CN101683834A - 移相载波信号脉宽调控功率变换器的电气系统及操作方法 - Google Patents

移相载波信号脉宽调控功率变换器的电气系统及操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及移相载波信号脉宽调控功率变换器的电气系统及操作方法。提供了使用移相载波信号脉宽调制控制功率变换器的系统和方法。电气系统包括能量源和马达。所述马达具有彼此电绝缘的第一组绕组和第二组绕组。变换器模块联接在所述能量源和所述马达之间，且包括联接到所述第一组绕组的第一组相腿和联接到所述第二组绕组的第二组相腿。控制器联接到所述变换器模块，且设置成通过使用第一载波信号调制所述第一组相腿和使用第二载波信号调制所述第二组相腿来在所述能量源和所述马达之间实现期望功率流。所述第二载波信号相对于所述第一载波信号被移相。

Description

移相载波信号脉宽调控功率变换器的电气系统及操作方法
关于联邦政府资助研究或研发的声明
[0001]美国政府在本发明中享有已付许可和在受限环境中要求专利权人根据美国能源部裁决的合同号DE-FC26-07NT43123的条款所提供的合理条款来许可他人的权利。
技术领域
[0002]本文所述的本发明实施例总体上涉及车辆驱动系统，且更具体地，本发明实施例涉及具有变换器驱动系统的电动和/或混合动力车辆。
背景技术
[0003]近年来，技术的发展以及样式的不断尝试已经引起机动车设计的显著变化。所述变化之一涉及机动车内的各种电气系统的功率使用和复杂性，尤其是替代燃料车辆，如混合动力、电动和燃料电池车辆。
[0004]许多电气部件，包括用于这些车辆中的电动马达，从交流(AC)电源接收电功率。然而，用于这种应用中的电源(例如，蓄电池)仅仅提供直流(DC)功率。因而，称为“功率变换器”的装置用于将DC功率转换为AC功率，通常采用多个开关或晶体管，以各种间隔操作以便将DC功率转换为AC功率。
[0005]通常，电容器设置成在DC能量源和功率变换器之间电并联，以减小电压脉动。该电容器(通常称为DC链路电容器或大容量电容器)必需具有足够大的电容和额定功率来处理操作期间的峰值RMS脉动电流。这通常导致使用比所需更大的电容器，因为难以找到具有合适的电容和额定电流的电容器。通常，电容器在从约500微法(体积约0.9升)到约1000微法(体积约4.0升)的范围内。因而，当与变换器一起包装时，电容器通常占据功率变换器模块的总体积的30％-40％。因而，这限制了减小功率变换器模块的尺寸、重量和成本的能力。
发明内容
[0006]提供一种用于车辆中的电气系统的设备。所述电气系统包括能量源和马达。所述马达具有彼此电绝缘的第一组绕组和第二组绕组。变换器模块联接在所述能量源和所述马达之间。所述变换器模块包括联接到所述第一组绕组的第一组相腿和联接到所述第二组绕组的第二组相腿。控制器联接到所述变换器模块，且设置成通过使用第一载波信号调制所述第一组相腿和使用第二载波信号调制所述第二组相腿来在所述能量源和所述马达之间实现期望功率流。所述第二载波信号相对于所述第一载波信号被移相。
[0007]在另一实施例中，提供一种用于机动车驱动系统的设备。所述机动车驱动系统包括能量源和电动马达。所述电动马达具有第一绕组和第二绕组。所述第一绕组和所述第二绕组电绝缘且各对应于所述电动马达的第一相。变换器模块联接到所述能量源，且包括联接到所述第一绕组的第一相腿和联接到所述第二绕组的第二相腿。控制器联接到所述变换器模块，且设置成使用第一载波调制所述第一相腿和使用第二载波调制所述第二相腿。所述第二载波相对于所述第一载波被移相。
[0008]提供一种操作变换器模块的方法，所述变换器模块设置成驱动电动马达。所述电动马达具有联接到所述变换器模块的第一组相腿的第一组绕组和联接到所述变换器模块的第二组相腿的第二组绕组。所述方法包括使用第一载波信号调制所述第一组相腿和使用第二载波信号调制所述第二组相腿。所述第二载波信号相对于所述第一载波信号具有相移。
[0009]提供该发明内容是为了以简化形式介绍构思的选择，所述构思在具体实施方式中进一步描述。该发明内容不打算识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不打算用来帮助确定要求保护的主题的范围。
