用于确定可变电压转换器的占空比的系统和方法与流程

本公开涉及用于基于测量的电感器电流来确定可变电压转换器的占空比的系统和方法。

背景技术：

术语“电动车辆”可以被用于描述具有用于车辆推进的电动马达的车辆，诸如电池电动车辆(BEV)、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)。BEV包括电动马达，其中，用于马达的能量源是可从外部电网进行再充电的电池。在BEV中，电池是用于车辆推进的能量源。HEV包括内燃发动机和一个或更多个电动马达，其中，用于发动机的能量源是燃料，用于马达的能量源是电池。在HEV中，发动机是用于车辆推进的主要能量源，电池提供用于车辆推进的补充能量(电池缓存燃料能量并以电的形式回收动能)。PHEV如同HEV一样，但是PHEV具有可从外部电网进行再充电的更大容量的电池。在PHEV中，电池是用于车辆推进的主要能量源，直到电池消耗到低能量水平为止，此时PHEV如同HEV一样操作以推进车辆。

电动车辆可以包括连接在电池和电动马达之间的直流(DC)电压转换器(例如，可变电压转换器(VVC))。这样的电压转换器增加或提升提供给电动马达的电源的电势并促进扭矩容量优化。当马达被配置为交流(AC)马达时，电动车辆还可以包括连接在DC电压转换器和马达之间的逆变器。

技术实现要素：

一种车辆动力系统具有包括电感器的可变电压转换器(VVC)和至少一个控制器。所述至少一个控制器响应于改变VVC的占空比的请求，基于流经所述电感器的电流的AC分量、以电阻为单位的校准的增益和用于VVC的输出电压命令，来输出用于VVC的占空比命令。

根据本公开的一个实施例，所述至少一个控制器还被配置为：进一步基于流经所述电感器的电流的AC分量与校准的增益的乘积，输出所述占空比命令。

根据本公开的一个实施例，所述至少一个控制器还被配置为：进一步基于提升电压命令与所述乘积之间的差，输出所述占空比命令。

根据本公开的一个实施例，所述至少一个控制器还被配置为：进一步基于提升电压命令和电压PI控制器的输出，输出所述占空比命令。

根据本公开的一个实施例，针对电压PI控制器的输入为所述输出电压命令与测量的VVC的输出电压之间的差。

根据本公开的一个实施例，所述车辆动力系统还包括高通滤波器(HPF)，其中，流经所述电感器的电流的AC分量为来自HPF的输出。

一种车辆，包括：牵引电池、电机和可变电压转换器(VVC)。VVC包括电感器，并且电连接在牵引电池和电机之间。所述车辆还包括控制器，所述控制器基于流经所述电感器的电流的AC分量与校准的电阻的乘积，发布用于可变电压转换器的占空比命令。

一种用于控制车辆动力系统的方法包括：响应于改变可变电压转换器(VVC)的占空比的请求，输出用于VVC的占空比命令，所述占空比命令是基于流经VVC的电感器的电流的AC分量、校准的电阻和用于VVC的输出电压命令的。

根据本公开的一个实施例，所述占空比命令是进一步基于流经电感器的电流的AC分量和校准的电阻的乘积的。

根据本公开的一个实施例，所述占空比命令是进一步基于提升电压命令与所述乘积之间的差的。

根据本公开的一个实施例，所述占空比命令是进一步基于提升电压命令和电压PI控制器的输出的。

根据本公开的一个实施例，针对电压PI控制器的输入为输出电压命令和测量的VVC的输出电压之间的差。

根据本公开的一个实施例，流经电感器的电流的AC分量为来自高通滤波器(HPF)的输出。

附图说明

图1是示出了混合动力动力传动系统的示意图；

图2是示出了混合动力车辆电压转换系统的示意图；

图3是示出了输入电感器的输入电流的频谱的曲线图；

图4是示出了图2的混合动力车辆电压转换系统的方框图；

图5是示出了用于确定可变电压转换器的占空比的算法的流程图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的具体实施例；然而，应当理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，其可以以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制；可夸大或缩小一些特征以显示特定组件的细节。因此，此处所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。

