CN112238830A - 由集成电网供电的dc/ac逆变器*** - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“由集成电网供电的DC/AC逆变器***”。一种车辆根据自动起动停止功能操作内燃发动机以减少燃料消耗。第一DC总线适于连接到多个DC负载。原电池耦合在所述第一DC总线与接地之间。第一交流发电机由所述内燃发动机驱动以向所述第一DC总线供应电力。第二DC总线连接到辅助电池的正极端子。所述辅助电池的负极端子连接到所述第一DC总线。第二交流发电机由所述内燃发动机驱动来以与所述原电池和辅助电池的电压之和相对应的电压向所述第二总线供应电力。逆变器从所述第二DC总线接收电力以产生适于连接到附件AC负载的AC输出。

Description

由集成电网供电的DC/AC逆变器***
技术领域
本发明总体上涉及机动车辆电气***，并且更具体地涉及一种电气架构，所述电气架构具有用于为典型的直流(DC)负载供电的低压总线和用于为支持交流(AC)负载的直流/交流(DC/AC)逆变器供电的高压总线。
背景技术
由内燃发动机驱动的汽车、卡车和其他机动车辆通常已采用基于约12伏的DC电压的电气***。DC电力从蓄电池(标称值为12V)和交流发电机得到。交流发电机由发动机驱动并且由电压调节器控制，所述电压调节器改变交流发电机的输出以对电池进行再充电并且在连接到各种DC负载(包括起动机马达)的DC总线上保持期望电压。
为了促进便携式电子装置的连接，车辆通常包括呈插口形式的一个或多个电力连接点，便携式装置可以***到所述插口中以接收功率。在首次引入时，电力连接点被设计为供应与由固定车辆负载所使用的相同的12V DC。最近，DC/AC逆变器已被引入车辆以向电力连接点供应110V 60次循环/秒AC电力，所述电力连接点被配置为接受标准的壁式插座(用于建筑物)。因此，可以被供电的便携式装置包括AC负载，诸如膝上型电脑、娱乐装置以及用于电动手持工具的电池充电器。AC电力插口可以位于乘客舱、货物舱或卡车货厢中。通常，由于12V DC总线的功率限制和12V DC***的对应效率，来自逆变器的由标准12V DC总线供应的可用AC输出功率约为400瓦或更少。
为了支持某些车辆(诸如卡车和SUV)的AC负载的类型的合理范围，期望AC逆变器具有2000瓦或更高的输出容量。为了获得这种水平的输出功率和合理效率，优选地对逆变器利用高于标准DC总线可用的12V的输入电压。例如，已经使用以标称24V DC操作的单独的DC总线，其中辅助24V电池和辅助24V交流发电机连接到所述单独总线以仅向DC/AC逆变器供应电力。然而，仅为(一个或多个)AC电力插口提供备用的电池和交流发电机可能产生大量制造成本。另外，用于车辆中的部件的包装空间是有限的。为了最小化对成本和空间的影响，已将相对较小的电池尺寸用于24V电力网。在常见设计中，两个小型12V铅酸电池(例如，各自具有8Ah容量)串联连接以向辅助总线提供组合的24V。相比之下，原电池通常可以具有80Ah容量以便提供内燃发动机的可靠起动。由于它们是批量生产用于其他应用的常用产品，因此8Ah电池由于其成本低且尺寸小而成为不错的选择。有时将卡车和SUV中使用的特征称为向箱供电(Power-to-the-Box，PttB)。
然而，使用小容量电池的潜在缺点是，它限制了在不运行内燃发动机的情况下可以使用AC电力插口的时间量(即，AC逆变器在交流发动机未做出贡献的情况下依靠电池电量操作的时间)。当交流发电机由发动机驱动时，电池还用于：1)在负载需求超过交流发电机的额定功率时提供瞬态功率；以及2)在负载突降期间(即，当连接到AC插口的重要负载关闭时)吸收从交流发电机流出的多余功率。较小的电池在执行这些功能时也不太有效。
