CN115923591A - 在充电限制车辆操作期间的低效电动马达操作 - Google Patents

在充电限制车辆操作期间的低效电动马达操作 Download PDF

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Abstract

本公开提供了“在充电限制车辆操作期间的低效电动马达操作”。一种传动系包括电机、逆变器和控制器。对于电机的给定操作点，控制器可以根据对应于负车轮扭矩请求的充电速率、电机和/或逆变器的温度和/或电池荷电状态，在存在负车轮扭矩请求期间调度逆变器的开关的换向方法。

Description

在充电限制车辆操作期间的低效电动马达操作
技术领域
本公开涉及对机动车电动化动力传动系统的控制。
背景技术
替代能源车辆可以包括被布置为向电机提供电力的牵引电池。电机还可以将牵引电池的电能变换成机械能以移动车辆的车轮。电机还可以将来自车轮的机械能变换成电能以储存在牵引电池中。
发明内容
一种机动车辆包括能量存储装置、电机、电气地位于能量存储装置与电机之间的逆变器，以及控制器。控制器，对于电机的给定操作点，并且响应于对应于能量存储装置的超过速率阈值的充电速率的负车轮扭矩请求，根据第一换向(commutation)方法来操作逆变器的开关。控制器还，对于给定操作点，并且响应于对应于能量存储装置的不超过速率阈值的充电速率的负车轮扭矩请求，根据第二换向方法来操作开关。
一种方法包括，对于电机的给定操作点，并且牵引电池荷电状态大于荷电状态阈值，响应于负车轮扭矩请求而根据第一换向方法来操作逆变器的开关。所述方法还包括，对于给定操作点，并且牵引电池荷电状态小于荷电状态阈值，响应于负车轮扭矩请求而根据第二换向方法来操作开关。
一种传动系包括电机、逆变器和控制器。控制器，对于电机的给定操作点和当电机或逆变器的温度小于温度阈值时的负车轮扭矩请求，操作逆变器以将直轴电流注入电机中。控制器还，对于给定操作点和负车轮扭矩请求，并且温度超过温度阈值，操作逆变器以增大注入电机的直轴电流。
附图说明
图1是车辆的示意图。
图2是用于控制电动化动力传动系统的算法的流程图。
具体实施方式
本文描述了实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅是示例并且其他实施例可以采用不同和替代的形式。附图不一定按比例绘制。一些特征可以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技术人员的代表性基础。
参考附图中的任何一个示出和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组合以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实施方式，可能期望与本公开的教导一致的对特征的各种组合和修改。
在包括混合动力和电池电动车辆的电动化车辆中，再生制动用于使车辆减速并将车辆的动能转换成电能以对高压电池充电。再生制动是通过车轮与驱动桥上的电动马达之间的联接来实现的。通过经由车轮联接旋转电动马达(通常是内部永磁马达)的转子，通过永磁体产生的磁场产生旋转磁场。由于在存在线圈情况下的这种旋转磁场，电流产生，沿着线圈行进，并且经由配电系统和作为逆变器的一部分的绝缘栅双极晶体管传递到能量存储装置(例如，高压电池、超级电容器等)。与再生制动相关联的充电具有基于高压电池温度、高压电池荷电状态、各种部件(例如，电动马达、逆变器)的温度等的电力限制。在再生制动期间，如果高压电池满电(荷电状态高于阈值水平)或所请求的充电速率超出高压电池的能力，则摩擦制动器被用来使车辆减速和/或其他部件被供电(例如，电动空调、正温度系数加热器等)来减少供应给高电压电池的电荷量。该信息通常记录在此类车辆的特征功能描述文档中。另外，对于插电式混合动力电动车辆，当在一些情况下荷电状态为满(高)时，执行由发动机上拉启用的压缩制动，由于相关联的噪声、振动和粗糙性(NVH)和当车辆试图减速时发动机加速的潜在意外，这是不期望的。
