CN1890870A - 电源装置,使用其的电机驱动控制方法及配有其的机动车 - Google Patents

电源装置,使用其的电机驱动控制方法及配有其的机动车 Download PDF

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Abstract

一种驱动和控制电动发电机(MG1，MG2)的电源装置，包括：产生输入电压(Vb)的电池(10)，根据电压指令值(Vmr)将所述输入电压变换到电机工作电压(Vm)的变换器(110)，保持所述电机工作电压的平滑电容器(120)，接收所述电机工作电压并根据扭矩指令值(Tref)驱动和控制所述电动发电机(MG1，MG2)的逆变器(131，132)，以及产生所述电压指令值和所述扭矩指令值的控制单元(15)。当所述电动发电机(MG1，MG2)工作于电力运行模式时，所述控制单元(15)进行操作，根据需要使得所述扭矩指令值小于最初所需的扭矩，以使得由所述电机消耗的电力(Pm)与由于所述电机工作电压增加而引起的所述平滑电容器(120)的存储的电力的变化量(Pc)之和不超出所述变换器(110)的输出电力限制值(Pcvlm)。

Description

电源装置，使用其的电机驱动控制方法及配有其的机动车
技术领域
本发明涉及一种电源装置和电机驱动控制方法。具体地，本发明涉及一种通过变换输入DC(直流)电压的电平来驱动和控制电机的电源装置，一种利用所述电源装置的驱动和控制电机的方法，以及在其上配备有所述电源装置的机动车。
背景技术
作为环保型车，在其驱动装置中包括了将电能转变为机械能的电动机的混合动力车和电动车已经引起了广泛兴趣。所述混合动力车现在已经部分地商业化。为了高效地驱动所述电机，一些类型的混合动力车采用了这样的结构，在其中具有驱动和控制电机的电源装置，所述装置能够变换对其输入的DC电压的电平，以使得可根据所述电机的工作条件(如，转数，扭矩)来调整用于驱动所述电机的电压(此后称为“电机工作电压”)。特别地，所述电源装置具有升压功能，以使得所述电机工作电压高于所述输入DC电压。这样，可以减小作为DC电压源的电池的尺寸，并且所增加的电压使得电力损耗降低，从而能够提高所述电机的效率。
例如，日本专利公开2003-244801公开了一种驱动和控制用于驱动车轮AC(交流)电动机的结构。在此结构中，利用升压变换器增加来自由二次单体电池组成的电池的电池的DC电压，以生成电机工作电压，并且利用逆变器将所述电机工作电压变换为AC电压。利用此结构，可根据所述电机的条件来设置所述升压变换器的升压比，并因而能够高效地操作所述电机。
然而，对前述结构而言，需要在用于变换所述输入电压的电平的所述变换器的输出侧配备用于稳定所述电机工作电压的平滑电容器，如日本专利公开2003-244801中所述。从而，当所述电机工作电压根据所述电机工作条件而改变时，由所述平滑电容器保持的电压发生改变，以引起在其中存储的电力(P＝C·V2/2)改变。
因此，当所述电机在电力运行模式下工作时，将向其提供的电能变换为机械能(此后称为“电力运行模式”)，并且根据所述电机转数和扭矩的增加而发出增加所述电机工作电压的指令，从而增加所述平滑电容器的存储的电力。在增加所述平滑电容器的存储的电力的过程中，所述变换器不仅提供将由所述电机消耗的电力，还提供对应于所述平滑电容器的存储的电力的增加的电力。结果，将引起所述变换器输出过量电力的情况。
特别地，当作为输入电压源的电池使其供电能力高于构成所述变换器的开关器件的容量，并且所述变换器的输出电力由所述开关器件的所述容量(电流容量)限制时，在前述情况下，所述开关器件将会损坏，引起硬件故障。
相反，当所述电机在再生制动控制下工作，以将机械制动能量转变为电能(此后称为再生模式)，并从而将来自所述电机的再生电力提供给所述电池并且根据所述电机的转数和扭矩的降低而降低所述电机工作电压时，向所述变换器提供来自所述电机的所述再生电力以及对应于所述平滑电容器的存储的电力的降低的电力。结果，流经构成所述变换器的所述开关器件的电流增加，并且也会引起前述情况。
发明内容
本发明用于解决上述问题。本发明的目的在于提供一种电源装置，其通过变换输入DC电压的电平来驱动和控制电机，所述电源装置被构造为能够以防止过电流流经用于变换所述电平的变换器的方式进行控制，并且能够提供具有如上所述电源装置的机动车。
根据本发明的电源装置是一种驱动和控制电机的电源装置，其包括DC电源，变换器，电荷存储单元，电机驱动控制单元，以及控制单元。所述变换器根据电压指令值将来自所述DC电源的第一DC电压变换为第二DC电压，以在第一电源线和第二电源线之间输出所述第二DC电压。所述电荷存储单元能够充电放电，并且连接在所述第一电源线和所述第二电源线之间。所述电机驱动控制单元接收所述第一电源线和所述第二电源线之间的所述第二DC电压，并根据驱动力指令值，将所述第二DC电压变换为用于驱动和控制所述电机的电力。当所述电机工作于电力运行模式以将电能变换为机械能时，所述控制单元调整所述驱动力指令值，以使得根据所述驱动力指令值由所述电机消耗的电力与所述电荷存储单元的存储的电力的变化量之和小于从所述变换器输出的电力的限制值，其中所述变化由所述第二DC电压改变而引起。
