CN118017438A - 拖挂期间电动化车辆马达控制 - Google Patents

Abstract

本公开提供了“拖挂期间电动化车辆马达控制”。当拖挂电动化车辆时，电驱动系统被主动控制。操纵逆变器开关以防止超过DC总线的最大电压并且还防止超过最大相电流幅值。在从逆变器关断状态到短路状态的转变期间，利用磁场定向控制。

Description

拖挂期间电动化车辆马达控制

技术领域

本发明涉及用于电动化车辆的逆变器的控制。

背景技术

除了内燃发动机之外或代替内燃发动机，电动化车辆包括电驱动系统。所述电驱动系统包括马达和逆变器，所述逆变器将DC电力转换成递送到马达绕组的AC电力以产生期望的马达扭矩。在正常操作中，车辆由马达或车载内燃发动机推进。但是，车辆偶尔会被另一个车辆拖挂。例如，车辆可以被拖挂在房车或拖车后面。

发明内容

一种电驱动系统包括马达、逆变器和控制器。马达具有定子电路。逆变器电连接到定子电路。DC总线可以电连接到逆变器。电容器可以与逆变器并联电连接。电池和接触器可以彼此串联电连接并且与逆变器并联电连接。控制器被编程为响应于电动马达的转子的速度超过速度阈值而发起磁场定向控制。使用磁场定向控制，控制器朝向短路电流值调整定子电路中的电流I_d，如相对于转子参考系测量的。响应于电流达到短路电流值，控制器命令逆变器到短路状态。例如，可以通过闭合逆变器的下排开关或上排开关来命令短路状态。控制器还可以响应于DC总线的电压超过电压阈值而命令逆变器到短路状态。可以响应于接触器断开而执行上述步骤。可以通过DC总线的电压小于预定义电压阈值并且随着转子的速度以与转子的速度的预定义比率增加而增加来检测接触器的断开。电驱动系统可以是电动化车辆的一部分

一种逆变器控制方法包括从开关关断状态转变到磁场定向控制，调整定子电流，然后转变到短路状态。响应于DC总线电压超过电压阈值而执行向磁场定向控制的转变。相对于转子参考系测量的定子电流被朝向短路电流值调整。响应于电流达到短路电流值而执行向短路状态的转变。也可以响应于DC总线电压超过电压阈值来执行向短路状态的转变，命令逆变器到短路状态。电池和接触器可以彼此串联电连接并且与逆变器并联电连接。可以响应于接触器断开而执行上述步骤。可以通过DC总线电压小于预定义电压阈值并且随着转子的速度以与转子的速度的预定义比率增加而增加来检测接触器的断开。

附图说明

图1示出了电动车辆的框图。

图2示出了电动车辆的电驱动系统的部件的示意图，所述电驱动系统的部件包括牵引电池、具有直流侧电容器和逆变器的电力电子模块以及马达。

图3示出了逆变器的磁场定向控制以实现期望的马达扭矩。

图4是当电动化车辆被另一个车辆拖挂时使用的控制方法的流程图。

图5是检测电动化车辆正被另一个车辆拖挂的方法的流程图。

具体实施方式

本文公开了本发明的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅仅是可以体现为各种形式和替代形式的本发明的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构细节和功能细节不应解释为限制性的，而仅应解释为用于教导本领域技术人员以各种形式利用本发明的代表性基础。

现在参考图1，示出了示例性电动车辆(“EV”)12的框图。在此示例中，EV 12是插电式混合动力电动车辆(PHEV)。EV 12包括一个或多个电机14，所述一个或多个电机机械地连接到变速器16。电机14能够作为马达和发电机操作。变速器16机械地连接到发动机18和驱动轴20，所述驱动轴机械地连接到车轮22。当发动机18开启或关闭时，电机14可以提供推进和减缓能力。充当发电机的电机14可以回收通常可能在摩擦制动系统中作为热量损失的能量。电机14可以通过允许发动机18在更有效的速度下操作并且允许EV 12在某些条件下发动机18关闭的情况下以电动模式操作来减少车辆排放物。

牵引电池24(“电池”)存储可以由电机14使用以推进EV 12的能量。电池24通常提供高压(HV)直流(DC)输出。电池24电连接到电力电子模块26。电力电子模块26电连接到电机14，并提供在电池24与电机之间双向传递能量的能力。例如，电池24可以提供DC电压，而电机14可能需要三相交流(AC)电压来运行。电力电子模块26可以将DC电压转换成三相AC电压以操作电机14。在再生模式下，电力电子模块26可以将来自充当发电机的电机14的三相AC电压转换成与电池24兼容的DC电压。

