CN108134519A - 用于混合动力车辆操作的自适应升压电压 - Google Patents

用于混合动力车辆操作的自适应升压电压 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于混合动力车辆操作的自适应升压电压。一种动力传动系统包括DC‑DC转换器、电机和控制器。所述DC‑DC转换器可被配置为输出总线电压。所述控制器可被配置为：响应于超过电机的可用扭矩的扭矩请求，命令DC‑DC转换器将所述总线电压升压至从预定数量的可用离散阶跃值中选择的离散阶跃值，以增大所述可用扭矩，其中，所述选择的离散阶跃值响应于动力传动系统的选择的操作模式变化而变化。

Description

用于混合动力车辆操作的自适应升压电压
技术领域
本申请总体上涉及一种被配置为选择升压电压并且在该升压电压下操作持续预定时间的DC-DC转换器。
背景技术
电气化车辆(包括混合动力电动车辆(HEV)和电池电动车辆(BEV))依靠牵引电池向用于推进的牵引马达提供电力，并且依靠牵引电池和牵引马达之间的电力逆变器将直流(DC)电力转换为交流(AC)电力。典型的AC牵引马达是3相马达，3相马达可由3个正弦信号提供电力，所述3个正弦信号中的每个以120度的相位分离驱动。牵引电池被配置为在特定电压范围内操作，并提供最大电流。牵引电池可选地被称作高电压电池，其中，典型的牵引电池的端电压超过100伏特DC。然而，电机的改善的性能可通过在不同的电压范围内进行操作来实现，所述电压范围通常高于牵引电池的端电压。同样，用于驱动车辆电机的电流需求通常被称作高电流。
很多电气化车辆包括DC-DC转换器(还被称作可变电压转换器(VVC))，以将牵引电池的电压转换为电机的操作电压水平。可包括牵引马达的电机可能需要高电压和高电流。由于电压需求、电流需求和开关需求，固态开关(诸如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT))通常被用于产生电力逆变器和VVC中的信号。
发明内容
一种动力传动系统包括DC-DC转换器、电机和控制器。所述DC-DC转换器可被配置为输出总线电压。所述控制器可被配置为：响应于扭矩请求超过电机的可用扭矩，命令DC-DC转换器将所述总线电压升压至从预定数量的可用离散阶跃值中选择的离散阶跃值，以增大所述可用扭矩，其中，所述选择的离散阶跃值响应于动力传动系统的选择的操作模式变化而变化。
一种车辆包括电机和控制器。所述电机可被配置为：在总线电压下向车辆提供推进力。所述控制器可被配置为：使得转换器以从预定数量的可用离散阶跃值中选择的离散阶跃值输出所述总线电压，并且响应于电机的操作模式变化而改变所述可用离散阶跃值中的至少一些。
一种控制DC-DC转换器的方法包括：响应于对与DC-DC转换器连接的马达的扭矩请求超过可用扭矩，输出总线电压并且更新至少一些离散阶跃值的大小。通过DC-DC转换器以从预定数量的可用离散阶跃值中选择的离散阶跃值输出总线电压持续至少预定持续时间。所述更新至少一些离散阶跃值的大小可基于动力传动系统的历史操作数据。
附图说明
图1是示出典型的传动系和能量储存组件的混合动力车辆的示图，其中，在传动系与能量储存组件之间具有可变电压转换器和电力逆变器。
图2是车辆的可变电压转换器的示意图。
图3是车辆的电机逆变器的示意图。
图4是双电机和逆变器系统的示意图，所述双电机和逆变器系统具有牵引电池以及牵引电池与电力逆变器之间的可变电压转换器。
图5A是马达扭矩下的电机的功率限制相对于角速度和总线电压的图形示图。
图5B是混合动力车辆的行驶周期期间的向逆变器供应连续变化的电压的可变电压转换器的总线电压相对于时间的图形示图。
图6A是马达扭矩下的电机的功率限制相对于角速度和总线电压的图形示图。
图6B是混合动力车辆的行驶周期期间的向逆变器供应阶跃电压的可变电压转换器的总线电压相对于时间的图形示图。
图7是马达扭矩下的电机的功率限制相对于角速度和总线电压的图形示图，所述图形示图进一步示出操作区域。
图8是马达扭矩下的电机的功率限制相对于角速度和总线电压的图形示图，所述图形示图进一步示出受限操作区域内的滞后。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的是，参考任一附图示出和描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
固态器件(SSD)(诸如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极型晶体管(BJT))广泛用于各种车辆应用和工业应用(诸如，电动马达驱动、电力逆变器、DC-DC转换器和电力模块)。IGBT和MOSFET的操作是电压控制的，其中，所述IGBT和MOSFET的操作基于施加到IGBT或MOSFET的栅极的电压，而BJT的操作是电流控制的，其中，所述BJT的操作基于施加到BJT的基极的电流。在此将论述IGBT的使用，但是结构和方法可应用于其它的SSD。IGBT的操作由栅极驱动器提供的栅极电压控制。传统的栅极驱动器通常基于利用电流限制电阻器施加到IGBT的栅极的电压，该电压大于阈值电压，所述栅极驱动器一般由可切换的电压源和栅极电阻器构成。低的栅极电阻会引起开关速度快和开关损耗低，但是还可对半导体器件造成较高的负荷(stress)(例如，过电压负荷)。因此，栅极电阻被选择以寻求在开关损耗、开关延迟和负荷之间的折衷。当使IGBT截止时，栅极电阻器减小从栅极流出的电流，从而增加IGBT的截止时间。此外，栅极驱动器可使用不同的导通电阻器和截止电阻器，以单独地控制导通和截止的开关速度。
