CN104682813A - 扭矩监控系统和方法 - Google Patents

Abstract

根据本公开的一个示例性方面的一种方法，除其他以外还包括使用估计的电机扭矩控制车辆，所估计的该扭矩基于与电机相关的一个或多个参数，该参数与所测量的电流反馈无关。

Description

扭矩监控系统和方法

技术领域

本公开涉及一种电气化车辆，且更特别但并非排除性地涉及用于不测量电流反馈而估计电机扭矩的扭矩监控系统和方法。

背景技术

混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、纯电动车辆(BEV)、燃料电池车辆和其他已知的电气化车辆因它们由一个或多个电机(即电动马达和/或发电机)代替或附加于内燃机提供动力而与常规的机动车辆不同。一般通过存储电能的一个或多个蓄电池向该电机提供高电压电流。

电机可包含具有定子的同步马达，该定子大体上包围包括内部永磁体的转子。可通过直接测量该电机的电流的电流传感器来监控该电机的每一个相绕组。然后可利用所测量的这些电流以探测不精确的电机扭矩，例如以避免不希望的车辆运动。但是，电流传感器增添了成本和重量且可能易于传感器故障。因此需要此技术领域的额外的改进。

发明内容

根据本公开的一个示例性方面的方法除其他以外还包括，使用估计的电机扭矩控制车辆，该估计的扭矩基于与电机相关的一个或多个参数，该参数与所测量的电流反馈无关。

在前述方法的进一步的非限制性实施例中，该方法包括将所估计的扭矩与预期的扭矩进行比较。

在任一前述方法的进一步的非限制性实施例中，控制该车辆的方法包括，如果估计的扭矩和预期的扭矩之间的差异超过预先设定的阈值则阻止该车辆的操作。

在任一前述方法的进一步的非限制性实施例中，控制该车辆的方法包括，如果估计的扭矩和预期的扭矩误差之间的差异超过预先设定的阈值，则限制车辆的操作。

在任一前述方法的进一步的非限制性实施例中，一个或多个参数包括电压。

在任一前述方法的进一步的非限制性实施例中，该一个或多个参数包括电感。

在任一前述方法的进一步的非限制性实施例中，该一个或多个参数包括物理磁链(physical flux linkage)。

在任一前述方法的进一步的非限制性实施例中，该一个或多个参数包括电阻。

在任一前述方法的进一步的非限制性实施例中，该一个或多个参数包括所测量的电机的电压。

在任一前述方法的进一步的非限制性实施例中，使用以下方程式导出所估计的扭矩：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{3N_{\mathrm{pp}}}{2}{I}_q({\mathrm{\λ}}_m-(L_q-L_d)I_d)$

其中：

N_pp为极对(pole-pair)的数目，

I_q和I_d分别为q轴和d轴电流，

m为永磁磁链，且

L_q和L_d分别为q轴和d轴电感。

根据本公开的另一个示例性方面的方法，除其他以外还包括使用所估计的电机的扭矩控制车辆，在不测量来自电机的电流反馈的情况下得出所估计的扭矩。

在前述方法的进一步的非限制性实施例中，所估计的扭矩来源于与电机相关的电感估计值、电压估计值、电阻估计值和物理磁链估计值中的至少一项。

在任一前述方法的进一步的非限制性实施例中，该方法包括计算所估计的该电机的扭矩，将所估计的扭矩和预期的扭矩进行比较及响应于所估计的扭矩和所预期的扭矩之间的差异超过预先设定的阈值而进行控制步骤。

