具有隔离的中性拓扑的双端逆变器系统

摘要

本发明涉及具有隔离的中性拓扑的双端逆变器系统。一种用于在具有第一能量源和第二能量源的车辆中使用的逆变器系统中的系统和方法。系统具有包括第一组绕组和第二组绕组的马达。第一组绕组和第二组绕组电子绝缘。系统进一步包括第一逆变器与第一能量源联接并用于驱动马达，其中第一组绕组与第一逆变器联接。系统还包括第二逆变器与第二能量源联接并用于驱动马达，其中第二组绕组与第二逆变器联接。控制器与第一逆变器和第二逆变器联接。

说明书

相关申请的交叉参考

本申请请求享有2007年7月30申请的序列号为60952772的美国临时申请的优先权。

技术领域

本申请所描述主题内容的实施方案主要涉及车辆的驱动系统，尤其涉及具有双端逆变器驱动系统的混合动力车辆。

背景技术

在最近几年中，技术的进步以及式样品位的进步导致了在汽车设计中的根本性变化。其中的一个变化包括动力使用和在汽车中各种电气系统的复杂性，特别是在可替代燃料车辆(诸如混合动力、电动和燃料电池车辆)中。

很多的电子组件，包括在这些车辆中使用的电动马达(electric motor)，从交流电(AC)电源获得电能。但是，在这些应用中的电源(例如，电池(battery))仅提供直流(DC)功率。因此，已知“功率逆变器”装置用于将DC功率转换为AC功率，经常使用多个开关或者晶体管，以不同间隔操作，以将DC功率转换为AC功率。

此外，这些车辆，特别是燃料电池车辆，通常使用两个分开的电压源(例如，电池和燃料电池)来向驱动车轮的电动马达供电。例如直流到直流(DC/DC)转换器的“功率转换器”典型的用于管理和从两个电压源传送电力。现代的DC/DC转换器通常包括由电感来电互连的晶体管。通过控制各个晶体管的状态，通过电感可以施加期望的平均电流，并控制两个电压源之间的功率流。

通过使用功率逆变器和功率转换器增加了汽车电系统的复杂性。两种类型的装置需要的附加部件通常增加了车辆的重量和成本。由此，通过使用双逆变电系统，提出了不使用DC/DC转换器，而操作与多个电源耦合的马达，同时使得马达工作性能最佳的系统和方法。

现有技术的系统限于传统的在汽车中使用的三相马达的设计。这些系统中的许多设计需要具有电压电平基本相同的两个能量源。此外，在其中的一个由于一些原因(例如，特别冷的温度下)而不工作的时候，现有技术的设计不能适应仅仅使用另外的源来操作马达。

因而，希望提供一种双逆变系统来适应使用不同操作特性的能量源来在一个能量源不工作的情况下对车辆进行冷启动(cold cranking)。本发明其他预期实现的特点和特征通过结合附图和前述的技术领域和背景技术以及随后的说明和权利要求的内容将变得十分清楚。

发明内容

一种装置用于汽车驱动系统。汽车驱动系统包括具有第一组绕组和第二组绕组的四相马达。第一组绕组和第二组绕组电隔离。第一逆变器和第一组绕组耦合。第二逆变器和第二组绕组耦合。

一种装置用于逆变器系统来在具有第一能量源和第二能量源的车辆中使用。逆变器系统包括具有第一组绕组和第二组绕组的马达。第一组绕组和第二组绕组电隔离。逆变器系统进一步包括与第一能量源耦合的第一逆变器，其适于驱动马达，其中第一组绕组同第一逆变器耦合。逆变器系统还包括与第二能量源耦合的第二逆变器，其适于驱动马达，其中第二组绕组同第二逆变器耦合。控制器与第一逆变器和第二逆变器耦合。控制器构造为控制第一逆变器和第二逆变器来实现在第一能量源、第二能量源和马达之间的期望功率流。

一种方法用于控制使用与第一能量源和第二能量源耦合的双端逆变器系统的四相马达。方法包括判定操作的条件和响应第一操作条件调整双端逆变器系统向使用两个能量源的四相马达供电。方法进一步包括响应第二操作条件调整双端逆变器系统来对任一能量源进行电磁充电，并调整双端逆变器系统来产生马达的有效中性点，并响应第三操作条件通过任一能量源向四相马达供电。

