用于控制升压变换器的方法和系统与流程

该技术领域大体涉及升压变换器的操作和控制，并且更具体地，涉及用于车辆的直流（DC）升压变换器的操作和控制。

背景技术：
电动车辆、混合电动车辆和燃料电池车辆典型地利用高压配电系统来将高压DC功率传输至电驱动马达和其它电动装置。车辆的驱动马达所需的高压常常是大约300-500V。为了实现这些必需的高电压，配电系统可实施升压变换器，通常也被称为增压变换器。这样的升压变换器允许电池和/或电源（例如，燃料电池）存储并传输比在无升压变换器的情况下将需要的电压更低的电压。然而，车辆升压变换器的典型操作常常是低效率的。而且，归因于电流纹波，升压变换器当被联接到燃料电池时可能给燃料电池的上层堆叠造成应力。此外，归因于不必要的过度使用，升压变换器的电气部件和电子部件可迅速地击穿。因此，期望提供用于实现升压变换器的高效率操作的系统和方法。此外，期望提供将减小在所连接的部件诸如燃料电池上的应力的操作升压变换器的系统和方法。还期望增加升压变换器的部件寿命。此外，本发明的其它期望的特征和特点将从随后的详细描述和所附权利要求并结合附图和前述技术领域和背景技术变得明显。

技术实现要素：
提供一种用于使用控制器控制升压变换器的操作的方法。该升压变换器包括输入端、输出端、以及将该输入端电连接到该输出端的多条路径。该升压变换器还包括多个开关，该多个开关沿着所述路径布置以控制在该输入端与该输出端之间的电流流动。该方法包括在控制器处接收期望的电流。该方法还包括：至少部分地基于该期望的电流，确定利用所述路径中的哪些。该方法还包括：至少部分地基于利用所述路径中的哪些的确定，利用控制器控制所述开关。还提供了一种系统。该系统包括升压变换器。该升压变换器包括输入端、输出端、以及将该输入端电连接到所述输出端的多条路径。该升压变换器还包括多个开关，该多个开关沿着所述路径布置以控制在该输入端与该输出端之间的电流流动。该系统包括控制器，以便：接收期望的电流；至少部分基于该期望的电流确定利用所述路径中的哪些；以及，至少部分地基于利用所述路径中的哪些的确定来控制所述开关。本发明还提供如下方案：1.一种使用控制器控制升压变换器的操作的方法，所述升压变换器具有输入端、输出端、将所述输入端电连接到所述输出端的多条路径、以及多个开关，所述多个开关沿着所述路径布置以控制在所述输入端与所述输出端之间的电流流动，所述方法包括：在所述控制器处接收期望的电流；至少部分地基于所述期望的电流确定利用所述多条路径中的哪些；以及至少部分地基于利用所述多条路径中的哪些的确定，利用所述控制器控制所述多个开关。2.如方案1所述的方法，其特征在于，确定利用所述多条路径中的哪些包括：基于所接收的期望的电流确定利用所述多条路径中的多少条。3.如方案2所述的方法，其特征在于，确定利用所述多条路径中的哪些包括：基于所述多条路径中的每一条的健康因素，对所述多条路径分级。4.如方案3所述的方法，其特征在于，对所述多条路径分级包括：感测所述多个开关中的每一个的温度；以及将具有最高开关温度的路径分配为最不期望被利用。5.如方案3所述的方法，其特征在于，所述多条路径中的每一条包括电感器，并且对所述多条路径分级包括感测所述电感器中的每一个的温度。6.如方案5所述的方法，其特征在于，对所述多条路径分级包括：将具有最高电感器温度的路径分配为最不期望被利用。7.如方案5所述的方法，其特征在于，对所述多条路径分级包括：感测所述多个开关中的每一个的温度；以及将具有最高开关或电感器温度的路径分配为最不期望被利用。8.如方案7所述的方法，其特征在于，确定利用所述多条路径中的哪些包括：确定所述多条路径中的每一条是否为可用的或不可用的。9.如方案8所述的方法，其特征在于，确定利用所述多条路径中的哪些包括：响应于多条路径中的一条为不可用的，排除对所述多条路径中的所述一条的使用。10.如方案1所述的方法，其特征在于，确定利用所述多条路径中的哪些包括：确定所述路径中的每一条是否为可用的或不可用的。11.如方案10所述的方法，其特征在于，确定利用所述多条路径中的哪些包括：响应于多条路径中的一条为不可用的，排除对所述多条路径中的所述一条的使用。12.