附图说明
[0010]通过参考具体实施方式和权利要求书结合附图可以获得本发明的更完整的理解，在附图中，相同的附图标记表示同样的元件。
[0011]图1是根据一个实施例的适合于在车辆中使用的示例性电气系统的框图；
[0012]图2是根据一个实施例的适合于与图1的电气系统一起使用的移相载波信号的曲线图；
[0013]图3是示例性脉宽调制信号相对于切换循环的曲线图，示出了根据一个实施例的图2的移相载波的效果；
[0014]图4是根据一个实施例的适合于与图1的电气系统一起使用的移相载波信号的曲线图；
[0015]图5是示例性脉宽调制信号相对于切换循环的曲线图，示出了根据一个实施例的图4的移相载波的效果；和
[0016]图6是与根据一个实施例的使用移相载波信号的示例性电气系统相比，用于常规系统的电容器电流与输出电流的比值相对于调制指数的曲线图。
具体实施方式
[0017]以下详细说明性质上仅为示范性的，且并不打算限定本发明的实施例或这种实施例的应用和使用。如本文所使用的，词“示例性”指的是“用作示例、例子或说明”。本文所述的任何实施方式不必理解为相比于其它实施方式是优选的或有利的。另外，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的或隐含的理论。
[0018]以下说明指的是被“联接”在一起的元件或节点或特征。如在此使用的，除非另有明确声明，“联接”指的是直接或间接结合到(或与其直接或间接连通)其它元件/节点/特征的一个元件/节点/特征，而不必是机械地结合。因而，虽然本文所示的示意图描绘了元件的示范性布置，但是在所描绘主题的实施例中可以存在附加的中间元件、装置、特征、或部件。此外，短语“第一”、“第二”和其它这种指代结构的数字项并不隐含次序或顺序，除非被文章清楚指出。
[0019]为了简便起见，本文不详细描述与信号发送、电流感测、马达控制和该系统(和所述系统的独立操作部件)的其它功能方面有关的常规技术。此外，本文包含的各个附图所示的连接线旨在表示各个元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应当注意的是，在本发明的实施例中可以存在许多替代的或附加的功能关系或物理连接。
[0020]本文讨论的技术和构思涉及用于使用功率变换器模块操作电动马达的系统和方法。在一个示例性实施例中，所述电动马达实现为具有两组绕组的三相马达，其中，每组绕组是一组三相绕组。第一组绕组由变换器模块中的第一组相腿控制，第二组绕组由变换器模块中的第二组相腿控制。第一组相腿通过相对于第一载波信号产生脉宽调制(PWM)信号来控制，第二组相腿通过相对于第二载波信号产生PWM信号来控制。得到的DC链路电容器脉动电流减小，从而允许在将变换器模块联接到能量源时使用较小的DC链路电容器。
[0021]图1示出了适合于用作车辆102的机动车驱动系统的电气系统100的示例性实施例。在一个示例性实施例中，电气系统100包括而不限于能量源104、功率变换器模块106、马达108和控制器110。电容器112可以联接在能量源104和变换器模块106之间，使得电容器112和能量源104电并联。在这方面，电容器112可以可选地称为DC链路电容器或大容量电容器。在一个示例性实施例中，控制器110操作变换器模块106以在能量源104和马达108之间实现期望功率流且减小脉动电流，如下文所述。
[0022]车辆102优选实现为机动车，例如，轿车、旅行车、货车、或运动型多用途车(SUV)，并可以是两轮驱动(2WD)(即，后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)、或全轮驱动(AWD)。车辆102也可以具备多个不同类型的发动机(例如，汽油或柴油燃料燃烧发动机、“灵活燃料车辆”(FFV)发动机(即，使用汽油与乙醇的混合物)、气态混合物(例如，氢与天然气)燃料发动机、燃烧/电动马达混合动力发动机、以及电动马达)中的任一种或其组合。在这方面，能量源104可以包括蓄电池、燃料电池(或燃料电池组)、超电容器、受控发电机输出或其它合适的电压源。所述蓄电池可以是适合于在期望应用中使用的任何类型的蓄电池，例如铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍金属蓄电池或其它可再充电蓄电池。
