СПОСОБ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РЕВЕРСИВНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Изобретение относится к технической области управления силовыми установками с электрической машиной и, в частности, касается управления преобразователями постоянного напряжения в постоянное таких силовых установок.

Конструкторы автомобилей постоянно находятся в поиске технологических решений, которые позволили бы снизить выбросы диоксида углерода.

Учитывая реальные технологические разработки, можно сказать, что продолжение снижения выбросов диоксида углерода состоит в электрификации силовых установок.

Использование недорогих гибридных систем, называемых SED (сокращение от английского выражения “Small Electric Device” или «малые электрические устройства»), полностью вписывается в эту стратегию. Эта технология представлена на фиг. 1, где показан двигатель 2 внутреннего сгорания и электрическая машина 3, электрически соединенная с инвертором 4 (“inverter” на английском языке). С одной стороны, инвертор 4 соединен с массой и, с другой стороны с преобразователем 5 постоянного напряжения в постоянное («Direct Current Converter” на английском языке). Такой преобразователь может преобразовывать напряжение 48В в напряжение 14В и наоборот. Преобразователь 5 постоянного напряжения в постоянное тоже соединен с массой. Параллельно с подключением к преобразователю 5 постоянного напряжения в постоянное инвертор 4 соединен с высоковольтной батареей 6. Такая высоковольтная батарея 6 электрически эквивалентна последовательно соединенным двухслойному конденсатору 6а и внутреннему резистору 6b. Высоковольтная батарея может быть литиевой батареей емкостью в 150 Вт.ч.

Выход внутреннего резистора 6b соединен с выходом преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное, с входом низковольтной батареи 7 и с входом вспомогательных устройств 8, соединенных также с массой. Низковольтная батарея 7 электрически эквивалентна последовательно соединенным конденсатору 7а на основе оксида титаната лития и внутреннему резистору 7b, причем внутренней резистор 7b соединен с массой. Низковольтная батарея может быть батареей на 14В.

Электрическая машина 3 и инвертор 4 заменяют генератор переменного тока, обычно применяемый в автотранспортных средствах. Такая электротехническая система, связанная с двигателем 2 внутреннего сгорания, обеспечивает питание бортовой сети напряжением 14В, повторный запуск, называемый “stop/start” (необходимо отметить, что первый запуск всегда производится при помощи обычного стартера), энергетическую оптимизацию за счет распределения крутящего момента между двумя приводными органами, рекуперацию и накапливание энергии при снятии ноги водителя с педали и при торможении, а также лучшую приемистость.

Чтобы обеспечивать лучшее использование энергии для регулирования напряжения сети низкого напряжения в одном направлении или напряжения на клеммах инвертора в другом направлении применяют классический реверсивный преобразователь 5 постоянного напряжения в постоянное, находящийся между двумя батареями 6, 7, и инвертор 4.

В целом предложенный настоящим изобретением способ управления обеспечивает регулирование по напряжению реверсивного преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное. Иначе говоря, все время регулируют мощность преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное. Вместе с тем, если возникает необходимость в подзарядке низковольтной батареи 7, регулировать следует выходное напряжение преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное через заданное значение напряжения . В другом случае, если необходимо питать электрическую машину через разрядку высоковольтной батареи 6, регулирование будет касаться напряжения на входе преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное через заданное значение напряжения .

Основной трудностью этого регулирования является то, что система управления мощностью LGE транспортного средства передает первое контрольное заданное значение мощности в одном направлении (случай зарядки батареи) и второе контрольное заданное значение мощности в другом направлении (случай разрядки батареи). Учитывая, что преобразователь 5 постоянного напряжения в постоянное регулируется по напряжению, заданное значение напряжения, передаваемое в преобразователь 5 постоянного напряжения в постоянное, является ничем иным, как мощностью, поделенной на выходной ток преобразователя в одном случае или на входной ток преобразователя в другом случае. Вместе с тем, когда выходной ток преобразователя или входной ток преобразователя стремится к нулю, появляется сингулярность, которую необходимо учитывать при управлении.

