CN102398527B - 车辆的永磁体/感应电机驱动的集成充电器-逆变器 - Google Patents

车辆的永磁体/感应电机驱动的集成充电器-逆变器 Download PDF

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Abstract

一种车辆，包括使用离车AC电源的电功率充电的能量存储系统(ESS)、牵引功率逆变器模块(TPIM)、一个或两个电机、和控制器。TPIM具有两个逆变器。控制器对TPIM的指定半导体开关和电机的指定电感线圈供电，以将来自AC电源的电源增压，用于在车辆不运行时对ESS充电。通过两个电机，接触器允许第一电机的电感线圈作为输入滤波器连接到第一逆变器的开关，滤波器且额外的半导体开关布置在ESS和第二逆变器开关的输出侧之间。控制器通过对TPIM的指定半导体开关和电机的电感线圈供电而对ESS充电，以在不适用车载电瓶模块的情况下对ESS充电。

Description

车辆的永磁体/感应电机驱动的集成充电器-逆变器
技术领域
本发明涉及一种用于对高压电池快速充电的集成充电器-逆变器，这种电池类型用于为电动车或混合动力车上的永磁体/感应类型车辆驱动电机进行供电。
背景技术
电动车(EV)和插入式混合动力车(plug-in hybrid electric vehicle：PHEV)使用可充电能量存储系统(ESS)，以将电能输送到一个或多个永磁体/感应类型驱动电机。电机按照需要交替地从ESS获取电功率和将电功率输送到ESS。EV和PHEV动力传动系统的其他主要电部件是牵引功率逆变模块(traction power inverter module)、DC/DC转换器和高压车载电池充电模块。电池充电模块被插入到标准120VAC或220VAC电源插座，以在车辆不运行时为ESS充电。
发明内容
相应地，本文提供了一种车辆，其取消了上述独立的车载电池充电模块。替代地，车辆使用指定的大功率半导体器件和一个或两个永磁体/感应类型驱动电机的电感线圈，来快速地对能量存储系统(ESS)充电。常规的车载电池充电模块在车辆不被充电时缺少实际的作用，且因此其使用增加了车辆的固定负载。而且，这种电池充电模块提供了相对低的约1.2kW到约3.3kW的充电功率，这又会延长充电时间。在充电操作中使用220VAC功率输出与使用120VAC电源相比会减少总的充电时间。但是，充电速率仍受到相对较低的最常规车载电池充电模块功率输出的限制。而且，220VAC电源通常不如较慢的120VAC电源那样能容易地获得。
本文公开了两种充电电路或拓扑结构，一种可用于双电机车辆驱动构造，而另一种用于单电机车辆驱动构造。每种拓扑结构都完全取消了车载电池充电模块，且替代地用双电感牵引功率逆变模块(TPIM)的指定高功率半导体开关和一个或两个电机的指定电感线圈来为ESS提供快速的充电操作。TPIM和电机(一个或多个)在车载电瓶充电模块工作时空闲。因此，这些装置可被用来为ESS的快速充电提供升降压或纯升压操作。
具体说，本文提供一种车辆，其具有用来自离车AC电源的电力充电的高压ESS，具有两个逆变器的TPIM，电机以及控制器，其中每个所述逆变器具有多个半导体开关。电机被配置为永磁体/AC感应机，其具有多个电感线圈。控制器(例如电机控制处理器或其他合适的装置)选择性地对TPIM的指定半导体开关和电机的指定电感线圈供电，以让来自离车AC电源的电源升压，并由此快速地为ESS充电。
第一拓扑结构用于在车辆具有两个驱动电机时，例如在车辆被配置为插入式油电混合车辆(PHEV)时提供升降压电路，以使电源升压。当车辆是仅具有一个驱动电机的电池电动车(BEV)时，使用第二种拓扑结构，每种拓扑结构都不需要或在任何时候都不使用额外的/独立电池充电模块。第一拓扑结构增加了一对额外的功率开关，例如诸如继电器或接触器的固态装置和额外的半导体开关。第二拓扑结构缺少额外的驱动电机，且提供了纯增压电路，以用输入滤波器代替使用被省略的第二驱动电机的电感线圈来升压电源。
还提供控制器以使用来自离车AC电源的电功率对ESS充电。控制器包括主机，该主机被编程为或以其他方式可运行，以选择性地对TPIM的第一和第二逆变器的指定半导体开关以及电机的指定线圈供电，以便将来自离车AC电源的电源升压，由此在车辆不运行时为ESS快速地充电。
