CN102343833B - 用于效率改进的功率模块主动电流管理 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于效率改进的功率模块主动电流管理。具体地，提供了一种车辆，其包括电机、交流AC功率总线、功率变换器模块PIM和控制器。PIM包括半导体裸芯组件，其具有电并联设置的半导体功率开关，用于借由所述总线传输AC功率给电机。控制器确定车辆的操作模式，在PIM的阈值低电流状态期间选择并启用指定的一个开关，以及在PIM的高电流状态期间选择并启用所有开关。用于车辆的PIM组件包括裸芯组件和控制器。用于优化车辆的能量效率的方法包括：提供上述裸芯组件，自动确定操作模式，以及当操作模式对应于阈值低电流状态时选择并启用一个开关，以及在PIM的阈值高电流状态期间选择并启用所有电气开关。

Description

用于效率改进的功率模块主动电流管理
技术领域
本发明涉及车辆功率变换器模块的自动控制。
背景技术
用于推进车辆的电机通常使用较高电压的交流（AC）功率来供能，所述功率经由车载功率变换器模块（PIM）通过AC功率总线提供给电机。PIM电连接到直流（DC）能量存储系统（ESS），例如可再充电蓄电池；并且将来自ESS的DC功率自动转换为适于驱动电机的水平的AC功率。当电机作为发电机操作时，例如在再生制动事件期间，PIM的功能自动反转，使得由发电机所传输的AC功率被转换为DC功率。ESS因此被充电，以便在将来的电推进模式期间使用。
现代机动车的PIM包括半导体裸芯组件，其响应于车载控制逻辑来执行基于半导体的功率切换功能。例如，诸如金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）之类的晶体管以及二极管和其它电子部件可形成裸芯组件的一部分，以提供功率切换功能。对功率切换功能的控制最终向电机提供了必需的多相高电压AC功率。
发明内容
因此，本文提供了一种车辆，所述车辆包括：电机、高电压交流（AC）功率总线、功率变换器模块（PIM）和控制器。PIM借由AC功率总线电连接到电机，并且包括硅或半导体裸芯组件，其具有电并联设置的多个半导体功率开关，其中所述功率开关借由AC功率总线传输AC功率给所述电机。控制器具有用于确定车辆操作模式的算法。使用该算法，控制器在操作模式对应于PIM的阈值低电流状态时选择并启用所述功率开关中指定的一个、并且在所述操作模式对应于PIM的阈值高电流状态时选择并启用所有功率开关。
用于上述车辆的PIM组件包括半导体裸芯组件，其使用电并联设置在所述半导体裸芯组件内的多个功率开关通过AC功率总线传输AC功率给电机。PIM组件包括控制器，其具有适于确定车辆的操作模式的算法，所述控制器在操作模式对应于PIM的阈值低电流状态时选择并启用所述功率开关中指定的一个。所述控制器在所述操作模式对应于PIM的阈值高电流状态时选择并启用所有功率开关。
一种用于优化车辆的能量效率的方法，其中所述车辆具有PIM、控制器、以及多相电机，所述方法包括：提供半导体裸芯组件，所述半导体裸芯组件具有电并联设置的多个功率开关，其中半导体裸芯组件将AC功率传输给电机；并且其中，控制器确定车辆的操作模式。所述方法还包括：当操作模式对应于PIM的阈值低电流状态时经由控制器仅选择并启用所述功率开关中的一个；以及，当所述操作模式对应于PIM的阈值高电流状态时经由控制器选择并启用所有功率开关。
本发明还包括以下方案：
方案1. 一种车辆，包括：
电机；
高电压交流AC功率总线；
功率变换器模块PIM，所述PIM经由所述AC功率总线电连接到所述电机，其中，所述PIM包括半导体裸芯组件，所述半导体裸芯组件具有电并联设置的多个半导体功率开关，所述功率开关可操作用于经由所述AC功率总线来传输AC功率至所述电机；和
控制器，所述控制器具有适于确定所述车辆的操作模式的算法；
其中，所述控制器在所述操作模式对应于所述PIM的阈值低电流状态时选择并启用所述功率开关中指定的一个，以及在所述操作模式对应于所述PIM的阈值高电流状态时选择并启用全部所述功率开关。
