CN111146999A - 用于车辆的逆变器系统 - Google Patents

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申相哲
张智雄
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Abstract

一种用于车辆的逆变器系统，包括：能量存储设备，被配置为存储电能；第一逆变器，包含多个第一开关元件并且被配置为将存储在能量存储设备中的电能转换为交流(AC)电力；第二逆变器，包含与多个第一开关元件不同的多个第二开关元件；电动机，被配置为通过接收第一逆变器和第二逆变器所转换的AC电力而被驱动；电流传感器，分别设置在第一逆变器与电动机之间和第二逆变器与电动机之间并且被配置为检测输入电动机的电流；以及控制器，被配置为生成用于控制电动机的驱动的脉宽调制(PWM)信号。

Description

用于车辆的逆变器系统
技术领域
本公开涉及一种用于车辆的逆变器系统，并且更具体地，涉及以下一种用于车辆的逆变器系统，其能够通过根据车辆的需求输出量驱动逆变器提高效率和输出并且因此在逆变器出故障时允许根据跛行回家模式驱动车辆。
背景技术
近来，作为对大气污染和石油枯竭危机的响应，积极开发与使用电能作为车辆动力的环境友好型车辆有关的技术。环境友好型车辆包括混合动力电动车辆、燃料电池电动车辆、电动车辆等等。
参考图1，在用于输出高输出的传统车辆用逆变器系统中，为了高输出，通过并联连接多个开关元件S1至S6来驱动电动机。然而，在传统逆变器系统中，可通过将多个开关元件并联连接至电动机获得高输出，但是在电动机的需求输出量相对较低的燃料经济性驾驶模式中，开关元件中出现过多的开关损耗和传导损耗使得存在车辆的燃料效率整个降低的局限。此外，在用于车辆的传统逆变器系统中，存在这样的局限，即当电动机与逆变器之间出现诸如断线等故障时跛行回家驱动是不行的。
发明内容
因此，牢记相关技术中出现的上述问题而作出本公开，并且本公开旨在提出一种用于车辆的逆变器系统，其能够通过基于电动机的输出量不同地控制第一逆变器和第二逆变器打开和关闭的时间点来提高车辆的效率和输出，并且在电动机与第一逆变器或第二逆变器之间出现故障(诸如断线等)时通过跛行回家驱动维持车辆的驱动。
根据本公开的示例性实施方式，一种用于车辆的逆变器系统，包括：能量存储设备，被配置为存储电能；第一逆变器，包含多个第一开关元件，并且被配置为将存储在能量存储设备中的电能转换为交流(AC)电力；第二逆变器，包含与多个第一开关元件不同的多个第二开关元件，以与第一逆变器并联的关系连接至能量存储设备，并且被配置为将存储在能量存储设备中的电能转换为AC电力；电动机，被配置为通过接收第一逆变器和第二逆变器转换的AC电力而被驱动；电流传感器，分别设置在第一逆变器与电动机之间和第二逆变器与电动机之间，并且被配置为检测输入电动机的电流；以及控制器，被配置为生成用于控制电动机的驱动的脉宽调制(PWM)信号，基于所检测的电流确定第一逆变器与电动机或第二逆变器与电动机之间的故障发生位置，被配置为根据故障发生位置控制电动机由第一逆变器或第二逆变器驱动。
当确定第一逆变器与电动机之间发生故障时，控制器可以允许电动机由第二逆变器驱动，并且当确定第二逆变器与电动机之间发生故障时，控制器可以允许电动机由第一逆变器驱动。
当确定第一逆变器和第二逆变器与电动机之间未发生故障时，控制器可以基于电动机的需求输出量控制第一逆变器和第二逆变器的运行。
当电动机的需求输出量小于预定参考时，控制器可以控制多个第一开关元件运行(drive，驱动)第一逆变器。
当电动机的需求输出量大于预定参考时，控制器可以控制多个第二开关元件运行第二逆变器。