如方案3所述的方法，其特征在于，对所述多条路径分级包括：记录所述多条路径中的每一条被利用的操作时间的量；将所述多条路径中的具有最少操作时间的一个分级为最期望被利用的。13.如方案1所述的方法，其特征在于，控制所述多个开关包括：使所述开关中的至少一个在“接通”状态与“断开”状态之间交替。14.如方案13所述的方法，其特征在于，还包括：将所述开关中的至少一个的操作的正时在“接通”状态与“断开”状态之间变换。15.一种系统，包括：升压变换器，其包括：输入端，输出端，将所述输入端电连接到所述输出端的多条路径，以及多个开关，其沿着所述路径布置用以控制在所述输入端与所述输出端之间的电流流动；以及控制器，其用于接收将被供应的期望的电流，至少部分地基于期望的电流确定利用所述多条路径中的哪些，以及至少部分地基于利用所述多条路径中的哪些的确定来控制所述多个开关。16.如方案15所述的系统，其特征在于，所述控制器基于所接收的期望的电流确定利用所述多条路径中的多少条。17.如方案16所述的系统，其特征在于，所述控制器基于所述多条路径中的每一条的健康对所述多条路径分级。18.如方案17所述的系统，其特征在于，还包括多个电感器，且至少一个电感器布置在所述多条路径中的每一条中。19.如方案18所述的系统，其特征在于，还包括至少一个温度传感器，其用于感测所述多个开关和所述多个电感器的温度，其中所述控制器分析所述多个开关和所述多个电感器的温度，并且将所述多条路径中的具有所述多个开关和所述多个电感器的最低平均温度的一条分级为最期望被利用。20.如方案17所述的系统，其特征在于，所述控制器记录所述多条路径中的每一条被利用的操作时间的量，并且将所述多条路径中的具有最少操作时间的一条分级为最期望被利用。附图说明在下文中，将结合下列附图描述本发明，其中相似的数字表示相似的元件，并且图1是车辆的配电系统的一个实施例的框图，示出将电源操作地连接到高压总线的升压变换器；图2是根据一个实施例的升压变换器的电气示意图，该升压变换器具有多条电气路径以传导通过其的电流；图3是示出确定利用升压变换器的哪些路径的一个示例性方法的流程图；图4是示出在一条路径操作中的升压变换器的开关的操作的时序图；图5是示出在两条路径操作中的升压变换器的开关的操作的时序图；并且图6是示出在三条路径操作中的升压变换器的开关的操作的时序图。具体实施方式下列详细描述在性质上仅仅是示例性的并且不旨在限制本发明或本发明的应用以及用途。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式中所提出的任何明示或默示的理论的限制的意图。参照附图，其中相似的数字贯穿若干视图指示相似的部分，本文中示出和/或描述了用于车辆102的配电系统以及用于控制配电系统100的方法。参照图1，系统100包括用于产生电力的电源104。在图示的实施例中，电源104被实施为用于从例如氢的燃料产生电力的燃料电池（未独立地编号）。（然而，燃料电池可由除氢以外的其它燃料供以燃料。）更具体地，图示的实施例的燃料电池包括多个串联连接的燃料电池堆。图示的实施例的100还包括压缩机106以将空气供应至燃料电池。图示的实施例的电源104产生具有直流（“DC”）的电力。在其它实施例中，电源104可被实施为作为功率源104联接到内燃机（未示出）的交流发电机（未示出）。交流发电机产生交流电（“AC”），该交流电可以转换或可以不转换成DC，这取决于被实施的具体实施例。系统100还包括升压变换器108以便增加（即，升高）由电源104产生的电压。升压变换器108也可被称为增压变换器。升压变换器108包括至少一个输入端110和至少一个输出端112。在图示的实施例中，利用了单个输入端110和单个输出端112。在操作中，在输出端112处的电压高于在输入端110处的电压。在图示的燃料电池实施例中，堆接口单元（“SIU”）114将电源104的燃料电池堆操作地连接到升压变换器108的输入端110。系统100包括控制器115，该控制器115与升压变换器108通信用于控制升压变换器108的操作。控制器115包括存储器（未示出），用于存储数据和处理用于执行指令例如软件程序的逻辑（未示出）。