混合動(dòng)力車輛可變電壓牽引馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的制作方法
【專利說明】混合動(dòng)力車輛可變電壓牽引馬達(dá)驅(qū)動(dòng)
【背景技術(shù)】
[0001] 本發(fā)明總體涉及電氣化車輛，例如混合動(dòng)力電動(dòng)車輛，并且更具體地涉及具有降 低的逆變器功率切換設(shè)備損耗的逆變器驅(qū)動(dòng)牽引馬達(dá)。
[0002] 電動(dòng)車輛，例如混合動(dòng)力電動(dòng)車輛（HEV)，插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛（PHEV)和純 電動(dòng)車輛，使用逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)來提供牽引扭矩和再生制動(dòng)扭矩。典型的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括 DC(直流）電源（例如蓄電池組或燃料電池），DC電源通過接觸器開關(guān)耦接到可變電壓轉(zhuǎn) 換器（VVC)以調(diào)節(jié)主DC鏈路電容器兩端的主總線電壓。第一 DC至AC逆變器連接在主總 線和牽引馬達(dá)之間以驅(qū)動(dòng)車輛。例如，馬達(dá)可以是感應(yīng)馬達(dá)或永磁馬達(dá)。第二DC至AC逆 變器連接在主總線和發(fā)電機(jī)之間以將來自內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)換成用于給牽引馬達(dá) 供能（經(jīng)由第一逆變器）或用于給蓄電池再充電的DC電壓的電能。第二逆變器也可以用 于在制動(dòng)期間再生能量以通過VVC給蓄電池再充電。
[0003] 逆變器各自包括以橋式結(jié)構(gòu)連接的晶體管開關(guān)（例如絕緣柵雙極晶體管，或稱 IGBT)。電子控制器接通和斷開開關(guān)以轉(zhuǎn)變來自總線的DC電壓為施加到馬達(dá)的AC(交流） 電壓，或轉(zhuǎn)變來自發(fā)電機(jī)的AC電壓為總線上的DC電壓。
[0004] 逆變器脈沖寬度調(diào)制DC鏈路電壓來傳遞正弦電流輸出的近似值以用所需轉(zhuǎn)速和 扭矩驅(qū)動(dòng)牽引馬達(dá)。由于IGBT的協(xié)同切換，逆變器輸出一系列脈沖寬度調(diào)制（PffM)方波電 壓。IGBT和其反向恢復(fù)二極管具有關(guān)聯(lián)的切換損耗。此外，脈沖寬度調(diào)制在馬達(dá)中產(chǎn)生諧 波含量損耗。
[0005] 在通常用在混合動(dòng)力電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)的電路拓?fù)渲?，DC鏈路通常至發(fā)電機(jī)逆變器、 蓄電池轉(zhuǎn)換器和牽引馬達(dá)逆變器。因此，所有的三個(gè)共享相同的實(shí)質(zhì)上恒定的DC電壓。DC 鏈路電壓的大小通常選擇用于為發(fā)電機(jī)和蓄電池提供最佳運(yùn)行效率且足夠高以使馬達(dá)逆 變器能夠達(dá)到指定的轉(zhuǎn)速和扭矩范圍的上限。
[0006] 逆變器兩端的電壓越高，牽引逆變器中的切換損耗則越高。牽引馬達(dá)的特征是，它 們在低角轉(zhuǎn)速運(yùn)行點(diǎn)不需要和它們在較高的角轉(zhuǎn)速運(yùn)行點(diǎn)一樣高的電壓大小。當(dāng)逆變器兩 端的DC供應(yīng)恒定時(shí)，為了達(dá)到較低的轉(zhuǎn)速和扭矩，減小脈沖寬度調(diào)制切換的占空比。由于 較高的轉(zhuǎn)速/扭矩運(yùn)行點(diǎn)需要的較高的電壓仍然出現(xiàn)在逆變器兩端，在較低的轉(zhuǎn)速/扭矩 運(yùn)行點(diǎn)導(dǎo)致了同樣的損耗。因此，在低速車輛運(yùn)行期間，如果存在于逆變器的輸入端的DC 鏈路電壓降低，將有機(jī)會(huì)減少損耗。降低存在于至逆變器的輸入端的DC鏈路電壓的大小 將減少IGBT中的切換損耗，反向并聯(lián)二極管中的反向恢復(fù)損耗，以及牽引馬達(dá)中的諧波損 耗。減少能量損耗將提高整體燃料經(jīng)濟(jì)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于控制電氣化車輛的牽引馬達(dá)的方法，其中 馬達(dá)由脈沖寬度調(diào)制逆變器來驅(qū)動(dòng)。將來自車輛的駕駛員的驅(qū)動(dòng)命令轉(zhuǎn)換成需求的扭矩。 維持來自DC電源（例如，蓄電池和/或發(fā)電機(jī)）的實(shí)質(zhì)上固定的DC鏈路電壓?？刂破鞔_ 定供應(yīng)到逆變器將導(dǎo)致馬達(dá)在恒定扭矩區(qū)域和扭矩產(chǎn)生的弱磁區(qū)域之間的轉(zhuǎn)變點(diǎn)傳遞需 求的扭矩的輸入電壓。將來自DC鏈路的電壓轉(zhuǎn)換為至逆變器的輸入端的確定的輸入電壓。 通過降低施加到逆變器上的電壓，減少了切換損耗和諧波損耗。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種控制電氣化車輛的牽引馬達(dá)的方法，其包含以下步驟：
[0009] 用可變占空比驅(qū)動(dòng)逆變器以產(chǎn)生來自馬達(dá)的所需扭矩；以及