当电动机的需求输出量大于预定参考时，控制器可以向第一逆变器输入通过转换PWM信号而获得的第一PWM信号以控制多个第一开关元件在多个第二开关元件之前接通并且在多个第二开关元件之后断开。
当电动机的需求输出量大于预定参考时，控制器可以向第二逆变器输入通过转换PWM信号而获得的第二PWM信号以控制多个第二开关元件在多个第一开关元件之后接通并且在多个第一开关元件之前断开。
多个第一开关元件中的每一个可以是碳化硅-场效应晶体管(SiC-FET)并且多个第二开关元件中的每一个可以是硅-绝缘栅型双极晶体管(IGBT)。
第一逆变器的开关损耗和传导损耗可以小于第二逆变器的开关损耗和传导损耗。
第一逆变器可具有的用于驱动电动机的额定输出小于第二逆变器的额定输出。
电动机可以是通过根据电动机的需求的输出而选择性地或同时地接收由第一逆变器和第二逆变器转换的电力进行运转的单个电动机。
电动机可以包括通过接收由第一逆变器转换的电力而驱动的第一电动机和通过接收由第二逆变器转换的电力而驱动的第二电动机。
附图说明
根据结合附图而作出的以下详细描述，将更清楚地理解本公开的以上和其他目标、特征和其他优点，在附图中：
图1是示出了根据现有技术的传统逆变器系统的示图；
图2是示出了根据本公开的一个实施方式的用于车辆的逆变器系统的示图；
图3是示出在根据本公开的一个实施方式的用于车辆的逆变器系统中根据第一逆变器和第二逆变器与电动机之间的故障发生位置通过第一逆变器或第二逆变器驱动电动机的流程的流程图；
图4是示出在根据本公开的一个实施方式的车辆的逆变器系统中当电动机的需求输出量大于参考时输入至第一逆变器和第二逆变器的脉宽调制(PWM)信号的示图；以及
图5是示出了根据本公开的另一实施方式的用于车辆的逆变器系统的示图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述根据本公开的示例性实施方式的用于车辆的逆变器系统。
图2是示出了根据本公开的一个实施方式的用于车辆的逆变器系统的示图，图3是示出根据第一逆变器和第二逆变器与电动机之间的故障发生位置，通过第一逆变器或第二逆变器驱动电动机的流程的流程图，以及图4是示出了当电动机的需求输出量大于参考时输入至第一逆变器和第二逆变器的脉宽调制(PWM)信号的示图。
如图2中所示，根据本公开的一个实施方式的用于车辆的逆变器系统可以包括能量存储设备100、第一逆变器200、第二逆变器300、电动机M、控制器400及电流传感器500。在下文中，将详细描述根据本公开的用于车辆的逆变器系统的详细配置。
能量存储设备100存储电能并且可用于提供用于驱动电动机M的电能。根据本实施方式，能量存储设备100可以是存储和提供用于驱动车辆的电动机M的电能的电池。然而，这仅仅是一个实例，并且包含超级电容器等的各种设备可以用作本公开的能量存储设备，只要它们可用于存储并且提供用于驱动车辆的电动机的电能即可。
第一逆变器200包括多个第一开关元件210并且用于将存储在能量存储设备100中的电能转换为交流(AC)电力。在此，如图2中所示，多个第一开关元件210彼此并联连接并且并联连接的第一开关元件210的多个输出端子可以连接到电动机M的各个相位a、b及c。此外，第一逆变器200中的多个第一开关元件210可以将从能量存储设备100发送的直流(DC)电力转换为AC电力并且将DC电力通过逆变器转换为AC电力是众所周知的技术，因此将省去对其的详细说明。
多个第一开关元件210中的每一个可以是碳化硅-场效应晶体管(SiC-FET)。在本公开中，将SiC-FET用作多个第一开关元件210中的每一个的理由是，SiC-FET具有的开关损耗和传导损耗与低负载下的Si-绝缘栅双极晶体管(IGBT)的开关损耗和传导损耗相比显著较低。即，当电动机M的需求输出量小时，电动机M通过包含SiC-FET的第一逆变器200驱动，使得可以减少开关损耗和传导损耗并且因此可以提高车辆的整体燃料效率。
