CN105227033A - 混合动力车辆可变电压牵引马达驱动 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于控制电气化车辆的牵引马达的方法，其中马达由脉冲宽度调制逆变器来驱动。将来自车辆的驾驶员的驱动命令转化成需求的扭矩。维持来自DC电源的实质上固定的DC链路电压。计算供应至逆变器使马达在扭矩产生的恒定扭矩区域和弱磁区域之间的转变点传递需求的扭矩的输入电压。将来自DC链路的电压转换成至逆变器的输入端的确定的输入电压。通过减低施加到逆变器的电压，降低切换损耗和谐波损耗。

Description

混合动力车辆可变电压牵引马达驱动

背景技术

本发明总体涉及电气化车辆，例如混合动力电动车辆，并且更具体地涉及具有降低的逆变器功率切换设备损耗的逆变器驱动牵引马达。

电动车辆，例如混合动力电动车辆(HEV)，插电式混合动力电动车辆(PHEV)和纯电动车辆，使用逆变器驱动电机来提供牵引扭矩和再生制动扭矩。典型的电驱动系统包括DC(直流)电源(例如蓄电池组或燃料电池)，DC电源通过接触器开关耦接到可变电压转换器(VVC)以调节主DC链路电容器两端的主总线电压。第一DC至AC逆变器连接在主总线和牵引马达之间以驱动车辆。例如，马达可以是感应马达或永磁马达。第二DC至AC逆变器连接在主总线和发电机之间以将来自内燃发动机的机械动力转换成用于给牵引马达供能(经由第一逆变器)或用于给蓄电池再充电的DC电压的电能。第二逆变器也可以用于在制动期间再生能量以通过VVC给蓄电池再充电。

逆变器各自包括以桥式结构连接的晶体管开关(例如绝缘栅双极晶体管，或称IGBT)。电子控制器接通和断开开关以转变来自总线的DC电压为施加到马达的AC(交流)电压，或转变来自发电机的AC电压为总线上的DC电压。

逆变器脉冲宽度调制DC链路电压来传递正弦电流输出的近似值以用所需转速和扭矩驱动牵引马达。由于IGBT的协同切换，逆变器输出一系列脉冲宽度调制(PWM)方波电压。IGBT和其反向恢复二极管具有关联的切换损耗。此外，脉冲宽度调制在马达中产生谐波含量损耗。

在通常用在混合动力电动车辆驱动的电路拓扑中，DC链路通常至发电机逆变器、蓄电池转换器和牵引马达逆变器。因此，所有的三个共享相同的实质上恒定的DC电压。DC链路电压的大小通常选择用于为发电机和蓄电池提供最佳运行效率且足够高以使马达逆变器能够达到指定的转速和扭矩范围的上限。

逆变器两端的电压越高，牵引逆变器中的切换损耗则越高。牵引马达的特征是，它们在低角转速运行点不需要和它们在较高的角转速运行点一样高的电压大小。当逆变器两端的DC供应恒定时，为了达到较低的转速和扭矩，减小脉冲宽度调制切换的占空比。由于较高的转速/扭矩运行点需要的较高的电压仍然出现在逆变器两端，在较低的转速/扭矩运行点导致了同样的损耗。因此，在低速车辆运行期间，如果存在于逆变器的输入端的DC链路电压降低，将有机会减少损耗。降低存在于至逆变器的输入端的DC链路电压的大小将减少IGBT中的切换损耗，反向并联二极管中的反向恢复损耗，以及牵引马达中的谐波损耗。减少能量损耗将提高整体燃料经济性。

发明内容

在本发明的一个方面，提供了一种用于控制电气化车辆的牵引马达的方法，其中马达由脉冲宽度调制逆变器来驱动。将来自车辆的驾驶员的驱动命令转换成需求的扭矩。维持来自DC电源(例如，蓄电池和/或发电机)的实质上固定的DC链路电压。控制器确定供应到逆变器将导致马达在恒定扭矩区域和扭矩产生的弱磁区域之间的转变点传递需求的扭矩的输入电压。将来自DC链路的电压转换为至逆变器的输入端的确定的输入电压。通过降低施加到逆变器上的电压，减少了切换损耗和谐波损耗。