Из фиг. 1 выводят следующую систему уравнений:

(Уравнение 1)

где:

μ является КПД преобразователя постоянного напряжения в постоянное;

: напряжение низковольтной батареи в пределах от = 11В до = 18В;

: напряжение высоковольтной батареи;

является напряжением на клеммах инвертора, изменяющееся от = 26В до =60В;

I_onduleur : ток, выдаваемый инвертором и считающийся экзогенным входом (возмущением);

: ток, проходящий через высоковольтную батарею;

: ток на входе преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное;

: ток на выходе преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное;

: ток проходящий через низковольтную батарею;

: напряжение при разомкнутой цепи (open circuit voltage) низковольтной батареи;

: напряжение при разомкнутой цепи (open circuit voltage) высоковольтной батареи;

: электрическое сопротивление низковольтной батареи;

: электрическое сопротивление высоковольтной батареи;

: ток, необходимый для вспомогательных устройств, который тоже считается экзогенным входом (возмущением).

Из документа WO2009-074604 известна стратегия управления преобразователем постоянного напряжения в постоянное не по напряжению, а по току. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, регулируемый по напряжению, является менее дорогим, чем преобразователь постоянного напряжения в постоянное, регулируемый по току. С другой стороны, в преобразователе постоянного напряжения в постоянное, регулируемом по напряжению, появляется сингулярность, когда ток преобразователя постоянного напряжения в постоянное стремится к нулю, что затрудняет его управление.

Существует потребность в способе управления по напряжению преобразователем постоянного напряжения в постоянное, который может осуществлять функции запуска “stop&start”, улучшения приемистости, рекуперации энергии и поддержания напряжения на клеммах вспомогательных устройств.

Другой проблемой при регулировании такой системы является поддержание мощности на выходе преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное в случае разрядки батареи и поддержание мощности на входе преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное в случае зарядки батареи, несмотря на потребности в токе для вспомогательных устройств и для инвертора I_onduleur, чтобы учитывать сингулярность, когда токи на входе и на выходе преобразователя стремятся к нулю.

Объектом изобретения является способ управления реверсивного преобразователем постоянного напряжения в постоянное автотранспортного средства, снабженного силовой установкой, содержащей двигатель внутреннего сгорания, механически соединенный с электрической машиной, получающей питание от инвертора, при этом инвертор электрически соединен по меньшей мере с одной батареей через реверсивный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, при этом преобразователь постоянного напряжения в постоянное соединен также с вспомогательными устройствами. Указанная по меньшей мере одна батарея является, например, высоковольтной батареей (48В), состоящей из двух последовательно соединенных батарей, одну из которых используют как низковольтную батарею (14В). Способ содержит следующие этапы:

определяют отклонение между заданным значением и оценочным значением мощности на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, и

определяют заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное в зависимости от определенного отклонения и от допустимого значения таким образом, чтобы заданное значение напряжения можно было определить, когда ток, проходящий на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, является нулевым. Это допустимое значение соответствует максимальному отклонению, которое можно допустить по отношению к заданному значению мощности преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

Если заданное значение мощности является положительным или нулевым таким образом, что заряжается по меньшей мере одна батарея, можно оценить мощность на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное как произведение выходного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянное на напряжение на клеммах низковольтной батареи, можно определить, что минимальное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное равно минимальному напряжению на клеммах низковольтной батареи и что максимальное значение на клеммах преобразователя (5) постоянного напряжения в постоянное равно максимальному напряжению на клеммах низковольтной батареи, и

если заданное значение мощности является отрицательным таким образом, что происходит питание инвертора, можно оценить мощность на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное как произведение тока на входе преобразователя постоянного напряжения в постоянное на напряжение на клеммах инвертора, можно определить, что минимальное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное равно минимальному напряжению на клеммах инвертора и что максимальное значение на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное равно максимальному напряжению на клеммах инвертора.

