使用多功能基于逆变器的升压转换器的闭环控制进行DC快速充电的制作方法

背景技术：

1、电动发电机单元形式的旋转电机用于在许多电气化动力系统中产生扭矩或电力。例如，一个或多个电推进马达可以向机动车辆的动力车轮提供马达输出扭矩。当为其推进器提供动力时，推进马达也可以用在其它类型的车辆上，例如，船或船只、飞机、轨道车辆等。同样，电动马达可用于在各种非车辆系统中提供功，包括但不限于动力装置、提升机、输送机系统等。

2、当马达实施为多相/交流(ac)电机时，驻留电压逆变器(在本文和本领域中称为功率逆变器模块(pim))的多个半导体功率开关的on/off导通状态经由脉宽调制(pwm)、脉冲密度调制(pdm)或使用另一适用于应用的开关控制技术单独控制。高频开关控制动作最终将来自于车载直流(dc)功率源(例如电化学电池组)的直流(dc)输入电压转换成ac输出电压。ac输出电压继而被传导到推进马达的各个相绕组以引起电机旋转。然后，在车辆推进模式期间，由这种电机旋转产生的马达扭矩被引导至一个或多个车轮。

3、当产生超过即时或预期车载能量要求的水平的电力时，多余的能量(“自由能量”)可能会被储存，以供随后在上述电池组的组成电池单元中使用。直流快速充电(dcfc)是这种使用的一个示例。在dcfc过程中，推进电池组使用从可用非车载dc能量源卸载的自由能量快速地再充电。虽然非车载能量源通常实施为电动车辆供电设备(evse)，在这种情况下是支持dcfc的充电站，但是替代dcfc充电策略以车对车(v2v)充电的形式存在。在v2v dcfc操作期间，源车辆(即，托管dc能量源的另一机动车辆或平台)的自由能量被卸载到需要充电的车辆的耗尽推进电池组。在这种情况下，源车辆有效地执行evse充电站的dcfc功能。

技术实现思路

1、本文公开了用于执行电化学电池组的直流快速充电(dcfc)操作的充电电路和相关的闭环基于比例-积分(pi)的控制策略。在本文所设想的一个或多个实施例中，电池组是机动车辆的推进电池组，例如，电池电动车辆(battery electric vehicle，或纯电动车辆)或插电式混合动力电动车辆(“充电车辆”)。充电电路由充电车辆托管/是充电车辆的整体部分，充电车辆及其驻留电气化动力系统的特征在于没有直流-直流(dc-dc)转换器。相反，交错式(interleaved)多功能基于逆变器的升压转换过程经由如下文参考附图详细阐述的充电电路执行。

2、特别地，本解决方案旨在考虑电压不一致状况，在电压不一致状况中，充电车辆的推进电池组的电压容量超过非车载直流(dc)能量源的电压容量。例如，充电车辆的推进电池组可具有500-800伏特(v)或更高的电压容量，而dc能量源或另一机动车辆(“源车辆”)可提供300-400v的充电电压。因此，电压不一致状况是在dcfc过程期间较高电压功率供应源由较低电压能量源充电的状况。然而，术语“较高”和“较低”并不意味着绝对意义上的“高”或“低”，而是用于描述充电车辆和非车载能量源的相对电压水平，因此在本公开的范围内，本解决方案可以扩展到不同的电压容量。

3、如本领域所理解的那样，由非车载能量源供应的充电电流通常由非车载能量源的控制器调节。充电车辆在dcfc事件期间看到来自于能量源的固定充电电压，即，充电车辆的控制器无法调节由非车载能量源提供的充电电流。因此，用于从较低电压能量源对较高电压电池组充电的现有dcfc策略和相关电路拓扑仍然不是最佳的。下文详细描述的替代控制策略旨在解决在dcfc操作的背景内的这个问题。本解决方案还扩展了可用dcfc选项的范围，并更好地利用来自于较低电压“传统”充电站和电池电动车辆的现有群体的自由能量，鉴于较高电压推进系统的出现，这尤其有利。

4、本公开的一方面包括一种用于经由非车载能量源对电气化动力系统的电池组充电的方法。非车载能量源可操作用于在dcfc过程期间通过交错式基于逆变器的升压转换器将充电电流输出到电池组。该方法的实施例包括经由电气化动力系统的控制器检测电压不一致状况，在电压不一致状况中，电池组的电压容量超过非车载能量源的电压容量。该方法还包括：响应于电压不一致状况，将充电电流随时间的上升记录为电流轨迹；以及使用控制器从电流轨迹提取开环等效时间常数；以及使用控制器的比例-积分(pi)块以闭环控制交错式基于逆变器的升压转换器的pim的开关频率和占空比，从而在dcfc过程期间以连续电流导通模式控制充电电流。这包括将pi控制块的时间常数设置为基本等于开环等效时间常数。

