用于车辆的控制设备、系统、方法、存储介质及车辆与流程

1.本发明涉及车辆控制领域，具体涉及用于车辆的控制设备、控制系统、控制方法、计算机可读存储介质以及车辆。


背景技术：

2.目前市场上主流的电动汽车高压系统平台一般为400v，相应地，市场上主流充电设施(例如，充电桩)的电压等级也大多设置为400v。然而，随着电动汽车领域的不断发展，更高电压系统平台愈来愈收到关注和青睐。
3.对于配置有更高电压等级系统平台的电动汽车，如何利用现有的400v充电设施对其进行充电是亟待解决的问题。一种解决方案是为这些电动汽车配置专门的dc-dc升压变换器。但是额外配置的dc-dc变换器体积大、价格高、重量大，不利于整车的布置、轻量化，增加了整车的成本。


技术实现要素：

4.根据本发明的一方面，提供一种用于车辆的控制设备。所述车辆包括电池、功率变换设备和三相电机，所述车辆具有充电模式和驱动模式，所述功率变换设备在所述驱动模式下将从所述电池接收的直流功率变换为交流功率并输出至所述三相电机。所述控制设备包括第一控制装置，其配置成在所述充电模式下至少基于所述三相电机的转子角而发出第一控制信号。其中，所述第一控制信号指示输入相，使得充电功率经由所述输入相输入至所述三相电机，并经由所述三相电机的其余两相输出至所述功率变换设备的相应两相。并且其中，所述充电功率在经由所述功率变换设备的变换后输出至所述电池。所述控制设备还包括第二控制装置，其配置成在所述充电模式下至少基于所述转子角和充电需求而发出第二控制信号。其中，所述第二控制信号指示所述功率变换设备的开关器件的闭合/断开，使得所述三相电机的电磁转矩为零。
5.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制设备中，所述充电功率具有第一电压等级，所述电池具有第二电压等级，并且，所述第一电压等级不同于所述第二电压等级。
6.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制设备中，所述第二控制信号指示与所述闭合相对应的开关器件保持断开状态。
7.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制设备中，所述第二控制装置还配置成基于所述转子角而确定定子电流矢量角。
8.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制设备中，所述充电需求至少包括充电所需的定子电流参考值。
9.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制设备中，所述第二控制信号指示所述功率变换设备的开关器件的闭合/断开，使得定子q轴电流为零。
10.根据本发明的另一方面，提供一种用于车辆的控制系统，其包括：前述任一种用于
车辆的控制设备；以及切换设备，其连接在所述充电电源与所述三相电机之间。所述切换设备配置成：接收所述第一控制信号，以及；基于所述第一控制信号使得所述充电电源与所述三相电机的所述闭合相接通，并使得所述充电电源与所述三相电机的所述其余两相断开。
11.根据本发明的另一方面，提供一种用于车辆的控制方法。所述车辆包括电池、功率变换设备和三相电机，所述车辆具有充电模式和驱动模式，所述功率变换设备在所述驱动模式下将从所述电池接收的直流功率变换为交流功率并输出至所述三相电机。所述控制方法包括在所述充电模式下：至少基于所述三相电机的转子角而发出第一控制信号，其中，所述第一控制信号指示输入相，使得充电功率经由所述输入相输入至所述三相电机，并经由所述三相电机的其余两相输出至所述功率变换设备的相应两相，并且其中，所述充电功率在经由所述功率变换设备的变换后输出至所述电池；以及至少基于所述转子角和充电需求而发出第二控制信号，其中，所述第二控制信号指示所述功率变换设备的开关器件的闭合/断开，使得所述三相电机的电磁转矩为零。
12.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制方法中，所述充电功率具有第一电压等级，所述电池具有第二电压等级，并且，所述第一电压等级不同于所述第二电压等级。
13.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制方法中，所述第二控制信号指示与所述闭合相对应的开关器件保持断开状态。
