用於確定電部件中的電流的方法和系統的製作方法

2023-06-17 07:16:16

專利名稱：用於確定電部件中的電流的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及電部件，更具體而言，涉及一種用於確定流過電 部件的電流的方法和系統。
背景技術：
近年來，技術方面的進展以及不斷演變的風格品位已經導致汽車設 計中的顯著改變。其中一種改變涉及到汽車內的各種電氣系統的複雜性 以及功率使用，特別是替代的燃料車輛，比如混合、電動以及燃料電池 車輛。所述車輛(特別是燃料電池車輛)常常使用兩個單獨的電壓源(比 如電池和燃料電池)來為驅動輪子的電動機供電。通常使用功率變換器(比如直流到直流(DC/DC)變換器)來管理及傳輸來自所述兩個電壓 源的功率。現代的DC/DC變換器常常包括通過電感器電互連的電晶體。 通過控制所述電晶體的狀態，可以通過所述電感器來施加所期望的平均電流。出於控制和反饋的目的，測量流過所述電感器的電流。 一般來說， 這種測量發生在其中 一個所述電晶體的佔空比或者"接通周期"的中點， 因為在理論上所述電感器電流在該點處將處在其平均值。然而，由於在 激活電晶體與電流流過該電晶體和/或電感器之間的固有延遲，所述電流 測量可能是不準確的。結果，所述功率變換器以及所述車輛的性能都可 能 不是最優的。因此，期望提供一種用於提高通過電部件傳導的反饋電流的精度的 系統和方法，所述電部件比如是DC/DC變換器中的電感器。此外，通 過結合附圖以及前面的技術領域和背景技術做出的以下詳細描述以及 所附權利要求書，本發明的其他期望特徵和特性將變得顯而易見。發明內容根據一個實施例，提供一種用於確定流過電部件的電流的方法。激 活一個電耦合到該電部件以及兩個電壓源的開關。所述開關的激活導致電流在一定時間量之後流過該電部件。確定在激活該開關與電流流過該 電部件之間的所述時間量。測量流過該電部件的電流。至少部分地基於 在激活該開關與電流流過該電部件之間的所述時間量來修改所測量的電流。根據另一個實施例，提供一種汽車驅動系統。該系統包括第一電 壓源，用來生成第一電壓；第二電壓源，用來生成第二電壓；具有開關 和電感器的功率變換器，其被耦合到第一電壓源和第二電壓源；電動機， 其被耦合到該功率變換器；以及微處理器，其可操作用於與該功率變換 器通信。該微處理器被配置成執行以下操作激活所述開關，從而導致 電流在一定時間量之後流過所述電感器；確定在激活該開關與電流流過 該電感器之間的所述時間量；確定流過該電感器的電流的測量電流值； 以及至少部分地基於在激活該開關與電流流過該電感器之間的所述時 間量來修改所迷測量電流值。


下面將結合附圖來描述本發明，其中相同的附圖標記表示相同的元 件，在附圖中圖1是根椐本發明一個實施例的包括DC/DC變換器系統的示例性汽車的示意圖；圖2是圖1的DC/DC變換器系統的示意性方框圖；以及圖3是用於調節圖2的DC/DC變換器系統中的電流採樣的方法的時序圖。
具體實施方式
下面的詳細描述實際上僅僅是示例性的，並且不打算限制本發明或 者本發明的應用和用途。此外，不打算受到在前面的技術領域、背景技 術、發明內容或者後面的具體實施方式
