前具有可用的电压，控制器可被配置为在开关配置阈值506处组织开关。电机转速曲线502可具有指示电机加速度的斜率。可利用转速曲线502的斜率来预测电机穿过第一阈值504。示出了第二阈值508。为了使逆变器在第二阈值之前具有可用的电压，控制器可被配置为在开关配置阈值510处组织开关。电机转速曲线502可具有指示电机加速度的斜率。可利用转速曲线502的斜率来预测电机穿过第二阈值508。阈值504、508还可形成范围，所述范围限定与电机转速相关的期望电压。例如，可在为零的电机转速和第一阈值504之间形成一个范围。在第一阈值504和第二阈值508之间形成另一个范围。

在加速过程中可利用死区512来防止不必要的开关操作。死区512与第一阈值504和第二阈值508中的每个相关联。每个死区512可能不同。可基于需要变化的开关的数量或其它因素来确定死区。

说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各种实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各种实施例已经被描述为提供优点或优于其它实施例或者现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应认识到，根据特定应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配的容易性等。如此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式满足期望的实施例并非在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定应用。