5、非车载能量源可包括evse充电站，在这种情况下，检测电压不一致状况包括将电池组的电压容量与evse充电站的电压容量进行比较。

6、在一个或多个实施例中，电池组包括充电车辆的第一推进电池组，非车载能量源包括具有第二推进电池组的源车辆，并且第二推进电池组的电压容量小于第一推进电池组的电压容量的约75％。

7、提取等效时间常数可包括从交错式基于逆变器的升压转换器的开环固定占空比响应确定一阶时间常数。

8、以上概述的方法可以可选地包括基于非车载能量源和电池组的初始电压水平来初始化pi控制块的积分器状态。该方法的一个或多个实施例包括基于非车载能量源和电池组的预期最小电压和预期最大电压来设置pi控制块的饱和极限。

9、本公开的另一个方面包括：作为该方法的一部分，经由控制器接收来自于非车载能量源的充电电流命令的最大斜变速率(ramp rate)；经由控制器确定来自于电气化动力系统的充电电流命令的最大斜变速率；以及将电流命令斜变至来自于非车载能量源的最大斜变速率和来自于电气化动力系统的最大斜变速率中的较低者。

10、在一个或多个实施例中，所述方法可以包括：保持连续电流导通模式，直到满足预定条件，所述预定条件指示dcfc过程完成。

11、本文还公开了一种充电电路，用于使用非车载能量源执行电气化动力系统的电池组的dcfc过程。所述充电电路可以包括dc充电端口、交错式基于逆变器的升压转换器和控制器。升压转换器包括：具有多个功率开关的功率逆变器模块(pim)；具有多个相绕组的多相推进马达；以及一组输入开关，经由dc充电端口选择性地将相绕组中的一个或多个连接到非车载能量源。控制器配置成检测电压不一致状况，在电压不一致状况中，电池组的电压容量超过非车载能量源的电压容量。响应于电压不一致状况，控制器配置成：将充电电流随时间的上升记录为电流轨迹；从电流轨迹提取等效时间常数；以及使用pi块以闭环控制pim的开关频率和占空比，从而在dcfc过程期间以连续电流导通模式控制充电电流。控制器配置成在连续电流导通模式期间将pi控制块的时间常数设置为基本等于所述等效时间常数。

12、本文所述的机动车辆包括：一组车轮；推进电池组；具有多个功率开关的功率逆变器模块(pim)；连接到至少一个车轮并且具有多个相绕组的多相推进马达；连接到推进电池组的dc充电端口；设置在dc充电端口和多相推进马达的相绕组中的一个之间的输入开关，其中，pim、多相推进马达和输入开关形成交错式升压转换器；以及如上所述的控制器。

13、方案1.一种经由非车载能量源对电气化动力系统的电池组充电的方法，所述非车载能量源可操作用于在直流快速充电(dcfc)过程期间通过交错式基于逆变器的升压转换器将充电电流输出给电池组，所述方法包括：

14、经由电气化动力系统的控制器检测电压不一致状况，在所述电压不一致状况中，电池组的电压容量超过非车载能量源的电压容量；

15、响应于电压不一致状况，将充电电流随时间的上升记录为电流轨迹；

16、使用控制器从电流轨迹提取开环等效时间常数；以及

17、使用控制器的比例-积分(pi)块以闭环控制交错式基于逆变器的升压转换器的pim的开关频率和占空比，从而在dcfc过程期间以连续电流导通模式控制充电电流，包括将pi控制块的时间常数设置为基本等于开环等效时间常数。

18、方案2.根据方案1所述的方法，其中，所述非车载能量源包括电动车辆供电设备(evse)充电站，并且其中，检测所述电压不一致状况包括将所述电池组的电压容量与所述evse充电站的电压容量进行比较。

19、方案3.根据方案1所述的方法，其中，所述电池组为充电车辆的第一推进电池组，所述非车载能量源包括具有第二推进电池组的源车辆，并且所述第二推进电池组的电压容量小于第一推进电池组的电压容量的约75％。

