CN113472265A - 电机驱动装置 - Google Patents

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林奭炫
张智雄
金凡植
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Abstract

本发明涉及一种电机驱动装置。所述电机驱动装置用于驱动具有分别对应于多个相的多个绕组的电机。所述电机驱动装置包括：第一逆变器，其具有多个第一开关装置，并且连接至多个绕组的第一端；第二逆变器，其具有多个第二开关装置，并且连接至多个绕组的第二端；第三开关装置，其配置为选择性地连接或断开将每个绕组的匝数划分为预设比例的点；以及控制器，其配置为基于所需的电机的输出来调节第一开关装置至第三开关装置的导通/断开状态。

Description

电机驱动装置
技术领域
本发明涉及一种电机驱动装置，更具体地，涉及这样一种电机驱动装置：其根据所需的电机的输出，将电机驱动模式转换为Y形连接的电机驱动模式和开放式绕组电机驱动模式，从而提高用于驱动电机的逆变器的效率。
背景技术
通常，电机中包括的各个相的绕组的一端连接到一个逆变器，并且这些绕组的另一端相互连接以形成Y形连接。当驱动电机时，逆变器中的开关装置通过将线电压施加到连接到Y形连接的电机的绕组上以产生交流(AC)电流的同时经由脉冲宽度调制控制而导通/断开来产生扭矩。
利用这种电机所产生的扭矩作为动力的环保车辆(例如，电动车辆)的燃料效率部分地由逆变器和电机的电力转换效率来决定，因此，重要的是使逆变器的电力转换效率和电机的效率最大化，以提高燃料效率。逆变器-电机系统的效率主要由逆变器的电压利用率来决定，并且就此而言，当基于电机速度与扭矩之间的关系所决定的车辆的驱动点形成于具有较高的电压利用率的区间时，车辆的燃料效率得到提高。
然而，当增加电机的绕组数以使电机的最大扭矩增大时，具有较高电压利用率的区间远离作为车辆主驱动点的低扭矩区域，从而使燃油效率降低。另外，在燃料效率方面，当系统设计成将主驱动点包括在具有较高电压利用率的区间中时，由于对电机的最大扭矩的限制，车辆的加速和推进性能降低。因此，在现有技术中，需要这样一种电机驱动技术：其能够在利用一个电机覆盖低输出区间和高输出区间的同时提高系统的效率。
应当理解，在现有技术中描述的以上内容仅是为了促进对本发明的背景技术的理解，而不应认为是本领域技术人员公知的现有技术。
发明内容
因此，本发明提供一种电机驱动装置，其基于所需的电机的输出将电机驱动模式转换为Y形连接的电机驱动模式和开放式绕组电机驱动模式并且提高了用于驱动电机的逆变器的效率。
根据本发明的一方面，上述和其他目的可以通过提供一种电机驱动装置来实现，所述电机驱动装置用于驱动具有分别对应于多个相的多个绕组的电机，所述电机驱动装置包括：第一逆变器，其具有多个第一开关装置并且连接至多个绕组的第一端；第二逆变器，其具有多个第二开关装置并且连接至多个绕组的第二端；第三开关装置，其配置为选择性地连接或断开将每个绕组的匝数划分为预设比例的点；以及控制器，其配置为基于所需的电机的输出来控制第一开关装置至第三开关装置的导通/断开状态。
所述第三开关装置可以包括多个开关装置，所述多个开关装置具有分别连接到将多个绕组中的每个绕组的匝数划分为预设比例的点的一端(例如，第一端)，并且具有相互连接的另一端(例如，第二端)。当所需的电机的输出小于预设参考值时，所述控制器可以配置为：导通所述第三开关装置并通过对所述第一开关装置执行脉冲宽度调制控制来驱动电机。预设比例可以是N1：N2，并且具有对应于N1的匝数的线圈通过导通第三开关装置可以以Y形连接的形式连接到第一逆变器。
N1可以确定为：使得在电机每分钟转数-电机扭矩关系中，对应于应用了电机的车辆的主驱动点的区域属于逆变器的电压利用率确定为得到优化的逆变器的电压利用率等于或大于预设参考值的区域。当所需的电机的输出大于预设参考值时，所述控制器可以配置为断开第三开关装置，并可以通过对所述第一开关装置和所述第二开关装置执行脉冲宽度调制控制来驱动电机。
