用于具有双绕组交流牵引电动机的车辆的电力牵引系统

摘要

用于具有双绕组交流牵引电动机的车辆的电力牵引系统。具体地说，本发明提供了一种用于具有高电压电池和低电压电池的汽车的电力牵引系统。该系统包括AC电动机和耦合至该AC电动机的双端逆变器系统。该AC电动机具有第一组绕组和第二组绕组，其占用共同的定子槽，其中第一组绕组和第二组绕组彼此电气隔离。该双端逆变器系统驱动AC电动机，其使用从高电压电池获得的能量和从低电压电池获得能量。该双端逆变器系统使用耦合在第一组绕组和所述高电压电池间的第一逆变器子系统，以及耦合在第二组绕组和所述低电压电池间的第二逆变器子系统。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年7月30日提交的美国临时专利申请序列号60/952742的权益(在此以引用的方式整体并入本文中)。

技术领域

本文描述的主题的实施例通常涉及电力牵引(electric traction)系统。更具体地，主题的实施例涉及用于匹配不同电池电压的方法和装置，其中该装置使用耦合(couple)至双绕组AC牵引电动机的双端逆变器(double ended inverter)。

背景技术

近年来，技术的进步以及款式品位的不断演变，导致汽车设计发生重大变化。变化之一涉及电源应用以及汽车中各种电气系统的复杂性，尤其涉及燃料可替代的车，如混合、电动、燃料电池车。

许多电气元件，包括应用在电动车和混合电动车(electric vehicle)中的电动机，从交流(AC)电源接收电力。然而，应用在这种装置中的电源(例如电池)只提供直流(DC)电。因此，应用已知的设备，如功率变换器将DC电转换为AC电。此外，可应用双端逆变器拓扑来驱动具有两个DC电源的单个AC电动机。

通常应用高电压电池或电池组为大多数电动车和混合电动车的电力牵引系统提供电力存储。这种高电压电池可具有100伏或更高的额定电压。此外，电池还用于为其它随车携带的子系统供电，如照明子系统、仪器(instrumentation)子系统、娱乐子系统等等。例如，许多电动车和混合电动车使用由12伏电池供电的传统子系统。当车辆使用低电压电池和高电压电池(例如具有大于60伏的电压的电池)时，在低电压电气系统和高电压电气系统间提供电隔离(galvanic isolation)是非常重要的，以在发生电气故障的情况下提供安全环境。

发明内容

提供了一种用于车辆的电力牵引系统。该系统包括具有定子的AC电动机，绕组槽形成在定子中，缠绕在所述绕组槽中的第一组绕组，以及缠绕在所述绕组槽中的第二组绕组。第二组绕组与第一组绕组电气隔离。该电力牵引系统还包括耦合至第一组绕组的第一逆变器子系统，以及耦合至该第一逆变器子系统的第一DC能源。第一逆变器子系统被配置用于驱动AC电动机，且第一DC能源具有第一额定电压。该电力牵引系统还使用耦合至第二组绕组的第二逆变器子系统，以及耦合至第二逆变器子系统的第二DC能源。第二逆变器子系统被配置用于驱动AC电动机，且第二DC能源具有第二额定电压。第一组绕组和第二组绕组被配置作为变压器，用于第一DC能源与第二DC能源间的电压匹配。

还提供了一种用于具有高电压电池和低电压电池的车辆的电力牵引系统。该系统包括具有第一组绕组和第二组绕组的AC电动机，其中第一组绕组和第二组绕组占用AC电动机的共用定子槽，且彼此电气隔离，以及耦合至AC电动机的双端逆变器系统。该双端逆变器系统被配置成用于驱动AC电动机，其使用从所述高电压电池获得的能量和从所述低电压电池获得的能量。该双端逆变器系统包括耦合至第一组绕组和高电压电池的第一逆变器子系统，和耦合至第二组绕组和低电压电池的第二逆变器子系统。

