CN112787510A - 具有尺寸减小的dc-dc转换器的电力推进系统的操作模式优化 - Google Patents

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Abstract

一种电力推进系统包括电池组和DC‑DC转换器。该转换器具有旁路开关和半导体开关。牵引功率逆变器模块（“TPIM”）对电压总线上的DC总线电压进行整流以产生AC总线电压。电机连接到TPIM并经由AC总线电压通电。控制器基于电机的请求的操作模式和速度以及扭矩计算来自转换器的所需输出功率。当输出功率超过阈值时，旁路开关闭合以绕过转换器。当输出功率小于阈值时，控制器使用来自损耗图的最小损耗电压作为转换器的目标控制电压，以优化电力推进系统的效率。

Description

具有尺寸减小的DC-DC转换器的电力推进系统的操作模式 优化
背景技术
电力推进系统依赖于由一个或多个旋转电机产生并被引导到耦合负载的扭矩。电机通常被配置为由直流电压总线和电池组供电的多相/交流（“AC”）装置。因此，功率逆变器模块用作电力推进系统的一部分，以对输入电压进行逆变或整流，其中由功率逆变器模块执行的特定操作取决于当前操作模式。
例如，在再生操作模式期间，对位于功率逆变器模块内的各个逆变器开关的导通/关断传导状态的控制用于对来自作为发电机操作时的电机的AC输入电压进行整流，其中功率逆变器模块产生DC输出电压。此后，DC输出电压被用于对上述电池组的组成电池单元进行再充电。在驱动/电动机驱动操作模式期间对相同逆变器开关的控制用于对来自DC电压总线/电池组的DC输入电压进行逆变，并由此提供适于对电机进行通电的AC输出电压。
此外，DC电压总线上的电压电平可以使用DC-DC转换器来调节。这种装置包括另一组半导体开关，响应于DC输入电压来控制该组半导体开关的导通/关断传导状态，以实现所需的DC输出电压。电力推进系统可以在驱动循环的相当大的部分上以相对低的扭矩/功率水平操作，例如在电动车辆应用中。因此，对于这种应用，尺寸减小的DC-DC转换器是可行的硬件选择，例如在授予Hao等人的第10,110,103B1号美国专利中使用这种方法，该专利通过引用整体结合于此。虽然因为使用这种尺寸减小的转换器在一定程度上牺牲了顶端扭矩响应，但是减小的扭矩响应带来了提高电力推进系统的总能量驱动效率的附带益处。
发明内容
本文公开了一种用于电力推进系统的控制方法。该电力推进系统包括可再充电电池组或其它能量存储系统、直流-直流（“DC-DC”）转换器、旁路开关、牵引功率逆变器模块（“TPIM”）、旋转电机和控制器。在不同的实施例中，转换器可以以不同的方式被不同地配置为降压-升压转换器、降压转换器或升压转换器，并且因此能够根据当前操作模式和转换器配置按照需要选择性地减小和/或增加给定的DC输入电压。另外，相对于基线“最坏情况”定尺寸情形，转换器是尺寸减小的，在所述基线“最坏情况”定尺寸情形，转换器被尺寸到电机的峰值功率需求。
控制器使用损耗图，例如在控制器的存储器中编程的一组查找表，来调节TPIM /电机和降压-升压转换器的正在进行的操作。使用本方法，转换器的DC输出电压被控制为从损耗图中选择的最小损耗电压。因此，控制器能够优化能量效率并提高电力推进系统的整体驱动性能。
如本领域普通技术人员将理解的，为了确保电机在峰值功率水平下的响应操作，电力推进系统通常包括尺寸和额定值与峰值功率需求相匹配的DC-DC转换器。 然而，根据峰值功率需求确定尺寸会导致转换器及其相关功率电子部件内的电损耗。例如，在DC-DC转换器的相对大的电感线圈内发生尺寸成比例的电损耗。电感线圈的尺寸减小成比例地减少了这种损耗。同样，用作转换器硬件的一部分的电容器组可以类似地被缩小尺寸。电损耗也发生在转换器的各个半导体开关内，尽管程度较小。因此，本发明的转换器相对于典型的基于峰值功率的替代方案而言尺寸减小，例如在示例性实施例中从大约90-100kW至大约20-30kW。
在电动机驱动模式操作期间，当转换器被实施为降压-升压转换器时，转换器在低速/低扭矩操作条件下以可用的降压模式操作。这种模式降低了DC电压总线的电压电平。相同的转换器可以在高速/低功率条件下以升压模式操作以升高DC总线电压。在电池组被再充电的再生模式期间，转换器在低速/低扭矩条件期间以升压模式操作，并且在高速/低功率条件期间以降压模式操作。如上所述，使用本方法根据损耗图确定转换器的特定控制电压。
当转换器替代地被配置为尺寸减小的降压转换器时，即，缺少升压模式时，当上述降压-升压转换器另外将在升压模式中操作时，转换器可以被选择性地绕过。同样，当转换器是缺少降压模式的尺寸减小升压转换器时，当上述降压-升压转换器另外将在降压模式中操作时，转换器被类似地绕过。如将理解的，换言之，纯降压或升压转换器分别缺少升压或降压模式，并且因此当本文描述的算法要求在不可用模式中操作时，转换器可以被绕过以进一步提高效率。
