電動車輛的電源系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電源系統，尤其涉及將電動車輛的驅動系統作為負載的電源系統的控制，所述驅動系統具有用于在車輛行駛期間發(fā)電產生直流電源的充電電力的機構。
【背景技術】
[0002]例如在日本特開2008-54363號公報(專利文獻1)中記載了將多個電源組合并向負載供給電力的汽車的電源裝置。在專利文獻1中，記載了電源裝置中的蓄電部的充電狀態(tài)的控制，所述電源裝置具備由電池構成的恒壓源和由蓄電元件構成的蓄電部。具體而言，通過在電源裝置的停止期間，以比滿充電狀態(tài)低的電壓放置蓄電部的方式進行電壓控制，從而實現蓄電部的高壽命化。
[0003]另外，在日本特開2012-70514號公報(專利文獻2)中，記載了電力轉換器的構成，所述電力轉換器能夠通過多個開關元件的控制，切換在將兩個直流電源串聯連接的狀態(tài)下進行DC/DC轉換的工作模式(串聯連接模式)和在并聯地使用兩個直流電源的狀態(tài)下進行DC/DC轉換的工作模式(并聯連接模式)。
[0004]在先技術文獻
[0005]專利文獻1:日本特開2008-54363號公報
[0006]專利文獻2:日本特開2012-70514號公報

【發(fā)明內容】

[0007]發(fā)明要解決的問題
[0008]在專利文獻2中記載了將電力轉換裝置應用于電動車輛。另一方面，在具有構成為在車輛行駛期間或停車期間能夠發(fā)電產生直流電源的充電電力的驅動系統的電動車輛中(代表性地為混合動力車輛)，通過控制驅動系統的工作，能夠在車輛行駛期間控制直流電源的充放電。
[0009]因此，在將專利文獻2那樣的構成為直流電源的充放電方式根據工作模式而變化的電力轉換裝置應用于具有如上所述的驅動系統的電動車輛的情況下，當在工作模式間統一化(uniformly)地執(zhí)行直流電源的充放電控制時，有可能不能適當地控制各直流電源的SOC (State of Charge:充電狀態(tài))。然而，在專利文獻2中，未特別提及在選擇工作模式后的直流電源的充放電控制。
[0010]本發(fā)明為解決這樣的問題點而做出，本發(fā)明的目的為:構成為包括連接在多個直流電源與共同的電力線之間的電力轉換器的電源系統應用于具有用于在車輛行駛期間或停車期間發(fā)電產生直流電源的充電電力的機構的電動車輛的情況下，與電力轉換器的工作模式選擇對應地適當地控制多個直流電源的S0C。
[0011]用于解決問題的技術方案
[0012]在本發(fā)明的某個方面中，一種電源系統包括:電力線、多個直流電源、連接在多個直流電源與電力線之間的電力轉換器以及控制裝置，所述電源系統將電動車輛的驅動系統作為負載，所述驅動系統構成為包括用于產生車輛驅動力的第一電動發(fā)電機。電力線與負載電連接?？刂蒲b置構成為控制負載和電力轉換器的工作。負載構成為具有機構，所述機構用于根據來自控制裝置的工作指令，發(fā)電產生用于在車輛行駛期間或停車期間對多個直流電源進行充電的電力。電力轉換器包括多個開關元件，并且，構成為通過應用多個直流電源與電力線之間的電力轉換的方式不同的多個工作模式中的一個工作模式來進行工作，從而控制電力線的電壓?？刂蒲b置包括充放電控制部和工作指令生成部。充放電控制部基于多個直流電源的狀態(tài)，設定多個直流電源整體的充放電要求電力。工作指令生成部生成負載的工作指令，以確?；陔妱榆囕v的行駛狀態(tài)的驅動要求功率和充放電要求電力。充放電控制部根據工作模式切換充放電要求電力的設定。
