针对高压网络暂时断开保护车载电池充电器的方法和系统与流程

1.本发明涉及用于控制电动交通工具的车载电池充电器的方法和系统。
2.背景
3.电动交通工具(ev)的车载电池充电器(obc)用于给ev的牵引电池(traction battery)充电。obc将从ac电源吸收的电功率转换成dc电功率，并用dc电功率给牵引电池充电。
4.概述
5.一种目的包括控制经由高压(hv)网络连接到电动交通工具(ev)的牵引电池的车载电池充电器(obc)，以便当obc经由hv网络对牵引电池充电时，在hv网络中存在暂时断开时，使obc的操作在hv网络中的对应的重新连接之前停止。
6.在执行上述和/或其他目的中的至少一个时，提供了一种obc。obc包括转换器和控制器。该转换器具有可经由电压网络连接到电池的输出端口。转换器可操作用于将输入功率转换为输出功率，并用于将输出端口处的输出功率输出到电压网络上以对电池充电。控制器可操作用于在检测到电压网络中的暂时断开时，控制转换器以停止将输入功率转换为输出功率。
7.在控制转换器以停止将输入功率转换为输出功率时，控制器使转换器的操作在电压网络中的对应的重新连接之前停止。
8.转换器包括电源开关(即，一个或更多个电源开关)，该电源开关可操作用于以开关频率切换，以便转换器将输入功率转换为输出功率。开关频率响应于由于电压网络中的暂时断开而在电源开关处传递的电压瞬变而降低。控制器可操作用于通过检测降低到低于预定义阈值的开关频率来检测暂时断开。
9.控制器可以根据电池的电压水平和/或转换器的环境温度来改变预定义阈值。
10.控制器可以根据输入功率改变预定义阈值。当输入功率小于预定义功率阈值时，控制器还可以根据输出功率改变预定义阈值。
11.该转换器可以是dc/dc转换器。obc可以装载在电动交通工具上，在这种情况下，电池是ev的牵引电池，以及电压网络是高压(hv)网络。
12.此外，在实现上述目的和/或其他目的中的至少一个时，提供了一种用于给ev的牵引电池充电的系统。该系统包括连接到牵引电池的电压网络(例如，hv网络)。该系统还包括具有dc/dc转换器和控制器的obc。dc/dc转换器具有连接到电压网络的输出端口。dc/dc转换器可操作用于将输入功率转换为输出功率，并用于将输出端口处的输出功率输出到电压网络上，以对牵引电池充电。控制器可操作用于在检测到电压网络中的暂时断开时控制dc/dc转换器以停止将输入功率转换为输出功率。
13.dc/dc转换器的停止将在电压网络中对应的重新连接之前发生。
14.控制器可操作用于通过检测dc/dc转换器的电源开关的开关频率降低到低于预定义阈值来检测暂时断开，这是因为开关频率由于暂时断开的影响而降低。
15.此外，在执行上述目的和/或其他目的中的至少一个时，提供了一种用于操作obc
的方法。该obc包括转换器，该转换器具有经由电压网络连接到电池的输出端口。该方法包括控制转换器以将输入功率转换为输出功率，以及将输出端口处的输出功率输出到电压网络上，以对电池充电。该方法还包括，在检测到电压网络中的暂时断开时，控制转换器以停止将输入功率转换为输出功率。
16.附图简述
17.图1示出了具有市电电源(mains supply)、电动交通工具供电设备(evse)、车载电池充电器(obc)、电压网络、和电池的电气系统的框图，obc在输入侧处经由evse连接到市电电源，并且在输出侧处经由电压网络连接到电池，obc与控制器相关联；
18.图2示出了obc的详细框图和控制器在监测和控制obc时的功能的框图描述；
19.图3示出了obc的另一个详细框图和电压网络的详细框图；
20.图4示出了一曲线图，该曲线图具有依据实验结果的、与obc的操作相关联的、根据obc的dc/dc功率转换器的电源开关的开关频率与时间的关系的曲线；
21.图5示出了一曲线图，该曲线图具有针对obc环境的不同温度的预定义开关频率阈值的不同曲线，这些曲线描绘了它们根据电源开关的开关频率与电池的电压水平的关系的变化，该曲线图还具有替代的预定义开关频率阈值的曲线，该曲线描绘了其根据电源开关的开关频率与牵引电池的电压水平的关系的变化，这种替代的预定义开关频率阈值的存在取决于输入ac标称电压大于预定义电压阈值；和