预设比例可以是N1：N2，并且具有对应于N1+N2的匝数的线圈的两端通过断开第三开关装置可以连接至第一逆变器和第二逆变器，并且可以将电机作为开放式绕组电机进行驱动。第一开关装置可以由与第二开关装置相比具有相对较低的开关损耗的特性的材料形成。第一开关装置可以是由碳化硅形成的MOSFET，第二开关器件可以是由硅形成的IGBT。
根据本发明的另一方面，一种用于驱动具有分别对应于多个相的多个绕组的电机的电机驱动装置可以包括：第一逆变器，其具有多个第一开关装置，并且连接至多个绕组的第一端；第二逆变器，其具有多个第二开关装置，并且连接至多个绕组的第二端；多个第三开关装置，其具有分别连接到将多个绕组的匝数划分为预设比例的点的一端，并且具有相互连接的另一端；以及控制器，其配置为当所需的电机的输出小于预设参考值时，通过导通多个第三开关装置形成Y形连接，并且通过对多个第一开关装置执行脉冲宽度调制控制来驱动电机，当所需的电机的输出等于或大于参考值时，断开第三开关装置并通过对第一开关装置和第二开关装置执行脉冲宽度调制控制来驱动作为开放式绕组电机的电机。
预设比例可以是N1：N2，并且具有对应于N1的匝数的线圈通过导通第三开关装置可以以Y形连接的形式连接到第一逆变器。N1可以确定为：使得在电机每分钟转数-电机扭矩关系中，对应于应用了电机的车辆的主驱动点的区域属于逆变器电压利用率确定为得到优化的逆变器的电压利用率等于或大于预设参考值的区域。预设比例可以是N1：N2，并且具有对应于N1+N2的匝数的线圈的两端通过断开第三开关装置连接至第一逆变器和第二逆变器，并且电机作为开放式绕组电机进行驱动。
附图说明
通过下文结合附图所呈现的详细描述，将会更为清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征以及其他优点，在这些附图中：
图1为根据本发明的示例性实施方案的电机驱动装置的电路图；以及
图2为示出根据本发明的示例性实施方案的电机驱动装置的每种电机驱动模式的电机每分钟转数(RPM)/电机扭矩曲线和高效率区域的示意图。
具体实施方式
应当理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、大货车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、内燃机车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非化石的能源的燃料)。
尽管示例性实施方案描述为利用多个单元来执行示例性过程，但是应当理解，示例性过程也可以由一个或多个模块执行。另外，应当理解，术语控制器/控制单元表示包括存储器和处理器，并且具体编程为执行本文中所描述的过程的硬件装置。所述存储器配置为存储模块，并且该处理器具体配置为运行所述模块以执行以下进一步描述的一个或更多个过程。
本文所使用的术语仅为了描述具体实施方案的目的，并不旨在限制本发明。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。应当进一步理解，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，指明存在所述特征、数值、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一种或多种其他的特征、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其群体。正如本文所述的，术语“和/或”包括一种或更多种相关列举项的任何和所有组合。
除非特别声明或者从上下文显而易见的，本文所使用的术语“大约”理解为在本领域的正常公差范围内，例如在2个平均值的标准差内。“大约”可以理解为在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文清楚的，否则本文提供的所有数值通过术语“大约”修改。
