CN104242741A - 用于实施补救性电短路的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种在旋转电机(EM)中实施补救性短路的方法包括检测故障状况；和首先命令功率逆变器(PIM)进入电断开状态。一旦处于断开状态，控制器可确定由旋转EM产生的电流的相位角，并且可控制PIM以向EM应用与产生的电流的确定的相位角异相的电压。在时间周期上使应用的电压信号的幅值从第一电压斜线下降到零；之后PIM可命令将EM的所有电绕组电联接到彼此。

Description

用于实施补救性电短路的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于实施补救性电短路的系统和方法。

背景技术

内置式永磁(IPM)同步电机通常在混合电动和电池电动车辆中用作电牵引电动机。IPM同步电机通过DC功率电源连同电流控制的电压源逆变器供能，DC电源通常为可再充电电池模块。但是，用于这样的电机转子中的永磁体可能使电动机控制器进行的对经检测的电动机或驱动系统故障的响应变复杂。

例如，在较高电动机速度下，旋转磁体可在电动机定子绕组中产生反电动势(EMF)电压。如果电压逆变器中的转换响应于检测到的故障被临时禁用，则反电动势电压可能使逆变器中的二极管导通，由此允许电流朝向电池模块流回。该电流流动状况通常被称为“不可控发电运行”(UCG)状态。UCG状态特征可包括存在作用在电机上的相对大量的再生制动扭矩，以及回到电池模块的大的电流传导。

为了防止该结果，作为故障状况补救措施，IPM式同步电机的控制器可将多相电机的每一相短路到一个或多个其他相，以使电流可从一相流到另一相，而不是流动回到电池模块。在三相电机中，该补救措施被称为“三相短路”。在较高的电动机速度下，制动扭矩相对低，这对于牵引驱动应用是有利的。在三相短路操作期间，电机阻抗将限制电动机电流。另外，定子电流接近用于大部分电动机速度的电机的特征电流。

发明内容

混合动力车辆可包括DC电总线、AC电总线、永磁同步电机(EM)和功率逆变器模块(PIM)。EM可包括布置在AC电总线上的多个电相位绕组，并且可操作以从旋转运动产生AC电信号。PIM可以以电的方式(electrically)布置在DC电总线和AC电总线之间，并且可在断开状态、可控切换状态和多相短路状态之间转变。

控制器可与PIM电通讯，并且配置为：命令PIM到断开状态；确定产生的AC电信号的电流的相位角；和命令PIM进入可控切换状态。一旦在可控切换状态，则控制器可控制PIM以向EM应用与产生的电流的经确定的相位角异相的电压，同时使应用的电压的幅值从最大电压斜线下降到零。一旦处于零，控制器可命令PIM进入多相短路状态。

PIM可包括多个半导体开关，其每一个分别可在电断开状态、电闭合状态之间转变。PIM的断开状态可包括所有半导体开关电断开。PIM的可控开关状态可包括半导体开关可控制以将来自DC电总线的DC电信号转变为AC电信号，并且将AC电信号应用到AC电总线；并且PIM的多相短路状态可包括一半的半导体开关闭合，以使所有的多个电相位绕组电联接在一起。

通常，应用的异相的电压和产生的电流的经确定的相位角之交的相位差可等于-180度加电压提前角。电压提前角可以是EM的旋转速度和/或控制器取样周期的函数。因此，控制器可进一步配置为监测电动机的速度。如果速度值不可容易地获得(例如来自传感器)，则控制器可配置为通过计算产生的AC电信号的电流的经确定的相位角的导数而获得EM的速度。

在一种配置中，控制器可配置为使所应用的电压的幅值在EM的基础周期的2至3倍范围内的时间周期内从最大电压斜线下降到零。

类似地，一种在旋转的多相电机(EM)中实施补救短路的方法，包括检测故障状况；和首先命令功率逆变器模块(PIM)进入电断开状态。一旦处于断开状态，则控制器可确定由旋转EM产生的电流的相位角，并且可控制PIM向EM应用与产生的电流的相位角异相的电压。应用的电压信号的幅值可在一时间周期上从第一电压斜线下降到零；之后PIM可被命令以将EM的全部电绕组电联接到彼此。

在结合附图时，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将从下面实现本发明的最佳模式的详细描述变得显而易见。

