Устройство электропитания для транспортного средства - RU2413352C1
Код документа: RU2413352C1
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству электропитания для транспортного средства, а более конкретно к устройству электропитания для транспортного средства, имеющего множество установленных устройств накопления энергии.
Предшествующий уровень техники
Электрические транспортные средства, гибридные транспортные средства, транспортные средства на топливных элементах и т.п. недавно созданы и введены в практическое применение как безвредные для окружающей среды транспортные средства. Эти транспортные средства имеют установленный электродвигатель и устройство электропитания для приведения в движение электродвигателя.
Установка множества аккумуляторов на таких транспортных средствах рассматривается с точки зрения увеличения допустимого расстояния пробега только за счет аккумуляторов.
Выложенная заявка Японии 2002-10502 раскрывает устройство зарядки и разрядки для аккумуляторов, которое может заряжать и разряжать множество аккумуляторов одновременно.
Для электрических транспортных средств желательно, чтобы допустимое расстояние пробега на одной зарядке было значительным. Для гибридных транспортных средств, имеющих двигатель внутреннего сгорания, аккумулятор и электродвигатель, также желательно, чтобы допустимое расстояние пробега на одной зарядке без использования двигателя внутреннего сгорания было значительным, когда гибридные транспортные средства сконфигурированы таким образом, что аккумулятор перезаряжается от внешнего источника.
Чтобы увеличивать допустимое расстояние пробега на одной зарядке, величина энергии аккумуляторов, установленных на транспортном средстве, должна быть увеличена. Увеличение величины энергии может достигаться за счет: 1) увеличения энергетической емкости на один элемент аккумулятора; или 2) увеличения числа установленных элементов аккумулятора.
При вышеупомянутой технологии 1) трудно обеспечивать требуемую величину энергии вследствие наличия верхнего предела мощности для элемента аккумулятора. Технология 2) может достигаться посредством увеличения числа последовательно или параллельно размещенных элементов.
Увеличение числа последовательно размещенных элементов приводит к высокому напряжению. Тем не менее, увеличение числа последовательно размещенных элементов ограничено верхним пределом выдерживаемых напряжений инвертора, электродвигателя и т.п., которые являются электрическими нагрузками. Напротив, параллельное соединение элементов аккумулятора без использования устройства регулирования мощности приведет к износу некоторых из аккумуляторов, хотя может быть обеспечена требуемая емкость. Это означает, что производительность установленных аккумуляторов не может быть полностью использована.
Дополнительно транспортные средства с установленным электродвигателем для приведения в движение колес обычно оборудованы вспомогательным аккумулятором для приведения в действие вспомогательной нагрузки в дополнение к аккумулятору высокого напряжения в несколько сотен вольт для приведения в действие электродвигателя.
Зарядка вспомогательного аккумулятора и подача питания на вспомогательную нагрузку могут выполняться при напряжении, получаемом за счет понижающего преобразования напряжения в аккумуляторе высокого напряжения посредством преобразователя постоянного тока в постоянный ток.
В этом случае, тем не менее, установка множества аккумуляторов высокого напряжения для увеличения допустимого расстояния пробега требует осуществления определенных мер для сбалансированной зарядки множества аккумуляторов высокого напряжения, поскольку один из аккумуляторов высокого напряжения требуется также для подачи питания во вспомогательную нагрузку.
Краткое изложение сущности изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить устройство электропитания для транспортного средства, имеющего множество установленных устройств накопления энергии, в котором дисбаланс зарядки/разрядки для множества устройств накопления энергии уменьшается.
Настоящее изобретение направлено на создание устройства электропитания для транспортного средства, включающего в себя первое и второе устройства накопления энергии, подключенные параллельно к главной нагрузке, первый преобразователь мощности, предусмотренный между первым устройством накопления энергии и главной нагрузкой, второй преобразователь мощности, предусмотренный между вторым устройством накопления энергии и главной нагрузкой, третий преобразователь мощности, принимающий ток, выделенный из ветви, соединяющей первый преобразователь мощности и первое устройство накопления энергии, вспомогательную нагрузку, приводимую в действие посредством мощности от третьего преобразователя мощности, и контроллер, управляющий первым-третьим преобразователями мощности. Контроллер определяет токи зарядки/разрядки для первого и второго устройств накопления энергии, отражающие изменения в токе, протекающем через вспомогательную нагрузку, чтобы управлять первым преобразователем мощности и/или вторым преобразователем мощности, когда определенные токи заряжаются/разряжаются.
Предпочтительно устройство электропитания для транспортного средства дополнительно включает в себя аккумуляторное зарядное устройство для зарядки первого и второго устройств накопления энергии посредством мощности, принимаемой из источника, внешнего для транспортного средства. Аккумуляторное зарядное устройство подключается к первому устройству накопления энергии. Первый и второй преобразователи мощности выделяют часть тока, принимаемого от аккумуляторного зарядного устройства, чтобы работать как еще одно аккумуляторное зарядное устройство, заряжающее второе устройство накопления энергии.
Более предпочтительно устройство электропитания для транспортного средства дополнительно включает в себя датчик тока, детектирующий ток зарядки/разрядки для первого устройства накопления энергии. Контроллер временно приостанавливает работу третьего преобразователя мощности, чтобы вычислить ток, выделенный в направлении третьего преобразователя мощности, на основе разности в токе зарядки/разрядки для первого устройства накопления энергии до и после приостановки, и корректирует работу первого и второго преобразователей мощности на основе выделенного тока.