还提供了一种用于具有第一能量源和第二能量源的车辆的电力牵引系统，其中第一能量源具有相对较高的额定DC电压，第二能量源具有相对较低的额定DC电压。该系统包括具有第一组绕组和第二组绕组的AC电动机。第一组绕组和第二组绕组彼此电气隔离，且第一组绕组和第二组绕组占用AC电动机的共用定子槽，从而形成变压器，用于第一能量源和第二能量源之间电压匹配。该电力牵引系统还使用耦合至第一能量源和第一组绕组的第一逆变器子系统，以及耦合至第二能量源和第二组绕组的第二逆变器子系统。第一和第二逆变器子系统适于驱动所述AC电动机(单独地或共同地)。该电力牵引系统使用耦合至第一逆变器子系统和第二逆变器子系统的控制器。该控制器被配置用于控制第一逆变器子系统和第二逆变器子系统，以在第一能量源、第二能量源和AC电动机之间实现期望的功率流。

提供本发明是为了以一种简单的形式来介绍一系列概念，其将在下面的内容进行详细的描述。本发明不是为了识别要求保护的主题的主要特征或基本特征，也不是为了辅助确定要求保护的主题的范围。

附图说明

当结合附图，参考详细的说明书和权利要求书时，会对主题有更加完整的理解，其中在所有附图中，相同的附图标记指代相似的元件。

图1是结合了双端逆变器系统的实施例的示例性车辆的示意图；

图2是适于应用在电动车或混合电动车中的双端逆变器系统的实施例的示意性电路图；

图3是适于与图2的双端逆变器系统一起使用的双绕组AC电动机的简化图；

图4为一框图，示出了具有双隔离绕组的定子。

具体实施方式

以下详细描述本质上只是示例性的，并不是为了限制主题的实施例或该实施例的申请和应用。象此处使用的词“示例性”意思是“作为例子、实例或例证”。此处描述的作为示例的任何实现并不必然被限定成比其它实现更加优选或有利。此外，也不必受存在于在前的技术领域、背景技术、发明内容或以下具体描述中的任何已公开的或隐含的理论的束缚。

此处可能采用功能和/或逻辑块组件，并参考操作的符号表示、处理任务以及可由不同的计算组件或设备实施的功能来描述技术。为了简单起见，此处就不详细描述涉及逆变器、AC电动机控制、电动车和混合电动车运行以及该系统(和该系统的单独操作组件)的其它功能方面的常规技术。此外，此处包含的不同视图中示出的连接线旨在表示不同元件间的示例性功能关系和/或物理耦合。应当注意的是在主题的实施例中提供了许多替代性或附加功能关系或物理连接。

以下描述涉及“连接”(connect)或“耦合”(couple)在一起的元件或节点或特征。除非有不同的说明，此处使用的“连接”意味着一个元件/节点/特征直接结合(join)至另一元件/节点/特征(或直接与之通信)，并不一定是机械上的。同理，除非有不同的说明，“耦合”意思是一个元件/节点/特征直接或间接结合至另一元件/节点/特征(或直接或间接与之通信)。因此，虽然图2示出的示意图描述了元件的一种示例性排列，但是该描述主题的实施例中也可存在其它相关元件、设备、特征或组件。

需要提供一种具有两种不同电池(或电池组)的电动车或混合电动车，这两种不同电池具有差别较大的电压。为了满足特定的安全规定，这种结构应该提供与低电压侧的电隔离(这对于低于约60V的电压是需要的)。此处描述的双端逆变器拓扑在相对较低的低电压能源、相对较高的高电压能源以及AC电动机之间提供接口。特别地，该双端逆变器结构在不使用DC/DC变换器的情况下调节着车辆电力牵引系统的能量流动。除去DC/DC变换器有助于节约成本、减轻重量以及简化制造。

一个示例性实施例可用在任意数目的动力车(motor vehicle)中，包括但不局限于电动车、混合电动车或具有电压截然不同的两个电池的燃料电池车。双端逆变器拓扑的示例性实施例允许单个电动机由两个不同的DC电源驱动。例如，如果想要使用具有高电压电池(例如大于60V)和低电压电池(例如约12V)的双端拓扑，那么电隔离是相当有益的。这可以通过使用具有占据相同定子槽(stator slot)的两组隔离绕组的电动机来实现。该双绕组作为变压器，用于提供电压匹配和电隔离。如以下将要详细描述的，绕组的匝数比与两电池的电压比成比例(proportional)。

图1是结合了双端逆变器系统的实施例的示例性车辆(vehicle)100的示意图。车辆100优选地结合双端逆变器系统的实施例，该双端逆变器系统将在下面详细描述。车辆100通常包括底架(chassis)102、主体104、四个轮106以及电子控制系统108。主体104配置在底架102上，且基本上包围车辆100的其它部件。主体104以及底架102可共同构成框架。每个轮106在主体104的相应边角(corner)附近可旋转地耦合至底架102。

