CN101295957B - 混合电动机升压系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种混合电动机升压系统和方法。该系统包括提供电力给第一和第二电动机的电源。每个电动机具有两个或更多的绕组，且每个绕组具有第一和第二端。诸如电池或电容器的升压线路用于存储电能以由任一电动机随后取回和使用。第一变换器电路包括第一组开关，其中第一组开关的每个将绕组的第一端之一联接到电源。第二变换器电路包括第二组开关，其每个将绕组的第二端之一联接到升压线路。控制器被联接以触发第一和第二组开关的每个，从而允许电能存放在升压线路上且从升压线路取回。

Description

混合电动机升压系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及电动机，且更具体地涉及在例如混合车辆中的电动机的升压系统(boost system)。
背景技术
在DC驱动电动机系统中，例如带有一个或更多电动机的混合车辆系统，系统的动力通常通过扩大电动机、增加附加的磁铁给电动机、或用例如常规的升压DC-DC变换器提高可利用的DC电压而增加。然而，较大的电动机通常占据附加的空间，附加的磁铁总体上提供附加的复杂性和重量，且提高可利用的DC电压总体上使电动机负担更高的额定电流。因此，由常规升压技术提供的额外动力通常被一个或更多的缺陷所抵消。
更近以来，变换器电路已经设计为增加电动机系统内提供的动力。例如，常规的六开关、三腿变换器拓扑结构能够增加包括一个或更多三相电动机的系统的动力，其中DC接线跨接三相电动机的线-线部分。然而，该技术通常在增加可利用的动力和/或降低变换器的额定电流的能力方面有限。
因此，希望提供一种改善的变换器拓扑结构(inverter topology)，以从多电动机系统获得提高的动力而不增加系统的复杂性或增加电动机尺寸。此外，本发明的其它希望的特征和特性从随后的详细说明和所附权利要求书结合附图和前述技术领域以及背景技术将变得显而易见。
发明内容
根据多个示范性实施例，用于车辆的电动系统适当地包括提供电力给第一和第二电动机的电源。每个电动机具有两个或更多的绕组，且每个绕组具有第一和第二端。诸如电池或电容器的升压线路(boostlink)用于存储电能以由任一电动机随后取回(retrieve)和使用。第一变换器电路包括第一组开关，其中第一组开关的每个将绕组的第一端之一联接到电源。第二变换器电路包括第二组开关，其每个将绕组的第二端之一联接到升压线路。控制器被联接以触发第一和第二组开关的每个，从而允许电能存放在升压线路上且从升压线路取回。其它示范性实施例包含在多电动机电动系统中提高动力的技术。
该发明内容提供用于以简化的形式介绍将在以下详细说明中进一步描述的构思的选择。该发明内容并不打算当成要求保护的主题的关键特征或特定特征，也不打算用作帮助确定要求保护的主题范围。
附图说明
本发明将在其后结合以下附图描述，其中相同的附图标记指代相同的元件，且
图1是具有升压部件的示范性多电动机电动系统的电路图；
图2是显示从电源传输电能到升压线路的一个电路通路的电路图；
图3是显示将存储在升压线路上的电能取回到电动机的一个电路通路的电路图；
图4是取回存储在升压线路上的电能的可替换电路通路的电路图；和
图5是取回存储在升压线路上的电能的另一可替换电路通路的电路图。
具体实施方式
以下说明总体上涉及存储和提高在多电动机电动系统中可利用的电力的方法和系统，例如在许多混合汽车、卡车和其它车辆上发现的多电动机电动系统。在这点上，以下详细说明性质上仅为示范性的且不打算限定本发明的应用和用途。此外，并非打算受限于前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中提出的任何明确或隐含的理论。
以下说明涉及“连接”或“联接”在一起的元件或节点或零件。如在此所使用的，除非另外清楚地声明，“连接”意味着一个元件/节点/零件以机械、逻辑或其它合适的方式直接地接合到(或直接连通)另一元件/节点/零件。类似地，除非另外清楚地声明，“联接”意味着一个元件/节点/零件以机械、逻辑或其它合适的方式直接或间接地接合到(或直接或间接地连通)另一元件/节点/零件。术语“示范性”用作“示例性”的意思，而不是“模型”。此外，虽然附图描绘元件的示例性布置，但在本发明实际的实施例中可以有附加的居间元件、设备、零件或部件。