Еще более предпочтительно первый преобразователь мощности повышает напряжение от первого устройства накопления энергии в направлении главной нагрузки в ходе зарядки из источника, внешнего для транспортного средства. Второй преобразователь мощности работает таким образом, что ток постоянной величины протекает от главной нагрузки в направлении второго устройства накопления энергии в ходе зарядки от источника, внешнего для транспортного средства.
Предпочтительно контроллер вычисляет ток, выделенный из ветви, соединяющей первый преобразователь мощности и первое устройство накопления энергии, в направлении третьего преобразователя мощности, когда контроллер допускает, чтобы потребление энергии во вспомогательной нагрузке варьировалось.
Более предпочтительно контроллер допускает, чтобы потребление энергии во вспомогательной нагрузке варьировалось через каждый предварительно определенный промежуток времени.
Более предпочтительно контроллер допускает, чтобы потребление энергии во вспомогательной нагрузке варьировалось, когда разность между состоянием зарядки первого устройства накопления энергии и состоянием зарядки второго устройства накопления энергии превышает предварительно определенное значение.
Предпочтительно контроллер вычисляет состояние зарядки первого устройства накопления энергии и состояние зарядки второго устройства накопления энергии, чтобы управлять первым-третьим преобразователями мощности таким образом, что разность между состоянием зарядки первого устройства накопления энергии и состоянием зарядки второго устройства накопления энергии не увеличивалась.
Согласно настоящему изобретению, когда установлено множество устройств накопления энергии, уменьшается дисбаланс зарядки/разрядки. Это в результате исключает такое состояние, когда некоторые из множества устройств накопления энергии имеют меньший срок службы, чем остальные устройства накопления энергии.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует основную конфигурацию транспортного средства согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 - принципиальная электрическая схема, показывающая подробную конфигурацию инверторов 14 и 22, показанных на фиг. 1, согласно изобретению;
Фиг. 3 - принципиальная электрическая схема, показывающая подробную конфигурацию повышающих преобразователей 12A и 12B, показанных на фиг. 1, согласно изобретению;
Фиг. 4 - принципиальная схема для описания состояния устройства электропитания для транспортного средства в ходе зарядки согласно изобретению;
Фиг. 5 - блок-схема последовательности операций способа для описания управления зарядкой, выполняемого посредством контроллера 30, согласно изобретению;
Фиг. 6 - схема для описания изменений в токе зарядки до и после приостановки работы преобразователя 33 постоянного тока в постоянный ток согласно изобретению;
Фиг. 7 - операционная временная диаграмма сигналов, показывающая пример, где управление осуществляется на основе блок-схемы последовательности операций способа по фиг. 5 согласно изобретению;
Фиг. 8 - блок-схема последовательности операций способа для описания управления зарядкой, выполняемого посредством контроллера 30, показанного на фиг. 1, согласно второму варианту осуществления;
Фиг. 9 - операционная временная диаграмма сигналов, показывающая пример, где управление осуществляется на основе блок-схемы последовательности операций способа по фиг. 8, согласно изобретению;
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Далее подробно описывается вариант осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи. Аналогичные ссылки с номерами обозначают аналогичные или соответствующие части по всем чертежам, и их описание не повторяется.
Первый вариант осуществления
Фиг. 1 иллюстрирует основную конфигурацию транспортного средства 1 согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Транспортное средство 1 (фиг. 1) включает в себя аккумуляторы B1 и B2 в качестве устройств накопления энергии, повышающие преобразователи 12A и 12B в качестве преобразователей мощности, сглаживающий конденсатор CH, датчики 10A, 10B и 13 напряжения, инверторы 14 и 22, двигатель 4, электродвигатели-генераторы MG1 и MG2, механизм 3 деления мощности и контроллер 30.
Устройства накопления энергии, установленные на этом транспортном средстве, перезаряжаются от внешнего источника. С этой целью транспортное средство 1 дополнительно включает в себя аккумуляторное зарядное устройство 6 для соединения аккумулятора B1 с промышленной сетью 8 энергоснабжения, например, 100 В переменного тока. Аккумуляторное зарядное устройство 6 преобразует переменный ток в постоянный ток при одновременном регулировании напряжения, которое должно подаваться в аккумуляторы. Чтобы обеспечивать зарядку от внешнего источника, могут использоваться другие технологии, например соединение нейтральных точек обмоток статора электродвигателей-генераторов MG1 и MG2 с источником питания переменного тока или использование повышающих преобразователей 12A и 12B для взаимодействия в качестве устройства преобразования переменного тока в постоянный ток.
Сглаживающий конденсатор CH сглаживает напряжение, повышенное посредством повышающих преобразователей 12A и 12B. Датчик 13 напряжения воспринимает напряжение VH между контактными зажимами сглаживающего конденсатора CH для вывода в контроллер 30.
Инвертор 14 преобразует постоянное напряжение, принимаемое от повышающего преобразователя 12B или 12A, в трехфазное переменное напряжение для вывода в электродвигатель-генератор MG1. Инвертор 22 преобразует постоянное напряжение, принимаемое от повышающего преобразователя 12B или 12A, в трехфазное переменное напряжение для вывода в электродвигатель-генератор MG2.