发动机没有运行时的受限操作持续时间在被配备以提供自动发动机起动停止(SS)功能(也被称为自动停止)的车辆中可能特别成问题。在自动停止***中，发动机会自动关闭(此时发动机原本将会空转)，以便减少燃料使用和发动机排放。当电池消耗过大时或者当驾驶员踩下加速踏板而恢复移动时，发动机自动重启。在行驶期间使用***AC逆变器中的AC负载的使用可以减少自动停止事件期间的发动机关闭时间，由此限制燃料效率和排放减少的益处。在低温下或使用老化电池时，影响可能尤其明显，这两种情况都会降低电池容量。
发明内容
本发明能够增加用于在车辆自动停止期间支持AC负载的可用功率。在该设计中，用于高压电力网的一对辅助电池并联连接，并且并联组合与低压(例如，12V)电力网串联连接。用于组合电力网的电池的总数和尺寸与现有技术中用于单独电力网的电池的总数和尺寸相同。在车辆自动停止期间，从该改进后的24V电池包提供给AC逆变器的总可用功率是常规设计中的功率的三倍以上。因此，车辆将会实现更多的自动停止机会并提高燃料经济性。另外，组合的24V-12V架构将能够支持连接到PttB的高激增负载。
在本发明的一个方面，一种车辆包括内燃发动机。第一DC总线适于连接到多个DC负载。原电池耦合在第一DC总线与接地之间。第一交流发电机由所述内燃发动机驱动以向所述第一DC总线供应电力。第二DC总线连接到辅助电池的正极端子。所述辅助电池的负极端子连接到所述第一DC总线。第二交流发电机由所述内燃发动机驱动来以与所述原电池和辅助电池的电压之和相对应的电压向所述第二总线供应电力。逆变器从所述第二DC总线接收电力以产生适于连接到附件AC负载的AC输出。
附图说明
图1是示出了现有技术12V电气架构的框图，所述电气架构包括用于改进智能再生充电(SRC)的二次电池。
图2是示出用于支持用于辅助AC负载的AC逆变器的单独总线24V的现有技术电气架构的框图。
图3是示出组合DC总线以便在发动机自动停止期间增加AC逆变器的可用功率的本发明的一个优选实施例的框图。
图4是示出本发明的第一优选方法的流程图。
图5是示出本发明的第二优选方法的流程图。
图6是示出本发明的另一方面的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了典型的12伏电力网，所述电力网具有由原电池11和交流发电机12供电的总线10。总线10以接地13(通常由底盘接地组成)为参考。通常，在原电池的负极上安装电池传感器以监测电池参数。如本领域中已知的，交流发电机12由内燃发动机14驱动。在总线10处来自原电池11和/或交流发动机12的可用DC电力可以被供应给各种DC负载15和起动机马达16。
已知的12伏电力网有时包括二次电池17以增加总容量以便改进与自动停止有关的性能并实施被称为智能再生充电(SRC)的另一种增强功能。对于SRC，二次电池17的额定容量通常小于原电池11的额定容量，但是对电池充电电流的接受度较高。具体地，二次电池16可以优选地由锂离子电池构成。在车辆的制动或滑行期间，交流发电机12可以用于产生电能，所述电能可以用于对二次电池17充电(例如，即使原电池11具有充满电状态)。因此，例如，通过延长停止事件的持续时间，可以捕获原本将会被浪费的能量并将所述能量存储在二次电池17中以用于补充自动停止的性能。二次电池17可以在控制器20的控制下由开关18隔离。在诸如发动机起动(engine cranking)的某些预定条件期间，可能需要隔离二次电池17。在自动停止期间或在原电池11的高熄火负载或低电量状态期间，不会隔离二次电池17。
