CN1819419B - 用于混合动力车辆的双端逆变器驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种用于车辆的双端逆变器系统，具有：负载、第一能量源、以及与第一能量源耦合并适于驱动负载的第一逆变器系统。该双端逆变器系统进一步具有：第二能量源、与第二能量源并联耦合的第二电容器、以及与第二能量源耦合并适于驱动负载的第二逆变器系统。控制器包括与第一逆变器系统和第二逆变器系统耦合的输出端，用于向第一逆变器系统和第二逆变器系统提供至少一个脉宽调制信号。

Description

用于混合动力车辆的双端逆变器驱动系统

技术领域

本发明涉及混合动力车辆(hybrid vehicle)，并且更具体地涉及具有双端逆变器驱动系统的混合动力车辆。

背景技术

目前存在多种用于给车辆提供动力的推进或驱动技术。这些技术包括内燃机(ICE)、使用蓄电池(battery)和/或燃料电池作为能量源的电气驱动系统、以及使用各种驱动系统的组合的混合动力系统。矿物燃料成本的增加以及对提高燃料经济性和降低车辆中的排放的希望导致了高级混合动力车辆的发展。

混合动力车辆通常包括内燃机和电气牵引电动机。混合动力车辆还可包括用于电气牵引电动机的两个独立的DC能量源。在改变驱动条件的过程中，根据每个能量源的最有效的工作方式，混合动力车辆将在这些独立的能量源之间交替。

根据传动系统(drivetrain)的结构，混合动力车辆还被大致分为串联或并联传动。在使用ICE和电气牵引电动机的串联传动系统中，仅电动机驱动车辆的轮子。ICE将燃料源转换成机械能，该机械能使将机械能转换成电能以驱动电动机的发电机转动。在并联混合动力传动系统中，ICE和电气牵引电动机并行工作以推动车辆。

二次/可再充电电池是混合动力车辆系统的重要部件。二次电池存储由电气牵引电动机使用来驱动车辆的能量。此外，二次电池使电动机/发电机(MoGen)能够存储在制动期间恢复的能量。因此，蓄电池执行负载平衡、减震或传输由ICE产生的能量与由驱动条件所需的能量的瞬时差。

电池模块可由若干串联连接的电化学电池组成。典型的电化学电池电压在一至二伏的范围内。目前的电池模块输出电压在12至42伏的范围内。常规的车辆牵引驱动系统以大约300至400伏的DC总线电压进行工作。在常规的电气或混合动力车辆应用中，电池模块被串联连接以提供由高电压车辆牵引驱动系统所需的期望的DC电压电平。一般而言，与低电压牵引驱动系统相比，高电压车辆牵引驱动系统提供成本、性能和重量方面的优越性。

包括蓄电池、混合动力以及燃料电池电动车辆的电动车辆通常使用以开关模式电源的形式的逆变器，以向车辆的电气驱动电动机提供多相工作功率。最普遍使用的逆变器设计是脉宽调制(PWM)电压源逆变器，该逆变器使用功率晶体管，该功率晶体管可提供需要用来满足由车辆驱动电动机所需的转矩要求的大电流。该逆变器将功率从直流(DC)总线切换到驱动电动机绕组。对于低电压系统，DC总线以大约42伏进行工作，对于高电压系统，DC总线以大约350-400伏(VDC)进行工作。

将能量存储接入混合动力车辆的电气推进系统的标准方法是，在能量存储系统和主推进DC总线之间使用功率变换器(converter)。然而，应该认识到，使用这种功率变换器不必要地增加了车辆的复杂性和成本。

发明内容

按照具有有利结构的本发明的原理，提供一种用于驱动电动机或车辆的其它负载的双端逆变器系统。该双端逆变器系统包括第一能量源和与第一能量源耦合并适于驱动负载的第一逆变器系统。该双端逆变器系统进一步具有第二能量源、与第二能量源并联耦合的第二电容器、以及与第二能量源耦合并适于驱动负载的第二逆变器系统。控制器包括与第一逆变器系统和第二逆变器系统耦合的输出端，用于向第一逆变器系统和第二逆变器系统提供至少一个脉宽调制信号。

根据下文提供的详细描述，本发明另外的可应用领域将变得明显。应该理解，尽管详细描述和特定实例表示本发明的优选实施例，但是其仅打算用于说明的目的，而不打算限制本发明的范围。