根据本发明，提供一种控制电气化车辆的牵引马达的方法，其包含以下步骤：

用可变占空比驱动逆变器以产生来自马达的所需扭矩；以及

调节至逆变器的DC电压，使得扭矩产生追踪恒定扭矩区域和弱磁区域之间的转变点。

根据本发明的一个实施例，其中车辆包括驾驶员需求控制，该方法进一步包含以下步骤：

监测驾驶员需求控制以确定所需扭矩；

计算在马达中流动的产生所需扭矩的电流；以及

计算产生计算出的电流的最小电压作为DC电压。

根据本发明的一个实施例，其中响应于计算出的电流和马达的旋转转速来计算最小DC电压。

根据本发明的一个实施例，其中调节DC电压的步骤包含：

比较可变占空比和目标占空比；以及

调节DC电压以减小可变占空比和目标占空比之间的误差。

根据本发明，提供一种控制电气化车辆的牵引马达的方法，其中，马达由脉冲宽度调制逆变器来驱动，该方法包含：

将来自车辆的驾驶员的驱动命令转化成需求的扭矩；

维持来自DC电源的实质上固定的DC链路电压；以及

将DC链路电压转换成至逆变器的输入端的转变电压，转变电压使马达在扭矩产生的恒定扭矩区域和弱磁区域之间的转变点传递需求的扭矩。

根据本发明的一个实施例，其中转变电压使用需求的扭矩和马达的转速来确定。

根据本发明的一个实施例，其中转变电压具有对应于以下式子的值：

$\frac{\sqrt{{((R_s+{L_q}^d/\mathrm{dt})I_s+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{af}})}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_r{L}_q{I}_s\right)}^2}}{0.45\sqrt{2}}$

其中R_s为定子电阻，L_q是正交轴电感，I_s是对应于需求的扭矩的定子电流，ω_r是转速，以及λ_af是电枢磁链(armaturefluxlinkage)。

根据本发明的一个实施例，该方法进一步包含以下步骤：

确定对应于所需扭矩的目标定子电流；

测量实际的定子电流；

调制用于切换逆变器的脉冲宽度以减小实际的定子电流和目标定子电流之间的误差；

其中转变电压具有最大化调制脉冲宽度的值。

根据本发明，提供一种混合动力电动车辆，其包含：

发电机；

牵引马达；

DC电源；

DC链路电容器；

第一逆变器，其耦接在发电机和DC链路电容器之间；

第一DC至DC转换器，其耦接在DC电源和DC链路电容器之间，其中在DC链路电容器两端提供实质上恒定的DC链路电压；

第二DC至DC转换器，其耦接到DC链路电容器并用于产生可变DC电压；

第二逆变器，其耦接在第二DC至DC转换器和牵引马达之间，其中第二逆变器用产生对应于所需马达扭矩的目标马达电流的脉冲宽度调制(PWM)占空比进行切换；以及

DC-DC控制器，其调节第二DC至DC转换器以产生允许第二逆变器产生目标马达电流而不在马达中减弱磁场的实质上最小值的可变电压。

根据本发明的一个实施例，其中DC-DC控制器包含比例-积分控制器，比例-积分控制器比较可变电压和最小值并且通过修改第二DC至DC转换器的脉冲宽度调制占空比减小通过比较检测的任何误差。

根据本发明的一个实施例，其中最小值由DC-DC控制器响应于在马达的转速产生所需扭矩的计算出的在马达中的电流来确定。

根据本发明的一个实施例，其中最小值等于：

$\frac{\sqrt{{((R_s+{L_q}^d/\mathrm{dt})I_s+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{af}})}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_r{L}_q{I}_s\right)}^2}}{0.45\sqrt{2}}$

