CN111106784A - 用于驱动环境友好型车辆的电机的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于驱动环境友好型车辆的电机的方法和设备。该设备包括：电机，具有转子和定子；以及操作该电机的控制器。该电机包括多个定子线圈和定子继电器并且控制器基于操作模式来操作定子继电器，以调整定子线圈的匝数。

Description

用于驱动环境友好型车辆的电机的方法和设备
相关申请的交叉引证
本申请要求于2018年10月25日提交的韩国申请号10-2018-0128178的优先权，如在本文中完全阐述的其全部内容通过引证结合于此。
技术领域
本发明涉及用于驱动环境友好型车辆的电机的方法和设备，并且更具体地，涉及通过定子继电器的开/关控制来改变定子线圈的匝数的用于驱动电机的方法和设备。
背景技术
通常，诸如电动车辆(EV)、混合电动车辆(HEV)、插电混合动力车辆(PHEV)和燃料电池电动车辆(FCEV)等环境友好型车辆使用电力驱动动力作为主要驱动源并且具有电机系统，电机系统包括电机、逆变器和作为主电源的电池。电机可包括具有插入其中的永磁体的旋转体(转子)以及包括电流在其中流动的定子线圈的定子。逆变器控制在电机中流动的电流并且电池是电能的主要来源。
在相关技术中，各种方法用于以最佳效率操作电机。诸如用于减少漏磁通的永磁体的最佳布置以及薄钢板的层压结构等技术已经应用于转子。另外，诸如具有用于增加空间系数(space factor)的最佳形状的定子线圈的应用、用于减少末端损失的结构、以及增加用于减少在定子线圈中流动的电流的定子线圈的匝数等技术已经应用于定子。
具体地，增加定子线圈的匝数(例如，缠绕次数)的技术是能够更有效地增加电机效率的一个方法。根本地，如果不存在车辆可安装性的问题，则可以增加定子线圈的匝数以减少在定子线圈中流动的电流，从而减少称为铜损耗(I2R)的损耗系数。此外，减少的电流减少逆变器中的导电损耗，从而使电机系统的燃料效率最大化并且增加环境友好型车辆的燃料效率。然而，一旦根据相关技术增加用于高效率操作的定子线圈的匝数，可增加低速区间的转矩/输出，但是从中速区间到最高速区间不能保持高输出。
发明内容
因此，本发明提供了基本上避免由于相关技术的限制和缺点导致的一个或多个问题的用于驱动环境友好型车辆的电机的方法和设备。更具体地，本发明提供了环境友好型车辆的电机的定子线圈的配置以及车辆运行策略。本发明的目标是提供通过定子继电器的开/关控制改变定子线圈的匝数的方法以及使用该方法的车辆。
在一个示例性实施方式中，用于驱动环境友好型车辆的电机的设备可包括：电机，具有转子和定子；以及控制器，被配置为操作该电机。电机可包括多个定子线圈和定子继电器并且控制器可被配置为根据操作模式操作定子继电器，以调整定子线圈的匝数。
在一些示例性实施方式中，控制器可被配置为基于车辆驱动模式信息选择操作模式。此外，控制器可被配置为选择其中增加定子线圈的匝数的第一操作模式和其中减少定子线圈的匝数的第二操作模式中的任一个作为操作模式。在一些示例性实施方式中，电机可包括三个相。
该电机还可包括串联电路，其中，在每个相中至少两个定子线圈是串联连接，并且至少两个串联电路可以并联连接。定子继电器的数量可以由以下等式1确定：
等式1
每个相中的继电器的数量：[(S-1)*2]*P
其中，S表示每一个串联电路的定子线圈的数量并且P表示并联连接的串联电路的数量。
进一步地，该电机可包括第一定子线圈、第二定子线圈、并联连接至第二定子线圈的第一定子继电器、以及串联连接至第二定子线圈的第二定子继电器，并且第一定子线圈、第二定子继电器和第二定子线圈可以串联连接，并且第一定子继电器和第二定子继电器可以并联连接。
控制器可被配置为：当操作模式是第一操作模式时，断开第一定子继电器并且接通第二定子继电器。此外，当操作模式是第二操作模式时，该控制器可被配置为接通第一定子继电器并且断开第二定子继电器。
附图说明
将参考以下附图详细地描述布置和示例性实施方式，在附图中，相同的参考标号指代相同的元件，并且其中：
图1是根据本发明的示例性实施方式的车辆的框图；
图2是示出了根据本发明的示例性实施方式的用于驱动环境友好型车辆的电机的设备的示图；
图3是示出了根据本发明的示例性实施方式的基于定子线圈的匝数的电机驱动特性的曲线图；
图4是示出了根据本发明的示例性实施方式的电机控制特性的视图；
图5是示出了根据本发明的示例性实施方式的电机的定子线圈和继电器的配置的示图；以及
图6是示出了根据本发明的示例性实施方式的驱动环境友好型车辆的电机的方法的流程图。
具体实施方式
应理解的是，术语“车辆”或者“车辆的”或者如本文中使用的其他类似的术语通常包含机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车的载客汽车、包括各种船只和船舶的水运工具、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电混合动力车辆、氢动力车辆及其他替代燃料车辆(例如，由不同于石油的资源得来的燃料)。如本文中提及的，混合动力车辆是具有两个或多个动力源的车辆，例如，汽油动力和电动车辆。