附图说明

根据详细描述和附图将更全面地理解本发明，其中：

图1A是说明依据本发明的原理的双端逆变器驱动系统的示意图；

图1B是说明依据本发明的原理的双端逆变器驱动系统的附加示意图；

图2是说明双端逆变器驱动系统的每相的等效电路；

图3A是在第二能量源提供动力过程中双端逆变器驱动系统的相量图；

图3B是在第二能量源充电时双端逆变器驱动系统的相量图；

图4是在第二能量源正交工作时双端逆变器驱动系统的相量图；以及

图5是在第一和第二能量源产生最大输出时双端逆变器驱动系统的相量图。

具体实施方式

优选实施例的下面的描述实际上仅仅是示例性的，并且决不打算限制本发明、它的应用或用途。如在此所使用的，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用的、专用的或组合的)和存储器、组合逻辑电路和/或其它提供所述功能的合适部件。

所提供的本发明简化了在混合动力车辆中的牵引逆变器推进和能量管理系统，以便可以实现成本降低。为此，如图1A和1B所示，提供了依据本发明的原理的双端逆变器系统10。双端逆变器系统10由十二个双向电流、单向电压的半导体开关12组成。半导体开关12被分成两个逆变器或变换器部分，即第一部分100和第二部分200。第一部分100和第二部分200均被配置成三个支路(leg)，分别为14a、14b、14c和14d、14e、14f。支路14a-14f的每个包括一对串联布置的半导体开关12。第一部分100和第二部分200均包括DC能量源，即第一能量源16和第二能量源18，它们分别输出DC电流I_DC1和I_DC2。

向第一部分100提供功率的第一能量源16是从车辆的主能量源(未示出)获得的。该主能量源可包括燃料电池、发电机的整流输出、和/或任何其它已知的电源。向第二部分200提供功率的第二能量源18是从车载能量存储系统(未示出)获得的。该车载能量存储系统可包括一个或多个蓄电池、超级电容器、和/或任何其它已知的电存储源。在本发明中对于第一或第二能量源的相对功率和能量容量没有隐含的假定。电容器30和32分别与第一能量源16和第二能量源18并联连接以平滑电流脉动。

仍参考图1，提供了具有绕组22的三相AC电动机20。绕组22与第一部分100电通信。更具体地，取自在支路14a的该对半导体开关12之间的位置a₁的第一输出i_a、取自在支路14b的该对半导体开关12之间的位置b₁的第二输出i_b、以及取自在支路14c的该对半导体开关12之间的位置c₁的第三输出i_c分别通过线路24、26和28进行施加，以向三相AC电动机20传递驱动电压。线路24、26和28还与在支路14d的该对半导体开关12之间的位置a₂、支路14e的该对半导体开关12之间的位置b₂、以及支路14f的该对半导体开关12之间的位置c₂电通信。

控制器300被提供，并通过线路302和304可操作地与第一部分100和第二部分200耦合。控制器300对从车辆306的驱动器(即加速器踏板)接收的命令进行响应，并如将要描述的向第一部分100和第二部分200提供命令以控制每个部分100和200的输出。为了控制由第一部分100和第二部分200产生的电压，使用高频脉宽调制(PWM)来通过控制器300控制第一部分100和第二部分200。利用这些PWM控制方法，第一部分100和第二部分200均产生具有相同基频的等效平衡三相AC输出电压。由于三相对称，所以双端逆变器系统10可(在理论上)被简化为图2所示的单线图。

使用PWM方法控制第一部分100和第二部分200的输出电压的基频分量的幅度和相位使得负载(该情况下是AC电动机20)上电压的幅度和相位得以控制。这能够实现控制AC电动机20的相电流、以及从而由AC电动机20产生的转矩。由于负载电流也是流过半导体开关12的电流，所以还通过控制由每个部分100和200产生的输出电压和相位来调节由每个部分100和200获得(或吸收)的能量。通过适当地控制第一部分100和第二部分200的输出电压和负载电流，获得在第一能量源16和第二能量源18之间的受控功率通量。当然，在双端逆变器系统10中，将需要另一个输入来确定在第一能量源16和第二能量源18之间的功率分离。这将来自于某种较高水平的车辆系统控制器，该控制器调节第二能量源18的充电状态。

因此，按照本发明的原理，无需单独的功率变换器就可实现混合动力车辆的能量管理。由于不再需要附加的庞大的磁元件，该元件通常在使用单独的功率变换器时是需要的，因此除了减小重量以外，这还具有实现成本节约的潜力。

功率通量控制

本发明进一步描述双端逆变器系统10的控制。特别是详述三种控制在第一能量源16和第二能量源18之间的功率分离或功率分配的方法。本发明能够实现控制在第一能量源16和第二能量源18之间的功率通量，而不影响AC电动机20的控制(转矩、速度)。因此实现了双端逆变器系统10的统一控制。