优选地，根据所述电机的转数和所需的驱动力并且独立于所述驱动力指令值，确定所述电压指令值。
仍然优选地，所述DC电源可充电，当所述电机工作于再生模式以从机械能产生再生电力时，所述电机驱动控制单元根据所述电压指令值将由所述电机产生的电力变换为所述第二DC电压，并在所述第一电源线和所述第二电源线之间输出所述第二DC电压，当所述电机工作于再生模式时，所述变换器将所述第二DC电压变换为所述第一DC电压，以对所述DC电源充电，并且当所述电机工作于所述再生模式时，所述控制单元基于在由所述电机产生的电力和由于所述第二DC电压的变化而引起的所述电荷存储单元的存储的电力的变化量的组合与输出到所述变换器的电力的限制值之间的关系，根据需要调整所述电压指令值。
仍然优选地，当所述电机工作于所述再生模式时，在根据所述电机的所述转数和所需的驱动力暂时地确定所述电压指令值之后，由所述控制单元根据需要调整所述电压指令值。
仍然优选地，当所述电机工作于所述再生模式并且由所述电机产生的电力超出所述输入到所述变换器的电力的限制值时，所述控制单元禁止所述电压指令值的降低。
仍然优选地，当所述电机工作于所述再生模式并且由所述电机产生的电力小于所述输入到所述变换器的电力的限制值时，所述控制单元限制所述电压指令值的降低量，从而利用所述输入到所述变换器的电力的限制值与由所述电机产生的电力的组合来平衡由于所述第二DC电压的变化而引起的所述电荷存储单元所存储的电力的变化量。
根据本发明的机动车包括权利要求1到6中任何一个所述的电源装置，以及AC电动机，其被配置为由所述电源装置驱动和控制的电机，并且能够驱动至少一个车轮。所述变换器被配置为能够使得所述第二DC电压高于所述第一DC电压的升压变换器。所述电机驱动控制单元包括逆变器，所述逆变器在所述第二DC电压和用于驱动和控制所述AC电动机的AC电压之间进行变换。
根据本发明的电机驱动和控制方法是一种通过电源装置驱动和控制电机的电机驱动和控制方法，所述电源装置包括：DC电源；变换器，其根据电压指令值将来自所述DC电源的第一DC电压变换为第二DC电压，以在第一电源线和第二电源线之间输出所述第二DC电压；可充放电的电荷存储单元，其被连接在所述第一电源线和所述第二电源线之间；以及电机驱动控制单元，其根据驱动力指令值，将所述第一电源线和所述第二电源线之间的所述第二DC电压变换为用于驱动和控制所述电机的电力，所述方法包括，第一步骤，当所述电机工作于电力运行模式以将电能变换为机械能时，调整所述驱动力指令值，以使得根据所述驱动力指令值由所述电机消耗的电力与所述电荷存储单元所存储的电力的变化量之和小于从所述变换器输出的电力的限制值，其中所述变化由所述第二DC电压变化而引起。
优选地，根据本发明所述的电机驱动和控制方法，根据所述电机的转数和所需的驱动力并且独立于所述驱动力指令值来确定所述电压指令值。
仍然优选地，本发明所述的电机驱动和控制方法进一步包括第二步骤。所述DC电源可充电，当所述电机工作于再生模式以从机械能产生再生电力时，所述电机驱动控制单元根据所述电压指令值将由所述电机产生的电力变换为所述第二DC电压，并在所述第一电源线和所述第二电源线之间输出所述第二DC电压，当所述电机工作于再生模式时，所述变换器将所述第二DC电压变换为所述第一DC电压，以对所述DC电源充电。并且，当所述电机工作于所述再生模式时，所述第二步骤基于在由所述电机产生的电力和由于所述第二DC电压的变化而引起的所述电荷存储单元所存储电力的变化量的组合与输入到所述变换器的电力的限制值之间的关系，根据需要调整所述电压指令值。
仍然优选地，根据本发明所述的电机驱动和控制方法，当所述电机工作于所述再生模式时，在进行所述第二步骤之前，根据所述电机的所述转数和所需的驱动力暂时地确定所述电压指令值。
仍然优选地，根据本发明所述的电机驱动和控制方法，所述第二步骤包括这样的子步骤，当所述电机工作于所述再生模式并且由所述电机产生的电力超出所述输入到所述变换器的电力的限制值时，禁止所述电压指令值的降低。
仍然优选地，根据本发明所述的电机驱动和控制方法，所述第二步骤包括这样的子步骤，当所述电机工作于所述再生模式并且由所述电机产生的电力小于所述输入到所述变换器的电力的限制值时，限制所述电压指令值的降低量，从而利用所述输入到所述变换器的电力的限制值与由所述电机产生的电力的组合来平衡由于所述第二DC电压的变化而引起的所述电荷存储单元所存储的电力的变化量。
优选地，关于本发明的所述电源装置及所述电机驱动和控制方法，基于所述电压指令值计算所述存储的电力的变化量。优选地，在所述第一或第二步骤中，基于所述第二DC电压的检测值来计算所述存储的电力的变化量。
利用根据本发明的所述电源装置及所述电机驱动和控制方法，当所述电机工作于所述电力运行模式时，考虑由于所述第二DC电压(电机工作电压)根据所述电压指令值而改变所引起的所述电荷存储单元所存储电力的变化，调整所述驱动力指令值，以根据需要降低由所述电机消耗的电力，从而所述变换器输出的电力不会过量。