现在参考附图且先参考图1，适于用于汽车、卡车或其它车辆的示范性电动系统100适当地包括与两个或更多电动机102，104联接的电源108。每个电动机102，104包括两个或更多的导电绕组151-153，154-156，导电绕组151-153，154-156(分别)经由变换器电路162，168可切换地联接回到电源108。每个绕组151-153，154-156的相对端(分别)经由变换器电路164，166可切换地联接到升压线路110。实践中，变换器电路162，164，166，168中的多个开关从控制器106接收控制信号112，以将多个开关的每个设置成合适的导通或不导通状态。通过将升压线路110通过电动机102和104的绕组可切换地连接到电源108，那么来自升压线路110的额外的动力能够存储且随后在合适的时刻应用于任一电动机102，104。
电源108是任何电池、发电机、燃料电池或其它电能源。总体上，电源108对应于提供直流电(DC)给系统100的常规混合车辆电池或电池组。虽然在图1中电动机102，104均显示为联接到相同的电源108，在实践中每个电动机102，104可以用或者不用共用的电基准(electrical reference)(例如接地)联接到单独的电源。保护性的电容器114和/或116可以与电源108并联或与其以其它方式连通。当存在这种电容器时，电容器能够提供信号过滤(例如，使电流波纹变平滑)和/或其它效果。
每个电动机102，104是任何类型的感应电动机或类似物，其可以具有对应于任何数量的电相的任何数量的感应绕组(例如，绕组151-153和154-156)。例如，图1所示的实施例具有三个电相，但是等价实施例可以使用两个、四个或任何其它数量的感应相。电动机102，104根据常规的电动原理操作。例如，通过将各个绕组151-156交替地连接到电源108，多个电通路可以适当地形成和改变以产生应用于任何数量的车轮、飞轮或其它机械载荷的机械转矩。
变换器电路162，164，166和168合适地包括任何数量的晶体管；开关元件；继电器；或能够将绕组151-156的一个或更多的端适当地彼此联接、联接到电源108和/或升压线路110的其它开关121-144。在多个实施例中，开关121-144实施为绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)和/或类似物。这种晶体管通常设置有共用端子(例如，基极或栅极端子)，所述共用端子能够被驱动至相对高或低的电压，从而允许该设备的剩余端子之间的导电率。
“双端”变换器电路的示例和操作这种电路的多种方法包含在US专利号7,154,237中，但是任何其它变换器电路和/或操作技术能够等价地应用于替代实施例中。为了方便，电路162和168在此描述为单级变换器，由于这些电路均主要涉及将电动机绕组151-156联接到电源108的任一侧。类似地，电路164和166可以指单级变换器，由于这些电路均主要涉及不直接联接到电源108、而是联接到升压线路110的绕组151-156的侧面。
控制器106是能够提供控制信号112给变换器电路162-168的各个部件的任何设备、模块、电路、逻辑和/或类似物。例如，控制器106可以实施为常规的微处理器或微控制器，微处理器或微控制器通常包括存储在易失性或非易失性数字存储器内的软件或固件指令。在其它实施例中，控制器106可以实施为任何类型的程序化的门阵列、查询表或其它逻辑电路。虽然未在图1中显示，控制器106可以经由任何类型的多路/多路分解或其它解码电路物理地联接到开关121-144，以减少用于提供信号112的控制器106上的逻辑引线或其它输出的数量。
升压线路110是能够存储和释放电能的任何设备、模块或其它结构。在多个实施例中，升压线路110是电容器(例如，具有0.5-20法拉左右量级的电容的所谓的“超电容器”)。在其它实施例中，升压线路110实施为电池、燃料电池、飞轮或类似物。在电动机102，104的操作期间，升压线路110能够通过各个绕组151-156充电或放电，以增加或降低施加跨过绕组的相对电压。例如，在图1所示的实施例中，通过变换器电路162-168内的各个开关121-144的触发(activation)和不被触发(deactivation)，电能能够经由任何绕组151-156从电源108施加到升压线路110。
