專利名稱：具有按需升壓變換器的電氣系統(tǒng)和汽車驅(qū)動系統(tǒng)及操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及電氣系統(tǒng)，例如電動和混合動力車輛驅(qū)動系統(tǒng)。更具體地，涉及構(gòu)
造成驅(qū)動用于車輛的功率逆變器模塊的多相升壓變換器。
背景技術(shù)：
近年來，技術(shù)進(jìn)步以及日益演進(jìn)的風(fēng)格品味已經(jīng)導(dǎo)致汽車設(shè)計(jì)的重大變化。其中一個(gè)變化涉及汽車尤其是諸如混合動力、電動和燃料電池車輛的替代燃料車輛內(nèi)各種電氣系統(tǒng)的功率使用和復(fù)雜性。 很多電動車輛需要高的初級操作電壓，例如直流400伏。典型的燃料電池在負(fù)載下提供小于直流1伏的電壓。因此，大量的單個(gè)燃料電池通常構(gòu)造或串聯(lián)"堆疊"以提供能夠提供車輛所需的高的初級操作電壓的燃料電池組。此外，多數(shù)燃料電池車輛和/或系統(tǒng)設(shè)計(jì)成從燃料電池組提供用于車輛操作的全部牽引功率。這導(dǎo)致燃料電池組的超裕度設(shè)計(jì)，因?yàn)樗仨毺峁┸囕v所需的峰值功率。通常，由于成本和封裝限制，燃料電池的充分堆疊在很多高電壓應(yīng)用中并不實(shí)用。 例如直流電流到直流電流(DC/DC)升壓變換器的功率變換器通常用于升高燃料電池組的電壓水平并且減少車輛中所需的單個(gè)燃料電池的數(shù)目。通常，高電壓蓄電池用于在需要超過燃料電池組能提供的牽引功率的操作周期期間給車輛提供峰值功率。在車輛牽引驅(qū)動單元不需要峰值功率時(shí)，高電壓蓄電池可由燃料電池組充電。然而，高電壓蓄電池限制變換器輸出的電壓范圍，并且因此，在車輛不需要如此高電壓的輕負(fù)載情形期間，這些設(shè)計(jì)是低效的。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種用于使用在車輛中的電氣系統(tǒng)的設(shè)備。電氣系統(tǒng)包括耦接到參考節(jié)點(diǎn)的升壓變換器。升壓變換器具有輸入節(jié)點(diǎn)、與第一腳相關(guān)聯(lián)的第一輸出節(jié)點(diǎn)和與第二腳相關(guān)聯(lián)的第二輸出節(jié)點(diǎn)。第一能量源耦接在輸入節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間以及第二能量源耦接在第一輸出節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間。第二能量源的電壓大于第一能量源的電壓。第一開關(guān)耦接在第二輸出節(jié)點(diǎn)與第一輸出節(jié)點(diǎn)之間，其中在第一開關(guān)閉合時(shí)第二能量源將能量提供給第二輸出節(jié)點(diǎn)。 在另一實(shí)施例中，提供一種用于汽車驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)備。汽車驅(qū)動系統(tǒng)包括具有輸入節(jié)點(diǎn)、與第一升壓腳相關(guān)聯(lián)的第一輸出節(jié)點(diǎn)和與第二升壓腳相關(guān)聯(lián)的第二輸出節(jié)點(diǎn)的升壓變換器。燃料電池耦接到升壓變換器的輸入節(jié)點(diǎn)以及蓄電池耦接到第一輸出節(jié)點(diǎn)。逆變器模塊耦接到第二輸出節(jié)點(diǎn)，以及車輛牽引驅(qū)動單元耦接到逆變器模塊。第一開關(guān)耦接在第二輸出節(jié)點(diǎn)與第一輸出節(jié)點(diǎn)之間，其中在第一開關(guān)閉合時(shí)，蓄電池將能量提供給第二輸出節(jié)點(diǎn)。 提供一種用于控制升壓變換器的方法。升壓變換器具有與第一升壓腳相關(guān)聯(lián)的第一輸出節(jié)點(diǎn)和與第二升壓腳相關(guān)聯(lián)的第二輸出節(jié)點(diǎn)。所述方法包括啟用第一升壓腳和停用第二升壓腳以支持在第一負(fù)載模式下操作，以及啟用第一升壓腳和第二升壓腳兩者以支持
在第二負(fù)載模式下操作。 本節(jié)概要用于以簡化形式介紹構(gòu)思的選擇，這些構(gòu)思在下面的詳細(xì)說明中將進(jìn)一步描述。本發(fā)明內(nèi)容不旨在辨識所要求保護(hù)主題的主要特征或必要特征，也不旨在用作確定所要求保護(hù)主題的范圍的幫助。


通過參考詳細(xì)說明和權(quán)利要求書并結(jié)合附圖可對本發(fā)明有更全面的理解。
圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的適于在車輛中使用的電氣系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面的詳細(xì)說明本質(zhì)上僅是說明性的，并且不旨在限制本發(fā)明的實(shí)施例或這些實(shí)
施例的應(yīng)用和使用。如在此使用的，詞語"示范性"意指"用作例子、舉例或示例"。作為示范而在此描述的任何實(shí)施方式不必解釋為優(yōu)選的或優(yōu)于其他實(shí)施方式。此外，本發(fā)明不旨在受到在前述技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容或下面的詳細(xì)說明中所提出的任何明示或默示理論的限制。 如在此使用的，"節(jié)點(diǎn)"意指任何內(nèi)部的或外部的參考點(diǎn)、連接點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)、信號線、傳導(dǎo)元件或類似物，在該節(jié)點(diǎn)處存在給定信號、邏輯電平、電壓、數(shù)據(jù)模式、電流或數(shù)量。此外，可以通過一個(gè)物理元件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)(以及即使在共用模式下接收或輸出，兩個(gè)或更多個(gè)信號也可多路復(fù)用、調(diào)制或以其他方式區(qū)別開)。 下面的描述指"耦接"在一起的元件或節(jié)點(diǎn)或零件。如在此所使用的，除非有相反的明示陳述，"耦接"意指一個(gè)元件/節(jié)點(diǎn)/零件直接或間接地聯(lián)結(jié)到另一個(gè)元件/節(jié)點(diǎn)/零件(或直接或間接地與另一個(gè)元件/節(jié)點(diǎn)/零件通信)，并且不必是機(jī)械地聯(lián)結(jié)。因此，雖然圖1所示的示意圖描述元件的一個(gè)示范性布置，但是，額外的介入元件、裝置、零件或部件可以出現(xiàn)在所描述的本發(fā)明的實(shí)施例中。 此外，僅為了參考目的，某些術(shù)語也可使用在下面的描述中，并且因此不意在限制。例如，涉及結(jié)構(gòu)的術(shù)語"第一"、"第二"和其他這類數(shù)字術(shù)語并不意味著順序或次序，除非通過上下文清楚地表示。簡潔起見，與系統(tǒng)(和系統(tǒng)的各個(gè)操作部件)的信號處理、
基于晶體管的開關(guān)控制和其他功能方面有關(guān)的常規(guī)技術(shù)在此不再詳細(xì)描述。此外，在此包含的各種圖形中示出的連接線意在表示各種元件之間的示范性功能關(guān)系和/或物理耦接。應(yīng)當(dāng)明白，很多替代或額外的功能關(guān)系或物理連接可出現(xiàn)在本發(fā)明的實(shí)施例中。
在此描述的技術(shù)和/或構(gòu)思總體涉及使用在汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的具有多相升壓變換器的電氣系統(tǒng)。各相腳(升壓腳)的輸出可經(jīng)開關(guān)耦接以能夠根據(jù)需要改變每一輸出處的電壓，從而通過減少各裝置中的開關(guān)損耗而改善升壓變換器和由升壓變換器驅(qū)動的逆變器模塊的效率。 參考圖l，在示范性實(shí)施例中，適合用于用作車輛中的汽車驅(qū)動系統(tǒng)的一部分的電氣系統(tǒng)100包括、但不限于第一能量源102、升壓變換器104、第二能量源106、功率模塊108和開關(guān)110?？刂破?12可耦接到升壓變換器104和開關(guān)IIO，而且控制器112適合地構(gòu)造成用于支持電氣系統(tǒng)100的操作，如在下面更詳細(xì)地描述。在示范性實(shí)施例中，電氣系統(tǒng)100構(gòu)造成用于減少升壓變換器104和功率模塊108的開關(guān)損耗并且最大化升壓變換器104和功率模塊108的效率，如在下面更詳細(xì)地描述。應(yīng)當(dāng)理解，圖1是電氣系統(tǒng)100的簡化表示并且不意在以任何方式限制本發(fā)明。 在示范性實(shí)施例中，升壓變換器104耦接到電氣系統(tǒng)100的參考節(jié)點(diǎn)114。升壓變換器104的輸入節(jié)點(diǎn)116耦接到第一能量源102，第一能量源102繼而也耦接到參考節(jié)點(diǎn)114。更具體地，輸入節(jié)點(diǎn)116對應(yīng)于第一能量源102的正極端子，而參考節(jié)點(diǎn)114對應(yīng)于第一能量源102的負(fù)極端子。