CN103144551A - 用于控制电动车的电动机的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于控制电动车的电动机的系统和方法。所述方法包括：由控制单元接收向电动机提供驱动电力的电池的输出电压、电动机的速度和转矩；由控制单元通过使用电池的输出电压、电动机的速度和转矩来产生基于磁通量的电流控制图；以及由控制单元通过使用基于磁通量的电流控制图来产生电流控制命令。

Description

用于控制电动车的电动机的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制电动车的电动机的系统和方法。更特别地，本发明涉及一种用于有效且可靠地控制电动车(例如混合动力车)的电动机的系统和方法。

背景技术

电动车通常利用来自电池的电力驱动。电动车可以是仅使用来自电池的电力的纯电动车、或者组合使用来自电池的电力和来自内燃发动机的动力的混合动力车。

一种用于电动车的电动机是内置式永磁同步电动机(IPMSM)，其通常能够输出较高的每单元体积转矩和效率。在许多情况下，由根据实验得到的电池输出电压(逆变器输入电压)状态构成的基于速度的电流控制图被应用以控制IPMSM的转矩。

然而，通常必须获得与速度和转矩控制命令相关的多个实验数据来构成基于速度的电流控制图。因此，不幸的是，生成基于速度的电流控制图需要花费相对较长的时间。

此外，如果车辆的电池电压低于电流控制图的参考电压，那么车辆的电池由于缺少电压而在电流控制期间变得不稳定，并且如果电池电压高于电流控制图的参考电压，那么就无法使系统的效率最大化并且需要额外的算法来提高系统的效率。

图6是根据常规技术的基于速度的电流控制命令决定方法的示意图。三相交流电动机接收诸如具有三相的电压和电流之类的变量，并将三相变量转换成具有a、d、q和0轴的直角坐标系变量。该坐标转换通常用于对交流(AC)电动机进行建模或分析。

如图6所示，根据常规技术的基于速度的电流控制方法使用预定表格，该预定表格确定与转矩控制命令和电动机速度相对应的d轴电流控制命令(i^r _ds*)和q轴电流控制命令(i^r _qs*)。该常规方法能够稳定地控制转矩。然而，该常规方法需要额外的算法来完成该操作。因为常规方法仅接收转矩控制命令和电动机速度来产生电流控制命令，所以在不使用额外算法的情况下很难对电池的电压波动做出响应并有效地操作电动机系统。因此，常规方法需要额外的算法(例如当电池的输出电压不足时的电压利用率限制逻辑，以及当产生过剩的输出电压时的电压波动补偿逻辑)。

此外，常规方法必须在所有电动机速度中保留扫描时间来产生电流控制命令，并且控制稳定性与输出改进有冲突。因此，简而言之，常规的基于速度的电流控制方法具有用于补偿电池的电压波动的额外逻辑，并且限制性地反映电池的电压波动。

另外，常规方法是当电池的电压波动时改变电流控制图中的电动机速度值的离线控制方法和间接控制方法。因此，由于常规方法不能实时反映当前车辆状态，所以难以反映实际的电压波动。

本背景技术部分中公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景技术的理解，并且因此可能包含不构成对本领域普通技术人员而言在该国已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明致力于提供一种用于控制电动车的电动机的系统和方法，其具有以下优点：即使当电池的电压波动时仍能保持控制稳定性，通过克服由电动机的误差产生的限制来提高控制精确性，以及通过应用于诸如混合动力车之类的电动车来提高燃料效率和动力性能。

本发明的示例性实施例提供了一种用于控制电动车的电动机的系统和方法，其包括：接收向电动机提供驱动电力的电池的输出电压、电动机的速度和转矩；使用电池的输出电压、电动机的速度和转矩，来产生基于磁通量的电流控制图(current control map)；以及使用基于磁通量的电流控制图来产生电流控制命令。

该系统和方法还可以包括：产生作为电池的输出电压和电动机的速度的比率的驱动点比率，并通过使用电动机的速度和转矩来产生转矩控制命令。更具体地，可以通过使用驱动点比率和转矩控制命令来产生基于磁通量的电流控制图。该方法还可以包括根据电流控制命令来产生电压控制命令。

电池的输出电压(V_dc)、电动机的速度(ω_r)以及驱动点比率(1/λ_max)可以满足以下等式：

$\sqrt{{{\mathrm{\λ}}_d}^2+{{\mathrm{\λ}}_q}^2}\≤\frac{V_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\ω}}_r}={\mathrm{\λ}}_{\max }$