Механизм 3 деления мощности соединен с двигателем 4, электродвигателем-генератором MG1 и электродвигателем-генератором MG2, чтобы распределять мощность приведения в движение между ними. Например, в качестве механизма 3 деления мощности может использоваться планетарная зубчатая передача, имеющая три вращающихся вала солнечной шестерни, водила планетарной передачи и коронной шестерни. В планетарной зубчатой передаче, когда вращение двух из этих трех вращающихся валов определено, неизбежно определяется вращение другого из вращающихся валов. Эти три вращающихся вала подключаются к вращающимся валам двигателя 4, электродвигателя-генератора MG1 и электродвигателя-генератора MG2, соответственно. Вращающийся вал электродвигателя-генератора MG2 соединен с колесом через редукторную и дифференциальную передачи (не показаны). Устройство редукторной передачи для вращающегося вала электродвигателя-генератора MG2 может быть включено в механизм 3 деления мощности.
Датчик 10A напряжения измеряет напряжение V1 между контактными зажимами аккумулятора B1. Чтобы отслеживать состояние зарядки аккумулятора B1 вместе с датчиком 10A напряжения, предусмотрен датчик 11A тока, измеряющий ток I1, протекающий через аккумулятор B1. Также предусмотрен блок 37 определения SOC, определяющий SOC1 (SOC: состояние зарядки) аккумулятора B1. Блок 37 определения SOC вычисляет SOC на основе накопления напряжения разомкнутой цепи аккумулятора B1 и тока I1, протекающего через аккумулятор B1 для вывода в контроллер 30. В качестве аккумулятора B1 могут использоваться вторичная аккумуляторная батарея на свинцово-кислотных, никель-металлогидридных или ионно-литиевых элементах, конденсатор большой емкости, такой как электрический двухслойный конденсатор, и т.п.
Датчик 10B напряжения измеряет напряжение V2 между контактными зажимами аккумулятора B2. Чтобы отслеживать SOC аккумулятора B2 вместе с датчиком 10B напряжения, предусмотрен датчик 11B тока, измеряющий ток I2, протекающий через аккумулятор B2. Также предусмотрен блок 39 определения SOC, определяющий SOC2 аккумулятора B2. Блок 39 определения SOC вычисляет SOC на основе накопления напряжения разомкнутой цепи аккумулятора B2 и тока I2, протекающего через аккумулятор B2 для вывода в контроллер 30. В качестве аккумулятора B2 может использоваться вторичная аккумуляторная батарея на свинцово-кислотных, никель-металлогидридных или ионно-литиевых элементах, конденсатор большой емкости, такой как электрический двухслойный конденсатор и т.п.
Накапливаемая емкость аккумуляторов B2 и B1 задается таким образом, что аккумуляторы B2 и B1, когда используются одновременно, например, могут выводить максимальную мощность, допустимую для электрических нагрузок (инвертора 22 и электродвигателя-генератора MG2), подключенных к линии питания. Это обеспечивает движение на максимальной мощности в режиме EV (электрического транспортного средства), движущегося без использования двигателя.
Когда электроэнергия аккумулятора B2 потреблена, двигатель 4 используется в дополнение к аккумулятору B1, чтобы тем самым обеспечивать движение на максимальной мощности без использования аккумулятора B2.
Инвертор 14 подключается к линии PL2 питания и линии SL2 заземления. Инвертор 14 принимает напряжение, повышенное посредством повышающих преобразователей 12A и 12B, чтобы приводить в действие, например, электродвигатель-генератор MG1 для пуска двигателя 4. Инвертор 14 также возвращает электроэнергию, генерируемую в электродвигателе-генераторе MG1, на основе механической энергии, передаваемой от двигателя 4, обратно в повышающие преобразователи 12A и 12B. На данном этапе повышающие преобразователи 12A и 12B управляются посредством контроллера 30, чтобы работать как понижающие схемы.
Инвертор 22 подключается к линии PL2 питания и линии SL2 заземления параллельно инвертору 14. Инвертор 22 преобразует постоянные напряжения, принимаемые от повышающих преобразователей 12A и 12B, в трехфазные переменные напряжения для вывода в электродвигатель-генератор MG2, который приводит в движение колесо. Инвертор 22 также возвращает электроэнергию, генерируемую в электродвигателе-генераторе MG2 после рекуперативного торможения, обратно в повышающие преобразователи 12A и 12B. На данном этапе повышающие преобразователи 12A и 12B управляются посредством контроллера 30, чтобы работать как понижающие схемы.
Контроллер 30 принимает соответствующие значения команды крутящего момента, значения тока электродвигателя и скорости вращения электродвигателей-генераторов MG1 и MG2, соответствующие значения напряжений V1, V2 и VH и сигнал пуска. Контроллер 30 затем выводит инструкцию повышающего преобразования, инструкцию понижающего преобразования и инструкцию прекращения работы в повышающий преобразователь 12B.
Дополнительно контроллер 30 выводит в инвертор 14 инструкцию приведения в действие, чтобы преобразовывать постоянное напряжение, принимаемое от повышающих преобразователей 12A и 12B, в переменное напряжение для приведения в действие электродвигателя-генератора MG1 и инструкцию рекуперации, чтобы преобразовывать переменное напряжение, генерируемое в электродвигателе-генераторе MG1, в постоянное напряжение, которое должно возвращаться обратно в повышающие преобразователи 12A и 12B.