在本方法的示例性实施例中，控制器确定电机的当前操作模式（再生或电动机驱动），所命令的速度和所命令的扭矩。使用这些输入值，控制器计算来自DC-DC转换器的所需输出功率。然后，控制器将所需的输出功率与校准的功率阈值（例如30kW）进行比较。通过闭合旁路开关，在校准的功率阈值之上选择性地绕过转换器。在校准的功率阈值以下，控制器访问损耗图，例如列出在转换器的不同输出电压处发生的功率损耗的一个或多个查找表，并且然后从损耗图选择最小损耗电压。换言之，可以记录降压-升压转换器的多个输出电压中的每一个的校准损耗值。因此，最小损耗电压是输出电压中的具有校准损耗值的最低幅度的选定的一个。
控制器此后控制降压或升压模式中的转换器的实际输出电压，或者当所需模式不可用于给定转换器配置时绕过转换器。基于电力推进系统的请求的操作模式，即电动机驱动或再生，选择降压、升压或旁路模式。模式选择还基于从损耗图确定的最小损耗电压是否小于DC总线电压。此后，控制器基于DC总线电压和电机的命令的扭矩和速度生成用于控制电机的直轴（“d轴”）和交轴（“q轴”）命令。
可以以平衡旁路开关两端的电压，即电池组的输出电压（“电池电压”）和DC总线电压的方式来控制旁路开关。旁路开关可以可选地实施为机械继电器，以帮助最小化部件成本，并且当旁路开关处于导通/传导状态时最小化内阻。期望当旁路开关两端的电压平衡时立即闭合旁路开关。然而，机械继电器的典型断开时间在5-10ms的量级。因此，在某些实施例中，可以使用对设计的转换器开关的PWM控制，以适当地平衡旁路开关两端的电压，如本文所阐述的。
尺寸减小的DC-DC转换器是双向转换器，其可以利用转换器开关，例如在某些实施例中的MOSFET，其中氮化镓（“GaN”）和碳化硅（“SiC”）是转换器开关的两种可能的构造材料。旁路开关可以是机械接触器或半导体开关。
一种用于控制电力推进系统的方法包括：基于电机的请求的操作模式、命令的速度和命令的扭矩经由控制器计算来自转换器的所需输出功率。该方法还包括：将所需输出功率与校准的功率阈值进行比较，并且经由控制器控制转换器。DC-DC转换器的控制包括：当所需输出功率超过校准功率阈值时，经由控制器闭合旁路开关，从而绕过转换器。当所需输出功率小于校准功率阈值时，控制器从损耗图确定最小损耗电压，并且此后使用最小损耗电压作为转换器的目标控制电压，从而优化电力推进系统的效率。
还公开了一种车辆，其包括一个或多个行走轮和电力推进系统。在该实施例中，控制器基于电机的请求输出速度和扭矩计算来自降压-升压转换器的所需输出功率。当所需输出功率小于校准功率阈值时，控制器使用损耗图确定电力推进系统的最小损耗电压。损耗图包含转换器的多个输出电压中的每一个的校准损耗值。最小损耗电压是输出电压中的在校准损耗值中幅度最低的一个。另外，控制器使用最小损耗电压作为转换器的目标控制电压，其可以包括以降压模式或升压模式（如果可用的话）操作转换器。
本发明还包括如下技术方案：
技术方案1. 一种电力推进系统，包括：
电压总线，其具有正总线轨和负总线轨以及所述总线轨两端的DC总线电压；
电池组，其连接在所述电压总线的正总线轨和负总线轨之间，并提供电池电压；
直流-直流（“DC-DC”）转换器，其包括连接在所述正总线轨与所述负总线轨之间的一组半导体开关，并且具有连接到所述正总线轨的旁路开关；
牵引功率逆变器模块（“TPIM”），其具有以逆变器总线电压连接到降压-升压转换器的DC侧，并且具有交流（“AC”）侧，其中，所述TPIM被配置为对DC逆变器电压进行整流，从而产生AC总线电压；
旋转电机，其连接到所述TPIM的AC侧并且经由所述AC总线电压通电；以及
控制器，其被配置为基于所述电机的请求的操作模式、命令的速度和命令的扭矩来计算来自所述DC-DC转换器的所需输出功率，以将所述所需输出功率与校准功率阈值进行比较，并且：
当所述所需输出功率超过所述校准功率阈值时，闭合所述旁路开关，从而绕过所述DC-DC转换器；以及
当所述所需输出功率小于所述校准功率阈值时，从损耗图确定最小损耗电压，并且此后使用所述最小损耗电压作为所述DC-DC转换器的目标控制电压，从而优化所述电力推进系统的效率。
技术方案2. 根据技术方案1所述的电力推进系统，其中，所述控制器配置成基于所述命令的扭矩、所述命令的速度和所述最小损耗电压产生用于控制所述TPIM和所述电机的d轴命令和q轴命令。
技术方案3. 根据技术方案1所述的电力推进系统，其中，所述控制器被配置为在断开或闭合所述旁路开关之前，将脉宽调制（“PWM”）控制信号传输到所述DC-DC转换器的半导体开关对，从而使所述DC总线电压与所述电池电压平衡。