因此，利用具有能够改变提供给所述电机驱动控制单元(逆变器)的电压(电机工作电压)的变换器的结构，可防止所述变换器的过电流，从而提供器件保护。特别地，根据所述电机的转数和所需的扭矩确定所述第二DC电压(电机工作电压)的电压指令值，并因而能够提高所述电机的效率。
进一步，当所述电机工作于所述再生模式时，考虑所述电荷存储单元的存储的电力的变化，根据需要调整所述电压指令值，以限制所述第二DC电压(电机工作电压)的降低，从而防止所述变换器过电流，提供了器件保护。
特别地，基于在由所述电机产生的电力与输入到所述变换器的电力的限制值之间的比较，限制所述电压指令值的降低量。因而，在没有超出输入到所述变换器的电力的限制值的范围内，所述电机能够在效率上得到提高。
根据本发明的机动车被构造为在其上配备有所述变换器，其作为用于改变输入到驱动和控制用于驱动车轮的AC电动机的逆变器的电压(第二DC电压)的升压变换器，并且因而提高所述AC电动机的工作效率。当所述AC电动机工作于所述电动机模式时，考虑由于所述第二DC电压根据所述电压指令值而改变所引起的所述电荷存储单元的存储的电力的变化，调整所述驱动力指令值，以根据需要降低由所述电机消耗的电力，从而使得从所述变换器输出的电力不会过量。因此，能够防止所述变换器的过电流，以提供器件保护。
进一步，当所述AC电动机工作于所述再生模式时，可限制所述AC电动机的再生电力，以防止所述变换器的过电流，并因此提供器件保护，而不会减弱制动能力。
在此，可基于所述电压指令值计算所述电荷存储单元的存储的电力的变化，从而降低用于控制的计算负担。
此外，可基于所述第二DC电压的检测值来计算所述电荷存储单元的存储的电力的变化，从而提高控制准确度。
附图说明
图1是框图，其说明了具有根据本发明的电源装置的机动车的结构；
图2是框图，其说明了根据本发明所述的电源装置的构造；
图3示意性地说明了计算最佳电机电压的方式；
图4是电路图，其示出了图2所示PCU的构造的具体例子；
图5是流程图，其说明了在所述电力运行模式下的电力平衡控制；
图6是流程图，其说明了在所述再生模式下的电力平衡控制。
具体实施方式
此后参照附图详细描述本发明的实施例。在此，用类似的参考符号标示附图中的类似组件，并且对其不再进行重复描述。
图1是框图，其说明了具有根据本发明的电源装置的机动车的结构。
参照图1，本发明的混合动力车100包括电池10，ECU(电子控制单元)15，PCU(电力控制单元)20，动力输出装置(motive power outputapparatus)(此后称为“动力输出装置(power output apparatus)”)30，DG(差动齿轮)40，前轮50L、50R，后轮60L、60R，前座70L、70R，以及后座80。
电池10由例如镍氢或锂离子二次单体电池组成，其向PCU 20提供DC电压，并被用来自PCU 20的DC电压进行充电。电池10被置于例如在后座(rear seat)80之后，并与PCU 20电连接。PCU 20通常表示混合动力车100中所需的电力变换器。
对于ECU 15，提供了各种传感器的各种传感器输出17，其指示运行条件以及车辆条件。各种传感器输出17包括例如加速器的踏板运动以及车轮速度传感器的输出，其中，由置于加速器踏板35上的位置传感器检测所述踏板运动。ECU 15为混合动力车100完整地进行各种控制操作。
动力输出装置30包括被配备作为用于驱动车轮的动力源的发动机和电动发电机MG1、MG2。DG 40将来自动力输出装置30的动力传送给前轮50L、50R，并将前轮50L、50R的旋转力传送给动力输出装置30。
于是，动力输出装置30经由DG 40向前轮50L、50R传送由发动机和/或电动发电机MG1、MG2产生的动力，并从而驱动前轮50L、50R。进一步，动力输出装置30从源自前轮50L、50R的电动发电机MG1、MG2的旋转力产生电力，并将所述产生的电力提供给PCU 20。换言之，电动发电机MG1、MG2作为“AC电动机”，能够驱动至少一个车轮。
当电动发电机MG1、MG2工作于所述电力运行模式下时，PCU 20遵循来自ECU 15的控制指令对来自电池10的DC电压进行升压，并将所述增加的DC电压变换为AC电压，从而驱动和控制包含在动力输出装置30中的电动发电机MG1、MG2。
进一步，当电动发电机MG1、MG2工作于所述再生模式时，PCU 20遵循来自ECU 15的控制指令将由电动发电机MG1、MG2产生的AC电压变换为DC电压，从而对电池10充电。
在以上讨论的混合动力车100中，电池10、PCU 20以及控制PCU 20的ECU 15的一部分构成驱动和控制电动发电机MG1、MG2的“电源装置”。
现在描述根据本发明的电源装置的结构。
参照图2，本发明的电源装置包括电池10，其对应于“DC电源”，PCU 20的一部分，其涉及驱动和控制电动发电机MG1、MG2(此后，此部分也被称为“PCU 20”)，以及ECU 15的一部分，其涉及控制PCU 20(此后，此部分被称为“控制单元15”)。