控制器115可包括微处理器、微控制器、专用集成电路、和/或其它逻辑装置。在下文中进一步详细地讨论用于利用控制器115控制升压变换器108的算法和技术。现在参照图2，图示的实施例的升压变换器108包括将输入端110电连接到输出端112的多条路径216a、216b、216c。具体地，图示的实施例的路径216a、216b、216c被指示为各自从输入端110延伸的第一路径216a、第二路径216b、以及第三路径216c。然而，在其它实施例中，升压变换器108可利用任意数量的功率路径。在该图示的实施例中，升压变换器108的每条路径216a、216b、216c包括电连接到输入端110的电感器218a、218b、218c。因此，电流流经每个电感器218a、218b、218c并且沿着每条相应的路径216a、216b、216c。升压变换器108还包括多个开关220a、220b、220c。每个开关220a、220b、220c沿着路径216a、216b、216c中的一个被布置以控制在输入端110与输出端112之间的电流流动。在图示的实施例中，每个开关220a、220b、220c实施有绝缘栅双极晶体管（“IGBT”）222a、222b、222c和二极管223a、223b、223c。每个IGBT222a、222b、222c包括栅极、集电极、以及发射极（未编号）。具体地，每个IGBT222a、222b、222c的集电极电连接到电感器218a、218b、218c中的一个，每个发射极电接地（或其它基准电势，诸如车辆底盘），并且每个栅极联接到控制器115。因此，控制器115可控制每个IGBT222a、222b、222c的操作（即，激活）。二极管223a、223b、223c与相应的IGBT222a、222b、222c的集电极和发射极并联布置，如图2中所示。系统100可包括：一个或多个温度传感器224a、224b、224c，用于感测电感器218a、218b、218c的温度；开关220a、220b、220c；二极管223a、223b、223c；和/或其它电气或电子部件。温度传感器224a、224b、224c与控制器115通信以将温度数据传送到控制器115。因此，控制器115在控制升压变换器108的操作的过程中可利用温度数据，如下文进一步详细描述的。具体地，在图示的实施例中，温度传感器224a、224b、224c是热敏电阻，并且更具体地，负温度系数（“NTC”）热敏电阻。虽然图2仅示出接近开关220a、220b、220c的温度传感器224a、224b、224c，但应理解，额外的温度传感器可被实施以感测如上文所述的电感器218a、218b、218c、二极管223a、223b、223c、和/或其它电气或电子部件的温度。此外，除热敏电阻之外，其它装置和技术可被实施以感测温度。图示实施例的升压变换器108还包括多个二极管225a、225b、225c，以便对通过路径216a、216b、216c的电流的流动整流，即，充当被动开关，如图2中所示。另外，电容器226被电连接到输出端112。图示实施例的系统100还包括分配总线128。分配总线128被电连接到升压变换器108的输出端112。图示的实施例的分配总线128也可被称为高压总线，反映由升压变换器108产生的高压。分配总线128分配电力给车辆102的各种负载130，包括但当然不限于用于驱动车辆102的轮132的驱动马达（未被独立地编号）。系统100可包括一个或多个电连接到分配总线128的DC到AC转换器134。DC到AC转换器134将分配总线128的DC功率转换成将由AC负载130利用的AC功率。图示实施例的系统100还包括用于存储电力的电池136。电池136可包括一个或多个如本领域熟知的电池单体（未示出）。电池136被电连接到分配总线128。因此，电池136可利用来自分配总线128的功率例如由电源104产生的功率来充电。电池136也可提供功率给分配总线128并且相应地给负载130。控制器115可包括微处理器、微控制器、专用集成电路(“ASIC”)、和/或能够执行计算、存储数据、和/或执行指令的其它逻辑装置。图示的实施例的控制器115实施用于控制升压变换器108的操作的一种或多种方法。