[0010] 調(diào)節(jié)至逆變器的DC電壓，使得扭矩產(chǎn)生追蹤恒定扭矩區(qū)域和弱磁區(qū)域之間的轉(zhuǎn) 變點(diǎn)。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中車輛包括駕駛員需求控制，該方法進(jìn)一步包含以 下步驟：
[0012] 監(jiān)測駕駛員需求控制以確定所需扭矩；
[0013] 計(jì)算在馬達(dá)中流動(dòng)的產(chǎn)生所需扭矩的電流；以及
[0014] 計(jì)算產(chǎn)生計(jì)算出的電流的最小電壓作為DC電壓。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中響應(yīng)于計(jì)算出的電流和馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速來計(jì)算最 小DC電壓。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中調(diào)節(jié)DC電壓的步驟包含：
[0017] 比較可變占空比和目標(biāo)占空比；以及
[0018] 調(diào)節(jié)DC電壓以減小可變占空比和目標(biāo)占空比之間的誤差。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種控制電氣化車輛的牽引馬達(dá)的方法，其中，馬達(dá)由脈沖寬度 調(diào)制逆變器來驅(qū)動(dòng)，該方法包含：
[0020] 將來自車輛的駕駛員的驅(qū)動(dòng)命令轉(zhuǎn)化成需求的扭矩；
[0021] 維持來自DC電源的實(shí)質(zhì)上固定的DC鏈路電壓；以及
[0022] 將DC鏈路電壓轉(zhuǎn)換成至逆變器的輸入端的轉(zhuǎn)變電壓，轉(zhuǎn)變電壓使馬達(dá)在扭矩產(chǎn) 生的恒定扭矩區(qū)域和弱磁區(qū)域之間的轉(zhuǎn)變點(diǎn)傳遞需求的扭矩。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中轉(zhuǎn)變電壓使用需求的扭矩和馬達(dá)的轉(zhuǎn)速來確定。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中轉(zhuǎn)變電壓具有對(duì)應(yīng)于以下式子的值：
[0026] 其中Rs為定子電阻，L q是正交軸電感，I s是對(duì)應(yīng)于需求的扭矩的定子電流，ω ^是 轉(zhuǎn)速，以及Xaf是電樞磁鏈（armature flux linkage)。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法進(jìn)一步包含以下步驟：
[0028] 確定對(duì)應(yīng)于所需扭矩的目標(biāo)定子電流；
[0029] 測量實(shí)際的定子電流；
[0030] 調(diào)制用于切換逆變器的脈沖寬度以減小實(shí)際的定子電流和目標(biāo)定子電流之間的 誤差；
[0031] 其中轉(zhuǎn)變電壓具有最大化調(diào)制脈沖寬度的值。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種混合動(dòng)力電動(dòng)車輛，其包含：
[0033] 發(fā)電機(jī)；
[0034] 牽引馬達(dá)；
[0035] DC 電源；
[0036] DC鏈路電容器；
[0037] 第一逆變器，其耦接在發(fā)電機(jī)和DC鏈路電容器之間；
[0038] 第一 DC至DC轉(zhuǎn)換器，其耦接在DC電源和DC鏈路電容器之間，其中在DC鏈路電 容器兩端提供實(shí)質(zhì)上恒定的DC鏈路電壓；
[0039] 第二DC至DC轉(zhuǎn)換器，其耦接到DC鏈路電容器并用于產(chǎn)生可變DC電壓；
[0040] 第二逆變器，其耦接在第二DC至DC轉(zhuǎn)換器和牽引馬達(dá)之間，其中第二逆變器用產(chǎn) 生對(duì)應(yīng)于所需馬達(dá)扭矩的目標(biāo)馬達(dá)電流的脈沖寬度調(diào)制（PWM)占空比進(jìn)行切換；以及
[0041] DC-DC控制器，其調(diào)節(jié)第二DC至DC轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生允許第二逆變器產(chǎn)生目標(biāo)馬達(dá)電 流而不在馬達(dá)中減弱磁場的實(shí)質(zhì)上最小值的可變電壓。
[0042] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中DC-DC控制器包含比例-積分控制器，比例-積分 控制器比較可變電壓和最小值并且通過修改第二DC至DC轉(zhuǎn)換器的脈沖寬度調(diào)制占空比減 小通過比較檢測的任何誤差。
[0043] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中最小值由DC-DC控制器響應(yīng)于在馬達(dá)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生 所需扭矩的計(jì)算出的在馬達(dá)中的電流來確定。
[0044] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中最小值等于：
[0046] 其中Rs為定子電阻，Lq是正交軸電感，I 3是計(jì)算出的對(duì)應(yīng)于所需扭矩的電流，ω ^ 是轉(zhuǎn)速，以及Aaf是電樞磁鏈。