[0013]優(yōu)選的是，在電動車輛的電源系統中，多個直流電源包括第一直流電源和第二直流電源。多個開關元件具有第一開關元件?第四開關元件。第一開關元件電連接在第一節(jié)點與電力線之間。第二開關元件電連接在第二節(jié)點與第一節(jié)點之間。第三開關元件電連接在第三節(jié)點與第二節(jié)點之間，所述第三節(jié)點與第二直流電源的負極端子電連接。第四開關元件電連接在第一直流電源的負極端子與第三節(jié)點之間。電力轉換器還具有第一電抗器和第二電抗器。第一電抗器電連接在第二節(jié)點與第一直流電源的正極端子之間。第二電抗器電連接在第一節(jié)點與第二直流電源的正極端子之間。
[0014]進一步優(yōu)選的是，第一直流電源的容量比第二直流電源的容量大。多個工作模式包括第一模式和第二模式。在第一模式中，電力轉換器通過第一開關元件?第四開關元件的接通斷開控制，以使第一直流電源和第二直流電源并聯的方式，在第一直流電源及第二直流電源與電力線之間執(zhí)行直流電壓轉換。在第二模式中，電力轉換器通過將第三開關元件固定為接通，并且，對第一開關元件、第二開關元件以及第四開關元件進行接通斷開控制，從而在第一直流電源和第二直流電源串聯連接的狀態(tài)下，在第一直流電源及第二直流電源與電力線之間執(zhí)行直流電壓轉換。充放電控制部在第一模式中設定充放電要求電力，以使得第一直流電源和第二直流電源各自的S0C接近控制目標，另一方面，在第二模式中，設定充放電要求電力，以使得第二直流電源的S0C接近控制目標。
[0015]進一步優(yōu)選的是，多個工作模式還包括第三模式。在第三模式中，電力轉換器將第一開關元件?第四開關元件的接通斷開固定，維持第一直流電源和第二直流電源相對于電力線串聯連接的狀態(tài)。充放電控制部在第三模式中設定充放電要求電力，以使得第二直流電源的S0C接近控制目標。
[0016]另外，進一步優(yōu)選的是，多個工作模式還包括第四模式和第五模式。在第四模式中，電力轉換器通過第一開關元件?第四開關元件的接通斷開控制，在第一直流電源和第二直流電源的一方的直流電源與電力線之間執(zhí)行直流電壓轉換，并且，維持第一直流電源和第二直流電源的另一方的直流電源與電力線電斷開的狀態(tài)。在第五模式中，電力轉換器將第一開關元件?第四開關元件的接通斷開固定，維持第一直流電源和第二直流電源的一方的直流電源與電力線電連接、而第一直流電源和第二直流電源的另一方的直流電源與電力線電斷開的狀態(tài)。充放電控制部在第四模式和第五模式中各自設定充放電要求電力，以使得一方的直流電源的S0C接近控制目標。
[0017]進一步優(yōu)選的是，當在第一直流電源或第二直流電源中當前的S0C達到控制上限值或控制下限值時，控制裝置強制地選擇第一模式。
[0018]另外，優(yōu)選的是控制裝置包括控制運算部、電力分配比設定部、電力指令值運算部、電流控制部以及脈沖寬度調制部?？刂七\算部根據電力線的電壓檢測值與電壓指令值的偏差，算出多個直流電源整體相對于電力線的整體輸入輸出電力。電力分配比設定部根據工作模式的變更切換在多個直流電源間的電力分配比。電力指令值運算部按照整體輸入輸出電力和電力分配比設定多個直流電源各自的電力指令值。電流控制部針對多個直流電源的每一個，基于電流檢測值相對于將電力指令值除以輸出電壓而得到的電流指令值的偏差，運算用于對來自該直流電源的輸出進行控制的占空比。脈沖寬度調制部根據控制脈沖信號，生成多個開關元件的接通斷開控制信號，所述控制脈沖信號是按照脈沖寬度調制而得到的，所述脈沖寬度調制是通過針對多個直流電源的每一個運算出的占空比與載波的比較來實現的。
[0019]進一步優(yōu)選的是，控制裝置還包括第一保護部和第二保護部。第一保護部與多個直流電源中的預定的直流電源對應地設置，并將按照電力分配比設定的該預定的直流電源的電力指令值限制在根據預定的直流電源的工作狀態(tài)設定的第一電力范圍內。第二保護部將整體輸入輸出電力限制在根據多個直流電源的工作狀態(tài)設定的第二電力范圍內。