然而，可替代地，本文描述的方法可利用不同于上文描述的系统100和升压变换器108的系统和升压变换器来实现。一种示例性方法包括接收期望的电流。在图示实施例中，期望的电流是将被从在升压变换器108的输入端110处的燃料电池104提取的电流。另外，在图示的实施例中，期望的电流由控制器115从车辆计算机（未示出）接收，该车辆计算机基于负载130的操作或期望的操作确定多少电流是必须的。在另一个实施例中，期望的电流由控制器115在内部计算。该方法还包括确定利用路径216a、216b、216c中的哪些。也就是，该方法包括确定路径216a、216b、216c中的哪些将在将来自输入端110的功率提供给升压变换器108的输出端112的过程中被实施。在图示的实施例中，该方法包括确定第一、第二和第三路径216a、216b、216c中的哪些将被利用以经由升压变换器108的输出端112将功率供应给分配总线128。确定利用路径216a、216b、216c中的哪些的一个步骤是确定路径216a、216b、216c中的每一个是否为可用的或不可用的。为了确定路径216a、216b、216c是否为可用的，控制器115接收与每条路径216a、216b、216c上的故障相关的输入。例如，在图示的实施例中，IGBT222a、222b、222c可将去饱和故障信号发送到控制器115。响应于接收到故障信号，控制器115可排除对路径216a、216b、216c的使用。此外，控制器115可执行其它内部计算以确定路径216a、216b、216c中的一个或多个是否发生故障。由于这些计算，控制器115可排除对一个或多个发生故障的路径216a、216b、216c的使用。也就是，控制器115可将发生故障的路径216a、216b、216c标记为“不可用的”并且抑制它们的使用。确定利用路径216a、216b、216c中的哪些的另一个步骤涉及对每条路径216a、216b、216c的“健康”分级。每条路径216a、216b、216c的健康可基于一个或多个因素，即，健康因素。一个健康因素可为沿着路径216a、216b、216c的电气部件和/或电子部件（未独立地编号）的温度。通常，沿着路径216a、216b、216c的这样的电气部件和/或电子部件的温度越高，指示越不期望的路径，因为过高的温度可减小电流流动并且可导致对部件的损害。当然，除电气部件和/或电子部件的温度之外，其它健康因素可在确定路径216a、216b、216c的健康中利用。在图示的实施例中，用于对每条路径216a、216b、216c的健康分级的因素包括如下的温度：沿着相应的路径216a、216b、216c布置的电感器218a、218b、218c；IGBT222a、222b、222c；以及二极管223a、223b、223c。具体地，在图示的实施例中，具有电感器218a、218b、218c；IGBT222a、222b、222c；或二极管223a、223b、223c的最高温度的路径216a、216b、216c被归类为最差路径216a、216b、216c，并且因此最不期望用于传导电力。在不同的路径216a、216b、216c上的次最高温度被归类为第二最差路径等。在另一个实施例中，该方法包括感测IGBT222a、222b、222c中的每一个的温度，然后对具有将被利用的IGBT222a、222b、222c的最低温度的路径216a、216b、216c进行分级。在又一实施例中，该方法包括感测电感器218a、218b、218c中的每一个的温度，然后对具有将被利用的电感器218a、218b、218c的最低温度的路径216a、216b、216c进行分级。在又一实施例中，该方法包括感测IGBT222a、222b、222c中的每一个和电感器218a、218b、218c中的每一个的温度，找到沿着每条路径216a、216b、216c的IGBT222a、222b、222c和电感器218a、218b、218c的平均温度，然后对将被利用的具有最低平均温度的路径216a、216b、216c进行分级。