其中R_s为定子电阻，L_q是正交轴电感，I_s是计算出的对应于所需扭矩的电流，ω_r是转速，以及λ_af是电枢磁链。

根据本发明的一个实施例，其中最小值由DC-DC控制器通过比较可变占空比和目标占空比并调节最小值以减小可变占空比和目标占空比之间的误差来确定。

根据本发明的一个实施例，其中DC电源包含蓄电池和由内燃发动机驱动的发电机。

根据本发明的一个实施例，其中第二DC至DC转换器包含降压转换器。

根据本发明，提供一种混合动力电动车辆，其包含：

牵引马达；

逆变器，其用可变占空比驱动马达以产生所需扭矩；

DC链路，其接收实质上恒定的DC电压；以及

DC转换器，其将恒定电压转换为逆变器使用的可变DC电压以驱动马达，使得扭矩产生追踪恒定扭矩区域和弱磁区域之间的转变点。

根据本发明的一个实施例，其中逆变器用产生对应于所需扭矩的目标马达电流的脉冲宽度调制(PWM)占空比进行切换，并且其中该车辆进一步包含：

控制器，其调节DC转换器以产生允许逆变器产生目标马达电流的实质上最小值的可变DC电压。

根据本发明的一个实施例，其中控制器包含比例-积分控制器，比例-积分控制器比较可变DC电压和最小值并且通过修改DC转换器的脉冲宽度调制占空比减小通过比较检测的任何误差。

附图说明

图1是示出包含本发明的混合动力电动车辆的一个典型示例的框图。

图2是具有由牵引逆变器和发电机逆变器共享的共同的DC链路电压的常规电路拓扑。

图3是示出马达转速和扭矩产生之间的关系的曲线图。

图4是示出根据本发明用于提供驱动牵引逆变器的可变DC电压的方法的一个优选实施例的流程图。

图5是示出根据本发明一个优选实施例的驱动系统的示意性框图。

图6是更详细地示出用于控制逆变器输入电压的方法的一个实施例的流程图。

图7是示出替代驱动系统的框图。

图8是示出与图7的驱动系统相关的用于控制逆变器输入电压的方法的流程图。

具体实施方式

现在参照图1，车辆10被示为具有电驱动系统18的混合动力电动车辆。虽然示出了功率分流混合动力布局，但是本发明也适用于其他类型的电动车辆(如，HEV，PHEV或纯电动车辆)。内燃发动机11和蓄电池组12供应用于驱动车辆10的能量。蓄电池12驱动具有耦接到变速器齿轮14的输出的马达13，以驱动车轮15。发动机11的机械输出经由分流装置16耦接到齿轮14，以用于提供动力传动系统的发动机驱动模式。分流装置16还将齿轮14耦接到发电机17，使得发动机11的转速可以独立于齿轮14和车轮15的转速进行控制，并且使得再生制动能量可以从车轮15回收以给蓄电池12充电，如本领域公知的。

电驱动系统18包括可变电压转换器20，用于将蓄电池电压转换为所需的总线电压。总线电压通过逆变器21可控地切换(即换向)以驱动马达13。逆变器(INV)22耦接在发电机17和转换器20之间，使得在发动机转速控制期间来自发电机17的AC功率被转变为DC功率，DC功率通过转换器20进一步转换为用于给蓄电池12再充电的适当的电压。为了控制转换器20和逆变器21和22的晶体管开关，电驱动系统18包括马达-发电机控制单元(MGCU)25。

图2更详细地示出了常规的背靠背电压源逆变器与电压源逆变器串联混合动力电动或功率分流混合动力电驱动技术。DC链路电容器26提供在总线27中由逆变器21和22以及由VVC转换器20共享的恒定的DC电压。MGCU25配置用于通过使用适当配置的脉冲宽度调制周期进行示出的晶体管的协同切换来控制转换器20和逆变器21和22的操作。

图3示出了牵引马达的扭矩产生，功率和基速之间的关系。基速是由马达的特定结构(即，磁链(fluxlinkage)，线圈等)确定的马达的特性。曲线30示出了扭矩和基速之间的关系，且曲线31示出了功率和基速之间的关系。低于基速，产生实质上恒定的扭矩，而高于基速，扭矩随着转速增加而降低。与此相反，在低于基速的转速下，功率随着转速变化，而功率在高于基速的转速保持实质上恒定。因此，马达运行常常通过低于基速的恒定扭矩区域32和高于基速的弱磁区域33来表征。

在具有固定的DC链路电压的常规拓扑中，基速是恒定的。弱磁区域33对于提供所需转速的整个范围是重要的。在恒定扭矩区域32出现的脉冲宽度调制也产生通常高于最小可获得的切换损耗(除了当接近基速操作之外)，因为DC链路电压保持高于这个转速范围所需要的电压。