附图说明

图1是具有多相电机、功率逆变器模块和控制器的示例性车辆的示意图，所述控制器实施本文提出的车上的多相短路状态；

图2是3相电机、功率逆变器模块和电池模块的示意性电路图；

图3是示出实施电机中补救性多相短路的方法的第一配置的示意性流程图；

图4是描绘作为用于多个电动机速度的电动机基本周期的函数的电流过冲的幅值时间曲线；

图5是示出实施电机中补救性多相短路的方法的第二配置的示意性流程图。

具体实施方式

参照附图，示例性车辆10示意性地显示在图1中。车辆10包括第一和第二电动机/发电机单元12和14(每一个在后文中被简单地称为“电动机”或“电机”)。电动机12和14二者都是牵引电动机形式的多相内置式永磁(IPM)电机。电动机12，14可额定用于约60-180VAC或更大，取决于实施例。电动机12和14通过电动机控制器16控制，电动机控制器16例如为混合动力控制模块或电动机控制模块，其选择地执行体现方法100的编码，方法100的示例显示在图3和5中，并且在下面详细描述。

方法100的执行使控制器16响应于检测到的驱动系统中的电故障、过速故障和/或其他故障选择地将三相短路(three-phase short)应用到车辆10的AC总线18。虽然为了说明的一致性后文描述了三相短路，但是本方法适用于任何多相电机，例如五相电机。存在很多可被在车辆10的驱动系统中检测到的可能类型的故障状况，例如转子位置、电流和/或电压传感器故障，或性能故障，例如过流(overcurrent)或过速，所有这些故障可由控制器16监测。

在图1中所示的非限制性示例中，车辆10还包括内燃发动机20和具有至少一个齿轮组24的变速器22。DC电池模块26或另一个适当的DC电压源，例如燃料电池，被经由DC总线28和牵引功率逆变器模块(TPIM)30电连接到第一和第二电动机12、14。可任选的减振/输入离合器32可被用于，例如在发动机20自动停止事件之后的重新启动期间，选择地将发动机20从动力驱动系断开。

发动机20的输出轴34连接到第一电动机12，以当发动机20运行时，第一电动机12经由发动机扭矩被供能，并且可用于产生电动机扭矩，所述电动机扭矩可转而根据变速器操作模式被用于推进车辆10或将电池模块26再充电。第二电动机14可被用于驱动车辆10或将电池模块26充电，而与发动机20的状态无关。车辆10的其他实施例可被预见为仅具有一个电动机12或14，具有或不具有发动机20，而不偏离预期发明范围。但是，为了说明的一致性，后文将仅描述图1的两个电动机的结构。

图1的示例性实施例中所示的行星齿轮组24可包括第一、第二和第三节点36、38和40。如本领域可理解的，这样的节点可根据实施例分别或以其他顺序对应于齿环、太阳齿轮和行星齿轮。旋转离合器42可选择地以一些模式接合，以将第一电动机12连接到第一节点36。第二电动机14可经由相互连接构件44直接地连接到第三节点40，即“直接地”意思是没有介于中间的部件被设置在第二电动机14和第三节点40之间。在该特定实施例中，变速器22的输出构件46可将变速器输出扭矩传递到一组驱动轮(未示出)，以推进车辆10。

AC总线18将相应的第一和第二电动机12和14连接到TPIM30。如本领域所知，TPIM30包括一组半导体开关48，例如IGBT或MOSFET，其经由脉宽调制(PWM)快速地切换，以将DC电压转变为AC电压，以由相应的第一和/或第二电动机12，14使用，并且将来自电动机12、14的AC电压转变回到在适用于存储在电池模块26中的水平的DC电压。其他高电压功率部件，例如DC-DC转换器(未示出)可用于使经逆变的电压降低到辅助水平，如本领域中所熟知的。

图1中所示的控制器16与车辆10的各个部件(特别地，TPIM30、第一和第二电动机12，14以及电池模块26)例如在控制器区域网络(CAN)总线上通讯。控制器16在执行本方法100中可响应于检测到的故障状况选择地经由一组命令信号(双头箭头50)的传送实施多相短路。控制器16可使用处理器52转变到多相短路，所述处理器52还执行任何所需的电动机控制算法，例如矢量控制。处理器52直接将门驱动信号输出到图1中所示的TPIM30的半导体开关48。

多相短路状态的实施确保电流没有被从TPIM30馈送回到DC总线28，并且在在较高的电动机速度下发生这样的故障时，低的制动扭矩被应用。阻止电流回流到DC总线28有助于阻止TPIM30将DC总线28充电到可能影响灵敏性电部件(例如TPIM30自身的部件和/或其他灵敏性部件，例如任何辅助功率源、二极管、继电器和旁路电容器)的性能或结构完整性的水平。其还阻止不受控的并且可能有害的充电电流流入电池模块26中。