14.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制方法中，还包括：基于所述转子角而确定定子电流矢量角；以及至少基于所述定子电流矢量角和充电需求而发出第二控制信号。
15.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制方法中，所述充电需求至少包括充电所需的定子电流参考值。
16.作为上述方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的控制方法中，所述第二控制信号指示所述功率变换设备的开关器件的闭合/断开，使得定子q轴电流为零。
17.根据本发明的另一方面，提供一种用于车辆的控制设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现前述用于车辆的控制方法。
18.根据本发明的另一方面，提供一种其上存储有计算机程序的计算机可读存储介质。所述计算机程序被处理器执行时实现前述用于车辆的控制方法。
19.根据本发明的又一方面，提供一种车辆，其具备上述任一种用于车辆的控制设备。
20.本发明提出的用于车辆的控制方案，通过对切换设备和功率变换设备中开关器件的控制来复用驱动系统中的功率变换设备、电机电感，从而在不增加额外功率变换设备和电感的情况下，将充电功率转化为电池所需的功率形式。该方案硬件成本低、体积小、充电效率以及安全性能高，使得车辆能够灵活使用现有的充电设施，而不受现有充电设施电压等级等功率形式的限制。
附图说明
21.从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完整清楚。
22.图1示出根据本发明的一个实施例的用于车辆1000的控制设备100的框图。
23.图2示出根据本发明的一个实施例的一种切换设备的示意图。
24.图3示出根据本发明的一个实施例的另一种切换设备的示意图。
25.图4示出根据本发明的一个实施例的用于车辆的控制策略的示意图。
26.图5示出根据本发明的一个实施例的用于车辆的控制方法5000的流程图。
27.图6示出根据本发明的一个实施例的用于车辆的控制设备6000的框图。
具体实施方式
28.需要说明的是，本文中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述对象在时间、空间、大小等方面的顺序。此外，除非另外特别指明，本文中的术语“包括”、“具备”以及类似表述意在表示不排他的包含。并且，本文中的术语“车辆”或者其它类似的术语意在表示具有至少由电池、功率变换设备以及驱动电机组成的驱动系统的任何适当的车辆，例如，混合动力汽车、电动车、插电式混动电动车等等。混动动力汽车是一种具有两个或更多个功率源的车辆，例如汽油动力和电动车辆。
29.在下文中，将参考附图详细地描述根据本发明的各示例性实施例。
30.图1示出根据本发明的一个实施例的用于车辆1000的控制设备100。车辆1000具有充电模式和驱动模式。车辆1000的驱动系统包括电池200、功率变换设备300以及三相电机400。在驱动模式下，功率变换设备300以逆变器的方式工作，具体而言，将从电池200接收的直流功率变换为交流功率并输出至三相电机400。
31.如图1所示，车辆1000还包括控制设备100，以用于充电模式。控制设备100进一步包括第一控制装置110和第二控制装置120。
32.其中，第一控制装置110配置成在充电模式下至少基于三相电机400的转子角而发出第一控制信号。第一控制信号指示输入相，使得充电功率经由所指示的输入相输入至三相电机400，并经由三相电机400的其余两相输出至功率变换设备300的相应两相。充电功率在经由功率变换设备300的变换后进一步输出至电池200，从而为电池200进行充电。
33.在本发明的上下文中，“充电功率”意在表示来自充电设施(诸如，充电桩、充电站等)的用于为车辆进行充电的输入功率。