具体地，具有电感器218a、218b、218c和IGBT222a、222b、222c的最低平均温度的路径222a、222b、222c对于传导电力来说将被分级为最期望的，具有第二最低平均温度的路径222a、222b、222c将被分级为第二最期望的，具有最高平均温度的路径222a、222b、222c对于传导电力来说将被分级为最不期望的。当每条路径216a、216b、216c的健康相同或大致相似时，用于传导电力的路径216a、216b、216c的分级基于每条路径216a、216b、216c在历史上已经持续的使用量。具体地，在图示的实施例中，当每条路径216a、216b、216c被利用以供应通过其的功率时，控制器115记录每条路径216a、216b、216c被利用的时间量。具有最少工作时间的路径216a、216b、216c对于传导电力来说被分级为最期望的，具有第二最少工作时间的路径216a、216b、216c被分级为第二最期望的，而具有最多工作时间的路径216a、216b、216c被分级为最不期望的。确定利用路径216a、216b、216c中的哪些的又一个步骤是：基于接收的期望的电流，确定路径216a、216b、216c中的多少个需要被利用。换种说法，必须确定对于抽吸期望电流所必须的最小数量的路径216a、216b、216c。在图示的实施例中，在控制器115上运行的软件程序确定路径216a、216b、216c中的一条、两条还是所有三条对于从升压变换器108的输入端110抽吸期望电流是必须的。例如，软件可包括第一预定的阈值和第二预定的阈值，且第二预定的阈值大于第一预定的阈值。如果期望的电流低于第一预定的阈值，则路径216a、216b、216c中的仅一条需要被利用。如果期望的电流大于第一预定的阈值，但低于第二预定的阈值，则路径216a、216b、216c中的两条需要被利用。最后，如果期望的电流大于第二预定的阈值，则路径216a、216b、216c中的所有三条需要被利用。通过仅利用对于抽取期望电流所实际必需的路径216a、216b、216c的数量，所公开的系统100的升压变换器108获得比常规升压变换器更高的效率，其中每条路径始终起作用。此外，归因于路径216a、216b、216c的故障等，如果期望的电流大于将被由升压变换器108接收的可用的电流，则控制器115发出警告消息。警告消息可被输送至车辆102的驾驶员和/或被发送至车辆计算机。此外，确定利用路径216a、216b、216c中的哪些的另一步骤是：基于路径中的多少需要被利用，结合如上文所描述的每条路径216a、216b、216c的健康的分级，选择路径216a、216b、216c。例如，如果确定两条路径216a、216b、216c需要被利用并且路径216a、216b、216c从最高到最低的分级是第二路径216b、第三路径216c、以及第一路径216a，则第二和第三路径216b、216c将被选择为被利用以通过升压变换器108传导电力。可参照图3看到示出示例性方法300的流程。具体地，方法300包括确定升压变换器108的路径216a、216b、216c中的任一个是否发生故障的步骤302。如果路径216a、216b、216c中的任一个发生故障，则该方法进入到排除利用故障的路径216a、216b、216c的步骤304。在步骤304之后，或如果路径216a、216b、216c均未发生故障，则方法300继续到步骤306，感测升压变换器108的电气部件/电子部件的温度。方法300然后包括确定在步骤306中感测到的温度中的任一个是否大致相似的步骤308。如果温度是大致相似的，则方法300包括：基于累计的使用时间，对可用的路径216a、216b、216c进行分级的步骤310。如果在步骤306中感测到的温度不是大致相似的，则方法300包括：基于温度对可用的路径216a、216b、216c进行分级的步骤312。在步骤310或312之后，方法300进一步包括：接收将由升压变换器108抽吸的期望电流的步骤314。其次，方法300包括：基于期望的电流确定所必要的路径216a、216b、216c的数量的步骤316。方法300然后包括：基于（来自步骤310或312的）必要的数量和分级选择将利用的路径216a、216b、216c的步骤318。本公开的方法还包括控制开关220a、220b、220c以调节电流通过路径216a、216b、216c的流动。