确定马达以最有效方式操作的适当操作模式和校准是在DQ域中完成的，其中利用Id和Iq电流的扭矩控制策略用于通过直接测量电流和转子角度来控制马达扭矩，如本领域中已知的。该校准的一部分涉及创建典型的最大扭矩电流比(MTPA)曲线，这是电动马达基于给定电流操作以产生最大扭矩的最有效方式的指示，反之亦然。MTPA控制，也称为单位电流输出最大扭矩控制，是一种找到可以在恒定的定子电流幅度下输出最大扭矩的电流操作点的策略。
为了将高压电池电流从DC转换为AC并且将再生制动电流从AC转换为DC以对高压电池充电，可以使用三相逆变器，三相逆变器使用在最高为10kHz的频率下接通和关断的六个绝缘栅双极晶体管。脉冲宽度调制(PWM)技术将现有的电流信号转换成期望的电流信号。另外，根据要优化的功能和/或属性(诸如效率和NVH性能)，使用不同类型的脉冲宽度调制。PWM类型通常基于电动马达的操作点(马达转速和扭矩输出)来调度。也就是说，电动马达的操作点通常决定应使用哪种PWM类型。作为示例，每当需要8,000转/分钟(rpm)的速度和30牛顿米的扭矩时，将使用六步PWM，而每当需要9,000rpm的速度和50牛顿米的扭矩时，将使用正弦PWM(SPWM)。SPWM和状态矢量PWM(SVPWM)具有最高的开关损耗。然而，也可设想其他PWM方案(例如，不连续PWM等)。开关速度越高，由于更高的绝缘栅双极晶体管开关损耗，相关联的电损耗就越高。
该问题的解决方案是故意地以低效的方式操作马达和控制系统，以通过内部短路和/或电动马达耗散能量，并且降低正被用于在再生制动期间对能量存储装置充电的相关联的充电速率。这可以通过创建单独的高损耗查找表校准来远离MTPA曲线操作电动马达来实施。高损耗查找表可以涉及例如注入附加的直轴电流以耗散能量和其他低效的电流控制。
克拉克和帕克变换通常用于三相AC电机的磁场定向控制。克拉克变换将三相系统的时域分量(在abc坐标系中)转换为正交静止坐标系(αβ)中的两个分量。帕克变换将αβ坐标系中的两个分量转换为正交旋转参考坐标系(DQ)。以连续的方式实施这两个变换通过将AC电流和电压波形转换成DC信号来简化计算。通过经由这些类型的变换改变电流的相位和幅度，马达将能够产生相同量的扭矩，同时还通过远离预定义的MTPA曲线(来自电驱动映射测功机测试)的最高效线操作而产生更多的废热。在该特定示例中，基于期望产生的废热的量，附加的直轴电流可以被命令从逆变器注入到电机中，同时仍然命令相同的期望扭矩(高损耗模式)，其中附加的直轴电流将被命令专门产生热量。
PWM策略也可以或替代地改变为使用低效的PWM方法和/或提高逆变器开关的开关速度以增加开关损耗，诸如从六步PWM切换到SVPWM并且将开关频率从5kHz增加到10kHz。也就是说，对于电动马达的给定操作点，可以基于各种因素(诸如与相对于对应阈值的负扭矩请求相关联的充电速率、逆变器和/或电动马达相对于相应阈值的温度，和/或牵引电池相对于对应阈值的荷电状态)来改变开关换向的方法。因此，可以响应于逆变器和/或电动马达的温度超过相应的阈值，针对给定的操作点改变开关换向的方法。同样地，可以响应于牵引电池的荷电状态超过阈值等，针对给定的操作点改变开关换向的方法。
由于电池荷电状态、热限制(温度)、电流极限或由再生制动事件、坡道辅助事件或在下坡行驶时保持车辆速度稳定的尝试引起的激进的负扭矩请求，充电速率可能需要降低。可以利用现有的热测量装置来确保内部短路和电动马达在该操作期间不会变得太热。这可以与现有的能量耗散策略结合使用，如全负荷运行电动空调或正温度系数加热器以降低充电速率。