图1描绘了可被称作插电式混合动力电动车辆(PHEV)的电气化车辆112。插电式混合动力电动车辆112可包括机械地连接至混合动力传动装置116的一个或更多个电机114。电机114能够作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置116机械地连接至发动机118。混合动力传动装置116还机械地连接至驱动轴120，驱动轴120机械地连接至车轮122。电机114能在发动机118启动或关闭时提供推进和减速能力。电机114还可用作发电机，并且能够通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热损失掉的能量来提供燃料经济性效益。电机114还可通过允许发动机118以更高效的转速运转并允许混合动力电动车辆112在特定状况下以发动机118关闭的电动模式运转而减少车辆排放。电气化车辆112还可以是电池电动车辆(BEV)。在BEV配置中，发动机118可不存在。在其它配置中，电气化车辆112可以是没有插电能力的全混合动力电动车辆(FHEV)。
牵引电池或电池组124储存可被电机114使用的能量。车辆电池组124可提供高电压直流电(DC)输出。牵引电池124可电连接至一个或更多个电力电子模块126。一个或更多个接触器142可在断开时将牵引电池124与其它组件隔离，并且可在闭合时将牵引电池124连接到其它组件。电力电子模块126还电连接至电机114，并提供在牵引电池124与电机114之间双向传输能量的能力。例如，牵引电池124可提供DC电压而电机114可使用三相交流电(AC)来运转。电力电子模块126可将DC电压转换为三相AC电流来运转电机114。在再生模式下，电力电子模块126可将来自用作发电机的电机114的三相AC电流转换为与牵引电池124兼容的DC电压。
车辆112可包括在牵引电池124和电力电子模块126之间电连接的可变电压转换器(VVC)152。VVC 152可以是被配置为增大或升高由牵引电池124提供的电压的DC/DC升压转换器。通过增大电压，电流需求可被降低，从而导致电力电子模块126和电机114的布线尺寸减小。此外，电机114可在较高的效率和较低的损耗下运转。
牵引电池124除了提供用于推进的能量之外，还可为其它车辆电力系统提供能量。车辆112可包括DC/DC转换模块128，DC/DC转换模块128将牵引电池124的高电压DC输出转换成与低电压车辆负载兼容的低电压DC供应。DC/DC转换模块128的输出可电连接至辅助电池130(例如，12V电池)以用于为辅助电池130充电。低电压系统可电连接至辅助电池130。一个或更多个电负载146可连接至高电压总线。电负载146可具有相关联的控制器，所述控制器适时地操作和控制电负载146。电负载146的示例可以是风扇、电加热元件和/或空调压缩机。
电气化车辆112可被配置为通过外部电源136对牵引电池124进行再充电。外部电源136可连接到电插座。外部电源136可电连接至充电器或电动车辆供电设备(EVSE)138。外部电源136可以是由公共电力公司提供的配电网或电网。EVSE 138可提供电路和控制，以调节和管理电源136与车辆112之间的能量传输。外部电源136可向EVSE 138提供DC电力或AC电力。EVSE 138可具有用于插入到车辆112的充电端口134中的充电连接器140。充电端口134可以是被配置为从EVSE 138向车辆112传输电力的任意类型的端口。充电端口134可电连接至充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块132可对从EVSE 138供应的电力进行调节，以向牵引电池124提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块132可与EVSE 138进行接口连接，以协调对车辆112的电力传输。EVSE连接器140可具有与充电端口134的相应凹槽匹配的引脚。可选地，被描述为电耦合或电连接的各种组件可使用无线感应耦合来传输电力。
可提供一个或更多个车轮制动器144，以使车辆112减速并阻止车辆112移动。车轮制动器144可以是液压致动的、电致动的或者它们的某种组合。车轮制动器144可以是制动系统150的一部分。制动系统150可包括用于操作车轮制动器144的其它组件。为简单起见，附图描绘了制动系统150与车轮制动器144中的一个之间的单一连接。制动系统150和其它车轮制动器144之间的连接被隐含。制动系统150可包括控制器，以监测和协调制动系统150。制动系统150可监测制动组件并控制车轮制动器144以使车辆减速。制动系统150可对驾驶员命令做出响应并且还可自主运转以实现诸如稳定性控制的功能。当被另一控制器或子功能请求时，制动系统150的控制器可实现施加被请求的制动力的方法。
车辆112中的电子模块可经由一个或更多个车辆网络通信。车辆网络可包括用于通信的多个信道。车辆网络的一个信道可以是诸如控制器局域网(CAN)的串行总线。车辆网络的信道中的一个可包括由电气与电子工程师协会(IEEE)802标准族定义的以太网。车辆网络的其它信道可包括模块之间的离散连接，并且可包括来自辅助电池130的电力信号。不同的信号可通过车辆网络的不同信道进行传输。例如，视频信号可通过高速信道(例如，以太网)进行传输，而控制信号可通过CAN或离散信号进行传输。车辆网络可包括协助在模块之间传输信号和数据的任何硬件组件和软件组件。车辆网络没有在图1中示出，但是可隐含了车辆网络可连接到在车辆112中存在的任何电子模块。可存在车辆系统控制器(VSC)148来协调各个组件的操作。
图2描绘了被配置为升压转换器的VVC 152的示图。VVC 152可包括可通过接触器142连接至牵引电池124的端子的输入端子。VVC 152可包括连接至电力电子模块126的端子的输出端子。VVC 152可被操作为使输出端子处的电压高于输入端子处的电压。车辆112可包括监测和控制VVC 152中的多个位置处的电参数(例如电压和电流)的VVC控制器200。在一些配置中，VVC控制器200可被包括为VVC 152的一部分。VVC控制器200可确定输出电压基准VVC控制器200可基于电参数和电压基准确定足够使VVC 152实现期望的输出电压的控制信号。在一些配置中，控制信号可被实现为脉冲宽度调制(PWM)信号，其中，PWM信号的占空比是变化的。控制信号可在预定开关频率下操作。VVC控制器200可使用控制信号命令VVC 152提供期望的输出电压。操作VVC 152的特定控制信号可与由VVC 152提供的电压升高量直接相关。