在示范性實(shí)施例中，升壓變換器104是具有多個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)118U20的多相DC-DC變換器。在示范性實(shí)施例中，第二能量源106耦接在升壓變換器104的第一輸出節(jié)點(diǎn)118與參考節(jié)點(diǎn)114之間。更具體地，第一輸出節(jié)點(diǎn)118對應(yīng)第二能量源106的正極端子，而參考節(jié)點(diǎn)114對應(yīng)第二能量源106的負(fù)極端子。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，輔助負(fù)載122可耦接在升壓變換器104的第一輸出節(jié)點(diǎn)118與參考節(jié)點(diǎn)114之間，如下面詳細(xì)描述。輔助電容器124可耦接在第一輸出節(jié)點(diǎn)118與參考節(jié)點(diǎn)114之間以減小輸出電壓脈動并平穩(wěn)升壓變換器104與第二能量源106之間的電壓，如本領(lǐng)域中將理解的。功率模塊108耦接在升壓變換器104的第二輸出節(jié)點(diǎn)120與參考節(jié)點(diǎn)114之間。第二電容器126可耦接在第二輸出節(jié)點(diǎn)120與參考節(jié)點(diǎn)114之間以減小輸出電壓脈動并平穩(wěn)升壓變換器104與功率模塊108之間的電壓。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，車輛牽引驅(qū)動單元128耦接到功率模塊108的輸出。 如圖1所示，在示范性實(shí)施例中，開關(guān)110耦接在第一輸出節(jié)點(diǎn)118與第二輸出節(jié)點(diǎn)120之間。如下面詳細(xì)描述的，在電氣系統(tǒng)100的操作期間在控制器112的控制下操作開關(guān)110，以在各種負(fù)載情形下減少開關(guān)損耗并改善電氣系統(tǒng)100的效率。例如，在第二輸出節(jié)點(diǎn)120處需要超過第一能量源102所能提供的功率的重負(fù)載情形下，控制器112可啟用(或閉合)開關(guān)IIO以耦接輸出節(jié)點(diǎn)118、120(或者替代地，將第二能量源106耦接到功率模塊108)從而在重負(fù)載情形下從第二能量源106提供峰值功率給第二輸出節(jié)點(diǎn)120。在其他情形下，控制器112可停用(或斷開)開關(guān)IIO以減小第二輸出節(jié)點(diǎn)120處的電壓并因此減小功率模塊108的開關(guān)損耗并且增加功率系統(tǒng)100的效率，如下所述。
取決于實(shí)施例，能量源102、106每個(gè)可實(shí)現(xiàn)為蓄電池、燃料電池(或燃料電池組)、一個(gè)或多個(gè)電容器(例如，超級電容器或電容器組)或其他合適的電壓源。對于這里所述的實(shí)施方式，第二能量源106具有大于或等于第一能量源102的電壓。在示范性實(shí)施例中，第一能量源102實(shí)現(xiàn)為燃料電池組，以及第二能量源106實(shí)現(xiàn)為高電壓蓄電池。在這一點(diǎn)，燃料電池組通常包括大約300個(gè)單個(gè)燃料電池，在全負(fù)載下，每個(gè)燃料電池提供大約直流0. 6伏的電壓。高電壓蓄電池具有范圍從直流300伏到直流400伏的電壓，并且可能甚至更高，具有大約直流360伏的典型標(biāo)稱電壓。在本領(lǐng)域中將明白蓄電池的實(shí)際電壓取決于蓄電池的充電狀態(tài)和輔助電容器124的特性及其他變量而隨時(shí)間改變。 在示范性實(shí)施例中，升壓變換器104是具有多個(gè)升壓腳130、 132、 134的多相DC-DC變換器。圖1描述了具有三個(gè)升壓腳130、132、134的升壓變換器104，然而，實(shí)際中，升壓變換器104取決于具體應(yīng)用的需要可包括額外的或更少的升壓腳。此外，升壓變換器104在希望時(shí)可包括與額外的升壓腳關(guān)聯(lián)的額外的輸出節(jié)點(diǎn)。如在此使用的，升壓腳130、132、134應(yīng)當(dāng)理解為全體地稱為能夠獨(dú)立操作為單相漸增(或升壓)變換器的裝置或電路元件的構(gòu)造。例如，如圖1中所示，第一升壓腳130包括耦接在升壓變換器104的輸入節(jié)點(diǎn)116與節(jié)點(diǎn)138之間的電感器136。 