在任一前述方法的进一步的非限制性实施例中，进行该控制步骤的方法包括阻止该车辆的操作。

在任一前述方法的进一步的非限制性实施例中，进行该控制步骤的方法包括限制该车辆的操作。

根据本公开的另一个示例性方面的扭矩监控系统，除其他以外还包括电机和控制单元，该控制单元被设置为在不测量来自该电机的电流反馈的情况下估计该电机的扭矩。

在前述系统的进一步的非限制性实施例中，该控制单元被设置为基于与该电机相关的电感估计值、电压估计值、电阻估计值及物理磁链估计值中的至少一项来估计该扭矩。

在任一前述系统的进一步的非限制性实施例中，可变电压转换器与该控制单元通信。

在任一前述系统的进一步的非限制性实施例中，通过多个绕组将逆变器连接至电机。

在任一前述系统的进一步的非限制性实施例中，该扭矩单元利用以下扭矩方程式以导出扭矩：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{3N_{\mathrm{pp}}}{2}{I}_q({\mathrm{\λ}}_m-(L_q-L_d)I_d)$

其中：

N_pp为极对的数目，

I_q和I_d分别为q轴和d轴的电流，

λ_m是永磁磁链，且

L_q和L_d分别为q轴和d轴电感。

前述段落、权利要求书或以下说明和附图的实施例、实例及备选，包括它们的各个方面或分别的单独的特征的任一个，可被独立地或组合地采取。所描述的与一个实施例相关的特征能够适用于所有的实施例，除非这样的特征是不兼容的。

由以下详细说明，此公开的各种特征和优点对本领域的技术人员可更清楚。可将附于该详细说明的附图简要说明如下。

附图说明

图1示意性解释了电气化车辆的动力传动系统。

图2解释了相对于直轴和正交轴的电机转子的数学模型。

图3解释了扭矩监控系统。

图4示意性解释了用于使用图3的扭矩监控系统估计电机的扭矩的方法。

具体实施方式

此公开涉及用于估计车辆的电机的扭矩的扭矩监控系统和方法。该创造性的扭矩监控系统基于各种所估计的参数，但不依赖于所测量的来自该电机的电流反馈，来估计电机扭矩。相应地，可从该系统消除一个或多个电流传感器。本文中更详细地讨论了这些和其他特征。

图1示意性解释了用于电气化车辆12(例如HEV)的动力传动系统10。尽管被描述为HEV，应理解本文中所描述的概念并不限于HEV且可扩展至其他的电气化车辆，包括但不限于PHEV、BEV及燃料电池车辆。

在一个实施例中，动力传动系统10为利用包括发动机14和发电机16(即第一电机)的组合的第一驱动系统和包括至少一个马达36(即第二电机)、发电机16和蓄电池50的第二驱动系统的功率分流式系统。例如，马达36、发电机16和蓄电池50可组成动力传动系统10的电力驱动系统25。该第一和第二驱动系统产生扭矩以驱动电气化车辆12的一组或多组车辆驱动轮30。

可通过动力传输单元18将发动机14(例如内燃机)和发电机16连接。在一个非限制性实施例中，该动力传输单元18为行星齿轮组。当然，可使用其他类型的动力传输单元，包括其他齿轮组和传输器，以将发动机14连接至发电机16。该动力传输单元18可包括环形齿轮20、中心齿轮22和行星齿轮架组件24。当发电机16充当将动能转化为电能的发电机时，可通过动力传输单元18驱动该发电机16。该发电机16可备选地充当马达，以将电能转化为动能，由此输出扭矩至与该动力传输单元18的行星齿轮架组件24相连的轴26。因为发电机16被操作性地连接至发动机14，可通过发电机16控制该发动机14的速度。

可将动力传输单元18的环形齿轮20连接至通过第二动力传输单元32连接至车辆驱动轮30的轴28。第二动力传输单元32可包括具有多个齿轮34A、34B、34C、34D、34E和34F的齿轮组。其他动力传输单元也可为合适的。该齿轮34A-34F将扭矩从发动机14传输至差速器38以向车辆驱动轮30提供牵引力。该差速器38可包括使传输扭矩至车辆驱动轮30的多个齿轮。通过差速器38将该第二动力传输单元32机械耦合至车桥40以将扭矩分配至车辆驱动轮30。