对ESS充电的方法包括使用TPIM的第一逆变器的指定半导体开关，以由来自离车AC电源的输入电源产生整流电压。该方法还包括使用电机的指定电感线圈来产生输出电压，输出电压是整流电压的函数。随后使用输出电压为ESS充电。
可以选择第二逆变器的一个指定半导体开关的占空比，以控制用于ESS充电的输出电压。当车辆包括第二电机时，接触器与第二电机的指定电感线圈和第一逆变器的指定半导体开关结合使用，以产生整流电压。额外的半导体开关被激活，以将整流电压作为输出电压传送给链路电容器，由此对ESS充电。
在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
附图说明
图1是具有控制器的车辆的示意性显示，其使用双逆变器TPIM的半导体开关和一个或两个驱动电机的电感线圈，以如本文所述地那样快速地为高压能量存储系统(ESS)充电。
图2是显示了用于为图1所示的车辆的一个可行实施例的ESS充电的第一拓扑结构的电路示意图；
图3是图2所示的电路的等效电路的的电路示意图，显示了用于为ESS充电的升降压操作；
图4是显示了用于为图1所示车辆的另一可行实施例的ESS充电的第二拓扑结构的电路示意图；
图5是图4所示的电路的等效电路的电路示意图，显示了用于为ESS充电的升降压操作；和
图6是用于使用TPIM和一个或两个驱动电机为ESS充电的方法的流程图。
具体实施方式
参见附图，在几幅图中相同的附图标记代表相同或类似的部件，车辆10显示于图1中，具有驱动电机16。可选的第二驱动电机14也根据车辆的配置被使用。即，在一个可行实施例中，车辆10可以配置为插入式混合动力车(PHEV)，其使用电机14和16二者的电机扭矩，所述电机扭矩分别被传输至电机输出构件140和160。来自指定电机(例如电机14)的扭矩可以被利用以提供动力，从而在这种实施例中有助于内燃发动机(未示出)的曲轴运动和启动。来自电机14、16中之一或二者的扭矩可用于经由它们各自的输出构件140和160推进车辆10。为了简要，在图1中省略了发动机、传动装置和最终驱动部件。
替换地，车辆10可以构造为具有仅一个电机(例如电机16)且没有发动机的电池电动车(BEV)。车辆10的一个实施例包括牵引功率逆变模块(TPIM)18，其具有两个功率逆变器22、23。电机控制处理器或控制器26可以电连接到电机14和/或16并适于控制到发动机(一个或多个)和来自发动机(一个或多个)的速度、模式和功率流。控制器26可以是单个装置，如图所示，或其功能可以在不同装置之间分配。此外，充电算法100存在于控制器26中，或可以被控制器容易地执行，以在车辆10不运行时和在车辆电连接到离车AC电源50时快速地对高压电能存储系统能够(ESS)进行充电，如图2-5所示。
本文公开了两种不同的电路布局或拓扑结构，一个用于上述的相应双电机实施例，另一个用于上述的单电机实施例。在每种拓扑结构中，不管车辆采用的电机数量，车辆10的特点在于没有传统的车载高压电池充电模块。替代地，车辆10的控制器26控制电机16的指定定子绕组或电感线圈21和TPIM 18的功率逆变器22、23的指定半导体开关，以便快速地对ESS 24充电。当使用电机14时，控制器26指定电机14的一些电感线圈20执行功率滤波功能。电感线圈可以如参照图4和5在下文中所述地添加，以在不包括电机14时执行相同的电源滤波功能。
仍然参见图1，电机14和16是多相永磁类型/AC感应类型电机，每个额定大致60VAC到约300VAC或更多，取决于车辆的设计。电机14、16经由高压DC总线线路(bar)38、TPIM 18和多相高压AC总线线路39电连接到ESS 24。当电机活动地工作为发电机时，ESS 24可以当电机作为发电机主动地运行时使用来自电机14、16的电机扭矩被选择性地充电，例如通过在再生制动事件中获取能量。
车辆10的其他高压电器件可以包括辅助电源模块(APM)40，例如DC-DC电源逆变器，其经由DC总线线路38电连接到ESS 24。APM 40可以经由低压总线线路41电连接到低压辅助电池42，例如12VDC电池，并适于为车辆上的一个或多个辅助系统(未示出)供电。