方案2. 根据方案1所述的车辆，其中，所述控制器通过将来自所述电机的参考相电流与校准阈值进行比较来确定所述操作模式。
方案3. 根据方案1所述的车辆，其中，所述控制器可操作用于跟踪各功率开关的先前使用信息，以及基于所述先前使用信息来交替使用各功率开关。
方案4. 根据方案1所述的车辆，其中，所述裸芯组件包括一对栅极引脚，且所述PIM包括一对栅极电阻，每个栅极电阻与所述栅极引脚中相应的一个串联连接。
方案5. 根据方案4所述的车辆，还包括关于所述对的栅极电阻设置的附加电阻，所述附加电阻适于在所述多个开关中的每一个被同时启用时最小化在所述对的栅极电阻上的振荡。
方案6. 一种用于车辆的功率变换器模块PIM组件，所述车辆具有多相电机和高电压交流AC功率总线，所述PIM组件包括：
半导体裸芯组件，所述半导体裸芯组件适于使用电并联设置在所述裸芯组件内的多个半导体功率开关通过所述AC功率总线将AC功率传输到所述电机；和
控制器，所述控制器具有适于确定所述车辆的操作模式的算法；
其中，所述控制器在所述操作模式对应于所述PIM的阈值低电流状态时选择并启用所述功率开关中指定的一个，以及在所述操作模式对应于所述PIM的阈值高电流状态时选择并启用全部所述功率开关。
方案7. 根据方案6所述的PIM组件，其中，所述控制器通过将来自所述电机的参考相电流与校准阈值进行比较来确定所述操作模式。
方案8. 根据方案6所述的PIM组件，其中，所述控制器跟踪各功率开关的先前使用信息，以及基于所述先前使用信息在各功率开关之间进行交替。
方案9. 根据方案6所述的PIM组件，其中，所述裸芯组件包括一对栅极引脚，且所述PIM包括一对栅极电阻，每个栅极电阻与所述栅极引脚中相应的一个电串联地连接。
方案10. 根据方案9所述的PIM组件，还包括关于所述对的栅极电阻设置的附加电阻，并且所述附加电阻适于在所述多个功率开关被同时启用时最小化所述对的栅极电阻上的振荡。
方案11. 一种用于优化车辆的能量效率的方法，所述车辆具有功率变换器模块PIM组件、多相电机、以及将所述PIM组件电连接到所述电机的高电压交流AC功率总线，所述方法包括：
提供半导体裸芯组件，所述半导体裸芯组件具有电并联设置的多个半导体功率开关，其中所述裸芯组件将AC功率传输给所述电机；
自动确定所述车辆的操作模式；
当所述操作模式对应于所述PIM的阈值低电流状态时，使用控制器选择并启用所述功率开关中的一个；和
当所述操作模式对应于所述PIM的阈值高电流状态时，使用所述控制器选择并启用全部所述功率开关。
方案12. 根据方案11所述的方法，还包括：
通过将来自所述电机的参考相电流与校准阈值进行比较来确定所述操作模式。
方案13. 根据方案11所述的方法，还包括：跟踪各功率开关的先前使用信息，以及通过使用所述先前使用信息在各功率开关之间进行交替。
方案14. 根据方案11所述的方法，其中，所述裸芯组件包括一对栅极引脚，且所述PIM包括一对栅极电阻，每个栅极电阻均与所述栅极引脚中相应的一个电串联地连接，所述方法还包括：
关于所述对的栅极电阻设置附加电阻；以及
在所述多个开关中的每一个被同时启用时，使用所述附加电阻来最小化在所述对的栅极电阻上的振荡。
通过对用于实施本发明的最佳模式的下述详细说明并结合附图，本发明的上述特征和优势以及其它特征和优势将显而易见。
附图说明
图1是具有功率变换器模块（PIM）组件的车辆的示意图，所述PIM组件配置有如本文所述的半导体裸芯组件和功率切换逻辑；
图2是根据一个实施例的用于如图1所示的车辆的PIM组件的示意性电路图；
图3是根据另一实施例的用于图2中的PIM组件的示意性电路图；以及