特别地，λ_d表示d轴的磁链(magnetic flux interlinkage)并且λ_q表示q轴的磁链，并且λ_max表示V_dc和ω_r的比率。该系统和方法还可以包括：通过反馈接收电压控制命令，以便把电压控制命令反映到电压利用率控制器对驱动点比率(1/λ_max)的产生中。电压利用率控制器可以接收d轴和q轴的电压控制命令的反馈值(V_{d，q_ref})，并响应于此而改变驱动点比率(1/λ_max)以使电压利用率为1。另外，可以使用电压控制命令来产生相电压控制命令。

根据本发明的示例性实施例，可以动态地产生电流控制图以减少产生电流控制图所需的时间量，并且在电流控制图中反映电池的电压波动使得即使当电池的电压发生波动时仍能保持控制稳定性。此外，可以通过控制电压利用率以克服由于电动机参数和误差的分布而发生的限制，来提高控制精确性。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的用于控制电动车的电动机的系统的示意图。

图2是根据本发明的示例性实施例的用于控制电动车的电动机的方法的流程图。

图3是根据本发明的示例性实施例的用于控制电动车的电动机的系统的示意图。

图4是根据本发明的示例性实施例的用于控制电动车的电动机的系统和方法的实验图。

图5是根据常规技术的用于控制电动机的系统和方法的实验图。

图6是根据常规技术的用于控制电动机的系统和方法的示意图。

<附图标记的说明>

10：逆变器(MCU)

100：HCU

200：BMS

300：TCU

400：电压利用率控制器

500：电流控制部

600：比例积分控制器

700：相电压控制部

具体实施方式

在下文中将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。

应该理解的是，本文中使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括一般的机动车辆(诸如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的客车)、包括各种艇和船在内的水运工具、飞行器等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车、氢动力车以及其它代用燃料车(例如从除石油以外的资源中取得的燃料)。如本文中所述，混合动力车是具有两个或更多个动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。

此外，本发明的控制逻辑可以实施为包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的非短暂计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于ROM、RAM、压缩盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可以分布在网络连接的计算机系统中，使得计算机可读介质以分布式方式(例如通过服务器或网络)被存储和执行。另外，尽管示例性实施例被描述为使用一个控制单元来执行上述处理，但应理解的是，上述处理也可以由多个控制单元、控制器、处理器等执行。

图1是根据本发明的示例性实施例的用于控制电动车的电动机的系统的示意图，图2是根据本发明的示例性实施例的用于控制电动车的电动机的方法的流程图，并且图3是根据本发明的示例性实施例的用于控制电动车的电动机的系统和方法的示意图。

如图1至图3所示，根据本发明的示例性实施例的用于控制电动车的电动机的系统和方法可以包括：在步骤S10，在控制单元处接收来自向电动机提供驱动电力的电池的输出电压、电动机的速度和转矩；在步骤S20，通过使用电动机的速度和转矩，来产生作为电池的输出电压和电动机的速度的比率的驱动点比率(1/λ_max)、并产生转矩控制命令(T*_e)；在步骤S30，通过使用在控制器处接收的电池的输出电压、电动机的速度和转矩，来产生基于磁通量的电流控制图；在步骤S40，通过使用基于磁通量的电流控制图，来产生电流控制命令；在步骤S50，根据电流控制命令来产生电压控制命令；在步骤S60，通过使用电压控制命令来产生相电压控制命令；以及在步骤S70，通过反馈接收电压控制命令，以把电压控制命令反映到电压利用率控制器对驱动点比率(1/λ_max)的产生中。

根据本发明的示例性实施例的用于控制电动车的电动机的系统可以包括：逆变器10、至少一个控制单元(例如，100)、电池、和电动机。电池作为主动力源向电动机提供操作动力。逆变器10通常包括多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关元件，并且提供通过利用脉宽调制(PWM)信号把从电池提供的直流(DC)电压切换成相电压而产生的电动机的驱动电力。

逆变器充当电动机控制单元(MCU)10，并根据从混合动力控制单元(HCU)100提供的电动机驱动控制信号、从电池管理系统(BMS)200提供的电池状态信息、以及从转矩控制单元(TCU)300提供的电动机转矩控制信号，通过输出脉宽调制PWM信号来控制电动机。

在步骤S10，如图2至图3所示，根据本发明的示例性实施例的用于控制电动车的电动机的方法，电压利用率控制器400接收电动机的速度(ω_r)和转矩(T)、以及用于提供电动机驱动电力的电池输出电压(V_dc)。并且在步骤S20，转矩控制单元300根据所接收的电动机的速度(ω_r)和转矩(T)来产生转矩控制命令(T^* _e)。电压利用率控制器400随后根据电池输出电压和电动机的速度(ω_r)来产生驱动点比率。驱动点比率是指最大磁通量的倒数，使得本发明能基于磁通量来控制电流。