Можно определить, превышает ли оценочное отклонение допустимое значение, и если это так, можно определить, что заданное значение на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное равно минимальному значению напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное,

если это не так, определяют, является ли оценочное отклонение меньше противоположного предела допустимого значения, и если это так, можно определить, что заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное равно максимальному значению напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное,

если абсолютное значение оценочного отклонения меньше или равно допустимому значению, можно определить, что заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное равно линейной комбинации минимального значения и максимального значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, взвешенных по оценочному отклонению и по допустимому значению, при этом определенное таким образом заданное значение напряжения меняется между минимальным значением и максимальным значением напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное в зависимости от значения оценочного отклонения относительно допустимого значения.

Можно определить первый коэффициент в зависимости от оценочного отклонения и от допустимого значения, можно определить второй коэффициент в зависимости от заданного значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, а также от минимального значения и от максимального значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, можно определить поправочный коэффициент в результате временного интегрирования произведения первого коэффициента, второго коэффициента и оценочного отклонения и можно прибавить поправочный коэффициент к заданному значению напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

Можно определить, является ли абсолютное значение оценочного отклонения меньшим или равным допустимому значению, и, если это так, можно определить, что первый коэффициент равен сохраненному в памяти контрольному значению, и если это не так, можно определить, что первый коэффициент равен нулю.

Можно определить, является ли заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное большим или равным максимальному значению напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, и если это так, можно определить, что второй коэффициент равен нулю. Если это не так, можно определить, является ли заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное меньшим или равным минимальному значению напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, является ли заданное значение большим минимального значения и меньшим максимального значения, и если это не так, можно определить, что второй коэффициент равен единице.

Можно насытить заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное таким образом, чтобы оно находилось в пределах от минимального значения до максимального значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, при этом заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное получают в результате этапа определения заданного значения или этапа коррекции заданного значения.

Другим объектом изобретения является система управления реверсивным преобразователем постоянного напряжения в постоянное автотранспортного средства, снабженного силовой установкой, содержащей двигатель внутреннего сгорания, механически соединенный с электрической машиной, получающей питание от инвертора, при этом инвертор электрически соединен по меньшей мере с одной батареей через реверсивный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, при этом преобразователь постоянного напряжения в постоянное соединен также с вспомогательными устройствами. Система содержит средство определения знака заданного значения мощности на уровне преобразователя постоянного напряжения в постоянное, средство оценки мощности на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное в зависимости от знака заданного значения мощности, от тока на выходе преобразователя постоянного напряжения в постоянное, от напряжения низковольтной батареи, от входного тока преобразователя постоянного напряжения в постоянное и от напряжения на клеммах инвертора, при этом средство оценки выполнено также с возможностью определения максимального значения и минимального значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное в зависимости от знака заданного значения мощности и от максимальных и минимальных значений направления низковольтной батареи, а также напряжения на клеммах инвертора, вычитающую схему, выполненную с возможностью определения отклонения между оценочным значением мощности преобразователя постоянного напряжения в постоянное и заданным значением мощности на уровне преобразователя постоянного напряжения в постоянное, и средство определения заданного значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, получающее на входе значение отклонения, допустимое значение и максимальные и минимальные значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

Система может содержать средство определения первого коэффициента в зависимости от отклонения и от допустимого значения и средство определения второго коэффициента в зависимости от заданного значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное и от максимального и минимального значений напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, множительную схему, выполненную с возможностью получения произведения первого коэффициента на второй коэффициент и на отклонение, интегрирующую схему, выполненную с возможностью определения поправочного коэффициента посредством интегрирования полученного таким образом произведения относительно времени, суммирующую схему, выполненную с возможностью определения скорректированного заданного значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное посредством сложения поправочного коэффициента с заданным значением напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, при этом скорректированное заданное значение применяют вместо заданного значения на входе средства определения второго коэффициента.