VVC 152的输出电压可被控制以达到期望的基准电压。在一些配置中，VVC 152可以是升压转换器。在VVC控制器200控制占空比的升压转换器的配置中，输入电压Vin和输出电压Vout以及占空比D之间的理想关系可使用以下等式示出：
期望的占空比D可通过测量输入电压(例如牵引电池电压)以及将输出电压设置为基准电压来被确定。VVC 152可以是降低从输入至输出的电压的降压转换器。在降压配置中，可推导得到将输入电压和输出电压与占空比关联的另一表达式。在一些配置中，VVC152可以是可增大或减小输入电压的降压-升压转换器。这里描述的控制策略不限于特定的可变电压转换器拓扑结构。
参照图2，VVC 152可升高或“提高(step up)”由牵引电池124提供的电力的电势。牵引电池124可提供高电压(HV)DC电力。在一些配置中，牵引电池124可提供150伏特和400伏特之间的电压。接触器142可串联电连接在牵引电池124和VVC 152之间。当接触器142闭合时，HV DC电力可从牵引电池124被传输到VVC 152。输入电容器202可与牵引电池124并联电连接。输入电容器202可稳定总线电压并减小任何电压纹波和电流纹波。VVC 152可接收HV DC电力，并根据占空比升高或“提高”输入电压的电势。
输出电容器204可电连接在VVC 152的输出端子之间。输出电容器204可稳定总线电压，并减小VVC 152的输出处的电压纹波和电流纹波。
进一步参照图2，VVC 152可包括用于升高输入电压以提供升高的输出电压的第一开关器件206和第二开关器件208。开关器件206、208可被配置为使电流选择性地流向电负载(例如电力电子模块126和电机114)。每个开关器件206、208可被VVC控制器200的栅极驱动电路(未示出)独立控制，并可包括任何类型的可控开关(例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或场效应晶体管(FET))。栅极驱动电路可向每个开关器件206、208提供基于控制信号(例如PWM控制信号的占空比)的电信号。二极管可跨接在开关器件206、208中的每个上。开关器件206、208可分别具有关联的开关损耗。开关损耗是在开关器件的状态变化(例如开/关和关/开的转换)期间产生的电力损耗。可通过在转换期间流经开关器件206、208的电流以及开关器件206两端的电压和开关器件208两端的电压来量化开关损耗。开关器件还可具有当器件接通时产生的相关联的传导损耗。
车辆系统可包括用于测量VVC 152的电参数的传感器。第一电压传感器210可被配置为测量输入电压(例如电池124的电压)，并向VVC控制器200提供相应的输入信号(Vbat)。在一个或更多个实施例中，第一电压传感器210可测量与电池电压对应的输入电容器202两端的电压。第二电压传感器212可测量VVC 152的输出电压，并向VVC控制器200提供相应的输入信号(Vdc)。在一个或更多个实施例中，第二电压传感器212可测量与DC总线电压对应的输出电容器204两端的电压。第一电压传感器210和第二电压传感器212可包括用于将电压缩放到适合VVC控制器200的水平的电路。VVC控制器200可包括用于对来自第一电压传感器210和第二电压传感器212的信号进行滤波和数字化的电路。
输入电感器214可串联电连接在牵引电池124和开关器件206、208之间。输入电感器214可在将能量储存在VVC 152中和释放VVC 152中的能量之间转换，从而能够提供可变的电压和电流作为VVC 152的输出，并且能够实现期望的电压升高。电流传感器216可测量通过输入电感器214的输入电流，并且可向VVC控制器200提供相应的电流信号(IL)。通过输入电感器214的输入电流可以是VVC 152的输入电压和输出电压之间的电压差、开关器件206、208的导通时间以及输入电感器214的电感L共同作用的结果。VVC控制器200可包括用于对来自电流传感器216的信号进行缩放、滤波和数字化的电路。
VVC控制器200可被配置为控制VVC 152的输出电压。VVC控制器200可经由车辆网络从VVC 152和其它控制器接收输入，并且可确定控制信号。VVC控制器200可监测输入信号(Vbat、Vdc、IL、)，以确定控制信号。例如，VVC控制器200可向栅极驱动电路提供与占空比命令对应的控制信号。栅极驱动电路随后可基于占空比命令控制每个开关器件206、208。
提供给VVC 152的控制信号可被配置为以特定的开关频率驱动开关器件206、208。在开关频率的每个周期内，开关器件206、208可以以特定的占空比操作。占空比定义开关器件206、208处于接通状态和断开状态的时间量。例如，100％的占空比可使开关器件206、208在无断开的持续接通状态下操作。0％的占空比可使开关器件206和开关器件208在无接通的持续断开状态下操作。50％的占空比可使开关器件206、208在接通状态下操作持续半个周期，并且在断开状态下操作持续半个周期。两个开关206、208的控制信号可以是互补的。即，发送至开关器件中的一个(例如，开关器件206)的控制信号可以是发送至另一开关器件(例如，开关器件208)的控制信号的相反版本。期望进行开关器件206和208的互补控制，以避免电流直接流过高侧开关器件206和低侧开关器件208的击穿状况。高侧开关器件206还被称作通过器件206，低侧开关器件208还被称作充电器件208。
由开关器件206、208控制的电流可包括纹波分量，所述纹波分量具有随着电流幅值以及开关器件206、208的占空比和开关频率的变化而变化的幅值。相对于输入电流，在相对高的输入电流状况期间出现最差情况的纹波电流幅值。当占空比固定时，电感器电流的增大引起纹波电流幅值的增大。纹波电流的幅值还与占空比相关。当占空比等于50％时，出现最高幅值的纹波电流。基于这些事实，在高电流和中间范围占空比状况下实施用于减小纹波电流幅值的措施可能是有益的。