下文中，将参考附图描述根据本发明的示例性实施方案的电机驱动装置。
图1为根据本发明的示例性实施方案的电机驱动装置的电路图。参考图1，根据本发明的示例性实施方案的电机驱动装置可以配置为向具有多个绕组C1至C3(其对应于多个相)的电机100提供驱动电力，并且可以包括：第一逆变器10、第二逆变器20、第三开关装置S31至S33以及控制器40；第一逆变器10包括多个第一开关装置S11至S16，并且可以连接到电机100的每个绕组的第一端；第二逆变器20包括多个第二开关装置S21至S26，并且可以连接到电机100的每个绕组的第二端；第三开关装置S31至S33用于选择性地连接或断开将电机100的每个绕组的匝数划分为预设比例(N1：N2)的点；控制器40配置为基于所需的电机100的输出来执行第一开关装置S11至S16、第二开关装置S21至S26和第三开关装置S31至S33的导通/断开状态。
第一逆变器10和第二逆变器20可以配置为将储存在电池200中的直流(DC)电转换成具有三个相的交流(AC)电，并且可以配置为将转换后的交流电提供给电机100，或者通过将再生制动期间电机100的再生制动扭矩生成为直流电，并且可以配置为将转换后的直流电提供给电池200。这种直流电与交流电之间的转换可以经由多个第一开关装置S11至S16和多个第二开关装置S21至S26的脉冲宽度调制控制来执行，所述多个第一开关装置S11至S16和所述多个第二开关装置S21至S26分别包括在第一逆变器10和第二逆变器20中。
第一逆变器10可以包括多个支路11至13，在连接电池200的两端的DC链路电容300中形成的直流电压施加到所述多个支路11至13。可以在支路11至13中形成电连接，以对应于电机100的多个相中的各个相。具体地，第一支路11可以包括两个开关装置S11和S12，两个开关装置S11和S12在直流链路电容300的两端之间相互串联连接，并且两个开关装置S11和S12的连接节点可以连接到电机100中的单相绕组C1的一端(例如，第一端)，以输入和输出对应于多个相中的一个相的交流电。
类似地，第二支路12可以包括两个开关装置S13和S14，两个开关装置S13和S14在DC链路电容300的两端之间相互串联连接，并且两个开关装置S13和S14的连接节点可以连接到电机100中的单相绕组C2的一端(例如，第一端)，以输入和输出对应于多个相中的一个相的交流电。第三支路13可以包括两个开关装置S15和S16，两个开关装置S15和S16在DC链路电容300的两端之间相互串联连接，两个开关装置S15和S16的连接节点可以连接到电机100中的单相绕组C3的一端(例如，第一端)，以输入和输出对应于多个相中的一个相的交流电。
第二逆变器20也可以具有类似于第一逆变器10的结构。第二逆变器20可以包括多个支路21至23，在连接电池200的两端的DC链路电容300中形成的直流电压施加到多个支路21至23。可以在支路21至23中形成电连接，以对应于电机100的多个相中的各个相。具体地，第一支路21可以包括两个开关装置S21和S22，两个开关装置S21和S22在DC链路电容300的两端之间相互串联连接，两个开关装置S21和S22的连接节点可以连接到电机100中的单相绕组C1的另一端(例如，第二端)，以输入和输出对应于多个相中的一个相的交流电。
类似地，第二支路22可以包括两个开关装置S23和S24，两个开关装置S23和S24在DC链路电容300的两端之间相互串联连接，并且两个开关装置S23和S24的连接节点可以连接到电机100中的单相绕组C2的另一端(例如，第二端)，以输入和输出对应于多个相中的一个相的交流电。第三支路23可以包括两个开关装置S25和S26，两个开关装置S25和S26在DC链路电容300的两端之间相互串联连接，两个开关装置S25和S26的连接节点可以连接到电机100中的单相绕组C3的另一端(例如，第二端)，以输入和输出对应于多个相中的一个相的交流电。