尽管示例性实施方式被描述为使用多个单元来执行示例性处理，但是应理解的是，也可由一个或者多个模块执行该示例性处理。另外，应理解的是，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件装置。存储器被配置为储存模块，并且处理器具体地被配置为执行所述模块以执行下面进一步描述的一个或多个处理。
此外，本发明的控制逻辑可实施为非易失性计算机可读介质，在计算机可读介质上包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的实例包括但并不限于：ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可分布在网络耦合的计算机系统中，使得例如由远程信息处理服务器(telematics server)或控制器局域网络(CAN)以分发的方式存储并且执行该计算机可读介质。
本文中所使用的术语仅是为了描述具体实施方式而并不旨在对本发明进行限制。除非上下文另有明确指示，否则，如本文所用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”以及“所述(the)”旨在也包括复数形式。还应当理解，当在本说明书中使用术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”时，指示所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。如在本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项的任何和所有组合。
除非特别地说明或从上下文中显而易见的，否则如在本文中所使用的，术语“约”理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准差内。“约”可理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另从上下文中清晰可见，否则本文中所提供的所有数值可被术语“约”修饰。
在下文中参考附图，现在将更全面地描述本发明的示例性实施方式应用的设备和各种方法。本文中的元件的后缀“模块”和“单元”是为了便于描述而使用的，并且因此，可以可替换地使用并且没有任何可区别的含义或功能。在示例性实施方式的以下描述中，应当理解，当每个元件被称为形成在另一元件“上”(之上)或“下(以下)”或“之前”(前面)或“之后”(后面)时，可以直接在另一元件“上”(之上)或“下(以下)”或“之前”(前面)或“之后”(后面)或者与介入其间的一个或多个中间元件间接形成。
应当理解，尽管可以在本文中使用术语“第一”、“第二”、“A”、“B”、“(a)”、“(b)”等来描述本发明的各种元件，但是这些术语仅用于将一个元件与另一元件进行区分并且这些术语不限制相应元件的本质、顺序或序列。应当理解，当一个元件被称为“连接至”、“耦接至”或者“接入”另一元件时，尽管一个元件可以直接地连接至或者直接地接入另一元件，但是一个元件可以经由另外的元件“连接至”、“耦接至”或者“接入”另一元件。
根据本发明的用于驱动环境友好型车辆的电机的方法和设备可以使用定子线圈调整在电机的定子的相U、V和W中缠绕的定子线圈的匝数，该匝数可以通过定子继电器的开/关控制改变。此时，定子继电器的开/关控制可以根据车辆的操作模式改变匝数。
图1是根据本发明的示例性实施方式的车辆的框图，并且图2是示出了根据本发明的示例性实施方式的用于驱动环境友好型车辆的电机的设备的示图。参考图1，车辆100可包括发动机10、电机20、逆变器30、变速器40、电池60、混合启动发电机(HSG)50和车轮70。电机20和逆变器30可以共同作为用于驱动环境友好型车辆的电机的设备。
发动机10可被配置为通过燃烧燃料产生动力。电机20可被配置为辅助发动机10的动力并且在车辆的制动或减速期间作为发电机进行操作，因此产生电能。在一些示例性实施方式中，电机20可以实现为内部永磁体(IPM)型电机，其中，永磁体被插入转子芯中。由电机20产生的电能可以存储在电池60中。
电机20的特性可以基于定子线圈的配置而改变。电机20可根据环境友好型车辆的电机的驱动控制具有多个电机特性。可以基于电机20的特性确定车辆的加速性能和燃料效率。
参考图2，电机20可以是三相(U、V和W)电机。电机20可包括定子线圈，在三个相U、V和W中，电流在定子线圈中流动。逆变器30可包括电压源Vdc和多个开关元件SW1至SW6。逆变器30可以将电流IU、IV和IW提供至电机，用于开关元件的操作。