图4是描述了用于选择和启用如本文所述的PIM组件的功率开关的方法的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中在全部的数个附图中，相同的附图标记对应于相同或类似的部件，如图1所示的车辆10包括功率变换器模块（PIM）32和控制算法100。车辆10可配置为具有经由三相PIM供电的一个或多个电动机/发电机单元（MGU）的任何车辆，例如混合动力电动车辆（HEV）、插电式HEV（PHEV）、蓄电池电动车辆（BEV）和增程式HEV（EREV）等。算法100可如下文描述的那样通过指定的控制器来选择性地执行，其中控制器和PIM 32形成了车辆10上的PIM组件。算法100可在PIM的一定阈值负荷或电流状态期间被执行，以便优化车辆10的能量效率。
将在下文参考图4详细描述的算法100结合用作功率开关的专门设计的硅或半导体裸芯（die）组件50（如参考图2和图3在下文所描述的那样）来工作。当车辆10的操作模式对应于PIM 32的阈值低电流状态时，指定的控制器选择并启用半导体裸芯组件50内的指定的一个或多个功率开关；当操作模式对应于PIM的阈值高电流状态时，指定的控制器选择并启用所有功率开关，如下文所述。
在一个实施例中，车辆10可包括内燃发动机（E）12和相应的第一MGU 14和第二MGU 15。取决于车辆配置，所述MGU中的一个（例如，MGU 14）可用于选择性地曲柄发动并起动发动机12（如图1中通过虚线所示），或选择性地为车辆10提供动力；而第二MGU 15可以被用于在发动机工作时选择性地给车辆提供动力（即，发动机辅助），或者在仅电动（EV）操作模式期间处于发动机关闭时选择性地给车辆提供动力。车辆10的其它单个或多个MGU配置也是可能的，包括不需要发动机的EV配置，或者其中任一个或两个MGU都可用作推进车辆所用的牵引电机的多MGU配置。
控制器16和17分别电连接到MGU 14和15，并且电连接到PIM 32。控制器16、17可以被编程以控制对应的MGU的功能。控制器16、17中的每一个还可编程而具有算法100，或提供有对算法100的访问途径，算法100的执行对在各种阈值PIM电负荷和/或低电流状况下PIM 32内功率开关的选择和启用进行控制。在一个实施例中，控制器16、17可依赖于次级控制器，例如与高级或主控制器18通信的电机控制处理器（MCP），例如本领域熟知的混合动力控制处理器（HCP），但是取决于车辆的设计，算法100可由车辆10上的其它控制器主管和/或执行。
车辆10还包括具有输入构件22和输出构件24的变速器20。发动机12的传动轴26可借由离合器28选择性地连接到输入构件22。变速器20可配置为能够借由输出构件24将扭矩传送到驱动车轮30的电动无级变速器或任何其它合适变速器。
仍参考图1，取决于车辆设计，每个MGU 14、15可配置为额定在大约60 VAC至大约300 VAC或更高的多相电机。每个MGU 14、15可经由高电压直流（DC）功率总线29、PIM 32和高电压交流（AC）功率总线129电连接到高电压能量存储系统（ESS）25。在再生制动事件期间，ESS 25例如可通过经由MGU 14捕获能量来选择性地再充电。
车辆10还可包括辅助功率模块（APM）34，例如DC-DC功率转换器，其经由DC功率总线电连接到ESS 25。APM 34还可经由低电压功率总线19电连接到辅助蓄电池（AUX）35，例如12伏DC蓄电池；以及适于给车辆10上的一个或多个辅助系统（例如挡风玻璃雨刮器、无线电收音机、电动门锁等）供电。
控制器16、17可集成到单个车辆控制装置中，或配置为与MGU 14、15中的每一个电连通的分布式车辆控制装置。控制连接可包括任何所需的传送导体，例如适合于传送和接收所需电控制信号的硬线或无线控制联接或路径，用于车辆10上合适的功率流控制和协调。控制器16、17可包括例如对于执行车辆10上全部所需诊断功能而言可能必须的这种控制模块和能力。控制器16、17和18可配置为数字计算机，其具有微处理器或中央处理单元、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、电可擦除可编程只读存储器（EPROM）、高速时钟、数模（A/D）和模数（D/A）电路、输入/输出电路和装置（I/O）、以及合适的信号调节和缓冲电路。