二極管140耦接在節(jié)點(diǎn)138與第一輸出節(jié)點(diǎn)118之間，以及升壓開關(guān)142耦接在節(jié)點(diǎn)138與參考節(jié)點(diǎn)114之間。在示范性實(shí)施例中，升壓開關(guān)142實(shí)現(xiàn)為半導(dǎo)體裝置，優(yōu)選地，為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)?？梢砸钥勺冋伎毡日{(diào)節(jié)(斷開和閉合)升壓開關(guān)142，其改變通過電感器136的電流，從而確定第一輸出節(jié)點(diǎn)118處的電壓。在該構(gòu)造中，第一升壓腳130類似于常規(guī)的單相升壓變換器，如本領(lǐng)域中將理解的。在示范性實(shí)施例中，額外的升壓腳132、134相似地配置在升壓變換器104的輸入節(jié)點(diǎn)116與第二輸出節(jié)點(diǎn)120之間。 雖然圖1描述了第二升壓腳132和第三升壓腳134在第二輸出節(jié)點(diǎn)120處耦接在一起，但是在某些實(shí)施例中，第三升壓腳134可與從其他輸出節(jié)點(diǎn)118、 120分開的第三輸出節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。此外，在替代實(shí)施例中，節(jié)點(diǎn)120可耦接到多于一個(gè)升壓腳的輸出。而且，升壓腳130、132、134中的一個(gè)或多個(gè)可實(shí)現(xiàn)為雙向?qū)嵤┓绞?。例如，雖然未示例，但是可通過增加與二極管140電氣地并聯(lián)的另一開關(guān)和增加與開關(guān)142并聯(lián)的另一二極管來實(shí)施升壓腳130。該雙向?qū)嵤┓绞綄⒃试S能量源106和/或節(jié)點(diǎn)116被充電到來自節(jié)點(diǎn)118的高電壓，如本領(lǐng)域中將理解的。 在示范性實(shí)施例中，功率模塊108實(shí)現(xiàn)為構(gòu)造成將來自輸出節(jié)點(diǎn)120的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的功率逆變器。在這一點(diǎn)，雖然未示例，但是逆變器功率模塊108包括在微處理器(或控制器)的控制下的一系列開關(guān)(通常是半導(dǎo)體裝置，例如絕緣柵雙極晶體管即IGBT)與續(xù)流二極管，從而在功率模塊108的輸出處提供期望的交流電壓和/或電流。車輛牽引驅(qū)動單元128可包括以受到在功率模塊108的輸出處提供的交流電的影響的方式而操作的馬達(dá)。在某些實(shí)施例中，車輛牽引驅(qū)動單元128可包括再生制動系統(tǒng)或用于將動能變換為電能以經(jīng)由功率模塊108提供電能給電氣系統(tǒng)100的其他設(shè)備，如下面詳細(xì)描述的。
在示范性實(shí)施例中，開關(guān)110實(shí)現(xiàn)為半導(dǎo)體裝置。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，開關(guān)110實(shí)現(xiàn)為金屬_氧化物_半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。圖1圖示對于N溝道MOSFET的開關(guān)110的示范性構(gòu)造。清晰以及解釋方便起見，在此根據(jù)N溝道構(gòu)造描述本發(fā)明，然而，本領(lǐng)域?qū)⒗斫獗景l(fā)明也可使用P溝道裝置來實(shí)施。如圖1所示，在示范性實(shí)施例中，開關(guān)110的源極端子144耦接到第二輸出節(jié)點(diǎn)120以及開關(guān)110的漏極端子146耦接到第一輸出節(jié)點(diǎn)118。在這種構(gòu)造中，在使用MOSFET時(shí)，在M0SFET內(nèi)存在具有所示極性的寄生體二極管148。開關(guān)110的柵極端子150可用于以公知方式控制開關(guān)110的功能。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，柵極端子150耦接到控制器112并且響應(yīng)于來自控制器112的控制信號，如下所述。