PCU 20包括变换器110，平滑电容器120，分别与电动发电机MG1、MG2相关联的电机驱动控制器131、132，以及变换器/逆变器控制单元140。此实施例中，作为AC电机的电动发电机MG1、MG2被驱动和控制。因此，所述电机驱动控制器由逆变器构成。因而，电机驱动控制器131、132此后被称为逆变器131、132。
控制单元15基于各种传感器输出17确定考虑了诸如在所述发动机和所述电动发电机之间的输出动力的分配比例(此后也将此比例称为“输出比例”)的电动发电机MG1、MG2所需的扭矩Trq。进一步，控制单元15根据电动发电机MG1、MG2的工作条件计算最佳电机工作电压Vm#。
如图3所示，基于电机旋转的数目(此后称为电机转数)N和所需的扭矩Trq，确定用于提高电动发电机MG1、MG2的效率的最佳工作电压Vm#。对于相同的所需的扭矩Trq，最佳电机工作电压Vm#随着电机转数N增加而增加。对于相同的电机转数N，最佳电机工作电压Vm#随着所需的扭矩Trq增加而增加。
控制单元15基于所需的扭矩Trq以及最佳电机工作电压Vm#控制电力平衡，这将在后面进行详细描述，并且生成电机工作电压Vm的电压指令值Vmr以及电动发电机MG1、MG2的扭矩指令值Tref。
电压指令值Vmr和扭矩指令值Tref被提供给变换器/逆变器控制单元140。对于变换器/逆变器控制单元140，控制单元15进一步提供识别信号SMT，其指示电动发电机MG1、MG2工作于所述电力运行模式还是所述再生模式。
遵循来自控制单元15的电压指令值Vmr，变换器/逆变器控制单元140产生用于控制变换器110的操作的变换器控制信号Scnv。遵循来自控制单元15的扭矩指令值Tref，变换器/逆变器控制单元140产生用于控制逆变器131、132各自的操作的逆变器控制信号Spwm1、Spwm2。
参照图4，描述图2所示PCU 20的结构的具体例子及其操作。
参照图4，电池10的正极和负极分别被连接到电源线101、102。
变换器110包括电抗器115，开关元件Q1、Q2以及二极管D1、D2。
开关元件Q1、Q2在电源线103、102之间串联连接。电抗器115被连接在电源线101和开关元件Q1、Q2的连接节点Nm之间。在开关元件Q1、Q2的各自集电极和各自发射极之间，连接了各自反并联的二极管D1、D2，用于使得电流从所述发射极流向所述集电极。
对于开关元件Q1、Q2的各自栅极，提供了对应于变换器控制信号Scnv的栅极控制信号GS1、GS2。响应于各栅极控制信号GS1、GS2，对开关元件的开启/关闭进行控制。作为此实施例的开关元件，例如，可使用IGBT(绝缘栅双极晶体管)。
平滑电容器120被连接在电源线103、102之间。
逆变器131是三相逆变器，包括开关元件Q3到Q8，该开关元件构成在电源线103、102之间并联连接的U相臂151、V相臂152以及W相臂153。在开关元件Q3到Q8的各自集电极和各自发射极之间，分别连接了反并联的二极管D3到D8。
对于开关元件Q3到Q8的各自栅极，提供了对应于逆变器控制信号Spwm1的栅极控制信号GS3到GS8。通过驱动装置(未示出)的一部分，响应于栅极控制信号GS3到GS8开启/关闭开关元件Q3到Q8。
逆变器131的每个相臂的中间点与电动发电机MG1的相应相线圈的一端相连接，其中所述电动发电机MG1为三相永磁电动发电机。所述相线圈的各其它端共同地连接到中间点。进一步，所述三相中的至少两相配备有电流传感器161、162，从而可检测各相电流。
类似于逆变器131，逆变器132也是三相逆变器，其包括开关元件Q3#到Q8#，以及反并联二极管D3#到D8#。对于开关元件Q3#到Q8#的各自栅极，提供了对应于逆变器控制信号Spwm2的栅极控制信号GS3#到GS8#。通过驱动装置(未示出)的一部分，响应于栅极控制信号GS3#到GS8#开启/关闭开关元件Q3#到Q8#。
逆变器132的每一相的中间点与电动发电机MG2的对应相线圈的一端相连接。电动发电机MG2的相线圈的各其它端共同地连接到中间点。对于所述三相中的至少两相，配备了电流传感器161#、162#，从而可检测各相电流。
对相数(三相)和电动发电机MG1、MG2的形式(永磁电机)没有加以限制，可使用任意的AC电动机。
现在描述当电动发电机MG1、MG2工作于所述电力运行模式时所述电源装置的操作。
电池10在电源线101、102之间提供对应于“第一DC电压”的输入电压Vb。
变换器110接收从电池10提供的在电源线101、102之间的输入电压Vb，通过开关元件Q1、Q2的开关控制对输入电压Vb进行升压，以生成对应于“第二DC电压”的电机工作电压Vm，并在电源线103、102之间输出所述生成的电压。这样，电源线103、102分别构成“第一电源线”和“第二电源线”。在变换器110的升压比(Vm/Vb)由开关元件Q1、Q2各自ON时段(占空比)之间的比例确定。
于是，变换器/逆变器控制单元140基于来自控制单元15的电压指令值Vmr确定在变换器110的升压比，并产生栅极控制信号GS1、GS2，从而满足此升压比。
在电源线103、102之间，可充电放电并且可作为“电荷存储单元”的平滑电容器120从变换器110提供的电机工作电压Vm进行平滑。