参考图2，电路40包括图1中的PIM 32。PIM 32继而包括与中央处理单元（CPU）42通信的逻辑电路44。CPU 42自身可由图1中的控制器16和17中的任一个或两者主管，或可以是PIM或另一合适主机装置的一部分。如本领域中普通技术人员将理解的，HEV、EREV、BEV或使用PIM的任何其它车辆具有不同操作模式，例如节气门全开、在水平表面或在明显坡度道路上的后退或前进行驶、以及低速行驶等。
在这些操作模式中的一些中，PIM必须是电负荷的，使得电机扭矩能够在需要时立即传送到指定的牵引电机。鉴于此，用于切换的裸芯组件通常设置成使得这种裸芯的功率开关设置成电并联，其中电流流动通过典型配置中的四个并联的开关。然而，在PIM未负荷时的低电流操作模式中，小量的电流必须移动通过所有四个并联的开关，其实践可能导致在PIM中的开关和传导损失。
在如图2或图3所示那样地配置并且结合如图4中所述的算法100使用时，如图1所示的PIM 32通过提供对PIM内使用的每个半导体功率开关的直接访问和控制从而有助于最小化这种能量损失。识别当前操作模式/PIM电负荷水平，且在该操作模式期间仅启用最小数量的所需功率开关。例如，在节气门全开（wide open throttle）状况下，电流可被引导通过所有功率开关。当电流水平接近零或阈值最低水平时，可选择并启用少至一个指定功率开关。所选择的功率开关可基于先前的使用信息被交替使用，以便最小化对任何给定功率开关的磨损或使用。
在一个可能实施例中，且再次参考如图2所示的结构，图1中的PIM 32还包括：具有继电器43的逻辑电路44；经由闭合时经过继电器43的电流传输来选择性地供电的栅极驱动器电路46；栅极电阻48；用于偏置栅极驱动器电路46的偏置电源49、以及相应高位半导体裸芯组件50和低位开关半导体裸芯组件150。ESS 25电连接到半导体裸芯组件50、150中的每一个，以及电连接到偏置电源48。
CPU 42（例如，图1中的控制器16或17或者另一控制器的CPU）电连接到逻辑电路44内的继电器43，并且接收来自于MGU 14的相电流反馈信号11，其中，指定控制器可通过将信号11所指示的参考相电流与校准阈值进行比较来确定图1中车辆10的操作模式。半导体裸芯组件50、150（两者都可替代性地实施为单一装置）中的每一个的输出侧输送到给定MGU（即，图1中的MGU 14或15中的一个）的指定的相绕组60中。虽然为了简明起见在图2中示出了仅一个相绕组60，但是三相MGU中的其余两个相绕组中每个都类似地连接到同样的半导体裸芯组件50、150。
电阻48包括一对电阻，其对应于容纳在半导体裸芯组件50内的不同栅极。半导体裸芯组件50包括二极管64和一对晶体管62，其适于作为功率半导体开关13（在下文称为功率开关）操作，并且藉此基于来自CPU 42的指令根据需要实现电压接通和关闭。这些指令基于PIM 的电流状态被确定，即PIM负荷、或上文所述的具体对应的车辆操作模式，如下文参考图4所述。半导体裸芯组件50要求栅极引脚52的数量等于其中所使用的晶体管62的数量，其中，两个栅极引脚在图2示出，作为使用两个晶体管的实施例。每个栅极引脚52与对应电阻48串联连接。
参考图3，在替代性实施例中，逻辑电路44和栅极驱动器电路46的顺序相对于其如图2所示的位置互换，且电阻47定位在逻辑电路和栅极驱动器电路之间。电阻47的阻抗值可基于电阻48的阻抗值来选择。如本领域中普通技术人员将理解的那样，当半导体裸芯组件50的两个功率开关13被接通时，在栅极电阻48上可出现振荡。在如图3所示的位置存在附加电阻47可有助于减轻这种振荡。
参考图4，算法100针对半导体裸芯组件50被描述，但是半导体裸芯组件150或者为了简洁起见在此未示出的用于其它电气相（electrical phases）的半导体裸芯组件也可以按照本算法中的步骤被控制。算法100在步骤102开始，其中探测到车辆10的当前操作模式。当控制器16配置为MCP时，图2和图3的相电流反馈信号11（例如，来自于MGU 14）可借由控制器16来确定。替代性地，如果控制器18配置为HCP，那么其可用指令模式发送信号给控制器16。一旦在步骤102使用任何合适手段探测到操作模式，则算法100就推进到步骤104。