22.图6示出了具有替代的第二预定义开关频率阈值的曲线和dc链路电容器的电压变化的曲线的曲线图，该第二预定义开关频率阈值的曲线描绘了其根据电源开关的开关频率与牵引电池的电压水平的关系的变化。
23.详细描述
24.在本文中公开了本发明的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以体现为各种形式和可替代形式。附图不一定是按比例绘制的；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体的结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅作为用于教导本领域中的技术人员以各种方式实施本发明的代表性基础。
25.现在参考图1，示出了具有车载电池充电器(obc)12的电气系统10的框图。obc 12“装载”在电动交通工具(ev)上。在本文中术语“电动交通工具”和“ev”涵盖使用电功率用于交通工具推进的任何类型的交通工具，包括纯电池电动交通工具(bev)、混合电动交通工具(hev)、插电式混合电动交通工具(phev)等。
26.obc 12用于给ev的牵引电池14充电。牵引电池14是依据用于交通工具推进的电能要求的高压(hv)直流(dc)牵引电池。obc 12经由hv网络22(例如，ev的hv dc总线)连接到牵引电池14。
27.电气系统10还包括交流(ac)电源，诸如电网的市电电源16。obc12使用来自市电电源16的电功率经由hv网络22给牵引电池14充电。obc 12经由外部电动交通工具供电设备(evse)18连接到市电电源16，以从市电电源吸收电功率。obc 12将从市电电源16吸收的电功率转换成dc电功率。obc 12将dc电功率输出到hv网络22上，用于对牵引电池14充电。
28.控制器20与obc 12相关联。控制器20是电子设备，诸如处理器、微控制器、或装载在ev上的类似设备(例如，计算机)(例如，交通工具控制器)。控制器20与obc 12通信，以控
制obc的操作。控制器20控制obc 12将来自市电电源16的电功率转换成dc电功率以及用dc电功率给牵引电池14充电。例如，控制器20适当地控制用于将来自市电电源16的电功率转换成选定量的dc电功率的obc 12的电源开关的切换和切换持续时间。控制器20可以集成在obc单元内。控制器20还可操作以与电气系统10和ev的其他节点通信和控制电气系统10和ev的其他节点，该其他节点包括充电应用中涉及的节点。
29.现在参考图2，并继续参考图1，示出了obc 12的详细框图和控制器20在监测和控制obc时的功能的框图。
30.obc 12包括功率因数校正器(pfc)32、dc链路电容器(或大容量电容器)34和dc/dc功率转换器36。如图2所示，pfc 32包括ac整流器和功率转换器。obc 12还包括在ac电网16和pfc 32的输入侧之间的ac emi输入滤波器(未示出)和在dc/dc功率转换器36的输出侧和电压网络22之间的dc emi滤波器(未示出)。
31.obc 12基于两个级联的功率转换级。即，pfc 32所属的功率因数校正级和dc/dc功率转换器36所属的dc/dc转换级。pfc 32和dc/dc功率转换器36通过电容性能量缓冲器(即dc链路电容器34)连接。pfc 32可经由evse连接到市电电源16。这样，obc 12的输入侧可经由evse连接到市电电源16。dc/dc功率转换器36经由电压网络22连接到牵引电池14。这样，dc/dc功率转换器36的输出侧经由电压网络(“hv网络”)22连接到牵引电池(“hv dc电池”)14。
32.通常，pfc 32处理ac/dc转换，并由控制器20控制以确保dc/dc功率转换器36的输入端处的高功率因数。dc/dc功率转换器36由控制器20控制，以将dc链路电容器34处的高压稳压输入转换为用于牵引电池14的dc电池水平。在这方面，dc/dc功率转换器36使输出电压/电流适配牵引电池14的要求。总之，pfc 32用作电网前端，并且dc/dc功率转换器36使输出适配牵引电池14的范围。