技术方案4. 根据技术方案1所述的电力推进系统，其中，所述旁路开关是机械继电器或双向半导体开关。
技术方案5. 根据技术方案1所述的电力推进系统，其中，所述DC-DC转换器中的所述半导体开关是双向氮化镓或碳化硅开关。
技术方案6. 根据技术方案1所述的电力推进系统，其中，所述损耗图包括查找表，所述查找表填充有所述DC-DC转换器的多个输出电压中的每一个的校准损耗值，并且其中所述最小损耗电压是所述输出电压中的具有所述校准损耗值中的最低幅度的选定输出电压。
技术方案7. 根据技术方案1所述的电力推进系统，其中，所述控制器包括具有第一控制回路和第二控制回路的控制逻辑，在所述第一控制回路中，所述控制器经由所述最小损耗电压调节所述DC-DC转换器的操作，在所述第二控制回路中，所述控制器经由比例-积分电流控制器调节所述TPIM的操作。
技术方案8. 根据技术方案1所述的电力推进系统，其中，所述DC-DC转换器被配置为降压-升压转换器或升压转换器，并且所述控制器被配置为当所述操作模式是电动机驱动模式、所述命令的速度高于速度阈值并且所述所需输出功率小于所述校准功率阈值时，将所述逆变器总线电压增加到所述最小损耗电压。
技术方案9. 根据技术方案8所述的电力推进系统，其中，在再生模式中，所述控制器被配置成当所述命令的速度低于速度阈值并且所述所需输出功率小于校准功率阈值时，将所述逆变器总线电压升高到所述电池电压。
技术方案10. 根据技术方案1所述的电力推进系统，其中，所述DC-DC转换器被配置为降压-升压转换器或降压转换器，并且在电动机驱动模式中，所述控制器被配置为当所述命令的速度低于速度阈值并且所需输出扭矩小于扭矩阈值时，将所述逆变器总线电压降低到所述最小损耗电压。
技术方案11. 根据技术方案10所述的电力推进系统，其中在再生模式中，所述控制器被配置成当所述命令的速度高于速度阈值并且所述所需输出功率小于校准功率阈值时，将所述逆变器总线电压降低到所述电池电压。
技术方案12. 根据技术方案1所述的电力推进系统，还包括连接到所述电机的行走轮。
技术方案13. 一种用于控制电力推进系统的方法，所述电力推进系统具有正总线轨和负总线轨两端的DC总线电压、连接到所述正总线轨和负总线轨并且提供电池电压的电池组、直流-直流（“DC-DC”）转换器、具有在逆变器总线电压下连接到所述DC-DC转换器的DC侧的牵引功率逆变器模块（“TPIM”）、以及连接到所述TPIM的AC侧的旋转电机，所述方法包括：
经由控制器基于所述电机的请求的操作模式、命令的速度和命令的扭矩计算来自所述DC-DC转换器的所需输出功率；
将所述所需输出功率与校准功率阈值进行比较；以及
经由所述控制器控制所述DC-DC转换器，包括：
当所述所需输出功率超过所述校准功率阈值时，经由所述控制器闭合所述DC-DC转换器的旁路开关，从而绕过所述DC-DC转换器；以及
当所述所需输出功率小于所述校准功率阈值时，经由所述控制器从损耗图确定最小损耗电压，并且此后使用所述最小损耗电压作为所述DC-DC转换器的目标控制电压来控制所述DC-DC转换器的电压。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，还包括：基于所述命令的扭矩、所述命令的速度和所述最小损耗电压，经由所述控制器生成用于所述TPIM和所述电机的d轴命令和q轴命令。
技术方案15. 根据技术方案13所述的方法，还包括：向所述DC-DC转换器的半导体开关对传输脉宽调制（“PWM”）控制信号，从而在断开或闭合所述旁路开关之前平衡所述DC总线电压和所述电池电压。
技术方案16. 根据技术方案13所述的方法，其中，所述旁路开关是机械继电器或半导体开关。
技术方案17. 根据技术方案13所述的方法，其中，所述损耗图包括用所述DC-DC转换器的多个输出电压中的每一个的校准损耗值填充的查找表，并且其中从所述损耗图确定所述最小损耗电压包括：选择所述输出电压中的在所述校准损耗值中具有最低幅度的一者。
技术方案18. 根据技术方案13所述的方法，还包括：使用第一控制回路经由所述最小损耗电压调节所述DC-DC转换器的操作，以及使用第二控制回路经由所述控制器的比例-积分逻辑块调节所述TPIM的操作。
技术方案19. 根据技术方案13所述的方法，还包括：经由所述电机为行走轮提供动力。
技术方案20. 一种电池电动车辆，包括：
至少一个行走轮；以及
电力推进系统，包括：
连接到DC电压总线的DC-DC转换器，所述DC-DC转换器具有降压模式、连接在正总线轨和负总线轨之间的一组半导体开关、以及连接到所述正总线轨的旁路开关；
牵引功率逆变器模块（“TPIM”），其连接到所述DC电压总线；
