電源系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】電源系統(tǒng)
[0001]優(yōu)先權(quán)信息
[0002]本申請要求2014年7月22日提交的日本專利申請N0.2014-148894的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容在此引入以供參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及包括連接在多個DC電源和共用的電力線之間的電力轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]在JP 2011-97693 A(在下文中，稱為專利文獻(xiàn)1)中已經(jīng)公開了將兩個DC電源經(jīng)轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接到電力線的車輛電源系統(tǒng)。在說明書中，該電源系統(tǒng)對DC電源中的一個執(zhí)行電壓控制，同時通過反饋控制對另一個電源執(zhí)行電力控制，使得兩個DC電源一起協(xié)作來供應(yīng)由用作負(fù)荷的電動機需求的電力。此外，基于作為實際輸入/輸出的實際電力值相對于對其執(zhí)行電力控制的DC電源請求的電力命令值的偏差，電源系統(tǒng)根據(jù)電力分配比，調(diào)整對該DC電源設(shè)定的目標(biāo)電力值。因此，根據(jù)該描述，能消除由于實際電力值與電力命令值的偏差導(dǎo)致的不利影響，諸如過放電和過充電，并且能執(zhí)行穩(wěn)定電力管理。
[0005]對專利文獻(xiàn)1中的車輛電源系統(tǒng)，基于各個電源的狀態(tài)，諸如S0C和溫度，以及負(fù)荷請求，確定電力分配比，以便適當(dāng)?shù)夭捎酶鱾€DC電源。
[0006]在該電源系統(tǒng)中，相對于基于電力分配比提供的目標(biāo)電力值，強加在DC電源中的一個上的電力負(fù)擔(dān)可能高于強加在另一 DC電源上的負(fù)擔(dān)。例如，當(dāng)增加用于第一 DC電源的電力分配比時，升高通過電力轉(zhuǎn)換器的升壓的比，即系統(tǒng)電壓，來滿足負(fù)荷需求的電力。然后，可能增加系統(tǒng)電壓與第二DC電源的電壓之間的差，并且第二DC電源的過充電可能發(fā)生。相反，當(dāng)降低第一 DC電源的電力分配比時，可能增加從第二 DC電源獲得的電力，并且第二電源的過放電可能發(fā)生。因此，在由第一和第二 DC電源供應(yīng)電力來滿足負(fù)荷需求的電力的情況下，應(yīng)當(dāng)設(shè)定電力分配比來適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)由各個DC電源輸入和輸出的電力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一個目的是提供能執(zhí)行用于第一和第二 DC電源的適當(dāng)電力分配來防止在DC電源中的任何一個中發(fā)生過電力，諸如過放電或過充電的電源系統(tǒng)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)包括:
[0009]負(fù)荷；
[0010]連接到負(fù)荷的電力線；
[0011]能夠向負(fù)荷供應(yīng)電力的第一和第二 DC電源；
[0012]連接在第一和第二 DC電源與電力線兩者之間的電力轉(zhuǎn)換器；以及
[0013]用于控制電力轉(zhuǎn)換器的操作的控制器，
[0014]其中，第一和第二 DC電源能夠并聯(lián)連接到電力線，
[0015]其中，操作模式能夠在第一操作模式和第二操作模式之間切換，在第一操作模式中，僅第一和第二 DC電源中的一個輸入或輸出由負(fù)荷需求的電力，而在第二操作模式中，由負(fù)荷需求的電力被分配為將分別由第一和第二 DC電源輸入/輸出的電力，并且第一和第二 DC電源輸入和輸出由此分配的電力，以及