响应于栅极控制信号GS3到GS8以及GS3#到GS8#，逆变器131、132将电源线103、102之间的电机工作电压Vm变换为用于驱动电动发电机MG1、MG2的AC电压。
变换器/逆变器控制单元140根据各种传感器的各输出值产生逆变器控制信号Spwm1、Spwm2，以使得电机电流流经电动发电机MG1、MG2的每一相，从而生成根据扭矩指令值Tref的扭矩和根据目标转数的转数。例如，对应于逆变器控制信号Spwm1、Spwm2的栅极控制信号GS3到GS8以及GS3#到GS8#为依据通常使用的控制方案生成的PWM信号波。
各种传感器的输出值包括例如电动发电机MG1、MG2的位置传感器和速度传感器的各自的输出值，电流传感器161、162、161#和162#的各自的输出值，以及用于检测电机工作电压Vm的电压传感器的输出。
相反，当电动发电机MG1、MG2工作于所述再生模式时，以如下方式控制所述电源装置的工作。在此，电动发电机MG1、MG2的再生模式包括当混合动力车100的驾驶员踩在脚制动器上时所实现的伴随有再生发电的制动，以及当所述驾驶员松开所述加速踏板并且不操作所述脚制动器时所实现的伴随有再生发电的车辆的减速(或加速)。
变换器/逆变器控制单元140从来自ECU 15的识别信号SMT检测混合动力车100开始工作于所述再生模式。响应于此，变换器/逆变器控制单元140产生逆变器控制信号Spwm1、Spwm2，从而使得由电动发电机MG1、MG2所产生的AC电压被逆变器131、132变换为DC电压。
于是，逆变器131、132依据电压指令值Vmr将由电动发电机MG1、MG2产生的AC电压变换为DC电压(即，电机工作电压Vm)，并在电源线103、102之间输出所述生成的电压。
在所述再生模式下，变换器/逆变器控制单元140产生变换器控制信号Scnv，从而使得从逆变器131、132提供的DC电压(电机工作电压Vm)被降压。换言之，在所述再生模式下，响应于各栅极控制信号GS1、GS2开启/关闭变换器110的开关元件Q1、Q2，从而使得电机工作电压Vm被降压，并且在电源线101、102之间输出DC电压Vb。因而，利用来自变换器110的DC电压Vb对电池10进行充电。这样，变换器110也能够将电机工作电压Vm降压至DC电压Vb，并因而具有双向变换器的功能。
已经描述了在驱动和控制所述电动发电机时所涉及的电源装置的基本操作。利用本发明的电源装置，在所述电动发电机的所述电力运行模式和所述再生模式的每一种下，电力平衡得到控制以避免变换器110中产生过电流。如下所述，可作为在控制单元(ECU)15中预先编程的用于控制的操作来实现对所述电力平衡的控制。
图5是流程图，其说明了在所述电力运行模式下通过所述控制单元进行的电力平衡控制。
参照图5，在所述电力运行模式下，响应于例如驾驶员对所述加速器的操作，计算电动发电机MG1、MG2的所需的扭矩Trq(步骤S100)。如图3所示，根据所述计算得到的所需的扭矩Trq和电机转数N，确定最佳电机工作电压Vm#。
独立于图5流程图所示的处理，控制电机工作电压Vm，并且根据对应于图3中的最佳电机工作电压Vm#的电压指令值Vmr，通过变换器110的开关控制来实现所述控制。换言之，根据电机工作条件并且独立于扭矩指令值Tref确定电压指令值Vmr。
响应于电机工作电压Vm的控制，为每个控制时段计算电容器电力的变化量Pc，其为平滑电容器120的存储的电力(P＝C·V2/2)的变化量(步骤S110)。
利用施加于平滑电容器120的电机工作电压Vm以及平滑电容器120的电容值C表示电容器电力的变化量Pc，即为在控制时段T中的P＝C·V2/2的变化量，如表达式(1)所示：
Pc = { 1 2 C · ( Vm + ΔVm ) 2 - 1 2 C · Vm 2 } · 1 T
= C 2 T ( 2 · Vm · ΔVm + Δ Vm 2 ) - - - ( 1 )
在表达式(1)中，Vm表示在所述相关控制时段内的电机工作电压，而ΔVm表示在所述控制时段和在前紧邻的控制时段之间的电机工作电压Vm的差。例如，在第i控制时段(i为自然数)，所述差表示为等式ΔVm(i)＝Vm(i)-Vm(i-1)。因而，当电机工作电压Vm增加时，电容器电力的变化量Pc大于零(Pc＞0)。
例如，可将检测所述电机工作电压的电压传感器的输出值用作为表达式(1)中的Vm，以准确地计算电容器电力的变化量Pc。可选地，将电压指令值Vmr用作为表达式(1)中的Vm来计算电容器电力的变化量Pc，从而减小计算负担。
进一步，计算对应于所需的扭矩Trq的电机消耗电力Pm。然后，进行关于电力平衡的确定，即，确定电机电力Pm与在步骤S110中确定的电容器电力的变化量Pc之和是否超出所述变换器的输出电力的限制值(此后称为变换器输出电力限制值)Pcvlm(步骤S120)。
变换器输出电力限制值Pcvlm例如由所述电源，即，电池10的容量，以及构成变换器110的开关元件Q1、Q2的电力(电流)容量所限制。具体地，当通过电池10的容量而非通过开关元件Q1、Q2的容量来限制变换器输出电力限制值Pcvlm时，将会有过电流流经开关元件Q1、Q2，对器件保护而言，这是一个问题。