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中最小值由DC-DC控制器通過比較可變占空比和目 標(biāo)占空比并調(diào)節(jié)最小值以減小可變占空比和目標(biāo)占空比之間的誤差來確定。
[0048] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中DC電源包含蓄電池和由內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電 機(jī)。
[0049] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中第二DC至DC轉(zhuǎn)換器包含降壓轉(zhuǎn)換器。
[0050] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種混合動(dòng)力電動(dòng)車輛，其包含：
[0051] 牽引馬達(dá)；
[0052] 逆變器，其用可變占空比驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以產(chǎn)生所需扭矩；
[0053] DC鏈路，其接收實(shí)質(zhì)上恒定的DC電壓；以及
[0054] DC轉(zhuǎn)換器，其將恒定電壓轉(zhuǎn)換為逆變器使用的可變DC電壓以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，使得扭矩 產(chǎn)生追蹤恒定扭矩區(qū)域和弱磁區(qū)域之間的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。
[0055] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中逆變器用產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所需扭矩的目標(biāo)馬達(dá)電流的 脈沖寬度調(diào)制（PWM)占空比進(jìn)行切換，并且其中該車輛進(jìn)一步包含：
[0056] 控制器，其調(diào)節(jié)DC轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生允許逆變器產(chǎn)生目標(biāo)馬達(dá)電流的實(shí)質(zhì)上最小值 的可變DC電壓。
[0057] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中控制器包含比例-積分控制器，比例-積分控制器 比較可變DC電壓和最小值并且通過修改DC轉(zhuǎn)換器的脈沖寬度調(diào)制占空比減小通過比較檢 測的任何誤差。
【附圖說明】
[0058] 圖1是不出包含本發(fā)明的混合動(dòng)力電動(dòng)車輛的一個(gè)典型不例的框圖。
[0059] 圖2是具有由牽引逆變器和發(fā)電機(jī)逆變器共享的共同的DC鏈路電壓的常規(guī)電路 拓?fù)洹?br>[0060] 圖3是示出馬達(dá)轉(zhuǎn)速和扭矩產(chǎn)生之間的關(guān)系的曲線圖。
[0061] 圖4是示出根據(jù)本發(fā)明用于提供驅(qū)動(dòng)牽引逆變器的可變DC電壓的方法的一個(gè)優(yōu) 選實(shí)施例的流程圖。
[0062] 圖5是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的示意性框圖。
[0063] 圖6是更詳細(xì)地示出用于控制逆變器輸入電壓的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
[0064] 圖7是示出替代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的框圖。
[0065] 圖8是示出與圖7的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的用于控制逆變器輸入電壓的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0066] 現(xiàn)在參照圖1，車輛10被示為具有電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)18的混合動(dòng)力電動(dòng)車輛。雖然示出 了功率分流混合動(dòng)力布局，但是本發(fā)明也適用于其他類型的電動(dòng)車輛（如，HEV，PHEV或純 電動(dòng)車輛）。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)11和蓄電池組12供應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)車輛10的能量。蓄電池12驅(qū)動(dòng) 具有耦接到變速器齒輪14的輸出的馬達(dá)13,以驅(qū)動(dòng)車輪15。發(fā)動(dòng)機(jī)11的機(jī)械輸出經(jīng)由分 流裝置16耦接到齒輪14,以用于提供動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。分流裝置16還將 齒輪14耦接到發(fā)電機(jī)17,使得發(fā)動(dòng)機(jī)11的轉(zhuǎn)速可以獨(dú)立于齒輪14和車輪15的轉(zhuǎn)速進(jìn)行 控制，并且使得再生制動(dòng)能量可以從車輪15回收以給蓄電池12充電，如本領(lǐng)域公知的。<