例如参见图2，第一拓扑结构12可以用于上述类型的双电机驱动系统，例如使用图1的电机14和16二者的PHEV。离车AC电源50可以经由电插头52连接到车辆10，以在车辆10不运行时，例如在晚上停靠在车库中时，启动ESS24的插入充电。可选输入滤波器30可以与接触器56结合使用。输入滤波器30可以包括电磁兼容(EMC)滤波器和感应耦合(未示出)。如果不需要EMC滤波器或感应耦合，则接触器56可以省略。
额外的半导体开关17和接触器25选择性地被图1的控制器26控制，例如通过传送通/断信号，以在需要时启动相应的装置。额外的半导体开关17电连接在ESS24和电机16的半导体开关151、153、155、157的输出侧之间。开关17和这里所用的任何其他功率开关可以被配置为绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管对、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和二极管对，或任何合适的功率开关。为了简明，在多个附图中显示了IGBT。接触器25可以被配置为螺线管接触器或其他固态开关装置，但是其他的开关设计(不论是半导体的还是固态的)也可以被用作开关和/或接触器，这取决于设计和所需的开关性能。
电机14的指定导电线圈20可以包括电感线圈71和73。其余电感线圈75并未被指定用于充电操作。接触器25将电机14的指定电感线圈电连接到逆变器22的半导体开关22。TPIM 18的逆变器22包括半导体开关51、53、55、和57。半导体开关51、53、55、和57组合起来和电机14的接触器25以及电感线圈71和73一起形成整流电路11。在对ESS 24充电时并未使用TPIM 18的两个额外的半导体开关59。
电机16包括电感线圈171、173和175。TPIM 18的逆变器23包括半导体开关151、153、155、和157，它们与电感线圈171和173一起可以提供升降压电路13，用于对ESS 24快速充电。两个额外的开关159被包括在TPIM18的逆变器23中，但是也如半导体开关59一样并未用于对ESS 24充电。
图1的控制器26断开接触器25，以启动充电操作，例如通过将阶跃信号发送到接触器，指示螺线管启动。半导体开关17在正常车辆运转中接通，并在车辆10并未运行时在充电操作中被控制器26断开。输出电压随后在ESS 24和并联连接电容器27上产生，所述并联连接电容器即有助于对图1所示的车辆10上的高压DC总线线路38进行滤波的电子器件。
参见图3，示出了在ESS 24的充电操作中图2的第一拓扑结构12中的活跃器件的等效电路60。升压操作通过升降压电路13提供。在图3中仅将图2中的一部分半导体开关的IGBT和二极管彼此分开地示出，以更清楚地显示充电操作中提供的功率流。即，任何在ESS 24的充电操作中没有使用的IGBT和二极管部件在图3中都被省略，以利简要。
在充电操作中，接触器25(见图2)断开，图2的半导体开关17的IGBT保持导通，且整流电压(VRECT)通过图1所示的整流电路11被累加。在升降压电路13的升压操作中，半导体开关151和157的IGBT断开，用于在一个开关循环中实现校准占空比。作为结果，电流61如所示地一样流动，以在电感线圈171和173上积累能量(见图2)，通过电感器82在图3中显示了这两个电感线圈的等效电感。
当半导体开关151和157的IGBT导通时，半导体开关17的二极管防止ESS 24在通过升降压电路13提供的升压操作中短路。当半导体开关151和157的IGBT在同一开关周期的其余循环中断开时，电流161被允许沿所示方向流过开关153、155的二极管，且在ESS 24上提供输出电压(VOUT)。输出电压(VOUT)83可以被计算为VOUT＝VRECT(D/(1-D))，D代表占空比。对升压操作来说，D的值必须大于0.5。
图2的滤波器30和接触器56可能在第一拓扑结构中并不需要，因为电感线圈71和73的等效电感(由电感器81代表)足够大，能消除任何开关脉动和任何其他不期望的电流瞬变或峰值。同样，上述电感器82足够大，以使得可以使用约20kHz的更低开关频率。通过升降压电路13提供的升压操作可以为输入AC电源50提供接近1的功率因数修正，即大于约0.95。