还可通过输出扭矩至也与第二动力传输单元32相连的轴46，利用马达36以驱动车辆驱动轮30。在一个实施例中，马达36和发电机16是再生制动系统的一部分，其中可将马达36和发电机16两者用作马达以输出扭矩。例如，马达36和发电机16均可输出电力至高电压总线48和蓄电池50。该蓄电池50可为能够输出电力以操作马达36和发电机16的高电压蓄电池。还可纳入其他类型的储能装置和/或输出装置，用于和电气化车辆12一起使用。

通常可将马达36、发电机16、动力传输单元18和动力传输单元32称为电气化车辆12的驱动桥42或传输器。因此，当驾驶员选择特定的变速杆位置时，恰当地控制该驱动桥42以提供相应的档位，通过向车辆驱动轮30提供牵引力用于使电气化车辆12前进。

动力传动系统10可额外地包括用于监控和/或控制该电气化车辆12的各种方面的控制系统44。例如，控制系统44可与电力驱动系统25、动力传输单元18、32或其他部件通信以监控和/或控制该电气化车辆12。该控制系统44包括电子装置和/或软件以进行用于操作该电气化车辆12所必需的控制功能。在一个实施例中，该控制系统44为组合的车辆系统控制器和动力传动系统控制模块(VSC/PCM)。尽管控制系统被显示为单独的硬件装置，其可包括处于多硬件装置形式的多个控制器或一个或多个硬件装置内的多个软件控制器。

控制器区域网络(CAN)52允许控制系统44与驱动桥42通信。例如，控制系统44可从驱动桥42接收信号以表明是否出现变速杆位置之间的转换。控制系统44还可与蓄电池50的蓄电池控制模块或其他控制装置通信。

另外，电力驱动系统25还可包括一个或多个控制器54，例如逆变器系统控制器(ISC)。该控制器被设置为控制驱动桥42内的具体部件，例如发电机16和/或马达36，例如用于支持双向功率流。在一个实施例中，该控制器54是与可变电压转换器组合的逆变器系统控制器(ISC/VVC)。

参考图2，电机，例如图1的发电机16和马达36，可包括转动以产生扭矩用于向图1的电气化车辆12的车辆驱动轮30提供动力的转子56(其可连接至轴)。可相对于三相静止坐标系a、b和c数学地描述该转子56。可通过静止d、q坐标系和旋转d、q坐标系以二维呈现该三相静止坐标系a、b和c。例如，静止d、q坐标系包括直轴d_s和正交轴q_s，且旋转的d、q坐标系包括直轴d_r和正交轴q_r。旋转的d、q坐标系与该转子56的运动对齐。θ_r代表转子56的角度定位且在直轴d_r、d_s之间延伸。在电气化车辆12的操作期间，估计电机16、36的操作扭矩以满足电力控制要求且以避免可导致所不希望的车辆运动的不正确的扭矩产生变得必要。

图3示出了可被纳入车辆(例如图1的电气化车辆12)的扭矩监控系统58。该扭矩监控系统58估计电气化车辆69(即图1的马达36和/或发电机16)的扭矩。如以下更详细地讨论的，可操作该扭矩监控系统58以估计扭矩而不依赖于来自电机69的电流反馈。

在一个实施例中，扭矩监控系统58包括控制单元60、可变电压转换器62和逆变器64。控制单元60、可变电压转换器62和逆变器64可为控制器54的一部分。或者，可将这些部件与控制器54分隔开。

扭矩监控系统58可利用一个或多个编程入控制单元60的算法以施加具体的电压指令和使用反馈信号的具体处理以进行与该电机69的操作相关的多个任务，包括估计电机69的扭矩。例如，该控制单元60可通过控制至逆变器64的三相电压V_abc且测量分别作为来自逆变器的64和电机69的反馈的三相电流I_abc和转子位置θ_r来控制电机69中的三相交流电流。在一个实施例中，可使用该可变电压转换器62以将控制信号转变为用于控制逆变器64的恰当的电压水平。