33.更具体地，pfc 32将从市电电源16接收的ac电功率转换成dc电功率，并将该dc电功率输送到dc链路电容器34，同时保持功率因数接近1。控制pfc 32使得dc链路电容器34的电压被调节在期望的dc电压水平。dc链路电容器34的电压是dc/dc功率转换器36的输入电压。
34.dc/dc功率转换器36根据牵引电池14的充电状态将输入电压转换为更高/更低的dc电压水平。该dc电压水平是dc/dc功率转换器36的输出电压。牵引电池14利用来自dc/dc功率转换器36的dc输出电流经由电压网络22充电到dc/dc功率转换器的输出电压。
35.obc 12在图2中示出为只有一组pfc 32、dc链路电容器34、和dc/dc功率转换器36。obc 12可包括并联布置的附加的多组pfc 32、dc链路电容器34、和dc/dc功率转换器36。在一个实施例中，obc 12包括并联布置的三组pfc 32、dc链路电容器34、和dc/dc功率转换器36。当市电电源16是三相市电电源时，该实施例是有用的。
36.控制器20与pfc 32通信，以控制pfc的操作。例如，控制器20控制pfc 32将来自市电电源16的ac电功率转换成dc电功率，并将dc电功率输送到dc链路电容器34。在这方面，控制器20适当地控制pfc 32的功率晶体管开关(图2中示意性示出)的切换以及切换持续时间，以控制由pfc提供的功率因数校正和控制pfc在将由市电电源16的ac电功率转换的选定量的dc电功率输送到dc链路电容器34时的操作。以这种方式，dc链路电容器34被调节至期望的dc电压水平。
37.控制器20与dc/dc功率转换器36通信以控制dc/dc转换器的操作。例如，控制器20控制dc/dc功率转换器36将来自dc链路电容器34的dc输入电压转换成更高(或更低)的dc输出电压，以用于给牵引电池14充电。在这方面，控制器20适当地控制dc/dc功率转换器36的功率晶体管开关(未示出)的切换以及切换持续时间，以使dc/dc功率转换器将输入电压转换成更高(或更低)的输出电压。控制器20还可操作以与交通工具的其他节点通信和控制交通工具的其他节点，这些其他节点包括充电应用中涉及的节点。
38.通常，控制器20可以利用pfc 32的ac输入电压、pfc 32的ac输入电流、dc链路电容器34的dc电压、和/或dc/dc功率转换器36的dc输出电流的测量结果来管理obc 12的两个功率转换级。一方面，ac输入电压可以在pfc 32的ac整流器之前在差分模式中被测量或者在无桥pfc拓扑结构中被测量，或者另一方面，ac输入电压可以在ac整流器之后被测量。
39.现在参考图3，并继续参考图1和图2，示出了obc 12的另一个详细框图和电压网络22的详细框图。图3中的obc 12的详细框图还示出了obc的pfc 32、dc链路电容器34、和dc/dc功率转换器36。该详细框图还示出了dc/dc功率转换器36的部件。如图所示，dc/dc功率转换器36包括：在dc/dc功率转换器的输入侧处的总体上用参考标记40表示的电源开关(q1、q2、q3、q4)的初级桥；在dc/dc功率转换器的输出侧处的总体上用参考标记44表示的二极管的次级桥；以及变压器42，其初级侧连接到电源开关40的初级桥，以及其次级侧连接到二极管44的次级桥。
40.如电压网络22的详细框图所示，电压网络22包括“高压”(hv)布线基础结构45和电池断开单元(battery disconnect unit，bdu)48。图3还示出了对仍然连接到obc的网络电容c*的模拟。bdu 48通过布线基础结构45连接到obc 12的输出侧和牵引电池14。bdu 48是可在断开位置和闭合位置之间操作的开关。当布线基础结构45具有完全连续性并且当bdu 48切换成闭合时，obc 12连接到牵引电池14。
41.布线基础结构45具有一对或更多对“高压”(hv)连接器46(例如示出两个连接器46)。每对连接器46在布线基础结构45中形成连接点。每一对连接器46将被适当地连接以使布线基础结构45在obc 12和牵引电池14之间具有完全连续性。