[0016]其中，當(dāng)開始第一操作模式到第二操作模式的轉(zhuǎn)變時，控制器將用于第一和第二DC電源中的另一個的輸入和輸出電力命令值設(shè)定成等于或高于下限值，并且使用于第一和第二 DC電源的輸入和輸出電力命令值相對于由負(fù)荷需求的電力的比保持在預(yù)定范圍內(nèi)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)，控制器可以能夠執(zhí)行反饋控制來使第一和第二 DC電源的實際電力值接近輸入和輸出電力命令值，并且當(dāng)在第二操作模式中，第一和第二 DC電源中的該另一個的實際電力低于預(yù)定電力閾值時，控制器可以禁止用于增加第一和第二 DC電源中的該一個的實際電力的反饋控制。
[0018]在這種情況下，當(dāng)?shù)谝缓偷诙娫粗械脑摿硪粋€的實際電力低于預(yù)定電力閾值時，控制器可以禁止用于增加第一和第二 DC電源中的一個的實際電力的反饋控制，并且當(dāng)?shù)谝缓偷诙娫吹牧硪粋€的實際電力等于或高于預(yù)定電力閾值時，控制器可以允許用于增加第一和第二 DC電源中的一個的實際電力的反饋控制。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)，在對第一和第二 DC電源執(zhí)行電力分配以滿足負(fù)荷需求的電力時，能防止在第一或第二 DC電源中出現(xiàn)過電力。
【附圖說明】
[0020]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電源系統(tǒng)的配置的圖；
[0021]圖2是示例圖1中所示的負(fù)荷的示例性布置的示意圖；
[0022]圖3是用于說明圖1中的電力轉(zhuǎn)換器的多個不同操作模式的表；
[0023]圖4A和4B是用于說明PB模式中的第一 DC電源的DC/DC轉(zhuǎn)換(升壓)的電路圖；
[0024]圖5A和5B是用于說明PB模式中的第二 DC電源的DC/DC轉(zhuǎn)換(升壓)的電路圖；
[0025]圖6是示出用于控制PB模式中的電力轉(zhuǎn)換器的切換元件的例子的波形圖；
[0026]圖7是用于說明設(shè)定用于PB模式中的各個切換元件的控制信號的邏輯表達(dá)式的表;
[0027]圖8A和8B是用于說明SB模式中的DC/DC轉(zhuǎn)換(升壓)的電路圖；
[0028]圖9是示出用于控制SB模式中的各個切換元件的例子的波形圖；
[0029]圖10是用于說明設(shè)定用于控制SB模式中的各個切換元件的操作的邏輯表達(dá)式的表;
[0030]圖11A和11B是用于說明在PBD模式中，第一 DC電源的DC/DC轉(zhuǎn)換和第二 DC電源的直接連接的電路圖；
[0031]圖12是示出用于PBD模式中，各個切換元件的示例性控制操作的波形圖；
[0032]圖13是用于說明設(shè)定PBD模式中的各個切換元件的控制操作的邏輯表達(dá)式的表;
[0033]圖14是為圖3中的各個操作模式采用的、表示使能還是禁用用于DC電源的電力分配比的控制，以及比較可用于設(shè)定輸出電壓的范圍的表；
[0034]圖15是用于說明負(fù)荷需求的電壓的電壓范圍的定義的概念圖；
[0035]圖16是用于說明用于圖15中所示的每一電壓范圍的操作模式的選擇的表；
[0036]圖17中用于說明控制本實施例中的電力轉(zhuǎn)換器的基本概念的概念圖；
[0037]圖18是用于說明本實施例中的電力轉(zhuǎn)換器的控制的框圖；
[0038]圖19是用于說明本實施例中的電力轉(zhuǎn)換器的控制的另一框圖；
[0039]圖20是示出用于PB模式中的第一 DC電源的占空比和電力分配比之間的關(guān)系的圖；
[0040]圖21是用于控制器的過電力避免控制單元的功能框圖；
[0041]圖22是示出由控制器執(zhí)行的過電力避免控制處理的流程圖；
[0042]圖23A、23B和23C是當(dāng)執(zhí)行過電力避免控制時提供的圖，分別表示用于第一 DC電源的電力命令值和實際電力的變化、用于第一 DC電源的升壓比的變化和用于第二 DC電源的電力命令值和實際值的變化，以及
[0043]圖24是示出電源系統(tǒng)的另一示例性配置的圖。
【具體實施方式】
[0044]現(xiàn)在，將參考附圖，詳細(xì)地描述本發(fā)明的一個實施例。在說明中，具體提出的形狀、材料、數(shù)值和方向僅是示例性的，以便易于理解本發(fā)明，并且根據(jù)應(yīng)用、目的和規(guī)格，可以按需改變。此外，在下述描述中包括多個實施例及改進(jìn)的情況下，通常假定適當(dāng)組合使用這些實施例或改進(jìn)的特征。