旋转电机，其连接到所述TPIM和所述至少一个行走轮；以及
控制器，被配置为基于所述电机的请求的输出速度和扭矩来计算来自所述DC-DC转换器的所需输出功率，并且当所述所需输出功率小于校准功率阈值时，执行以下操作：
使用损耗图来确定所述电力推进系统的最小损耗电压，其中所述损耗图包含所述DC-DC转换器的多个输出电压中的每一个的校准损耗值，并且所述最小损耗电压是所述输出电压中的在所述校准损耗值中幅度最低的一者；
将所述最小损耗电压用作所述DC-DC转换器的目标控制电压，包括当所述操作模式是电动机驱动模式并且所述最小损耗电压小于所述电池电压时，以所述降压模式操作所述DC-DC转换器；以及
当所述所需输出功率超过所述校准功率阈值时，闭合所述旁路开关，从而绕过所述DC-DC转换器。
从在结合附图时的用于执行本公开的最佳模式的以下具体实施方式中，本公开的上述和其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是具有根据本文所阐述的方法控制的尺寸减小的DC-DC转换器的电力推进系统的示意图。
图1A和图1B分别是可以用作图1的电力推进系统的一部分的替代降压转换器和升压转换器的示意图。
图2是可用于执行本方法的示例性双回路控制逻辑的示意图。
图3是描述用于根据最小损耗电压控制图1的尺寸减小的DC-DC转换器和旋转电机的方法的流程图。
本公开易于进行各种修改和替代形式，并且一些代表性实施例已经在附图中通过示例的方式示出并且将在本文中进行详细描述。然而，应当理解的是，本公开的新颖方面不限于附图中所示的特定形式。相反，本公开将涵盖落入由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的所有修改、等同物、置换、组合、子组合和替代。
具体实施方式
参考附图，其中在所有视图中相似的附图标记表示相似的部件，图1示出了具有主体11和电力推进系统15的移动平台10。移动平台10可以可选地实施为机动车辆、机器人等，并且因此在这样的实施例中配备有与路面14滚动接触的行走轮12。虽然移动平台10是受益于电力推进系统15的系统的一个可能的示例，但是也可以设想电力推进系统15的其他有益应用，包括但不限于固定发电厂、移动平台和其他类型的陆地、空中或海上交通工具。
电力推进系统15包括具有可旋转输出轴18的多相电机（“ME”）16。当经由将多相/交流电压（“VAC”）施加到电机16的各个相绕组48而使电机16通电时，产生输出扭矩（箭头TM），并经由输出轴18将所述输出扭矩传递到联接负载，诸如在所示车辆应用中传递到行走轮12。电机16可以可选地实施为三相/多相电动机或电动机/发电机单元，其中每个相绕组48传导对应的相电流。
图1的电力推进系统15包括电池组20或其它适合应用的能量存储系统。电力推进系统15还包括直流/直流（“DC-DC”）转换器30和牵引功率逆变器模块（“TPIM”） 40。如下所述，转换器30可以以各种方式实施为降压-升压转换器（图1）、降压转换器（图1A）或升压转换器（图1B），其中所公开的方法100适于与各种实施例中的每一个一起使用。电池组20包括多个电池单元22，例如，布置成堆叠的可再充电锂离子电池单元，以及与电池单元22并联布置的电容器24。电池单元22的数量和布置可根据预期应用而改变，例如，九十六个或更多个这种电池单元22用于某些高电压应用中。电池电压（Vbat +, Vbat -）被传送到相应的正电池电压轨19+和负电池电压轨19-，其中DC总线电压（Vdc +, Vdc -）存在于DC-DC转换器30下游的逆变器总线轨31+和31-上，即，在DC-DC转换器30的输出侧上。如果DC-DC转换器30是活动的（active）并且旁路开关S0断开，则电池电压（Vbat +, Vbat -）将取决于用于DC-DC转换器30的控制方案而不同于DC总线电压（Vdc +, Vdc -）。
电气连接到电机16的相绕组48的TPIM 40包括第一多个半导体开关44，为清楚起见，在下文中称为逆变器开关44。逆变器开关44如图所示布置成上部组和下部组，其中术语“上部”和“下部”分别指连接到正和负逆变器总线轨31+和31-的逆变器开关44。逆变器开关44可以实施为电压控制的双极开关器件，其形式为绝缘栅双极晶体管（“IGBT”）、金属氧化物半导体场效应晶体管（“MOSFET”）、宽带隙器件或具有对应栅极端子（“G”）的其他合适的开关，其中栅极电压信号（箭头GC）被施加到所述对应栅极端子以改变逆变器开关44的对应的导通/关断状态。