参照图1，混合动力电动车辆(HEV)包括功率分流动力传动系统10，在功率分流动力传动系统10中，内燃发动机12和高电压电池(或电动牵引电池)14中的任何一个或两者为车辆的车轮16提供动力。车辆系统控制器(VSC)18控制发动机12和电池14的操作。电池14具有双向电连接，电池14通过双向电连接来接收和存储电能(例如，经由再生制动)，并且还将能量供应给电动牵引马达/发电机(或“电动马达”)20和发电机22。VSC 18与控制电动马达20和发电机22的操作的传动装置控制模块(TCM)36进行通信。发动机12和电动马达20两者都能够驱动传动装置24，传动装置24最终将扭矩传送到车辆的车轮16。

电池14可以包括电连接到电池14的其自己指定的电池能量控制模块(BECM)(通常示出为电池14的一部分)，以控制电池14的操作。可选地，VSC 18可以直接控制电池14的操作。其它电力控制模块也可以存在。应该理解的是，在整个本公开中，控制遍布于动力传动系统10中的功率流的VSC18、BECM、TCM36和其它控制模块可以被统称为“控制器”，并且通常包括彼此协作的任意数量的微处理器、ASIC、IC、存储器(例如，闪存、ROM、RAM、EPROM和/或EEPROM)和软件代码，以执行一系列操作。控制器还包括基于计算和测试数据且存储在存储器内的预定数据或“查找表”。VSC 18使用常见的总线协议(例如，CAN和LIN)，通过一个或更多个硬线车辆连接与其它车辆系统和控制器(例如，BECM和TCM36)进行通信。

在功率分流动力传动系统10中，发动机12通过单向离合器(未示出)将功率传送给连接到行星齿轮组28的扭矩输入轴26。行星齿轮组28包括环形齿轮30、中心齿轮32和行星架组件34。输入轴26可驱动地连接到架组件34，以驱动行星齿轮组28。中心齿轮32可驱动地连接到发电机22。发电机22可以经由离合器(未示出)选择性地与中心齿轮32接合，使得发电机22可以随中心齿轮32一起旋转，或者不随中心齿轮32一起旋转。当单向离合器将发动机12结合到行星齿轮组28时，作为行星齿轮组28的操作的结果，发电机22产生能量。由发电机22产生的电能通过电连接和高电压总线被传输到电池14。电池14还以本领域技术人员公知的方式通过再生制动接收并存储电能。电池14将存储的电能供应给电动马达20用于操作。从发动机12传送到发电机22的功率的一部分也可以被直接传输到电动马达20。电池14、电动马达20和发电机22通过电连接经由双向电流动路径彼此互相连接。

车辆可以被发动机12单独驱动，被电池14和电动马达20单独驱动，或者被发动机12与电池14以及电动马达20的组合驱动。在第一操作模式(“混合动力操作模式”、“混合动力推进模式”等)中，发动机12被启动以通过行星齿轮组28传输扭矩。环形齿轮30将扭矩分配给包括多个啮合齿轮元件的阶梯传动比齿轮38。扭矩从环形齿轮30通过齿轮38被分配到扭矩输出轴40。在第一操作模式中，电动马达20也可以被启动，以通过将扭矩经由齿轮38传输到扭矩输出轴40来协助发动机12推进车辆。

在第二操作模式(“仅电动推进模式”、“EV模式”等)中，发动机12被禁用或者被阻止将扭矩分配给输出轴40。并且，电池14驱动电动马达20，以将扭矩通过阶梯传动比齿轮38分配到扭矩输出轴40。

在第一操作模式和第二操作模式中的任何一个或两者中，为了将扭矩分配到扭矩输出轴40，VSC 18和TCM36以上述方式控制发动机12、电池14、电动马达20和发电机22。扭矩输出轴40被连接到分配扭矩以驱动车轮16的差速器和车桥机构42。

应该理解的是，电动马达20和发电机22中的任何一个或两者可以以上述方法各自产生电力或提供推进动力。电动马达20和发电机22两者可以可互换地被称为马达或发电机，或者概括地称为电机。

尽管图1示出了动力传动系统10为功率分流动力传动系统的实施例，但是出于本公开的目的，动力传动系统10可以是任何混合动力传动系统配置。例如，动力传动系统可以被配置为使得发动机的输出和马达/发电机的输入经由离合器选择性地接合。发动机和马达/发电机中的任意一个或两者可以将扭矩沿着一个可旋转的轴提供给变速器。本公开也可以被应用到混合动力或非混合动力车辆中的启停系统，在启停系统中发动机自动地停止和再启动，以减少怠速时间量。存在其它的混合动力传动系统和变速器配置，图1的功率分流配置仅仅是一个示例。