如上文所描述的，与将被利用的所选择的路径216a、216b、216c对应的开关220a、220b、220c在“接通”状态与“断开”状态之间交替。因此，“接通”脉冲（未标出）针对受控开关220a、220b、220c而产生。更具体地，在图示的实施例中，切换周期，即，在一个“接通”状态到下一个“接通”状态之间的时间，为约60μs。对应于未被选择为被利用的路径216a、216b、216c的开关220a、220b、220c简单地维持“断开”状态，因此防止电流流动通过相应的路径216a、216b、216c。开关220a、220b、220c的控制的正时至少部分地基于确定利用多少条路径216a、216b、216c。在单条路径操作中，即，当仅单条路径，例如第一路径216a被选择为利用时，则相关联的第一开关220a在“断开”与“接通”之间交替，使得电流流经第一路径216a到输出端128。因此，第二和第三开关216b、216c“断开”，使得电流不流经第二和第三路径216b、216c到输出端112。图4示出第一开关220a的接通和断开切换或脉冲。在两条路径操作中，即，当两条路径被选择为利用时，则两个开关在“断开”状态和“接通”状态之间被切换。图5图示出第一和第二路径216a、216b被选择为利用并且因此第一和第二开关220a、220b在“断开”状态和“接通”状态之间被切换的一个示例。开关220a、220b的操作的正时是相移180°。术语“相移”表示在开关的操作正时之间的延迟。如图5中所示，第一开关220a的“接通”脉冲的中央从第二开关220b的“接通”脉冲的中央偏移30μs。在该示例中，第三开关220c保持处于“断开”状态。在三条路径操作中，即，当所有三条路径216a、216b、216c被选择为利用时，则所有三个开关216a、216b、216c在“断开”状态与“接通”状态之间被交替地切换，如图6中所示。开关216a、216b、216c的操作的正时是相移120°。如图6中所示，第一开关220a的“接通”脉冲的中央先于第二开关220b的“接通”脉冲的中央20μs。同样，第二开关220b的“接通”脉冲的中央先于第三开关220c的“接通”脉冲的中央20μs。在车辆102的正常运行期间，期望的电流将基于各种负载130的性能要求而变化。因此，为将电流传输到各种负载130所必须的路径216a、216b、216c的数量将改变。此外，在升压变换器108中的电子部件的温度也将波动。响应于以上因素，控制器115不断地监测这些因素并且当这类因素横跨某些阈值水平时常规地启动路径216a、216b、216c的“重组”。特别地，当从三条路径操作转变到两条路径操作时，其余路径216a、216b、216c的相移不立即地从三条路径操作的120°相移改变成两条路径操作的180°相移。替代地，相移，即，开关220a、220b、220c的操作延迟，在一些接通断开周期上被缓慢地递增。在相移中的这种递增最小化了对系统100的动态影响。此外，在相移中的该递增改变最小化了输入电流纹波，这进而减小在燃料电池104的上层燃料电池堆上的应力。具体地，当两条路径216a、216b、216c被选择时的180°相移和当三条路径216a、216b、216c被选择时的120°相移两者甚至在稳定状态下最小化了输入电流纹波。通过相的递增的移位，电流的幅度也逐渐改变。具体地，当减小使用的路径216a、216b、216c的数量时，被“断开”的路径216a、216b、216c的电流将逐渐减小，并且其它路径216a、216b、216c的电流相应地改变以维持总输出电流。虽然已经在前面的详细描述中提出了至少一个示例性实施例，但是应了解，存在大量的变型。还应了解，一个或多个示例性实施例仅仅只是示例，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性、或构造。相反，前述详细描述将为本领域的技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例的方便的路线图。应理解，可在元件的功能和布置上做出各种改变而不脱离如在随附权利要求及其法定等同物中所阐明的本公开的范围。