电池24可以由外部电源36(例如，电网)再充电。电动车辆供电装备(EVSE)38连接到外部电源36。EVSE 38提供电路和控制来控制和管理外部电源36和EV 12之间的能量传送。外部电源36可以向EVSE 38提供DC或AC电力。EVSE 38可以具有用于插入EV 12的充电端口34中的充电连接器40。充电端口34可以是被配置为将电力从EVSE 38传送到EV 12的任何类型的端口。EV 12的电力转换模块32可以调节从EVSE 38供应的电力，以向电池24提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块32可以与EVSE 38介接，以协调向电池24的电力输送。替代地，被描述为电连接的各种部件可以使用无线电感耦合来传递电力。

车轮制动器44被提供用于减缓和防止EV 12的运动。车轮制动器44是制动系统50的一部分。制动系统50可以包括控制器以监测并控制车轮制动器44以实现期望的操作。

所讨论的各种部件可以具有一个或多个相关控制器以控制和监测部件的操作。控制器可以是基于微处理器的装置。控制器可以经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由分立的导体进行通信。例如，存在系统控制器48(即，车辆控制器)来协调各种部件的操作。

如所描述的，EV 12在此示例中是具有发动机18和电池24的PHEV。在其他实施例中，EV 12是电池电动车辆(BEV)。在BEV配置中，EV 12不包括发动机。

现在参考图2，同时继续参考图1，示出了EV 12的电驱动系统的部件的示意图。如图2中所示，EV 12的电驱动系统包括牵引电池24、电力电子模块26和电机(即，“马达”)14。

如上所述，电力电子模块26联接在电池24与马达14之间。电力电子模块26将从电池24提供的DC电力转换成AC电力以提供给马达14。以这种方式，电力电子模块26利用来自电池24的电力来驱动马达14以推进EV 12。

电力电子模块26包括直流侧电容器62和逆变器60(或“逆变器控制系统”(“ICS”))。图2中示出的逆变器60是示例性逆变器。直流侧电容器62设置在电池24和逆变器60之间并且与电池24并联连接。直流侧电容器62可操作来吸收由逆变器60的功率开关的操作产生的纹波电流，并且稳定用于逆变器60控制的直流侧电压Vo。

如普通技术人员已知的，逆变器将DC电力转换成多相AC电力(三相是最常见的)。逆变器可以在任一方向上(双向)移动电力，驱动电机(即，马达)或电制动电机(即，发电)。逆变器系统由电力电子硬件(开关)和控制软件的组合组成(图2是代表性附图)。可以通过断开和闭合逆变器中的功率开关来快速调整电流。

许多逆变器系统(包括与本发明的实施例相关的逆变器，诸如逆变器60)执行闭环电流控制以精确地控制电机。为了实现这一点，用电流传感器感测逆变器的每个相中的电流，并且将对应的信号提供给逆变器系统的控制器。最常见的方法是感测所有相，但任一个相电流都可以从对其他相电流的了解推断出来。电流传感器可以使用不同的技术和/或以不同的技术实施，并且下面讨论的图2中所示的电流传感器70仅是一个示例。此类电流传感器通常集成到逆变器中。

逆变器60包括逆变电路和多个功率开关单元64。如普通技术人员所知，在示例性示例中，逆变器60包括三组成对的功率开关单元64(即，如图2中所示，三×二＝总共六个功率开关单元64)。每对功率开关单元64包括串联连接的两个功率开关单元64。每个功率开关单元64包括晶体管形式的功率开关66，所述功率开关与二极管68反向并联布置。在此示例中，晶体管是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。每对功率开关单元64与电池24和直流侧电容器62并联连接，并且由此每对功率开关单元形成逆变器60的“相”。以此方式，具有三对功率开关单元64的逆变器60是三相逆变器，其可操作用于将来自电池24的DC电力转换成三相AC电力以提供给马达14。

此外，逆变器60的每个相包括电流传感器70。例如，每个电流传感器70是与对应相的输出串联连接的电阻分流器。电流传感器70可操作以感测从逆变器60的对应相输出到马达14的电流(I_AC)。

此外，电流传感器71与直流侧电容器62相关联。例如，电流传感器71是与直流侧电容器62串联连接的电阻分流器。电流传感器71可操作以感测直流侧电容器62的电纹波电流(I_纹波)。替代地，基于各种操作参数来计算直流侧电容器62的电纹波电流(I_纹波)。