虽然受控的多相短路状态的强加具有确定的故障补救优点，但是其也可能具有许多可能的缺陷。例如，当IPM式电动机在没有负载和零电流的情况下以相对高的速率旋转时，例如1500RPM，立即的多相短路的应用可能造成电动机的相电流出现尖峰(spike)。从该大的尖峰，相电流的包络线可能缓慢地，例如在十毫米内，衰退到电动机的特征电流，但是该临时的尖峰可能对电动机将来的操作不利。实际衰退速率为电机(例如电动机12,14)的参数的函数。

仍参照图1，控制器16可体现为一个或多个硬件装置和相关的软件。硬件/软件可包括在单个物理装置(例如主机)中，或其可分布在车辆10的全部多个控制器中。为了图示的简单性，控制器16显示为一个装置。但是，混合动力传动系领域的普通技术人员将意识到，控制功能通常分布在全部不同的硬件/软件模块中，例如上层(top-level)混合动力控制器、负责电动机矢量控制和其他电动机控制功能的电动机控制器、电池控制模块、空调控制模块等。另外，虽然TPIM30和控制器16分立地显示在图1中，但是在实际的实施例中，TPIM30可以是具有DC电容器、总线排、IGBT、门驱动器(gate drive)、电流传感器和控制卡(一个或多个)的集成单元。因此，本方法的与TPIM30的控制相关的方面可能在控制器16的总架构内的适当控制水平下进行。

图1的控制器16包括至少处理器52和有形非临时性存储装置(一个或多个)54，体现方法100的各个步骤的指令记录其上。处理器52可物理地联接到存储装置54。由处理器52进行的指令执行使控制器16以本文提出的方式实施到短路状况的转变。

存储装置54可以是任何计算机可读取介质，包括光学和/或磁盘以及其他持久性存储器。指令，包括命令信号(双头箭头50)，其包括任何所需的门信号，可被通过传输线(例如同轴线缆、铜线、光纤等)传输到车辆10的各个部件。

图2示意性地示出电动机(例如电动机12)、TPIM30和电池模块26的简化的电路图。如图所示，电动机12图示为三相平衡负载，并且TPIM30由一组半导体开关48和续流二极管60表示。对于三相断开，所有开关48被命令关断(即电断开)。在断开状态同时处于低电动机速度时，电动机12的整流的反电动势低于DC链电压并且没有电流流动。在高于某一临界速度，反电动势超过应用的DC链电压，并且电流通过续流二极管60流回到电池模块26中(例如UCG模式)。在UCG模式开始时的临界速度是DC总线电压和磁通量的函数。

一旦系统进入UCG模式，则由3相电机产生的电压通常与产生的电流(即180度+/-30度)异相150-210度。更具体地，产生的电压和电流信号之间的相位差可能类似于锯齿波，其在极值之间线性移动，每60度具有一中断。另外，当在UCG模式中，产生的DC电压分量接近零时(或如果电动机角速度接近无穷大)，则UCG电流接近称为电机特性电流(其类似于多相短路状态)的值。

转变到短路期间的仿真UCG

为了避免突然转变到短路过程中的大的瞬时电流出现尖峰，控制器16可在应用的电压信号从六阶梯电压(six-step voltage)(即能够由TPIM30提供的最大电压)斜线下降到零时指示TPIM30模拟UCG模式。通常，UCG模式可通过控制TPIM30来提供与UCG电流异相180度的电压信号而被模拟。

如图3中示意性所示，所提出的方法100的一种配置在102处开始，此时控制器16打开所有开关48以暂时将电动机置于UCG状态。一旦置于该状态，控制器16可进行流动到电池模块26的电流的幅值和相位角的初始估计(在104处)。

在步骤106处，控制器16可根据以下方程计算用于待应用的电压信号的期望电压相位：

∠V＝∠I-180°+θ_adv

其中θ_adv＝1.5*T_samp*ω_e

并且其中T_samp为处理器将电流信号取样的取样周期，并且ω_e为电动机的旋转速度。

如上面所述，计算的电压相位可以与监测的电流相位异相180度，加电压提前角项θ_adv。电压提前角项可补偿取样和计算处理延迟，该延迟可使信号略微滞后(lag)真实的180度偏移。换句话说，在控制器16花费来将电流取样、计算下一个电压相位和输出更新的电压信号的时间中，电流信号将已经提前(与电动机的旋转速度成比例)。如果命令的电压信号为整个时间步长上的PWM电压信号的中心加权平均值，则可能包括“1.5”倍数，而电流取样通常在时间步长的开始处被捕获。以该方式，电压信号的相位可关于其将被输出的周期的中心提前。

