CN101357596B - 使用带有双端逆变器系统的多相电机的系统 - Google Patents

使用带有双端逆变器系统的多相电机的系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用带有双端逆变器系统的多相电机的系统。提供用于逆变器系统的系统和装置，该逆变器系统在具有第一能源和第二能源的车辆上使用。该逆变器系统包括具有第一组绕组和第二组绕组的电动机。该逆变器系统进一步包括耦合到第一能源并用于驱动所述电动机的第一逆变器，其中，第一组绕组耦合到第一逆变器。该逆变器系统还包括耦合到第二能源并用于驱动该电动机的第二逆变器，其中，第二组绕组与第二逆变器耦合。控制器耦合到第一逆变器和第二逆变器，用以获得第一能源，第二能源和所述电动机之间所需的功率流。

Description

使用带有双端逆变器系统的多相电机的系统
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60952739的优先权。
技术领域
在此描述的主题的实施例一般涉及车辆驱动系统，更特别地，本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
近年来，技术方面的进步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。这些变化之一涉及汽车内功率使用与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。
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”的设备将直流功率转换成交流功率，其通常使用几个操作在不同时间间隔的开关或晶体管将直流功率转换成交流功率。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电机(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电机的性能。
现有技术的系统限于传统用在汽车中的三相电机的设计。但是，多相电机以多于三相的状态驱动，这些相以改进的效率操作，并且减少了所需的逆变器每相额定功率。在一些情况下，除了电机性能改善外，这可能导致功率逆变器更便宜和更紧凑。
因此，希望提供一种双端逆变器系统以适应具有超过三个电机相数的多相电动机。结合附图以及前述的技术领域和背景技术，本发明其它期望的特征与特性，都将通过接下来的详细说明和所附的权利要求书而变得显而易见。
发明内容
提供了一种用于汽车驱动系统的装置。该汽车驱动系统包含具有第一组绕组和第二组绕组的电动机。第一逆变器适于驱动该电动机，其中第一组绕组耦合到第一逆变器。第二逆变器适于驱动该电动机，其中第二组绕组耦合到第二逆变器。
提供了一种用于能量传输系统的装置。该能量传输系统包含具有第一组三相绕组与第二组三相绕组的六相电机。该能量传输系统还包含适于驱动该六相电机的双端逆变器系统。该双端逆变器系统包含耦合到该第一组三相绕组的第一逆变器以及耦合到该第二组三相绕组的第二逆变器。
提供了一种用于逆变器系统的装置，该逆变器系统用于具有第一能源和第二能源的车辆。该逆变器系统包含具有第一组绕组和第二组绕组的电动机。该逆变器系统进一步包含耦合到该第一能源的第一逆变器，该第一逆变器适于驱动该电动机，其中第一组绕组耦合到第一逆变器。该逆变器系统还包含耦合到第二能源的第二逆变器，该第二逆变器适于驱动该电动机，其中第二组绕组耦合到该第二逆变器。控制器耦合到该第一逆变器和第二逆变器。该控制器配置为控制第一逆变器和第二逆变器以获得第一能源，第二能源和该电动机之间期望的功率流。
提供本发明内容，以简要的形式介绍一些精选的概念，这些概念将在以下的详细描述中进一步说明。该发明内容不打算确定所要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不打算辅助确定所要求保护的主题的范围。
附图说明
当结合以下附图考虑时，通过参考详细描述和权利要求书将获得对本主题的更完整的理解，其中在所有附图中，相同的附图标记表示相似的元件。