中所給出的任何明確的或暗示的 理論的限制。後面的描述提到了把元件或特徵"連接"或"耦合"在一起。除非 另有明確說明，否則這裡使用的"連接"是指一個元件/特徵被直接接合 到另一個元件/特徵(或者直接與其通信)，並且不必是以機械的方式。 同樣，除非另有明確說明，否則"耦合"是指一個元件/特徵被直接或間接地接合到另一個元件/特徵(或者直接或間接地與其通信)，並且不必 是以枳4成的方式。然而，應當理解，雖然在一個實施例中可以把兩個元 件在下面描述為"連接，，，但是在替換實施例中類似的元件可以被"耦 合"，反之亦然。因此，雖然這裡示出的示意圖描繪了示例的元件布置， 但是在實際的實施例中可以存在附加的居間的元件、設備、特徵或部件。還應當理解，圖l-3僅僅是說明性的，並且可能不是按比例繪製的。圖1到圖3示出一種用於確定流過電部件的電流的方法和/或系統。 激活一個電耦合到該電部件以及兩個電壓源的開關。所述開關的激活導 致電流流過該電部件。確定在激活該開關與電流流過該電部件之間的時 間量。測量流過該電部件的電流，以便確定測量電流值。至少部分地基 於在激活該開關與電流流過該電部件之間的所述時間量來修改所述測 量電流值。正如下面將更詳細地描述的那樣，在一個實施例中，所述電部件是 直流到直流(DC/DC)變換器內的電感器。所述兩個電壓源可以包括電 池和燃料電池供電的汽車內的燃料電池。圖1示出根據本發明一個實施例的車輛或汽車10。該汽車10包括 底盤12、主體14、四個輪子16以及電子控制系統18。主體14被布置 在底盤12上，並且基本上封閉該汽車10的其他部件。主體14和底盤 12可以共同形成一個框架。各輪子16分別在主體14的對應的一角附近 耦合到底盤12。所述汽車10可以是多種不同類型的汽車當中的任何一種，比如轎 車、貨車、卡車或者運動型多用途車(SUV),並且可以是兩輪驅動(2WD) (即後輪驅動或前輪驅動)、四輪驅動(4WD)或全4侖驅動(AWD)的。 所述車輛10還可以結合多種不同類型的發動機當中的任何一種或其組 合，舉例來說，比如汽油或柴油燃料的內燃機、"靈活燃料車輛"(FFV) 發動機(即使用汽油和酒精的混合物)、氣體混合(例如氫氣和天然氣) 燃誶+的發動4幾、內燃木V電動4幾混合發動才幾、以及電動才幾。在圖1中示出的示例性實施例中，汽車IO是燃料電池車輛，並且 還包括電動機/發電機20、電池22、燃料電池功率模塊(FCPM) 24、 DC/DC變換器系統26、逆變器28以及散熱器30。雖然沒有示出，但是 本領域技術人員將認識到，電動機/發電機20 (或電動機)包括定子組 件(包括導電線圖)、轉子組件(包括鐵磁芯)以及冷卻液(即製冷劑)。電動才/U 20還可以包括集成在其中的傳動裝置，從而該電動機20和該傳 動裝置通過一個或多個驅動軸31被機械地耦合到至少一些輪子16。如所示，電池22和FCPM 24可操作用於與電子控制系統18和 DC/DC變換器系統26進行通信以及/或者與其電連接。雖然沒有示出， 但是在一個實施例中，FCPM 24除了其他部件之外還包括燃料電池， 該燃料電池具有陽極、陰極、電解質和催化劑。正如通常所了解的那樣， 所述陽極或負電極傳導例如從氫分子中釋放的電子，從而可以將其用在 外部電路中。所述陰極或正電極(即所述燃料電池的正接線柱)把所述 電子從外部電路傳導回所述催化劑，從而使其可以與氬離子以及氧重新 組合以便形成水。所述電解質或質子交換膜僅僅傳導帶正電的離子，同 時阻斷電子。所述催化劑促進氧和氪的反應。圖2更詳細地示意性說明所述DC/DC變換器系統26。該變換器系 統26包括雙向DC/DC變換器(BDC ) 32和BDC控制器34。在所描繪 的實施例中，該BDC變換器32包括一個功率開關部分，其具有兩個雙 絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)支路36和38，其中每一個支路分別具有 兩個IGBT，即40 (&)和42 (&)以及44 (&)和46 (&)。所述兩 個支路36和38在中點處通過電感為丄s的開關電感器48互連。該BDC 變換器32還包括連接到第一 IGBT支路36的正軌的第 一濾波器50以及 連接到第二 IGBT支路38的正軌的第二濾波器52。