CN101357593B - 使用双端逆变器系统用整流器对能源充电 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用双端逆变器系统用整流器对能源充电。提供了一种使用双端逆变器系统利用整流器为能源充电的系统和方法。提供了一种用于车辆的电力驱动系统的装置。该电力驱动系统包括配置成给车辆提供牵引功率的电动机。第一逆变器耦合至电动机且配置成为电动机提供交流电。第一能源耦合至第一逆变器，其中第一逆变器配置成在第一能源和电动机之间提供功率流。第二逆变器耦合至电动机且配置成向电动机提供交流电。整流器耦合至第二逆变器且配置成产生直流输出。第二逆变器配置成从整流器向电动机提供功率。

Description

使用双端逆变器系统用整流器对能源充电

对相关申请的交叉引用

本申请要求2007年7月30日提交的美国临时专利申请序列号60,952,737的的优先权。

技术领域

这里描述的主题的实施例通常涉及车辆驱动系统，更特别地，本发明主题的实施例涉及具有双端逆变器驱动系统的混合动力车辆。

背景技术

如今，技术上的发展以及在样式上的不断发展的体验，已经在汽车的设计上引起了重大变化。其中一个变化包括汽车中的功率使用和各种电气系统的复杂性，尤其是代用燃料车辆，例如混合动力、电动和燃料电池车辆。电动的和/或混合动力车辆可以被设计为使用电能作为牵引功率的主要来源。然而，电能的供给以及因此车辆的可实现工作范围受限于被选择作为能源的部件。

包括用在这种车辆中的电动机(electric motor)的许多电气部件接收来自交流(AC)电源的电功率。然而，在这种应用中所使用的功率源(例如电池(battery))只提供直流(DC)功率。因此，使用称为“功率逆变器”的设备将DC功率转换成AC功率，其通常使用几个操作在不同时间间隔的开关或晶体管将DC功率转换成AC功率。

此外，这种车辆，尤其是燃料电池车辆，通常使用两个分离的电压源(例如电池(battery)和燃料电池)来给驱动车轮的电动机供电。诸如直流-直流(DC/DC)转换器的“功率转换器”通常用于管理和传输来自这两个电压源的功率。现代的DC/DC转换器通常包括由电感器电互连的晶体管。通过控制各个晶体管的状态，所期望的平均电流可以通过感应器传递(impress)，并且因此控制两个电压源之间的功率流(power flow)。

功率逆变器和功率转换器两者的使用大大增加了汽车的电气系统的复杂性。两种类型的设备所需要的附加部件也增加了车辆的总成本和重量。因此已经开发了系统和方法，用于操作耦合到多功率源的马达(motor)，而不需要DC/DC转换器，同时通过利用双逆变器电气系统来最大化该马达的性能。

发明内容

提供了一种用于车辆的电力驱动系统的装置。该电力驱动系统包括配置成给车辆提供牵引功率的电动机。第一逆变器耦合到该电动机并被配置成为电动机提供交流电。第一能源耦合至第一逆变器，其中第一逆变器配置成在第一能源和电动机之间提供功率流(power flow)。第二逆变器耦合至电动机且配置成向电动机提供交流电。整流器耦合至第二逆变器且配置成产生直流输出。第二逆变器配置成从整流器向电动机提供功率。

提供了一种用于汽车驱动系统的装置。该汽车驱动系统包括配置成提供牵引功率的电动机。第一逆变器耦合至该电动机且配置成向电动机提供交流电。第一能源耦合至第一逆变器，其中第一逆变器配置成在第一能源和电动机之间提供功率流。第二逆变器耦合至电动机且配置成向电动机提供交流电。第二能源耦合至第二逆变器，其中第二逆变器配置成在第二能源和电动机之间提供功率流。整流器被耦合在第一能源和第一逆变器之间，使得整流器和第一能源是电并联的，其中整流器配置成产生直流输出。

