CN109927648A - 具有反向电磁场阻挡的车辆动力系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“具有反向电磁场阻挡的车辆动力系统”。一种车辆动力系统，包括电机、逆变器以及以电气方式处于所述电机与所述逆变器之间的多对开关和相关联的反并联二极管。所述对中的每一个在激活所述开关的情况下允许电流从所述逆变器流动至所述电机，并且在没有激活所述开关的情况下防止电流从所述电机流动至所述逆变器。

Description

具有反向电磁场阻挡的车辆动力系统
技术领域
本公开涉及用于机动车辆的电驱动系统。
背景技术
混合动力电动车辆(HEV)和电池电动车辆(BEV)可依靠牵引电池来向牵引马达提供动力用于推进以及其间的功率逆变器来将直流(DC)功率转换为交流(AC)功率。典型的AC牵引马达是由三个正弦信号提供电力的三相马达，每个正弦信号以120度相分离驱动。而且，许多电气化车辆可包括DC-DC转换器，以将牵引电池的电压转换成牵引马达的操作电压水平。
发明内容
一种车辆动力系统包括被配置为驱动车轮的电机、逆变器和开关装置。所述开关装置耦接在所述电机与所述逆变器之间并且被配置为在激活所述开关装置的的元件的情况下允许电流从所述逆变器流动至所述电机，以及在没有激活所述元件的情况下防止电流从所述电机流动至所述逆变器。
一种车辆动力系统包括电机、逆变器和多个对，每个对包括以电气方式处于所述电机与所述逆变器之间的开关和相关联的反并联二极管。所述对中的每一个被配置为在激活所述开关的情况下允许电流从所述逆变器流动至所述电机，以及在没有激活所述开关的情况下防止电流从所述电机流动至所述逆变器。
一种用于操作车辆动力系统的方法包括通过控制器允许激活耦接在电机与逆变器之间的开关装置中的开关以允许电流从所述逆变器流动至所述电机，以及防止激活所述开关以阻挡来自所述逆变器的与所述电机相关联的反向电磁场。
附图说明
图1和图2是包括电气化动力传动系统的车辆的示意图。
具体实施方式
本文描述了本公开的各种实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可采用未明确示出或描述的各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域普通技术人员以不同方式实现本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考任一附图示出并描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征相结合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示出特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教示内容一致的所述特征的各种组合和修改可以是特定应用或实现方式所希望的。
输入电容器(DC电容器)是在DC-AC逆变器中找到的常见元件。这一部件存储可在每个开关周期期间可被存取并传递给负载的足够量的能量。具有这种存储的另一方面是当DC-AC逆变器不可操作时，如果所存储的能量没有及时地耗散，则可能产生问题。DC电容器的内部串联电阻通常不足以在短时间段内耗散能量。在一些情况下，DC电容器的电压应在约60秒内达到60V。出于这个原因，通常存在与电容器并联的另外的耗散部件(例如，电阻器)。这种电阻器的值可根据以下方程式计算：
t＝-RC ln(V可接受的/V最大)
其中R和C是电阻值和电容值，V可接受的是可接受电压(例如，60V)，V最大是由DC电容器看到的最大电压，并且t是DC电容器电压从V最大变为V可接受的的时间。
根据这一方程式，电阻值R越小，放电时间t越短。因此，可得出如下结论：具有小的电阻值R解决这一问题并且将在合理的时间内降低电压。然而，出于以下原因可能不是这种情况：(1)通过减小电阻值R，对于恒定电压，功率损耗P损耗＝V2/R将增大。因为这种功率损耗转换成热负载，所以冷却系统将更加努力地除去这种额外的热量。(2)由于高功率(高瓦数)电阻器是具有标准值的标准组，因而越来越小的电阻值有时会转化成并联的更多电阻，这增加了包装复杂性。
上述问题可能在水平拖引期间被加剧。在这种情况下，由马达产生的反向电磁场可给DC电容器充电。一旦车辆停止，这种电荷就应被耗散。如果假设DC电容器为1000uF，那么耗尽DC电容器电荷所需的电阻值可以是26kΩ，这可能导致约13W的连续功率损耗。因此，热量可累积，特别在冷却系统不可操作的情况下，诸如在水平拖引期间。一些车辆制造商通过指定拖车拖引要求作为替代来解决水平拖引问题。在这种情况下，放电电阻器可仅被设计用于正常操作。
在下坡行驶期间，上述问题也可加剧，因为由马达产生的反向电磁场可对DC电容器充电。一些车辆制造商使用特定的切换算法来使电流循环通过马达绕组以耗散功率。尽管这种方法可能有效，但是可能会因切换而增大损失。在此，设想了各种二极管和/或开关元件的装置，其阻挡来自不想要的充电的逆向电流。