在步骤S30，电流控制部500使用转矩控制命令(T^* _e)和驱动点比率(1/λ_max)来产生基于磁通量的电流控制图。特别地，在常规方法中，仅使用两个变量(即，电动机速度和转矩)来产生电流控制图，但是本发明通过接收三个变量(即，电动机的速度(ω_r)和转矩(T)、以及电池输出电压(V_dc))来从电流控制部500产生电流控制图。

电池输出电压(V_dc)和电动机速度(ω_r)以及驱动点比率(1/λ_max)可以具有下述等式1的关系：

(等式1)

$\sqrt{{{\mathrm{\&lambda;}}_d}^2+{{\mathrm{\&lambda;}}_q}^2}\&le;\frac{V_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_r}={\mathrm{\&lambda;}}_{\max }$

在等式1中，λ_d表示d轴的磁链(flux interlinkage)，λ_q表示q轴的磁链，并且λ_max表示作为V_dc和ω_r的比率的最大磁通量。等式1的左侧可以被定义为λ_mag(即，电动机内的磁链的大小)。

等式1可以从下述等式2和等式3导出。

(等式2)

$V_d=R_s{i}_d+\frac{{\mathrm{d\&lambda;}}_d}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\&omega;}}_r{\mathrm{\&lambda;}}_q$

$V_q=R_s{i}_q+\frac{{\mathrm{d\&lambda;}}_q}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\&omega;}}_r{\mathrm{\&lambda;}}_d$

(等式3)

V_d＝-ω_rλ_q

V_q＝ω_rλ_d

在等式2和等式3中，V_d和V_q分别表示d轴和q轴的电压，并且i_d和i_q分别表示d轴和q轴的电流。R_s表示电动机定子的相电阻，λ_d和λ_q表示d轴和q轴的磁链。ω_r表示电动机的角速度并且V_dc表示电池的输出电压。λ_d、λ_q可以被表示为λ_d＝L_di_d+λ_PM和λ_q＝L_qi_q。L_d是d轴的电感并且L_q是q轴的电感。λ_PM是永磁体的磁通量的大小。

当正常状态下的相电阻和电流变化率在等式2中可忽略时，那么等式2变成等式3，并且等式1可以通过使用等式3而导出。

在一些实施例中，可以通过使用满足等式1的电流i_d和i_q的范围与转矩之间的关系，来产生基于磁通量的电流控制图。此外，可以在把电动机的速度保持恒定的同时分别检测d轴和q轴的电压和转矩。另外，通过使用上述检测的数据来推出驱动点的转矩和驱动点比率(1/λ_max)。

此外，电流控制部500可以通过使用控制图提取工具(mapextracting too1)、根据各驱动点比率(1/λ_max)来推出满足等式1的i_d和i_q的范围，并使用与各转矩线相交的所有i_d和i_q中具有最小电流值的i_d和i_q作为产生电流控制命令的控制图的表格值。可以通过利用上述处理推出控制图来自动地/动态地产生基于磁通量的电流控制图。

在步骤S40，电流控制部500使用基于磁通量的电流控制图来产生电流控制命令。如图3所示，电流控制命令可以被分成D轴的电流控制命令

和Q轴的电流控制命令

结果，在电流控制图中考虑电池的输出电压使得可以通过实时反映车辆状态来控制转矩，并且可以产生最佳电流控制命令。

在步骤S50，通过比例积分(PI)控制器600，根据D轴的电流控制命令和Q轴的电流控制命令

来产生D轴的电压控制命令

和Q轴的电压控制命令

如图3所示，D轴的电压控制命令

和Q轴的电压控制命令通过反馈被传送给电压利用率控制器400。

在步骤S60，电压利用率控制器400接收来自D轴的电压控制命令

和Q轴的电压控制命令

的反馈值(V_{d，q_ref})，并响应于此而改变驱动点比率(1/λ_max)以使电压利用率转向1。

反馈值(V_{d，q_ref})可以是反映电动机特性(例如功率、尺寸、类型等)以及d和q轴的电压控制命令的值。另外，电压利用率控制器400接收反映电动机特性的反馈值(V_{d，q_ref})，并且能够响应于此而改变驱动点比率(1/λ_max)以便通过全闭环控制方法来使电压利用率转向1。结果，本发明可以稳定电流控制，因为大部分的电压利用率始终保持在1。

在步骤S70，如图1至图3所示，相电压控制部700接收D轴的电压控制命令

和Q轴的电压控制命令

并且使用D轴和Q轴的电压控制命令来产生相电压控制命令。

图4是根据本发明的示例性实施例的用于控制电动车的电动机的方法的实验图，并且图5是根据常规技术的用于控制电动机的方法的实验图。如图5所示，在常规技术中，尽管电池的输出电压(V_dc)已被改变，电流控制命令也不改变。在常规方法中，无法实时改变电流控制命令。此外，当逆变器的输入电压变化时，常规技术不能维持电压利用率。