在示范性實(shí)施例中，控制器112構(gòu)造成響應(yīng)于第二輸出節(jié)點(diǎn)120處的各種負(fù)載情形操作升壓腳130、 132、 134和開關(guān)110以優(yōu)化電氣系統(tǒng)100的效率。雖然未示例，但是控制器112構(gòu)造成改變升壓開關(guān)142、152、154的各自的占空比以控制輸出節(jié)點(diǎn)H8、120處的電壓，如本領(lǐng)域中將理解的。在示范性實(shí)施例中，控制器112控制第一升壓開關(guān)142以在第一輸出節(jié)點(diǎn)118處提供電壓大致等于第二能量源106的電壓。在這一點(diǎn)，控制器112可監(jiān)測第二能量源106的電壓和/或充電狀態(tài)，并調(diào)節(jié)第一升壓開關(guān)142的占空比，相應(yīng)地以產(chǎn)生第一輸出節(jié)點(diǎn)118處的必要電壓。在電氣系統(tǒng)100的操作期間，只要開關(guān)110未被啟用(即，斷開)，則第二能量源106可由第一能量源102連續(xù)充電。 在示范性實(shí)施例中，控制器112構(gòu)造成確定第二輸出節(jié)點(diǎn)120處的負(fù)載水平并基于該負(fù)載情形啟用第二升壓腳132和第三升壓腳134。雖然未示例，但是控制器112可與功率模塊108、車輛牽引驅(qū)動單元128或車輛內(nèi)的另一電子控制單元(ECU)通信以確定第二輸出節(jié)點(diǎn)120處的期望電壓和/或電流水平。通常，第二輸出節(jié)點(diǎn)120處的期望電壓和/或電流水平基于車輛操作期間車輛牽引驅(qū)動單元128的負(fù)載。例如，在某些情形下，在車輛牽引驅(qū)動單元128的負(fù)載相對輕時(shí)，功率模塊108和/或車輛牽引驅(qū)動單元128可僅僅需要電壓小于或等于第一能量源102的電壓。在這種情形下，在第二輸出節(jié)點(diǎn)120處的負(fù)載相對輕時(shí)，控制器112將通過斷開各升壓開關(guān)152、154來不啟用與第二輸出節(jié)點(diǎn)120相關(guān)聯(lián)的升壓腳132、134從而實(shí)現(xiàn)在輕負(fù)載模式下操作。也即是說，與升壓開關(guān)152、154相關(guān)聯(lián)的占空比為零。在升壓開關(guān)152、154未被啟用(即，斷開)時(shí)，與切換升壓開關(guān)152、154關(guān)聯(lián)的功率損失減少。在示范性情況下，在輕負(fù)載期間通過不啟用升壓腳132、134可提高升壓變換器104的效率大約1%。還減少了升壓腳132U34中其他部件(即，二極管和電感器)上的壓力。在示范性實(shí)施例中，控制器112還構(gòu)造成響應(yīng)于確定出第二輸出節(jié)點(diǎn)120處的輕負(fù)載情形停用或斷開開關(guān)110。通過不啟用升壓腳132、134和開關(guān)IIO，跨逆變器功率模塊108中的開關(guān)兩側(cè)的電壓(S卩，輸出節(jié)點(diǎn)120與參考節(jié)點(diǎn)114之間的電壓)降低，從而減少功率模塊108中的開關(guān)損耗。在如上述的示范性情況下，功率模塊108的效率在輕負(fù)載下可提高約0. 6%，從而產(chǎn)生對于電氣系統(tǒng)100約1. 6%的總效率增益。
隨著第二輸出節(jié)點(diǎn)120處的負(fù)載水平增加，控制器112啟用第二升壓腳132和第三升壓腳134，同時(shí)將開關(guān)110維持在斷開狀態(tài)以支持在中間負(fù)載周期中的操作。例如，控制器112可確定出功率模塊108和/或車輛牽引驅(qū)動單元128期望第二輸出節(jié)點(diǎn)120處的電壓超過第一能量源102的電壓。作為響應(yīng)，控制器112可在需要時(shí)改變升壓開關(guān)152、 154的占空比以產(chǎn)生第二輸出節(jié)點(diǎn)120處的期望電壓，用于以較高的電壓操作車輛牽引驅(qū)動單元128。在這種方式下，電氣系統(tǒng)100可稱為為車輛牽引驅(qū)動單元128提供"按需"升壓。
在示范性實(shí)施例中，控制器112構(gòu)造成啟用或閉合開關(guān)110以實(shí)現(xiàn)第二能量源106與功率模塊108之間的期望功率流。響應(yīng)于確定出車輛牽引驅(qū)動單元128處存在峰值負(fù)載情形，控制器112可啟用(g卩，閉合)開關(guān)110將來自第二能量源106的功率提供給功率模塊108以支持車輛牽引驅(qū)動單元128在峰值負(fù)載模式下操作。對于N溝道MOSFET實(shí)施方式，控制器112可構(gòu)造成將控制信號或正電壓提供給柵極端子150以在開關(guān)110中產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，如在本領(lǐng)域中將理解的。