此外，电流传感器73与逆变器60的输入端相关联。例如，电流传感器73是与逆变器60的输入端串联连接的电阻分流器(即，从牵引电池24、直流侧电容器62和逆变器60连接的节点朝向逆变器60延伸)。电流传感器73可操作以感测由逆变器60汲取的电输入DC电流(I_DC)。

电力电子模块26具有相关联的控制器63。控制器63可以是基于微处理器的装置。控制器63被配置为监测直流侧电容器62的操作，并且监测和控制逆变器60的操作。特别地，控制器63可操作以控制功率开关66的操作，以使逆变器60将电池24经由直流侧电容器62提供的给定DC电力转换成期望的AC电力以提供给马达14。控制器63与电流传感器70通信以监测从逆变器60提供给马达14的AC电力。控制器63使用电流传感器70的信息作为控制逆变器60的反馈以向马达14输出期望的AC电力。

接触器75是电控开关，所述电控开关用于在车辆不使用时将电池24从电力电子模块26断开连接。例如，当驾驶员离开车辆时，接触器75可以断开，并且当驾驶员指示准备驾驶时，接触器75可以闭合。(这些情况可以被称为“钥匙关断”和“钥匙接通”，即使一些车辆不再利用物理钥匙来指示授权驾驶员的存在)。

图3示出了可以在控制器63中实施的逻辑。控制器63的输入80可以包括旋转参考系中的电流相量和电压相量。这些值倾向于响应于扭矩需求和车辆速度的变化而逐渐变化，并且可以由另一个控制器(诸如车辆系统控制器48)提供。具体来说，Iq_cmd和Id_cmd表示命令电流相量的正交分量和直流分量。正交分量和直流分量相应地垂直于和平行于马达的永磁场。V_q*和V_d*表示命令的电压相量。控制器63的输出82可以是逆变器60的六个功率开关66的开关状态。这些二进制值变化非常频繁。

图3的控制逻辑基于由Iq_cmd和Id_cmd表示的电流相量命令实施闭环控制。V_q*和V_d*用作前馈项。测量的相电流84由电流传感器70提供。转子位置86由旋转变压器(未示出)提供。在88处，使用克拉克和帕克变换将相电流转换到转子参考系中。I_q和I_d是测得的相电流90的正交分量和直流分量。框92确定旋转参考系94中的电压。具体来说，使用与Iq_cmd和I_q之差成比例的项、与所述差的积分成比例的项以及前馈项V_q*来计算正交分量V_q。类似地计算直接分量V_d。通过设置这些项的系数，如果需要，可以转换为开环电压控制。

框86将旋转参考系中的电压相量转换成固定参考系中的电压分量98。在100处使用空间矢量调制来确定将建立期望电压的功率开关66中的每个的占空比102。最后，脉宽调制驱动器104根据指定的占空比快速接通和关断开关。

当车辆12在地面上被驱动车轮拖挂时(诸如在房车或拖车后面被拖挂时)，电机14的转子以与车辆速度成比例的速度旋转。在此类情况下，接触器75可以断开，使得电池24从电力电子模块26断开连接。转子的永磁体跨三个定子端子感应出AC电压，所述AC电压的幅值与车辆速度成正比。除非控制器63主动控制开关66，否则这些开关的默认状态是关断(断开)。随着所有开关关断和接触器75断开，电流可以流过二极管68并且跨电容器62产生DC电压。在低车辆速度下，跨电容器62的电压不成问题。然而，在高车辆速度下，电压可能超过电容器62或连接到DC总线的其他部件的最大设计电压。

限制跨电容器62的电压的一种方式是主动闭合顶排开关66或底排开关66。这将三个马达端子相互连接(即短路)。顶排开关或底排开关闭合的逆变器状态称为短路状态。一旦达到稳定状态，直流I_d达到足以抵消转子永磁场的水平并且正交电流I_q接近于零。短路状态下的I_d和I_q值称为短路电流值，由马达的转子速度和物理特性决定。跨电容器62的DC电压保持在转变到短路状态之前所达到的水平。如果车辆速度不超过批准的拖挂速度，则稳态条件下的相电流在马达的设计规范内。然而，在达到稳态之前存在其中相电流可能超过设计规范的瞬态时期。因此，管理此转变是可取的。