继续参考图1所示的使用双端逆变器系统10的混合动力车辆，应该理解，为了正确操作，必须控制功率，即传送至牵引驱动系统(未示出)的转矩和速度。此外，还必须管理功率通量约束。例如，如果DC环节(link)中的一条从第一能量源16获得以及一条从第二能量源18获得，则必须管理在第一能量源16、第二能量源18以及牵引驱动系统之间的功率通量。

因此本发明能够如下控制在双端逆变器系统10中的功率通量。传送至负载(即AC电动机20)的总功率是两个逆变器功率之和，其中忽略变换器的损失，由下式给出

P＝P_c1+P_c2    (1)

其中下标c1和c2分别代表第一部分100和第二部分200。从等式(1)应该认识到，等式中的任何两个功率均能在任何给定时间受到控制。

从每个部分100和200传送至负载(即AC电动机20)的功率可根据每个部分100和200的同步帧电压和电流而被写为：

$P_{c1}=\frac{3}{2}(v_{q1}^e{i}_q^e+v_{d1}^e{i}_d^e)---\left(2\right)$

$P_{c2}=\frac{3}{2}(v_{q2}^e{i}_q^e+v_{d2}^e{i}_d^e)---\left(3\right)$

等式(3)中第二部分200的功率表达式的负号是由图1限定的电流极性导致的，图1说明相电流从第一部分100流至第二部分200。将等式(2)和等式(3)代入等式(1)得到：

$P=\frac{3}{2}(v_{q1}^e-v_{q2}^e)i_q^e+\frac{3}{2}(v_{d1}^e-v_{d2}^e)i_d^e---\left(4\right)$

因此，现在按照各个逆变器的输出来定义等式(4)中负载的功率通量。

当将双端逆变器系统10看作具有两个通过共用负载连接的AC源时，可以更好地理解双端逆变器系统10。根据基尔霍夫电压定律，可以给出：

$v_{\mathrm{dq}}^e=v_{\mathrm{dq}1}^e-v_{\mathrm{dq}2}^e.---\left(5\right)$

对于混合动力车辆，可能的配置包括：使第一能量源变换器环节由牵引机(primemover)馈电，以及此外使第二能量源变换器环节由能量存储元件如蓄电池馈电。因此，假定第一部分100的环节是第一能量源，以及第二部分200的环节是第二能量源，在下面的部分中给出三种主动地控制整个逆变器功率并同时产生期望的电动机输出功率的可能的方法。

单位功率因数控制

一种控制第二部分200的功率输出的方法是以单位功率因数操作该逆变器，同时控制其输出电压幅度。该方法的相量图在图3a和3b中被示出。

具体参考图3A，第二部分200正在输出与负载电流有180°相位差的电压。这表示一种情况，即第二部分200正以单位功率因数将功率提供给负载。由于电流和电压的定义导致异相的情况，因此消除等式(3)中的负号是重要的。施加于负载的总电压在图3B中被进一步示出。图3B示出在相同负载电流和负载电压情况下的相量图，只是现在第二能量源18正在吸收功率或被充电。因此，第一部分100的所需电压输出增大。为了调节第二能量源18的功率，假定正在以单位功率因数操作第二部分200。因此，我们得到：

$\frac{{v_{q2}^e}^{*}}{{v_{d2}^e}^{*}}=\frac{{i_q^e}^{*}}{{i_d^e}^{*}}---\left(6\right)$

其中上标^*表示来自系统控制器的命令值。

等式(6)可被重新整理为：

${v_{q2}^e}^{*}=\frac{{i_q^e}^{*}}{{i_d^e}^{*}}{{v_{d2}^e}^{*}}^{}.---\left(7\right)$

可将等式(7)代入等式(3)得：

$P_{c2}^{*}=-\frac{3}{2}(\frac{{i_q^e}^{*2}}{{i_d^e}^{*}}+{i_d^e}^{*}){v_{d2}^e}^{*}.---\left(8\right)$

求解等式(8)并使用等式(7)得到：

${v_{d2}^e}^{*}=-\frac{2}{3}\left(\frac{{i_d^e}^{*}}{{i_q^e}^{*2}+{i_d^e}^{*2}}\right)P_{c2}^{*}---\left(9\right)$

${v_{q2}^e}^{*}=-\frac{2}{3}\left(\frac{{i_q^e}^{*}}{{i_q^e}^{*2}+{i_d^e}^{*2}}\right)P_{c2}^{*}---\left(10\right)$

等式(9)和等式(10)给出的解代表由第二部分200提供给第二能量源18的所需命令电压，以便控制第二能量源18的功率。重要的是，注意所命令的电流从系统控制器产生，该控制器产生用于期望电动机转矩的命令。此外，不造成系统损失。