[0020]或者，優(yōu)選的是，控制裝置包括控制運算部、電力分配比設定部、電力指令值運算部、第一電流控制部、第二電流控制部以及脈沖寬度調制部?？刂七\算部根據電力線的電壓檢測值與電壓指令值的偏差，算出第一直流電源和第二直流電源整體相對于電力線的整體輸入輸出電力。電力分配比設定部根據工作模式的變更切換在第一直流電源和第二直流電源間的電力分配比。電力指令值運算部按照整體輸入輸出電力和電力分配比，設定第一直流電源的第一電力指令值和第二直流電源的第二電力指令值。第一電流控制部根據第一直流電源的電流檢測值相對于將第一電力指令值除以第一直流電源的輸出電壓而得到的第一電流指令值的偏差，運算用于對來自第一直流電源的輸出進行控制的第一占空比。第二電流控制部根據第二直流電源的電流檢測值相對于將第二電力指令值除以第二直流電源的輸出電壓而得到的第二電流指令值的偏差，運算用于對來自第二直流電源的輸出進行控制的第二占空比。脈沖寬度調制部根據第一控制脈沖信號和第二控制脈沖信號來生成第一開關元件?第四開關元件的接通斷開控制信號，所述第一控制脈沖信號和所述第二控制脈沖信號是分別按照通過第一載波與第一占空比的比較、以及第二載波與第二占空比的比較來實現的脈沖寬度調制而得到的。
[0021]進一步優(yōu)選的是，控制裝置還包括載波發(fā)生部。載波發(fā)生部根據運算得到的第一占空比和第二占空比，可變地控制第一載波與第二載波的相位差，以使得第一控制脈沖信號的迀移邊緣與第二控制脈沖信號的迀移邊緣在時間軸上重疊。
[0022]優(yōu)選的是，驅動系統還包括發(fā)動機和第二電動發(fā)電機。第二電動發(fā)電機構成為使用發(fā)動機的輸出來發(fā)電。工作指令生成部生成發(fā)動機、第一電動發(fā)電機以及第二電動發(fā)電機的工作指令以在第一電動發(fā)電機、第二電動發(fā)電機以及發(fā)動機分配依從于驅動要求功率與充放電要求電力之和的整體要求功率。
[0023]進一步優(yōu)選的是，驅動系統還包括差動裝置，所述差動裝置包括能夠相對旋轉的第一至第三旋轉元件。負載進一步包括變換器。在差動裝置中，第一旋轉元件與發(fā)動機的輸出軸機械地連結，第二旋轉元件與第二電動發(fā)電機的輸出軸機械地連結，第三旋轉元件與機械地連結于驅動輪的驅動軸和第一電動發(fā)電機的輸出軸機械地連結。變換器連接在電力線與第一電動發(fā)電機、第二電動發(fā)電機各自之間。
[0024]優(yōu)選的是，驅動系統構成為具有機構，所述機構用于使用與第一電動發(fā)電機獨立的動力源的輸出，在車輛行駛期間或停車期間發(fā)電產生多個直流電源的充電電力。
[0025]發(fā)明的效果
[0026]根據本發(fā)明，構成為包括連接在多個直流電源與共同的電力線之間的電力轉換器的電源系統應用于具有用于在車輛行駛期間或停車期間發(fā)電產生直流電源的充電電力的機構的電動車輛的情況下，能夠與電力轉換器的工作模式選擇對應而適當地控制多個直流電源的S0C。
【附圖說明】
[0027]圖1是表示根據本發(fā)明實施方式1的電動車輛的電源系統的構成的電路圖。
[0028]圖2是用于說明圖1所示的電力轉換器具有的多個工作模式的圖表。
[0029]圖3是說明PB模式中的第一電路工作的電路圖。
[0030]圖4是說明PB模式中的第二電路工作的電路圖。
[0031]圖5是說明PB模式中的對第一直流電源的DC/DC轉換(升壓工作)的電路圖。
[0032]圖6是說明PB模式中的對第二直流電源的DC/DC轉換(升壓工作)的電路圖。
[0033]圖7是表示PB模式中的電力轉換器的開關元件的控制工作例的波形圖。
[0034]圖8是用來說明用于設定PB模式中的各開關元件的控制信號的邏輯運算式的圖表。
[0035]圖9是說明SB模式中的電路工作的電路圖。