Система может также содержать средство насыщения, выполненное с возможностью ограничения заданного значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное или скорректированного заданного значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное значениями, находящимися в пределах между максимальным значением и минимальным значением напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, при этом ограниченное заданное значение затем передают в средство управления преобразователем постоянного напряжения в постоянное.

Другие задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 - основные элементы силовой установки, электрифицированной при помощи системы SED;

фиг. 2 - основные этапы способа управления преобразователем постоянного напряжения в постоянное такой силовой установки;

фиг. 3 - основные этапы способа управления преобразователем постоянного напряжения в постоянное такой силовой установки, снабженной контуром коррекции;

фиг. 4 - основные элементы системы управления преобразователем постоянного напряжения в постоянное такой силовой установки, снабженной контуром коррекции.

Как было указано выше во вступительной части, обнуление входного и выходного токов преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное приводит к появлению сингулярности, которую необходимо учитывать при его управлении.

Предложенное решение основано на надежной стратегии, которая исключает экзогенные входы и I_onduleur и учитывает тот факт, что и могут обнуляться. Такое решение применяют в рамках способа управления, представленного на фиг. 2, который содержит следующие этапы.

На первом этапе 10 проверяют, является ли заданное значение мощности (определяемое системой LGE управления мощностью транспортного средства) на уровне преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное положительным или отрицательным. Если оно является положительным или нулевым, способ продолжается этапом 11. Если оно является отрицательным, способ продолжается этапом 12.

Этап 11 соответствует случаю зарядки батарей. В ходе этого этапа определяют оценочное значение мощности на клеммах преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное посредством получения произведения тока на выходе преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное на напряжение низковольтной батареи. Определяют также, что минимальное значение напряжения преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное равно минимальному значению напряжения низковольтной батареи. Определяют также, что максимальное значение напряжения преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное равно максимальному значению низковольтной батареи.

Этап 12 соответствует случаю разрядки батарей. В ходе этого этапа определяют оценочное значение мощности на входе преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное посредством получения произведения тока на входе преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное на напряжение на клеммах инвертора 4. Определяют также, что минимальное значение напряжения преобразователя постоянного напряжения в постоянное равно минимальному значению напряжения на клеммах инвертора. Определяют также, что максимальное значение напряжения преобразователя постоянного напряжения в постоянное равно максимальному значению напряжения на клеммах инвертора.

В ходе четвертого этапа 13 определяют отклонение σ между оценочным значением мощности на входе преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное и заданным значением мощности на уровне преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное.

Во время этапа 14 определяют, превышает ли отклонение σ допустимое значение ε (чем больше это значение, тем больше сглажен командный сигнал). Если это так, определяют, что заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное равно минимальному значению напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное. Если это так, определяют, является ли отклонение σ меньшим противоположного предела допустимого значения ε. Если это так, определяют, что заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное равно максимальному значению напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное. Если абсолютное значение отклонения σ меньше или равно допустимому значению ε, определяют заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное при помощи следующего уравнения:

(Уравнение 2)

ε является допустимым значением по отношению к отклонению между заданным значением мощности преобразователя и измеренной мощностью, которую он выдает, выраженной в ваттах. В этом варианте выполнения изобретения это допустимое значение составляет примерно 200 Вт.

На этапе 15 определяют, находится ли заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное в пределах между минимальным значением и максимальным значением напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

Если это не так, насыщают заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, после чего на выходе выдают ограниченное заданное напряжения , подаваемое на преобразователь постоянного напряжения в постоянное.

Кроме того, можно улучшить согласование управления таким образом, чтобы исключить статическую погрешность, добавив цикл коррекции между определением заданного значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное на этапе 14 и насыщением на этапе 15. На фиг. 3 представлен способ, содержащий такой цикл. Этапы, общие с описанным выше способом, имеют такие же обозначения, и их повторное описание опускается для упрощения описания.

Для осуществления цикла коррекции к способу управления добавляют следующие этапы.