一旦在步骤106中计算电压相位，则控制器16可指令TPIM30(经由命令信号50)输出PWM电压信号，该PWM电压信号具有六阶梯电压的电压幅值，该六阶梯电压具有上文(步骤108)计算的相位。控制器16可在将该信号的幅值从六阶梯电压斜线下降到零时持续地修正所提供的PWM电压信号。一旦电压的幅值接近零，则控制器16可命令TPIM30开始多相短路。

最佳转变时间确定

图4示意性地示出针对三个电动机速度72,74和76的、作为从模拟的六阶梯UCG到零伏特UCG的转变时间78的函数的电动机电流过冲百分比70(％OS)。如图所示，过冲百分比70通常表示关于稳态短路电流的峰值d-轴电流，而用于每一个电动机速度72,74和76的转变时间78被关于电动机基础周期T_e(即电动机速度的函数)标准化。如图所示，最佳转变时间，其在本文中限定为仍具有可接受电流过冲的最快可用转变时间，可被表达为电动机电周期的函数，电动机电周期则与电动机速度成比例。

图4示出这一事实：如果转变时间设置为电动机基础电流周期的约2-3倍，则电动机电流峰值过冲可被限制为低于约10％。因此，图1的控制器16在执行方法100中，可使用测量的电动机速度，如果该数据可得，来确定最佳转变时间，并且可将转变时间设置为期望数值，以获得特定过冲值。

例如，上升周期(t_r)可被设置为基础电流周期的300％，以在转变到短路状态期间在电流暂态上保持约10％的过冲。在低电动机速度下，基础周期变得过长。但是，在这些状态下，电动机动态变得更被抑制(damped)，并且因而电流过冲变得不那么令人关注。因此，转变时间可限制为最大值，例如50ms，以避免更长的转变，同时保持可接受的电流过冲水平。

对于失效的速度传感器状况的速度估计

电动机速度在一些情况下不可得。控制器16可在该情况下估计电动机速度。为此，需要至少两个功能性相电流传感器。对于具有断开中线(openneutral)的Y连接电动机，第三相电流可计算为另两个之和的负值，即i_c＝-i_a-i_b，如本领域所知。

对于正被控制的电动机，例如第二电动机14，ABC静止坐标系的电流可由图1的控制器16转变为如下的等效αβ静止坐标系量：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\end{array}\right]$

对于平衡系统，a+b+c＝0，并且因此：

α＝a

$\mathrm{\β}=\frac{b-c}{\sqrt{3}}$

所得电流矢量的角度的时间导数可被用于估计电动机速度。由于导数项固有地具有噪声，因此信号可被在适当的时间周期(例如3ms)上平均。所得的估计的速度计算值提供用于所提出方法100足够的精度。该估计方法仅当速度传感器出现故障并且电流在受控电动机中流动时由控制器16使用。

上述方程中的αβ电流为具有90度异相的正弦量。定子电流矢量γ的角度可计算如下：

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}}\right)$

瞬时电动机角速度ω_r可于是作为定子电流位置γ的时间导数被计算，其可被计算为在连续的切换周期上的位置的变化：

${\mathrm{\ω}}_r=\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}=\frac{\mathrm{\γ}\left[k\right]-\mathrm{\γ}[k-1]}{T_{\mathrm{SW}}}$

其中γ[k]为最新取样周期期间的电流矢量角度，并且γ[k-1]为之前取样周期期间的电流矢量角度。由于瞬时电动机角速度的计算易受噪声的影响，该结果可经过运动平均过滤器，以平滑该结果，并且提供在最小计算代价下的可接受的精度。

由控制器16执行的图1中所示的方法100具有几个可能的优点。当今使用中最高性能的磁体中的一种是稀土NeFeB类型。几种添加剂被用于提高该磁体的性能，这些添加剂中的一种为镝。通过方法100减小大的瞬时负d轴电流能够降低镝含量而不降低磁性，由此降低电动机成本。类似的结果在较低成本的铁氧体磁体中是可能的。

图5大体示出用于实施多相电机中补救性短路的方法120，该方法可类似于(并且可使用来代替)图3中提供的上述方法100。方法120开始于步骤122处，此时故障被在控制器、电动机或可能需要进行补救性措施的任何位置中检测到。在步骤124中，控制器16可将一组命令信号50传输到TPIM30，以指令所有半导体开关48断开。通过进行此，控制器52可将系统置于UCG模式，其中仅电流流动可从电动机产生。