参考图1，车辆10包括电气化动力传动系统12、控制器14、变速器16和车轮18。电气化动力传动系统12包括牵引电池20、逆变器22、开关组24和电机26。如粗实线所指示，电机26与变速器16机械地联接，并且变速器16与车轮18机械地联接。因此，由电机26产生的机械动力可通过变速器16被传递给车轮18。
逆变器22包括电容器28和开关30、32、34、36、38、40。开关中的每一个分别与对应的反并联二极管31、33、35、37、39、41配对。电容器28、开关和二极管30-41以通常的方式布置，其中电容器28与牵引电池20电并联，并且以电气方式处于牵引电池20与开关和二极管30-41之间。在这一示例中，电机26是三相电机。这样，开关组24包括三个开关42、44、46，每个开关分别与对应的反并联二极管43、45、47配对。
三对开关和反并联二极管中的每一个与电机26的相和逆变器22的支路的中点电串联。这种装置允许开关组24在选择性激活开关42、44、46的情况下允许AC电流在逆变器22与电机26之间流动。例如，控制器14可在推进模式期间控制逆变器22和开关组24，使得来自牵引电池20的电流流动通过激活的开关40、反并联二极管47到达电机26的相，并且在不激活开关46的情况下通过激活的开关42、30返回至牵引电池20。例如，控制器14可在再生模式期间控制逆变器22和开关组24，使得来自电机26的相的电流流动通过激活的开关46和反并联二极管41到达牵引电池20，以及通过反并联二极管31、43返回至电机26。当然，这些方法可扩展到所有相。这种装置还允许开关组24在不激活开关42、44、46的情况下借助于反并联二极管43、45、47防止电流从电机26流动至逆变器22。例如，这可响应于拖引模式或下坡行驶模式。因此，这种装置允许开关组24被动地阻挡来自逆变器22的与反向电磁场相关联的电流，所述反向电磁场与电机26相关联。
开关组24还可与逆变器22和电机26合作使用以使电容器28放电。例如，控制器14可操作开关30、40、42，使得电流在逆变器22与电机26的绕组之间循环。
在某些示例中，逆变器22可包括与牵引电池20和电容器28并联并且以电气方式处于所述牵引电池20与所述电容器28之间的电阻器48。因此，例如，假设例如位于牵引电池20与逆变器22之间的通常的接触器(未示出)打开，控制器14可操作逆变器22和开关组24来将电流从马达26引导至电阻器48以对所述电流放电。
图1的架构仅是一个示例。当然，也设想其他架构。电机26可具有不同数量的相。并且开关组24可包括对应的不同数量的开关和反并联二极管对。可能的开关类型包括IGBT、MOSFET、晶闸管等。
本文所设想的架构可在各种车辆配置中实现。例如，图2描绘了电气化车辆54，其包括机械地联接到混合动力变速器58的一个或多个电机56。电机56可作为马达或发电机操作。此外，混合动力变速器58机械地联接到发动机60和驱动轴62，所述驱动轴62机械地联接到车轮64。
牵引电池或电池组66存储可由电机56使用的能量。车辆电池组66可提供高压直流(DC)输出。牵引电池66可以电耦接到实现上文所论述的架构的一个或多个电力电子模块68。一个或多个接触器70可在打开时将牵引电池66与其他部件隔离，并且在闭合时将牵引电池66连接到其他部件。电力电子模块68还电耦接到电机56，并且提供在牵引电池66与电机56之间双向地传递能量的能力。例如，牵引电池66可提供DC电压，而电机56可以在三相交流(AC)下操作以起作用。电力电子模块68可以将DC电压转换为三相AC电流以操作电机56。在再生模式中，电力电子模块68可以将来自充当发电机的电机56的三相AC电流转换成与牵引电池66兼容的DC电压。
车辆54可包括在牵引电池66与电力电子模块68之间电耦接的可变电压转换器(VVC)(未示出)。VVC可以是被配置为增大或升高由牵引电池66提供的电压的DC/DC升压转换器。通过增大电压，可降低电流要求，从而导致电力电子模块68和电机56的布线尺寸减小。此外，电机56可以在更好的效率和更低的损耗下操作。
除提供用于推进的能量之外，牵引电池66还可向其他车辆电气系统提供能量。车辆54可包括DC/DC转换器模块72，所述DC/DC转换器模块72将牵引电池66的高压DC输出转换成与低压车辆负载兼容的低压DC电源。DC/DC转换器模块72的输出可以电耦接到辅助电池74(例如，12V电池)以用于给辅助电池74充电。低压系统可电耦接到辅助电池74。一个或多个电气负载76可耦接到高压总线。电气负载76可以具有在适当时操作和控制电气负载76的相关联的控制器。电气负载76的示例可包括风扇、电加热元件和/或空调压缩机。