Во время этапа 16 определяют, является ли абсолютное значение отклонения σ меньшим или равным допустимому значению ε. Если это так, определяют, что значение первого коэффициента K_i равно заданному значению , определенному эмпирическим путем. Если это не так, определяют, что значение коэффициента K_i равно нулю.

На этапе 17 определяют, является ли заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное большим или равным максимальному значению напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное или является ли заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное меньшим или равным минимальному значению напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное. Если это так, определяют, что второй коэффициент G равен 0. Если это не так, второй коэффициент G равен 1.

На этапе 18 получают произведение коэффициента G на коэффициент K_i и на отклонение σ.

На этапе 19 определяют поправочный коэффициент δ посредством интегрирования произведения G.K_i.σ по отношению к времени.

Выявилось, что первый коэффициент K_i позволяет определить, находится ли отклонение σ в требуемом интервале значений от -ε до +ε. Если это не так, интегрирование прерывают, аннулируя интегрируемый член.

Точно так же, второй коэффициент G позволяет обнаружить насыщение заданного значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, и, если оно обнаруживается, интегрирование прерывают, аннулируя интегрируемый член.

На этапе 20 поправочный коэффициент δ складывают с заданным значением напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, чтобы получить скорректированное заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное. В этом случае скорректированное заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное применяют вместо заданного значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное для этапа 15 насыщения и для этапа 17 определения второго коэффициента G.

На фиг. 4 представлена система управления преобразователем постоянного напряжения в постоянное, описанным со ссылками на фиг. 1. Система управления содержит средство 21 определения знака заданного значения мощности на уровне преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное, соединенное на выходе со средством 22 оценки мощности на клеммах преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное в зависимости от знака заданного значения мощности, от тока на выходе преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное, от напряжения низковольтной батареи, от входного тока преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное и от напряжения на клеммах инвертора 4. Средство 22 оценки выполнено также с возможностью определения максимального значения и минимального значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное в зависимости от знака заданного значения мощности и от максимальных и минимальных значений напряжения низковольтной батареи, а также напряжения на клеммах инвертора 4.

Вычитающая схема 23 определяет отклонение σ в зависимости от оценочного значения мощности на входе преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное и от заданного значения мощности на уровне преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное.

Система содержит средство 24 определения заданного значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, получающее на входе значение отклонения σ, допустимое значение ε и максимальные и минимальные значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

Затем заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное передают в средство 25 насыщения, которое ограничивает заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное значениями, находящимися в пределах между максимальным значением и минимальным значением напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное. После этого ограниченное заданное значение поступает в средство управления преобразователем постоянного напряжения в постоянное.

Согласно другому варианту выполнения, описанная выше система управления снабжена контуром коррекции, выполненным с возможностью улучшения согласования управления.

Система управления содержит в этом случае средство 26 определения первого коэффициента в зависимости от отклонения σ и от допустимого значения ε и средство 27 определения второго коэффициента в зависимости от заданного значения напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное и от максимального и минимального значений напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

Множительная схема 28 получает произведение первого коэффициента на второй коэффициент на отклонение ε.

Интегрирующая схема 29 определяет поправочный коэффициент δ посредством интегрирования полученного таким образом произведения относительно времени.

Суммирующая схема 30 определяет скорректированное заданное значение напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное, прибавляя поправочный коэффициент δ к заданному значению напряжения на клеммах преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

После этого скорректированное заданное значение применяют вместо заданного значения на входе средства 25 насыщения и средства 27 определения второго коэффициента.

Описанные выше способ и система позволяют преодолеть проблему погрешностей, связанных с неизвестностью динамики и амплитуды входных сигналов I_onduleur и I_aux. Способ позволяет также поддерживать мощность преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное в значении контрольной мощности, исключая при этом возмущения, связанные с токами I_onduleur и I_aux. Кроме того, способ позволяет вычислять заданное напряжение преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное, когда ток на его клеммах стремится к нулю.