第一逆变器10可以连接到电机100的绕组C1至C3的一端(例如，第一端)，第二逆变器20可以连接到电机100的绕组C1至C3的另一端(例如，第二端)。换句话说，电机100的绕组C1至C3的两端可以以开放式绕组方法分别电连接至第一逆变器10和第二逆变器20。
根据本发明的示例性实施方案，第三开关装置30可以配置为选择性地连接或断开将电机100中包括的多个绕组C1至C3中的每一个的匝数划分为预设比例(N1：N2)的点。例如，第三开关装置30可以包括总共三个开关装置S31至S33，开关装置S31至S33的一端可以连接到多个绕组C1至C3的匝数划分为预设比例(N1：N2)的各个点，开关装置S31至S33的另一端可以相互连接(N1和N2为实际的匝数)。
在这种连接结构中，当第三开关装置30断开时，电机100可以以匝数为N1+N2的绕组运行，当第三开关装置30导通时，电机100的绕组C1至C3可以在第三开关装置30所连接的位置处相互Y形连接。例如，当第三开关装置30导通时，第二逆变器20中的所有多个第二开关装置S21至S26都可以断开并且不工作，并且第一逆变器10可以工作以驱动电机100，电机100可以作为匝数为N1的电机而驱动。第三开关装置S31至S33可以采用本发明所属领域中已知的各种开关装置，例如MOSFET、IGBT、晶闸管或继电器。
控制器40可以是第一逆变器10和第二逆变器20中包括的开关装置S11至S16和S21至S21的脉冲宽度调制控制的装置，以基本上基于所需的电机100的输出来驱动电机100。具体地，根据本发明的示例性实施方案，控制器40可以配置为基于所需的电机100的输出来确定要用于驱动电机的逆变器，因此，可以配置为确定第三开关装置30的导通/断开状态，并且可以配置为对确定为要驱动的转换器的开关装置执行脉冲宽度调制控制。
具体地，当所需的电机100的功率小于预设参考值时，控制器40可以不操作第二逆变器20，并且可以配置为经由第一逆变器10的开关装置S11至S16的脉冲宽度调制控制来驱动电机100(为了便于描述，称为“第一驱动模式”)。控制器40可以配置为操作第三开关装置S31至S33以处于导通状态。因此，连接到第一逆变器10的电机100的绕组C1至C3的一端可以电连接到匝数为N1的点，以形成Y形连接，并且电机100可以作为具有匝数为N1的绕组的电机运行。
因此，在第一驱动模式下，可以操作第一逆变器10以使第三开关装置30导通，因此，可以执行匝数为N1的绕组被Y形连接的电机100的驱动控制。通过接收由第一逆变器10的直流电压和电流传感器50检测的提供给电机100的相电流和由安装在电机100中的电机转子传感器(未示出)检测的电机角度等，并且通过控制器40对第一逆变器10的第一开关装置S11至S16执行脉冲宽度调制控制，电机可以以第一驱动模式进行驱动。在本发明所属的领域中，通过对一个逆变器的脉冲宽度调制控制来驱动电机100的各种方案是已知的，因此，将不再给出在第一驱动模式下逆变器的脉冲宽度调制控制方案的详细描述。
当所需的电机100的功率大于预设参考值时，控制器40可以配置为操作第一逆变器10和第二逆变器20，并且可以配置为操作电机100(为了便于描述，称为“第二驱动模式”)。具体地，控制器40可以配置为操作第三开关装置S31至S33以处于断开状态。因此，电机100的每个绕组C1至C3可以具有匝数N1+N2，绕组C1至C3的一端可以连接到第一逆变器10，绕组C1至C3的另一端可以连接到第二逆变器20。换句话说，在第二驱动模式下，电机100可以是在所有绕组C1至C3的两端都开放的状态下的开放式绕组电机，并且可以通过分别连接到绕组C1至C3的两端的两个逆变器10和20的脉冲宽度调制控制来驱动。
通过接收由第一逆变器10第二逆变器20的直流电压和电流传感器50检测的提供给电机100的相电流和由安装在电机100中的电机转子传感器(未示出)检测的电机角度等，并且通过控制器40对第一逆变器10的第一开关装置S11至S16和第二逆变器20的第二开关装置S21至S26执行脉冲宽度调制控制，电机可以以第二驱动模式进行驱动。在本发明所属的领域中，通过对连接到开放式绕组电机的绕组的两端的两个逆变器的脉冲宽度调制控制来驱动电机的各种方案是已知的，因此，将不再给出在第二驱动模式下逆变器的脉冲宽度调制控制的详细描述。