Аналогично контроллер 30 выводит в инвертор 22 инструкцию приведения в действие, чтобы преобразовывать постоянное напряжение в переменное напряжение для возбуждения электродвигателя-генератора MG2, и инструкцию рекуперации, чтобы преобразовывать переменное напряжение, генерируемое в электродвигателе-генераторе MG2, в постоянное напряжение, которое должно возвращаться обратно в повышающие преобразователи 12A и 12B.
Дополнительно предусмотрены вспомогательный аккумулятор B3 и преобразователь 33 постоянного тока в постоянный ток для приведения в действие вспомогательной нагрузки 35. Преобразователь 33 постоянного тока в постоянный ток подключается к линии PL1A питания и линии SL2 заземления. В ходе зарядки часть тока Icg зарядки выделяется так, чтобы ток I3 подавался в преобразователь 33 постоянного тока в постоянный ток.
Вспомогательная нагрузка 35 включает в себя, например, источники питания для различных типов ЭБУ (электронных блоков управления), фары, лампы освещения салона, окна с сервоприводом, гудка, мигающего светового сигнала и т.п. Поскольку эти вспомогательные нагрузки неизбежно активируются при приеме запросов на приведение в действие, вопрос отслеживания тока I3 для того, чтобы ограничивать операции вспомогательных нагрузок, не рассматривается. Следовательно, во многих случаях не предусмотрено какого-либо датчика тока для измерения тока I3.
На фиг. 2 изображена принципиальная схема, показывающая подробную конфигурацию инверторов 14 и 22, показанных на фиг. 1.
Ссылаясь на фиг. 1 и 2, инвертор 14 включает в себя плечо 15 U-фазы, плечо 16 V-фазы и плечо 17 W-фазы. Плечо 15 U-фазы, плечо 16 V-фазы и плечо 17 W-фазы подключены параллельно между линией PL2 питания и линией SL2 заземления.
Плечо 15 U-фазы включает в себя IGBT-элементы Q3 и Q4 (IGBT - биполярные транзисторы с изолированным затвором), соединенные последовательно между линией PL2 питания и линией SL2 заземления, и диоды D3 и D4, соединенные параллельно с IGBT-элементами Q3 и Q4, соответственно. Диод D3 имеет катод, соединенный с коллектором IGBT-элемента Q3, и анод, соединенный с эмиттером IGBT-элемента Q3. Диод D4 имеет катод, соединенный с коллектором IGBT-элемента Q4, и анод, соединенный с эмиттером IGBT-элемента Q4.
Плечо 16 V-фазы включает в себя IGBT-элементы Q5 и Q6, соединенные последовательно между линией PL2 питания и линией SL2 заземления, и диоды D5 и D6, соединенные параллельно с IGBT-элементами Q5 и Q6, соответственно. Диод D5 имеет катод, соединенный с коллектором IGBT-элемента Q5, и анод, соединенный с эмиттером IGBT-элемента Q5. Диод D6 имеет катод, соединенный с коллектором IGBT-элемента Q6, и анод, соединенный с эмиттером IGBT-элемента Q6.
Плечо 17 W-фазы включает в себя IGBT-элементы Q7 и Q8, соединенные последовательно между линией PL2 питания и линией SL2 заземления, и диоды D7 и D8, соединенные параллельно с IGBT-элементами Q7 и Q8, соответственно. Диод D7 имеет катод, соединенный с коллектором IGBT-элемента Q7, и анод, соединенный с эмиттером IGBT-элемента Q7. Диод D8 имеет катод, соединенный с коллектором IGBT-элемента Q8, и анод, соединенный с эмиттером IGBT-элемента Q8.
Плечи соответствующих фаз имеют свои промежуточные узлы, соединенные с фазными контактными зажимами фазных катушек электродвигателя-генератора MG1, соответственно. В частности, электродвигатель-генератор MG1 - это трехфазный синхронный электродвигатель на постоянных магнитах, и три U-, V- и W-фазные катушки имеют концы, соединенные вместе с нейтральной точкой. U-фазная катушка имеет другой конец, соединенный с линией UL, направленной от узла подключения между IGBT-элементами Q3 и Q4. V-фазная катушка имеет другой конец, соединенный с линией VL, направленной от узла подключения между IGBT-элементами Q5 и Q6. W-фазная катушка имеет другой конец, соединенный с линией WL, направленной от узла подключения между IGBT-элементами Q7 и Q8.
Инвертор 22, показанный на фиг. 1, является аналогичным инвертору 14 по внутренней схемной конфигурации за исключением того, что он подключается к электродвигателю-генератору MG2. Следовательно, его подробное описание не приводится повторно. Управляющие сигналы PWMI и PWMC, показанные на фиг. 2 как подаваемые в инвертор, являются сигналами, соответствующими инструкции приведения в действие и инструкции рекуперации, соответственно.
На фиг. 3 показана схема подробной конфигурации повышающих преобразователей 12A и 12B, показанных на фиг. 1.
Повышающий преобразователь 12A включает в себя катушку L1 индуктивности с одним концом, соединенным с линией PL1A питания, IGBT-элементы Q1 и Q2, соединены последовательно между линией PL2 питания и линией SL2 заземления, и диоды D1 и D2 соединены параллельно с IGBT-элементами Q1 и Q2, соответственно.
Катушка L1 индуктивности имеет другой конец, соединенный с эмиттером IGBT-элемента Q1 и коллектором IGBT-элемента Q2. Диод D1 имеет катод, соединенный с коллектором IGBT-элемента Q1, и анод, соединенный с эмиттером IGBT-элемента Q1. Диод D2 имеет катод, соединенный с коллектором IGBT-элемента Q2, и анод, соединенный с эмиттером IGBT-элемента Q2.