在图1所示的实施例中，每个绕组151-156分别通过变换器电路162和168可切换地联接到电源108的正或负端子，从而允许任一全轨电压(例如，由电压108施加的全电压、B+、B-、或任何其它施加电压)以任何方向施加跨过任何绕组151-156。例如，开关121-123可切换地将绕组151-153(分别)联接到电源108的正电压(或初级)侧，而开关124-126将绕组151-153(分别)联接到电源108的相对(例如，负或基准)侧。类似地，开关139-141可切换地将绕组154-156联接到电源108的正电压侧，而开关142-144将绕组154-156联接到电源108的负侧。为了跨过任何具体绕组151-156施加正或负电压，那么与该绕组相关的一个或更多的开关可以触发。例如，为了将绕组153联接到电源108的正侧，开关123触发，而开关121和122通常保持关闭以防止电流分别进入线圈152和151。类似地，绕组154能够通过触发开关142联接到电源108的相对侧。此外，任一电动机102，104上的任何绕组151-156能够通过简单地触发和/或不触发各个开关121-126和139-144而联接到电源108的初级或相对侧。
绕组151-156的相对端能够类似地通过开关127-138的触发和不触发以任何类型的适当布置(例如，y形接头)彼此联接。例如，触发开关127、128和129(或开关130-132)将电动机102中的三个绕组151-153设置成“y”形布置。变换器电路154，156中的各个开关127-138也能够适当地可切换地将绕组151-156联接到升压线路110。
在电动机操作期间，通过在升压线路110上存放电能，能量能够被存储以由任一电动机102，104随后取回。从而各个电动机绕组15仁156用于隔开两个有效的电源(即，电源108和升压线路110)，其继而允许升压线路110用作施加跨过任何绕组151-156的附加电压的源。例如，任一电动机102，104可以通过常规的脉冲宽度调制方法提供电力给升压线路110，且存储的电力随后可由任一电动机102，104利用以生成正的或负的转矩。用于存放和从升压线路110取回电能的多种技术在以下描述。
现在参考图2，将电能存放在升压线路110上的示范性技术合适地包括将升压线路110放到带有电源108的电路中。例如，通过触发开关123、124、127和132，从电源108的初级端通过绕组153和升压线路110、通过绕组151返回到电源108的相对侧，形成了电流通路。注意到，通过任何两个绕组151-156的任何其它电流通路可以用于可替换实施例中，包括图3-5所示的任何通路。当升压线路110切换到电路中时，电荷被适当地存储。在电动机102，104的随后操作期间，存储的电荷然后可用于放电和/或再充电。
例如图3和图4显示了将升压线路110联接到包括电动机104的绕组155和156的电路中。这些电路可以以任何方式被定时成充电升压线路110或将先前存储的能量放电。例如，图3显示开关134、138、140和144被触发以生成从电源108通过绕组155到升压线路110的电路302，电路302具有通过绕组156回到电源108的返回通路。如果升压线路110已经预先充电，升压线路上的能量可以放电跨过绕组156，从而增加跨过绕组的电压且得到由电动机104产生的附加转矩。
图4显示类似的电路402，开关133和137取代开关134和138被触发；开关140和144如图3维持触发。然而，在图4的布置中，由升压线路110施加的能量反向，从而用于减少跨过绕组156的电压(或可替换地，增加跨过绕组155的电压)。
现在最后参考图5，开关121、125、129和131显示为触发的以生成通过绕组152和153的电路502，以充电和/或放电升压线路110。如上文所述，在电动机操作期间，可以制定和实施用于充电和/或将存储在升压线路110上的能量放电的任何数量的电路。这些电路的每个可以通过将控制信号112简单施加于开关121-144生成。例如，开关可以通过将合适的电压简单施加到晶体管开关的基极或栅极端或根据任何其它技术触发和/或不触发。因此，以软件、固件或任何其它形式的数字指令可以在控制器106内执行以生成合适的控制信号112，从而控制这些信号112的定时和排序，以及以其它方式合适地指导系统100的操作。
上述技术可以在任何的环境和应用中实施。在车辆环境中，升压线路能够容易地配置在混合车辆中，以允许电动机之间的电压的“升压(boosting)”和/或“抵消电压(bucking)”。类似构思可以容易地应用于任何汽车、交通运输、航空航天、工业和/或合适的装置环境。