42.一个问题发生于一对连接器46具有松动连接(loose connection)50时。在图3中用相应的图例描绘了松动连接50的两种不同可能性。如图3所指示的，松动连接50的每个可能性与相应的一对连接器46相关联。松动连接50是电压网络22中的暂时离线(即，暂时断开)。因此，暂时断开50表示断开异常事件。由于暂时断开50是“暂时的”，所以暂时断开50具有随后发生的相关联的补救性重新连接(即，重新连接异常事件)。
43.暂时断开50是一个问题，因为在obc 12对牵引电池14充电时发生的暂时断开50可能导致意外的电压瞬变。这样的电压瞬变在obc 12的dc/dc功率转换器36的电源开关40的初级桥处作为意外的输出行为被传递。因此，电源开关40在不希望的操作条件下处理能量流。该流去同步(flow desynchronization)导致电气过应力(electrical overstress)，并且最终电源开关40中的一个或更多个可能被损坏。obc 12的电压控制回路太慢，无法提供整流反应，并且是相对昂贵的升级。此外，当牵引电池14由于bdu 48从obc 12断开时存在暂时断开50的时候，可能会出现这种意外电压瞬变。
44.根据本发明的实施例，控制器20可操作用于控制obc 12的操作以保护obc免受电压网络22中的暂时断开50的影响。通常，在电压网络22中存在暂时断开50的情况下，控制器
20将obc 12关断。在这方面，控制器20可操作用于检测暂时断开50的发生。通过关断obc 12，停止dc/dc功率转换器36将输入功率转换为输出功率的操作。此外，在响应于暂时断开50而关断obc 12时，控制器20在重新连接异常事件之前及时将obc关断。
45.为了使dc/dc功率转换器36将输入功率转换为输出功率，dc/dc功率转换器的电源开关40以对应的开关频率接通/关断。开关频率响应于由于电压网络22中的暂时断开50而在电源开关40处传递的电压瞬变而降低。控制器20监测开关频率并通过检测电源开关40的开关频率降低到低于预定义频率阈值来检测暂时断开50的存在。因此，当电源开关40的开关频率下降到低于预定义频率阈值(这是由暂时断开50的存在导致的)时，控制器20停止obc 12的操作。
46.控制器20可以根据牵引电池14的电压水平和/或obc 12和/或dc/dc功率转换器36的环境的温度来改变预定义频率阈值。
47.现在参考图4，并继续参考图2和图3，示出了曲线图60，曲线图60具有依据实验结果的、与obc 12的操作相关联的、根据dc/dc功率转换器36的电源开关40的开关频率与时间的关系的曲线。在本发明的实施例中，参考图2、图3和图4，控制器20的快速控制回路测量obc 12的输出电流和电源开关40的开关频率。随后，在操作中，发生暂时断开事件。这种暂时断开50引起电压瞬变，在图4中由标记为参考线62的“电压降”指示。随着这种暂时断开异常地发展，电源开关40的开关频率降低。例如，dc/dc功率转换器的控制系统降低电源开关40的开关频率。控制器20能够识别电源开关40的降低的开关频率，并且当开关频率降低到低于预定义开关频率阈值时，停止obc 12的充电操作，在图4中由标记为参考线64的“obc停止”指示。
48.在obc 12的充电操作已经停止之后，随后发生与暂时断开50相关联的重新连接异常事件，在图4中由标记为参考线66的“损坏事件”指示。电压网络22的电压由于重新连接事件而恢复，其中obc 12与重新连接事件隔离，这是由于在重新连接事件之前obc 12的充电操作被停止，这在图4中由标记为参考线68的“电压恢复，obc隔离于异常”指示。
49.如上所述，频率阈值随牵引电池14的电压水平和obc 12的环境温度而变化。在这方面，控制器20与对应的测量设备相关联，例如用于监测牵引电池14的电压水平的电压传感器和用于监测obc 12的环境温度的温度传感器。
50.图5示出了曲线图70，曲线图70具有针对obc 12的环境的不同温度的预定义开关频率阈值的不同曲线72a、72b、72c、72d、72e、和72f，描绘了它们根据电源开关40的开关频率与牵引电池14的电压水平的关系的变化。如图5所指示的，预定义开关频率阈值与牵引电池14的电压水平的关系的曲线72a、72b、72c、72d、72e、和72f是在不同(温度)场景下测量的obc工作点。