如所示，所述濾波 器50和52分別包括第一電感器54、第一電容器56、第二電感器58和 第二電容器60。第一 IGBT支路36通過第一濾波器50被連接到FCPM 24，第二IGBT支路38通過第二濾波器52被連接到電池22。如所示， 所述FCPM24和所述電池沒有被電隔離，因為其負(-)端子被電連接。如所示，BDC控制器34可操作用於與BDC變換器32進行通信。 雖然該BDC控制器34被示出為單獨的模塊，但是它可以被實施在電子 控制系統18 (圖1)內，正如本領域內所通常了解的那樣。雖然沒有示出，但是在一個實施例中，所述逆變器28包括多個功 率模塊設備。所述功率模塊設備可以分別包括一個具有集成電路的半導 體襯底(例如矽襯底)，正如通常所了解的那樣，在其上形成了多個半 導體器件(例如電晶體和/或開關)。再次參考圖1,所述散熱器30被連接到所述框架的外部，並且雖然 沒有詳細示出，但是該散熱器包括多條通過其中的冷卻通道，所述冷卻通道包含諸如水和/或乙二醇(即防凍劑)之類的冷卻液(即製冷劑)，並且被耦合到電動機20和逆變器28。在一個實施例中，逆變器28接收 製冷劑並且與電動機20共享製冷劑。散熱器30可以類似地被連接到逆 變器28和/或電動4幾20。所述電子控制系統18可操作用於與電動機20、電池22、 FCPM24、 DC/DC逆變器系統26和逆變器28進行通信。雖然沒有詳細示出，但是 該電子控制系統18包括各種傳感器和汽車控制模塊或電子控制單元 (ECU )(比如BDC控制器34 (圖2中所示)和車輛控制器)以及至少 一個處理器和/或存儲器，該存儲器包括存儲在其上(或者存儲在另一個 計算機可讀介質中)的指令，所述指令用於實施下面描述的過程和方法。仍然參考圖1，在操作過程中，通過利用電動機20以及/或者同時 利用電池22和FCPM 24向輪子16提供動力來操作車輛10，其中該電 動機20以交替的方式從電池22和FCPM 24接收功率。為了給電動機 20供電，通過DC/DC變換器系統26把DC功率從電池22和FCPM 24 提供給逆變器組件28，在把功率發送給電動機20之前，該逆變器組件 把所述DC功率變換成交流(AC)功率。所述電子控制系統18和/或BDC控制器34如下面所討論的那樣操 作所述DC/DC變換器系統26。再次參考圖2， DC/DC變換器系統26被 數字地控制，並且在FCPM24 (l^c/)與電池22 (&c2)之間傳輸功率。 FCPM 24和電池22的端子電壓可以動態地改變，從而使得K/c;> ^/c2 或者&c/<^c2。如通常所了解的那樣，這兩個電壓源之間的功率傳輸 在恆定電流或恆定功率下獨立於所述電壓關係的符號而發生。仍然參考圖2，如通常所了解的那樣，所述第一和第二濾波器50和 52減少電磁幹擾(EMI)發射。在一個實施例中，所述開關電感器48 主要負責所述功率變換過程，因為該開關電感器48在操作循環的第一 部分內存儲能量，並且在操作循環的第二部分內釋放能量。因此，該開 關電感器48確保所述能量傳輸在所期望的方向上發生，而不管FCPM 24 與電池2 2之間的電壓關係如何。通過所述開關電感器48來施加等於所期望的平均電流的恆定平均 電流。對該恆定平均電流的控制通常是在閉環操作下執行的。所述電流 環路的輸出通過切換所述IGBT 40、 42、 44和46的狀態(或 "街矛，，)來控制所述開關電感器48兩端的電壓。例如，在一個實施例中，連接到具有較低電壓值的電壓源的正(+ )端子的IGBT (第一支路 36中的40或者第二支路38中的44)被持續保持"^遞"，而在相對 支路上的IGBT被/ "餘tT ，以便實現所述功率傳輸。這一開 關速率可以被稱作"開關頻率"(力w)。該開關頻率的倒數可以被稱作 "開關周期"或"開關循環"(7;w)。