在某些實(shí)施例中，控制器112可構(gòu)造成限制升壓開關(guān)152、154的占空比使得第二輸出節(jié)點(diǎn)120處的電壓并不過分大于第一輸出節(jié)點(diǎn)118處的電壓，以在開關(guān)110閉合時(shí)防止?jié)撛谄茐男缘挠坷穗娏?。在示范性?shí)施例中，在不再期望或需要來自第二能量源106的峰值功率時(shí)，控制器112可構(gòu)造成停用(或斷開)開關(guān)IIO。這種情形可在例如牽引驅(qū)動單元128處于輕或中間負(fù)載下時(shí)發(fā)生。 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，控制器112構(gòu)造成確定再生事件是否發(fā)生，以及啟用(閉合)開關(guān)110以將來自功率模塊108的功率提供給第二能量源106。例如，牽引驅(qū)動單元128可包括再生制動系統(tǒng)或能夠?qū)幽茏儞Q成電能的另外的系統(tǒng)。該電氣系統(tǒng)可用于在開關(guān)110啟用或閉合時(shí)使用功率模塊108和/或牽引驅(qū)動單元128使第二能量源106再充電。在開關(guān)IIO實(shí)現(xiàn)為構(gòu)造成如圖1所示的N-溝道M0SFET時(shí)，在第二輸出節(jié)點(diǎn)120處的電壓基于MOSFET裝置特性超過第一輸出節(jié)點(diǎn)118處的電壓某個(gè)量時(shí)，寄生二極管148將自動允許電能流動到第二能量源106。在這一點(diǎn)，第二能量源106可由功率模塊108和/或牽引驅(qū)動單元128再充電，而在柵極端子150處沒有任何輸入或者沒有任何由于控制器112的作用。 然而，在示范性實(shí)施例中，開關(guān)110被啟用(g卩，閉合)以減少開關(guān)110的損耗并且防止對 開關(guān)110或其他部件的任何潛在損害。 在各種替代實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)輔助負(fù)載122可耦接在第一輸出節(jié)點(diǎn)118與參 考節(jié)點(diǎn)114之間。例如，在燃料電池車輛中，輔助負(fù)載122可包括用于將氧提供給燃料電池 組的空氣壓縮機(jī)。在其他實(shí)施例中，輔助負(fù)載122可包括其他類型的壓縮機(jī)(例如，渦輪壓 縮機(jī)或系統(tǒng)壓縮機(jī))、其他功率模塊(例如，DC-DC變換器或逆變器)或適于操作在第二能 量源106的電壓水平下的其他負(fù)載。在本領(lǐng)域中將理解，這種構(gòu)造允許輔助負(fù)載122從較高 電壓并因此以較低電流操作，這對于某些負(fù)載可提供效率優(yōu)勢或容許較低的成本實(shí)施。雖 然在此未詳細(xì)描述，但是輔助節(jié)點(diǎn)的各種組合和構(gòu)造對于實(shí)現(xiàn)期望的性能目標(biāo)是可能的， 如在本領(lǐng)域?qū)⒗斫獾摹?上述的系統(tǒng)和/或方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電氣系統(tǒng)的效率可通過減少升壓變換器和 逆變器功率模塊的開關(guān)損耗得到提高。在輕負(fù)載周期期間，一個(gè)升壓腳可以操作以將充電 功率提供給高電壓蓄電池用于峰值功率，同時(shí)其他升壓腳不起作用。通過使用開關(guān)，高電壓 蓄電池可選擇地耦接到逆變器功率模塊。取決于情形，高電壓蓄電池可將峰值功率提供給 車輛牽引驅(qū)動單元或吸收來自牽引驅(qū)動單元的再生能量。 雖然在前面的詳細(xì)描述中已經(jīng)介紹了至少一個(gè)示范性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解存在 大量的變化。也應(yīng)當(dāng)理解在此描述的(一個(gè)或多個(gè))示范性實(shí)施例并不意在以任何方式限 制所要求保護(hù)的發(fā)明的范圍、適用性或構(gòu)造。相反，前面的詳細(xì)描述將為本領(lǐng)域技術(shù)人員提 供實(shí)施所描述的(一個(gè)或多個(gè))實(shí)施例的方便的路線圖。應(yīng)當(dāng)知道，在不偏離由權(quán)利要求 所限定的范圍(其包括在提交本發(fā)明申請時(shí)公知的等同范圍和可預(yù)見的等同范圍)的情況 下，在元件的功能和布置方面可以做出各種變化。
權(quán)利要求