51.根据本发明的其他实施例，曲线图70还包括替代的预定义开关频率阈值的曲线73，该曲线73描绘了其根据电源开关40的开关频率与牵引电池14的电压水平的关系的变化。开关频率阈值73的存在取决于输入ac标称电压大于预定义电压阈值，如图5所指示的140vac。开关频率阈值73的存在还可取决于dc链路电容器34被调节至期望的dc电压水平，例如，如图5所指示的400vdc。
52.根据本发明的其他实施例，现在参考图6，示出了具有替代的第二预定义开关频率阈值的曲线82的曲线图80，该曲线82描述了其根据电源开关40的开关频率与牵引电池14的
电压水平的关系的变化。开关频率阈值82的存在取决于输入ac标称电压小于预定义电压阈值，例如140vac。
53.曲线图80还包括dc链路电容器34的电压变化的曲线84。当输入ac标称电压小于预定义电压阈值时，控制器20的操作包括使dc链路电容器34的电压适配输入ac电源电压。这导致在牵引电池14的大部分电压变化范围期间开关频率阈值82的恒定阈值，如曲线图80所描绘的。在操作中，控制器20周期性地(例如大约两秒)采样牵引电池14的电压。控制器20对样本组(例如每四个样本)进行平均以计算阈值，从而进行选择并在异常检测算法中使用。(注意，与典型的电气系统一样，操作可具有启动过程，其中控制器20进行的牵引电池电压测量以不同的方式进行(以避免混淆指示)，直到达到操作稳定性(或确保快速收敛到操作稳定性)
54.如所述，本发明的实施例的简要描述包括通过检测dc/dc功率转换器36的电源开关40的开关频率下降到低于预定义阈值来检测电压网络22中的暂时断开50，并且作为响应，关断obc 12的充电操作。预定义阈值随牵引电池14的电压和obc 12的环境温度而变化。开关频率由例如充当dc/dc主控制系统的控制器20监测。由于obc 12的充电操作的关断在与暂时断开50相关联的重新连接事件之前足够快地发生，因此电压感测回路不实用(太慢或相对太贵而无法升级)。
55.本发明的实施例解决的问题是避免在未关断obc 12的充电操作时发生暂时重新连接事件。当obc 12的充电操作未关断时发生的暂时重新连接事件导致电源开关40在不期望的操作条件下工作。这意味着可能最终损坏电源开关40中的一个或更多个的过应力。本发明的实施例提供的解决方案可以以对控制器20的软件更新来体现。
56.尽管上文描述了示例性的实施例，但并不意图这些实施例描述本发明的所有可能的形式。更确切地，在说明书中所使用的词是描述而非限制的词，并且应理解，可以做出多种变化而不偏离本发明的精神和范围。另外，多种实现的实施例的特征可以被组合以形成本发明的另外的实施例。

技术特征：
1.一种车载电池充电器(obc)，包括：转换器，其具有能够经由电压网络连接到电池的输出端口，所述转换器能够操作用于将输入功率转换为输出功率以及用于将所述输出端口处的所述输出功率输出到所述电压网络上以对所述电池充电；和控制器，其能够操作用于在检测到所述电压网络中的暂时断开时控制所述转换器以停止将所述输入功率转换为所述输出功率。2.根据权利要求1所述的obc，其中：在控制所述转换器以停止将所述输入功率转换为所述输出功率时，所述控制器使所述转换器的操作在所述电压网络中的对应的重新连接之前停止。3.根据权利要求1所述的obc，其中：所述转换器包括电源开关，所述电源开关能够操作用于以开关频率切换，以便所述转换器将所述输入功率转换为所述输出功率，其中所述开关频率响应于由于所述电压网络中的所述暂时断开而在所述电源开关处传递的电压瞬变而降低；和所述控制器在检测到所述开关频率降低到低于预定义阈值时检测所述暂时断开。4.根据权利要求3所述的obc，其中：所述控制器根据所述电池的电压水平和/或所述转换器的环境温度来改变所述预定义阈值。5.根据权利要求3所述的obc，其中：所述控制器根据所述输入功率改变所述预定义阈值。6.根据权利要求3所述的obc，其中：当所述输入功率小于预定义功率阈值时，所述控制器还根据所述输出功率改变所述预定义阈值。