[0036]圖10是說明SB模式中的DC/DC轉換(升壓工作)的電路圖。
[0037]圖11是表示SB模式中的電力轉換器的開關元件的控制工作例的波形圖。
[0038]圖12是用來說明用于設定SB模式中的各開關元件的控制信號的邏輯運算式的圖表。
[0039]圖13是表示作為電動車輛的一例示出的混合動力汽車的驅動系統的概略構成的框圖，所述電動車輛應用了根據本實施方式的電源系統。
[0040]圖14是圖13所示的混合動力車輛中的共線圖。
[0041]圖15是表示圖13所示的混合動力車輛的電氣系統的構成的框圖。
[0042]圖16是用于說明電動車輛(混合動力車輛)中的直流電源的優(yōu)選構成例的示意圖。
[0043]圖17是用于說明SB模式中的各直流電源的S0C變動的示意圖。
[0044]圖18是用于說明PB模式中的各直流電源的S0C變動的示意圖。
[0045]圖19是用于說明用于從S0C控制的觀點來選擇電力轉換器的工作模式的控制處理的流程圖。
[0046]圖20是用于說明應用在混合動力車輛的電源系統中的電力流的示意圖。
[0047]圖21是用于說明根據本實施方式的電動車輛的電源系統中的用于功率管理的控制構成的功能框圖。
[0048]圖22是用于說明各直流電源的充電要求功率的設定的示意圖。
[0049]圖23是用于說明通過圖21所示的行駛控制部實現的發(fā)動機工作點的設定的示意圖。
[0050]圖24是表示通過圖21所示的充放電電力設定部實現的各工作模式中的充放電要求電力值的設定式的圖表。
[0051]圖25是表示通過圖21所示的電力循環(huán)控制部實現的各工作模式中的循環(huán)電力值的設定式的圖表。
[0052]圖26是表示根據本實施方式1的變形例的通過電力轉換器控制來應用載波相位控制時的PB模式的控制工作例的波形圖。
[0053]圖27是說明PB模式中的通過載波相位控制實現的電流相位的波形圖。
[0054]圖28是說明圖27的預定期間的電流路徑的電路圖。
[0055]圖29是圖27所示的電流相位下的開關元件的電流波形圖。
[0056]圖30是表示載波間的相位差=0時的電流相位的波形圖。
[0057]圖31是圖30所示的電流相位下的開關元件的電流波形圖。
[0058]圖32是用于說明直流電源的各工作狀態(tài)中的PB模式下的載波相位控制的圖表。
[0059]圖33是說明SB模式中的兩個直流電源的狀態(tài)的圖。
[0060]圖34是表示應用了載波相位控制時的SB模式中的控制脈沖信號的波形圖。
[0061]圖35是用于說明在SB模式中的控制信號的設定的圖表。
[0062]圖36是表示根據本實施方式1的變形例的電力轉換器控制中的PB模式和SB模式的工作例的波形圖。
[0063]圖37是用于說明根據本實施方式2的電力轉換器控制的第一框圖。
[0064]圖38是用于說明根據本實施方式2的電力轉換器控制的第二框圖。
[0065]圖39是用于說明由根據實施方式2的電力轉換器控制實現的、PB模式中的電源系統內的功率流的不意圖。
[0066]圖40是說明屬于升壓模式的各工作模式中的控制信號和控制數據的設定的圖表。
[0067]圖41是用于說明由根據實施方式2的電力轉換器控制實現的、aB模式中的電源系統內的功率流的不意圖。
[0068]圖42是用于說明由根據實施方式2的電力轉換器控制實現的、bB模式中的電源系統內的功率流的不意圖。
[0069]圖43是用于說明由根據實施方式2的電力轉換器控制實現的、SB模式中的電源系統內的功率流的不意圖。
[0070]標號說明