配置有多个第一开关元件210的第一逆变器200具有的开关损耗和传导损耗可低于下面将描述的第二逆变器300的开关损耗和传导损耗。此外，第一逆变器200可具有用于驱动电动机M的额定输出，该额定输出小于第二逆变器300的额定输出。
第二逆变器300包括与多个第一开关元件210的种类不同的多个第二开关元件310并且可用于将存储在能量存储设备100中的电能转换为AC电力。在此，如图2中所示，多个第一开关元件310彼此并联连接并且并联连接的第一开关元件310的多个输出端子可以连接到电动机M的各个相位a、b及c。此外，第二逆变器300可以与第一逆变器200以并联的关系连接到能量存储设备100。
此外，第二逆变器300中的多个第二开关元件310可以由下面将描述的控制器400接通和断开，以将从能量存储设备100发送的DC电力转换为AC电力。通过逆变器从DC电力到AC电力的转换是众所周知的技术，因此将省去对其的详细说明。
第二开关元件310可以是硅绝缘栅双极晶体管(Si-IGBT)。在本公开中，作为Si-IGBT的多个第二开关元件310并联连接，并且在电动机M的需求输出量高的高输出模式中由包含Si-IGBT的第二逆变器300驱动电动机M使得可输出高输出。为了描述的方便，在下面的详细描述中，将通过假设多个第一开关元件210是SiC-FET器件并且多个第二开关元件310是Si-IGBT器件进行描述。
电动机M可以通过接收通过第一逆变器200和第二逆变器300转换的AC电力而驱动。即，电动机M通过第一逆变器200和第二逆变器300提供的电力驱动以驱动车辆。
如图2中所示，电流传感器500设置在第一逆变器200和第二逆变器300与电动机M之间并且可以检测输入电动机M的电流。具体地，电流传感器500可以布置在并联连接的多个第一开关元件210的多个输出端子与电动机M的各个相位a、b、及c之间，并且可以布置在并联连接的多个第二开关元件310的多个输出端子与电动机M的各个相位a、b、及c之间。即，当前传感器500可以在多个第一并联连接的开关元件210和多个第二并联连接的开关元件310的多个输出端子的每一个处检测输入电动机M的各相位a、b、及c的电流。
控制器400可以生成用于控制电动机M的驱动的PWM信号。在此，控制器400可以接收电动机M的输出电流，并且将电动机M的输出电流与电流参考相比较，并且生成PWM信号以引导电动机M的输出电流收敛到电流参考。
此外，控制器400可以基于在电流传感器500处检测的电流确定第一逆变器200和第二逆变器300与电动机M之间的故障发生位置。在这种情况下，当通过电流传感器500在特定位置未检测到电流时，控制器400可以确定在相应的位置发生的故障(诸如，断线)。此外，如果确定故障发生位置，则控制器400可以根据故障发生位置通过第一逆变器200或第二逆变器300驱动电动机M。
例如，为了参考图3进行描述，当在第一逆变器200与电动机M之间未检测到电流时，控制器400可以确定故障发生在第一逆变器200与电动机M之间，从而阻止第一逆变器200的操作并且允许电动机M由与第一逆变器200以并联关系连接的第二逆变器300驱动。另一方面，当第二逆变器300与电动机M之间未检测到电流时，控制器400可以确定故障发生在第二逆变器300与电动机M之间，从而阻止第二逆变器300的操作并且允许电动机M由以与第二逆变器300并联的关系连接的第一逆变器200驱动。
如上所述，在本公开中，当逆变器与电动机之间发生故障(诸如，断线等)时，根据上述方法，车辆以跛行回家模式继续行驶，使得可以将车辆存到服务中心进行修理。