7.根据权利要求1所述的obc，其中：所述obc装载在电动交通工具上，并且所述电池是所述电动交通工具的牵引电池。8.一种用于给电动交通工具的牵引电池充电的系统，包括：电压网络，其连接到所述牵引电池；和车载电池充电器(obc)，其包括dc/dc转换器和控制器，所述dc/dc转换器具有连接到所述电压网络的输出端口，所述dc/dc转换器能够操作用于将输入功率转换为输出功率以及用于将所述输出端口处的所述输出功率输出到所述电压网络上以对所述牵引电池充电，所述控制器能够操作用于在检测到所述电压网络中的暂时断开时，控制所述dc/dc转换器以停止将所述输入功率转换为所述输出功率。9.根据权利要求8所述的系统，其中：在控制所述dc/dc转换器以停止将所述输入功率转换为所述输出功率时，所述控制器使所述dc/dc转换器的操作在所述电压网络中的对应的重新连接之前停止。10.根据权利要求8所述的系统，其中：所述dc/dc转换器包括多个电源开关，所述电源开关能够操作用于以开关频率切换，以便所述dc/dc转换器将所述输入功率转换为所述输出功率，其中所述开关频率响应于由于所述电压网络中的所述暂时断开而在所述电源开关处传递的电压瞬变而降低；和所述控制器在检测到所述开关频率降低到低于预定义阈值时检测所述暂时断开。
11.根据权利要求10所述的系统，其中：所述控制器根据所述牵引电池的电压水平和/或所述dc/dc转换器的环境温度来改变所述预定义阈值。12.根据权利要求10所述的系统，其中：所述控制器根据所述输入功率来改变所述预定义阈值。13.一种用于操作车载电池充电器(obc)的方法，所述obc包括转换器，所述转换器具有经由电压网络连接到电池的输出端口，所述方法包括：控制所述转换器以将输入功率转换为输出功率以及将所述输出端口处的所述输出功率输出到所述电压网络上，以对所述电池充电；和当检测到所述电压网络中的暂时断开时，控制所述转换器以停止将所述输入功率转换为所述输出功率。14.根据权利要求13所述的方法，其中：控制所述转换器以停止将所述输入功率转换为所述输出功率包括使所述转换器的操作在所述电压网络中的对应的重新连接之前停止。15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述转换器包括电源开关，所述电源开关能够操作用于以开关频率切换，以便所述转换器将所述输入功率转换为所述输出功率，其中所述开关频率响应于由于所述电压网络中的所述暂时断开而在所述电源开关处传递的电压瞬变而降低，所述方法还包括：监测所述电源开关的所述开关频率；和其中，检测所述暂时断开包括在检测到所述开关频率降低到低于预定义阈值时检测所述暂时断开。16.根据权利要求15所述的方法，还包括：根据所述电池的电压水平改变所述预定义阈值。17.根据权利要求15所述的方法，还包括：根据所述转换器的环境温度来改变所述预定义阈值。18.根据权利要求13所述的方法，还包括：根据所述输入功率改变所述预定义阈值。19.根据权利要求18所述的方法，还包括：当所述输入功率小于预定义功率阈值时，根据所述输出功率改变所述预定义阈值。20.根据权利要求13所述的方法，其中：所述obc装载在电动交通工具上，并且所述电池是所述电动交通工具的牵引电池。

技术总结
本申请涉及针对高压网络暂时断开保护车载电池充电器的方法和系统。车载电池充电器(OBC)包括转换器(例如，DC/DC转换器)和控制器。转换器的输出端口可经由电压网络(例如，电动交通工具(EV)的高压(HV)网络)连接到电池(例如，EV的牵引电池)。转换器将输入功率转换为输出功率以及将输出功率输出到电压网络上，用于对电池充电。控制器在检测到电压网络中的暂时断开时，控制转换器以停止将输入功率转换为输出功率。在停止转换器时，控制器使转换器在电压网络中对应的重新连接之前停止。控制器可以在检测到转换器的电源开关的开关频率降低到低于预定义阈值时检测暂时断开，这是因为开关频率由于暂时断开的影响而降低。开关频率由于暂时断开的影响而降低。开关频率由于暂时断开的影响而降低。


技术研发人员：阿德里亚
受保护的技术使用者：李尔公司
技术研发日：2022.11.11
技术公布日：2023/8/1