扭矩监控系统58可任选地包括电压传感器66。该电压传感器66被设置为测量在逆变器64和电机69之间延伸的一个或多个绕组a、b和c两端的电压。在一个实施例中，绕组a、b和c以“Y形”构造连接，尽管还可构想到其他的构造。

在一个非限制性实施方案中，可使用与来自电机69的所测量的电流反馈无关的电机69的多个参数估计电机69的扭矩。被用于估计电机69的扭矩的参数可包括以下参数的一个或多个：估计或测量的电压、电感、物理磁链及电阻。

在一个实施例中，可将以下所描述的方程式(1)-(6)编程入扭矩控制系统58的控制单元60中，用于估计电机69的扭矩。可使用方程式(1)-(6)以估计用于导出该扭矩的各种参数。

例如，可通过以下方程式表征电机69的扭矩T_em：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{3N_{\mathrm{pp}}}{2}{I}_q({\mathrm{\λ}}_m-(L_q-L_d)I_d)---\left(1\right)$

其中：

N_pp是极对的数目，

I_q和I_d分别为q轴和d轴的电流，

M为永磁磁链(以韦伯匝计)，及

L_q和L_d分别为q轴和d轴电感(以亨利计)。

可通过以下方程式表征电机69的电压V_d和V_q：

V_d＝I_dR_s-I_qL_qω_re   (2)

V_q＝I_qR_s+(λ_m+I_dL_d)ω_re   (3)

其中：

V_d和V_q分别为d轴和q轴电压，

R_s为物理定子相电阻，且

ω_re为转子电气角速度。

由于电机69的磁芯饱和，该物理电感估计值L_d和L_q可点依赖地运行。因此，在一个实施例中，将电感估计值L_d和L_q映射为I_d/I_q电流的函数，且可基于所测量的该电机69的校准数据。

在一个实施例中，当补偿该逆变器64的任何非线性时，可基于由控制单元60传递的命令电压V_abc准确估计电压估计值V_d和V_q。例如，逆变器64非线性可导致真实输出电压与所命令的不同，且可包括PWM(脉宽调制)死区时间(dead-time)、以及开关集电极-发射极电压降和二极管电压降，该死区时间是在同一逆变器桥臂(leg)上的补偿性开关的关闭和开启之间有意引入的延迟。输出电压方面的这些电压降的影响取决于逆变器64的每一桥臂上的相电流的方向和量级。或者，可使用图3中描述的电压传感器66测量电压估计值V_d、V_q。

在另一个实施例中，物理电阻估计值R_s可基于电机69的定子温度。在一个实施例中，可由电机的转子的永磁体的温度估计物理磁链λ_m。最终，可例如通过使用旋转变压器(resolver)或其他传感器，由所测量的电机69的转子的位置信号来计算转子电气角速度ω_re。

可操控以上方程式(1)、(2)和(3)在不依赖于所测量的电流的情况下建模该电机69的扭矩。第一，解电压方程式(2)和(3)以估计I_d/I_q电流产生以下方程式：

$\widehat{I_d}=\frac{\widehat{V_d}+(\widehat{V_q}-\widehat{{\mathrm{\λ}}_m}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}})C_1}{\widehat{R_s}+\widehat{L_d}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}{C}_1}---\left(4\right)$

$\widehat{I_q}=\frac{\widehat{V_q}-(\hat{V}\widehat{{\mathrm{\λ}}_m}+\widehat{I_d}{L}_d){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}}{\widehat{R_s}}---\left(5\right)$

其中

$C_1=\frac{\widehat{L_q{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}}}{\widehat{R_s}}$