图1是根据一个实施例的示范性汽车的示意图；
图2是根据一个实施例的双端逆变器系统的示意图；以及
图3是根据一个实施例的用于操作图2的双端逆变器系统的控制系统的示意图。
具体实施方式
以下的详细描述本质上仅是说明性的，并不打算限制本主题或本申请的实施例以及这些实施例的使用。正如这里所使用的，“示范性”这一词语意思是“作为示例、例子或例证。”这里描述的任何实施方式都不必解释为优选的或相对于其它实施方式是有利的。更进一步的，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零件。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/零件直接接合至另一个元件/节点/零件(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/零件直接或间接接合到另一个元件/节点/零件(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、零件或部件可以出现在所描述的主题的实施例中。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。
图1示出了根据本发明一个实施例的车辆或汽车10。汽车10包括底盘12，车身14，四个车轮16，以及电子控制系统18。车身14布置在底盘12上，并基本上封闭汽车10的其它部件。车身14与底盘12共同形成车架。每个车轮16都是在靠近车身14的相应拐角处可旋转地耦合到底盘12。
汽车10可以为许多不同类型汽车中的任意一个，例如轿车，货车，卡车，或者运动型多功能车(SUV)，并且可以是两轮驱动的(2WD)(即后轮驱动或前轮驱动)，四轮驱动(4WD)或者全轮驱动(AWD)的。汽车10也可能合并许多不同类型的发动机(engine)中的任何一个，或其组合，例如汽油或柴油内燃机，“灵活燃料型车辆”(FFV)发动机(即使用汽油和酒精的混合物)，气体化合物(例如氢气与天然气)燃料发动机，内燃/电动机混合发动机，以及电动机。
在如图1所示的示范性实施例中，汽车10进一步包括电机20(即电动机/发电机，牵引电动机等等)，第一能源22，第二能源24，功率逆变器组件26，以及散热器28。散热器28与车架在其外部连接，尽管没有详细示例，该散热器含有诸如水和/或乙二醇(即“防冻剂”)的冷却流体(即冷却剂)的多个冷却通道，并且耦合到功率逆变器组件26和电机20。在一个实施例中，功率逆变器组件26接收冷却剂并与电动机20共享该冷却剂。如图1所示，电机20也可以包括集成到其中的变速器，以电机20与该变速器通过一个或多个驱动轴30机械地耦合到车轮16中的至少一些车轮上。
如图所示，第一能源22和第二能源24与电子控制系统18和功率逆变器组件26可操作地通信和/或电耦合到电子控制系统18和功率逆变器组件26。尽管没有示出，第一能源22和第二能源24可以根据实施例而改变，并且可以是相同的类型或不同类型。在一个或多个实施例中，第一能源22和第二能源24每一个可以包含电池，燃料电池，超级电容器(ultracapacitor)，或另一个合适的电压源。电池可以是适用于所希望应用的任意类型的电池，例如铅酸电池，锂离子电池，镍金属电池，或者另一种可再充电电池。超级电容器可能包含超电容器(supercapacitor)，电化学双层电容器，或适用于所需应用的具有高能量密度的任何其它电化学电容器。
现在参考图1和图2，根据一个实施例，双端逆变器系统32适于驱动汽车10内的多相电机20。该双端逆变器系统32包括电机20，第一能源22，第二能源24，功率逆变器组件26，以及控制器34。
电机20是多相交流(AC)电机，并且包括第一组绕组36(或线圈)和第二组绕组37，其中每个绕组对应于电机20的一相。尽管没有示出，电机20包括定子总成(包括线圈)，转子总成(包括铁磁心)，以及冷却流体(即冷却剂)，如本领域技术人员理解的。电机20可以是感应电机，永磁电机，或者适用于所需应用的任意类型的电机。