34.在图1所示的实施例中，来自充电设施的充电功率具有400v的电压等级，而电池的额定电压等级为800v。控制设备100将车辆驱动系统中的功率变换设备300在充电模式下复用为boost升压变换器。boost升压变换器将充电电压变换为电池所需的电压等级，使得现有的充电设施能够更加灵活地为更高电压等级的车辆进行充电，而无需增加额外功率变换设备。需要注意的是，在本发明的上下文中，充电功率和电池所需的功率形式不限于示例的形式，而可以是充电功率与电池所需功率形式不匹配的任何情况，即，功率变换设备可以在充电模式下复用为任何适当类型的变换器。例如，充电功率的电压等级可以低于电池额定电压等级，如图1中所示的实施例，将功率变换设备复用为boost升压变换器；充电功率的电压等级也可以高于电池额定电压等级，相应地，功率变换设备复用为buck降压变换器。
35.其中，第二控制装置120配置成在充电模式下至少基于三相电机400的转子角和电池200的充电需求而发出第二控制信号。第二控制信号指示功率变换设备300的开关器件的闭合/断开，使得三相电机400的电磁转矩(即，偏置转矩)为零。
36.容易理解的是，在本发明的上下文中，“电磁转矩为零”意在表示电磁转矩大致为零。实际工况中，电磁转矩可能会有一定波动，但只要其在误差范围内处于零值的附近，都属于本发明所指的“电磁转矩为零”。
37.由此，控制设备还能够通过对驱动系统中三相电机电感的复用，在不增加额外电感的情况下降低充电时的电流纹波，提高充电效率。进一步，控制设备通过对输入相和开关器件的上述控制，使得三相电机在车辆充电时不会产生偏置转矩，避免了偏置转矩对车辆可能造成的潜在安全风险。
38.尽管图1中未示出，车辆1000还可包括切换设备500。切换设备500连接在提供充电功率的充电电源与三相电机400之间。切换设备500配置成从第一控制装置110接收第一控制信号，并且基于所接收到的第一控制信号使得充电电源与三相电机400的闭合相接通，而使得充电电源与三相电机400的其余两相断开。控制设备100和切换设备500可一起构成用于车辆1000的控制系统。该控制系统通过复用车辆1000的驱动系统使得能够利用与电池200在电压等级或其他参数上不同的充电功率为电池200进行充电，同时保证电机400不产生偏置转矩。
39.图2示出了切换设备的一种示例。其中，切换设备包括三个继电器开关s1、s2和s3，它们分别连接在充电电源与电机三相(u相、v相和w相)的输入端口之间。切换设备基于接收到的第一控制信号所指示的输入相，将该输入相对应的继电器开关闭合，并将其余两相对应的继电器开关断开。例如，当第一控制信号指示输入相为u相时，与u相对应的继电器开关s1闭合，并且与v相和w相对应的继电器开关s2和s3断开。
40.图3示出了切换设备的另一种示例。其中，切换设备包括一个单刀三掷继电器开关，电机三相输入端口分别连接至该单刀三掷继电器开关的三个动端s1、s2和s3，并且该单刀三掷继电器开关的不动端连接至充电电源。类似地，该切换设备基于接收到的第一控制信号所指示的输入相，将充电电源与该输入相对应的动端接通，而将另外两相对应的动端与充电电源断开。例如，当第一控制信号指示输入相为u相时，切换设备将充电电源与u相对应的动端s1接通，而将充电电源与v相和w相对应的动端s2和s3断开。
41.对于图2所示的实施例，控制设备可以采用图4示出的控制示意图来确定第一控制信号、第二控制信号。
42.具体而言，第一控制装置可以是角度处理模块420的一部分，并且可以配置成按照表1来基于三相电机的转子角θ来确定输入相，从而发出第一控制信号k来控制切换设备，使得在电动机惯例下(即，以电流流入电机中点为正方向)，充电功率总是从输入相流入电机，而从其余两相流出电机至功率变换设备。举例而言，当转子角θ在-30度至30度范围内时，将输入相确定为u相，并将指示这一信息的第一控制信号k发送至切换设备(如上所述，包括三个继电器开关s1、s2和s3)，从而闭合与u相对应的继电器开关s1，断开与其余两相(v相和w相)分别对应的继电器开关s2和s3。此时，iu＞0，iv＜0，iw＜0，也就是说，充电功率从u相流入三相电机，而从v相和w相流出三相电机，进而流入功率变换设备。
43.[0044][0045]
表1转子角与输入相的关系
[0046]
第二控制装置可以包括图4中除了上述第一控制装置(即，角度处理模块420的一部分)之外的其余部分，包括电压调节模块410、角度处理模块420的其余部分、park反变换模块430、以及电流控制模块440。第二控制装置可以配置成基于电池的额定电压u