[0023]在一个示例性实施例中，马达108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108的相，如下文更详细地描述的那样。虽然未示出，但是马达108包括定子组件(包括线圈)、转子组件(包括铁磁芯)和冷却流体(即，冷却剂)，如本领域技术人员应当理解的那样。马达108可以是感应马达、永久磁体马达或适合于期望应用的任何类型。虽然未示出，但是马达108也可以包括在其中整体形成的变速器，使得马达108和变速器通过一个或更多驱动轴机械地联接到车辆102的车轮中的至少一些。
[0024]在图1所示的示例性实施例中，马达108实施为三相AC马达，具有第一组三相绕组(包括绕组114，116和118)和第二组三相绕组(包括绕组115，117和119)。在这点上，马达108可以理解为具有双三相绕组配置。应当理解的是，虽然电气系统100在本文中在三相马达的上下文中描述，但是本文所述的主题与马达的相数无关。
[0025]在一个示例性实施例中，第一组三相绕组和第二组三相绕组彼此电绝缘，且具有相同或一致的绕组结构。即，第一组绕组的第一(例如，相A)绕组114具有与第二组绕组的第二(例如，相A)绕组115相同的绕组系数。此外，两个相A绕组114，115电绝缘且在马达108的定子中占据(或共用)相同的槽。类似地，两个相B绕组116，117具有相同的绕组系数且在定子中占据相同的槽，两个相C绕组118，119具有相同的绕组系数且在定子中占据相同的槽。应当理解的是，相A，B和C的标记是为了便于说明且不旨在以任何方式限制本发明。
[0026]在一个示例性实施例中，两组绕组各设置为Y形连接。例如，第一组绕组中的每个绕组的一端在共同节点处连接到第一组中的其它绕组的端部。即，绕组114、绕组116和绕组118的相同端在共同节点处连接和/或终止。在第一组绕组和第二组绕组具有相同的绕组结构的一个示例性实施例中，绕组115、绕组117和绕组119的端部与第一组绕组一样在相同的端部处在第二共同节点处连接和/或终止。
[0027]在图1所示的示例性实施例中，功率变换器模块106包括具有反并联二极管(即，与每个开关反并联的二极管)的12个开关(例如，半导体器件，如晶体管和/或开关)。优选地，开关使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)实现。如图所示，变换器模块106中的开关设置成6个腿(或6对)，腿120，122，124各联接到绕组114，116和118的相应端(即，绕组未连接的端部，以形成Y形连接)，腿121，123，125各联接到绕组115，117和119的相应端。在这点上，腿120联接到第一相A绕组114，腿122联接到第一相B绕组116，腿124联接到第一相C绕组118。类似地，腿121联接到第二相A绕组115，腿123联接到第二相B绕组117，腿125联接到第二相C绕组119。因而，腿120和121可以一起称为相A腿，腿122和123可以一起称为相B腿，腿124，125是相C腿。
[0028]在一个示例性实施例中，控制器110与变换器模块106可操作通信且/或电联接到变换器模块106。控制器110响应于从车辆102的驾驶员(例如，经由加速踏板)接收的指令且提供指令给变换器模块106，以控制变换器相腿120，121，122，123，124，125的输出。在一个示例性实施例中，控制器110设置成使用高频脉宽调制(PWM)来调节和控制变换器模块106，如下文所述。控制器110提供PWM信号以操作变换器相腿120，121，122，123，124，125内的开关，以便使得输出电压施加在马达108内的绕组114，115，116，117，118，119上，以使用指令扭矩操作马达108。虽然未示出，但是控制器110可以响应于从电子控制单元(ECU)或车辆102内的其它控制模块接收扭矩指令而产生用于马达108的各相的电流和/或电压指令。此外，在一些实施例中，控制器110可以与ECU或者其它车辆控制模块整体形成。