进一步参照图1，动力传动系统10包括逆变器系统控制(ISC)44，逆变器系统控制44包括可变电压转换器(VVC)46和逆变器48。VVC 46和逆变器48电连接在电池14与马达20以及发电机22之间。VVC 46提升或“提高”由电池14提供的电源的电势。逆变器48将由电池14(通过VVC 46)供应的DC电力逆变为用于操作马达20和发电机22的AC电力。当马达20用作发电机时，逆变器还将由马达20和发电机22提供的AC电力整流为用于对电池14进行充电的DC电力。

TCM36包括监测在VVC 46内的各个位置处的电参数(例如，电压和电流)的VVC控制器50。TCM36将输出电压命令V^*dc输入信号提供给VVC控制器50。VVC控制器50基于电参数和电压命令V^*dc来确定足以实现期望的输出电压的占空比(即，占空比命令D^*)。VVC控制器50随后命令VVC 46以确定的占空比提供期望的输出电压。操作VVC 46的特定占空比与VVC 46提供的电压提升的量直接相关。输入电压Vin和输出电压Vout以及占空比D之间的理想关系使用下面的等式被示出：

参照图2，VVC 46提升或“提高”由电池14提供的电源的电势。电池14提供高电压(HV)DC电力。在一个或更多个实施例中，电池14提供150伏特至400伏特之间的HV。接触器52串联连接在电池14和VVC 46之间。当接触器52闭合时，HV DC电力可以从电池14被传输到VVC 46。输入电容器54与电池14并联连接。输入电容器54稳定总线电压并减少任何电压和电流纹波。VVC 46接收HV DC电力并提升或“提高”输入电压的电势。

逆变器48在AC和DC之间对电源进行逆变/整流。输出电容器56与VVC46和逆变器48并联连接。输出电容器56稳定总线电压并减少电压和电流纹波。逆变器48将由电池14(通过VVC 46)供应的DC电力逆变为用于操作马达20的AC电力。当马达20用作发电机时，逆变器48还将由马达20提供的AC整流为用于对电池14进行充电的DC。在一个或更多个实施例中，逆变器48包括具有以三相配置定向的一系列开关的双向电路(未示出)。逆变器48包括用于控制马达20和发电机22中的每一个的单独电路，所述单独电路在图2中大体上被描绘为两个逆变器。

进一步参照图2，VVC 46包括用于提升输入电压以提供输出电压的第一开关单元58和第二开关单元60。每个开关单元58、60由VVC控制器50的栅极驱动电路(未示出)单独控制，并且可以包括任何类型的可控开关(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或场效应晶体管(FET))。栅极驱动电路将基于占空比命令(D^*)的控制信号提供给每个开关单元58、60。

车辆系统包括用于测量VVC 46的电参数的传感器。第一电压传感器62测量输入电压(即，电池14的电压)，并将相应的输入信号(Vbat)提供给VVC控制器50。在一个或更多个实施例中，第一电压传感器62测量与电池电压对应的输入电容器54两端的电压。

第二电压传感器64测量VVC 46的输出电压，并将相应的输入信号(Vdc)提供给VVC控制器50。在一个或更多个实施例中，第二电压传感器64测量与DC总线电压对应的输出电容器56两端的电压。

输入电感器66串联连接在电池14和开关单元58、60之间。输入电感器66在将能量存储在VVC 46中和释放VVC 46中的能量之间进行交替，以使得能够提供可变的电压和电流作为VVC 46的输出并实现期望的电压提升。电流传感器68测量流经输入电感器66的输入电流，并将相应的输入信号(IL)提供给VVC控制器50。流经输入电感器66的输入电流是VVC 46的输入电压和输出电压之间的电压差、开关单元58、60的导通时间以及输入电感器66的电感L的结果。

如图3所示，输入电流的频谱可以包含一个或更多个分量。例如，DC分量位于低范围的频率处并且是由驾驶员需求输入(诸如，突然加速和制动事件)造成的。开关纹波位于最高的频谱范围处，并且与开关单元58、60的操作直接相关。AC分量位于恰好高于DC分量频率的频率和上至开关频率FSW的二分之一的频率之间的频率处。AC分量是在马达20和发电机22的正常操作期间发生的信号振荡的结果。因为DC和AC分量可能对由VVC控制器50确定的占空比产生不利影响，所以期望DC和AC分量被减小或消除。