提供了一种利用耦合至第一能源和整流器的双端逆变器系统控制电动机的方法。所述整流器耦合至发电机，该发电机耦合至内燃机。该方法包括调制双端逆变器系统以从第一能源向电动机提供功率，以及监控第一能源的荷电状态(state of charge)。如果荷电状态低于阈值，该方法还包括通过发电机从内燃机向双端逆变器系统提供功率。

该概要以简化的形式介绍了一些精选的概念，在下面的具体实施方式部分将进一步描述这些概念。本概要既不打算确定所要求保护主题的关键特征或本质特征，也不打算用作在确定所要求保护的主题的范围时的辅助。

附图说明

对于本发明主题更全面的理解可以通过结合下面附图参照具体实施方式和权利要求书得以实现。其中在整个附图中，同样的附图标记标识类似的元件。

图1是根据一个实施例的示范性汽车的框图；

图2是适于用在图1的汽车中的双端逆变器系统的实施例的示意图；

图3是适于用在图1的汽车中的双端逆变器系统的另一个实施例的示意图；

图4是根据一个实施例的马达控制过程的流程图。

具体实施方式

下面的详细描述本质上仅仅是说明性的，并不打算限制本发明主题的实施例或这些实施例的应用和使用。如这里所使用的，词语“示范性”意味着“作为一个例子，实例或例证”。这里所描述的作为示例的任何实施方式都不是必须被解释为比其它实施方式更优选或有利。另外，也不打算要受到任何在前述的技术领域、背景技术、发明内容和下面的具体描述中所给出的明示的或暗示的理论的限制。

下面描述涉及被“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或特征。如这里所使用的，除非另有明确声明，否则“连接”意味着一个元件/节点/特征直接接合至另一个元件/节点/特征(或与其直接通信)，而且不一定是通过机械方式。同样地，除非另有明确声明，否则“耦合”意味着一个元件/节点/特征直接或间接接合到另一个元件/节点/特征(或直接或间接地与其通信)，而且不一定是通过机械方式。因此，尽管这里所显示的示意图描绘了元件的示范性布置，但是附加的中间元件、设备、特征或部件可以出现在所描述的发明主题的实施例中。此外，术语“第一”、“第二”和其它这种表示结构的数字术语并不暗示次序或顺序，除非上下文有明确指示。

为了简短起见，涉及系统的信令、传感器和其它功能方面(以及系统的各个操作部件)的常规技术将不在这里详细描述。此外，包括在这里的各个图中所显示的连接线意在代表各种元件之间的示范性功能关系和/或物理耦合。应当注意的是，许多可选的或附加的功能关系或物理连接可以存在于本发明主题的实施例中。

这里所讨论的技术和概念涉及用于使用双端逆变器系统改进车辆的燃料效率的系统和方法。电能源可以被用作牵引功率的主能源，范围延伸(rangeextending)内燃机可以用于操作马达并在车辆允许期间按需求为能源进行再充电。

现在参照图1，根据一个实施例，车辆或汽车110包括底盘112、车身114、四个车轮116和电子控制系统118。车身114被安装在底盘112上并且充分封闭汽车110的其它部件。车身114和底盘112可以共同构成车架。每个车轮116都是在靠近车身114的相应拐角处可旋转地耦合到底盘112。

汽车110可以是许多不同类型的汽车中的任一种，例如轿车、货车、卡车或运动型多功能车(SUV)，并且可以是两轮驱动(2WD)(即后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)、或全轮驱动(AWD)。汽车110也可以合并许多不同类型的发动机(engine)的任何一种或组合，例如汽油或柴油燃料燃烧机，“灵活燃料型车辆”(FFV)发动机(即使用汽油酒精混合物)、气体化合物(例如氢气和天然气)燃料发动机、燃烧/电动马达混合发动机以及电动机。