车辆100可以是许多不同类型的汽车中的任一种，例如轿车(sedan)、货车(wagon)、卡车或运动型多用途车(sport utility vehicle，SUV)，以及可为2轮驱动(2WD)(亦即后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)或所有轮驱动(AWD)。车辆100还可结合多种不同类型的发动机和/或牵引系统的任一种或多种的组合，发动机(engine)和/或牵引系统的例子有汽油或柴油内燃机、“柔性燃料车”(flex fuelvehicle，FFV)发动机(亦即使用汽油和酒精的混合物)、气体混合(gaseouscompound)(例如氢和天然气)燃料发动机、燃烧(combustion)/电动机混合发动机以及电动机。

在图1所示的示例性实施例中，车辆100是具有电力牵引系统的完全电动车或混合电动车，且车辆100还包括电动机(或牵引电动机)110、具有第一额定电压的第一DC能源112、具有第二额定电压的第二DC能源114、双端逆变器系统116以及散热器(radiator)118。如所示，第一DC能源112和第二DC能源114可操作的通信和/或电连接至电子控制系统108和双端逆变器系统116。应当注意的是在所描述的实施例中，车辆100不包括直流-直流(DC/DC)功率变换器。

对于此处描述的实施例而言，第一DC能源112和第二DC能源114是电压显著不同的电池(或电池组)。此外，第一DC能源112和第二DC能源114可具有不同且不匹配的额定电流(current rating)。在这一点上，第一DC能源112可以是额定运行电压在约42-350伏范围内的相对高电压的电池。出于描述的目的，车辆100的示例性实施例使用能够为第一DC能源112提供大于60伏(例如100伏)的电池。相反，第二DC能源114可以是额定运行电压在约12-42伏范围内的相对低电压的电池。出于描述的目的，车辆100的示例性实施例为第二DC能源114使用12伏电池。此处描述的技术非常适合应用在第一DC能源112提供的相对高电压与第二DC能源114提供的相对低电压的比至少为8∶1的实施例。

电动机110优选三相交流(AC)电力牵引电动机，尽管也可以使用具有不同相数的其它类型的电动机。如图1所示电动机110还可包括传动装置或与传动装置协作，从而使得电动机110和该传动装置通过一个或多个传动轴(drive shaft)120机械耦合至至少一些轮106。散热器118在外部连接至框架，并且尽管没有详细说明，它包括多个包含冷却液(亦即冷却剂)的冷却通道，如水和/或乙二醇(ethylene glycol)(亦即防冻剂)。散热器118耦合至双端逆变器系统116和电动机110，以将冷却液输送(route)至这些部件上。在一个实施例中，双端逆变器系统116接收并与电动机110分享冷却液。在替代实施例中，双端逆变器系统116可以空气冷却。

电子控制系统108与电动机110、第一DC能源112、第二DC能源114以及双端逆变器系统116可操作地通信。虽然没有详细示出，但是电子控制系统108包括各种传感器和汽车控制模块或电子控制单元(ECU)，例如逆变器控制模块(亦即图2所示控制器)以及车辆控制器，以及至少一个处理器和/或存储器，其包括存储在其中(或存储于其它计算机可读介质中)并用于执行以下所述过程和方法的指令。

图2是适合应用在电动车或混合电动车中的双端逆变器系统200的实施例的示意电路图。在特定实施例中，双端逆变器系统116(图1所示)可以这种方式实施。如图2所描述，双端逆变器系统200耦合至AC电力牵引电动机202、高电压电池204以及低电压电池206，并与它们协作。在没有限制的条件下，双端逆变器系统200通常包括：耦合至高电压电池204的第一逆变器子系统208；耦合至低电压电池206的第二逆变器子系统210以及耦合至第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210的控制器212。虽然在图2中未示出，相应的电容器可与高电压电池204和低电压电池206并连耦合从而平滑运行过程中的电流波动(current ripple)。