一種用于使用在車輛中的電氣系統(tǒng)，所述電氣系統(tǒng)包括參考節(jié)點(diǎn)；耦接到所述參考節(jié)點(diǎn)的升壓變換器；所述升壓變換器具有輸入節(jié)點(diǎn)、與第一腳相關(guān)聯(lián)的第一輸出節(jié)點(diǎn)和與第二腳相關(guān)聯(lián)的第二輸出節(jié)點(diǎn)；耦接在所述輸入節(jié)點(diǎn)與所述參考節(jié)點(diǎn)之間的第一能量源，所述第一能量源具有第一電壓；耦接在所述第一輸出節(jié)點(diǎn)與所述參考節(jié)點(diǎn)之間的第二能量源，所述第二能量源具有第二電壓，其中，所述第二電壓大于所述第一電壓；以及耦接在所述第二輸出節(jié)點(diǎn)與所述第一輸出節(jié)點(diǎn)之間的第一開關(guān)，其中在所述第一開關(guān)閉合時(shí)所述第二能量源將能量提供到所述第二輸出節(jié)點(diǎn)。
2. 如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述第一能量源是燃料電池。
3. 如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦接在所述第二輸出節(jié)點(diǎn)與所述參考節(jié)點(diǎn)之間的功率模塊。
4. 如權(quán)利要求3所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦接到所述功率模塊的牽引驅(qū)動單元。
5. 如權(quán)利要求3所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述第二腳具有耦接在所述第二輸出節(jié)點(diǎn)與所述參考節(jié)點(diǎn)之間的第二升壓開關(guān)，其中所述電氣系統(tǒng)還包括耦接到所述升壓變換器的控制器，所述控制器構(gòu)造成如果所述第二輸出節(jié)點(diǎn)處的期望電壓大于所述第一能量源的電壓，則以第二占空比啟用所述第二升壓開關(guān)以產(chǎn)生所述期望電壓；以及如果所期望電壓小于所述第一能量源的電壓，則不啟用所述第二升壓開關(guān)。
6. 如權(quán)利要求5所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器耦接到所述第一開關(guān)，其中，所述控制器構(gòu)造成啟用所述第一開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)所述第二能量源與所述功率模塊之間的期望功率流。
7. 如權(quán)利要求5所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述第一腳具有耦接在所述第一輸出節(jié)點(diǎn)與所述參考節(jié)點(diǎn)之間的第一升壓開關(guān)，其中所述控制器構(gòu)造成以第一占空比啟用所述第一升壓開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)所述第一輸出節(jié)點(diǎn)處的所述第二電壓。
8. 如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦接在所述第一輸出節(jié)點(diǎn)與所述參考節(jié)點(diǎn)之間的輔助負(fù)載。
9. 如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述第一開關(guān)包括金屬氧化物_半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
10. 如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述第二能量源包括電容器。
11. 如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述第二能量源包括蓄電池。
12. 如權(quán)利要求11所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述蓄電池具有在大約300伏和大約400伏之間的標(biāo)稱直流電壓。
13. 如權(quán)利要求11所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦接在所述第一輸出節(jié)點(diǎn)與所述參考節(jié)點(diǎn)之間的輔助電容器。