[0029]在一个示例性实施例中，控制器110基于扭矩指令、能量源104的电压、马达108的角速度和电气系统100的其它可能操作参数来确定马达108的各个相的电流和/或电压指令，下文称为“指令信号”。控制器110然后通过以已知方式将指令信号与载波信号进行比较来产生变换器模块106中的开关的PWM信号。例如，控制器110可以通过使用求交方法来产生变换器相腿120，121，122，123，124，125的PWM信号。由此，指令信号与载波信号(例如三角形波形或者锯齿波形)进行比较，且通过在指令信号的值大于载波信号时将开关设置为高(或接通状态)来产生PWM信号。产生PWM信号的各种方法是熟知的，且不在本文详细描述。
[0030]在一个示例性实施例中，控制器110设置成通过使用第一载波信号产生相腿120，122，124的开关的PWM信号来调节第一组相腿120，122，124且通过使用第二载波信号产生相腿121，123，125的开关的PWM信号来调节第二组相腿121，123，125。根据一个实施例，控制器110设置成确定或识别变换器模块106的调节模式。例如，取决于电气系统100的实时操作，可以期望使用不同的PWM技术，例如连续PWM或不连续PWM，以减小电气系统100的损失或不希望的谐波。在一个示例性实施例中，控制器110基于所识别的调节模式通过将相移增加到第一载波信号来确定第二载波信号。在这点上，第一载波信号和第二载波信号可以理解为交错的。
[0031]现在参考图2和图3，在一个示例性实施例中，如果调节模式被识别为连续调节模式，那么控制器110通过将90°(或π/2弧度)相移增加到第一载波信号(载波1)来确定第二载波信号(载波2)。如本文使用的那样，连续调节模式应当理解为一组相腿中的每个相腿在每个切换周期中的至少一部分内改变状态的模式。应当理解的是，虽然图2示出了载波信号为三角形波形，但是本文所述的主题并不限于任何具体的载波波形。在一个示例性实施例中，控制器110使用第一载波信号(载波1)来产生第一组相腿120，122，124的第一PWM信号(PWM1)且使用第二载波信号(载波2)来产生第二组相腿121，123，125的第二PWM信号(PWM2)，如图3所示。
[0032]参考图3，应当理解的是，高状态旨在表示相应变换器相腿中的顶开关接通的状况，低状态旨在表示相应变换器相腿中的底开关接通的状况。如第一组相腿的PWM信号(PWM1)所示，相腿120，122，124在0°，180°和360°时均处于相同的状态。这与常规连续PWM调节一致，其中，一组中的所有变换器相腿在切换周期的开始(0°)、中间(180°)和结束(360°)时处于相同的状态。如果第二组相腿的PWM信号PWM2使用与第一组相腿相同的载波(例如，载波1)产生，电容器112将在切换周期的0°，180°和360°时与马达108有效地隔离或断开。马达电流均流经变换器106中的相腿，且从而将在马达电流在切换循环中的这些点之后被允许流经电容器112时产生脉动电流或冲流。因而，由于连续PWM调节相对于载波循环的180°(或π弧度)或一半对称，所以选择90°相移，以使得马达108引起的脉动电流的抵消最大化，从而减小必须流经电容器112的脉动电流。
[0033]现在参考图4和5，在一个示例性实施例中，如果调节模式被识别为不连续调节模式，那么控制器110通过将180°(或π弧度)相移增加到第一载波信号来确定第二载波信号。如本文使用的那样，不连续调节模式应当理解为一组相腿中的至少一个相腿在每个切换周期中不改变状态的模式。在一个示例性实施例中，控制器110使用第一载波信号(载波1)来产生第一组相腿120，122，124的第一DPWM信号(DPWM1)且使用第二载波信号(载波2)来产生第二组相腿121，123，125的第二DPWM信号(DPWM2)，如图5所示。