Повышающий преобразователь 12B, показанный на фиг. 1, аналогичен повышающему преобразователю 12A по внутренней схемной конфигурации, за исключением того, что он подключается к линии PL1B питания вместо линии PL1A питания. Его подробное описание не приводится повторно. Управляющие сигналы PWU и PWD, показанные на фиг. 3 как подаваемые в повышающий преобразователь, являются сигналами, соответствующими инструкции повышающего преобразования и инструкции понижающего преобразования, соответственно.
Ссылаясь на фиг. 1 поясняется работа устройства электропитания для транспортного средства согласно настоящему варианту осуществления.
Устройство электропитания для транспортного средства (фиг. 1) включает в себя первое и второе устройства (B1, B2) накопления энергии, подключенные параллельно к главным нагрузкам (14, 22), первый преобразователь (12A) мощности, предусмотренный между первым устройством (B1) накопления энергии и главными нагрузками, второй преобразователь (12B) мощности, предусмотренный между вторым устройством (B2) накопления энергии и главными нагрузками, вспомогательное устройство (B3) накопления энергии, третий преобразователь (33) мощности, заряжающий вспомогательное устройство накопления энергии посредством тока I3, выделенного из ветви, соединяющей первый преобразователь мощности и первое устройство накопления энергии, вспомогательную нагрузку 35, приводимую в действие посредством электроэнергии от вспомогательного устройства (B3) накопления энергии или третьего преобразователя (33) мощности, и контроллер 30, управляющий первым-третьим преобразователями (12A, 12B, 33) мощности. Контроллер 30 определяет ток зарядки или токи разрядки для первого и второго устройств (B1, B2) накопления энергии, отражающие изменения в токе, протекающем через вспомогательную нагрузку 35.
Предпочтительно, устройство электропитания для транспортного средства дополнительно включает в себя аккумуляторное зарядное устройство 6 для зарядки первого и второго устройств (B1, B2) накопления энергии посредством электроэнергии, принимаемой из источника, внешнего для транспортного средства. Аккумуляторное зарядное устройство 6 подключается к первому устройству (B1) накопления энергии. Первый и второй преобразователи (12A, 12B) мощности работают как еще одно аккумуляторное зарядное устройство для выделения части тока, принимаемого от аккумуляторного зарядного устройства 6 для зарядки второго устройства (12B) накопления энергии.
Более предпочтительно устройство электропитания для транспортного средства дополнительно включает в себя датчик 11A тока, детектирующий ток зарядки и ток разрядки для первого устройства (B1) накопления энергии. Контроллер 30 временно приостанавливает работу третьего преобразователя (33) мощности, чтобы вычислять ток (I3), выделенный в направлении третьего преобразователя (33) мощности, на основе разности тока зарядки и тока разрядки для первого устройства (B1) накопления энергии до и после приостановки третьего преобразователя (33) мощности. Операции первого и второго преобразователей мощности корректируются на основе выделенного тока.
Еще более предпочтительно в ходе зарядки от источника, внешнего для транспортного средства, первый преобразователь (12A) мощности выполняет операцию повышающего преобразования от первого устройства (B1) накопления энергии в направлении главных нагрузок (14, 22). В ходе зарядки от источника, внешнего для транспортного средства, второй преобразователь (12B) мощности работает таким образом, что ток (Iconst2) протекает из главных нагрузок (14, 22) во второе устройство (B2) накопления энергии.
Предпочтительно, когда предполагается, что потребление энергии во вспомогательной нагрузке 35 изменялось, контроллер 30 вычисляет ток I3, выделенный из ветви, соединяющей первый преобразователь (12A) мощности и первое устройство (B1) накопления энергии, в направлении третьего преобразователя (33) мощности.
На фиг. 4 показана принципиальная схема, описывающая состояние устройства электропитания для транспортного средства в ходе зарядки.
На фиг. 4 ток схематично представляется как поток воды. Ток Icg зарядки вытекает из аккумуляторного зарядного устройства 6 в резервуар, соответствующий аккумулятору B1. Повышающие преобразователи (12A, 12B) действуют как аккумуляторное зарядное устройство для аккумулятора B2, чтобы подавать ток I2 из аккумулятора B1 в аккумулятор B2.
Также из аккумулятора B1 вытекает ток I3 для вспомогательной нагрузки. Ток I3 подается в аккумулятор B3 посредством клапана регулирования расхода, соответствующего преобразователю 33 постоянного тока в постоянный ток. Аккумулятор B3 подает ту же самую величину тока I3, которая принимается, во вспомогательную нагрузку.
В этой системе рассмотрим зарядку, при которой SOC аккумуляторов B1 и B2 увеличивается на одинаковую величину. Тем не менее, ток, который должен подаваться в нагрузку, управляемую по запросу водителя, такую как фара или гудок, может требоваться в дополнение к потребляемому току различных ЭБУ, активируемых в ходе зарядки, и опорному току, определенному на основе потерь преобразователя 33 постоянного тока в постоянный ток. Другими словами, ток I3 может варьироваться.