图2示出了用于支持DC/AC逆变器和AC电力插口的单独24V电力网。24V总线21由串联连接在总线21与底盘接地24之间的一对辅助电池22和23供电。电流传感器25与电池22和23串联设置以评估电池荷电状态(SOC)，如本领域中已知的。总线21还由24V交流发电机26供电，所述交流发电机同样由内燃发动机14驱动。来自总线21的24V功率被提供给逆变器27的输入，所述逆变器在端子28和29处产生AC输出。电池SOC以及总线21上的测量电压用于使用众所周知的方法来调节交流发电机26的输出。
电池22和23的串联组合实现了所需的24V电源，同时使用了容量相对较小(诸如8Ah)的可易于获得的电池。电池22和23可以优选地由铅酸电池组成。在图1中，二次电池17可以优选地是容量小(诸如8Ah)的锂离子电池。原电池11优选地由诸如80 8H的更高容量的铅酸电池构成。如前所述，辅助电池22和23的容量小可能削弱或降低处理功率激增或下降的能力，并且可能限制在自动停止期间使用AC电力，或者限制在高AC电力负载激活时使用自动停止。
为了增加24伏电网可用的电池容量而不增加电池尺寸或不需要附加部件，采用如图3所示的新颖架构。在该优选实施例中，低压(例如，12V)总线30和高压(例如，24V)总线31被集成到单个电气架构中。总线30从原电池32和12V交流发电机33接收12伏电力。由总线30供应的负载包括起动机马达34和常规的12伏负载35。结合自动停止和SRC功能，二次电池36通过从控制器40驱动的开关37(例如，MOSFET)与总线30耦合。控制器40还控制调节器38，所述调节器以已知方式改变流入交流发电机33的励磁电流并从交流发电机33产生期望的输出电压。
一对辅助电池41和42经由电流传感器43在总线30与总线31之间并联连接。辅助电池41和42的并联组合在总线30上提供了12V的电压升压，从而导致总线31上的总线电压为24V。总线31还从交流发电机44接收约24V电力，所述交流发电机由调节器45经由控制器40控制。逆变器46作为负载连接到总线31上以在端子47和48上产生AC输出。交流发电机33和44各自由内燃发动机49(例如，通过带轮)驱动。
由于总线31和30之间的相互作用，逆变器46由辅助电池41和42以及原电池32(并且还可能由二次电池36)支持。电池容量增加延长了自动停止事件的潜在持续时间，因为逆变器46可以使用更多功率，而无需重启发动机49来为连接到AC输出端子47和48的任何装置供电。另外，在交流发电机44激活期间用于吸收负载激增和负载突降的电池容量也增加。已经发现，对于相同尺寸的部件，使用图3所示的架构的总可用功率可以是使用图2所示的架构获得的总功率的三倍以上。
在图3中，这对辅助电池41和42可以被单一12V电池或并联连接的多个12V电池取代，这取决于基于成本、输出功率和对应的包装考虑的车辆方案的要求。而且，通过使用对应的辅助电池包和被设计用于24V或36V的其他部件，可以将图3中的总线31保持在其他电压电平，诸如36V或48V。
图4示出了用于使用图3的电气架构来操作自动停止功能的优选方法，其中24V和12V电力网是互连的。所述方法可以根据适当配置的软件或固件在控制器40中执行，或者可以利用其他已知类型的控制电路。例如，控制器可以是BCM(车身控制模块)和PCM(动力传动***控制模块)的组合。在步骤50中，当发动机运行时，自动停止功能监测各种状况。具体地，监测可用的24V功率和负载(即，连接到PttB的AC负载的功耗)。在步骤52中，执行检查以确定是否已经发生触发以发起自动停止事件(例如，在预定时间内车辆是否具有零速度)。如果尚未发生触发，则所述方法在步骤51中继续监测功率和24V负载。