当设计VVC 152时，可选择开关频率和电感器214的电感值以满足最大可允许纹波电流幅值。纹波分量可以是出现在DC信号中的周期性变量。纹波分量可由纹波分量幅值和纹波分量频率来定义。纹波分量可具有处于可听频率范围内的谐波，所述谐波可增加车辆的噪声特征。此外，纹波分量可能导致难以精确地控制由电源供电的器件。在开关瞬变期间，开关器件206、208可在最大电感器电流(DC电流加纹波电流)处断开，这可引起开关器件206、208两端的大电压尖峰。由于尺寸和成本的限制，可基于传导电流选择电感值。总之，随着电流增大，电感可由于饱和而减小。
开关频率可被选择以限制在最差情况的情境(例如，最高输入电流和/或占空比接近50％的状况)下的纹波电流分量的幅值。开关器件206、208的开关频率可被选择为高于连接至VVC 152的输出的马达/发电机逆变器的开关频率(例如，5kHz)的频率(例如，10kHz)。在一些应用中，VVC 152的开关频率可被选择为预定的固定频率。预定的固定频率通常被选择以满足噪声和纹波电流的规范。然而，预定的固定频率的选择可能无法在VVC 152的全部操作范围内提供最佳性能。预定的固定频率可在特定集合的操作状况下提供最佳结果，但可能在其它操作状况下对预定的固定频率做出折衷。
增大开关频率可减小纹波电流幅值并降低开关器件206、208上的电压负荷，但可能导致更高的开关损耗。虽然可针对最差情况的纹波状况选择开关频率，但是VVC 152在最差情况的纹波状况下的操作时间可能仅占总操作时间的小百分比。这可能导致可降低燃料经济性的非必要的高开关损耗。此外，固定的开关频率可将噪声频谱集中在非常窄的范围内。在这个窄的范围内的增大的噪声密度可引起显著的噪声、振动和声振粗糙度(NVH)问题。
VVC控制器200可被配置为基于占空比和输入电流改变开关器件206、208的开关频率。开关频率的改变可通过降低开关损耗来改善燃料经济性并减少NVH问题，同时保持最差情况的操作状况下的纹波电流目标。
在相对高的电流状况期间，开关器件206、208可能经受增大的电压负荷。在VVC152的最大操作电流处，可期望选择相对高的开关频率，从而减小纹波分量的幅值并且开关损耗水平是合理的。可基于输入电流幅值来选择开关频率，使得开关频率随着输入电流幅值的增大而增大。开关频率可增大到预定的最大开关频率。预定的最大开关频率可以是在较低的纹波分量幅值和较高的开关损耗之间提供折衷的水平。可在操作电流范围内按照离散步长改变开关频率或持续改变开关频率。
VVC控制器200可被配置为响应于电流输入低于预定的最大电流而降低开关频率。预定的最大电流可以是VVC 152的最大操作电流。开关频率的改变可基于输入到开关器件206、208的电流的幅值。当电流大于预定的最大电流时，开关频率可被设置为预定的最大开关频率。随着电流减小，纹波分量的幅值减小。通过在电流减小时以较低的开关频率操作，开关损耗降低。开关频率可基于输入到开关器件的功率而变化。由于输入功率是输入电流和电池电压的函数，因此输入功率和输入电流可以以类似的方式被使用。
由于纹波电流还受占空比影响，所以开关频率可基于占空比而变化。可基于输入电压与输出电压之间的比值来确定占空比。因此，开关频率还可基于输入电压和输出电压之间的比值而变化。当占空比接近50％时，预测的纹波电流幅值是最大值，并且开关频率可被设置为预定的最大频率。预定的最大频率可以是被选择为使纹波电流幅值最小化的最大开关频率值。开关频率可在占空比范围内按照离散步长变化或持续变化。
VVC控制器200可被配置为响应于占空比和预测的纹波分量幅值为最大值时的占空比值(例如50％)之间的差的大小而从预定的最大频率开始减小开关频率。当所述差的大小小于阈值时，开关频率可被设置为预定频率。当所述差的大小减小时，开关频率可向着预定的最大频率增大，以减小纹波分量幅值。当所述差的大小小于阈值时，开关频率可被设置为预定的最大频率。
开关频率可被限制在预定的最大频率和预定的最小频率之间。预定的最小频率可以是大于连接至可变电压转换器152的输出的电力电子模块126的预定开关频率的频率水平。开关频率还可基于与IGBT的栅极相关联的寄生电感。
参照图3，系统300被提供用于控制电力电子模块(PEM)126。图3的PEM 126被示出为包括多个开关302(例如，IGBT)，所述多个开关302被配置为共同操作为具有第一相桥(phase leg)316、第二相桥318和第三相桥320的逆变器。尽管逆变器被示出为三相转换器，但是逆变器可包括额外的相桥。例如，逆变器可以是四相转换器、五相转换器、六相转换器等。此外，PEM 126可包括多个转换器，PEM 126中的每个逆变器包括三个或更多个相桥。例如，系统300可控制PEM 126中的两个或更多个逆变器。PEM 126还可包括具有高功率开关(例如，IGBT)的DC至DC转换器，以经由升压、降压或它们的组合将电力电子模块输入电压转换为电力电子模块输出电压。
如图3所示，逆变器可以是DC至AC转换器。在操作中，DC至AC转换器通过DC总线304从DC电力链路(power link)306接收DC电力，并将DC电力转换为AC电力。AC电力经由相电流ia、ib和ic传输，以驱动AC电机，所述AC电机也被称作电机114(诸如图3中描绘的三相永磁同步马达(PMSM))。在这个示例中，DC电力链路306可包括DC蓄电池，以向DC总线304提供DC电力。在另一示例中，逆变器可操作为将来自AC电机114(例如，发电机)的AC电力转换为DC电力的AC至DC转换器，其中，DC总线304可将DC电力提供至DC电力链路306。此外，系统300可控制其它电力电子拓扑结构中的PEM 126。
继续参照图3，逆变器中的相桥316、318和320中的每个均包括功率开关302，功率开关302可由多种类型的可控开关来实现。在一个实施例中，每个功率开关302可包括二极管和晶体管(例如，IGBT)。图3中的二极管被标记为Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1和Dc2，而图3的IGBT分别被标记为Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1和Sc2。功率开关Sa1、Sa2、Da1和Da2是三相转换器的相桥A的一部分，相桥A在图3中被标记为第一相桥A 316。类似地，功率开关Sb1、Sb2、Db1和Db2是三相转换器的相桥B 318的一部分，功率开关Sc1、Sc2、Dc1和Dc2是三相转换器的相桥C 320的一部分。逆变器可根据逆变器的特定构造而包括任意数量的功率开关302或电路元件。二极管(Dxx)与IGBT(Sxx)并联连接，然而，由于为了适当的操作，极性是相反的，因此该构造通常被称作反向并联连接。这种反向并联构造中的二极管还被称作续流二极管。每个相桥可被视为被构造为半桥构造的两个开关，并且典型的三相电力逆变器包括三个半桥。