[0071]5電源系統，10a、10b直流電源，15布線，20電力線，21接地布線，30負載，40控制裝置，50電力轉換器，101、102工作點，105工作線，106等功率線，110、120工作區(qū)域，115發(fā)動機，130動力分配機構，131太陽輪，132小齒輪，133齒輪架，134齒圈，140減速器，145驅動輪，150、151、160、161、170?174電流路徑，180、190變換器，182、192中性點，200電壓控制部，210、304、314偏差運算部，220、306、316控制運算部，230、260限制器，240電力分配部，250循環(huán)電力加法部，270減法部，300、310電流控制部，302、312電流指令生成部，308、318加法部，400PWM控制部，410載波發(fā)生部，500功率管理部，510電力上限值設定部，510#電力下限值設定部，512運算部，530a、530b S0C控制部，520驅動功率設定部，540充放電要求電力設定部，550行駛控制部，560電力循環(huán)控制部，570電力分配比率設定部，1000混合動力車輛，CH平滑電容器，CW、CWa、Cffb載波，D1?D4反并聯二極管，Da、Db、Dc占空比，Dfba、Dfbb控制量(FB)，Dffa、Dffb控制量(FF)，Ia、Ib電流(直流電源)，Ia*、Ib*電流指令值，Ll、L2電抗器，N1、N2、N3節(jié)點，Ne發(fā)動機轉速，PH總電力，PH*總電力指令值，PHmax總電力上限值，PHmin總電力下限值，PL負載電力，Pa、Pb電力(直流電源)，Pa*、Pb*電力指令值，Pchg充放電要求電力值，Pchga、Pchgb充電要求功率，Pdr驅動功率，Pe發(fā)動機要求功率，Pr循環(huán)電力值，Pth閾值，S1?S4開關元件，SDa、SDb、SDc控制脈沖信號，SG1?SG4控制信號，Sr控制中心值(SOC)，Ta、Tb溫度(直流電源)，Te發(fā)動機轉矩，V車速，VH輸出電壓，VH*輸出電壓指令值，Va、Va電壓(直流電源)，k電力分配比率。
【具體實施方式】
[0072][實施方式1]
[0073](電力轉換器的電路構成)
[0074]圖1是表示根據本發(fā)明實施方式1的電動車輛的電源系統的構成的電路圖。
[0075]參照圖1，電源系統5具備多個直流電源10a及直流電源10b、負載30以及電力轉換器50。
[0076]在本實施方式中，直流電源10a及直流電源10b各自由鋰離子二次電池、鎳氫電池這樣的二次電池或者雙電層電容器、鋰離子電容器等輸出特性優(yōu)異的直流電壓源元件構成。直流電源10a及直流電源10b分別對應于“第一直流電源”和“第二直流電源”。
[0077]電力轉換器50連接在直流電源10a及直流電源10b與電力線20之間。電力轉換器50按照電壓指令值VH*控制與負載30連接的電力線20上的直流電壓(以下也稱為輸出電壓VH)。S卩，電力線20相對于直流電源10a及直流電源10b共用地設置。
[0078]負載30接受電力轉換器50的輸出電壓VH而工作。電壓指令值VH*設定為適于負載30的工作的電壓。優(yōu)選的是，電壓指令值VH*根據負載30的工作狀態(tài)而以可變的方式被設定。
[0079]本實施方式的電源系統5應用于電動車輛的電氣系統。進一步，負載30構成為具有用于在電動車輛的行駛期間或停車期間產生直流電源10a、10b的充電電力的機構(以下也稱為“發(fā)電機構”)。根據發(fā)電機構，與受到行駛狀況影響的車輛減速時的再生發(fā)電不同，能夠在車輛行駛期間或停車期間主動地產生直流電源10a、10b的充電電力。因此，在電源系統5中，通過利用該發(fā)電機構產生直流電源10a、10b的充電電力，從而能夠執(zhí)行用于適當地調整直流電源10a、10b的SOC (State of Charge)的充放電控制(以下稱為“SOC控制”)。此外，稍后將詳細說明負載30的具體構成例。