双端逆变器系统200允许不同的电池向AC电力牵引电动机202供电，即使这些电池具有截然不同的额定工作电压。该拓扑，结合AC电力牵引电动机202(以下进行详细描述)的双隔离绕组配置，提供高电压电池204和低电压电池206间的电压匹配。此外，该拓扑，结合AC电力牵引电动机202的双隔离绕组配置，提供由高电压电池204供电的电气子系统和由低电压电池206供电的电气子系统间的电隔离。在上下文中，“电隔离”(galvanic isolation)意味着没有电流可以直接在双端逆变器系统200的高压侧到低压侧间流动。即使没有电流直接流动，能量和功率也可以使用其它技术(如磁感应)在两侧之间流动。

虽然图2未示出，但是AC电力牵引电动机202包括定子组件(包括线圈)和转子组件(包括铁磁芯)，本领域技术人员对此是理解的。在一个非限制性实施例中，AC电力牵引电动机202是三相电动机，其包括第一组绕组(或线圈)214以及第二组绕组(或线圈)216。换言之，第一组绕组214被实施为三相绕组，而第二组绕组216被实施为另一三相绕组。第一组绕组214中的绕组耦合至第一逆变器子系统208，且第二组绕组216中的绕组耦合至第二逆变器子系统210。应当理解的是实际实施例不总需要使用三相，并且该特定实施方式可根据需要进行更改以适应相数不为三的情况。

AC电力牵引电动机202也在图3中示出。参照图2和3，第一组绕组214包括三个绕组218、220和222。绕组218的一端耦合至第一逆变器子系统208，而绕组218的另一端耦合至(或如图3所示，对应于)公共节点224。同理，绕组220和绕组222每个耦合在第一逆变器子系统208和公共节点224之间。第二组绕组216包括包括三个绕组226、228和230。绕组226的一端耦合至第二逆变器子系统210，而绕组226的另一端耦合至(或如图3所示，对应于)公共节点232。同理，绕组228和绕组230每个耦合在第二逆变器子系统210和公共节点232之间。实际上，AC电力牵引电动机202可以实现为六端设备，且公共节点224和公共节点232可对应于AC电力牵引电动机202的两个不同的内部连接点。

图3描述了绕组218与绕组226成对，绕组220与绕组228成对，以及绕组222与绕组230成对，因为每对绕组都占用AC电力牵引电动机202的共同定子槽。在这点上，图4为一示意图，示出了定子300具有双隔离绕组。出于说明的目的在这里使用定子300，AC电力牵引电动机202的实施例无需使用定子300的特定构造和/或绕组式样。在图4中，小圆形表示形成在定子300中的绕组槽302，而槽302间的实线表示绕组的前面部分，而槽302间的虚线表示绕组的后面(隐藏)部分。

为了描述的容易和清楚起见，图4只示出了一对绕组，其与电动机的a相相关。这对绕组占用了定子300的八个绕组槽302。显然，成对的两绕组缠绕在共同绕组槽302，如图4示意性地描述的那样。为了确保两绕组保持电隔离，将对应的导体进行绝缘。因此，两绕组可缠绕在共同绕组槽302中，从而使得两绕组物理靠近并彼此毗邻。再次参照图3，绕组218和绕组226构成第一对，其占用了第一组共同槽，绕组220和绕组228构成第二组，其占用了第二组共同槽，且绕组222和绕组230构成第三组，其占用了第三组共同槽。

再次参照图2，对于该实施例而言，第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210每个包括具有反向并联(antiparallel)的二极管(亦即通过晶体管开关的电流方向与通过对应二极管的允许电流的方向相反)的六个开关(例如，半导体器件，如晶体管)。如所示，位于第一逆变器子系统208的部分250中的开关排列成三对(或支路)：对252、254和256。类似地，位于第二逆变器子系统210的部分258中的开关排列成三对(或支路)：对260、262和264。绕组214组的第一绕组在其相对端部电耦合在对252(在部分250中)的开关与AC电力牵引电动机202的第一公共节点之间。绕组214组的第二绕组耦合在对254(在部分250中)的开关与第一公共节点之间。绕组214组的第三绕组耦合在对256(在部分250中)的开关和第一公共节点之间。同理，绕组216组的第一绕组在其相对端部电耦合在对260(在部分258中)的开关与AC电力牵引电动机202的第二公共节点之间。绕组216组的第二绕组耦合在对262(在部分258中)的开关与第二公共节点之间。绕组216组的第三绕组耦合在对264(在部分258中)的开关和第二公共节点之间。