如图3所示，设置电流传感器CSa、CSb和CSc以分别感测相桥316、318和320中的电流。图3示出了与PEM 126分离的电流传感器CSa、CSb和CSc。然而，根据PEM 126的构造，电流传感器CSa、CSb和CSc可被集成为PEM 126的一部分。图3中的电流传感器CSa、CSb和CSc被安装成分别与相桥A、B和C(即，图3中的相桥316、318和320)串联，并分别提供用于系统300的反馈信号ias、ibs和ics(也在图3中示出)。反馈信号ias、ibs和ics可以是由逻辑器件(LD)处理的原始电流信号，或者可被嵌入关于分别流过相桥316、318和320的电流的数据或信息，或者可利用所述数据或信息被编码。此外，功率开关302(例如，IGBT)可包括电流感测能力。电流感测能力可包括被配置有可提供表示ias、ibs和ics的数据或信号的电流镜像输出。所述数据或信号可指示分别流过相桥A、B和C的电流的方向、幅值或者方向和幅值两者。
再次参照图3，系统300包括逻辑器件(LD)或控制器310。控制器或LD 310可由多种类型的电子装置和/或基于微处理器的计算机或控制器或者它们的组合来实现。为了实现控制PEM 126的方法，控制器310可执行被嵌入有所述方法或利用所述方法编码并且被存储在易失性存储器312和/或永久性存储器312中的计算机程序或算法。可选地，逻辑可被编码到离散逻辑、微处理器、微控制器或存储在一个或更多个集成电路芯片上的逻辑阵列或门阵列中。如图3中的实施例所示，控制器310接收并处理反馈信号ias、ibs和ics以控制相电流ia、ib和ic，使得相电流ia、ib和ic根据多种电流模式或电压模式流过相桥316、318和320并进入电机114的对应的绕组。例如，电流模式可包括流进和流出DC总线304或DC总线电容器308的相电流ia、ib和ic的模式。图3中的DC总线电容器308被示出为与PEM 126分离。然而，DC总线电容器308可被集成为PEM 126的一部分。
如图3所示，诸如计算机可读存储器的存储介质312(以下称为“存储器”)可存储被嵌入有所述方法或利用所述方法编码的计算机程序或算法。此外，存储器312可存储关于PEM 126中的各种操作状况或组件的数据或信息。例如，存储器312可存储关于流过各个相桥316、318和320的电流的数据或信息。如图3所示，存储器312可以是控制器310的一部分。然而，存储器312可被布置在控制器310可访问的任何合适的位置。
如图3所示，控制器310向电力转换器系统126发送至少一个控制信号236。电力转换器系统126接收控制信号236以控制逆变器的开关配置，从而控制流过各个相桥316、318和320的电流。所述开关配置是逆变器中的功率开关302的开关状态的集合。一般而言，逆变器的开关配置确定逆变器如何转换DC电力链路306和电机114之间的电力。
为了控制逆变器的开关配置，逆变器基于控制信号236将逆变器中的每个功率开关302的开关状态改变为闭合状态或断开状态。在示出的实施例中，为了将功率开关302切换到闭合状态或断开状态，控制器或LD 310向每个功率开关302提供栅极电压(Vg)，从而驱动每个功率开关302的开关状态。栅极电压Vga1、Vga2、Vgb1、Vgb2、Vgc1和Vgc2(在图3中示出)控制各个的功率开关302的开关状态和特性。虽然逆变器在图3中被示出为电压驱动的器件，但是逆变器可以是电流驱动的器件，或者可由将功率开关302在闭合状态和断开状态之间进行切换的其它策略来控制。控制器310可基于电机114的转速、镜像电流或IGBT开关的温度来改变每个IGBT的栅极驱动。栅极驱动的变化可根据多个栅极驱动电流被选择，在所述多个栅极驱动电流中，栅极驱动电流的变化与IGBT开关速度的变化成比例。
还如图3所示，相桥316、318和320中的每个包括两个开关302。然而，在相桥316、318和320中的每个中仅有一个开关可以处于闭合状态而不会使DC电力链路306短路。因此，在每个相桥中，下方开关的开关状态通常与对应的上方开关的开关状态相反。上方开关通常被称作高侧开关(即，开关302A、302B、302C)，下方开关通常被称作低侧开关(即，开关302D、302E、302F)。因此，相桥的高状态指的是相桥中的上方开关处于闭合状态并且下方开关处于断开状态。类似地，相桥的低状态指的是相桥的上方开关处于断开状态并且下方开关处于闭合状态。作为结果，具有电流镜像能力的IGBT可以是所有IGBT、IGBT的子集(例如，Sa1、Sb1、Sc1)或单个IGBT。
在图3中示出的三相转换器示例的激活状态期间会出现两种情况：(1)两个相桥处于高状态，而第三个相桥处于低状态，或者(2)一个相桥处于高状态，而另外两个相桥处于低状态。因此，三相转换器中的一个相桥(可被定义为逆变器的特定激活状态的“参考”相)处于与另外两个具有相同状态的相桥(或者“非参考”相)的状态相反的状态。因此，非参考相在逆变器的激活状态期间均处于高状态或者均处于低状态。
图4是双电机和逆变器系统400的示意图，双电机和逆变器系统400具有牵引电池402以及牵引电池402与电力逆变器之间的可变电压转换器410。系统400被配置为通过两个独立的DC至AC电力逆变器412和414来分别驱动两个电机404和406。两个独立的DC至AC电力逆变器412和414由可变电压转换器410供电，可变电压转换器410连接到电池402。