[0080]電力轉換器50包括開關元件S1?S4和電抗器L1、L2。在本實施方式中，作為開關元件，可以使用IGBT(Insulated GateBipolar Transistor:絕緣柵雙極型晶體管)、電力用M0S(Metal OxideSemiconductor:金屬氧化物半導體)晶體管、電力用雙極晶體管等。相對于開關元件S1?S4，配置有反并聯二極管D1?D4。另外，開關元件S1?S4能夠分別響應于控制信號SG1?SG4而控制接通斷開。S卩，開關元件S1?S4在控制信號SG1?SG4為高電平(以下稱為“H電平”)時接通，另一方面，在低電平(以下稱為“L電平”)時斷開。
[0081]開關元件S1電連接在電力線20與節(jié)點N1之間。電抗器L2連接在節(jié)點N1與直流電源10b的正極端子之間。開關元件S2電連接在節(jié)點N1與節(jié)點N2之間。電抗器L1連接在節(jié)點N2與直流電源10a的正極端子之間。
[0082]開關元件S3電連接在節(jié)點N2與節(jié)點N3之間。節(jié)點N3與直流電源10b的負極端子電連接。開關元件S4電連接在節(jié)點N3與接地布線21之間。接地布線21與負載30、直流電源10a的負極端子電連接。
[0083]從圖1理解的那樣，電力轉換器50構成為與直流電源10a及直流電源10b各自對應地具備升壓斬波電路。即，相對于直流電源10a，構成將開關元件Sl、S2作為上臂元件、另一方面將開關元件S3、S4作為下臂元件的電流雙向的第一升壓斬波電路。同樣地，相對于直流電源10b，構成將開關元件S1、S4作為上臂元件、另一方面將開關元件S2、S3作為下臂元件的電流雙向的第二升壓斬波電路。
[0084]而且，在利用第一升壓斬波電路形成在直流電源10a與電力線20之間的電力轉換路徑、和利用第二升壓斬波電路形成在直流電源10b與電力線20之間的電力轉換路徑的雙方中包括開關元件S1?S4。
[0085]控制裝置40例如由未圖示的CPU (Central Processing Unit:中央處理單元)和內置有存儲器的電子控制單元(ECU)構成，構成為基于存儲于該存儲器的映射(map)和程序來進行使用了各傳感器的檢測值的運算處理。或者，控制裝置40的至少一部分也可以構成為利用電子電路等硬件來執(zhí)行預定的數值、邏輯運算處理。
[0086]為了控制向負載30的輸出電壓VH，控制裝置40生成對開關元件S1?S4的接通斷開進行控制的控制信號SG1?SG4。此外，雖然在圖1中省略圖示，但設置有直流電源10a的電壓(以下表述為Va)和電流(以下表述為la)、直流電源10b的電壓(以下表述為Vb)和電流(以下表述為lb)以及輸出電壓VH的檢測器(電壓傳感器、電流傳感器)。進一步，優(yōu)選的是，也配置直流電源10a及直流電源10b的溫度(以下表述為Ta和Tb)的檢測器(溫度傳感器)。這些檢測器的輸出被提供給控制裝置40。
[0087]在圖1的構成中，開關元件S1?S4分別對應于“第一開關元件”?“第四開關元件”，電抗器L1和電抗器L2分別對應于“第一電抗器”和“第二電抗器”。
[0088](電力轉換器的工作模式)
[0089]電力轉換器50具有直流電源10a、10b與電力線20之間的直流電力轉換的方式不同的多個工作模式。
[0090]在圖2中示出了電力轉換器50具有的多個工作模式。
[0091]參照圖2，工作模式大致分為:伴隨著開關元件S1?S4的周期性接通斷開控制而使直流電源10a和/或直流電源10b的輸出電壓升壓的“升壓模式⑶”;將開關元件S1?S4的接通斷開固定而將直流電源10a和/或直流電源10b與電力線20電連接的“直接連結模式⑶”。
[0092]在升壓模式中，包括電力轉換器50在直流電源10a及直流電源10b與電力線20之間進行并聯的DC/DC轉換的“并聯升壓模式(以下稱為PB模式)”、電力轉換器50在串聯連接的直流電源10a及直流電源10b與電