参考图1，机动车辆10包括牵引电池12、逆变器14、电动马达16、传感器18和一个或多个控制器20。逆变器14包括以通常方式布置的多个开关22，并且电连接在牵引电池12与电动马达16之间。开关22的操作可以将来自牵引电池12的DC电力变换为用于电机16的三相AC电力，该电机可以用于驱动车辆10的车轮。开关22的操作也可以将来自电机16的三相AC电力变换为用于存储在牵引电池12中的DC电力。传感器18(例如，电流传感器、温度传感器、电压传感器等)被布置成感测与牵引电池12、逆变器14和电动马达16相关联的各种数据，并且将所述数据报告给一个或多个控制器20。该数据可以包括先前提及的(和其他)部件中的每一个的电流、温度和电压值。一个或多个控制器20，在来自传感器18的数据、传入的扭矩请求以及可能地其他车辆数据的基础上，生成用于开关22的电流和/或开关命令(例如，SPWM、SVPWM等)。
参考图2，在操作22处，一个或多个控制器20确定车辆10是在制动还是在抬起踏板处。如本领域中已知的负扭矩请求或制动系统信号可以指示驾驶员已经将他们的脚从加速踏板移开和/或将他们的脚放在制动踏板上。如果否，则一个或多个控制器20在操作24处不采取动作，并且算法返回到操作22。
如果是，则在操作26处，一个或多个控制器22确定对再生制动的充电速率请求是否大于牵引电池接受能力充电速率。如本领域中已知的，对再生制动的给定请求(负扭矩请求)将对应于发电率。因此，对更高水平的负扭矩的请求将对应于更高的发电率。如上所述，牵引电池12可以具有关于其可以接受电力进行存储的速率的极限。该极限可以根据电池大小、温度、荷电状态(如从电压值导出的)等而变化：降低温度可以降低极限，并且降低荷电状态可以增加极限。逆变器14的温度还可以限制可以产生DC电力并将其传递到牵引电池16的速率。一个或多个控制器20可以使用已知技术来基于温度、荷电状态等设置和/或调整极限值。如果否，则一个或多个控制器20在操作28处使用常规的再生制动操作策略来提供请求的负扭矩。然后，算法返回到操作22。
如果是，则在操作30处，一个或多个控制器20确定现有的能量耗散方法是否能够将再生充电速率降低到牵引电池12的能力内。例如，可以在以下情况下用从再生制动活动产生的能量来操作例如电动空调或电加热器：如果条件适合于此类操作(例如，环境条件对于启动此类部件来说是成熟的，此类部件已经在操作等)。如果是，一个或多个控制器20在操作32处使用现有的能量耗散方法来降低牵引电池充电速率。然后，算法返回到操作22。
如果否，则在操作34处，一个或多个控制器20确定以高损耗操作模式运行逆变器14和电机16是否将使牵引电池充电速率降低到极限内。一个或多个控制器20可以使用标准技术计算针对逆变器14的各种开关方案将产生电力的速率。然而，速率仍然可以全部大于极限。例如，电池可能是冷的，从而导致降低的极限。如果否，则一个或多个控制器20在操作36处致动摩擦制动器以满足对负扭矩的请求。然后，算法返回到操作22。
如果是，则在操作38处，一个或多个控制器20确定逆变器14和电动马达16是否太热而不能在高损耗模式下操作。一个或多个控制器20可以使用来自传感器18的温度数据来检查逆变器14和电动马达16的温度是否大于相应的阈值，该阈值可以使用常规技术来设定。如果是，则算法返回到操作36。如果否，则在操作40处，一个或多个控制器20以高损耗模式操作逆变器14以将牵引电池充电速率降低到系统的极限内。然后，算法返回到操作22。
上述策略可以允许不太频繁地施加摩擦制动器和更有能力的能量耗散/再生制动。它还可以与坡度辅助特征结合压缩制动一起使用以使车辆10减速。
本文公开的算法、方法或过程可以被输送到计算机、控制器或处理装置或由计算机、控制器或处理装置实施，计算机、控制器或处理装置可以包括任何专用电子控制单元或可编程电子控制单元。类似地，算法、方法或过程可以以多种形式存储为可由计算机或控制器执行的数据和指令，包括但不限于永久存储在诸如只读存储器装置的不可写存储介质上的信息和可改地存储在诸如光盘、随机存取存储器装置或其他磁性和光学介质的可写存储介质上的信息。算法、方法或过程也可在软件可执行对象中实施。替代地，可以使用合适的硬件部件(诸如专用集成电路、现场可编程门阵列、状态机或其他硬件部件或装置)或固件、硬件和软件部件的组合来整体或部分实现所述算法、方法或过程。