仍然参考图1，DC-DC转换器30可选地配置为具有另一组半导体开关34的降压-升压转换器，在下文中称为转换器开关34。如将理解的，这种转换器30的降压（buck）和升压（boost）模式分别是电压减小和电压增加操作模式。如同逆变器开关44一样，转换器开关34可以由高效率开关构成，所述高效率开关诸如氮化镓（“GaN”）或碳化硅（“SiC”） MOSFET、IGBT或布置在上部开关组和下部开关组中的其他合适的开关器件。每一个上部转换器开关34经由相应的电压支路37A和37B连接到相应的一个下部转换器开关34，其中电感器线圈36在电压支路37A和37B之间延伸。
图1的DC-DC转换器30另外包括旁路开关32，为了清楚起见，其也被标记为S0。旁路开关32响应于由控制器（C）50传输的开关控制信号（箭头CC）而选择性地断开或闭合。旁路开关32可以可选地由机电继电器构成，例如双向GaN或SiC机械继电器。旁路开关32设置在正电池电压轨19+和正逆变器电压总线轨31+之间。因此，响应于开关控制信号（箭头CC）闭合旁路开关32导致转换器30被绕过，其中要求闭合旁路开关32的特定条件以及转换器30的所得旁路由控制器50实时确定，如下面参考图3所阐述的。
简要参考图1A和图1B，DC-DC转换器30可以替代地被配置为尺寸减小的（downsized）降压转换器（图1A）或尺寸减小的升压转换器（图1B）。在电动机驱动（motoring）模式期间，图1A的实施例将在低速/低扭矩条件期间操作以将逆变器总线电压从电池电压的电平降低到较低值，在高速/低功率条件下以再生模式操作以将逆变器总线轨31+和31-之间的逆变器总线电压降低到电池电压的电平，并且在其他条件期间可以选择性地被绕过。图1B的升压转换器实施例可以在电动机驱动模式期间的高速/低功率条件期间操作，以将逆变器总线电压从电池电压的电平升压到较高值，在低速/低扭矩条件下在再生模式期间操作，以将逆变器总线电压升压到电池电压电平，并且可以在其他条件下被选择性地绕过。与图1一样，图1A和图1B的实施例使用开关S0作为旁路开关以绕过DC-DC转换器30。
控制器50通过控制器局域网（“CAN”）总线或其它通信总线与电机16通信，并且可以配置为单个装置或分布式控制装置。尽管从图1中省略，控制器50到电力推进系统15的连接可以包括适于发送和接收控制信号（箭头CC）的传输导体和/或无线控制链路或路径。控制器50可以包括处理器（P）和有形的非暂时性存储器（M），包括呈光学、磁性或闪存存储器形式的只读存储器。控制器50还包括足够数量的随机存取存储器和电可擦除可编程只读存储器，以及高速时钟、模数和数模电路以及输入/输出电路和装置，以及适当的信号调节和缓冲电路。计算机可读指令被记录在实施方法100的存储器（M）中，其中由处理器（P）执行这样的逻辑使得控制器50管理电力推进系统15内的电力流。
在本方法100中，控制器50被编程为接收操作者请求的或自主产生的命令的电动机扭矩（箭头T16）。这种值可以从电机16的电动机控制处理器（未示出）获得，例如使用由电机16的功率和所命令的旋转速度（箭头N16）索引或参考的查找表。控制器50使用所命令的电动机扭矩（箭头T16）和速度（箭头N16）来根据方法100精确地确定何时断开或闭合旁路开关32，这基于从存储在存储器（M）中的损耗图52提取的或者可由控制器50以其它方式访问的最小损耗电压如下面所阐述的那样发生。
图2示出了示例性双环控制逻辑50L，其用于在建立电力推进系统15的两种不同操作模式、即电动机驱动和再生模式中的一种时，经由图1的控制器50实现本方法100。为了说明的一致性，描述了用于DC-DC转换器30的降压-升压实施例的控制，其中对于相应的图1A和图1B的替代降压和升压实施例，修改是可能的。
在电动机驱动模式中，即当电机16在低速/低扭矩操作条件下在其容量方面被激励为电力牵引电动机时，控制器50以降压模式操作DC-DC转换器30。该控制动作有效地降低了图1的逆变器总线轨31+和31-之间的DC总线电压。在高速/低功率操作条件下，控制器50以升压模式操作转换器30以增加DC总线电压。在再生模式中，控制器50在低速/低扭矩操作条件期间以升压模式操作转换器30，并且在高速/低功率操作条件期间以降压模式操作转换器。
控制逻辑50L使得能够基于所命令的扭矩（箭头T16）和速度（箭头N16）以及上述损耗图52来优化图1的电力推进系统15的效率。对于每个输入速度和扭矩命令组合，控制器50针对DC-DC转换器30的不同输出电压范围，例如100-500V，评估记录在损耗图中的不同预定功率损耗的幅度。损耗图52中的最小值具有在本文称为“最小损耗电压”的对应电压。控制器50使用该值作为用于转换器30的目标/控制电压，并且还基于速度、扭矩和最小损耗电压根据需要调节到电机16的d轴和q轴命令。