開關或IGBT 40-46可以在所述開 關周期內的特定持續時間(即"接通周期")內處在狀態下。 特定開關的時間除以所述開關周期的比值可以被稱作"佔空率" 或"佔空比"。如果單獨考慮的話，每個佔空比可以被視為具有起點(或 前沿)、中點以及終點(或後沿)。如圖2中所示，所述BDC控制器34從外部源(例如車輛控制器) 接收功率/電流和電壓命令。所述BDC控制器34內的控制算法生成IGBT 40-46 的佔空比。該BDC控制器34還執行反饋測量，其中把所述反饋測量與所述功率和電壓命令進行比較。調節由該BDC控制器34 發送的驅動信號的佔空比，從而使得該BDC控制器34的反饋值基本上 匹配所述功率和電壓命令。由於所述BDC變換器32被數字地控制，因此所迷操作在等於所述 開關周期(7;w)的離散時間段(即循環)內發生。在每一個循環期間， 所述BDC控制器34 (和/或電子控制系統18)接收反饋測量，執行所述 控制算法(其中包括與所述閉環操作相關的控制算法)所需的計算，並 且輸出控制IGBT 40-46的佔空比。作為其中一種反饋測量，所迷BDC控制器34對通過所述開關電感 器4 8傳導的電流(4 )執行每開關循環 一 次的採樣或測量。在理想情況 下，所述採樣在所述開關循環內發生的點對應於流過該開關電感器48 的電流等於其平均值的時間點。在理論上，由於圖3中所示的所述電流 的準三角形狀，所以該實例對應於所述開關循環的中點。如圖3中所示，為了在所述開關循環的中點處實現所述反饋電流採 樣，在所述BDC控制器34內生成一個電流採集信號(ACQ),其中包 括"電流採集佔空比，，。在所示出的例子中，該電流採集信號具有50% 的佔空比。基本上與所述電流採集信號(或電流採集佔空比)的終點同 時地對所述電感器電流/￡進行採樣。關於所述電流採集信號的終點對稱 地生成具有相應的佔空比的IGBT信號(例如D&和Z)&)或開關信號， 從而使得所述IGBT佔空比"&的中點與其同時地發生。在前一個循環10"n-l"期間預先計算在循環"n"處生成的佔空比。在圖3中示出的例子中，佔空比AS/的值為100%,而D&具有任 意值。由於所述IGBT的"非零"激活時間，所以IGBT&兩端的電壓 K&相對於所述控制信號Z)&被延遲。也就是，如本領域技術人員將認 識到的那樣，例如在所迷控制信號D&與所述IGBT兩端的相應電壓 的每個循環的起點之間過去了一個短的時間段(A)。因此，流過所述 開關電感器(A )的電流(/zJ的相應改變的顯現也被延遲了水。這樣， 如果與所述電流採樣循環的後沿以及所述IGBT控制信號的中點同 時地採樣所述開關電感器電流，則所述採樣將在理想中點之前的A發 生，其中在該理想中點處，瞬時電感器電流^與所述電感器電流的平均 值(/z^g)重合。應當注意到，所述延遲A的值例如可以由所述BDC 控制器34測量，或者可以被列在與所利用的特定設備相關的參考材料 中。如上所述地計算的任何電感器電流值都將包括一個誤差(￡ = J/J ，其對應於所述平均電感器電流4ovg與所採樣的瞬時電感器電流/i之間的 差。所迷反饋電感器電流中的該誤差同樣導致所述兩個源(K^;和之間的電流的不精確。如果不考慮該誤差，則所述DC/DC變換器系統 26以及所述車輛IO整體的操作都將受到影響。在低電流電平下以及在 零命令電流下，所述不精確問題變成一個系統問題，其中所測量的反饋 電流中的小誤差相對於命令電流在百分比方面被放大。仍然參考圖3,根據本發明的一個實施例，所述BDC控制器34產 生一個延遲了 A的附加信號，以便解決所述電流採樣的定時。在一個優 選實施例中，在所述BDC控制器34內的電流環路控制碼中估計或計算 誤差J/i,並且將其作為校正應用於所測量的電流&,以便計算經過校 正的反饋電流(4')。