图5A是马达扭矩502下的电机的功率限制500相对于角速度504和总线电压的图形示图。逆变器系统(诸如，图4的逆变器系统400)包括DC-DC转换器(VVC)410，DC-DC转换器410被配置为将来自电池的电力传递至逆变器412和414或者对所述电力进行转换。所述电力通过断开低侧开关并且闭合高侧开关而被传递，使得电力在电池电压下在电池402与逆变器412和414之间流动。通过利用在电感器L中产生的感应场改变输入和输出电压来调节高侧开关和低侧开关，以对电力进行转换。当VVC操作在通过(pass though)模式下时，在非升压区域506示出能够由电机提供的电力。非升压区域506基于扭矩502以及被称作转速504的角速度而变化。如果在非升压区域506内功率需求大于可用的功率，则VVC可增大输出电压，使得系统可在升压区域508内进行操作。通常，电机被配置为提供与转速504无关的最大扭矩，然而在很多转速下，最大扭矩仅在升压区域508内可用。此外，取决于系统配置，很多操作点(即，在给定转速504下的扭矩502)需要VVC升高电压以在升压区域508内进行操作。通常，DC-DC转换器系统(例如，VVC和逆变器)被配置为：连续地升高电压并且改变电压以满足功率需求，使得提供给逆变器412和414的电力不断地变化。
图5B是混合动力车辆的行驶周期期间的向逆变器供应连续变化的电压的可变电压转换器的总线电压512相对于时间514的图形示图510。这里，示出了总线电压512相对于时间514的电压曲线516。在该图形示图510中，考虑到在时间0(即，电压曲线516的起点)DC总线电压512也是电池电压，并且VVC处于通过模式，此后所有操作都需要对电池电压进行升压，使得操作处于升压区域508内。这将需要不断改变升压转换器的占空比，从而避免频繁的DC总线电压波动。
图6A是马达扭矩602下的电机的功率限制相对于角速度604和总线电压的图形示图600。当VVC操作在通过模式下时，示出了能够由电机提供的电力在非升压区域606内。此后，总线电压阶跃式升高，第一阶(step)是电力与第一DC总线电压V1 608关联，第二阶是电力与第二DC总线电压V2 610关联，第三阶是电力与第三DC总线电压V3 612关联，第四阶是电力与第四DC总线电压V4 614关联。阶跃水平(step level)是连续的DC总线电压水平之间的距离。阶跃间隔(step interval)是连续的阶(608、610、612、614)之间的距离。例如，第一阶跃间隔可从0开始并包括非升压区域606，第二阶跃间隔可从非升压区域606开始并包括第一DC总线电压V1 608，以此类推。这里，所述阶可与电机在基于扭矩、转速和功率的区域内操作(即，马达操作)的时间的百分比相关联。所述百分比可以是总操作时间的十分之几(即，10％、20％等)，也可以是总操作时间的四分之几(即，25％、50％等)或者是马达操作的一些其它对称或非对称的划分。例如，控制器可将第一DC总线电压V1 608设置为与时间在100％与75％之间的需要升压的马达操作相关联的电压。同样地，控制器可将DC总线电压V2610设置为与时间在75％与50％之间的马达操作相关联的电压，将DC总线电压V3 612设置为与时间在50％与25％之间的马达操作相关联的电压，将DC总线电压V4 614设置为时间在与25％与0％之间的马达操作相关联的电压。操作点可被校准到预定的电压集合。在另一实施例中，控制器可基于历史行驶、地形和状况动态地调整每个DC总线电压(V1 608、V2 610、V3 612和V4 614)。在另一实施例中，DC总线电压(V1 608、V2 610、V3 612和V4 614)可基于行驶模式被预先确定。例如，DC-DC转换器可基于用户选择而被限制在以特定电压进行操作。考虑用户选择，诸如：可将操作限制为非升压和V1 608的经济模式；而正常操作可被限制为非升压、V1 608和V2 610；运动模式可被限制为非升压、V1 608、V2 610和V3 612；性能模式可允许所有的升压能力(包括非升压、V1 608、V2 610、V3 612和V4 614)。控制器还可被配置为组合地进行操作，诸如，如上所述的行驶模式外加基于历史行驶、地形和状况动态地调整电压限制。所述状况中的一些可包括车辆由于净载荷或乘客而产生的重量以及道路状况(诸如，雪或越野(泥、沙子))。操作时间的百分比可基于历史使用，使得具有不同驾驶员的两个车辆适应于每个独立的驾驶员的驾驶风格。例如，“踩油门较重”的驾驶员的一定百分比的操作时间内的阶跃幅值可高于“踩油门较轻”的驾驶员的相同百分比的操作时间内的阶跃幅值。
通常，DC-DC转换器能够以多个电压输出电压。例如，DC-DC转换器可被配置为基于PWM定时器的分辨率(例如，8位定时器能够分辨256个电平、10位定时器能够分辨1024个电平，16位定时器能够分辨65536个电平)来输出电压，因此DC-DC转换器能够基于8位定时器而输出256个电平或者基于10位定时器输出1024个电平。这里，输出电压被限制为可能的电平的总数的一小部分。例如，具有能够输出256个电平的8位定时器的DC-DC转换器可被配置为仅输出16个电平，从而减小开关损耗。此外，所述16个电平可基于操作模式(性能模式、运动模式、正常模式或经济模式)而被预先确定，或者可基于可在校准期间被确定的预测的操作百分比而被预先确定。
图6B是混合动力车辆的行驶周期期间的向逆变器供应阶跃电压的可变电压转换器的总线电压622相对于时间624的图形示图620。这里，控制器可被配置为调节DC-DC转换器以调整DC总线电压622，从而以给定的扭矩请求和角速度提供所需的功率。然而，阶跃曲线628的使用与连续曲线626不同，在阶跃曲线628中，DC总线电压622以有限数量的阶被输出。所述有限数量的阶可以是预定数量的阶，例如，所述预定数量可以是5、10、256、1024或其它整数。所述有限数量的阶中的每个可从如上所述的预定阶的集合中被选择，或者可基于历史操作、驾驶员输入、地形、位置或道路状况而被动态地计算。这里，一共示出了5个阶；当VVC处于通过模式时，电压是将在非升压区域606内操作的非升压电压630A。第一升压电压V1 630B将在非升压区域606和V1区域608内操作。第二升压电压V2 630C将在非升压区域606、V1区域608和V2区域610内操作。第三升压电压V3 630D将在非升压区域606、V1区域608、V2区域610和V3区域612内操作。最后一个升压电压V4 630E将在非升压区域606、V1区域608、V2区域610、V3区域612和V4区域614内操作。这里，电压阶被示出为使每个阶之间的电压改变或变化。在其它实施例中，阶之间的电压变化可以是相等的，或者是相等与不相等的组合的。还如图所示，存在阶跃电压在给定扭矩和转速下提供额外的功率的点，并且同样地，存在相对于阶跃曲线628在给定扭矩和转速下所需功率不足的点。这样做可减小电压水平的开关损耗以及关联的损耗。