在示范性实施例中，电机20为六相电机，其具有第一组绕组36和第二组绕组37，每个都对应于电隔离的三相接线结构。应该注意的是，第一组绕组绕组36和第二组绕组37是电隔离的，意味着每组绕组36和37中的电流可以被独立地控制，并且与绕组36和37的另一组绕组中的电流不同。各组绕组36和37仍然可以使用电机20产生的磁通势将能量电磁传递到绕组36和37中的另一组绕组。控制器34可以独立地控制来自每个能源22和24的功率流动的方式，以获得所需的功率流。
根据一个实施例，第一组绕组36和第二组绕组37每个都可以被配置为Y形连接。在示范性实施例中，第一组绕组36和第二组绕组37被连接起来，以在电机20中产生中性点39。线圈36和37可以被连接起来，以在电机20内部产生中性点39，这减少了定子上的端子/连接的数目(即，6个端子对12个端子)。
使用耦合到两个能源22和24的多相电机20是希望的，尤其是在混合动力/电动模式下运行的汽车10中，因为它提供了改善的可靠性。例如，如果诸如汽车10上的电池的第一能源22由于某种原因(即，寒冷或严酷的天气)出故障，多相电机20仍然可以通过第二能源24独立起动和驱动。
另外，本领域技术人员将理解的是，相比传统的较少相数(即三相)的电机，多相电机20凭借定子内这两组绕组36和37的空间位移能够提供额外的优势。例如，两组绕组36和37之间30°的空间位移可能减小或消除气隙磁通谐波以及相应的转矩谐波以及这些气隙磁通谐波所产生的转子铁心和/或铜损耗。绕组36和37的空间位移以及相连接(phase-connection)可以变化以适于所需的应用。在示范性实施例中，这两个逆变器38和40的基频是相同的，导致更接近正弦的场分布以及电流。
再次参考图2，功率逆变器组件26包括第一逆变器38和第二逆变器40，每个逆变器都包括带有反并联二极管(即，反并联于每个开关)的六个开关(例如，半导体器件，例如晶体管和/或开关)。如图所示，逆变器38和40中的开关被布置为三对(或管脚)，其中对42，44和46位于第一逆变器38内，对48，50和52位于第二逆变器40内。
在示范性实施例中，电机20的第一组绕组36的第一相(ia)电连接在第一逆变器38中的开关对42的开关之间。第一组绕组36的第二相(ic)连接在第一逆变器38中对44的开关之间，以及第一组绕组36的第三相(ie)连接在对46的开关之间。在示范性实施例中，第一相，第二相，以及第三相的相对端可以被连接以产生中性点39。相似地，在示范性实施例中，第二组绕组37的三个相(ib，id，if)可以连接在对48，50和52的开关之间，并被连接到中性点39，如图所示。
使用多相电机20能够减少每相所需的电流，而不会减少每相电压，这允许使用具有较低额定功率的第一逆变器38和第二逆变器40。结果，更小和更紧凑的双端逆变器系统32能被用来获得提高的功率密度。而且，在这种配置中，因为能源22和24电隔离，所以具有不同电压电平，额定功率，工作特性等的能源22和24可以被同时使用。与其它逆变器系统相比这尤其是有利的，实际上，要求能源22和24几乎是一样的。例如，在此情况下，高压源(≥100V)可以与12V电池一起使用来同时驱动电机20。
仍然参见图2，双端逆变器系统32也可以包括第一和第二电容器54和56，第一和第二电容器54和56分别与第一和第二能源22和24并联连接，以在操作过程中平滑电流波动。控制器34与第一和第二逆变器38和40可操作地通信和/或电连接到第一和第二逆变器38和40。控制器34响应于从汽车10的驾驶员接收的命令(即，通过加速踏板)并向第一逆变器38和第二逆变器40提供命令，以控制逆变器38和40的输出，如下面描述的。
再次参考图1，电子控制系统18与电机20，第一能源22，第二能源24以及功率逆变器组件26可操作地通信。尽管没有详细图示，但是电子控制系统18可以包括各种传感器和汽车控制模块，或电子控制单元(ECU)，例如逆变器控制模块(即，如图2所示的控制器34)和车辆控制器，以及至少一个处理器和/或包括存储在其上(或存储在另一种计算机可读介质中)的用于执行下述过程和方法的指令的存储器。