另一方面，当确定第一逆变器200和第二逆变器300与电动机M之间未发生故障时，控制器400可以基于电动机M的需求输出量控制对第一逆变器200和第二逆变器300的驱动(操纵)。在此，电动机M的需求输出量可以是车辆的需求输出量。换言之，控制器400可以根据车辆的需求输出量相对较低的燃料经济性驾驶模式和车辆的需求输出量相对较高的运动模式或高输出模式来驱动第一逆变器200和第二逆变器300中的一个或多个，从而驱动电动机M。
更具体地，当电动机M的需求输出量小于参考时，即在车辆的需求输出量相对较低的燃料经济性驾驶模式，控制器400可以通过向多个第一开关元件210输入PWM信号而驱动第一逆变器200。换言之，当电动机M的需求输出量小于预定参考时，控制器400通过第一逆变器200将从能量存储设备100提供的电能转换为AC电力并且将AC电力发送到电动机M，从而提高车辆的整体燃料效率。
此外，当电动机M的需求输出量大于参考时，即车辆的需求输出量相对较高的在运动模式或高输出模式，控制器400可以通过向多个第二开关元件310输入PWM信号而驱动第二逆变器300。换言之，当电动机M的需求输出量大于预定参考时，控制器400过第二逆变器300将从能量存储设备100提供的电能通转换为AC电力并且将AC电力发送到电动机M，从而输出高输出。
参考图3，当电动机M的需求输出量大于参考时，控制器400可以通过向第一逆变器200输入通过转换PWM信号而获得的第一PWM信号，控制多个第一开关元件210在多个第二开关元件310之前接通并在多个第二开关元件310之后断开。此外，当电动机M的需求输出量大于预定参考时，控制器400可以通过向第二逆变器300输入通过转换PWM信号而获得的第二PWM信号，控制多个第二开关元件310在多个第一开关元件210之后接通并在多个第一开关元件210之前断开。
如上所述，在本公开中，当电动机M的需求输出量大于参考时，PWM信号被转换并输入至第一逆变器200和第二逆变器300以便控制多个第一开关元件210在多个第二开关元件310之前接通并在多个第二开关元件310之后断开，使得可以减小第一逆变器200的多个第一开关元件210和第二逆变器300的第二开关元件310的开关损耗。
参考回图2，根据本公开的一个实施方式的电动机M可以是通过根据电动机M的需求输出量选择性地或同时接收由第一逆变器200和第二逆变器300转换的电力而运行的单个电动机。具体地，如图2中所示，根据本实施方式，当电动机M是三相电动机时，第一逆变器200和第二逆变器300的输出端子共同连接到电动机M的相位a、b、及c。在这种情况下，当电动机M的需求输出量小于预定参考时，控制器400可以通过控制多个第一开关元件210驱动第一逆变器200而驱动电动机M。此外，当电动机M的需求输出量大于预定参考时，控制器400可以通过控制多个第二开关元件310驱动第二逆变器300或者通过控制多个第一开关元件210和多个第二开关元件310驱动第一逆变器200和第二逆变器300，而驱动电动机M。
参考图5，根据本公开的另一实施方式的电动机可以包括：通过接收第一逆变器200转换的电力而驱动的第一电动机600和接收通过第二逆变器300转换的电力而驱动的第二电动机700。更具体地，如图5中所示，当电动机配置有第一电动机600和第二电动机700时，第一逆变器200的输出端子可以连接到第一电动机600的相位a、b、及c，并且第二逆变器300的输出端子可以连接到第二电动机700的相位a、b、及c。在这种情况下，当电动机的需求输出量小于预定参考时，控制器400可以通过控制多个第一开关元件210驱动第一逆变器200而驱动第一电动机600。此外，当电动机的需求输出量大于预定参考时，控制器400可以通过控制多个第二开关元件310驱动第二逆变器300而驱动第二电动机700。
根据本公开，基于电动机的输出量不同地控制第一逆变器和第二逆变器打开和关闭的时间点使得能够提高车辆的效率和输出并且能够减少开关损耗。