电气化车辆54可被配置为从外部电源78对牵引电池66再充电。外部电源78可以是与电源插座的连接。外部电源78可电耦接到充电器或电动车辆供电设备(EVSE)80。外部电源78可以是如由电力公司提供的配电网或输电网。EVSE 80可以提供电路和控制以调节和管理在电源78与车辆54之间的能量传递。外部电源78可以向EVSE 80提供DC或AC电力。EVSE80可具有用于插入车辆54的充电端口84中的充电连接器82。充电端口84可以是被配置为将电力从EVSE 80传输至车辆54的任意类型的端口。充电端口84可电耦接到充电器或车载电力转换模块86。电力转换模块86可调节从EVSE 80供应的电力以向牵引电池66提供适当的电压和电流水平。电力转换模块86可与EVSE 80对接以协调向车辆54的电力递送。EVSE连接器82可以具有与充电端口84的对应凹槽配对的销。可替代地，描述为电耦接或连接的各种部件可使用无线电感耦接来传输电力。
在一些配置中，电气化车辆54可被配置为向外部负载提供电力。例如，电气化车辆可被配置为作为备用发电机或电源插座操作。在这类应用中，负载可连接到EVSE连接器82或其他插座。电气化车辆54可被配置为将电力返回至电源78。例如，电气化车辆54可被配置为向电网提供交流(AC)电力。由电气化车辆供应的电压可与电源线同步。
车辆54中的电子模块可通过一个或多个车辆网络进行通信。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串行总线，诸如控制器局域网(CAN)。车辆网络的信道中的一个可包括由电气电子工程师协会(IEEE)802标准族定义的以太网网络。车辆网络的另外的信道可包括在模块之间的离散连接，并且可包括来自辅助电池74的电力信号。不同的信号可通过车辆网络的不同信道传送。例如，视频信号可通过高速信道(例如，以太网)传送，而控制信号可通过CAN或离散信号传送。车辆网络可包括有助于在模块之间传送信号和数据的任何硬件和软件部件。车辆网络未示出，但是可暗含车辆网络可连接到车辆54中存在的任何电子模块。可存在车辆系统控制器(VSC)88以协调各种部件的操作。
如所描绘，车辆54可包括用于将电力从外部电源78传输至车辆54的高压总线的电力转换模块86。车辆54还包括用于将高压总线的电压转换成适于辅助电池74和低压负载90的电压水平(例如，大约12伏特)的DC/DC转换器模块72。车辆54还可包括另外的开关、接触器和电路，以选择性地选择在牵引电池66与DC/DC转换器72之间和/或在电力转换模块86与牵引电池66之间的电力流。为了减少成本和包装复杂性，可能希望将电力转换模块86和DC/DC转换器模块72组合到单个集成单元中。集成单元可帮助增强部件的硬件利用率并且可减少车辆中存在的有源和无源部件的数量。另外，集成单元可具有改进的冷却能力。此外，可减少所需的包装空间。
所公开的过程、方法、逻辑或策略可能够递送到处理装置、控制器或计算机或者由其实现，所述处理装置、控制器或计算机可以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，所述过程、方法、逻辑或策略可以作为可由控制器或计算机以许多形式执行的数据和指令存储，所述形式包括但不限于：永久存储在可包括诸如ROM装置等永久性不可写存储介质的各种类型的制品上的信息，以及可变更地存储在诸如软盘、磁带、CD、RAM装置和其他磁性和光学介质等可写存储介质上的信息。所述过程、方法、逻辑或策略也可以软件可执行对象实现。可替代地，它们可以整体地或部分地使用合适的硬件部件来实施，所述硬件部件诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或者其他硬件部件或装置，或者硬件、软件和固件部件的组合。
在说明书中使用的措词是描述用词而非限制用词，并且应当理解，可在不背离本公开和权利要求的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，各种实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或示出的其他实施例。虽然各种实施例可能已被描述为关于一个或多个所期望特性相对于其他实施例或现有技术实现方式提供优点或更优，但是本领域的普通技术人员认识到，可以折衷一个或多个特征或特性以实现所期望的总体系统属性，这取决于具体的应用和实现方式。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、可服务性、重量、可制造性、易组装性等。这样，描述为关于一个或多个特性不如其他实施例或现有技术实现方式令人期望的实施例不是在公开的范围之外并且可对于特定应用是令人期望的。
根据本发明，提供一种车辆动力系统，其具有：电机，所述电机被配置为驱动车轮；逆变器；以及开关装置，所述开关装置耦接在所述电机与所述逆变器之间并且被配置为在激活所述开关装置的的元件的情况下允许电流从所述逆变器流动至所述电机，以及在没有激活所述元件的情况下防止电流从所述电机流动至所述逆变器。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于控制器，所述控制器被编程为在所述电机的再生操作期间激活所述元件，以允许电流从所述电机流动至所述逆变器。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于控制器，所述控制器被编程为操作所述逆变器和所述开关装置以使电流在所述逆变器与所述电机之间循环，以便耗散由所述逆变器存储的电荷。