在图1所示的示范性实施例中，汽车110进一步包括马达120(也就是电动马达/发电机，牵引式电动机等等)、第一能源122、整流器124、功率逆变器组件126、散热器128以及发电机组130。发电机组130包括发电机132和发动机134，如下面更加详细地描述的。在各种实施例中，汽车110还可以包括第二能源136。在允许期间，通过利用马达120为车轮116提供功率来操作汽车110，马达120以交替的方式和/或同时地接收来自第一能源122、整流器124和/或第二能源136的功率。

如所示的，第一能源122和整流器124与电子控制系统118和功率逆变器组件126可操作地通信和/或电连接到电子控制系统118和功率逆变器组件126。按照一个或多个实施例，第二能源136被耦合到功率逆变器组件126，第二能源136电并联于整流器124并与电子控制系统118处于可操作通信。在示范性实施例中，整流器124耦合至发电机组130，如下面更详细描述的。

尽管没有示出，能源122、136可以根据实施例而改变，且可以是相同的或不同的类型。实际上，能源122、136可以包括电池(battery)、燃料电池(fuelcell)、超电容器，或其它合适的电压源。电池可以是适于用在期望的应用中的任何类型的电池，例如铅酸电池、锂离子电池、镍金属电池或另一种可充电电池。

在示范性实施例中，马达120是多相交流(AC)马达，且包括一组绕组(或线圈)，其中每个绕组对应于马达120的一相。尽管没有示出，马达120包括定子总成(包括线圈)、转子总成(包括铁磁芯)和冷却流体(即冷却剂)，如本领域技术人员所理解的。马达120可以是感应马达、永磁体马达、或任何适合于所期望的应用的类型。如图1所示，马达120还可以包括集成在其中的变速器，使得马达120和变速器通过一个多个驱动轴138而机械地耦合到至少一些车轮116。

在示范性实施例中，散热器128连接到车架的外部，并且尽管也没有详细示出，其包括含有诸如水和/或乙二醇(即“防冻剂”)的冷却流体(即冷却剂)的多个冷却通道，并且耦合至功率逆变器组件126和马达120。在一个实施例中，功率逆变器组件126接收且和马达120共享冷却剂。在可选实施例中，功率逆变器组件126和/或马达120可以是气冷的。

在示范性实施例中，电子控制系统118与马达120、第一能源122、整流器124、功率逆变器组件126、发电机组130和/或第二能源136可操作通信。尽管没有详细显示，电子控制系统118可以包括各种传感器和诸如逆变器控制模块和车辆控制器的自动(automotive)控制模块或电子控制单元(ECU)，以及至少一个处理器和/或存储器，该存储器包括存储于其上(或在另一种计算机可读介质中)的用于实施下面描述的步骤和方法的指令。

现在参照图2，按照一个实施例，双端逆变器系统200适用于驱动马达120。双端逆变器系统200包括具有一组绕组220的马达120、第一能源122、整流器124、功率逆变器组件126和控制器202。为了给马达120供电，分别从第一能源122和整流器124提供直流功率给功率逆变器组件126的第一和第二逆变器204、206，第一和第二逆变器204、206将直流功率转换成交流功率，如本领域通常所理解的。第一和第二逆变器204和206基于速度、命令的转矩(即命令的同步帧电流(synchronous frame current))和通常所理解的其它马达参数而在绕组220(或相)两端产生交流电压。

再次参考图2，功率逆变器组件126包括第一逆变器204和第二逆变器206，每一个逆变器包括六个具有反并联二极管(也就是反并联于每个开关)的开关(例如半导体器件，诸如晶体管和/或开关)。如所示，逆变器204和206中的开关被布置成三支脚(leg)(或对)，其中支脚208、210和212在第一逆变器204中，支脚214、216和218在第二逆变器206中。在示范性实施例中，绕组220在其中相对端电耦合在第一逆变器204中支脚208、210、212的开关与第二逆变器206中支脚214、216、218的开关之间。双端逆变器系统200也可以包括第一和第二电容器222和224，第一和第二电容器分别与第一能源122和整流器124并联连接以在运行期间平滑电流波纹。