在步骤104，算法100确定在步骤102中所探测的操作模式是否是PIM 32的预定低电流状态，即不需要如图1所示PIM 32的先前电气负荷的车辆操作模式。例如，当零或接近零的相电流由控制器16指令并且在步骤102被探测到，那么指示了PIM 32的低电流状态。在步骤102不必需要识别具体车辆操作模式，而是仅确定当前探测到的模式是否对应于PIM 32的阈值低电流状态，用于此的开关隔离状况如下文所述来保证。如果在步骤102探测的模式是低电流状态，那么算法100推进到步骤106，而如果所述模式不是低电流状态，那么算法100改为推进到步骤105。
在步骤105，选择在半导体裸芯组件50中的所有功率开关13，且电流通过电并联的所有功率开关传送到图2和图3中的MGU 14的不同的相绕组60。算法100推进到步骤107。
在步骤106，在步骤104确定了当前模式是低电流模式之后，选择一个或多个功率开关13。对于零至接近零的电流，可使用单个功率开关而不是以常规方式使用电并联设置的所有功率开关13，但是取决于模式，还可能使用少于所述总数量的任何数量的功率开关。
如上所述，多于车辆10操作时间的一半以上都存在PIM 32的低电流状态。为了避免过度使用同一功率开关13，步骤106能够任选地包括对先前使用信息的跟踪，以及基于先前使用信息在半导体裸芯组件50的不同开关之间进行交替。例如，对于在给定的半导体裸芯组件50中的给定的两个功率开关13，控制器16可在半导体裸芯组件中的功率开关之间进行交替，或者只要给定功率开关被致动就将计数器递增以便跟踪先前的使用。于是，算法100可在首先查询计数器之后在步骤106选择功率开关13。由此，可避免一个功率开关相对于另一功率开关的过度使用和可能的过早失效。算法100于是推进到步骤108。
在步骤107，算法100启用电并联的所有功率开关13，且因此给MGU 14的不同相绕组60供电。接着，算法100重复步骤102以确定操作模式是否变化。
在步骤108，算法100启用被先前指定或者在步骤106选定的功率开关13，且因此仅通过选定的功率开关来给MGU 14的不同相绕组60供电。然后，算法100重复步骤102以确定操作模式是否变化。
如上所述的算法100的执行使所使用的功率开关13的数量更紧密地匹配实际上需要的数量，这是基于车辆操作模式来进行的。因此最小化能量成本。例如，在半导体裸芯组件中的各个功率开关中发生的能量损失可通过启用仅一个功率开关13而不是两个来减半，从而对于低电流模式的持续时间而言可以节约多达15 W的功率。类似地，在图2和图3中的半导体裸芯组件50、150内的能量耗散（作为热量存在）可减少，其中经由偏置功率源发生在栅极驱动器电路46的功率消耗水平中的能量损失也减少。总体而言，算法100对于在PIM 32的零至低的电负荷操作点处的增加的PIM效率提供了可能的降低成本的方法。
虽然已经详细描述了用于实施本发明的最佳模式，但是本发明所属领域的技术人员将认识到落入所附权利要求书范围内的用于实施本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (14)

1.一种车辆，包括：
电机，具有相绕组；
高电压交流AC功率总线；
功率变换器模块PIM，所述PIM经由所述AC功率总线电连接到所述电机，其中，所述PIM包括半导体裸芯组件，所述半导体裸芯组件具有电并联设置的多个半导体功率开关，所述功率开关可操作用于经由所述AC功率总线来传输AC功率至所述电机的相绕组；和
控制器，所述控制器构造成确定所述车辆的操作模式；
其中，所述控制器在所述操作模式对应于所述PIM的阈值低电流状态时选择并启用所述功率开关中指定的一个或少于所有的多个，以及在所述操作模式对应于所述PIM的阈值高电流状态时选择并启用全部所述功率开关，以使得在所述PIM的阈值低电流状态和阀值高电流状态时电流通过所有被启用的功率开关流至相绕组。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器通过将来自所述电机的参考相电流与校准阈值进行比较来确定所述操作模式。