于是，通过确定是否满足由如下表达式(2)所定义的条件，可确定电机电力Pm是否超出通过从变换器输出电力限制值Pcvlm中减去电容器电力的变化量Pc(＞0)而计算得到的值(步骤S130)。
Pm≤Pcvlm-Pc(在所述电力运行模式下Pm、Pcvlm、Pc＞0)                                                …(2)
当满足所述条件Pm≤Pcvlm-Pc时，并且由电动发电机MG1、MG2消耗的电力确实如所需的扭矩Trq所定义时，电机电力Pm将不会超出变换器输出电力限制值Pcvlm。然后，将扭矩指令值Tref设置为等于所需的扭矩Trq(步骤S140)。
相反，当满足所述条件Pm＞Pcvlm-Pc时，并且电动发电机MG1、MG2消耗的电力确实如所需的扭矩Trq所定义时，电机电力Pm与电容器电力的变化量Pc之和超出变换器输出电力限制值Pcvlm。在这种情况下，限制电机电力Pm，从而使得电机电力Pm不超出变换器输出电力限制值Pcvlm，特别地，使得变换器110中不产生过电流。
更具体地，计算所述电机电力的限制值Pm#，其满足由表达式Pm#＝Pcvlm-Pc所表示的条件，并且根据此电机电力Pm#计算扭矩指令值Tref。换言之，将扭矩指令值Tref限制为小于最初所需的扭矩Trq(步骤S150)。
依照在步骤S140或步骤S150中所确定和计算的扭矩指令值Tref，逆变器131、132被开关控制，并且电动发电机MG1、MG2的扭矩(即，电机电流)被控制(步骤S160)。
利用上述控制以及允许由所述变换器改变到所述电机驱动控制单元(逆变器)的输入电压(电机工作电压Vm)的结构，相互配合进行所述电机控制和所述变换器控制，从而防止从所述变换器提供的输出电力变得过量。换言之，变换器110的输出电力没有超出其限制值Pcvlm，因而能够防止变换器110的过电流，以实现器件保护。
当与此实施例一样，提供了多个负载，即，电机(电动发电机)时，计算电机的消耗电力之和作为电机电力Pm。
现在描述所述再生模式中的电力平衡控制。如上所述，当所述变换器进行工作以增加所述电压时，根据电机工作条件增加电机工作电压Vm，并且在所述电力运行模式下，根据需要限制电动发电机(MG1，MG2)的电机电力。
相反，当所述电动发电机工作于所述再生模式时，最佳电机工作电压Vm#根据电机工作条件而降低。然后，关于所述再生模式下的电力平衡控制，如果所述电动发电机的再生电力被限制，制动能力降低。因此，如果以施加于增加电压的处理中的类似方式来进行在所述再生模式下的控制，在安全性和驾驶员的身体感觉方面，将会引起问题。于是，在所述再生模式下，以如下描述的方式进行电力平衡控制。
图6是流程图，其说明了在所述再生模式下的电力平衡控制。
参照图6，当开始在所述再生模式下的电力平衡控制时，控制单元15计算电机再生电力Pm(＜0)(步骤S200)。与步骤S120中一样，当提供了多个产生电力的电机(电动发电机)时，计算这些电机的再生电力之和作为电机电力Pm。
进一步，如图5所示步骤S110一样，基于表达式(1)计算电容器电力的变化量Pc(步骤S210)。
然后，确定在各步骤S200、S210中计算得到的电机再生电力Pm(＜0)和电容器电力变化量Pc(＜0)与输入到所述变换器的电力的限制值(此后称为“变换器输入电力限制值”)Pcvlm(＜0)之间的平衡。具体地，确定是否满足表达式(4)，其中，表达式(4)作为表达式(3)的修改版本，逆转了表达式(2)的极性(步骤S220)。
Pm≥Pcvlm-Pc(在所述再生模式中，Pm、Pcvlm、Pc＜0)    …(3)
Pc≥Pcvlm-Pm…(4)
在满足了表达式(4)的情况下，即使根据电机工作条件如图3所示变化电机工作电压Vm，也不会出现到变换器110的输入电力变得过量的情况。因而，电机工作电压Vm的电压指令值Vmr被设置为基于图3计算得到的最佳电机工作电压Vm#(步骤S230)。
当不满足表达式(4)时，进一步确定电机再生电力Pm是否超出变换器输入电力限制值Pcvlm(步骤S240)。
当满足所述条件Pm＜Pcvlm时，即，电机再生电力Pm的绝对值大于变换器输入电力限制值Pcvlm的绝对值时，为了禁止根据电机工作条件所做的电机工作电压Vm的降低，将电压指令值Vmr固定为与在前紧邻的控制时段的电压指令值相同的值(步骤S250)。
在这种情况下，当电机工作电压Vm依照工作条件偏离所述最佳值，并且因此逆变器131、132的电力消耗增加时，不对所述电动发电机的再生电力进行限制，从而不会降低所述制动能力。
相反，当满足条件Pm≥Pcvlm时，即，电机再生电力Pm的绝对值等于或小于变换器输入电力限制值Pcvlm的绝对值时，不能依照电机工作条件将电机工作电压Vm精确地降低到最佳电压Vm#。然而，允许电机工作电压Vm在由Pcvlm-Pm确定的差等于电容器电力的变化量Pc的范围内降低。换言之，在满足如下表达式(5)的范围内确定电机工作电压的变化量(ΔVm)。
1 T { C 2 ( Vm + ΔVm ) 2 - C 2 · Vm 2 } = Pcvlm - Pm - - - ( 5 )