在示范性实施例中，第一能源122耦合至第一逆变器204，整流器124耦合至第二逆变器206。整流器124进一步耦合至发电机132，发电机132耦合至发动机134。在示范性实施例中，发动机134是产生机械能的内燃机，如通常所理解的。在各种实施例中，发动机134可以用作汽车110的主推进器，或可选地，可以用作辅助或范围扩大的发动机，如下面将更详细描述的。

在示范性实施例中，发电机132机械耦合至发动机134，且发电机132配置成将来自发动机134的机械能转换成电能。整流器124被电耦合至发电机132，且整流器124配置成将发电机132提供的电能转换成直流电压输出(V_DC2)。整流器124可以是六脉冲整流器、十二脉冲整流器或适合于给定应用的另一种类型的整流器。

在示范性实施例中，控制器202与第一和第二逆变器204、206可操作地通信和/或电耦合到第一和第二逆变器204、206。控制器202响应于(例如，通过加速踏板)从汽车110的驾驶员接收到的的命令，并提供命令给第一逆变器204和第二逆变器206来控制逆变器204、206的输出，如将被描述的。在可选实施例中，控制器202可以进一步耦合至第一能源122、整流器124和/或发电机组130，并且控制器202可以配置成执行附加任务和功能，如下面所详细描述的。

在示范性实施例中，控制器202配置成使用高频脉宽调制(PWM)来调制和控制逆变器204和206，如可以理解的。控制器202提供控制算法，该控制算法在耦合至逆变器204、206的电源之间实现所希望的功率流，同时在马达120内部产生命令的转矩。绕组220两端电压的许多组合可以在马达120中产生命令的转矩和实现到(或来自)第一能源122、整流器124和马达120的所希望的功率流。控制器202提供PWM信号以操作第一和第二逆变器204和206中的开关，从而导致将所期望的输出电压施加到马达120中绕组220的两端，从而利用所需要的转矩来操作马达120，如在本领域会被理解的。

仍参考图2，按照一个实施例，双端逆变器系统200配置成最初独立地从第一能源122提供功率给马达120，如下面将更详细描述的。第一能源122可以是电池，其被设计为提供有效的功率以驱动马达120长达给定的时间段和/或行驶距离。在该时间段之后，如下面更详细描述的，整流器124和/或发电机组130可以开始提供功率给马达120和/或第一能源122。

现在参照图3，按照一个实施例，双端逆变器系统300可以适于驱动马达120。在示范性实施例中，双端逆变器系统300包括马达120、第一能源122、整流器124、功率逆变器组件126、第二能源136和控制器202。双端逆变器系统300的一些元件类似于上面参照图1-2所描述的它们对应的元件，并且将不会在图3的上下文中再多余地详细描述。

仍然参照图3，在示范性实施例中，第二能源136耦合至第二逆变器206，使得整流器124和第二能源136是电并联的。按照一个实施例，第一能源122是超电容器，其配置成充当用于收回(recapture)再生制动能量的高功率能源，并且第二能源136是电池，其配置成向马达120提供主牵引功率。在这种配置中，第二能源136在整流器124和/或发电机组130产生相对较低的电输出(或没有电输出)时提供稳定的能源。在示范性实施例中，整流器124的电压输出基本上等于能源122的电压(例如V_DC1＝V_DC2)。当整流器124和/或发电机组130在产生电输出时，整流器124可以被用于给第二能源136充电(即，实施类似于传统汽车交流发电机的功能)和/或利用双端逆变器系统300来提供功率给马达120，如下面更加详细描述的。

现在参照图4，在示范性实施例中，双端逆变器系统200、300可以配置成执行马达控制过程400和附加任务、功能和下面描述的操作。各种任务可以通过软件、硬件、固件或它们的任意组合来执行。为了例证说明的目的，下面的描述可以参考上面结合图1-3提到的的元件。实际上，任务、功能和操作可以通过所述系统中的不同元件来执行，例如控制器202或电子控制系统118。应当理解的是，任何数量的附加的或可选的任务可以被包括于其中，并且可以被合并到更加广泛的具有这里没有详细描述的附加功能的程序或过程。