[0045]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的電源系統(tǒng)的配置的電路圖。電源系統(tǒng)1包括第一DC電源10a和第二 DC電源10b、負(fù)荷30、控制器40和電力轉(zhuǎn)換器50。
[0046]在該實施例中，通過采用二次電池，諸如鋰離子電池或鎳氫電池，或具有良好輸出特性的DC電壓源部件，諸如雙電層電容器或鋰離子電容器，提供第一和第二 DC電源10a和10bo
[0047]第一和第二 DC電源10a和10b可以提供為具有相同電容的同一類型的DC電源，或提供為具有不同電容的不同類型的DC電源。
[0048]電力轉(zhuǎn)換器50連接在第一和第二 DC電源10a和10b與電力線20兩者之間。電力轉(zhuǎn)換器50基于電壓命令值VH*，控制連接到負(fù)荷30的電力線20上的DC電壓(在下文中稱為系統(tǒng)電壓VH)。g卩，第一和第二 DC電源10a和10b共用電力線20。
[0049]在接收作為由電力轉(zhuǎn)換器50輸出的電壓的系統(tǒng)電壓VH后，操作負(fù)荷30。根據(jù)負(fù)荷30的操作狀態(tài)，諸如轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速，電壓命令值VH*可變地設(shè)定為適合于負(fù)荷30操作的電壓。負(fù)荷30可以被配置成能通過發(fā)電產(chǎn)生用于充電第一和第二 DC電源10a和10b的電能。
[0050]電力轉(zhuǎn)換器50包括切換元件S1至S4和電抗器L1和L2。在該實施例中，IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)例如能用作切換元件S1至S4。反并聯(lián)二極管D1至D4連接到切換元件S1至S4。
[0051]能分別響應(yīng)控制信號SG1至SG4，控制切換元件S1至S4的接通/斷開狀態(tài)。即，當(dāng)控制信號SG1至SG4為有效高(在下文中稱為電平H)時，接通切換元件S1至S4，而當(dāng)信號SG1至SG4為有效低(在下文中稱為電平L)時斷開。
[0052]切換元件S1電連接在電力線20和節(jié)點N1之間。電抗器L2連接在節(jié)點N1和第二 DC電源10b的正極端子之間。流過電抗器L2的電流ILb由電流檢測器12b檢測，并且傳送到控制器40。切換元件S2電連接在節(jié)點N1和節(jié)點N2之間。電抗器L1連接在節(jié)點N2和第一 DC電源10a的正極端子之間。流過電抗器L1的電流ILa由電流傳感器12a檢測，并且傳送到控制器40。
[0053]切換元件S3電連接在節(jié)點N2和節(jié)點N3之間。節(jié)點N3電連接到第二 DC電源10b的負(fù)極端子。切換元件S4電連接在節(jié)點N3和地線21之間。地線21電連接在負(fù)荷30和第一 DC電源10a的負(fù)極端子之間。
[0054]從圖1看出，電力轉(zhuǎn)換器50包括升壓斬波器，分別用于第一 DC電源10a和第二 DC電源10b。S卩，對第一 DC電源10a，提供第一 DC雙向升壓斬波器，其中，將切換元件S1和S2用作上臂元件，并且切換元件S3和S4用作下臂元件。同樣地，對第二 DC電源10b，提供第二DC雙向升壓斬波器，其中，切換元件S1和S4被用作上臂元件，并且切換元件S2和S3用作下臂元件。
[0055]因為第一升壓斬波器，沿在第一 DC電源10a和電力線20之間延伸的電力轉(zhuǎn)換路徑和在第二 DC電源10b和電力線20之間延伸的電力轉(zhuǎn)換路徑，均存在切換元件S1至S4。
[0056]控制器40生成用于控制切換元件S1至S4的接通/斷開狀態(tài)的控制信號SG1至SG4，以便控制施加到負(fù)荷30的系統(tǒng)電壓VH。控制器40接收由電壓傳感器11a檢測的第一 DC電源10a的電壓Va、流過第一 DC電源10a并且由電流傳感器(未示出)檢測的電流Ia、由電壓傳感器lib檢測的第二 DC電源10b的電壓Vb，以及由電流傳感器(未示出)檢測的第二 DC電源10b的電流lb?？刂破?0還接收由溫度傳感器(未示出)檢測的第一和第二 DC電源10a和10b的溫度Ta和Tb。此外，控制器40還接收由電壓傳感器11c (見圖2)檢測的電力轉(zhuǎn)換器50的系統(tǒng)電壓VH。