Когда происходит это изменение, возникает дисбаланс зарядки между аккумуляторами B1 и B2, если ток I2 сохраняется постоянным. Возможное соображение в таком случае состоит в том, что дисбаланс в ходе зарядки должен быть приемлемым, когда зарядка одного из аккумуляторов, полностью заряженного ранее, прекращается, тогда как другой аккумулятор продолжает заряжаться таким образом, чтобы аккумуляторы B1 и B2 в итоге приводились в полностью заряженное состояние. Тем не менее, время для зарядки аккумуляторов может быть коротким периодом времени согласно обстоятельствам пользователя. Это означает, что время зарядки, достаточно длительное для того, чтобы полностью заряжать оба аккумулятора B1 и B2, не обязательно может предоставляться. Повторение кратковременной зарядки от внешнего источника должно вызывать дисбаланс зарядки/разрядки между аккумуляторами B1 и B2, так что один из аккумуляторов может иметь меньший срок службы, чем другой.
Соответственно, желательно, чтобы аккумуляторы B1 и B2 заряжались так, чтобы достигать оптимального возможного баланса даже в ходе зарядки. Для сбалансированной зарядки аккумуляторов B1 и B2 ток I2, подаваемый в аккумулятор B2, также должен варьироваться согласно изменениям в токе I3, подаваемом во вспомогательную нагрузку, когда ток Icg зарядки является константой.
На фиг. 5 показана блок-схема последовательности операций способа, описывающая управление зарядкой, выполняемое посредством контроллера 30, показанного на фиг. 1. Процесс на этой блок-схеме последовательности операций способа активируется из основной программы и выполняется через равные интервалы времени или каждый раз, когда удовлетворяются предварительно определенные условия.
Ссылаясь на фиг. 1 и 5, когда процесс на этой блок-схеме последовательности операций способа запущен, определяется, прошло ли заданное время T, на этапе S1. Если заданное время T не прошло, процесс переходит к этапу S8, где управление передается в основную программу.
Когда определяется то, что заданное время прошло, на этапе S1, ток I1, детектированный датчиком 11A тока на данном этапе, сохраняется в запоминающем устройстве 27 в контроллере 30 как значение I1A тока на этапе S2. Процесс затем переходит к этапу S3.
На этапе S3 контроллер 30 временно приостанавливает работу преобразователя 33 постоянного тока в постоянный ток. На этом этапе преобразователь 33 постоянного тока в постоянный ток управляется таким образом, чтобы преобразовывать напряжение в аккумуляторе B1 (например, 200 В) в некоторое выходное напряжение (например, 14 В) для подачи напряжения зарядки во вспомогательный аккумулятор B3, который предоставляет напряжение питания во вспомогательную нагрузку 35.
При таком управлении ток I3, подаваемый в преобразователь 33 постоянного тока в постоянный ток, становится значением, отражающим потребляемый ток вспомогательной нагрузки, когда вспомогательный аккумулятор B3 находится в полностью заряженном состоянии. Соответственно ток I3 может быть идентифицирован посредством отслеживания изменений тока зарядки до и после приостановки преобразователя 33 постоянного тока в постоянный ток без необходимости предусматривать датчик тока для измерения тока I3.
На фиг. 6 показана схема, описывающая изменения тока зарядки до и после приостановки преобразователя 33 постоянного тока в постоянный ток.
Ток Icg зарядки, принимаемый от аккумуляторного зарядного устройства, является значением (постоянным значением Iconst1), определяемым в принципе посредством ограничения емкости аккумуляторного зарядного устройства 6. Ток I2 зарядки для аккумулятора B2 управляется посредством аккумуляторного зарядного устройства 12 для аккумулятора B2, формируемого посредством повышающих преобразователей 12A и 12B.
Повышающий преобразователь 12A повышает напряжение в линии PL1A питания, например 200 В, для вывода в линию PL2 питания. Напряжение в линии PL2 питания составляет около 600 В. В таком случае повышающий преобразователь 12B работает как понижающая схема, понижающая напряжение в линии PL2 питания (например, 600 В) к напряжению в линии PL1B питания (например, 200 В). Повышающий преобразователь 12B, работающий как понижающая схема, принимает значение команды управления током постоянной величины, которая должна управляться, таким образом, что ток зарядки становится постоянным значением Iconst2.
На фиг. 6 при условии, что напряжения в аккумуляторах B1 и B2 управляются так, чтобы быть практически равными, выполняется следующее уравнение:
Icg=I1+I2+I3.... (1)
Поскольку Icg управляется так, чтобы быть током Iconst1 постоянной величины, а I2 управляется так, чтобы быть Iconst2, выполняются уравнения (2) и (3) при условии, что значением тока I1 до приостановки преобразователя постоянного тока в постоянный ток является I1A, а значением тока I1 после приостановки (I3=0) является I1B:
Iconst1=I1A+Iconst2+I3..., (2)
Iconst1=I1B+Iconst2.... (3)
Уравнения (2) и (3) показывают, что выполняется следующее уравнение:
I3=I1B-I1A.... (4)
Обращаясь снова к фиг. 1 и 5, после приостановки преобразователя 33 постоянного тока в постоянный ток на этапе S3, значение тока I1, измеряемое посредством датчика 11A тока, сохраняется в запоминающем устройстве 27 как значение I1B тока на этапе S4. Дополнительно на этапе S5 вычисляется разность ΔI=I1B-I1A между значением I1A тока, сохраненным на этапе S2, и значением I1B тока, сохраненным на этапе S4. Эта разность равна току I3, подаваемому в преобразователь 33 постоянного тока в постоянный ток, как можно видеть из вышеприведенного уравнения (4).