在控制逻辑50L的示例性实施例中，电子控制模块（“ECM”）150，即，图1的控制器50的用于控制图2的最右边所示的DC-DC转换器30的操作的逻辑和硬件部件，接收所命令的扭矩（箭头T16）、所命令的速度（箭头N16）和当前电池电压（Vbat），然后将接收的值与实施损耗图52的查找表（“LUT”）进行比较。这些值在损耗图52的情况下可以被校准，或者对于所命令的扭矩、速度和电池电压，这些值可以被实时测量、计算或以其他方式确定。如上所述，上述最小损耗电压（“VMIN-L”）用作DC-DC转换器30的控制电压。
损耗图52输出最小损耗电压，并且基于扭矩和速度输出当前操作模式（“OM”），即上述电动机驱动或再生模式。ECM 150可以接收最小损耗电压和当前操作模式作为输入信号。在ECM 150的下游，单独的控制回路L1和L2响应于来自ECM 150的输出信号分别控制DC-DC转换器30和TPIM 40的操作。
关于用于DC-DC转换器30的控制回路L1，ECM 150向转换器30输出控制电压信号CC30，其命令如损耗图52所提供的最小损耗电压。例如，控制电压信号CC30可以是命令DC-DC转换器30的特定输出电压的比例电压信号，其中输出电压等于最小损耗电压。因此，逆变器总线轨31+和31-两端的DC总线电压被设定为最小损耗电压。
仍然参考图2，控制回路L2控制TPIM 40的操作，所述TPIM 40连接到DC-DC转换器30，使得来自转换器30的输出电压的调节影响到TPIM 40的输入电压，反之亦然。TPIM 40连接到电机16的相引线48。作为控制回路L2的一部分，ECM 150基于最小损耗电压向第一节点N1输出q轴命令
Figure 38786DEST_PATH_IMAGE001
以及向第二节点N1输出d轴命令
Figure 342729DEST_PATH_IMAGE002
输出。如本领域中所使用的，术语“d轴电流命令”指的是在旋转dq参考系的直轴上操作的磁通产生电流命令，而q轴电流命令（交轴）是电机16的扭矩产生电流。第一节点N1还从轴变换块66接收q轴电流的大小作为反馈项
Figure 617852DEST_PATH_IMAGE003
，从q轴命令
Figure 261323DEST_PATH_IMAGE001
减去该q轴项，并将该差值传输到比例积分（“PI”）逻辑块60q。类似地，第二节点N2从轴变换块66接收d轴电流作为反馈项
Figure 661736DEST_PATH_IMAGE004
，从d轴命令
Figure 390658DEST_PATH_IMAGE005
中减去d轴反馈项
Figure 469472DEST_PATH_IMAGE006
，并将差值传输到PI逻辑块60d。
在PI逻辑块60q和60d内，控制器50导出q轴电压（dq）和d轴电压（dd），其中q轴电压（dq）和d轴电压（dd）表示对至TPIM 40的当前电压命令的所需调节。这种电压调节的大小可以经由电压限制块（“LIM”） 62 （例如使用带通滤波器）来限制，并且被馈送到轴变换块64。在变换块64内，控制器50将旋转dq参考系变换到固定参考系，即αβ参考系。如将理解的，用于在控制逻辑50L中实现的变换的特定选择将取决于用于实现环路L2的电流控制器的选择，其中αβ参考系中的控制对于多相电机的控制是典型的。
因此，块64的电压输出是变换后的电压
Figure 29766DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 801413DEST_PATH_IMAGE008
，其随后被馈送到调制块65作为控制电压，在所描绘的非限制性实施例中，块65是脉宽调制（“PWM”）控制器。响应于控制电压
Figure 752052DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 696874DEST_PATH_IMAGE008
，调制块65将多个栅极电压信号输出到各个逆变器开关44的栅极端子（G）（参见图1）。例如，在电机16的示例性三相实施例中，将存在六个这样的栅极信号，如图2中的数字“6”所示。通电的TPIM 40此后为电机16供电。相电压被测量/计算并连同如由位置传感器Sp测量的转子18的当前旋转位置
Figure 49358DEST_PATH_IMAGE009
一起输入到相变换块66。此后，相变换块66产生q轴和d轴电流
Figure 991906DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 554475DEST_PATH_IMAGE011
作为反馈项，如上所述，这些反馈项又被馈入节点N1和N2。