因此，第一部分100将作为“备用(slack)总线”，因为它必须产生功率以克服提供给第二能量源18、负载和系统损失的功率。利用等式(5)并代换等式(9)和等式(10)，第一部分100的空间矢量调制器的电压命令被给出为：

${v_{\mathrm{dq}1}^e}^{*}={{v_{\mathrm{dq}}^e}^{*}}_{}+{v_{\mathrm{dq}2}^e}^{*}.---\left(11\right)$

电压正交控制

存在其中第一能量源16将所有功率提供给负载的重要的工作状态。在这种情况下，第二能量源18既不提供任何功率也不处于充电状态。发生这种情况的一种方式是仅仅闭合第二部分200中的三个上方或三个下方半导体开关12，以在绕组22中建立人工Y形连接。虽然建立人工Y形连接消除了第二部分200中的任何开关损耗，但是它也将可施加于AC电动机20的电压限制到第一部分100可独立产生的电压。因此，AC电动机20将达到一种极限，其中磁场减弱必然在较低速度时发生。通过由第二部分200产生电压，有可能进一步增大可用的电动机电压，该电压与AC电动机20的电流正交，如图4所示。

当第二部分200的输出电压与相电流的输出电压正交时，第二部分200不处理任何有功功率。然而，由第二部分200产生的电压加到第一部分100的可用电压上，从而增大了系统的最大可用电压。实际上，第二部分200提供由负载消耗的无功功率的一部分(少于或等于100％)，而第一部分100提供所有的有功功率和剩余的无功功率。如果第一部分100仅提供有功功率(部分200提供100％无功功率)，则它对负载电流以单位功率因数工作。

根据系统命令和电流调节器输出，所命令的电压和电流角被给出为：

${\mathrm{\θ}}_i^{*}=a\tan 2\left(\frac{{i_q^e}^{*}}{{i_d^e}^{*}}\right)---\left(12\right)$

${\mathrm{\θ}}_v^{*}=a\tan 2\left(\frac{{v_q^e}^{*}}{{v_d^e}^{*}}\right).---\left(13\right)$

各个变换器的电压幅度可被计算为：

$\left|{v_{\mathrm{dq}2}^e}^{*}\right|=\left|{v_{\mathrm{dq}}^e}^{*}\right|\sin ({\mathrm{\θ}}_v^{*}-{\mathrm{\θ}}_i^{*})---\left(14\right)$

${v_{\mathrm{dq}1}^e}^{*}=\left|{v_{\mathrm{dq}}^e}^{*}\right|\cos ({\mathrm{\θ}}_v^{*}-{\mathrm{\θ}}_i^{*}).---\left(15\right)$

各个变换器的电压角被给出为：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dq}1}^{*}={\mathrm{\θ}}_i^{*}---\left(16\right)$

因此，根据等式(12)-(17)，各个变换器d和q的电压命令可被计算为：

${v_{q1}^e}^{*}=\left|{v_{\mathrm{dq}1}^e}^{*}\right|\sin \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dq}1}^{*}\right)---\left(18\right)$

${v_{d1}^e}^{*}=\left|{v_{\mathrm{dq}1}^e}^{*}\right|\cos \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dq}1}^{*}\right)---\left(19\right)$

${v_{q2}^e}^{*}=\left|{v_{\mathrm{dq}2}^e}^{*}\right|\sin \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dq}2}^{*}\right)---\left(20\right)$

${v_{d2}^e}^{*}=\left|{v_{\mathrm{dq}2}^e}^{*}\right|\cos \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dq}2}^{*}\right)---\left(21\right)$

最佳逆变器应用控制

当第一部分100和第二部分200均输出其最大相电压且相电压的相位差为180°时，出现双端逆变器系统10的最大输出电压(如通过负载所看到的)。该控制方法的相量图在图5中被示出。

对于最佳逆变器应用控制，第一部分100和第二部分200的输出电压是共线的。因此，所需电压仅仅与期望的功率成正比。因此，第二部分200命令被给出为：

${v_{q2}^e}^{*}=-\frac{P_2^{*}}{P^{*}}{{v_q^e}^{*}}^{}---\left(22\right)$

${v_{d2}^e}^{*}=-\frac{P_2^{*}}{P^{*}}{v_d^e}^{*}---\left(23\right)$

其中P为所命令的负载功率，其可从下式得到：

$P^{*}=\frac{3}{2}({v_d^e}^{*}{i_d^e}^{*}+{v_q^e}^{*}{i_q^e}^{*}).---\left(24\right)$