尽管上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应当理解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。
如前所描述的，各个实施例的特征可以被组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的另外的实施例。虽然各种实施例可能已经被描述为就一个或多个期望的特性而言相较其他实施例或现有技术实施方式提供了优点或是优选的，但是本领域普通技术人员应认识到，一个或多个特征或特性可被折衷以实现期望的总体系统属性，这取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可服务性、重量、可制造性、易组装性等。这样，描述为就一个或多个特性而言相较其他实施例或现有技术实施方式不太期望的实施例不在本公开的范围外，并且对于特定应用可能是期望的。
根据本发明，提供了一种机动车辆，其具有：能量存储装置；电机；电气地位于能量存储装置与电机之间的逆变器；和控制器，该控制器被编程为对于电机的给定操作点，并且响应于对应于能量存储装置的超过速率阈值的充电速率的负车轮扭矩请求，根据第一换向方法来操作逆变器的开关，以及响应于对应于能量存储装置的不超过速率阈值的充电速率的负车轮扭矩请求，根据第二换向方法来操作开关。
根据一个实施例，控制器还被编程为，对于给定操作点并且响应于对应于能量存储装置的不超过速率阈值的充电速率的负车轮扭矩请求和能量存储装置的大于荷电状态阈值的荷电状态，根据第一换向方法来操作开关。
根据一个实施例，控制器还被编程为，对于给定操作点并且响应于对应于能量存储装置的不超过速率阈值的充电速率的负车轮扭矩请求和能量存储装置的小于荷电状态阈值的荷电状态，根据第二换向方法来操作开关。
根据一个实施例，控制器还被编程为，对于给定操作点并且响应于对应于能量存储装置的超过速率阈值的充电速率的负车轮扭矩请求和电机或逆变器的大于温度阈值的温度，根据第二换向方法来操作开关。
根据一个实施例，第一换向方法限定第一开关频率并且第二换向方法限定小于第一开关频率的第二开关频率。
根据一个实施例，第一换向方法是状态矢量脉冲宽度调制并且第二换向方法是六步脉冲宽度调制。
根据本发明，一种方法包括：对于电机的给定操作点，并且牵引电池荷电状态大于荷电状态阈值，响应于负车轮扭矩请求而根据第一换向方法来操作逆变器的开关；以及对于给定操作点，并且牵引电池荷电状态小于荷电状态阈值，响应于负车轮扭矩请求而根据第二换向方法来操作开关。
在本发明的一方面，该方法包括，对于给定操作点，并且牵引电池荷电状态小于荷电状态阈值，响应于对应于超过速率阈值的充电速率的负车轮扭矩请求而根据第一换向方法来操作开关。
在本发明的一方面，该方法包括，对于给定操作点，牵引电池荷电状态大于荷电状态阈值，并且电机或逆变器的温度超过温度阈值，根据第二换向方法来操作开关。
在本发明的一方面，第一换向方法限定第一开关频率并且第二换向方法限定小于第一开关频率的第二开关频率。
在本发明的一方面，第一换向方法是状态矢量脉冲宽度调制并且第二换向方法是六步脉冲宽度调制。
根据本发明，提供了一种传动系，其具有：电机；逆变器；以及控制器，该控制器被编程为，对于电机的给定操作点和当电机或逆变器的温度小于温度阈值时的负车轮扭矩请求，操作逆变器以将直轴电流注入电机中，以及对于给定操作点和负车轮扭矩请求，并且温度超过温度阈值，操作逆变器以增加注入电机中的直轴电流。
根据一个实施例，控制器还被编程为，对于给定操作点和在温度小于温度阈值时的负车轮扭矩请求，响应于电池荷电状态超过荷电状态阈值而操作逆变器以增加注入电机中的直轴电流。
根据一个实施例，控制器还被编程为，对于给定操作点和在温度小于温度阈值时的负车轮扭矩请求，根据第一换向方法来操作逆变器的开关。
根据一个实施例，控制器还被编程为，对于给定操作点和在温度大于温度阈值时的负车轮扭矩请求，根据第二换向方法来操作开关。
根据一个实施例，第一换向方法限定第一开关频率并且第二换向方法限定小于第一开关频率的第二开关频率。