3.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器可操作用于跟踪各功率开关的先前使用信息，以及基于所述先前使用信息来交替使用各功率开关。
4.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述裸芯组件包括一对栅极引脚，且所述PIM包括一对栅极电阻，每个栅极电阻与所述栅极引脚中相应的一个串联连接。
5.根据权利要求4所述的车辆，还包括关于所述一对栅极电阻设置的附加电阻，所述附加电阻适于在所述多个开关中的每一个被同时启用时最小化在所述一对栅极电阻上的振荡。
6.一种用于车辆的功率变换器模块PIM组件，所述车辆包括具有相绕组的多相电机和高电压交流AC功率总线，所述PIM组件包括：
半导体裸芯组件，所述半导体裸芯组件适于使用电并联设置在所述裸芯组件内的多个半导体功率开关通过所述AC功率总线将AC功率传输到所述电机的相绕组；和
控制器，所述控制器具有适于确定所述车辆的操作模式的算法；
其中，所述控制器在所述操作模式对应于所述PIM的阈值低电流状态时选择并启用所述功率开关中指定的一个或少于所有的多个，以及在所述操作模式对应于所述PIM的阈值高电流状态时选择并启用全部所述功率开关，并且其中在所述PIM的阈值低电流状态和阀值高电流状态时电流通过所有被启用的功率开关流至相绕组。
7.根据权利要求6所述的PIM组件，其中，所述控制器通过将来自所述电机的参考相电流与校准阈值进行比较来确定所述操作模式。
8.根据权利要求6所述的PIM组件，其中，所述控制器跟踪各功率开关的先前使用信息，以及基于所述先前使用信息在各功率开关之间进行交替。
9.根据权利要求6所述的PIM组件，其中，所述裸芯组件包括一对栅极引脚，且所述PIM包括一对栅极电阻，每个栅极电阻与所述栅极引脚中相应的一个电串联地连接。
10.根据权利要求9所述的PIM组件，还包括关于所述一对栅极电阻设置的附加电阻，并且所述附加电阻适于在所述多个功率开关被同时启用时最小化所述一对栅极电阻上的振荡。
11.一种用于优化车辆的能量效率的方法，所述车辆具有功率变换器模块PIM组件、具有相绕组的多相电机、以及将所述PIM组件电连接到所述电机的高电压交流AC功率总线，所述方法包括：
提供半导体裸芯组件，所述半导体裸芯组件具有电并联设置的多个半导体功率开关，其中所述裸芯组件将AC功率传输给所述电机的相绕组；
通过控制器自动确定所述车辆的操作模式；
当所述操作模式对应于所述PIM的阈值低电流状态时，使用控制器选择并启用所述功率开关中的一个或少于所有的多个；和
当所述操作模式对应于所述PIM的阈值高电流状态时，使用所述控制器选择并启用全部所述功率开关；
其中在所述PIM的阈值低电流状态和阀值高电流状态时电流通过所有被启用的功率开关流至相绕组。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
通过将来自所述电机的参考相电流与校准阈值进行比较来确定所述操作模式。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括：跟踪各功率开关的先前使用信息，以及通过使用所述先前使用信息在各功率开关之间进行交替。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述裸芯组件包括一对栅极引脚，且所述PIM包括一对栅极电阻，每个栅极电阻均与所述栅极引脚中相应的一个电串联地连接，所述方法还包括：
关于所述一对栅极电阻设置附加电阻；以及
在所述多个开关中的每一个被同时启用时，使用所述附加电阻来最小化在所述一对栅极电阻上的振荡。
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