在运行期间，通过用电机20向车轮16提供功率来操作汽车10，电机20以交替的方式从第一能源22和第二能源24接收功率和/或同时从第一能源22和第二能源24接收功率。为了给电机20供电，来自第一能源22和第二能源24的直流功率被分别提供给第一和第二逆变器38和40，第一和第二逆变器38和40将直流功率转换为交流功率，如本领域中通常理解的。第一和第二逆变器38和40在绕组36和37(或相)两端产生交流电压。如通常所理解的，电机20的绕组36和37两端所要求的电压依赖于速度、命令的转矩(即命令的同步帧电流(synchronous frame current))，以及其它电机参数。
如果电机20不需要一个能源22或24的最大功率输出，来自能源22或24的额外功率可以被用来对另一个能源22或24充电。出于示例的目的并且为了简洁，讨论的似乎是第一能源22产生过多的功率给第二能源24充电，但是，本领域技术人员应该理解的是，大量可选的希望的功率流是可能的，这种区别不是限制性的，仅仅是用于参考目的。
在电机20的运行期间，除了电机20产生命令的转矩所需的功率外，第一能源22还有能力供给剩余的功率(即备用功率)。该剩余功率可以被提供至第二电压源24，并被第二电压源24储存起来，并且由于图2所示的电流指示方向，这种剩余功率可以被认为是第二电压源24的电压总线上的负直流。该备用功率可以被理解为电机20所需的功率与第一能源22的最大功率输出之间的差。
在某些运行条件下，第一能源22的最大功率输出可能小于电机20所需的功率。如果电机20需要第一能源22的最大功率输出，以及来自第二能源24的功率，控制器34可以被配置为结合第一能源22控制从第二能源24到电机20的功率流。
在其他运行条件下，第一能源22可能由于某种原因(即寒冷的温度或严酷的天气)出故障。在一个实施例中，第二能源24可以被设计为在寒冷的温度下工作，在这种情形下，控制器34可以控制从第二能源24到电机20的功率流。
绕组36和37两端的电压的许多组合可以产生电机20中需要的转矩，并获得所需的到(或来自)能源22和24以及电机20的功率流。最优工作点决定了逆变器38和40的端子两端的调制电压。本领域技术人员应理解的是，确定最优工作点的条件留给设计者，并且将根据电机20的应用，以及选取的能源22和24的类型而改变。
图3示出了根据一个实施例的利用上面所述的原理操作双端逆变器系统32中的电机20的控制系统60。高频脉宽调制(PWM)可以被控制器34用来调制与控制逆变器38和40，并且管理逆变器38和40产生的电压。控制系统60包括第一和第二PWM块68和70，以及双端逆变器系统32。
控制器34提供了一种控制算法，该算法在第一和第二能源22和24之间获得所需的功率流，同时在电机20内部产生命令的转矩。尽管没有示出，控制系统60接收电机20的转矩命令，根据该转矩命令，控制器34可以确定第一能源22(和/或第一逆变器38)和第二能源24(和/或第二逆变器40)的功率命令，以及确定电机20内的绕组36和37的同步帧电流。
如图2所示，控制器34将调制电压信号和
Figure G200810215423XD0007161828QIETU
提供给第一和第二PWM块68和70来产生PWM信号，以操作第一和第二逆变器38和40内的开关，从而使得在电机20内的绕组36和37两端施加所希望的输出电压，以用所需的转矩操作电机20。如果在双端逆变器系统32的第一逆变器38(和/或第一能源22)侧存在剩余(excess)的电压或功率，则功率从第一能源22流过绕组36，并且控制器34可以被配置为控制通过电动机20对第二能源24的电磁充电。如果双端逆变器系统32的第一逆变器38侧存在功率短缺，控制器34可以被配置为控制功率从第二能源24流入电机20。本领域技术人员应该理解的是，可以进一步修改控制系统60以合并合适的反馈信号以及本领域已知的其它方法，从而控制逆变器38和40，这已经超出了本申请的范围。
上述的系统和/或方法的一个优点是大大简化了用两个分离的能源22和24给电机20供电的电气系统，因为不需要传统的DC/DC功率转换器。使用多相电机20减少了逆变器38和40的每相电流，允许使用具有较低额定功率的更为紧凑的逆变器38和40。结果，车辆的总体成本和重量被降低。然而，如上所述，由于仍可以在电机20内部产生命令的转矩，因此电机20的性能不会受损坏，同时允许剩余功率在能源22和24之间流动。