本发明通过从牵引逆变器断开主DC链路电压并取代提供附加转换为创建仅仅用于牵引逆变器的可变DC链路电压来减少切换损耗。特别是，输入至牵引逆变器的电压以扭矩产生追踪恒定扭矩区域32和弱磁区域33之间的转变点34这样的方式变化(即，输入电压被控制为对应于转变点的“转变”电压)。换言之，可变DC链路电压导致可变的基速，并且有效基速转变使马达的运行点置于转变点34的量。

图4示出了本发明的方法的第一实施例，其中发电机逆变器，蓄电池和主DC转换器以供应实质上固定的DC链路电压至主总线的方式运行。在步骤36中，计算牵引马达的扭矩需求和电流需求。如本领域已知的，扭矩需求可以响应于操作者输入例如加速踏板和/或制动踏板的操作来确定。在步骤37中，测量瞬时电流(其与扭矩成正比)。在步骤38中，比较瞬时电流和电流需求(其相当于比较瞬时扭矩和需求的扭矩)。基于该比较，牵引逆变器的PWM占空比以传统的方式更新。此外，在步骤39中，调整从单独的DC链路输入到牵引逆变器的单独的DC电压的大小，以便追踪恒定扭矩区域和弱磁区域之间的转变点。可以使用各种方法和装置以便恰当地控制逆变器DC链路电压，如下所述。

图5示出了本发明的一种改进的装置，其中牵引马达40由牵引逆变器41来驱动。主DC链路电容器42连接到主DC总线43。第一DC至DC转换器45连接到主总线43和蓄电池44。发电机46通过发电机逆变器47耦接到主总线43。第二DC至DC转换器48耦接在主DC总线43和链路电容器50之间以便供应可变输入电压到牵引逆变器41。转换器48包括以降压(buck)结构连接的IGBT晶体管开关51和52和电感器53。晶体管51和52的脉冲宽度调制切换使用导致用于逆变器41输入的链路电容器50两端的所需DC电压的占空比来进行。

牵引逆变器41的PWM切换基于来自传感器55的测量的定子电流通过马达控制器56以传统的方式来进行。测量的定子电流I_s可以由扭矩计算器57使用以计算瞬时马达扭矩，瞬时马达扭矩的值耦接至加和器58的一个输入端。所需扭矩从扭矩需求单元60获得，扭矩需求单元60可以包括驾驶员输入装置，例如加速踏板，和发动机控制单元。因此，由驾驶者的动作表示的特定的加速或减速用于确定应该传递到车辆车轮的扭矩的多少。计算出的扭矩需求耦接到加和器58的另一个输入端，并且计算出的瞬时扭矩和扭矩命令之间的任何差异用在占空比框61中以更新用于切换逆变器41的占空比和/或操作频率。换向器62使用计算出的占空比驱动逆变器开关，如本领域中已知的。

瞬时马达转速使用马达位置传感器66和速度确定电路67来获得。所得的计算出的马达转速ω被输入到控制器65中。控制器65中的计算单元68接收马达转速和目标马达电流I*_s。例如，目标电流可以从马达控制器56得到。控制器65使用需求的扭矩(表示为电流)以便计算允许逆变器41和马达40产生所需扭矩而不进入弱磁通区域的可变逆变器输入电压的最小值。更具体地，单元68计算引起扭矩产生追踪恒定扭矩区域和弱磁区域之间的转变点的DC电压。该计算可以优选执行以下公式：

$V_{\mathrm{dc}}\≈\frac{\sqrt{{((R_s+{L_q}^d/\mathrm{dt})I_s+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{af}})}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_r{L}_q{I}_s\right)}^2}}{0.45\sqrt{2}}$

其中R_s为定子线圈的电阻，L_q是正交轴电感，λ_af是由于转子磁性的电枢磁链，以及I_s是从所需扭矩方程得到的定子电流。公式获取对马达达到所需的定子电流以及因此所需的扭矩的电压需求有贡献的各种元素。最显著的元素是具有定子线圈和马达转速的转子磁体的磁链，如由ω_rλ_af表示。因此，具有更多的定子线圈，更强的转子磁性，或更高的转速，则需要更高的电压。马达电感与变化的电流交互，从而产生示为dI_s/dtL_q的贡献。电感也与定子电流和转子转速反应(ω_rL_qI_s)。另一种电压分量来自定子电阻和定子电流(R_sI_s)。所得的电压V_dc是获得所需扭矩的最小电压需求。较高的电压将导致PWM占空比的减小，以避免产生过多的扭矩。