ref
、三相电机的转子角θ以及各实测参数而生成第二控制信号，即，功率变换设备中各相开关器件的占空比，du、dv和dw。第二控制信号du、dv和dw可以通过指示功率变换设备的开关器件的闭合/断开，来控制功率变换设备中的各相电流，使得定子q轴电流iq为零，从而使得三相电机的偏置转矩(即，电磁转矩t
em
)为零。这是因为，电机的电磁转矩t
em
可以由下式得到。
[0047][0048]
其中，pn为三相电机的极对数，
[0049]
id、iq分别为三相电机的d轴、q轴电流，
[0050]
ld、lq分别为三相电机的d轴、q轴电感，
[0051]
为三相电机的永磁磁通。
[0052]
可见，当q轴电流iq被控制为零时，电机的电磁转矩t
em
恒为零。
[0053]
进一步，为了使得q轴电流iq为零，第二控制装置通过以下方式来发出第二控制信号du、dv和dw。
[0054]
电压调节模块410通过输入的电池的额定电压u
ref
和实测电压u
fbk
而得到并输出到d轴电流参考电压i
dref
。
[0055]
角度处理模块420可配置成依照下表2基于三相电机的转子角θ来确定定子电流矢量角θ'。
[0056]
转子角θ定子电流矢量角θ'-30度～30度θ30度～90度π θ90度～150度θ150度～210度θ-π210度～270度θ270度～330度θ-π
[0057]
表2转子角与定子电流矢量角的关系
[0058]
park反变换模块430将来自电压调节模块410的d轴电流参考电压i
dref
、来自角度处理模块420的定子电流矢量角θ'以及充电所需的i
qref
＝0转化为功率变换设备的三相参考电流i
uref
、i
vref
和i
wref
。在park反变换模块430直接输出的三相参考电流i
uref
、i
vref
和i
wref
的电流方向可能依照的是发电机惯例(即，以电流从电机流入功率变换装置为正方向)，此时，对直接输出的三相参考电流i
uref
、i
vref
和i
wref
取反(即，分别乘以-1)。
[0059]
电流控制模块440利用来自park反变换模块430的三相参考电流i
uref
、i
vref
和i
wref
，来自角度处理模块420的定子电流矢量角θ'以及实测的三相电流值i
ufbk
、i
vfbk
和i
wfbk
来生成第二控制信号du、dv和dw，即功率变换设备各相开关器件的占空比。
[0060]
此外，如图4所示，角度处理模块420基于转子角θ而确定的第一控制信号k(其指示输出相)也可输入至电流控制模块440。相应地，电流控制模块440输出的第二控制信号du、dv和dw指示与第一控制信号指示的输入相对应的上下桥臂开关器件不动作，保持断开状态。例如，当第一控制信号k指示输入相位u相时，电流控制模块440输出的针对u相开关器件的占空比du为零，即，保持u相上下桥臂开关器件处于断开状态。
[0061]
由此，控制设备基于三相电机的转子角、充电需求等输入能够指示各相切换设备的闭合/断开以及功率变换设备各开关器件的闭合/断开，使得复用驱动系统(包括功率变换设备、三相电机等)进行充电时，三相电机的电磁转矩为零。
[0062]
需要注意的是，在本发明的上下文中，“充电需求”意在表示对于充电电压、充电电流等参数的需求，例如，图4中所示的电池额定电压u
ref
、三相电机的定子q轴参考电流i
qref
等。
[0063]
图5示出根据本发明的一个实施例的用于车辆的控制方法5000。其中，车辆包括电池、功率变换设备和三相电机，并且，车辆具有充电模式和驱动模式。功率变换设备在驱动模式下将从电池接收的直流功率变换为交流功率并输出至三相电机。控制方法5000包括在充电模式下进行以下步骤。
[0064]
在步骤s510，至少基于三相电机的转子角而发出第一控制信号。其中，第一控制信号指示输入相，使得充电功率经由输入相输入至三相电机，并经由三相电机的其余两相输出至功率变换设备的相应两相。并且，充电功率在经由功率变换设备的变换后输出至电池。
[0065]
与上文类似地，可以例如依照表1所示的转子角与输入相的关系来发出第一控制信号，使得在电动机惯例下，充电功率总是从输入相流入电机，而从其余两相流出电机至功率变换设备。
[0066]