再次参考图4，马达控制过程400可以在车辆起动时响应于来自车辆控制模块(例如电子控制单元或ECU)的信号或命令而被启动。在示范性实施例中，双端逆变器系统从能源为马达提供功率(任务402)。在此配置中，至少在操作车辆的初始阶段，该能源被选择作为牵引功率的主能源。

[0039]在车辆的操作期间，马达控制过程400可以配置成监控能源的荷电状态，并确定荷电状态是否低于阈值(任务404)。能源的荷电状态代表着反映剩余能量的量的其可用能量容量，并且因此给出能源可以继续使用多长时间的指示。较低的荷电状态指示较低的剩余能量容量，且相反地，较高的荷电状态指示较高的剩余能量容量。在示范性实施例中，阈值代表对于给定的能源所期望的荷电状态的下限。按照一个实施例，该荷电状态下限被选择为最大化能源的使用，同时最优化能源的寿命(或生命)。例如，阈值可以近似为能源初始荷电状态(或满状态)的10-20％，以限制所使用的电量，所使用的电量倾向于减小能源(例如电池)的寿命。降低阈值将会从能源中使用更多的能量，但是，使用更多的能量也会减小能源的寿命，反之亦然。

在示范性实施例中，如果荷电状态低于阈值，马达控制过程400可以配置成启动或起动(例如通过提供命令或信号给发动机)(经由发电机和整流器)耦合至双端逆变器系统的发动机(任务406)。在这个实施例中，发动机和发电机组用作范围延伸发电机，因为能源将耗尽且不能提供进一步的牵引功率(也就是，工作范围被能源所限制)。应当理解的是，在可选实施例中，发动机可以改为用作车辆主推进器，而且已经在运行，其中任务406不是必须的。

在示范性实施例中，发动机和/或发电机组具有一最优的工作点，在该点上能产生峰值能量效率，其中输出能量(即来自发电机的电能)与输入能量(即发动机所消耗的燃料)之比为最大值。在示范性实施例中，发动机和/或发电机可被预先配置为基本接近该最优工作点操作，或马达控制过程400可命令发动机和/或发电机处于基本接近最优工作点的工作点。通过在峰值效率或接近于峰值效率操作发动机和/或发电机，可改进发动机和车辆的整体燃料经济性。

在示范性实施例中，马达控制过程400根据系统的需求通过改变提供给逆变器的调制命令来给马达和/或能源提供功率(任务408)。例如，如果马达要求比发动机能提供的更多的功率(即更多的转矩)，那么双端逆变器系统中的逆变器可以被调制为从能源和发动机两者(经由发电机和整流器)给马达提供功率。可选地，如果马达要求比发动机产生(经由发电机和整流器)的功率更少的功率，则逆变器可以被调制为利用多余电能来给能源充电。

在示范性实施例中，马达控制过程400配置成监控能源的荷电状态并且确定该荷电状态是否超过了第二阈值(任务410)。此第二阈值对应于能源荷电状态的上限。第二阈值可以基于安全性和/或可靠性(即为了防止过充电)或为了燃料经济性和/或效率原因(即能源被充分充电使得发动机可以被关闭)。例如，第二阈值可以近似为能源初始荷电状态的80-90％。根据该实施例，与任务404和任务410有关的用于对能源充电和/或放电的阈值可以被调整为最大化效率(例如，电源和/或再生能源相对于例如燃料的不可再生能源的使用)和/或按需求最优化能源的寿命。

在示范性实施例中，如果荷电状态大于第二阈值，马达控制过程400配置成关闭或停止发动机(例如，通过提供命令或信号给发动机)(任务412)。在不再需要时关闭发动机允许双端逆变器系统在车辆操作期间最小化燃料消耗并最大化电能的使用。马达控制过程400然后可以重新从电能源为马达提供功率，且可以在车辆操作期间在无限期地重复任务402、404、406、408、410和412所定义的循环。