VVC控制器50控制VVC 46的输出电压。VVC控制器50接收来自TCM36、VVC 46和其它控制器的输入，并且确定占空比命令(D^*)。VVC控制器50监测输入信号(Vbat、Vdc、IL、V^*dc)，以确定占空比命令(D^*)。VVC控制器50随后将与占空比命令D^*对应的控制信号提供给栅极驱动电路。栅极驱动电路基于占空比命令D^*控制每个开关单元58、60。

参照图4，VVC控制器50响应于来自TCM36的请求(即，输出电压命令V^*dc)来确定占空比命令D^*。VVC控制器50基于输出电压命令V^*dc和电池电压Vbat之间的差来确定提升电压命令V^*boost(即，在VVC 46的输出处期望的电压提升)。VVC控制器50还通过从输出电压命令V^*dc减去基准电压(例如，在输出电容器56处测量的输出电压Vdc)，来确定命令的输出电压V^*dc和测量的输出电压之间的误差。所述误差随后被馈送到电压比例积分(PI)控制器70，并且在电压PI控制器70的输出处的调整误差与提升电压命令V^*boost相加。

VVC控制器50将输入电感器电流IL馈送通过高通滤波器(HPF)72。HPF 72消除不需要的DC分量频率，以确保通过VVC控制器50准确地确定占空比命令D^*，并且保留载有开关纹波信号的频率。如图3中的示例所示，HPF 72可以具有截止频率设置，使得HPF 72将移除DC分量频率并使AC分量和开关纹波频率通过。

在HPF 72处的输出信号被乘以以电阻为单位的校准的增益(即，相对电阻增益Rrel)74，并且从提升电压命令V^*boost中减去相乘的结果。乘以校准的增益74可以减小输入电感器电流IL的AC分量的幅值，并最小化所述AC分量对计算占空比的贡献。针对输出电压误差以及针对输入电感器电流IL的AC和DC分量调整提升电压命令V^*boost的结果是(1-D)V^*dc量值(即，从Vdc到开关单元58、60的中点M测量的输出电压命令V^*dc)。(1-D)V^*dc量值被馈送到归一化方框76。归一化方框76的输出进一步在逻辑方框78被缩放，以产生占空比命令D^*。VVC控制器50的栅极驱动电路基于与先前参照图2所描述的方法一致的占空比命令D^*控制开关单元58、60。

参照图5，用于基于测量的电感器电流确定VVC 46的占空比的控制策略80被示出。控制策略80可以开始于方框82，在方框82，VVC控制器50确定提升电压命令V^*boost。可以通过从输出电压命令V^*dc中减去电池电压Vbat来确定提升电压命令V^*boost。在方框84，VVC控制器50确定输出电压命令V^*dc和测量的输出电压Vdc之间的误差。在方框86，VVC控制器50将确定的误差馈送到电压PI控制器70中。在方框88，VVC控制器50将测量的输出电感器电流IL馈送通过HPF 72，移除DC分量频率。在方框90，VVC控制器50将在HPF 72的输出处的信号乘以以电阻为单位的校准的增益(即，相对电阻增益Rrel)。在方框92，VVC控制器50通过减去乘以相对电阻增益Rrel的所得输出来调整提升电压命令V^*boost。在方框94，VVC控制器50进一步通过电压PI控制器70的输出来调整提升电压命令V^*boost，并产生(1-D)V^*dc量值(即，从Vdc到开关单元58、60的中点M测量的输出电压命令V^*dc)。在方框96，VVC控制器50在归一化方框76中对(1-D)V^*dc量值进行缩放。在方框98，在归一化方框76被缩放的输出在逻辑方框78被缩放，产生占空比命令D^*。此时，控制策略80可以结束。在一些实施例中，图5所描述的控制策略80可以基于来自TCM36和其它控制器的请求被重复。

尽管上面描述了示例性实施例，但并不意图这些实施例描述本发明的所有可能形式。更确切地，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制，并且应该理解的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种改变。此外，可组合各种实现的实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。