当触发自动停止事件时，在步骤53中检查可用电池电量。可以从每个电池的SOC计算电池电量。执行检查以确定可用的24V电池电量是否大于逆变器负载。如果为否，则在步骤54禁止自动停止，并且返回到步骤51。如果24伏电池电量足够，则在步骤55中允许自动停止事件。在自动停止事件期间，所述方法在步骤56中继续监测可用的24V电池电量是否已下降到小于PttB负载。如果是，则在步骤50中重启发动机。否则，在步骤57中执行检查以检测是否发生了用于结束自动停止事件的另一个条件(例如，驾驶员试图移动车辆或诸如气候控制的另一种负载要求移动车辆)。如果是，则在步骤50中重启发动机。否则，返回到步骤56以继续监测可用的电池电量。
图5示出了用于控制自动停止事件的替代实施例，所述实施例允许用户将继续向AC负载供电优先于改进燃料经济性。在步骤60中，进行检查以确定是否已经发生自动停止触发。一旦检测到触发条件，则在步骤51中执行检查以确定PttB功能是否开启(即，AC逆变器正在操作)。如果否，则在步骤62中激活常规的自动停止控制而不考虑24V负载。如果PttB开启，则在步骤63中执行检查以确定24V功率消耗(即，PttB负载)是否小于预定阈值。所述阈值可以具有区分高优先级/高功率负载(诸如冰箱或需要持续供电才能正常运行的电器)与可能更容忍中断的较低功率的负载。例如，阈值可以是约400W。当负载小于阈值时，在步骤64中允许自动停止，并且在控制自动停止事件的持续时间时会考虑PttB的激活状态。如果24V负载大于阈值，则在步骤65中执行检查以确定驾驶员是否已选择高功率模式。可以手动设定高功率模式以指定驾驶员要确保为AC负载提供最大功率。如果尚未选择高功率模式，则在步骤64中继续允许自动停止。否则，在步骤66中禁止自动停止。
由于24伏电力网与12伏电力网互连，因此在车辆操作期间，电力网电压可能会相互影响。对电压(由相应的交流发电机提供的电压)的调节可以如下所公开的那样被动态地控制。具体地，期望动态地控制24伏电力网的电压，使得12伏电力网的自动停止和SRC功能不受24伏电力网的电压的影响。另外，当车辆通过制动踏板减速以便进一步改进车辆燃料经济性时，SRC功能可以用于24伏电力网上以通过“自由能量”为并联辅助电池充电。
每个交流发电机根据相应的电压设定点来控制。BattULoChrg_U_Cmd是12伏交流发电机的电压设定点。在发动机运行期间，BattULoChrg_U_Cmd基于测量的电池和车辆参数(电池SOC、电压、电流、温度和车辆加速/减速状态)来确定以通过常规方式优化SRC(智能再生充电)功能。
对于如图3所示的24伏电力网，并联辅助电池两端的电压(VBatt_24V)被设定为表示为VBatt_FloatChg24V的值。优选地，VBatt_FloatChg24V约为26伏，使得这两个电池的SOC始终接近100％(并确保充电电流保持较小以避免潜在的过度充电)。如果通过24伏电力网辅助电池的电流很小，则BattULoChrg_U_Cmd的常规计算不会受到影响。因此，可以使用用于确定BattULoChrg_U_Cmd的常规算法。
在第一实施例中，根据以下公式设定24伏交流发电机的电压设定点：
BattULoChrg_U_Cmd_24V＝BattULoChrg_U_Cmd+VBatt_FloatChg12V
其中BattULoChrg_U_Cmd_24V是24伏交流发电机的电压设定点，并且其中VBatt_FloatChg12V是12伏电池的浮动充电电压(在室温下约为13V，并且根据电池温度进行调整)。
在第二实施例中，以针对SRC功能使用优化性能的方式来调整24伏交流发电机的电压设定点。当使用制动踏板使车辆减速时，内燃发动机消耗很少或不消耗燃料，并且交流发电机可以用于制动车辆。在这种状况下，交流发电机的输出电力可以将车辆的“制动能量”转换为电池充电电流，而无需消耗燃料。在这种状况下，优选地将交流发电机的输出电压调高使得可以使用较大电流对电池充电。
在车辆加速期间，内燃发动机的效率低于正常水平。在这种状况下，交流发电机电压优选地被调整为低于电池电压，使得电力网将由对应电池支持，并且在加速期间减小内燃发动机上的交流发电机负载。