上面所述的系统和/或方法提供了一种扩大电动的和/或混合动力的车辆的工作范围同时最小化燃料消耗的方式。双端逆变器系统的其它特征，例如不同的功率流或功率传递也可以被实现。如上所述，马达的性能没有被削弱且仍然可以在马达中产生命令的转矩，同时允许多余的能量对能源充电。

在不同类型的汽车中、不同的运输工具中(例如水运工具和飞行器)或在不同的电动系统中其它实施例可以利用上述的系统和方法，因为它可以在机械能被用以扩大主电力驱动系统的范围的任何情形中实施。此外，马达和逆变器可以具有不同数量的相，并且这里所述的系统不应被解释为受限于三相设计。这里所讨论的基本原理可以被扩展到更高阶相的系统，如本领域所理解的。其它形式的能源可以被使用，比如电流源和包括二极管整流器、可控硅变换器、燃料电池、电感器、电容器和/或其任何组合的负载。

虽然在前面详细描述中给出了至少一个示范性实施例，但应当理解的是存在大量的变型。也应该理解的是，这里所讨论的一个或多个示范性实施例不打算以任何方式中限制所要求保护的主题的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供实施所描述的实施例的便利指导方针。应当理解的是，在不脱离权利要求书所限定的范围的前提下，在元件的功能和布置方面可以作出各种各样的改变，本发明的范围包括在本专利申请申请日之时的已知的和可预见的等同物。

Claims (6)

1.一种用于交通工具的电力驱动系统，包括：

配置成为交通工具提供牵引功率的电动机；

耦合至电动机的第一逆变器，该第一逆变器配置成为电动机提供交流电；

耦合至第一逆变器的第一能源，其中该第一逆变器配置成在第一能源和电动机之间提供功率流；

耦合至电动机的第二逆变器，该第二逆变器配置成为电动机提供交流电；

配置成提供机械能的内燃机；

耦合至内燃机的发电机，该发电机配置成将来自内燃机的机械能转换成电能；

耦合至第二逆变器和发电机的整流器，该整流器配置成从由发电机提供的电能中产生直流输出，

其中该第二逆变器配置成从整流器向电动机提供功率；和

耦合至第一逆变器、第二逆变器、第一能源和内燃机的控制器，其中所述控制器配置成：

监视第一能源的荷电状态；并且

如果荷电状态低于第一阈值，则：

起动内燃机；

操作第一逆变器和第二逆变器以便从内燃机向第一能源提供充电功率；并

在起动内燃机之后，如果荷电状态大于第二阈值，则停止内燃机，该第二阈值大于第一阈值。

2.如权利要求1所述的电力驱动系统，内燃机具有对应于峰值能量效率的指定的工作点，其中控制器配置成在接近该指定的工作点的工作点处操作内燃机。

3.如权利要求1所述的电力驱动系统，其中第一能源是电池。

4.一种使用双端逆变器系统控制电动机的方法，该双端逆变器系统包括耦合至第一能源的第一逆变器和耦合至整流器的第二逆变器，该第一能源具有荷电状态，其中整流器耦合至发电机，该发电机耦合至内燃机，该方法包括：

调制第一逆变器以从第一能源向电动机提供功率，该第一逆变器被耦合在第一能源和电动机之间；

监控第一能源的荷电状态；以及

如果荷电状态低于第一阈值，则：

起动内燃机；

调制第二逆变器以便通过发电机和整流器从内燃机向电动机提供功率，该第二逆变器被耦合在整流器和电动机之间；并

在起动内燃机之后，如果荷电状态大于第二阈值，则停止内燃机，该第二阈值大于第一阈值。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括调制双端逆变器系统以从整流器向电动机提供功率。

6.如权利要求4所述的方法，进一步包括调制双端逆变器系统以从整流器对第一能源充电。

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