然而，如图4所示，在本发明的示例性实施例的情况下，驱动点比率(1/λ_max)是电流控制图的输入值，并且当电池的输出电压(V_dc)变化时，V_dc和ω_r的比率会变化。结果，可以通过反映驱动点比率的变化，来实时地产生或改变最佳电流控制命令。因此，本发明可以在各驱动点产生最佳电流控制命令，从而提高电动机的效率。

根据本发明的示例性实施例，动态地产生电流控制图来减少产生电流控制图所需的时间量，并且在电流控制图中反映电池的电压波动以控制稳定性，并且即使当电池的电压变化时也能维持电池利用率。此外，本发明的说明性实施例通过控制电压利用率来提高控制精确性，以克服由电动机参数和误差的分布而引起的限制。

尽管已经结合目前被认为是实际的示例性实施例的实施例描述了本发明，但应理解的是，本发明不限于所公开的实施例。相反地，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等效配置。

Claims (15)

1.一种用于控制电动车的电动机的方法，包括：

由控制单元接收向所述电动机提供驱动电力的电池的输出电压、所述电动机的速度和转矩；

由所述控制单元通过使用所述电池的输出电压、所述电动机的速度和转矩来产生基于磁通量的电流控制图；以及

由所述控制单元通过使用所述基于磁通量的电流控制图来产生电流控制命令。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

产生驱动点比率，所述驱动点比率是所述电池的输出电压和所述电动机的速度的比率，以及

通过使用所述电动机的速度和转矩来产生转矩控制命令，其中通过使用所述驱动点比率和所述转矩控制命令来产生所述基于磁通量的电流控制图。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：根据所述电流控制命令来产生电压控制命令。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述电池的输出电压(V_dc)、所述电动机的速度(ω_r)和所述驱动点比率(1/λ_max)满足等式

$\sqrt{{{\mathrm{\&lambda;}}_d}^2+{{\mathrm{\&lambda;}}_q}^2}\&le;\frac{V_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_r}={\mathrm{\&lambda;}}_{\max }$

其中λ_d表示d轴的磁链，λ_q表示q轴的磁链，并且λ_max表示V_dc和ω_r的比率。

5.如权利要求3所述的方法，还包括：通过反馈接收所述电压控制命令，以便把所述电压控制命令反映到电压利用率控制器对所述驱动点比率(1/λ_max)的产生中。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述电压利用率控制器接收d轴和q轴的所述电压控制命令的反馈值(V_{d，q_ref})，并响应于此而改变所述驱动点比率(1/λ_max)以使电压利用率为1。

7.如权利要求2所述的方法，还包括：通过使用所述电压控制命令来产生相电压控制命令。

8.一种用于控制电动车的电动机的系统，包括：

控制单元，其被配置成接收向所述电动机提供驱动电力的电池的输出电压、所述电动机的速度和转矩，通过使用所述电池的输出电压、所述电动机的速度和转矩来产生基于磁通量的电流控制图；以及通过使用所述基于磁通量的电流控制图来产生电流控制命令。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述控制单元还被配置成：

产生驱动点比率，所述驱动点比率是所述电池的输出电压和所述电动机的速度的比率，以及

通过使用所述电动机的速度和转矩来产生转矩控制命令，其中通过使用所述驱动点比率和所述转矩控制命令来产生所述基于磁通量的电流控制图。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述控制单元还被配置成根据所述电流控制命令来产生电压控制命令。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述电池的输出电压(V_dc)、所述电动机的速度(ω_r)和所述驱动点比率(1/λ_max)满足等式

$\sqrt{{{\mathrm{\&lambda;}}_d}^2+{{\mathrm{\&lambda;}}_q}^2}\&le;\frac{V_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_r}={\mathrm{\&lambda;}}_{\max }$

其中λ_d表示d轴的磁链，λ_q表示q轴的磁链，并且λ_max表示V_dc和ω_r的比率。

12.如权利要求10所述的系统，其中所述控制单元还被配置成：通过反馈接收所述电压控制命令，以便把所述电压控制命令反映到电压利用率控制器对所述驱动点比率(1/λ_max)的产生中。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述电压利用率控制器接收d轴和q轴的所述电压控制命令的反馈值(V_{d，q_ref})，并响应于此而改变所述驱动点比率(1/λ_max)以使电压利用率为1。

14.如权利要求9所述的系统，其中所述控制单元还被配置成：通过使用所述电压控制命令来产生相电压控制命令。

15.一种包含由处理器或控制器执行的程序指令的非短暂计算机可读介质，所述计算机可读介质包括：

利用电池的输出电压、电动车的电动机的速度和转矩来产生基于磁通量的电流控制图的程序指令；以及

通过使用所产生的基于磁通量的电流控制图来产生电流控制命令的程序指令。

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