返回至图1，逆变器30可包括被配置为操作电机20的控制器35。控制器35可被配置为接收车辆驱动模式信息。车辆驱动模式可包括自动模式和手动模式。自动模式可以是接收实时驱动情况、负载等的模式。手动模式可以是用户选择操作模式的模式。控制器35可被配置为基于车辆驱动模式信息选择操作模式。
操作模式可包括环保模式和动力模式。环保模式可以是增加电机20中的定子线圈的匝数的第一操作模式。动力模式可以是减少电机20中的定子线圈的匝数的第二操作模式。控制器35可被配置为根据操作模式操作电机中的定子继电器。例如，在第一操作模式中，控制器35可被配置为接通和断开定子继电器以增加定子线圈的匝数。在第二操作模式中，控制器35可被配置为接通和断开定子继电器以减少定子线圈的匝数。
进一步地，变速器40可以串联连接至电机20并且可被配置为基于速度将由发动机10产生的动力转换为所需的旋转力并且将该旋转力传送至车轮70。HSG 50可被配置为启动发动机10或者通过发动机10的旋转力产生动力。高压电池60可以被连接为充电和放电并且可以在发电期间充电。
图3是示出了根据本发明的示例性实施方式的基于定子线圈的匝数的电机驱动特性的曲线图，并且图4是示出了根据本发明的示例性实施方式的电机控制特性的视图。图3示出了根据第一和第二电机类型的转矩和电机转速之间的关系的第一曲线图并且示出了根据第一和第二电机类型的输出和电机转速之间的关系的第二曲线图。
第一曲线图310的水平轴表示电机转速增加并且第一曲线图310的垂直轴表示转矩增加。第二曲线图320的水平轴表示电机转速增加并且第二曲线图320的垂直轴表示输出增加。第一电机类型指示具有比第二电机类型更少的定子线圈的匝数的电机。换言之，第二电机类型可具有比第一电机类型更多的定子线圈的匝数。
参考图3，当电机转速是第一速度301时，第一电机类型可以获得比第二电机类型更大的转矩并且第一电机类型可以获得比第二电机类型更大的输出。当电机转速是第二速度302时，第一电机类型和第二电机类型可以获得相同的转矩和输出。当电机转速是第三速度303时，第一电机类型可以获得比第二电机类型更小的转矩并且第一电机类型可以获得比第二电机类型更小的输出。
换言之，第一电机类型可以基于与第二电机类型相同的转矩利用相对小的电流获得相同转矩，从而减少电机损耗(例如，定子线圈铜耗I2R)和逆变器损耗(例如，导电损耗)。因此，第一电机类型可被配置为与第二电机类型相比以更高的燃料效率运行车辆。然而，随着电机转速增加至中速302和高速303(例如，第二和第三速度)，电机20可被配置为由图4中示出的电机控制特性进行操作。
参考图4，在中速和高速(例如，第二和第三速度)下能够操作电机的区域可以受到限压椭圆形区域(voltage-limited elliptical region)Vs1、Vs2和Vs3的限制。电机20的限压椭圆形区域410可以随着电感Ld和永磁体的磁通量交链(magnetic flux interlinkage)ψm的函数的增加而减小。换言之，在限压椭圆形区域的尺寸中，Vs3>Vs2>Vs1。
当定子线圈的匝数增加时，电感和磁通量交链增加。因此，限压椭圆形区域Vs1、Vs2和Vs3可缩小，并且电机20可能不能获得更大的转矩。换言之，在根据限压椭圆形区域的等转矩曲线中，T3>T2>T1。因此，电机20的输出在中速和高速(例如，第二和第三速度)下减小。具有相对少的定子线圈的匝数的第一电机类型即使在高速(例如，第三速度)下可以执行高输出操作，可以显示出难以高效率操作。
因此，第一电机类型优点在于，因为可以改善低速转矩性能并且可以增加车辆的初始摆动性能。此外，第一电机类型优点在于，因为由于相电流(phase current)减小，可以增加电机20和逆变器30的效率。然而，第一电机类型缺点在于，因为随着电感和磁通量交链增加，当车辆的速度是中速和高速(例如，第二和第三速度)时，可能会减少输出。
此外，第二电机类型优点在于，因为可以改善车辆在中速和高速(例如，第二和第三速度)下的加速性能并且因此可以获得高动力性能。例如，第二电机类型由于车辆在中速和高速(例如，第二和第三速度)下的改善的加速性能，从而在车辆速度方面可以实现约0至100KPH的性能改善。然而，在第二电机类型中，由于相电流增加，电机20和逆变器30的效率可能会降低。因此，车辆的燃料效率可能会降低。
图5是示出了根据本发明的示例性实施方式的电机的定子线圈和继电器的配置的示图。参考图5，电机20可包括三个相U、V和W。电机20的每个相可包括两个串联电路。串联电路可以彼此并联布置。因此，在连接至相U的电路中，第一串联电路510可包括第一定子线圈CU1、第二定子线圈CU2、第一定子继电器RU1和第二定子继电器RU2。
具体地，第一定子继电器RU1可并联连接至第二定子线圈CU1。第二定子继电器RU2可串联连接至第二定子线圈CU2。因此，第一定子继电器RU1和第二定子继电器RU2可以并联连接。并联连接至第一串联电路510的第二串联电路520可包括第三定子线圈CU3、第四定子线圈CU4、第三定子继电器RU3和第四定子继电器RU4。第三定子继电器RU3可并联连接至第三定子线圈CU3。第四定子继电器RU4可串联连接至第四定子线圈CU4。因此，第三定子继电器RU3和第四定子继电器RU4可以并联连接。