此外，当检测到电动动力传动系统可在增大或减小的电压阶下操作以减小开关损耗时，该阶跃曲线628可将电压保持在特定电压水平。在确定电动动力传动系统可在增大或减小的电压阶下操作的情况下，如果控制器确定增大或减小的电压阶是暂时的，则控制器可保持当前电压水平，其中，与增大或减小的电压阶相关联的时间小于预定时间段。所述预定时间段可与DC-DC转换器能够在给定扭矩和转速下产生的功率传输损耗以及DC总线电压的变化率相关联。
这里，车辆开始于第一升压水平630B，并且在到达第一时间t1 632时，基于给定扭矩和转速下的功率需求的变化率，控制器将升压电压622增大至第三升压水平V3 630D。当控制器命令DC-DC转换器操作第一升压水平V1 630B以增大至第三升压水平V3 630D时，DC-DC转换器仅产生第二升压水平V2 630C，第二升压水平V2 630C作为从第一升压水平增大至第三升压水平的瞬变电压。由于功率需求保持在所述DC总线电压622(例如，第三升压水平V3 630D)下可用的最大功率以下，因此控制器随后从第一时间t1 632至第二时间t2 634保持升压水平不变。由于功率需求在第二时间t2 634降低，因此控制器命令DC-DC转换器在第二升压水平V2 630C下操作。在第二时间t2 634与第三时间t3 636之间，功率需求波动并且不时下降到第一升压水平V1 630B以下，然而，控制器可被配置为基于预测的未来操作而将升压水平保持在第二升压水平V2 630C。所述预测的未来操作可基于与控制器通信的导航数据，而所述导航数据包括地形变化、坡度变化、道路状况变化以及沿着由导航系统规划的路线的交通状况的变化。如果功率需求小于在当前升压电压下可用的功率但仅仅持续短暂的下降，则控制器将电压保持在当前水平以减小循环损耗。
同样地，如果功率需求大于在当前升压电压下可用的功率但仅持续短暂的上升，则控制器可将电压保持在当前水平以减小开关损耗，即使这可能导致性能短暂、轻微的下降。如阶跃电压628从时间t3 636到t4 638的变化以及从时间t5 640到t6 642的变化所示，控制器还可使升压电压622递增地增大或递减地减小。类似于时间t2 634与时间t3 636之间的操作，在时间t6 642与时间t7 644之间的操作期间，即使当功率需求暂时增大超过在升压水平630C下可用的功率时或者当功率需求下降到在下一个较低升压水平(即，升压水平630B)下可用的功率以下时，DC总线电压622也保持在升压水平630C。
在一些实例中，DC-DC转换器可被配置为限制DC总线电压622，例如，如果车辆在性能模式下操作，则所有的DC总线电压水平630(阶跃电压)将是可用的，然而，如果车辆的操作者选择了较低的模式(诸如，运动模式)，则DC总线电压水平可被限制在运动水平630D，在运动水平630D下，比在扭矩、转速和总线电压下可用的功率大的任何功率需求将限制输出到动力传动系统的功率。
图7是马达扭矩702下的电机的功率限制相对于角速度704和总线电压的图形示图700，所述图形示图700进一步示出操作区域。与先前的图形示图类似，在电池电压通过DC-DC转换器时的总线电压下的在给定的扭矩702和角速度704下可用的功率位于非升压区域706内，在DC-DC转换器对电池电压进行升压的情况下在给定的扭矩702和角速度704下可用的最大功率位于最大升压区域712内。诸如城市区域708和高速公路区域710的操作区域位于最大升压区域内。基本上，当车辆在城市街道上运行时，车辆大部分时间在城市区域708内操作。所述大部分时间可以是特定的百分比(诸如，需要升压的70％、80％或90％的时间)。因此，控制器可被配置为以用于提供在城市区域708内操作所必需的功率的DC总线电压进行操作。控制器操作可基于指示城市驾驶的用户输入选择(例如，驾驶员选择城市模式)或导航数据。同样地，控制器可被配置为以用于提供在高速公路区域710内操作所必需的功率的DC总线电压进行操作。控制器操作可基于指示当前在高速公路上的移动或未来的高速公路驾驶的用户输入选择(例如，驾驶员选择高速公路模式)或导航数据。
图8是马达扭矩802下的电机的功率限制相对于角速度804和总线电压的图形示图800，所述图形示图800进一步示出受限操作区域内的滞后。在电池电压通过DC-DC转换器时的总线电压下的在给定的扭矩802和角速度804下可用的功率位于非升压区域806内，在DC-DC转换器对电池电压进行升压的情况下在给定的扭矩802和角速度804下可用的最大功率位于最大升压区域内。操作区域810在最大升压区域内，操作区域810具有在特定的扭矩802、转速804和总线电压下的功率需求的特定点。当在该操作区域810内(例如，在给定的DC总线电压下以及扭矩802和转速804的范围内的可用功率)时，控制器可保持DC总线电压，使得大于功率需求的功率808是可用的。此外，当操作在区域810内时，控制器可被配置为利用滞后，因此，控制器可保持DC总线电压。然而，如果功率需求814在操作区域810的范围以外，则控制器可增大DC总线电压以允许到功率需求814的转变816。