然后，可使用以下方程式估计电机69的扭矩，其遵循方程式(1)：

$\widehat{T_{\mathrm{em}}}=\frac{3N_{\mathrm{pp}}}{2}\widehat{I_q}({\widehat{\mathrm{\λ}}}_m-({\hat{L}}_q-\widehat{L_d})\widehat{I_d})---\left(6\right)$

继续参考图1-3，图4示意性解释了用于估计电机69的扭矩的方法100。在框102处，该方法100使用扭矩监控系统58估计电机69的操作扭矩。该扭矩估计值可基于与该电机69相关的一个或多个参数，包括但不限于估计或测量的电压、电感、物理磁链和电阻。但该方法100并不依赖于所测量的电流反馈。换句话说，与任何所测量的来自电机69的电流反馈独立地估计该扭矩。这可允许消除一个或多个用于监控连接逆变器64至电机69的绕组a、b和c的电流传感器(参见图3)。

接着，在框104处，将所估计的来自框102的扭矩与预期的扭矩比较。预期的扭矩可被存储于扭矩监控系统58的控制单元60中，且表示所需用于在任何给定的条件下准确控制和操作该电机69的扭矩值。在一个非限制性的实施例中，在框104期间，比较预期的扭矩和估计的扭矩以确定这两个值之间的差异是否超过预先设定的阈值。可就误差百分比或通过任何其他阈值限定该预先设定的阈值。超过该预先设定的阈值表明不准确的电机69扭矩。

如果估计的扭矩和预期的扭矩之间的差异并没有超过预先设定的阈值，则该方法100在框106处终止(或备选地在框102处再次开始)。或者，如果控制单元60确定估计的扭矩和预期的扭矩之间的差异超过预先设定的阈值，则该方法100可继续至框108。

响应于探测不准确的电机69扭矩，可以某种方式在框108处控制该电气化车辆12(或一些其他车辆)。例如，在一个实施例中，在框108处控制该车辆包括阻止车辆的操作，直至其被维修。在另一个实施例中，在框108处控制车辆包括限制该车辆的操作。在此公开的范围内也可设想响应于不准确的电机69扭矩的探测而控制车辆的其他方式。

所提出的方法100提供了与电机69扭矩产生相关的误差阈值的相对直接的确定。所提出的解决方法甚至在零速度下起作用，零速度一般是电机69的临界操作点。还可纳入该方法100而无需多个电流传感器，由此减少了成本、重量和空间。

尽管已经将不同的非限制性实施例解释为具有具体的组成或步骤，但此公开的实施例并不限于这些特定的组合。可将来自任一非限制性实施例的一些组成或特征与来自任一其他非限制性实施例的特征或组成组合使用。

应理解，在整个附图中，相似的附图标记表明相应的或相似的要素。应理解，尽管在这些示例性实施例中公开和解释了特定的组成设置，但其他的设置还可从此公开的教导获益。

应该将前述说明解释为说明性的且无任何限制意味。本领域的技术人员会理解在此公开的范围内可产生某些改变。由于此原因，应研究以下权利要求书以确定此公开的真实范围和内容。

Claims (5)

1.一种扭矩监控系统，其包含：

电机；及

控制单元，其被设置为在不测量来自所述电机的电流反馈的情况下估计所述电机的扭矩。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元被设置为基于与所述电机相关的电感估计值、电压估计值、电阻估计值和物理磁链估计值中的至少一项估计所述扭矩。

3.根据权利要求1所述的系统，其包含与所述控制单元通信的可变电压转换器。

4.根据权利要求1所述的系统，其包含通过多个绕组连接至所述电机的逆变器。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元利用下述扭矩方程式来导出所述扭矩：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{{3N}_{\mathrm{pp}}}{2}{I}_q({\mathrm{\λ}}_m-(L_q-L_d)I_d),$ 其中

N_pp是极对的数目，

I_q和I_d分别是q轴和d轴电流，

λ_m是永磁磁链，且

L_q和L_d分别是q轴和d轴电感。