然后，通过将等式(22)和等式(23)代入等式(24)可计算出对第一部分100所命令的电压。

本发明的描述实际上仅仅是示例性的，因此，不偏离本发明主旨的变化打算处于本发明的范围内。这种变化不视为偏离本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.—种用于车辆的双端逆变器系统，所述双端逆变器系统包括：

负载；

第一能量源；

与所述第一能量源耦合并适于驱动所述负载的第一逆变器系统；

第二能量源；

与所述第二能量源耦合并适于驱动所述负载的第二逆变器系统；以及

控制器，具有与所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统耦合的输出端，用于向所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统提供至少一个脉宽调制信号，以独立控制所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统中每个系统的输出电压的基频分量，从而获得所述第一能量源和所述第二能量源之间所期望的变化功率分配，其中所述控制器利用单位功率因数使得所述第二逆变器系统输出的电压与负载电流有180度的相位差。

2.如权利要求1所述的双端逆变器系统，其中所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统均包括：

具有一对串联布置的半导体开关的第一支路，第一输出端取自在所述第一支路的所述一对半导体开关之间的位置；

具有一对串联布置的半导体开关的第二支路，第二输出端取自在所述第二支路的所述一对半导体开关之间的位置；以及

具有一对串联布置的半导体开关的第三支路，第三输出端取自在所述第三支路的所述一对半导体开关之间的位置。

3.如权利要求2所述的双端逆变器系统，其中所述第一输出端、所述第二输出端和所述第三输出端被电耦合到所述负载上。

4.如权利要求1所述的双端逆变器系统，其中所述控制器向所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统提供所述至少一个脉宽调制信号，使得所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统对所述负载产生等效平衡三相AC输出电压。

5.如权利要求1所述的双端逆变器系统，其中所述控制器向所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统提供所述至少一个脉宽调制信号，以控制所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统的输出电压的基频分量，从而控制驱动所述负载的幅度和相位。

6.如权利要求1所述的双端逆变器系统，进一步包括：

与所述第一能量源并联耦合的第一电容器；以及

与所述第二能量源并联耦合的第二电容器。

7.如权利要求1所述的双端逆变器系统，其中所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统均包括：

多个支路，每个支路具有至少两个半导体开关。

8.如权利要求1所述的双端逆变器系统，其中所述负载是AC电动机。

9.如权利要求1所述的双端逆变器系统，其中所述第一能量源和所述第二能量源均是从基本上由内燃机、燃料电池、发电机的整流输出、蓄电池和电容器构成的组中选择的。

10.一种用于车辆的双端逆变器系统，所述双端逆变器系统包括：

电动机；

第一能量源；

与所述第一能量源耦合并适于驱动所述电动机的第一逆变器系统；

第二能量源；

与所述第二能量源耦合并适于驱动所述电动机的第二逆变器系统；以及

控制器，向所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统提供至少一个脉宽调制信号，以控制所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统的输出电压的基频分量，从而控制驱动所述电动机的幅度和相位并获得所述第一能量源和所述第二能量源之间所期望的变化功率分配，其中所述控制器利用单位功率因数使得所述第二逆变器系统输出的电压与负载电流有180度的相位差。

11.如权利要求10所述的双端逆变器系统，其中所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统均包括：

具有一对串联布置的半导体开关的第一支路，第一输出端取自在所述第一支路的所述一对半导体开关之间的位置；

具有一对串联布置的半导体开关的第二支路，第二输出端取自在所述第二支路的所述一对半导体开关之间的位置；以及

具有一对串联布置的半导体开关的第三支路，第三输出端取自在所述第三支路的所述一对半导体开关之间的位置。

12.如权利要求11所述的双端逆变器系统，其中所述第一输出端、所述第二输出端和所述第三输出端被电耦合到所述电动机上。

13.如权利要求10所述的双端逆变器系统，其中所述控制器向所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统提供所述至少一个脉宽调制信号，使得所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统对所述电动机产生等效平衡三相AC输出电压。

14.如权利要求10所述的双端逆变器系统，进一步包括：

与所述第一能量源并联耦合的第一电容器；以及

与所述第二能量源并联耦合的第二电容器。

15.如权利要求10所述的双端逆变器系统，其中所述第一逆变器系统和所述第二逆变器系统均包括：

多个支路，每个支路具有至少两个半导体开关。

16.如权利要求10所述的双端逆变器系统，其中所述电动机是AC电动机。

17.如权利要求10所述的双端逆变器系统，其中所述第一能量源和所述第二能量源均是从基本上由内燃机、燃料电池、发电机的整流输出、蓄电池和电容器构成的组中选择的。

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