在不同类型的汽车中、不同的交通工具中(例如水运工具和飞行器)或在不同的电气系统中其它实施例可以利用上述的系统和方法，因为其可以在两个源的电压在大范围内动态变化的场合中实施。电动机20和逆变器38和40可以有不同数量的相，以及在此所述的系统不应该解释为受限于六相设计。也可以使用能源22和24的其它形式，例如电流源和包括二极管整流器，可控硅变流器，燃料电池，电感器，电容器，和/或其任意组合的负载。
为了叙述简短起见，涉及信号处理，数据传输，信令、网络控制，以及系统(和系统的各个操作部件)的其它功能方面的传统技术在此没有详细描述。此外，包含在此的各个附图中所示的连接线是代表各种元件之间的示范性功能关系和/或物理耦合。应该注意的是，许多可选的或附加的功能关系或物理耦合可以存在于本主题的实施例中。
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 (17)

1.一种汽车驱动系统，包括：
具有第一组绕组和第二组绕组的电动机，其中所述第一组绕组与所述第二组绕组耦合以产生中性点；
适于驱动所述电动机的第一逆变器，其中所述第一组绕组耦合到所述第一逆变器；
适于驱动所述电动机的第二逆变器，其中所述第二组绕组耦合到所述第二逆变器；
耦合到所述第一逆变器的第一能源；以及
耦合到所述第二逆变器的第二能源。
2.如权利要求1所述的汽车驱动系统，其中所述电动机为六相电机。
3.如权利要求2所述的汽车驱动系统，其中所述第一组绕组包含第一三相绕组结构，并且所述第二组绕组包含第二三相绕组结构。
4.如权利要求3所述的汽车驱动系统，其中所述第一三相绕组结构被配置为Y形连接，并且所述第二三相绕组结构被配置为Y形连接。
5.如权利要求4所述的汽车驱动系统，其中所述第一三相绕组结构与所述第二三相绕组结构相连接，以产生所述中性点。
6.如权利要求1所述的汽车驱动系统，其中所述第一能源选自由第一电池以及第一超级电容器组成的组中。
7.如权利要求1所述的汽车驱动系统，其中所述第二能源选自由第二电池以及第二超级电容器组成的组中。
8.如权利要求1所述的汽车驱动系统，其中所述电动机选自由感应电机和永磁电机组成的组中。
9.一种能量传输系统，包括：
具有第一组三相绕组和第二组三相绕组的六相电机；以及
适于驱动所述六相电机的双端逆变器系统，所述双端逆变器系统包括：
耦合到所述第一组三相绕组的第一逆变器；
耦合到所述第一逆变器的第一能源；
耦合到所述第二组三相绕组的第二逆变器；以及
耦合到所述第二逆变器的第二能源。
10.如权利要求9的能量传输系统，其中所述六相电机选自由感应电机和永磁电机组成的组中。
11.一种用在具有第一能源和第二能源的交通工具中的逆变器系统，所述逆变器系统包括：
具有第一组绕组和第二组绕组的电动机，所述第一组绕组与所述第二组绕组电隔离；
耦合到所述第一能源并适于驱动所述电动机的第一逆变器，其中所述第一组绕组耦合到所述第一逆变器；
耦合到所述第二能源并适于驱动所述电动机的第二逆变器，其中所述第二组绕组耦合到所述第二逆变器；以及
耦合到所述第一逆变器和所述第二逆变器的控制器，所述控制器被配置为控制所述第一逆变器和所述第二逆变器，以获得所述第一能源，所述第二能源以及所述电动机之间所希望的功率流。
12.如权利要求11所述的逆变器系统，其中所述控制器被配置为控制来自所述第一能源的功率流，以驱动所述电动机。
13.如权利要求12所述的逆变器系统，其中所述控制器被配置为控制通过所述电动机对所述第二能源的电磁充电。
14.如权利要求11所述的逆变器系统，其中所述控制器被配置为控制通过所述电动机对所述第一能源的电磁充电。
15.如权利要求11所述的逆变器系统，其中所述控制器被配置为以同样的基频操作所述第一逆变器和所述第二逆变器。
16.如权利要求11所述的逆变器系统，其中所述第一能源具有第一额定功率，并且所述第二能源具有第二额定功率，所述第二额定功率与所述第一额定功率的比为10％至100％。
17.如权利要求11所述的逆变器系统，其中所述第一逆变器具有第一额定功率，并且所述第二逆变器具有第二额定功率，所述第一额定功率与第二额定功率是独立的。
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