如上所述，本文参考图2和3所述的两个电机驱动系统可以用于PHEV，而不需要额外的车载电池充电器，由此减小动力传动系统的成本和尺寸。仅需要一个接触器和一个额外的半导体开关，即图2所示的接触器25和额外的半导体开关17。因为图1的TPIM 18和电机14、16已经额定用于高功率，所以可以使用来自上述装置的半导体开关和电感线圈来进行高功率快速充电。
可以在一个可行实施例中提供约10kW的充电功率，这是一个不会显著地使TPIM 18和电机14、16的使用寿命降低的水平。例如，根据设计，TPIM18额定用于约85kW到约120kW，从而可以采用比10kW高得多的功率水平。但是，在充电功率和TPIM的工作寿命之间存在权衡。此外，整流电路是二极管全波整流器，且因此不需要AC电源50的正/负工作循环的开关对的切换，这进一步简化了图2拓扑结构的控制。
参见图4，第二拓扑结构13可以用于单电机驱动系统，例如BEV，其中车辆保持双电机驱动系统的TPIM 18。尽管TPIM 18具有两个逆变器22、23(见图1)，但是让单电机驱动车辆的构造保持TPIM 18允许了器件的通用性，即需要存储以及采购较少数量的器件，这取决于PHEV相对于BEV的相对市场，可能会具有一定的价值。
因为仅使用一个电机，即电机16，所以电机14的电感线圈20不可用作单电机驱动构造中的线路滤波器。因此，可以增加额外的输入滤波器90，其具有电感线圈92和电容94，所述每一个电子部件都如本领域所理解地被尺寸设定为能提供所需的管线调节量。指定的电感线圈21(即电机16的电感线圈171、173)形成增压感应器，且TPIM 18的半导体开关51、53、55和57在第二拓扑结构中形成整流电路11。线圈171、173的等效感应由一个感应器95在附图5中示出。
半导体开关155和157提供了用于对ESS 24充电的纯增压电路113。图2的第一拓扑结构12的半导体开关17并不用于第二拓扑结构13。此外，第二拓扑结构13中，图1的高压总线条39按照箭头98所示地布置，即半导体开关55的输出侧电连接在半导体开关151和154之间，在该处也连接有电机16的电感线圈171的一端。所有其他器件相对于如上所述的第一拓扑结构保持不变。
参见图5，显示了用于对单电机驱动构造中的ESS 24进行充电操作的等效电路160。如图3那样，图5仅显示了这些半导体开关器件，例如IGBT和二极管，它们在充电操作中是激活的。当半导体开关157的IGBT导通开且半导体开关155关断时，电流261流过电感器95。
电感器95具有等于电机16的电感线圈171和173组合在一起的电感值，且足够大以使得可以如图2的第一拓扑结构12那样使用更低的开关频率，例如约20kHz。能量从经整流的电压传送到电感器95(箭头185)。当半导体开关157的IGBT关断时，半导体开关155的二极管导通。结果，流过电感器95的电流被输送到链路电容器27，如箭头361所示，且在ESS 24处提供输出电压183。
作为纯增压操作，半导体开关153的占空比(D)控制输出电压，即VOUT＝VRECT/(1-D)。仅需要由箭头98所示的图4中布置的特定总线线路和额外输入滤波器90。针对第一拓扑结构如上所述的所有其他优点和特征可应用于第二拓扑结构。每种拓扑结构提供了来自常规车载电池充电模块可用功率的约300％到800％的充电功率，由此极大地改善了充电时间。消除了车载充电器的成本和重量，而当使用约10kW的充电功率时在电机14和/16以及TPIM18工作寿命方面有可忽略的降低。
参见图6，当车辆10停止且图2和4的AC电源50电连接到车辆时，充电算法100被图1的控制器26选择性地执行。图6中通过(*)显示了这些初步的步骤。算法100有效地以步骤102开始，其中，控制器26评估一组车辆状况，以判断ESS 24的充电是否被激活。例如，控制器26可以评估车辆10的运行状态，如通过判断发动机是否运转，点火是否启动，传动装置是否处于接合之中，AC电源50是否插入等。在一个实施例中，控制器26可以评估ESS的充电状态，以判断是否需要充电。如果这组车辆状况表明不应该开始充电操作，则算法100可以循环重复步骤102，直到状况表明不同的情形。当充电被激活时，算法100前进到步骤104。