图4示出了用于识别高速拖挂条件并且管理向短路状态的转变同时防止过大相电流的过程。在110处，控制器63确定电池接触器当前是否断开。可以使用当接触器断开或闭合时设置的软件标志来确定此信息。如下所述，接触器的状态也可以通过观察转子速度和总线电压来确定。在112处，控制器确定速度是否超过预定义阈值HighTowSpeed(高拖挂速度)。由于车辆速度和转子速度是成比例的，因此此确定可以通过测量车辆速度或转子速度来进行。此外，由于在此情况下DC总线电压与转子速度成比例，所以此确定可以基于DC总线电压。检测112的条件的这些不同的机制应被认为是等效的。

如果110和112两者的条件都满足，则控制器在114至118使用磁场定向控制发起转变过程。在114处，记录转变的开始时间。在116处，设置前馈项。在118处，开关的主动控制开始。在转变过程期间，在120处设置开环电流命令。Iq_cmd设置为正交稳态电流值。Id_cmd以预定义的斜坡速率Id_ramp从零开始斜坡下降。在一些实施例中，初始值可以是非零值。在122处，控制器计算直接稳态电流值Id_ss。(注意，相对于此等式中的其他项，R通常较小，使得Id_ss不会随着转子速度而显著变化。因此，将Id_ss视为预定义常数是可以接受的)。在124处，当测量的I_d在直接稳态电流值Id_ss的阈值Id_误差内时，转变过程通常终止。如果在126处DC总线电压Vdc超过预定义阈值Vdc_限制，则转变过程提前终止。一旦达到终止条件124或126，在128处控制器命令开关到短路状态中的一者。

在转变过程期间，定子电流的幅值逐渐朝向短路状态下它们相应的稳态水平增加。当在此转变过程之后进入短路状态时，定子电流继续以这些幅值流动。不会遇到与突然转变到短路状态相关联的瞬态行为。

在一些实施方式中，控制器63在110处可能没有关于接触器状态的直接信息。图5示出了用于确定接触器状态的过程。当在接触器断开且无逆变器开关的情况下拖挂车辆时，随着车辆速度的增加，DC总线电压与车辆速度成比例增加。在140处，控制器检查DC总线电压是否小于预定义最小电池电压Vdc_最小。在142处，控制器检查马达速度是否在增加(前向或后向)。在144处，控制器计算总线电压和速度的比率Ke。在146处，此比率与拖挂条件Ke_目标期间的预期比率进行比较。如果这些值在阈值Ke_阈值内，则控制器在148处得出结论，接触器断开的拖挂正在进行中。

尽管上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意图描述本发明的所有可能的形式。而是，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。另外，可以组合各种实施实施例的特征以形成本发明的另外的实施例。

根据本发明，提供了一种电驱动系统，其具有：马达，所述马达具有定子电路；逆变器，其电连接到定子电路；以及控制器，其被编程为：响应于马达的转子的速度超过速度阈值，发起磁场定向控制；朝向短路电流值调整相对于转子参考系测量的定子电路中的电流；以及响应于所述电流达到所述短路电流值，命令所述逆变器到短路状态，在所述短路状态中，所述定子电路的端子彼此电连接而没有故意阻抗。

根据实施例，本发明的特征还在于：DC总线，其电连接到逆变器；以及电容器，其与逆变器并联电连接。

根据实施例，控制器还被编程为响应于DC总线的电压超过电压阈值，命令逆变器到短路状态。

根据实施例，本发明的特征还在于：电池；以及接触器，其中电池和接触器彼此串联电连接并且与逆变器并联电连接。

根据实施例，响应于接触器断开而执行发起、调整和命令步骤。

根据实施例，响应于DC总线的电压小于预定义电压阈值并且随着转子的速度以与转子的速度的预定义比率增加而增加而执行发起、调整和命令步骤。

根据本发明，逆变器控制方法包括：响应于DC总线电压超过电压阈值，从开关关断状态转变到磁场定向控制；朝向短路电流值调整相对于转子参考系测量的定子电流；以及响应于定子电流达到短路电流值，转变到短路状态。

在本发明的一个方面，控制器还被编程为响应于DC总线电压超过电压阈值，命令逆变器到短路状态。

在本发明的一个方面，电池和接触器彼此串联电连接并且与逆变器并联电连接并且其中响应于接触器断开而执行发起、调整和命令步骤。

在本发明的一个方面，响应于DC总线电压小于预定义电压阈值并且随着转子的速度以与转子的速度的预定义比率增加而增加而执行发起、调整和命令步骤。

根据本发明，提供了一种电动化车辆，其具有：马达，所述马达具有可驱动地连接到车辆车轮的转子并且具有定子电路；逆变器，其电连接到定子电路；以及控制器，其被编程为：响应于车辆以超过速度阈值的车辆速度被拖挂，发起磁场定向控制；朝向短路电流值调整相对于转子参考系测量的定子电路中的电流；以及响应于电流达到短路电流值，命令逆变器到短路状态。