[0034]参考图5，应当理解的是，高状态旨在表示相应变换器相腿中的顶开关接通的状况，低状态旨在表示相应变换器相腿中的底开关接通的状况。如第一组相腿的PWM信号(DPWM1)所示，第一组相腿120，122，124在0°和360°时均处于相同的状态。这与常规不连续PWM调节一致，其中，一组中的所有变换器相腿在切换周期的开始(0°)和结束(360°)时处于相同的状态。如果第二组相腿的PWM信号DPWM2使用与第一组相腿相同的载波(例如，载波1)产生，电容器112将在切换周期的0°和360°时与马达108有效地隔离或断开。马达电流均流经变换器106中的相腿，且从而将在马达电流被允许流经电容器112时产生脉动电流或冲流。因而，由于不连续PWM调节相对于360°(或2π弧度)或完整载波循环对称，所以选择180°相移，以使得马达108引起的脉动电流的抵消最大化，从而减小必须流经电容器112的脉动电流。
[0035]仍参考图2-5，由于移相载波信号，变换器模块106的每个相腿120，121，122，123，124，125承载马达108的相应相的所需电流的一半。例如，第一相A腿120承载流经第一相A绕组114的指令相A电流的一半，第二相A腿121承载流经第二相A绕组115的指令相A电流的一半。马达108的相A经历的有效电流是经过相A绕组114，115的电流的总和(等于指令相A电流)。
[0036]现在参考图6，通过以这种方式使用移相载波：电容器112经历的峰值RMS脉动电流可以相对于常规三相变换器系统减少二分之一(a factor of two)。例如，如图6的示例性情况(KC的最差情况或者峰值)所示，对于使用移相载波的系统来说，与常规系统相比，电容器电流与马达108的总输出电流的比值减少二分之一。因而，电容器112消耗的最大功率减小四分之一。脉动电流的频率也相对于常规三相变换器系统倍增。因而，电容器112的电容可以减小，电容器112的体积相对于常规系统减小到四分之一。使用移相载波也使得马达通量经历的变换器切换频率谐波倍增，从而导致更成正弦形的马达通量。
[0037]总之，上述系统和/或方法提供一种途径来减小DC链路电容器经历的峰值RMS脉动电流，从而减小功率变换器模块的体积和重量。移相载波被用于产生马达内的单独三相组的PWM信号，以使得变换器模块抵消的脉动电流最大。如上所述，马达的性能不受影响且指令扭矩仍可以在马达内产生。
[0038]其它实施例可以在不同类型的机动车、不同车辆(例如，船舶和航空器)或者在不同的电气系统中使用上述系统和方法，因为它可以在期望减小由功率模块引起的脉动电流的任何情况下使用。此外，马达和变换器可以具有不同数量的相，且本文所述的系统不应理解成限制为三相设计。本文所述的基本原理可以扩展到较高阶的相系统，这是本领域可以理解的。
[0039]虽然已经在上述详细描述中说明了至少一个示意性实施例，但应当理解存在大量的改变示例。还应当理解的是，示意性实施例或这里所述的实施例并不意在以任何方式对要求保护的本发明主题的范围、应用或构造构成限制。相反，上述详细描述将向本领域的技术人员提供实施所述实施例的便捷途径。应当理解，可对器件的功能及设置进行各种改变而不脱离所附权利要求界定的范围，上述各种改变包括现已公知的等价物及在递交本专利申请时可预见的等价物。

Claims (20)

1.一种用于车辆中的电气系统，所述电气系统包括：
能量源；
马达，所述马达具有第一组绕组和第二组绕组，所述第一组绕组与所述第二组绕组电绝缘；
联接在所述能量源和所述马达之间的变换器模块，所述变换器模块包括：
联接到所述第一组绕组的第一组相腿；和
联接到所述第二组绕组的第二组相腿；以及
联接到所述变换器模块的控制器，所述控制器设置成通过以下方式来在所述能量源和所述马达之间实现期望功率流：
使用第一载波信号调制所述第一组相腿；和
使用第二载波信号调制所述第二组相腿，所述第二载波信号相对于所述第一载波信号被移相。
2.根据权利要求1所述的电气系统，还包括联接到所述变换器模块和所述能量源的电容器，其中，所述电容器与所述能量源电并联。
3.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制器设置成：
识别变换器模块的调节模式；和
通过增加相移到第一载波信号来确定第二载波信号，其中，所述相移基于所述调节模式。