Claims (15)

1.一种机动车辆，其包括：
能量存储装置；
电机；
逆变器，其电气地位于所述能量存储装置与所述电机之间；和
控制器，其被编程为对于所述电机的给定操作点，并且
响应于对应于所述能量存储装置的超过速率阈值的充电速率的负车轮扭矩请求，根据第一换向方法来操作所述逆变器的开关，以及
响应于对应于所述能量存储装置的不超过所述速率阈值的充电速率的负车轮扭矩请求，根据第二换向方法来操作所述开关。
2.如权利要求1所述的机动车辆，其中所述控制器还被编程为，对于所述给定操作点并且响应于对应于所述能量存储装置的不超过所述速率阈值的所述充电速率的所述负车轮扭矩请求和所述能量存储装置的大于荷电状态阈值的荷电状态，根据所述第一换向方法来操作所述开关。
3.如权利要求2所述的机动车辆，其中所述控制器还被编程为，对于所述给定操作点并且响应于对应于所述能量存储装置的不超过所述速率阈值的所述充电速率的所述负车轮扭矩请求和所述能量存储装置的小于荷电状态阈值的荷电状态，根据所述第二换向方法来操作所述开关。
4.如权利要求1所述的机动车辆，其中所述控制器还被编程为，对于所述给定操作点并且响应于对应于所述能量存储装置的超过所述速率阈值的所述充电速率的所述负车轮扭矩请求和所述电机或逆变器的大于温度阈值的温度，根据所述第二换向方法来操作所述开关。
5.如权利要求1所述的机动车辆，其中所述第一换向方法限定第一开关频率并且所述第二换向方法限定小于所述第一开关频率的第二开关频率。
6.如权利要求1所述的机动车辆，其中所述第一换向方法是状态矢量脉冲宽度调制并且所述第二换向方法是六步脉冲宽度调制。
7.一种方法，其包括：
对于电机的给定操作点，并且牵引电池荷电状态大于荷电状态阈值，响应于负车轮扭矩请求而根据第一换向方法来操作逆变器的开关；以及
对于所述给定操作点，并且所述牵引电池荷电状态小于所述荷电状态阈值，响应于所述负车轮扭矩请求而根据第二换向方法来操作所述开关。
8.如权利要求7所述的方法，其还包括，对于所述给定操作点，并且所述牵引电池荷电状态小于所述荷电状态阈值，响应于对应于超过速率阈值的充电速率的所述负车轮扭矩请求而根据所述第一换向方法来操作所述开关。
9.如权利要求7所述的方法，其还包括，对于所述给定操作点，所述牵引电池荷电状态大于所述荷电状态阈值，并且所述电机或逆变器的温度超过温度阈值，根据所述第二换向方法来操作所述开关。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述第一换向方法限定第一开关频率并且所述第二换向方法限定小于所述第一开关频率的第二开关频率。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述第一换向方法是状态矢量脉冲宽度调制并且所述第二换向方法是六步脉冲宽度调制。
12.一种传动系，其包括：
电机；
逆变器；以及
控制器，其被编程为：
对于所述电机的给定操作点和当所述电机或逆变器的温度小于温度阈值时的负车轮扭矩请求，操作所述逆变器以将直轴电流注入所述电机中，以及
对于所述给定操作点和所述负车轮扭矩请求，并且所述温度超过所述温度阈值，操作所述逆变器以增大注入所述电机的所述直轴电流。
13.如权利要求12所述的传动系，其中所述控制器还被编程为，对于所述给定操作点和在所述温度小于所述温度阈值时的所述负车轮扭矩请求，响应于电池荷电状态超过荷电状态阈值而操作所述逆变器以增加注入所述电机中的所述直轴电流。
14.如权利要求12所述的传动系，其中所述控制器还被编程为，对于所述给定操作点和在所述温度小于所述温度阈值时的所述负车轮扭矩请求，根据所述第一换向方法来操作所述逆变器的开关。
15.如权利要求14所述的传动系，其中所述控制器还被编程为，对于所述给定操作点和在所述温度大于所述温度阈值时的所述负车轮扭矩请求，根据第二换向方法来操作所述开关。
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