在步骤14，控制器26如上所述地激活TPIM 18的指定半导体开关和电机16的指定电感线圈，以使用这些部件开始充电操作。电机14的电感线圈也可以用在具体参见图2和3所述的双电机驱动构造中。根据双电机驱动构造中控制器26的需求，图2的接触器25和半导体开关17也可以被提供能量或不提供能量，而当电机14未被使用时由电机14的电感线圈提供的滤波可以通过图4所示的电感器92和电容器94来提供。一旦充电开始，则算法100前进到步骤106。
在步骤106，控制器26将ESS24的充电状态与校准阈值比较。当充电状态超过阈值时，算法100前进到步骤108，否则循环重复步骤104和106，直到超过阈值。
在步骤108，控制器26通过将如上所述的步骤104的供电步骤颠倒而不继续充电操作。算法100结束，通过图6中(**)表示，且车辆19准备好以其正常运行模式使用。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (7)

1.一种车辆，包括：
高压能量存储系统，其可使用离车AC电源的电功率充电；
牵引功率逆变模块，具有第一和第二逆变器，每个逆变器包括多个半导体开关；
永磁体/感应类型电机，具有多个电感线圈；和
控制器，能用于选择性地为多个半导体开关的指定半导体开关和多个电感线圈的指定电感线圈供电，以由此使来自所述离车AC电源的电源增压，由此在车辆未运行时快速地对能量存储系统充电，
其中，整流电路部分地由来自第一逆变器、作为至少一些指定半导体开关的半导体开关形成，且其中增压电路用来自第二逆变器、作为至少一些指定半导体开关的半导体开关以及所述电机的指定电感线圈提供。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述多个半导体开关包括绝缘栅双极晶体管（IGBT）和二极管对，以及金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）和二极管对之一。
3.如权利要求1所述的车辆，其中，所述电机包括第一电机和第二电机，还包括：
接触器，将所述第一电机的电感线圈与所述第一逆变器的半导体开关电连接；和
额外的半导体开关，在所述能量存储系统与所述第二逆变器的半导体开关的输出侧之间电连接；
其中，所述控制器选择性地激活所述接触器和所述额外的半导体开关，以便将来自离车AC电源的电源增压并由此为所述能量存储系统充电。
4.如权利要求1所述的车辆，还包括：
输入滤波器，具有感应器和电容器，且适于将来自所述离车AC电源的电源滤波。
5.一种控制器，用于使用来自离车AC电源的电功率对高压能量存储系统充电，该控制器能用在车辆中，该车辆具有能量存储系统、带有第一和第二逆变器的牵引功率逆变器模块、和至少一个永磁体/感应类型电机，其中，所述控制器包括主机，该主机能运行，以选择性地对所述牵引功率逆变模块的第一和第二逆变器的指定半导体开关以及所述电机的指定电感线圈供电，以便将来自所述离车AC电源的电源增压，由此在所述车辆未运行时快速地对所述能量存储系统充电，
其中，所述控制器对来自所述第二逆变器的指定半导体开关形成的增压电路以及所述电机的指定电感线圈供电，以将来自所述离车AC电源的电源增压。
6.如权利要求5所述的控制器，其中，所述第一和第二逆变器的指定半导体开关包括绝缘栅双极晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），且其中，所述控制器能运行，以将开关信号传送到所述指定半导体开关中每一个的相应IGBT或MOSFET，以对所述能量存储系统充电。
7.如权利要求5所述的控制器，其中，所述电机包括第一电机和第二电机，且其中，所述车辆包括接触器，该接触器适于将所述第一电机的电感线圈电连接到所述第一逆变器的半导体开关，且所述车辆还包括额外的半导体开关，该额外的半导体开关在所述能量存储系统和所述第二逆变器的半导体开关的输出侧之间电连接；
其中，所述控制器选择性地激活所述接触器和所述额外的半导体开关，以将来自所述离车AC电源的电源增压，由此对所述能量存储系统充电。
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