對於所示出的變換器系統26可以識別出四種操作條件> 並且&>0， ^^>^^並且/丄<0, K^《K^並且/iX)，以及4/<42 並且/￡<0。正如本領域技術人員將認識到的那樣，在這些情況當中的每 一種情況下，對電流A的斜率的近似可以被表示為，/=^/-&艮 (!)因此，所述誤差d/i可以被表示為A = ^丫1^/ ^ (2) 於是將被使用在所述控制環路中的校正後的反饋電流/l '可以被表示為化'-^ + zl^ (3)也就是，所述校正後的反饋電流等於所述開關電感器48的測量電 流值與所述測量電流值誤差的總和。該校正後的反饋電流/i '被反覆地或 持續地饋送到所述BDC控制器34中，以便控制所述DC/DC變換器系 統26的操作。上述方法和/或系統的一個優點在於，提高了確定所述反饋電流的精 度。作為結果，所述功率變換器系統以及所述電動機的性能和所述車輛 的總體效率都得到了改進。其他實施例可以在不同類型的汽車中或者在完全不同的電氣系統 中一起利用上述方法和系統，這是因為所述方法和系統可以在其中所述 兩個源的電壓在寬範圍內動態地改變的任何情況下被實施。例如，在另 一個實施例中，可以用超電容器來替換所述電池。雖然在上面的詳細描述中給出了至少一個示例性實施例，但是應當 認識到，存在多種變型。還應當認識到，所述一個或多個示例性實施例 僅僅是例子，而不打算以任何方式限制本發明的範圍、適用性或配置。 更確切地說，前面的詳細描述將為本領域技術人員提供用於實施所述一 個或多個示例性實施例的方便的路線圖。應當理解，在不背離所附權利 要求書及其等效法律表述中所闡述的本發明的範圍的情況下，可以在元 件的功能和布置方面做出各種改變。
權利要求
1、一種用於確定流過電部件的電流的方法，包括激活電耦合到該電部件以及兩個電壓源的開關，從而導致電流流過該電部件；確定在激活該開關與電流流過該電部件之間的時間量；測量流過該電部件的電流，以便確定測量電流值；以及至少部分地基於所述時間量來修改所述測量電流值。
2、 根據權利要求1所述的方法，還包括 生成具有至少一個採集佔空比的採集信號；以及 生成具有至少一個開關佔空比的開關信號；其中，所迷至少一個採集佔空比和所述至少一個開關佔空比當中的 每一個具有起點、中點和終點，並且所述至少一個開關佔空比的中點基 本上與所述至少一個採集佔空比的終點同時發生。
3、 根據權利要求2所述的方法，其中，所述開關的所迷激活基本 上與所述至少一個開關佔空比的起點同時發生。
4、 根據權利要求3所述的方法，其中，對流過所述電部件的所述 電流的所述測量基本上與所述至少 一個採集佔空比的終點同時發生。
5、 根據權利要求4所述的方法，其中，所述電部件是具有電感的 電感器，並且所述兩個電壓源包括生成第一電壓的第一電壓源和生成第 二電壓的第二電壓源。
6、 根據權利要求5所述的方法，其中，對所述測量電流值的所述 修改包括計算電流誤差。
7、 根據權利要求6所述的方法，其中，計算所述電流誤差包括 確定第一電壓與第二電壓之間的差；把第一電壓與第二電壓之間的差除以所述電感器的電感，以便計算 所述測量電流值的斜率；以及把所述測量電流值的斜率乘以在激活所述開關與所述電流流過所 述電部件之間的所述時間量。
8、 根據權利要求7所述的方法，其中，所述開關和所述電感器處 在直流到直流(DC/DC)變換器內。
9、 根據權利要求8所述的方法，其中，所述DC/DC變換器還包括 至少一個濾波器，該至少一個濾波器包括電容器和濾波電感器。
10、 根據權利要求9所述的方法，其中，所述第一電壓源是電池， 並且第二電壓源是燃料電池。