После этого на этапе S6 значение команды зарядки для аккумулятора B2 вычисляется в соответствии с уравнением (5), которое должно быть обновлено на этапе S7:
Iconst2=(Iconst1-ΔI)/2.... (5)
Обновление значения команды для повышающего преобразователя 12B дает возможность задания одинакового тока I1, заряжаемого в аккумулятор B1, и тока I2, заряжаемого в аккумулятор B2, даже после того, как потребляемый ток вспомогательных нагрузок варьировался.
На фиг. 7 показана операционная временная диаграмма, показывающая пример, где управление осуществляется на основе блок-схемы последовательности операций способа по фиг. 5.
Часть вспомогательных нагрузок (фиг. 1 и 7), например фара, включена между временем t0 и временем t3, что означает, что ток I3 превышает стандартное значение.
Поскольку значение Iconst2 команды зарядки задается на основе стандартного значения тока I3, скорость увеличения SOC (B1) аккумулятора B1 ниже, чем в SOC (B2) аккумулятора B2 между временем t0 и временем t1. При дальнейшей зарядке на этих скоростях разность SOC между аккумуляторами B1 и B2 становится все больше и больше, как указано посредством пунктирных линий.
Соответственно, как показано на фиг. 7, контроллер 30 предполагает, чтобы потребление энергии вспомогательной нагрузки 35 варьировалось каждый раз, когда заданное время T проходило. Затем контроллер 30 временно приостанавливает работу преобразователя 33 постоянного тока в постоянный ток для измерения потребляемого тока вспомогательной нагрузки 35.
Работа преобразователя 33 постоянного тока в постоянный ток временно приостанавливается от времени t1 до времени t2 после истечения постоянного времени T. От времени t1 до времени t2 вспомогательная нагрузка 35 принимает ток от вспомогательного аккумулятора B3. Затем выполняются этапы S2-S7 на блок-схеме последовательности операций способа по фиг. 5, чтобы изменять значение управления зарядкой, и в результате этого разность SOC не увеличивается между временем t2 и t3, как указано посредством сплошной линии.
Во время t3, когда часть вспомогательных нагрузок отключена, ток I3 уменьшается на эту величину. Это заставляет ток зарядки для аккумулятора B1 увеличиваться, так что скорость увеличения SOC (B1) выше, чем в SOC (B2). При дальнейшей зарядке на этих скоростях SOC аккумулятора B1 должно превышать SOC аккумулятора B2, как указано посредством пунктирной линии, приводя к увеличению разности между ними.
Тем не менее, преобразователь 33 постоянного тока в постоянный ток снова приостанавливается от времени t4 до времени t5 после того, как постоянное время T истекло со времени t2. Ток I3 детектируется на данном этапе, чтобы обновлять значение команды зарядки на основе результата детектирования. После времени t5 зарядка продолжается таким образом, что разность SOC между аккумуляторами B1 и B2 не увеличивается.
В ходе приостановки работы преобразователя 33 постоянного тока в постоянный ток разрядка вспомогательного аккумулятора B3 продолжается, чтобы подавать потребляемый ток во вспомогательную нагрузку 35 в течение приостановки. Тем не менее, вспомогательный аккумулятор B3 переводится практически в полностью заряженное состояние снова в течение постоянного времени T. Таким образом, ток I3 не включает в себя ток зарядки для зарядки аккумулятора B3 в следующий раз, когда преобразователь 33 постоянного тока в постоянный ток приостанавливается, чтобы измерять ток I3.
Как описано выше, временная приостановка работы преобразователя 33 постоянного тока в постоянный ток для того, чтобы измерять ток I, на основе изменений токов зарядки для аккумуляторов B1 и B2 на этой стадии исключает необходимость предоставлять дополнительный датчик тока для измерения тока I3. Это позволяет предотвратить повышение затрат на производство.
Второй вариант осуществления
В первом варианте осуществления ток I3 измеряется каждый раз, когда постоянный период времени истек. Во втором варианте осуществления ток измеряется I3, когда разность SOC между аккумуляторами B1 и B2 превышает предварительно определенное значение, чтобы корректировать токи зарядки для аккумуляторов B1 и B2. Поскольку транспортное средство выполнено так, как показано на фиг. 1, описание не повторяется.
На фиг. 8 показана блок-схема последовательности операций способа, описывающая управление зарядкой, выполняемое посредством контроллера 30, показанного на фиг. 1, согласно второму варианту осуществления. Процесс на этой блок-схеме последовательности операций способа активируется из основной программы и выполняется через равные интервалы времени или каждый раз, когда предварительно определенные условия удовлетворяются.
Блок-схема последовательности операций способа на фиг. 8 отличается от блок-схемы по фиг. 5 тем, что этапы S1A и S1B выполняются вместо этапа S1 на блок-схеме последовательности операций способа по фиг. 5.
Когда процесс операций способа запущен (фиг. 1 и 8), абсолютное значение разности между SOC (B1) аккумулятора B1 и SOC (B2) аккумулятора B2 получается как ΔSOC на этапе S1A. Затем на этапе S1B определяется то, больше или нет ΔSOC предварительно определенного порогового значения K (%).
Если ΔSOC>K не выполняется, процесс переходит к этапу S8, где управление передается в основную программу. Когда ΔSOC>K выполняется, последовательно выполняются этапы S2-S7. Этапы S2-S7 аналогичны этапам по фиг. 5 согласно первому варианту осуществления, и их описание не повторяется.