图2为示出根据本发明的示例性实施方案的电机驱动装置的每种电机驱动模式的电机每分钟转数(RPM)/电机扭矩曲线和高效率区域的示意图。如上所述，根据本发明的示例性实施方案的电机驱动装置可以配置为通过在第一驱动模式下操作第一逆变器10来驱动匝数为N1的Y形连接的电机，并且可以配置为通过在第二驱动模式下操作第一逆变器10和第二逆变器20来驱动匝数为N1+N2的开放式绕组电机。
如图2所示，当电机100应用于车辆的驱动时，车辆主驱动点可以表示为在城市行驶时的驱动点Y1和在高速公路上行驶时的驱动点Y2，驱动点Y1和Y2可以属于具有较高的电机-逆变器系统效率的区域。根据本发明的示例性实施方案，当电机100应用于车辆时，匝数N1可以确定为使得在第一驱动模式下主驱动点Y1和Y2包括在具有较高的电机-逆变器系统效率的区域中。电机-逆变器系统的效率可以通过逆变器的电压利用率确定，因此，第一驱动模式下的电机100的绕组C1至C3的匝数N1可以确定为使得车辆的主驱动点Y1和Y2属于逆变器的电压利用率确定为得到优化的逆变器的电压利用率等于或大于预设参考值的区域R1。
第二驱动模式可以是用于驱动开放式绕组电机的模式，并且已知的是，在开放式绕组驱动中，相比于仅利用一个逆变器驱动具有相同匝数的Y形连接的绕组的电机的情况，能够将逆变器的输出设置为大
Figure BDA0002807019490000091
倍。换句话说，当应用了作为第二驱动模式的开放式绕组驱动时，能够将电机的匝数增大
Figure BDA0002807019490000092
倍，因此从电机获得相同输出所需的电流可以减小
Figure BDA0002807019490000093
倍。
因此，当应用了开放式绕组驱动方法时，为了输出相同的输出，相比于驱动Y形连接的电机，逆变器的电流可以减小，从而提高效率，并且，由于应用为开关装置的功率半导体的使用减少，可以降低材料成本。
如图2所示，当应用了第二驱动模式时，随着电机输出增加，可能难以将主驱动点Y1和Y2调节为落入电机-逆变器系统的电压利用率确定为得到优化的电机-逆变器系统的电压利用率等于或大于预设参考值的区域R2内。因此，如上所述，在主驱动点Y1和Y2所属的低扭矩区域中，可以以第一驱动模式驱动电机100，电机100的效率可以提高，并且在需要高输出的区间中，可以以第二驱动模式驱动电机100，因此，可以驱动电机100以减小逆变器的输出电流并且减少功率半导体的使用。
为了进一步提高在主驱动点Y1和Y2所属的低扭矩区域中执行的第一驱动模式的效率，应用于第一逆变器10的开关器件S11至S16可以采用由碳化硅形成的MOSFET，碳化硅是具有相对较低的开关损耗的特性的材料。相反，应用于在高输出区域中工作的第二逆变器20的开关装置S21至S26可以采用由硅形成的IGBT，硅是廉价的材料。
如上所述，根据本发明的各个示例性实施方案的电机驱动装置可以配置为基于所需的电机的输出来确定是否对电机的绕组的匝数进行划分，通过划分低输出区间中的绕组的匝数以将车辆的主驱动点调节到电机-逆变器系统的高效率区间内来提高系统效率，并且可以配置为利用高输出区间中的绕组的总匝数以相对较低的电流实现高扭矩。因此，相比于利用一个逆变器驱动普通的Y形连接电机的常规情况，根据本发明的各个示例性实施方案的电机驱动装置的效率可以提高，并且，可以有助于提高整个扭矩区间中的车辆的燃料效率。
电机驱动装置可以配置为基于所需的电机的输出来确定是否对电机的绕组的匝数进行划分，通过划分低输出区间中的绕组的匝数以使车辆的主驱动点属于电机-逆变器系统的高效率区间，可以提高系统效率，并且可以利用高输出区间中的绕组的总匝数以较低的电流实现高扭矩。因此，相比于利用一个逆变器驱动普通的Y形连接电机的常规情况，电机驱动装置的效率可以提高，并且可以有助于提高整个扭矩区间中的车辆的燃料效率。