根据实施例，本发明的特征还在于：DC总线，其电连接到逆变器；以及电容器，其与逆变器并联电连接。

根据实施例，控制器还被编程为响应于DC总线的电压超过电压阈值，命令逆变器到短路状态。

根据实施例，本发明的特征还在于：电池；以及接触器，其中电池和接触器彼此串联电连接并且与逆变器并联电连接。

根据实施例，响应于接触器断开而执行发起、调整和命令步骤。

根据实施例，响应于DC总线的电压小于预定义电压阈值并且随着转子的速度以与转子的速度的预定义比率增加而增加而执行发起、调整和命令步骤。

Claims (15)

1.一种电驱动系统，其包括：

马达，所述马达具有定子电路；

逆变器，所述逆变器电连接到所述定子电路；以及

控制器，所述控制器被编程为：

响应于所述马达的转子的速度超过速度阈值，发起磁场定向控制；

朝向短路电流值调整相对于转子参考系测量的所述定子电路中的电流；并且

响应于所述电流达到所述短路电流值，命令所述逆变器到短路状态，在所述短路状态中，所述定子电路的端子彼此电连接而没有故意阻抗。

2.如权利要求1所述的电驱动系统，其还包括：

DC总线，所述DC总线电连接到所述逆变器；以及

电容器，所述电容器与所述逆变器并联电连接。

3.如权利要求2所述的电驱动系统，其中所述控制器还被编程为响应于所述DC总线的电压超过电压阈值，命令所述逆变器到所述短路状态。

4.如权利要求2所述的电驱动系统，其还包括：

电池；以及

接触器，其中所述电池和所述接触器彼此串联电连接并且与所述逆变器并联电连接。

5.如权利要求4所述的电驱动系统，其中响应于所述接触器断开而执行所述发起、调整和命令步骤。

6.如权利要求2所述的电驱动系统，其中响应于所述DC总线的电压小于预定义电压阈值并且随着所述转子的所述速度以与所述转子的所述速度的预定义比率增加而增加而执行所述发起、调整和命令步骤。

7.一种逆变器控制方法，其包括：

响应于DC总线电压超过电压阈值，从开关关断状态转变到磁场定向控制；

朝向短路电流值调整相对于转子参考系测量的定子电流；以及

响应于所述定子电流达到所述短路电流值，转变到短路状态。

8.如权利要求7所述的逆变器控制方法，其中所述控制器还被编程为响应于所述DC总线电压超过电压阈值，命令所述逆变器到所述短路状态。

9.如权利要求7所述的逆变器控制方法，其中电池和接触器彼此串联电连接并且与所述逆变器并联电连接，并且其中响应于所述接触器断开而执行发起、调整和命令步骤。

10.如权利要求7所述的逆变器控制方法，其中响应于所述DC总线电压小于预定义电压阈值并且随着所述转子的所述速度以与所述转子的所述速度的预定义比率增加而增加而执行所述发起、调整和命令步骤。

11.一种电动化车辆，其包括：

马达，所述马达具有可驱动地连接到车辆车轮的转子并且具有定子电路；

逆变器，所述逆变器电连接到所述定子电路；以及

控制器，所述控制器被编程为：

响应于所述车辆以超过速度阈值的车辆速度被拖挂，发起磁场定向控制；

朝向短路电流值调整相对于转子参考系测量的所述定子电路中的电流；并且

响应于所述电流达到所述短路电流值，命令所述逆变器到短路状态。

12.如权利要求11所述的电动化车辆，其还包括：

DC总线，所述DC总线电连接到所述逆变器；以及

电容器，所述电容器与所述逆变器并联电连接。

13.如权利要求12所述的电动化车辆，其中所述控制器还被编程为响应于所述DC总线的电压超过电压阈值，命令所述逆变器到所述短路状态。

14.如权利要求12所述的电动化车辆，其还包括：

电池；以及

接触器，其中所述电池和所述接触器彼此串联电连接并且与所述逆变器并联电连接。

15.如权利要求14所述的电动化车辆，其中响应于所述接触器断开而执行所述发起、调整和命令步骤。