因此，基于SRC功能的模式来选择电压设定点。对于24伏电力网，创建可变的ChargeMode_24V以如下表示车辆减速/加速状态：
1)当车辆处于高燃烧效率时(例如，在车辆减速期间)，ChargeMode_24V＝再生；
2)当车辆处于低燃烧效率时(例如，在车辆加速期间)，ChargeMode_24V＝放电；以及
3)当内燃发动机效率正常时，ChargeMode_24V＝正常。
根据以下公式确定24伏交流发电机在处于正常充电模式时的电压设定点：
BattULoChrg_U_Cmd_24V＝BattULoChrg_U_Cmd+BattULoChrg_U_Cmd_AuxBatt
其中BattULoChrg_U_Cmd_24V是24伏交流发电机的电压设定点，其中BattULoChrg_U_Cmd是上面确定的12伏交流发电机的电压设定点，并且其中BattULoChrg_U_Cmd_AuxBatt是并联辅助电池两端的期望电压(预先确定以优化对电池的充电/放电控制)。
图6示出了使用根据以上定义的可变充电模式调整的电压设定点的优选方法。在发动机在步骤70中运行的情况下，所述方法在步骤71中根据瞬时车辆加速或减速来选择充电模式。在步骤72中，执行检查以确定加速是否指示存在正常的燃烧效率，并且如果是，则在步骤73中使用针对24伏电力网的浮动电压相对于在12伏电力网上同期测量的电压值来确定设定点。
如果未处于正常模式，则在步骤74执行检查以确定车辆加速是否指示再生模式。如果是，则在步骤75中将24V交流发电机的电压设定点设定为最大值，由此使被传递到辅助电池的充电电流最大化。如果未处于再生模式中，则充电模式必须处于放电模式，并且存在高车辆加速度。在这种情况下，在步骤76中将24V交流发电机的电压设定点设定为最小值。
使用如图3所示的并联辅助电池大幅扩展了自动停止期间操作PttB的能力。然而，不必使用两个电池。针对12伏电力网和24伏电力网之间的辅助电池使用单个小容量电池的本发明的实施例仍然可以提供比图2的常规架构约50％的改进。
根据本发明的实施例，第一预定条件由所监测的对所述逆变器的负载需求构成，并且其中如果对所述逆变器的所述负载需求小于预定阈值，则允许所述发动机的自动停止。
根据一个实施例，所述第二交流发电机是根据设定点而调节的，其中所述设定点在所述车辆减速时具有最大值，并且其中所述设定点在所述车辆加速时具有最小值。
根据一个实施例，所述第一DC总线是标称12V总线，并且其中所述第二总线是标称24V总线。
根据一个实施例，所述第一DC总线是标称12V总线，并且其中所述第二总线是标称36V总线。
根据一个实施例，所述第一DC总线是标称12V总线，并且其中所述第二总线是标称48V总线。

Claims (15)

1.一种车辆，其包括：
内燃发动机；
第一DC总线，所述第一DC总线适于连接到多个DC负载；
原电池，所述原电池耦合在所述第一DC总线与接地之间；
第一交流发电机，所述第一交流发电机由所述内燃发动机驱动以向所述第一DC总线供应电力；
第二DC总线；
辅助电池，所述辅助电池具有连接到所述第二DC总线的正极端子和连接到所述第一DC总线的负极端子；
第二交流发电机，所述第二交流发电机由所述内燃发动机驱动来以与所述原电池和辅助电池的电压之和相对应的电压向所述第二总线供应电力；以及
逆变器，所述逆变器从所述第二DC总线接收电力以产生适于连接到附件AC负载的AC输出。
2.如权利要求1所述的车辆，其中所述辅助电池由两个并联电池构成，并且其中所述两个并联电池的额定容量小于所述原电池的额定容量。
3.如权利要求1所述的车辆，其中所述内燃发动机根据自动起动停止功能操作，所述自动起动停止功能在第一预定条件下使所述发动机自动停止，然后在第二预定条件下使所述发动机重启，其中当所述发动机自动停止时，所述逆变器从所述辅助电池和所述原电池接收电力，并且其中所述车辆还包括：