11、 一種用於確定流過汽車中的直流到直流(DC/DC)變換器內的 電部件的電流的方法，包^":生成具有至少一個採集佔空比的採集信號，所述採集佔空比具有起 點、中點和終點；生成具有至少一個開關佔空比的開關信號，所述開關佔空比具有起 點、中點和終點，該開關佔空比的中點基本上與該至少一個採集佔空比 的終點同時發生；基本上與該開關佔空比的起點同時地激活耦合到該電部件以及兩 個電壓源的開關，激活該開關導致電流在 一 定時間量之後流過該電部 件；確定在激活該開關與所述電流流過該電部件之間的所述時間量； 基本上與該開關佔空比的中點同時地測量流過該電部件的電流，以便確定測量電流值；以及至少部分地基於在激活該開關與所述電流流過該電部件之間的所述時間量來修改所述測量電流值。
12、 根據權利要求11所述的方法，其中，所述電部件是具有電感 的電感器，並且所迷兩個電壓源包括生成第一電壓的第一電壓源和生成 第二電壓的第二電壓源。
13、 根據權利要求12所述的方法，其中，修改所述測量電流值包括確定第一電壓與第二電壓之間的差；把第一電壓與第二電壓之間的差除以所述電感器的電感，以便計算 所述測量電流值的斜率；以及把所述測量電流值的斜率乘以在激活所述開關與所述電流流過所 迷電部件之間的所述時間量。
14、 根據權利要求13所述的方法，其中，所述開關是絕緣柵雙極 型電晶體(IGBT)。
15、 根據權利要求14所述的方法，其中，所述第一電壓源是電池， 並且第二電壓源是燃料電池。
16、 一種汽車驅動系統，包括功率變換器，其被配置成耦合到第一電壓源和第二電壓源，該功率變換器包括開關和具有電感的電感器； 耦合到該功率變換器的電動機；以及微處理器，其可操作用於與該功率變換器通信，該微處理器被配置 成執行以下操作激活所述開關，從而導致電流在一定時間量之後流過所述電感器；確定在激活該開關與所述電流流過該電感器之間的所述時間量；確定流過該電感器的該電流的測量電流值；以及 至少部分地基於在激活該開關與該電流流過該電感器之間的 所述時間量來修改所述測量電流值。
17、 根據權利要求16所述的汽車驅動系統，其中，所述功率變換 器是直流到直流(DC/DC)變換器。
18、 根據權利要求16所述的汽車驅動系統，其中，所述微處理器 還被配置成生成具有至少一個採集佔空比的採集信號；以及生成具有至少一個開關佔空比的開關信號；其中，所述至少一個採集佔空比和所述至少一個開關佔空比當中的 每一個具有起點、中點和終點，所述至少一個開關佔空比的中點基本上 與所述至少一個採集佔空比的終點同時發生，所述開關的激活基本上與 所述至少一個開關佔空比的起點同時發生，以及對流過所述電部件的所 述電流的測量基本上與所述至少一個採集佔空比的終點同時發生。
19、 根據權利要求18所述的汽車驅動系統，其中，對所述測量電 流值的所述修改包括確定第一電壓與笫二電壓之間的差；把第一電壓與第二電壓之間的差除以所述電感器的電感，以便計算 所述測量電流值的斜率；以及把所述測量電流值的斜率乘以在激活所述開關與所述電流流過所 述電部件之間的所述時間量。
20、 根據權利要求19所述的汽車驅動系統，還包括作為第一電壓 源的電池以及作為第二電壓源的燃料電池。
全文摘要
本發明公開了用於確定流過電部件中的電流的方法和系統。激活一個電耦合到該電部件以及兩個電壓源的開關。所述開關的激活導致電流在一定時間量之後流過該電部件。確定在激活該開關與電流流過該電部件之間的所述時間量。測量流過該電部件的電流，以便確定測量電流值。至少部分地基於在激活該開關與電流流過該電部件之間的所述時間量來修改所述測量電流值。
文檔編號H02M3/04GK101252315SQ200810081239
公開日2008年8月27日 申請日期2008年2月20日 優先權日2007年2月20日
發明者C·C·斯坦庫, D·L·科瓦列夫斯基 申請人:通用汽車環球科技運作公司