4.根据权利要求3所述的电气系统，其中，如果调节模式是连续调节模式，那么控制器设置成通过增加90°相移到第一载波信号来确定第二载波信号。
5.根据权利要求3所述的电气系统，其中，如果调节模式是不连续调节模式，那么控制器设置成通过增加180°相移到第一载波信号来确定第二载波信号。
6.根据权利要求1所述的电气系统，其中：
所述第一组绕组包括第一组三相绕组；且
所述第二组绕组包括第二组三相绕组，其中，所述第一组三相绕组和所述第二组三相绕组具有相同的绕组结构。
7.根据权利要求6所述的电气系统，其中：
所述第一组相腿包括三个相腿，每个相腿连接到所述第一组三相绕组的相应相；且
所述第二组相腿包括三个相腿，每个相腿连接到所述第二组三相绕组的相应相。
8.一种机动车驱动系统，包括：
能量源；
电动马达，所述电动马达包括第一绕组和第二绕组，所述第一绕组和所述第二绕组电绝缘，其中所述第一绕组和所述第二绕组各对应于所述电动马达的第一相；
联接到所述能量源的变换器模块，所述变换器模块包括：
联接到所述第一绕组的第一相腿；和
联接到所述第二绕组的第二相腿；以及
联接到所述变换器模块的控制器，所述控制器设置成：
使用第一载波调制所述第一相腿；和
使用第二载波调制所述第二相腿，所述第二载波相对于所述第一载波被移相。
9.根据权利要求8所述的机动车驱动系统，其中，所述第一绕组和所述第二绕组具有相同的绕组结构。
10.根据权利要求8所述的机动车驱动系统，其中，所述控制器设置成：
识别变换器模块的调节模式；和
基于所述调节模式确定第二载波。
11.根据权利要求10所述的机动车驱动系统，其中，如果调节模式是连续调节模式，那么控制器通过增加90°相移到第一载波来确定第二载波。
12.根据权利要求10所述的机动车驱动系统，其中，如果调节模式是不连续调节模式，那么控制器通过增加180°相移到第一载波来确定第二载波。
13.根据权利要求10所述的机动车驱动系统，其中：
所述电动马达还包括第三绕组和第四绕组，所述第三绕组和所述第四绕组电绝缘；
所述第三绕组和所述第四绕组各对应于所述电动马达的第二相；
所述变换器模块还包括：
联接到所述第三绕组的第三相腿；和
联接到所述第四绕组的第四相腿；以及
所述控制器设置成：
使用所述第一载波调制所述第三相腿；和
使用所述第二载波调制所述第四相腿。
14.根据权利要求13所述的机动车驱动系统，其中：
所述电动马达还包括第五绕组和第六绕组，所述第五绕组和所述第六绕组电绝缘；
所述第五绕组和所述第六绕组各对应于所述电动马达的第三相；
所述变换器模块还包括：
联接到所述第五绕组的第五相腿；和
联接到所述第六绕组的第六相腿；以及
所述控制器设置成：
使用所述第一载波调制所述第五相腿；和
使用所述第二载波调制所述第六相腿。
15.根据权利要求8所述的机动车驱动系统，还包括联接到所述变换器模块和所述能量源的电容器，其中，所述电容器与所述能量源电并联。
16.根据权利要求8所述的机动车驱动系统，其中，所述能量源选自包括蓄电池、燃料电池、超电容器和发电机输出的组。
17.一种操作用于电动马达的变换器模块的方法，所述电动马达具有联接到所述变换器模块的第一组相腿的第一组绕组和联接到所述变换器模块的第二组相腿的第二组绕组，所述方法包括：
使用第一载波信号调制所述第一组相腿；和
使用第二载波信号调制所述第二组相腿，所述第二载波信号相对于所述第一载波信号具有相移。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
识别变换器模块的调节模式；和
基于所述调节模式来确定第二载波信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，确定第二载波信号包括：如果调节模式是连续调节模式，那么增加90°相移到第一载波信号。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，确定第二载波信号包括：如果调节模式是不连续调节模式，那么增加180°相移到第一载波信号。
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