根据一个实施例，所述元件是开关。
根据一个实施例，所述开关装置包括从所述逆变器向所述电机正向偏置的二极管。
根据一个实施例，所述开关装置进一步被配置为在没有激活所述元件的情况下阻挡来自所述逆变器的与所述电机相关联的反向电磁场。
根据本发明，提供一种车辆动力系统，其具有：电机；逆变器；以及多个对，每个对包括开关和相关联的反并联二极管、以电气方式处于所述电机与所述逆变器之间，所述对中的每一个被配置为在激活所述开关的情况下允许电流从所述逆变器流动至所述电机，以及在没有激活所述开关的情况下防止电流从所述电机流动至所述逆变器。
根据一个实施例，所述对中的每一个与所述电机的相和所述逆变器支路的中点电串联，
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于控制器，所述控制器被编程为在所述电机的再生操作期间激活所述开关，以允许电流从所述电机流动至所述逆变器。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于控制器，所述控制器被编程为操作所述逆变器和所述对以使电流在所述逆变器与所述电机之间循环，以便耗散由所述逆变器存储的电荷。
根据一个实施例，所述反并联二极管是从所述逆变器向所述电机正向偏置的二极管。
根据一个实施例，所述对进一步被配置为在没有激活所述开关的情况下阻挡与所述电机相关联的反向电磁场。
根据本发明，提供一种用于操作车辆动力系统的方法，其具有：通过控制器，允许激活耦接在电机与逆变器之间的开关装置中的开关以允许电流从所述逆变器流动至所述电机，以及防止激活所述开关以阻挡来自所述逆变器的与所述电机相关联的反向电磁场。
根据一个实施例，所述允许响应于推进模式。
根据一个实施例，所述防止响应于拖引模式。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于允许激活所述开关以允许电流从所述电机流动至所述逆变器。

Claims (15)

1.一种车辆动力系统，其包括：
电机，所述电机被配置为驱动车轮；
逆变器；以及
开关装置，所述开关装置耦接在所述电机与所述逆变器之间，并且被配置为
在激活所述开关装置的元件的情况下允许电流从所述逆变器流动至所述电机，以及
在没有激活所述元件的情况下防止电流从所述电机流动至所述逆变器。
2.如权利要求1所述的系统，其还包括控制器，所述控制器被编程为在所述电机的再生操作期间激活所述元件，以允许电流从所述电机流动至所述逆变器。
3.如权利要求1所述的系统，其还包括控制器，所述控制器被编程为操作所述逆变器和所述开关装置以使电流在所述逆变器与所述电机之间循环，以便耗散由所述逆变器存储的电荷。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述元件是开关。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述开关装置包括从所述逆变器向所述电机正向偏置的二极管。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述开关装置进一步被配置为在没有激活所述元件的情况下阻挡来自所述逆变器的与所述电机相关联的反向电磁场。
7.一种车辆动力系统，其包括：
电机；
逆变器；以及
多个对，每个对包括开关和相关联的反并联二极管、以电气方式处于所述电机与所述逆变器之间，所述对中的每一个被配置为在激活所述开关的情况下允许电流从所述逆变器流动至所述电机，以及在没有激活所述开关的情况下防止电流从所述电机流动至所述逆变器。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述对中的每一个与所述电机的相和所述逆变器支路的中点电串联。
9.如权利要求7所述的系统，其还包括控制器，所述控制器被编程为在所述电机的再生操作期间激活所述开关，以允许电流从所述电机流动至所述逆变器。
10.如权利要求7所述的系统，其还包括控制器，所述控制器被编程为操作所述逆变器和所述对以使电流在所述逆变器与所述电机之间循环，以便耗散由所述逆变器存储的电荷。
11.如权利要求7所述的系统，其中所述反并联二极管从所述逆变器向所述电机正向偏置。
12.如权利要求7所述的系统，其中所述对进一步被配置为在没有激活所述开关的情况下阻挡与所述电机相关联的反向电磁场。
13.一种用于操作车辆动力系统的方法，其包括：
通过控制器，
允许激活耦接在电机与逆变器之间的开关装置中的开关以允许电流从所述逆变器流动至所述电机，以及
防止激活所述开关以阻挡来自所述逆变器的与所述电机相关联的反向电磁场。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述允许响应于推进模式。
15.如权利要求13所述的方法，其还包括允许激活所述开关以允许电流从所述电机流动至所述逆变器。
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