此外，电机20可包括与连接至每个相的电路相同的电路。具有此类结构的电机20可根据操作模式改变电机类型。电机20可被配置为基于电机类型通过操作能够在串联/并联结构中接通/断开的定子继电器来调整定子线圈的匝数。换言之，可以通过定子继电器的开/关控制改变定子线圈的匝数，以反映适用于该操作模式的电机20的特性。
在以下表中示出了根据电机类型控制定子继电器的操作。
表1
Figure BDA0002168609050000101
参考表1，当需要高效率操作时，可以选择第一操作模式。因此，可以断开每个相的定子继电器的R1和R3并且可以接通R2和R4。因此，在每个相中串联连接的线圈的匝数被设置为2T并且第一电机类型可具有相对大量的定子线圈的匝数。因此，可以增加定子线圈的匝数。此时，R1可以是布置在每个相中的第一定子继电器RU1、RV1或RW1，R2可以是布置在每个相中的第二定子继电器RU2、RV2或RW2，R3可以是布置在每个相中的第三定子继电器RU3、RV3或RW3，并且R4可以是布置在每个相中的第四定子继电器RU4、RV4或RW4。
此外，当需要车辆的高动力性能而不考虑高燃料效率操作时，可以选择第二操作模式。因此，可以接通每个相的定子继电器的R1和R3并且可以断开R2和R4。因此，在每个相中串联连接的线圈的匝数可被设置为1T并且第二电机类型可具有相对少量的定子线圈的匝数。因此，第二电机类型可以在中速和高速(例如，第二和第三速度)下改善车辆的加速性能。因此，在定子线圈的匝数增加的情况下，能够以比第一电机类型更高的动态特性驱动车辆。
在另一实例中，当添加串联/并联结构的个数至三个相U、V和W中的一个时，在以下等式1中示出了在电机线圈中配置的继电器的数量。
等式1
每个相中的继电器的数量：[(S-1)*2]*P
其中，S表示各串联电路的定子线圈的数量并且P表示并联连接的串联电路的数量。
因此，在各种实施方式中，根据电机20的使用和封装类型，可以各种串联电路和并联连接结合是可行的，并且因此可以结合修改的定子继电器。
图6是示出了根据本发明的示例性实施方式的驱动环境友好型车辆的电机的方法的流程图。参考图6，控制器35可被配置为接收车辆驱动模式信息。当车辆驱动模式是手动模式时，用户可以选择和输入操作模式(S610和S620)。换言之，控制器可被配置为接收与操作模式相关的用户选择。
在步骤S620之后，当选择第一操作模式时，控制器35可被配置为基于第一操作模式执行定子继电器的开/关控制(S630)。具体地，对于对应于第一操作模式的定子继电器的控制，控制器35可被配置为接通布置在电机20的每个相中的继电器开关R2和R4并且断开继电器开关R1和R3。因此，可以增加电机20的定子线圈的匝数。
在步骤S630之后，可以接收根据第一电机类型的电流控制的控制参数(S640)。因此，控制器35可被配置为调整电机20的电感、逆电动势常数、电流控制增益、最大转矩和输出。在步骤S640之后，可通过第一电机类型的电机20操作车辆100(S650)。
此外，在步骤S620之后，如果选择第二操作模式，则控制器35可被配置为基于第二操作模式执行定子继电器的开/关控制(S660)。具体地，对于对应于第二操作模式的定子继电器的控制，控制器35可被配置为断开布置在电机20的每个相中的继电器开关R2和R4并且接通继电器开关R1和R3。因此，可以减少电机20的定子线圈的匝数。
在步骤S660之后，可以接收根据第二电机类型的电流控制的控制参数(S670)。因此，控制器35可被配置为调整电机20的电感、逆电动势常数、电流控制增益、最大转矩和输出。在步骤S640之后，车辆100可通过第二电机类型的电机20操作(S680)。
根据本发明的用于驱动环境友好型车辆的电机的方法和设备具有以下效果。如果使用根据本发明的用于驱动环境友好型车辆的电机的方法和设备，能够选择车辆操作的两种类型。当需要高燃料效率时，定子线圈的匝数可被设置为2T以减少施加电流，从而减少损耗。相反，当需要高输出动力性能时，定子线圈的匝数可被设置为1T以便即使在高速下也获得高输出。
根据示例性实施方式的方法可实现为用于在计算机上执行且存储在非易失性计算机可读记录介质中的程序。非易失性计算机可读记录介质的实例包括ROM、RAM、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储装置。非易失性计算机可读记录介质可分布在连接至网络的多个计算机装置上，使得计算机可读代码被写入至此并且以分散方式从中执行。可以由本领域中的普通技术人员解释需要实现本文中的示例性实施方式的函数式程序、代码和代码段。

Claims (19)

1.一种用于驱动环境友好型车辆的电机的设备，包括：
电机，包括转子和定子；以及
控制器，被配置为操作所述电机，