14. 一種汽車驅(qū)動系統(tǒng)，包括具有輸入節(jié)點(diǎn)、與第一升壓腳相關(guān)聯(lián)的第一輸出節(jié)點(diǎn)和與第二升壓腳相關(guān)聯(lián)的第二輸出節(jié)點(diǎn)的升壓變換器；耦接到所述輸入節(jié)點(diǎn)的燃料電池；耦接到所述第一輸出節(jié)點(diǎn)的蓄電池；耦接到所述第二輸出節(jié)點(diǎn)的逆變器模塊；耦接到所述逆變器模塊的車輛牽引驅(qū)動單元；以及耦接在所述第二輸出節(jié)點(diǎn)與所述第一輸出節(jié)點(diǎn)之間的第一開關(guān)，其中在所述第一開關(guān)閉合時(shí)，所述蓄電池將能量提供到所述第二輸出節(jié)點(diǎn)。
15. 如權(quán)利要求14的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦接到所述升壓變換器的控制器，所述控制器構(gòu)造成如果在所述第二輸出節(jié)點(diǎn)處的期望電壓大于所述燃料電池的電壓，則啟用所述第二升壓腳；以及如果期望電壓小于所述燃料電池的電壓，則不啟用所述第二升壓腳。
16. 如權(quán)利要求15的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器耦接到所述第一開關(guān)，其中，所述控制器構(gòu)造成啟用所述第一開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)所述蓄電池與所述車輛牽引驅(qū)動單元的期望功率流。
17. 如權(quán)利要求16的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器構(gòu)造成啟用所述第一升壓腳從而實(shí)現(xiàn)第一輸出節(jié)點(diǎn)處的期望電壓。
18. —種用于控制具有與第一升壓腳相關(guān)聯(lián)的第一輸出節(jié)點(diǎn)和與第二升壓腳相關(guān)聯(lián)的第二輸出節(jié)點(diǎn)的升壓變換器的方法，所述方法包括啟用所述第一升壓腳和不啟用所述第二升壓腳以支持在第一負(fù)載模式下操作；以及啟用所述第一升壓腳和所述第二升壓腳兩者以支持在第二負(fù)載模式下操作。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述第一輸出節(jié)點(diǎn)耦接到能量源；以及所述方法還包括啟用耦接在所述第一輸出節(jié)點(diǎn)與所述第二輸出節(jié)點(diǎn)之間的開關(guān)以支持在第三負(fù)載模式下操作。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述第二輸出節(jié)點(diǎn)耦接到車輛牽引驅(qū)動單元，其中所述方法包括啟用所述第一升壓腳和不啟用所述第二升壓腳以支持所述車輛牽引驅(qū)動單元在所述第一負(fù)載模式下操作，所述第一負(fù)載模式對應(yīng)于所述車輛牽引驅(qū)動單元的相對輕負(fù)載；啟用所述第一升壓腳和所述第二升壓腳兩者以支持所述車輛牽引驅(qū)動單元在所述第二負(fù)載模式下操作，所述第二負(fù)載模式對應(yīng)于所述車輛牽引驅(qū)動單元的相對高負(fù)載；以及啟用耦接在所述第一輸出節(jié)點(diǎn)與所述第二輸出節(jié)點(diǎn)之間的所述開關(guān)以支持所述車輛牽引驅(qū)動單元在所述第三負(fù)載模式下操作，所述第三負(fù)載模式對應(yīng)于所述車輛牽引驅(qū)動單元的峰值負(fù)載。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有按需升壓變換器的電氣系統(tǒng)和汽車驅(qū)動系統(tǒng)及操作方法。提供用于使用在車輛中的按需升壓變換器的系統(tǒng)和方法。汽車驅(qū)動系統(tǒng)包括具有輸入節(jié)點(diǎn)、與第一升壓腳相關(guān)聯(lián)的第一輸出節(jié)點(diǎn)和與第二升壓腳相關(guān)聯(lián)的第二輸出節(jié)點(diǎn)的升壓變換器。燃料電池耦接到升壓變換器的輸入節(jié)點(diǎn)以及蓄電池耦接到第一輸出節(jié)點(diǎn)。逆變器模塊耦接到第二輸出節(jié)點(diǎn)，以及車輛牽引驅(qū)動單元耦接到逆變器模塊。第一開關(guān)耦接在第二輸出節(jié)點(diǎn)與第一輸出節(jié)點(diǎn)之間，其中在第一開關(guān)閉合時(shí)蓄電池將能量提供到第二輸出節(jié)點(diǎn)。
文檔編號B60R16/02GK101722906SQ200910207300
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日
發(fā)明者G·R·伍迪, K·陳, S·賴澤 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司