本领域技术人员应当理解的是，通过本发明可以实现的效果不限于上文已经具体描述的效果，并且从以上具体描述中将更清楚地理解本发明的其他未提及的效果。
尽管出于说明的目的已公开了本发明的示例性实施方案，但是本领域技术人员应当理解，各种修改、增加和删减是可能的，并不脱离所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神。

Claims (11)

1.一种电机驱动装置，其用于驱动具有分别对应于多个相的多个绕组的电机，所述电机驱动装置包括：
第一逆变器，其包括多个第一开关装置，并且连接至多个绕组的第一端；
第二逆变器，其包括多个第二开关装置，并且连接至多个绕组的第二端；
第三开关装置，其配置为选择性地连接或断开将每个绕组的匝数划分为预设比例的点；以及
控制器，其配置为基于所需的电机的输出来调节第一开关装置至第三开关装置的导通/断开状态。
2.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其中，所述第三开关装置包括多个开关装置，所述多个开关装置的第一端分别连接到将多个绕组中的每个绕组的匝数划分为预设比例的点，并且第二端相互连接。
3.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其中，当所需的电机的输出小于预设参考值时，所述控制器配置为：导通第三开关装置并通过对第一开关装置执行脉冲宽度调制控制来驱动电机。
4.根据权利要求3所述的电机驱动装置，其中，所述预设比例为N1：N2，并且具有对应于N1的匝数的线圈通过导通第三开关装置以Y形连接的形式连接到第一逆变器。
5.根据权利要求4所述的电机驱动装置，其中，N1确定为：使得在电机每分钟转数-电机扭矩关系中，对应于应用了电机的车辆的主驱动点的区域属于这样的区域，其中，逆变器的电压利用率确定为得到优化的逆变器的电压利用率等于或大于预设参考值。
6.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其中，当所需的电机的输出大于预设参考值时，所述控制器配置为断开第三开关装置并通过对第一开关装置和第二开关装置执行脉冲宽度调制控制来驱动电机。
7.根据权利要求6所述的电机驱动装置，其中，所述预设比例为N1：N2，并且具有对应于N1+N2的匝数的线圈的两端通过断开第三开关装置连接至第一逆变器和第二逆变器，并且将电机作为开放式绕组电机进行驱动。
8.一种电机驱动装置，其用于驱动具有分别对应于多个相的多个绕组的电机，所述电机驱动装置包括：
第一逆变器，其包括多个第一开关装置，并且连接至多个绕组的第一端；
第二逆变器，其包括多个第二开关装置，并且连接至多个绕组的第二端；
多个第三开关装置，其第一端分别连接到将多个绕组的匝数划分为预设比例的点，并且第二端相互连接；以及
控制器，其配置为：当所需的电机的输出小于预设参考值时，通过导通多个第三开关装置形成Y形连接，并且通过对多个第一开关装置执行脉冲宽度调制控制来驱动电机；当所需的电机的输出等于或大于参考值时，断开第三开关装置并通过对第一开关装置和第二开关装置执行脉冲宽度调制控制来驱动作为开放式绕组电机的电机。
9.根据权利要求8所述的电机驱动装置，其中，所述预设比例为N1：N2，并且具有对应于N1的匝数的线圈通过导通第三开关装置以Y形连接的形式连接到第一逆变器。
10.根据权利要求9所述的电机驱动装置，其中，N1确定为：使得在电机每分钟转数-电机扭矩关系中，对应于应用了电机的车辆的主驱动点的区域属于这样的区域，其中，逆变器电压利用率确定为得到优化的逆变器的电压利用率等于或大于预设参考值。
11.根据权利要求8所述的电机驱动装置，其中，所述预设比例为N1：N2，并且具有对应于N1+N2的匝数的线圈的两端通过断开第三开关装置连接至第一逆变器和第二逆变器，并且将电机作为开放式绕组电机进行驱动。
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