由于所述电机工作电压在控制时段T内从Vm变化到Vm+ΔVm，表达式(5)的左边对应于电容器电力的变化量Pc。即，Vm表示在前紧邻的控制时段中的电机工作电压Vm。
表达式(5)中的ΔVm由如下表达式(6)确定。
ΔVm = - Vm + - Vm 2 + 2 · T · ( Pcvlm - Pm ) C - - - ( 6 )
当基于表达式(6)限制所述变化量ΔVm时，允许所述电机工作电压的电压指令值Vmr降低(步骤S260)。这样，可以基于电机再生电力Pm和变换器输入电力限制值Pcvlm之间的差，限制电压指令值的降低量，使得在不超出变换器输入电力限制值Pcvlm的范围内降低电机工作电压Vm，从而提高电动发电机MG1、MG2的效率。
因而，基于在步骤S230、S250、S260之一中所确定的电压指令值Vmr，进行所述变换器的开关控制以控制电机工作电压Vm(步骤S270)。
于是，当电动发电机MG1、MG2工作于所述再生模式时，无需限制电动发电机MG1、MG2的再生电力即可实现所述控制，考虑到电容器电力的变化量，如此可使得输入到变换器110的电力不超出其限制值Pcvlm。因而能够避免变换器110的过电流，从而实现器件保护。
尽管此实施例包括了如上说明的结构，在其中利用所述电源装置驱动和控制两个AC电动机，在通过所述电机驱动控制单元(对应于本实施例中的逆变器)控制所述电机的扭矩(电力)的情况下，本发明可应用于既用于驱动和控制AC电动机又用于驱动和控制DC电动机的电源装置和电机驱动控制方法。
进一步，通过所述电源装置驱动和控制的电机的数目不限于特定数目，并且本发明可应用于驱动和控制任意数目的电机的电源装置。在这种情况下，控制和驱动多个电机的电源装置可如图5和6所示计算所述电机的消耗电力和再生电力，作为这些电机的消耗电力和再生电力之和。
此外，除了混合动力车之外，本发明的电源装置可应用于诸如电动车的车辆，并且还可应用于具有将被驱动和控制的电机的各种设备和系统。
尽管已经详细描述和说明了本发明，可清楚地知道，这仅用于说明和示例，而不是作为对本发明的限制，本发明的精神和范围仅由所附权利要求进行限制。
工业实用性
本发明的电源装置以及电机驱动控制方法可应用于在其上配备有能够被电源装置驱动和控制的设备和系统，所述设备和系统包括在其上配备有电机的车辆，如混合动力车和电动车。

Claims (17)

1.一种用于驱动和控制电机(MG1，MG2)的电源装置(20)，包括：
DC电源(10)；
变换器(110)，其根据电压指令值(Vmr)将来自所述DC电源的第一DC电压(Vb)变换为第二DC电压(Vm)，以在第一电源线(103)和第二电源线(102)之间输出所述第二DC电压；
可充放电的电荷存储单元(120)，其被连接在所述第一电源线和所述第二电源线之间；
电机驱动控制单元(131，132)，其接收所述第一电源线和所述第二电源线之间的所述第二DC电压，并根据驱动力指令值(Tref)，将所述第二DC电压变换为用于驱动和控制所述电机的电力；以及
控制单元(140)，当所述电机工作于电力运行模式时，所述控制单元调整所述驱动力指令值，以使得根据所述驱动力指令值由所述电机消耗的电力(Pm)与所述电荷存储单元所存储的电力的变化量(Pc)之和小于从所述变换器输出的电力的限制值(Pcvlm)，其中所述变化由所述第二DC电压变化而引起。
2.根据权利要求1所述的电源装置，其中，
根据所述电机(MG1，MG2)的转数(N)和所需的驱动力(Trq)，并且独立于所述驱动力指令值(Tref)，来确定所述电压指令值(Vmr)。
3.根据权利要求1所述的电源装置，其中，
所述DC电源(10)可充电；
当所述电机(MG1，MG2)工作于再生模式时，所述电机驱动控制单元(131，132)根据所述电压指令值(Vmr)将由所述电机产生的电力变换为所述第二DC电压(Vm)，并在所述第一电源线(103)和所述第二电源线(102)之间输出所述第二DC电压，
当所述电机工作于再生模式时，所述变换器(110)将所述第二DC电压变换为所述第一DC电压(Vb)，以对所述DC电源充电，并且
当所述电机工作于所述再生模式时，所述控制单元(140)基于在由所述电机产生的电力(Pm)和由于所述第二DC电压(Vm)的变化而引起的所述电荷存储单元(120)所存储的电力的变化量(Pc)的组合与输入到所述变换器(110)的电力的限制值(Pcvlm)之间的关系，根据需要调整所述电压指令值(Vmr)。
4.根据权利要求3所述的电源装置，其中，
当所述电机工作于所述再生模式时，在根据所述电机(MG1，MG2)的转数(N)和所需的驱动力(Tref)暂时地确定所述电压指令值(Vmr)之后，由所述控制单元根据需要调整所述电压指令值(Vmr)。
5.根据权利要求3所述的电源装置，其中，
当所述电机工作于所述再生模式并且由所述电机(MG1，MG2)产生的电力(Pm)超出所述输入到所述变换器的电力的限制值(Pcvlm)时，所述控制单元(140)禁止所述电压指令值的降低。
6.根据权利要求3所述的电源装置，其中，