如前所述，第一组绕组214和第二组绕组216彼此电绝缘。因此，电流无法在第一逆变器子系统208与第二逆变器子系统210之间直接流动。换言之，AC电力牵引电动机202、第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210适合于被配置成在高电压电池204和低电压电池206之间提供电隔离。更具体地，由高电压电池204供电的任何附加电气子系统将被保护并与由低电压电池206供电的任何附加电气子系统隔离开(反之亦然)。

实际上，第一组绕组214和第二组绕组216适合于被配置作为变压器，其提供高电压电池204和低电压电池206间的电压匹配。这种电压匹配允许高电压电池204通过AC电力牵引电动机向低电压电池206再充电。电压匹配还允许低电压电池206通过AC电力牵引电动机向高电压电池204再充电。当AC电力牵引电动机202旋转时，这种基于变压器的再充电可由控制器212调节和管理。

AC电力牵引电动机202的变压器特性可以通过配置与不同绕组相关联的匝数实现。例如，假定第一组绕组214具有相关的第一数目的匝数，且第二组绕组216具有相关的第二数目的匝数。那么，高电压电池204的额定电压与低电压电池206的额定电压的比将与第一数目的匝数与第二数目匝数的比近似成比例。高电压电池204与低电压电池206的相应额定功率也可影响第一数目的匝数与第二数目匝数的比。因此，可选择第一组绕组214的绕组匝数与第二组绕组216的匝数以分别适应高电压电池204和低电压电池206的特定额定电压和/或额定功率。

第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210被配置用于单独或共同(取决于特定的运行条件)驱动AC电力牵引电动机202。在这点上，控制器212适合于被配置用于影响第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210的运行，从而管理高电压电池204、低电压电池206以及AC电力牵引电动机202间的功率传输。控制器212响应于从车辆的驱动器(例如通过加速踏板)接收的命令并向第一逆变器子系统208的部分250和第二逆变器子系统210的部分258提供控制信号或命令以控制部分250和258的输出。可使用高频脉宽调制(PWM)技术来控制部分250和258，并管理由部分250和258产生的电压。

还参照图1，经过AC电力牵引电动机向轮106供电使得车辆100运行，其中AC电力牵引电动机从高电压电池204和/或低电压电池206接收运行能量。为了向电动机供电，高电压电池204和低电压电池206分别向第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210提供DC功率，第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210将该DC功率转换为AC功率，这是本领域中容易理解的。在特定实施例中，如果电动机不需要高电压电池204最大功率输出，那么高电压电池204的额外功率可用于向低电压电池206充电(使用作为变压器的AC电力牵引电动机202的绕组)。类似地，如果电动机不需要低电压电池206的最大功率输出，那么低电压电池206的额外功率可用于向高电压电池204充电(使用作为变压器的AC电力牵引电动机202的绕组)。当然，在特定运行条件下，可以使用控制器212驱动电动机，其使用来自两能源的能量。另一运行模式涉及从低电压电池206起动(jump start)上述系统的能力。例如，由于多数拖车(tow truck)只具有12伏的起动电池，这种拓扑允许拖车的12伏系统对高电压电池204充电。

在运行中，控制器212接收AC电力牵引电动机202的转矩命令，并决定如何最好地管理高电压电池204与第一逆变器子系统208间以及低电压电池206与第二逆变器子系统210间的功率流。以这种方式，控制器212还调节第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210驱动AC电力牵引电动机202的方式。双端逆变器系统200可使用任何适合的控制方法、协议、方案或技术。例如，双端逆变器系统200可以使用美国专利号为7154237和7199535(两者都属于通用汽车公司)中描述的技术的某些方面。这些专利的相关内容在此作为参考并入本文中。

可以使用以上描述的双端逆变器拓扑来接口(interface)两个不同的能源(例如电池)，该两个不同能源具有截然不同的额定工作电压，用于与电动车或混合电动车的双绕组AC牵引电动机结合控制和管理运行。AC牵引电动机的双端逆变器拓扑和隔离绕组在车辆的低电压子系统和高电压子系统之间提供电隔离。

虽然在前面的详细描述中已经说明了至少一个示例实施例，但是应当理解的是还存在更多的变化。还应当理解的是此处描述的优选实施例或实施例并不是为了以任意方式限制所要保护的主题的范围、实用性或结构。然而，前面的详细描述向本领域技术人员提供了执行上述实施例的便利指示。应当理解的是在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下可对元件的功能和排列做多种改变，其中权利要求书包括提交该专利申请时的已知等同方式和可预知的等同方式。