起动机马达，所述起动机马达耦合到所述第一总线以使用来自所述原电池的电力来重启所述发动机。
4.如权利要求3所述的车辆，其还包括：
二次电池，所述二次电池具有正极端子，所述正极端子耦合到所述第一总线以增加用于向所述多个DC负载供应电力的容量，其中所述二次电池的额定容量小于所述原电池的额定容量。
5.如权利要求3所述的车辆，其中所述第一预定条件由所监测的来自所述电池的电量可用性和对所述逆变器的负载需求构成，并且其中如果对所述逆变器的所述负载需求大于来自所述电池的所述电量可用性，则禁止所述发动机的所述自动停止。
6.如权利要求5所述的车辆，其中所述第二预定条件由所监测的来自所述电池的电量可用性和对所述逆变器的负载需求构成，并且其中如果来自所述电池的所述电量可用性小于对所述逆变器的所述负载需求，则激活所述发动机的所述自动重启。
7.如权利要求3所述的车辆，其中所述第一预定条件由所监测的对所述逆变器的负载需求构成，并且其中如果对所述逆变器的所述负载需求小于预定阈值，则允许所述发动机的所述自动停止。
8.如权利要求1所述的车辆，其中所述第一DC总线是标称12V总线，并且其中所述第二总线是标称24V总线。
9.如权利要求1所述的车辆，其中所述第二交流发电机是根据设定点而调节的，其中所述设定点在所述车辆减速时具有最大值，并且其中所述设定点在所述车辆加速时具有最小值。
10.一种车辆电气***，其包括：
第一DC总线，所述第一DC总线适于连接到多个DC负载；
原电池，所述原电池耦合在所述第一DC总线与接地之间；
第一交流发电机，所述第一交流发电机被配置为由内燃发动机驱动以向所述第一DC总线供应电力；
第二DC总线；
辅助电池，所述辅助电池具有连接到所述第二DC总线的正极端子和连接到所述第一DC总线的负极端子；
第二交流发电机，所述第二交流发电机被配置为由所述内燃发动机驱动来以与所述原电池和辅助电池的电压之和相对应的电压向所述第二总线供应电力；以及
逆变器，所述逆变器从所述第二DC总线接收电力以产生适于连接到附件AC负载的AC输出。
11.如权利要求10所述的车辆电气***，其中所述辅助电池由两个并联电池构成，并且其中所述两个并联电池的额定容量小于所述原电池的额定容量。
12.如权利要求10所述的车辆电气***，所述车辆电气***适于与内燃发动机一起使用，所述内燃发动机根据自动起动停止功能操作，所述自动起动停止功能在第一预定条件下使所述发动机自动停止，然后在第二预定条件下使所述发动机重启，其中当所述发动机自动停止时，所述逆变器从所述辅助电池和所述原电池接收电力，并且其中所述车辆电气***还包括：
起动机马达，所述起动机马达耦合到所述第一总线以使用来自所述原电池的电力来重启所述发动机。
13.如权利要求12所述的车辆电气***，其还包括：
二次电池，所述二次电池具有正极端子，所述正极端子耦合到所述第一总线以增加用于向所述多个DC负载供应电力的容量，其中所述二次电池的额定容量小于所述原电池的额定容量。
14.如权利要求12所述的车辆电气***，其中所述第一预定条件由所监测的来自所述电池的电量可用性和对所述逆变器的负载需求构成，并且其中如果对所述逆变器的所述负载需求大于来自所述电池的所述电量可用性，则禁止所述发动机的所述自动停止。
15.如权利要求14所述的车辆电气***，其中所述第二预定条件由所监测的来自所述电池的电量可用性和对所述逆变器的负载需求构成，并且其中如果来自所述电池的所述电量可用性小于对所述逆变器的所述负载需求，则激活所述发动机的所述自动重启。
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