此外，当电动机与第一逆变器和第二逆变器之间发生诸如断线等的故障时，执行跛行回家驱动使得可以维持车辆的行驶。
尽管已描述并示出本公开的具体实施方式，但是本领域中的技术人员将理解的是，可以进行各种修改和替换而不偏离所附权利要求公开的技术精神。

Claims (12)

1.一种用于车辆的逆变器系统，包括：
能量存储设备，被配置为存储电能；
第一逆变器，包含多个第一开关元件，其中，所述第一逆变器被配置为将存储在所述能量存储设备中的电能转换为交流电力；
第二逆变器，包含与所述多个第一开关元件不同的多个第二开关元件，其中，所述第二逆变器以与所述第一逆变器并联的关系连接至所述能量存储设备，并且被配置为将存储在所述能量存储设备中的电能转换为交流电力；
电动机，被配置为通过接收由所述第一逆变器和所述第二逆变器转换的交流电力而被驱动；
电流传感器，分别布置在所述第一逆变器与所述电动机之间和所述第二逆变器与所述电动机之间，其中，每一个所述电流传感器被配置为检测输入所述电动机的电流；以及
控制器，被配置为：生成用于控制所述电动机的驱动的脉宽调制信号，基于检测的所述电流确定所述第一逆变器与所述电动机之间或者所述第二逆变器与所述电动机之间的故障发生位置，根据所述故障发生位置控制所述电动机由所述第一逆变器或所述第二逆变器来驱动。
2.根据权利要求1所述的逆变器系统，其中，当所述第一逆变器与所述电动机之间出现故障时，所述控制器控制所述电动机由所述第二逆变器来驱动，并且
当所述第二逆变器与所述电动机之间出现故障时，所述控制器控制所述电动机由所述第一逆变器来驱动。
3.根据权利要求1所述的逆变器系统，其中，当所述第一逆变器与所述电动机之间以及所述第二逆变器与所述电动机之间未出现故障时，所述控制器基于所述电动机的需求输出量来控制所述第一逆变器和所述第二逆变器的运行。
4.根据权利要求3所述的逆变器系统，其中，当所述电动机的所述需求输出量小于参考值时，所述控制器控制所述多个第一开关元件来运行所述第一逆变器。
5.根据权利要求3所述的逆变器系统，其中，当所述电动机的所述需求输出量大于参考值时，所述控制器控制所述多个第二开关元件来运行所述第二逆变器。
6.根据权利要求3所述的逆变器系统，其中，当所述电动机的所述需求输出量大于参考值时，所述控制器向所述第一逆变器输入通过转换所述脉宽调制信号而获得的第一脉宽调制信号，以控制所述多个第一开关元件在所述多个第二开关元件之前接通并且在所述多个第二开关元件之后断开。
7.根据权利要求3所述的逆变器系统，其中，当所述电动机的所述需求输出量大于参考值时，所述控制器向所述第二逆变器输入通过转换所述脉宽调制信号而获得的第二脉宽调制信号，以控制所述多个第二开关元件在所述多个第一开关元件之后接通并且在所述多个第一开关元件之前断开。
8.根据权利要求1所述的逆变器系统，其中，所述多个第一开关元件中的每一个是碳化硅场效应晶体管，并且所述多个第二开关元件中的每一个是硅绝缘栅型双极晶体管。
9.根据权利要求1所述的逆变器系统，其中，所述第一逆变器的开关损耗和传导损耗小于所述第二逆变器的开关损耗和传导损耗。
10.根据权利要求1所述的逆变器系统，其中，所述第一逆变器具有的用于驱动所述电动机的额定输出小于所述第二逆变器的用于驱动所述电动机的额定输出。
11.根据权利要求1所述的逆变器系统，其中，所述电动机是通过根据所述电动机的需求输出选择性地或同时地接收由所述第一逆变器和所述第二逆变器所转换的电力来运转的单个电动机。
12.根据权利要求1所述的逆变器系统，其中，所述电动机包括：
第一电动机，通过接收由所述第一逆变器所转换的电力而被驱动；以及
第二电动机，通过接收由所述第二逆变器所转换的电力而被驱动。
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