参考图3，根据示例性实施例的方法100从框B102开始。控制器50接收电机16的所命令的速度（箭头N16）和扭矩（箭头T16），如图2所示，其可包括处理踏板行程或来自操作人员或自动控制器的其它控制输入。控制器50在进行到框B104之前使用所命令的速度和扭矩计算到电机16的所需的输入功率（“CALC P”）。
在框B104处，控制器50将所需输入功率与校准的功率阈值进行比较
Figure 975092DEST_PATH_IMAGE012
。例如，在峰值功率需求可能接近90-100kW的应用中，校准功率阈值可以是30-40kW，即，峰值功率的30-40%。当所需输入功率超过功率阈值时，方法100进行到框B106，并且在替代方案中进行到框B110。
框B106包括经由控制器50确定在当前操作模式下是否需要绕过DC-DC转换器30
Figure 447661DEST_PATH_IMAGE013
。框B106可以包括例如使用发送到开关S0的控制信号和/或经由控制器50处理开关S0的状态位来检查开关S0的状态。当需要使用这样的标准来绕过转换器30时，方法100进行到框B108。否则方法100直接前进到框B128。
在框B108处，响应于在框B104中做出的电机16在高于上述校准功率阈值操作的确定，控制器50闭合图1的旁路开关32（“S0 = 1”）以绕过DC-DC转换器30，并且此后进行到框B128。
框B110类似于框B106，并且包括经由控制器50确定DC-DC转换器30是否需要在当前操作模式下是活动的
Figure 623428DEST_PATH_IMAGE014
。当转换器30不活动时，方法100进行到框B112，并且在替代方案中，当转换器30是活动的时，进行到框B114。
框B112包括在进行到框B114之前断开图1的旁路开关32。
框B114需要使用图2所示的损耗图52来确定图1的电力推进系统10的损耗。如上所述，控制器50在相同的扭矩和速度条件下在转换器30的不同的可能控制电压下读取存储在损耗图52中的值，并选择最小损耗电压（“VMIN-L”）。损耗图52可以基于电力推进系统15自身中的损耗，或者在不同实施例中基于TPIM 40的输入功率或来自电池组20的输出功率。方法100然后进行到框B116。
在框B116处，控制器50确定当前操作模式是否是电动机驱动模式
Figure 548658DEST_PATH_IMAGE015
。当当前操作模式是电动机驱动模式时，方法100进行到框B118，并且当当前操作模式不是电动机驱动模式时，方法100进行到框B119。
在框B118处，控制器50将来自框B114的最小损耗电压（VMIN-L）与框B118中表示为VINV的当前逆变器总线电压相比较，以确定哪个值更大，即
Figure 772966DEST_PATH_IMAGE016
。当最小损耗电压超过当前逆变器总线电压时，方法100进行到框B120，并且在替代方案中，当逆变器总线电压超过最小损耗电压时，方法100进行到框B122。
框B119包括将来自框B114的最小损耗电压（VMIN-L）与电池电压进行比较，以确定哪个值更大，即
Figure 896780DEST_PATH_IMAGE017
。当电池电压超过最小损耗电压时，方法100进行到框B124，并且在替换方案中当最小损耗电压超过电池电压时，方法100进行到框B126。
框B120包括如果转换器30是升压或升压-降压类型，则在升压模式下操作DC-DC转换器30，同时电力推进系统处于电动机驱动模式。在这种模式下，转换器30将逆变器总线电压增加到最小损耗电压，然后继续到框B128。当转换器30是降压转换器时，框B120包括经由图1A的开关S0绕过转换器30。
框B122包括在电力推进系统处于电动机驱动模式时，以及在转换器30是降压-升压或降压类型时，在降压模式下操作DC-DC转换器30。在这种模式中，转换器30将逆变器总线电压从其当前电平降低到来自框B114的最小损耗电压，然后继续到框B128。当转换器30是升压转换器时，框B122包括经由图1A的开关S0绕过转换器30。
在框B124处，再次如果转换器30是降压-升压（图1）或升压（图1B）类型，并且同时电力推进系统处于再生模式，则控制器50以升压模式操作DC-DC转换器30。在这种模式下，转换器30将总线电压增加到电池电压以对电池充电，然后进行到框B128。当转换器30是降压转换器时，框B124包括经由图1A的开关S0绕过转换器30。
在框B126处，在电力推进系统处于再生模式时并且假定转换器30被配置为降压-升压（图1）或降压（图1A）类型，控制器50以降压模式操作DC-DC转换器30。在继续到框B128之前，转换器30将总线电压降低到电池电压。框B126包括当转换器30是升压转换器时，例如如图1B中所例示的，经由开关S0绕过转换器30。