其中，所述电机包括多个定子线圈和定子继电器，并且
其中，所述控制器被配置为基于操作模式来操作所述定子继电器，以调整所述定子线圈的匝数。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器被配置为基于车辆驱动模式信息选择所述操作模式。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器被配置为：选择增加所述定子线圈的匝数的第一操作模式和减少所述定子线圈的匝数的第二操作模式中的任一者作为所述操作模式。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电机包括三个相。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述电机包括串联电路，其中，在每个相中至少两个定子线圈串联连接，并且其中，至少两个所述串联电路并联连接。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述定子继电器的数量由以下项确定：
每个相中的继电器的数量：[(S-1)*2]*P
其中，S表示各串联电路的定子线圈的数量并且P表示并联连接的所述串联电路的数量。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述电机包括：
第一定子线圈；
第二定子线圈；
第一定子继电器，并联连接至所述第二定子线圈；以及
第二定子继电器，串联连接至所述第二定子线圈，并且
其中，所述第一定子线圈、所述第二定子继电器以及所述第二定子线圈串联连接，并且
其中，所述第一定子继电器和第二定子继电器并联连接。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，当所述操作模式是第一操作模式时，所述控制器被配置为断开所述第一定子继电器并且接通所述第二定子继电器。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，当所述操作模式是第二操作模式时，所述控制器被配置为接通所述第一定子继电器并且断开所述第二定子继电器。
10.一种驱动环境友好型车辆的电机的方法，包括以下步骤：
由控制器选择操作模式；
由所述控制器基于所述操作模式来操作电机中的定子继电器；以及
由所述控制器基于所述定子继电器的操作来操作所述电机。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，选择所述操作模式包括：由所述控制器基于车辆驱动模式信息选择所述操作模式。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，选择所述操作模式包括：由所述控制器选择增加定子线圈的匝数的第一操作模式和减少所述定子线圈的匝数的第二操作模式中的任一者作为所述操作模式。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述电机包括三个相。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电机包括串联电路，其中，在每个相中至少两个定子线圈串联连接，并且其中，至少两个所述串联电路并联连接。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述定子继电器的数量由以下项确定：
每个相中的继电器的数量：[(S-1)*2]*P
其中，S表示各所述串联电路的所述定子线圈的数量并且P表示并联连接的所述串联电路的数量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述电机包括：
第一定子线圈；
第二定子线圈；
第一定子继电器，并联连接至所述第二定子线圈；以及
第二定子继电器，串联连接至所述第二定子线圈，
其中，所述第一定子线圈、所述第二定子继电器以及所述第二定子线圈串联连接，并且
其中，所述第一定子继电器和所述第二定子继电器并联连接。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，对所述电机的所述定子继电器进行操作包括：当所述操作模式是第一操作模式时，由所述控制器断开所述第一定子继电器并且接通所述第二定子继电器。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，对所述电机的所述定子继电器进行操作包括：当所述操作模式是第二操作模式时，由所述控制器接通所述第一定子继电器并且断开所述第二定子继电器。
19.一种非易失性计算机可读记录介质，在所述非易失性计算机可读记录介质上记录了用于实现根据权利要求10所述的方法的程序。
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