当所述电机工作于所述再生模式并且由所述电机产生的电力(Pm)小于所述输入到所述变换器(110)的电力的限制值(Pcvlm)时，所述控制单元(140)限制所述电压指令值的降低量，从而利用所述输入到所述变换器(110)的电力的限制值(Pcvlm)与由所述电机(MG1，MG2)产生的电力(Pm)的组合来平衡由于所述第二DC电压(Vm)的变化而引起的所述电荷存储单元(120)所存储的电力的变化量(Pc)。
7.根据权利要求1到6中任何一个所述的电源装置，其中，
所述控制单元(140)基于所述电压指令值(Vmr)计算所述存储的电力的变化量(Pc)。
8.根据权利要求1到6中任何一个所述的电源装置，其中，
所述控制单元基于所述第二DC电压(Vm)的检测值来计算所述存储的电力的变化量(Pc)。
9.一种机动车(100)，包括：
权利要求1到6中任何一个所述的电源装置(20)；以及
AC电动机(MG1，MG2)，其被配置为由所述电源装置驱动和控制的所述电机，并且能够驱动至少一个车轮(50L，50R)，
所述变换器，其被配备为能够使得所述第二DC电压(Vm)高于所述第一DC电压(Vb)的升压变换器，以及
所述电机驱动控制单元，其包括逆变器(131，132)，所述逆变器在所述第二DC电压和用于驱动和控制所述AC电动机的AC电压之间进行变换。
10.一种电机驱动和控制方法，其用于通过电源装置(20)驱动和控制电机(MG1，MG2)，所述电源装置包括：DC电源(10)；变换器(110)，其根据电压指令值(Vmr)将来自所述DC电源的第一DC电压(Vb)变换为第二DC电压(Vm)，以在第一电源线(103)和第二电源线(102)之间输出所述第二DC电压；可充放电的电荷存储单元(120)，其被连接在所述第一电源线和所述第二电源线之间；以及电机驱动控制单元(131，132)，其根据驱动力指令值(Tref)，将在所述第一电源线和所述第二电源线之间的所述第二DC电压变换为用于驱动和控制所述电机的电力，
所述方法包括：第一步骤(S150)，当所述电机工作于电力运行模式时，调整所述驱动力指令值，以使得根据所述驱动力指令值由所述电机消耗的电力(Pm)与所述电荷存储单元所存储的电力的变化量(Pc)之和小于从所述变换器输出的电力的限制值(Pcvlm)，其中所述变化由所述第二DC电压变化而引起。
11.根据权利要求10所述的电机驱动和控制方法，其中，
根据所述电机(MG1，MG2)的转数(N)和所需的驱动力(Trq)并且独立于所述驱动力指令值(Tref)，来确定所述电压指令值(Vmr)。
12.根据权利要求10所述的电机驱动和控制方法，其中，
所述DC电源(10)可充电，
当所述电机(MG1，MG2)工作于再生模式时，所述电机驱动控制单元(131，132)根据所述电压指令值(Vmr)将由所述电机产生的电力(Pm)变换为所述第二DC电压(Vm)，并在所述第一电源线(103)和所述第二电源线(102)之间输出所述第二DC电压，
当所述电机工作于再生模式时，所述变换器(110)将所述第二DC电压变换为所述第一DC电压(Vb)，以对所述DC电源充电，并且，
所述电机驱动控制方法进一步包括第二步骤(S240-S260)，当所述电机工作于所述再生模式时，基于在由所述电机产生的电力(Pm)和由于所述第二DC电压的变化而引起的所述电荷存储单元(120)所存储电力的变化量(Pc)的组合与输入到所述变换器的电力的限制值(Pcvlm)之间的关系，根据需要调整所述电压指令值。
13.根据权利要求12所述的电机驱动和控制方法，其中，
当所述电机工作于所述再生模式时，在进行所述第二步骤(S240-S260)之前，根据所述电机(MG1，MG2)的转数(N)和所需的驱动力(Trq)暂时地确定所述电压指令值(Vmr)。
14.根据权利要求12所述的电机驱动和控制方法，其中，
所述第二步骤包括这样的子步骤(S250)，当所述电机工作于所述再生模式并且由所述电机(MG1，MG2)产生的电力(Pm)超出所述输入到所述变换器(110)的电力的限制值(Pcvlm)时，禁止所述电压指令值(Vmr)的降低。
15.根据权利要求12所述的电机驱动和控制方法，其中，
所述第二步骤包括这样的子步骤(S260)，当所述电机工作于所述再生模式并且由所述电机(MG1，MG2)产生的电力(Pm)小于所述输入到所述变换器(110)的电力的限制值(Pcvlm)时，限制所述电压指令值(Vmr)的降低量(Pc)，从而利用所述输入到所述变换器(110)的电力的限制值(Pcvlm)与由所述电机产生的电力(Pm)的组合来平衡由于所述第二DC电压的变化而引起的所述电荷存储单元所存储的电力的变化量(Pc)。
16.根据权利要求10到15中任何一个所述的电机驱动和控制方法，其中，
在所述第一或第二步骤(S150，S240-S260)中，基于所述电压指令值(Vmr)计算所述存储的电力的变化量(Pc)。
17.根据权利要求10到15中任何一个所述的电机驱动和控制方法，其中，
在所述第一或第二步骤(S150，S240-S260)中，基于所述第二DC电压(Vm)的检测值来计算所述存储的电力的变化量(Pc)。
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