[发明专利]具有分布式控制的电动车辆直流功率转换

说明书

一种电动车辆，具有包括提供主电压的串联电池单元的电池组。为了从所有电池单元平均地提供低电压总线，多个DC/DC转换器由各自的单元供电并且它们的输出并联。中央模块具有外部回路控制器，其产生目标电流以将总线电压调节到预定电压，并且具有根据电池单元的各自的荷电状态将目标电流分配到多个分配的电流指令中的分配器。多个本地控制器各自调节各自的DC/DC转换器的电流。每个本地控制器接收各自的分配的电流指令作为各自的前馈控制变量。只有当误差高于阈值时，每个本地控制器将总线电压和预定电压之间的误差积分为各自的反馈控制变量。

技术领域

本发明大体涉及用于电动车辆的电力系统，更具体地，涉及用于控制DC/DC(直流/直流)转换器以将电池组的高电压转换为低电压以用于电动车辆的低电压总线的方法和装置。

背景技术

诸如电池电动车辆和混合动力电动车辆的电动车辆通常利用由DC电源驱动的高压电源总线，其可以包括诸如多电芯的电池组的存储和/或转换装置。电池组可以具有串联连接的多个电芯，以便提供必要的电力和/或电压电平。电芯需要实时监控以使效率和性能最大化，并确定电池荷电状态(SOC)以预测电池电源下剩余的车辆可行驶里程。诸如锂离子(Li-Ion)的普通电池类型使用大量堆叠在一起(串联和/或并联连接)的单个电芯，并且电芯的组可以以组为单位分层次地连接，从而对组进行监控而不是单个电芯。如本文所用，电池单元是指单个电芯或视为整体的电芯的组。

除了与电动车辆中驱动牵引马达相关联的高电压组件之外，车辆还包含低电压的电气组件和附件(例如控制模块、照明、通信和娱乐设备)以及用于支撑低电压组件的低电压电池。为了从主高压电池组向低电压组件供电和/或为低电压电池充电，已经使用DC/DC转换器将高电压向下转换为适当的低电压以驱动低电压电源总线。

虽然可以接入电池组的一小部分来获得较低的电压，但是由此导致的来自电池组的不平衡的电源消耗是不期望的。另一方面，使用由电池组的全部高电压直接驱动的单个DC/DC转换器需要转换器中的高电压组件，这导致高成本。为了获得必要的电压转换和平衡多个电芯之间的电负载，已经使用一组DC/DC转换器，每个转换器的输入端连接到不同的电芯(或电芯的单元)并且转换器输出端并联连接，如Piccard等人的美国专利8,115,446所示，其公开内容通过引用并入本文。

电池组中的典型电芯可以产生大约4V电压。例如，低电压总线的目标或设定点电压可以为大约14V。如果每个DC/DC转换器覆盖一个电芯，则控制其将电压从4V增加到14V。如果每个转换器覆盖六个串联的电芯，那么它被控制以将其输入端两端的24V减小到所需的14V电压。

Zane等人的美国专利申请公开2015/0214757A1公开了多个DC/DC旁路转换器，其输出端同样并联连接，其中每个转换器的操作根据其各自电池单元的电池状态单独地调节，从而降低电池状态与参考状态的偏离率。因此，电池单元的荷电状态更均匀，这提高了电池组的整体性能。然而，独立地改变来自每个DC/DC转换器的功率的副作用是从转换器并联连接导出的公共输出电压可能不能保持恒定在期望值或值的范围。低电压DC总线上产生的电压不稳定性可能会对组件运行造成不利影响和造成低电压电池的寿命快速损失，特别是因为总的低电压功率负载可能在车辆使用过程中迅速变化。

在与本申请同时提交的系列待审的美国申请号(83675287)、题目为“低电压总线的电动车辆功率转换”的专利文献中，其全部内容通过引用并入本文中，公开了一种控制策略，其中第一控制器接收实际总线电压。第一控制器响应于总线电压产生目标总电流，该目标总电流适于将实际总线电压调节到目标电压。第二控制器根据连接到转换器的电池单元的各自的荷电状态，将目标电流分配给用于各自转换器的多个分配的电流指令中。因此，电力以如下方式从电池组中得到，即，平衡其荷电状态，同时在低电压总线上保持稳定的电压。