框B128需要基于总线电压以及电机16的所命令的扭矩和速度产生d轴和q轴电流命令，即，
Figure 181131DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 593658DEST_PATH_IMAGE019
。
使用图2的方法100和控制逻辑50L，DC-DC转换器30的尺寸可以有效地减小，例如，对于90-100kW的峰值功率需求，减小到20-30kW或更小。如将理解的，一些电动车辆实施例需要大约200kW的峰值功率。然而，对于绝大多数日常驱动循环，这种车辆可能需要仅30kW的功率。在这种实施例中，在降压模式中使用20-30kW的DC-DC转换器30的实施例可实现15%的损耗减少。鉴于本公开，本领域的普通技术人员将容易地理解这些和其他益处。
尽管已经参考所示实施例详细描述了本公开的各方面，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对其进行许多修改。本公开不限于本文公开的精确构造和组成；从上述描述中显而易见的修改、改变和/或变型在如所附权利要求书中所限定的本公开的范围内。此外，本发明的构思可以明确地包括前述元件和特征的组合和子组合。

Claims (10)

1.一种电力推进系统，包括：
电压总线，其具有正总线轨和负总线轨以及所述总线轨两端的DC总线电压；
电池组，其连接在所述电压总线的正总线轨和负总线轨之间，并提供电池电压；
直流-直流（“DC-DC”）转换器，其包括连接在所述正总线轨与所述负总线轨之间的一组半导体开关，并且具有连接到所述正总线轨的旁路开关；
牵引功率逆变器模块（“TPIM”），其具有以逆变器总线电压连接到降压-升压转换器的DC侧，并且具有交流（“AC”）侧，其中，所述TPIM被配置为对DC逆变器电压进行整流，从而产生AC总线电压；
旋转电机，其连接到所述TPIM的AC侧并且经由所述AC总线电压通电；以及
控制器，其被配置为基于所述电机的请求的操作模式、命令的速度和命令的扭矩来计算来自所述DC-DC转换器的所需输出功率，以将所述所需输出功率与校准功率阈值进行比较，并且：
当所述所需输出功率超过所述校准功率阈值时，闭合所述旁路开关，从而绕过所述DC-DC转换器；以及
当所述所需输出功率小于所述校准功率阈值时，从损耗图确定最小损耗电压，并且此后使用所述最小损耗电压作为所述DC-DC转换器的目标控制电压，从而优化所述电力推进系统的效率。
2.根据权利要求1所述的电力推进系统，其中，所述控制器配置成基于所述命令的扭矩、所述命令的速度和所述最小损耗电压产生用于控制所述TPIM和所述电机的d轴命令和q轴命令。
3.根据权利要求1所述的电力推进系统，其中，所述控制器被配置为在断开或闭合所述旁路开关之前，将脉宽调制（“PWM”）控制信号传输到所述DC-DC转换器的半导体开关对，从而使所述DC总线电压与所述电池电压平衡。
4.根据权利要求1所述的电力推进系统，其中，所述旁路开关是机械继电器或双向半导体开关。
5.根据权利要求1所述的电力推进系统，其中，所述DC-DC转换器中的所述半导体开关是双向氮化镓或碳化硅开关。
6.根据权利要求1所述的电力推进系统，其中，所述损耗图包括查找表，所述查找表填充有所述DC-DC转换器的多个输出电压中的每一个的校准损耗值，并且其中所述最小损耗电压是所述输出电压中的具有所述校准损耗值中的最低幅度的选定输出电压。
7.根据权利要求1所述的电力推进系统，其中，所述控制器包括具有第一控制回路和第二控制回路的控制逻辑，在所述第一控制回路中，所述控制器经由所述最小损耗电压调节所述DC-DC转换器的操作，在所述第二控制回路中，所述控制器经由比例-积分电流控制器调节所述TPIM的操作。
8.根据权利要求1所述的电力推进系统，其中，所述DC-DC转换器被配置为降压-升压转换器或升压转换器，并且所述控制器被配置为当所述操作模式是电动机驱动模式、所述命令的速度高于速度阈值并且所述所需输出功率小于所述校准功率阈值时，将所述逆变器总线电压增加到所述最小损耗电压。
9.根据权利要求8所述的电力推进系统，其中，在再生模式中，所述控制器被配置成当所述命令的速度低于速度阈值并且所述所需输出功率小于校准功率阈值时，将所述逆变器总线电压升高到所述电池电压。
10.根据权利要求1所述的电力推进系统，其中，所述DC-DC转换器被配置为降压-升压转换器或降压转换器，并且在电动机驱动模式中，所述控制器被配置为当所述命令的速度低于速度阈值并且所需输出扭矩小于扭矩阈值时，将所述逆变器总线电压降低到所述最小损耗电压。
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