为了调节来自第二DC至DC转换器48的电压(即，牵引逆变器的输入电压)以匹配所计算的最小值，比较器70比较逆变器41两端的实际电压和从计算单元68获得的所需值。比较器70提供作为误差信号的差值到前馈/比例-积分控制器71。控制器71的前馈部分从总线43接收主DC链路电压。控制器71使用已知的技术来更新用于晶体管51和52切换的占空比，以调节链路电容器50两端的DC电压以追踪来自计算单元68的计算出的最小值V_dc。

图6示出了相应的方法。在步骤75中，计算对应于所需扭矩的马达电流。在步骤76中，计算在当前马达转速产生计算出的马达电流需要的最小逆变器电压。在步骤77中，命令用于逆变器的DC转换器转换主DC链路电压为计算出的最小电压。

图7示出了替代实施例，其中代替使用马达的定子电流作为控制变量，在马达控制56内产生的PWM占空比用作控制变量。因此，控制器80在加和器81的一个输入端接收来自马达控制56的瞬时PWM占空比。提供目标占空比至加和器81的第二个输入端。目标占空比对应于实质上100％的最大占空比。转变加和器输入端之一。占空比之间的任何差异施加到比例积分控制器(PI)82，比例积分控制器82以维持逆变器51的PWM占空比为在其最大值的方式相应地增加或降低从转换器48输出的DC电压。

图8示出了相应的方法，其中在步骤85中检查瞬时马达转速是否小于最大基速。当选择特定的最佳马达设计时，最大基速可以在系统开发过程中进行设置。因此，对于更高转速运行点，继续使用在弱磁区域的操作是合意的，这意味着牵引逆变器的输入电压将有时需要上升到主DC链路电压的电平。在那种情况下，通过降低牵引逆变器输入电压来减少切换损耗是不可能的。因此，在步骤86中使用最大DC链路电压。另一方面，如果转速小于最小基速，那么切换损耗可以通过降低牵引逆变器输入电压来降低。此外，在步骤87中马达控制器可以执行六步切换，因为避免了弱磁区域。在步骤88中，逆变器的当前占空比与目标最大值进行比较。在步骤89中，调节逆变器的DC链路电压以减小误差。由于减小了误差恢复占空比至目标最大值，允许的基速的运动和逆变器最大占空比的实现允许增加使用导致更少的切换事件的发生的降低的切换频率的方法如六步的机会。本发明通过减少切换事件的数量、减小开关频率并降低DC电压电平的机会都导致切换损耗的显著降低。

Claims (5)

1.一种控制电气化车辆的牵引马达的方法，其包含以下步骤：

用可变占空比驱动逆变器以产生来自马达的所需扭矩；以及

调节至逆变器的DC电压，使得扭矩产生追踪恒定扭矩区域和弱磁区域之间的转变点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中车辆包括驾驶员需求控制，该方法进一步包含以下步骤：

监测驾驶员需求控制以确定所需扭矩；

计算在马达中流动的产生所需扭矩的电流；以及

计算产生计算出的电流的最小电压作为DC电压。

3.根据权利要求2所述的方法，其中响应于计算出的电流和马达的转速来计算最小DC电压。

4.根据权利要求1所述的方法，其中调节DC电压的步骤包含：

比较可变占空比和目标占空比；以及

调节DC电压以减小可变占空比和目标占空比之间的误差。

5.一种控制电气化车辆的牵引马达的方法，其中，马达由脉冲宽度调制逆变器来驱动，该方法包含：

将来自车辆的驾驶员的驱动命令转化成需求的扭矩；

维持来自DC电源的实质上固定的DC链路电压；以及

将DC链路电压转换成至逆变器的输入端的转变电压，转变电压使马达在扭矩产生的恒定扭矩区域和弱磁区域之间的转变点传递需求的扭矩。