虽然已经在前述详细说明中阐述几个示范性实施例，应当理解的是，存在大量的变型。也应当理解的是，示范性实施例仅为示例性的，且不打算以任何方式限定本发明的范围、应用或构造。相反，前述详细说明提供本领域技术人员实施实施例或数个实施例的便利路线图。应当理解的是，可以进行元件的功能和布置的多种改变而不偏离所附权利要求书及其合法等价物所阐述的本发明的范围。

Claims (18)

1.一种电动系统，包括：
电源；
第一电动机和第二电动机，各具有多个绕组，且每个绕组具有第一和第二端；
用于存储电能的升压线路；
第一变换器电路，包括第一组多个开关，其中所述第一组多个开关的每个可切换地将相应一个绕组的第一端联接到电源；
第二变换器电路，包括第二组多个开关，其中所述第二组多个开关的每个可切换地将所述相应一个绕组的第二端联接到升压线路；和
控制器，被联接到所述第一组和第二组多个开关的每个且用于触发第一和第二组多个开关的每个，从而允许电能存放在升压线路上且从升压线路取回。
2.根据权利要求1所述的系统，其中第一和第二变换器电路各包括与第一电动机相关的第一部分和与第二电动机相关的第二部分。
3.根据权利要求1所述的系统，其中控制器还用于将电能通过第一电动机从电源传输到升压线路。
4.根据权利要求3所述的系统，其中控制器还用于从升压线路施加电能到第二电动机。
5.根据权利要求1所述的系统，其中控制器还用于通过触发第一组多个开关的一个和第二组多个开关的一个以及通过触发第一组多个开关的第二个和第二组多个开关的第二个而将电能存放在升压线路上，其中每个触发的开关联接到与第一电动机相关的多个绕组的共用的一个上，其中第二触发的开关的每个联接到与第一电动机相关的多个绕组的共用的第二个上。
6.根据权利要求5所述的系统，其中控制器还用于通过触发第一组多个开关的第三个和第二组多个开关的第三个而将电能从升压线路取回，其中第三触发的开关的每个联接到与第二电动机相关的多个绕组的共用的第三个上。
7.根据权利要求6所述的系统，其中控制器还用于通过触发第一组多个开关的第四个和第二组多个开关的第四个而将电能从升压线路取回，其中第四触发的开关的每个联接到与第二电动机相关的多个绕组的共用的第四个上。
8.根据权利要求1所述的系统，其中第一组多个开关包括各联接到电源的正端子的第一开关子集和各联接到电源的负端子的第二开关子集。
9.根据权利要求1所述的系统，其中第二组多个开关的每个通过第一或第二电动机内的多个绕组的至少一个与电源电绝缘。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括与第一变换器电路并联联接的滤波电容器。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括与第一变换器电路并联联接的第二滤波电容器。
12.根据权利要求1所述的系统，其中升压线路包括电池。
13.根据权利要求1所述的系统，其中升压线路包括电容器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中电容器是超电容器。
15.一种用于车辆的电动系统，包括电源；第一电动机和第二电动机，各具有多个的绕组，且每个绕组具有第一和第二端；和用于存储电能的升压线路，其中电动系统包括：
第一变换器装置，包括第一组多个开关，第一组多个开关的每个可切换地将相应一个绕组的第一端联接到电源；
第二变换器装置，包括第二组多个开关，其中所述第二组多个开关的每个可切换地将所述相应一个绕组的第二端联接到升压线路；和
用于触发第一组和第二组多个开关的每个的装置，从而允许电能从电源通过第一电动机的两个绕组传输到升压线路，并还允许电能从升压线路施加到第二电动机。
16.一种在车辆电动系统中传输电能的方法，所述电动系统包括电源、升压线路、各具有多个绕组的第一和第二电动机，所述方法包括步骤：
经由第一电动机的第一和第二绕组将电能从电源传输到升压线路以在升压线路上存储电能，可切换地将第一电动机的第一绕组和第二绕组的第一端联接到电源、和可切换地将所述第一绕组和第二绕组的第二端联接到升压线路；和
随后，通过将第二电动机的第一绕组和第二绕组联接到升压线路从升压线路取回电能到第二电动机。
17.根据权利要求16所述的方法，其中取回步骤包括：将第二电动机的第三绕组和第四绕组的第一端切换到电源、和将所述第三和第四绕组的第二端切换到升压线路。
18.根据权利要求17所述的方法，其中取回步骤包括：将电能以与由电源施加电能到第二电动机相反的方式从升压线路施加到第二电动机。
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