На фиг. 9 показана временная диаграмма, показывающая пример, где управление осуществляется на основе блок-схемы последовательности операций способа по фиг. 8.
Поскольку разность ΔSOC (фиг. 1 и 9) между SOC (B1) аккумулятора B1 и SOC (B2) аккумулятора B2 не превышает пороговое значение K до времени t11, преобразователь 33 постоянного тока в постоянный ток включается для работы в обычном режиме.
Во время t11, когда разность ΔSOC превышает пороговое значение K (%), контроллер 30 временно приостанавливает работу преобразователя 33 постоянного тока в постоянный ток от времени t11 до времени t12. В течение этого периода дисбаланс между токами зарядки для аккумуляторов B1 и B2 корректируется. Таким образом, не допускается превышение разностью SOC ΔSOC порогового значения K.
При корректировке скорость увеличения SOC (наклон графика) изменяется до и после времени t12.
Во время t13, когда ΔSOC превышает снова пороговое значение K, контроллер 30 временно приостанавливает работу преобразователя 33 постоянного тока в постоянный ток от времени t13 до времени t14. В течение этого периода дисбаланс между токами зарядки для аккумуляторов B1 и B2 корректируется. Таким образом, не допускается превышения разностью SOC ΔSOC порогового значения K.
При корректировке скорость увеличения SOC (наклон графика) изменяется до и после времени t14.
Как описано выше, во втором варианте осуществления, контроллер 30 вычисляет SOC (B1) первого устройства (B1) накопления и SOC (B2) второго устройства (B2) накопления (на этапе S1A), чтобы управлять первым-третьим преобразователями (12A, 12B, 33) мощности таким образом, что разность SOC ΔSOC между первым и вторым устройствами накопления не увеличивается.
Как показано на фиг. 9, контроллер 30 предполагает, чтобы потребление энергии во вспомогательных нагрузках 35 варьировалось, когда разность SOC ΔSOC между первым и вторым устройствами (B1, B2) накопления превышает пороговое значение K (%). Контроллер 30 затем детектирует изменения в потреблении энергии, чтобы сбрасывать значение команды тока зарядки согласно результату детектирования. Это позволяет уменьшать дисбаланс зарядки между аккумуляторами, что позволяет исключать такое состояние, что один из аккумуляторов имеет меньший срок службы, чем другой аккумулятор.
В первом и втором вариантах осуществления транспортное средство 1, показанное на фиг. 1, может иметь датчик тока, который непосредственно измеряет ток I3. В этом случае аккумуляторы B1 и B2 также могут заряжаться сбалансированно посредством корректировки токов зарядки через равные интервалы времени или каждый раз, когда предварительно определенные условия удовлетворяются, таким образом, что разность токов зарядки для аккумуляторов B1 и B2 пропадает.
Дополнительно, в первом и втором вариантах осуществления, ток Iconst2 зарядки для зарядки аккумулятора B2 корректируется. Альтернативно эти варианты осуществления могут варьироваться таким образом, что ток Iconst1 зарядки от аккумуляторного зарядного устройства 6 увеличивается или уменьшается согласно изменениям мощности потребления вспомогательных нагрузок, тогда как Iconst2 сохраняется постоянным.
Настоящий вариант осуществления описывает, в качестве примера, корректировку токов зарядки в ходе зарядки от внешнего источника. Альтернативно токи зарядки могут корректироваться аналогично в случае работы генератора для зарядки в ходе движения или в случае выполнения зарядки посредством генерирования мощности в ходе рекуперативного торможения.
Дополнительно, когда множество аккумуляторов разряжается вместо зарядки, величина дисбаланса SOC для множества аккумуляторов также может уменьшаться в ходе разрядки аналогично посредством аналогичной корректировки токов разрядки, отражающих мощность потребления во вспомогательных нагрузках.
В качестве варианта осуществления настоящего изобретения показан пример гибридного транспортного средства. Альтернативно настоящее изобретение также может применяться к различным типам гибридных транспортных средств, электрических транспортных средств и т.п., имеющих множество установленных аккумуляторов.
Следует понимать, что варианты осуществления, раскрытые в данном документе, приводятся во всех отношениях в качестве иллюстрации, а не в качестве ограничения. Объем настоящего изобретения задан посредством формулы изобретения, а не в соответствии с вышеприведенным описанием, и включает в себя все модификации и изменения, эквивалентные по значению и объему формуле изобретения.
Реферат
Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в уменьшении дисбаланса между токами зарядки/разрядки для множества устройств накопления энергии. Устройство содержит первый и второй аккумуляторы (B1, B2), подключенные параллельно к главным нагрузкам (14, 22), повышающий преобразователь (12А), предусмотренный между первым аккумулятором (B1) и главными нагрузками, повышающий преобразователь (12В), предусмотренный между вторым аккумулятором (B2) и главными нагрузками, вспомогательный аккумулятор (В3), преобразователь (33) постоянного тока в постоянный ток и вспомогательную нагрузку (35), приводимую в действие посредством мощности от вспомогательного аккумулятора (В3) или преобразователя (33) постоянного тока в постоянный ток. Контроллер (30) определяет токи зарядки или токи разрядки для аккумуляторов (B1, B2), отражающие изменения в токе, протекающем через вспомогательную нагрузку (35). 7 з.п. ф-лы, 9 ил.