20、方案4.根据方案1所述的方法，其中，提取等效时间常数包括从交错式基于逆变器的升压转换器的开环固定占空比响应确定一阶时间常数。

21、方案5.根据方案1所述的方法，还包括：基于所述非车载能量源和所述电池组的初始电压水平来初始化所述pi控制块的积分器状态。

22、方案6.根据方案1所述的方法，还包括：基于所述非车载能量源和所述电池组的预期最小电压和预期最大电压设置所述pi控制块的饱和极限。

23、方案7.根据方案1所述的方法，还包括：

24、经由控制器接收来自于非车载能量源的充电电流命令的最大斜变速率；

25、经由控制器确定来自于电气化动力系统的充电电流命令的最大斜变速率；以及

26、将电流命令斜变至来自于非车载能量源的最大斜变速率和来自于电气化动力系统的最大斜变速率中的较低者。

27、方案8.根据方案1所述的方法，还包括：保持所述连续电流导通模式，直到满足预定条件，所述预定条件指示dcfc过程完成。

28、方案9.一种使用非车载能量源对电气化动力系统的电池组执行直流快速充电(dcfc)过程的充电电路，包括：

29、直流(dc)充电端口；

30、交错式基于逆变器的升压转换器，包括：

31、具有多个功率开关的功率逆变器模块(pim)；

32、具有多个相绕组的多相推进马达；和

33、一组输入开关，经由dc充电端口将所述相绕组中的一个或多个选择性地连接到非车载能量源；以及

34、控制器，所述控制器配置成检测电压不一致状况，在电压不一致状况中，电池组的电压容量超过非车载能量源的电压容量，并且响应于电压不一致状况：

35、将充电电流随时间的上升记录为电流轨迹；

36、从电流轨迹提取等效时间常数；和

37、使用控制器的比例-积分(pi)块以闭环控制pim的开关频率和占空比，从而在dcfc过程期间以连续电流导通模式控制充电电流，其中，控制器配置成在连续电流导通模式期间将pi控制块的时间常数设置为基本等于等效时间常数。

38、方案10.根据方案9所述的充电电路，其中，所述非车载能量源包括电动车辆供电设备(evse)充电站，并且其中，所述控制器配置成通过将电池组的电压容量与evse充电站的电压容量进行比较来检测电压不一致状况。

39、方案11.根据方案9所述的充电电路，其中，所述电池组是电池电动车辆的第一推进电池组，所述非车载能量源包括具有第二推进电池组的另一个电池电动车辆，并且所述第二推进电池组的电压容量小于第一推进电池组的电压容量的约75％。

40、方案12.根据方案9所述的充电电路，其中，所述控制器配置成至少部分地通过从交错式基于逆变器的升压转换器的开环固定占空比响应确定一阶时间常数来提取等效时间常数。

41、方案13.根据方案9所述的充电电路，其中，所述控制器配置成基于所述非车载能量源和所述电池组的初始电压水平来初始化所述pi控制块的积分器状态。

42、方案14.根据方案9所述的充电电路，其中，所述控制器配置成基于所述非车载能量源和电池组的预期最小电压和预期最大电压来设置pi控制块的饱和极限。

43、方案15.根据方案9所述的充电电路，其中，所述控制器配置成接收来自于非车载能量源的充电电流命令的最大斜变速率，确定来自于电气化动力系统的充电电流命令的最大斜变速率，以及将所述电流命令斜变为来自于非车载能量源的最大斜变速率和来自于电气化动力系统的最大斜变速率中的较低者。

44、方案16.根据方案9所述的充电电路，其中，所述控制器配置成保持所述连续电流导通模式，直到满足指示所述dcfc过程完成的预定条件。

45、方案17.一种机动车辆，包括：

46、一组车轮；

47、推进电池组；

48、具有多个功率开关的功率逆变器模块(pim)；

49、多相推进马达，连接到至少一个车轮，并具有多个相绕组；

50、连接到推进电池组的直流(dc)充电端口；

51、输入开关，设置在dc充电端口和多相推进马达的相绕组中的一个之间，其中，pim、多相推进马达和输入开关形成交错式升压转换器；和

52、控制器，所述控制器配置成检测电压不一致状况，在电压不一致状况中，推进电池组的电压容量超过非车载能量源的电压容量，并且响应于电压不一致状况：

53、将充电电流随时间的上升记录为电流轨迹；

54、从电流轨迹提取等效时间常数；以及

55、使用控制器的比例-积分(pi)块以闭环控制pim的开关频率和占空比，从而在dcfc过程期间以连续电流导通模式控制充电电流，其中，控制器配置成在连续电流导通模式期间将pi控制块的时间常数设置为基本等于等效时间常数。

56、方案18.根据方案17所述的机动车辆，其中，所述机动车辆是电池电动车辆(bev)。

57、方案19.根据方案18所述的机动车辆，其中，所述bev是第一bev并且所述非车载能量源是第二bev的推进电池组，所述第二bev的推进电池组具有的电压容量为第一bev的推进电池组的电压容量的约50％至约80％。

58、方案20.根据方案19所述的机动车辆，其中，所述第一bev的推进电池组的电压容量为至少500v，并且所述第二bev的推进电池组的电压容量小于400v。

59、当结合附图进行时，根据由所附权利要求书限定的用于实施本教导的一些最佳模式和其它实施例的以下详细描述，本教导的上述特征和优点以及其它特征和优点是容易显而易见的。