[0057]在延伸到輔助設(shè)備的電力分配線未連接在第一 DC電源10a和電抗器L1之間的情況下，能將流過電抗器L1的電流ILa看作等于第一 DC電源10a的電流la。同樣地，在延伸到輔助設(shè)備的電力分配線未連接在第二 DC電源10b和電抗器L2之間的情況下，流過電抗器L2的電流Ib2能看作等于第二 DC電源10b的電流lb。
[0058]圖2是示出用于負(fù)荷30的示例性布置的示意圖。提供包括例如用于推動電動車輛的電動機的負(fù)荷30。負(fù)荷30包括平滑電容器CH、逆變器32、電動發(fā)電機35、動力傳輸齒輪36和驅(qū)動輪37。
[0059]電動發(fā)電機35是生成車輛的驅(qū)動力，并且提供為例如多相永久磁體同步電動機的牽引電動機。電動發(fā)電機35的輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)包括減速器和動力分配機構(gòu)的動力傳輸齒輪36被傳遞到驅(qū)動輪37。由經(jīng)動力傳輸齒輪36傳遞到驅(qū)動輪37的轉(zhuǎn)矩推動電動車輛。此夕卜，在電動車輛的再生制動時，電動發(fā)電機35通過驅(qū)動輪37的旋轉(zhuǎn)力發(fā)電。通過逆變器32，將所產(chǎn)生的電力從交流電轉(zhuǎn)換成直流電，并且直流電用作用于充電包括在電源系統(tǒng)1中的第一和第二 DC電源10a和10b的電力。
[0060]對其中除電動發(fā)電機外還安裝發(fā)動機(未示出)的混合動力車，發(fā)動機和電動發(fā)電機35協(xié)作來產(chǎn)生電動車輛需求的車輛驅(qū)動力。同時，由發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電力還可以用來充電第一和第二 DC電源10a和10b。
[0061]如上所述，電動車輛廣泛包括安裝牽引電動機的車輛，并且包括由發(fā)動機和電動發(fā)電機產(chǎn)生用于車輛的推動力的混合動力車、以及不安裝發(fā)動機的電動車和燃料電池車。用于驅(qū)動力源或發(fā)電機的多個電動發(fā)電機也可以安裝到電動車輛上。
[0062](電力轉(zhuǎn)換器的操作模式)
[0063]電力轉(zhuǎn)換器50具有包含在第一和第二 DC電源10a、10b與動力源20兩者之間執(zhí)行的直流電轉(zhuǎn)換的不同形式的多個操作模式。
[0064]在圖3中示出電力轉(zhuǎn)換器50的多個操作模式。如圖3所示，操作模式粗細(xì)地劃分成:“升壓模式(B) ”，其中，與切換元件S1至S4的周期性接通/斷開有關(guān)，執(zhí)行由第一 DC電源10a/第二 DC電源10b輸出的電壓的升壓；以及“直接連接模式(D)”，其中，第一 DC電源10a/第二 DC電源10b電且直接地連接到電力線20，而固定切換元件S1至S4的接通/斷開狀態(tài)。
[0065]升壓模式包括:“并聯(lián)升壓模式(在下文中，稱為PB模式)”，其中，在DC電源10a、10b與電力線20之間，執(zhí)行并聯(lián)DC/DC轉(zhuǎn)換；“串聯(lián)升壓模式(在下文中，稱為SB模式)”，其中，在串聯(lián)連接的DC電源10a和10b與電力線20之間，執(zhí)行DC/DC轉(zhuǎn)換；以及“并聯(lián)升壓直接連接模式(在下文中，稱為PBD模式)”，其中，對DC電源10a和10b中的一個和電力線20執(zhí)行DC/DC轉(zhuǎn)換，并且與用于DC/DC轉(zhuǎn)換的DC電源10a或10b并聯(lián)地將剩余DC電源10a或10b直接連接到電力線20。由于PBD模式是伴有用于DC電源中的一個的升壓操作的操作模式，在下述描述中，將PBD模式看作分成“升壓模式(B) ”的模式。
[0066]升壓模式還包括:“使用第一 DC電源10a的單獨模式(在下文中，稱為aB模式)”，其中，僅采用第一 DC電源來執(zhí)行用于該DC電源和電力線20的DC/DC轉(zhuǎn)換；以及“使用第二DC電源10b的單獨模式(在下文中，稱為bB模式)”，其中，僅采用第二 DC電源10b來執(zhí)行用于該DC電源和電力線20的DC/DC轉(zhuǎn)換。在aB模式中，只要使系統(tǒng)