在步骤126中，控制器16可从例如与三相电机的a，b和/或c相通讯的一个或多个电流传感器计算。这些计算值可以是由电机产生的功率的矢量表示。在步骤128中，控制器16可计算产生的电流的相位角和绝对幅值。

一旦产生的电流被完全量化和理解时，则控制器16可询问是否在步骤130中已知有效的电动机速度测量值。如果速度测量值不可得，或被认为不可得，则控制器16可在步骤132中使用步骤128中计算的电流的相位角的经过滤的导数计算电动机速度。如果速度测量值可得并且可靠，则方法120可跳过步骤132。

方法120可然后行进到步骤134，在步骤134中，将产生的电流的绝对幅值与阈值相比较。如果电流小于阈值，则控制器16可推断不需要多相短路，并且可继续监测。但是，如果电流超过阈值，则控制器16可通过在步骤136中计算电压提前角θ_adv而继续，如上面所述。

在步骤138中，控制器16可开始PWM控制信号，并且在140中立即进入仿真UCG模式。在仿真UCG模式中，控制器16可控制TPIM30以输出电压信号，所述电压信号与步骤128中计算的电流相位偏移180度角，加步骤136中计算的电压提前角。产生的电压信号的幅值可开始于六阶梯电压，并且可在取决于电动机速度的时间周期上转变到零。例如，在一种配置中，转变时间可在电动机基础周期的两倍和三倍范围内。

一旦仿真的UCG电压在步骤140中已经斜线下降到零伏特，则控制器16可命令多相短路，该多相短路电联接电动机的每一个相应的相到每一个其他相。在步骤142中，控制器16可监测电动机的每一个相处产生的电流，并且将电流幅值与阈值相比较(步骤144)。如果产生的电流超过阈值，则TPIM30可保持短路。如果产生的电流落在阈值之下，则TPIM30可转变回到完全断开。

虽然已经详细描述了实现本发明的最佳模式，但是本发明相关领域的技术人员将意识到用于实施所附权利要求范围内的本发明的多种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种系统，包括：

DC电总线；

AC电总线；

永磁同步电机(EM)，具有多个布置在AC电总线上的电相位绕组，所述EM操作为从旋转运动产生AC电信号；

功率逆变器模块(PIM)，以电的方式布置在DC电总线和AC电总线之间，所述PIM可在断开状态、可控切换状态和多相短路状态之间转变；和

控制器，与PIM通讯，控制器配置为：

命令PIM进入断开状态；

确定产生的AC电信号的电流的相位角；

命令PIM进入可控切换状态；

控制PIM向EM应用与产生的电流的经确定的相位角异相的电压；

令应用的电压的幅值从最大电压斜线下降到零；和

命令PIM进入多相短路状态。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，PIM包括多个半导体开关，所述半导体开关每一个分别在电断开状态和电闭合状态之间可转变；

其中，断开状态包括所有半导体开关电断开；

其中，可控切换状态包括半导体开关可控制以将来自DC电总线的DC电信号转变为AC电信号，并且将AC电信号应用到AC电总线；和

其中，多相短路状态包括一半的半导体开关闭合，以使所有的所述多个电相位绕组电联接在一起。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所应用的异相的电压和产生的电流的经确定的相位角之间的相位差等于-180度加上电压提前角；和

其中，电压提前角为EM的旋转速度的函数。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，电压提前角另外为控制器的取样周期的函数。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，控制器配置为监测电动机的速度。

6.根据权利要求3所述的系统，其中，控制器配置为，通过计算产生的AC电信号的电流的经确定的相位角的导数，获得EM的速度。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，控制器配置为，令所应用的电压的幅值在EM的基础周期的2至3倍之间的时间周期内从最大电压斜线下降到零。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，EM包括三个电相位绕组；并且其中，最大电压为六阶梯电压。

9.一种在旋转的多相电机(EM)中响应于故障状况而实施补救性短路的方法，所述方法包括：

检测故障状况；

命令功率逆变器模块(PIM)进入电断开状态；

确定由旋转的EM产生的电流的相位角；

控制PIM以向EM应用与产生的电流的经确定的相位角异相的电压；

在一时间周期上使应用的电压的幅值从第一电压斜线下降到零；

命令PIM将EM的多个电绕组的每一个电联接到彼此。

10.根据权利要求9所述的方法，其中控制PIM以向EM应用与产生的电流的经确定的相位角异相的电压包括：

使用取样频率和EM的旋转速度，确定电压提前角；

计算用于应用的电压的相位角，以使应用的电压和产生的电流之间的相位差为180度加上经确定的电压提前角。