在步骤s520，至少基于转子角和充电需求而发出第二控制信号。其中，第二控制信号指示功率变换设备的开关器件的闭合/断开，使得三相电机的电磁转矩为零。
[0067]
与上文类似地，可以例如依照表2所示的，转子角与定子电流矢量角的关系来确定定子电流矢量角。此外，可以例如依照图4所示的，基于定子电流矢量角和充电需求而发出第二控制信号，第二控制信号指示功率变换设备的开关器件的闭合/断开，使得定子q轴电流为零，进而使得三相电机的电磁转矩为零。
[0068]
与上文类似地，“充电需求”意在表示对于充电电压、充电电流等参数的需求，例如，图4中所示的电池额定电压u
ref
、三相电机的定子q轴参考电流i
qref
等。
[0069]
在步骤s520中，与上文类似地，第二控制信号可以指示闭合相对应的开关器件保持断开状态，即，占空比为零。
[0070]
由此，用于车辆的控制方法5000在不增加额外功率变换设备或电感的情况下，复用驱动系统中的功率变换设备、电机中的电感来将充电功率转化为电池所需的功率形式并为电池充电。
[0071]
可选地，充电功率具有第一电压等级，电池具有第二电压等级，并且，第一电压等级不同于第二电压等级。与上文类似地，充电功率可能具有400v的电压等级，而电池可能具有800v的电压等级。
[0072]
图6示出根据本发明的一个实施例的用于车辆的控制设备6000的框图。其中，控制设备6000包括存储器610和处理器620。虽然未在图6中示出，但是控制设备6000还包括存储在存储器610上并且可以在处理器620上运行的计算机程序，从而实现前述实施例中用于车辆的控制方法。
[0073]
其中，存储器610可以是随机存取存储器ram、只读存储器rom、可擦除可编程只读存储器eprom、电可擦除可编程只读存储器eeprom或光盘存储设备、磁盘存储设备或能够用于承载或存储呈机器可执行指令或数据结构的形式的期望的程序代码并且能够被处理器620访问的任何其它介质。处理器620可以是现场可编程阵列fpga、专用集成电路asic、数字信号处理电路dsp等任何适当的专用处理器或通用处理器。
[0074]
控制设备6000可以是独立用于复用驱动系统来进行充电的控制设备，也可以结合在其它电子控制单元ecu、域控制单元dcu等处理设备中。
[0075]
应当理解的是，本发明附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或者在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或者在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
[0076]
还应当理解的是，在一些备选实施例中，前述方法中所包括的功能/步骤可以不按流程图所示的次序来发生。例如，依次示出的两个功能/步骤可以基本同时执行或甚至逆序执行。这具体取决于所涉及的功能/步骤。
[0077]
另外，本领域技术人员容易理解，本发明的上述一个或多个实施例提供的错误检测方法可通过计算机程序来实现。例如，当存有该计算机程序的计算机存储介质(例如u盘)与计算机相连时，运行该计算机程序即可执行本发明的一个或多个实施例的用于车辆的控制方法。
[0078]
综上所述，本发明的一方面的用于车辆的控制方案，通过对切换设备和功率变换设备中开关器件的控制来复用驱动系统中的功率变换设备、电机电感，从而在不增加额外功率变换设备和电感的情况下，将充电功率转化为电池所需的功率形式，硬件成本低、体积小并且易于控制。这使得车辆能够灵活使用现有的充电设施，而不受现有充电设施电压等级等功率形式的限制。
[0079]
一方面，相较于将充电功率从三相输入端对称输入电机的技术方案，本发明提出的控制方案能够更大程度地利用电机中电感，降低电流中的纹波，提高充电效率。
[0080]
另一方面，相较于将充电功率从单相输入端输入电机的传统技术方案，本发明提出的控制方案通过第二控制信号对功率变换设备的各开关器件进行控制，使得充电过程中电机的电磁转矩为零，避免了不期望的电磁转矩可能给车辆带来的安全隐患。
[0081]
以上尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其它的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。