由控制器执行的控制逻辑或功能可由在一个或更多个附图中的流程图或类似示图来表示。这些附图提供代表性的控制策略和/或逻辑，所述代表性的控制策略和/或逻辑可使用一个或更多个处理策略(诸如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)来实现。因此，示出的各个步骤或功能可按照示出的顺序被执行、并行地执行或者在一些情况下被省略。虽然未总是被明确示出，但是本领域普通技术人员将认识到，示出的一个或更多个步骤或功能可根据使用的特定处理策略而被重复执行。类似地，处理的顺序不一定需要实现在此描述的功能和优点，而是被提供以便于示出和描述。控制逻辑可主要以由基于微处理器的车辆、发动机和/或动力传动系统控制器(诸如，控制器)执行的软件的形式被实现。当然，控制逻辑可根据特定应用以一个或更多个控制器中的软件、硬件或者软件和硬件的组合的形式被实现。当以软件形式被实现时，控制逻辑可在已经存储表示由控制器执行以控制车辆或其子系统的代码或指令的数据的一个或更多个计算机可读存储装置或介质中被实现。计算机可读存储装置或介质可包括多个已知物理装置中的一个或更多个，所述多个已知物理装置利用电存储器、磁存储器和/或光学存储器来保存可执行指令和关联的校准信息、操作变量等。
在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机，或者通过所述处理装置、控制器或计算机实现，其中，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可以多种形式被存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，其中，所述多种形式包括但不限于信息永久地存储在非可写存储介质(诸如，只读存储器(ROM)装置)中以及信息可变地存储在可写存储介质(诸如，软盘、磁带、致密盘(CD)、随机存取存储器(RAM)装置以及其它磁介质和光学介质)中。所述处理、方法或算法也可在软件可执行对象中实现。可选地，可使用合适的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或者其它硬件组件或装置)或者硬件组件、软件组件和固件组件的组合来整体或部分地实现所述处理、方法或算法。
虽然以上描述了示例性实施例，但是并不意在这些实施例描述权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各个实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各个实施例可能已经被描述为提供优点或优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应认识到，根据具体的应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配的容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并非在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (20)

1.一种动力传动系统，包括：
DC-DC转换器，被配置为输出总线电压；
电机；
控制器，被配置为：响应于扭矩请求超过电机的可用扭矩，命令DC-DC转换器将所述总线电压升压至从预定数量的可用离散阶跃值中选择的离散阶跃值，以增大所述可用扭矩，其中，所述选择的离散阶跃值响应于动力传动系统的选择的操作模式变化而变化。
2.如权利要求1所述的动力传动系统，其中，所述可用离散阶跃值中的每个的大小是基于所述选择的操作模式的。
3.如权利要求1所述的动力传动系统，其中，所述可用离散阶跃值中的至少一些的大小是基于所述动力传动系统在特定扭矩、转速和功率下操作的行驶周期时间的百分比的。
4.如权利要求1所述的动力传动系统，其中，控制器还被配置为：基于所述动力传动系统的历史操作数据，更新所述可用离散阶跃值中的至少一些的大小。
5.如权利要求1所述的动力传动系统，其中，控制器还被配置为：保持所述选择的离散阶跃值持续至少预定持续时间。
6.如权利要求5所述的动力传动系统，其中，所述预定持续时间由所述选择的操作模式限定。
7.如权利要求1所述的动力传动系统，其中，所述选择的操作模式由用户选择。
8.如权利要求1所述的动力传动系统，其中，所述选择的操作模式为性能模式、运动模式、正常模式或经济模式。
9.一种车辆，包括：
电机，被配置为：在总线电压下向车辆提供推进力；
控制器，被配置为：使得转换器以从预定数量的可用离散阶跃值中选择的离散阶跃值输出所述总线电压，并且响应于电机的操作模式变化而改变所述可用离散阶跃值中的至少一些。
10.如权利要求9所述的车辆，其中，控制器还被配置为：响应于电机的操作模式变化而改变所述预定数量。
11.如权利要求9所述的车辆，其中，所述可用离散阶跃值中的至少一些的大小是基于包括所述电机的动力传动系统在特定扭矩、转速和功率下操作的行驶周期时间的百分比的。
12.如权利要求9所述的车辆，其中，控制器还被配置为：基于包括所述电机的动力传动系统的历史操作数据，更新所述可用离散阶跃值中的至少一些的大小。
13.如权利要求9所述的车辆，其中，控制器还被配置为：保持所述选择的离散阶跃值持续至少预定持续时间。
14.如权利要求13所述的车辆，其中，所述预定持续时间由所述操作模式限定。
15.如权利要求9所述的车辆，其中，所述选操作模式由用户选择。
16.一种控制DC-DC转换器的方法，包括：
响应于对与DC-DC转换器连接的马达的扭矩请求超过可用扭矩，通过DC-DC转换器以从预定数量的可用离散阶跃值中选择的离散阶跃值输出总线电压持续至少预定持续时间，并且基于动力传动系统的历史操作数据来更新所述可用离散阶跃值中的至少一些的大小。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：响应于选择的动力传动系统操作模式变化而改变所述预定数量。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述预定持续时间是基于所述选择的动力传动系统操作模式的。
19.如权利要求16所述的方法，其中，所述大小是基于选择的动力传动系统操作模式的。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述选择的动力传动系统操作模式为运动模式、正常模式或经济模式。
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