这些概述用于简单介绍发明理念的一部分，在下面的内容中将对其进行详细的说明。这些概述不是要确定发明的重要特征或者已经主张的主旨的基本特征，也不是用于帮助判定主张的主题的范围。

附图说明

对发明主题更加完整的理解可以通过结合参考附图从详细的说明和权利要求中获得，其中在附图中相同的附图标记表示相同的部件。

附图1是根据第一实施例的示例汽车的示意图；

附图2是根据第一实施例的双端逆变器系统的示意图；；

附图3是在根据一个实施例的附图2中的双端逆变器系统中使用马达的定子绕组结构的示意图；

附图4是根据一个实施例的马达的相电流图表；以及

附图5是用于操作根据一个实施例的附图2中的双端逆变器系统的控制系统的示意图。

具体实施方式

下述具体说明本质上仅仅作为示例性说明而不是对主题实施例的限制或者是对这样实施例的应用和使用的限制。如这里所使用，“示例”一词表示“作为举例、例子或者说明”。在此处作为示例的实施例不必解释为优选或者比其他的实施方式更具有优越性。此外，在前述的技术领域、背景技术、发明内容或者随后的详细说明中出现的任何表述的或者暗含的理论都不是起到限制的作用。

随后的说明涉及到的部件或者节点或者零件被相互“连接”或者“耦合”。如这里所使用，除非另有说明，“连接”表示一个部件/节点/零件与另外的一个部件/节点/零件直接结合(join)(或者直接联系(communicate))，并不一定是机械结合。同样的，除非采用其他的方式明确表述，“耦合”表示一个部件/节点/零件与另外的一个部件/节点/零件直接或者非直接结合(或者直接或非直接联系)，而不一定是机械结合。因此，虽然这里显示的附图显示了部件的举例的布置，附加的(intervening)部件、装置、零件或者组件可以在已经说明的主题的实施例中出现。涉及到结构的“第一”、“第二”和其他这种数字并不说明一定的序列或者顺序，除非从上下文有明确的说明。

附图1中显示了根据本发明实施例的车辆或者汽车10。汽车10包括底盘12、车体14、四个车轮16和电控系统18。车体14布置在底盘12上并基本上包围汽车10的其他部件。车体14和底盘12可以结合形成车架。车轮16每个都可旋转的在车体14的各个角附近耦合到底盘12。

汽车10可以是很多不同类型汽车中的任一种，诸如，例如是轿车、货车、卡车或者运动型多功能车(SUV)、可以是两轮驱动(2WD)(即，后轮驱动或者前轮驱动)、四轮驱动(4WD)或者全轮驱动(AWD)。汽车10可以包括多个不同类型发动机(engine)中的任何一个或其组合，例如，汽油或者柴油内燃机、“柔性燃料车辆”(flex fuel vehicle，FFV)发动机(即使用汽油和酒精的混合物)，气体混合物(例如氢气和天然气)燃料发动机、内燃(combustion)/电动马达混合动力发动机和电动马达。

在附图1所示的示例性的实施例中，汽车10进一步包括第一马达(motor)20(即，电动马达/发电机，牵引马达(traction motor)等)、第一能量源22、第二能量源24、功率逆变器组件26、散热器28。散热器28与车架在车架外面的部分连接，虽然没有详细显示，其包括多个包含冷却流体(即冷却剂，例如水或者乙二醇(ethylene glycol)(即防冻液))的冷却通道，并与功率逆变器组件26和第一马达20耦合。在一个实施例中，功率逆变器组件26接收并与第一马达20共享冷却剂。如附图1所示，第一马达20可以包括内置的传动装置，这样第一马达20和传动装置通过一个或者多个驱动轴30机械耦合到车轮16中的至少一些。

如所示，第一能量源22与第二能量源24可操作的联系(communication)和/或电耦合到电控制系统18和功率逆变器组件26。虽然没有显示，第一能量源22与第二能量源24可根据不同的实施例变化而具有相同或者不同的类型。在一个或者多个实施例中，第一能量源22与第二能量源24可以每个都包含电池(battery)、燃料电池(fuel cell)、超电容器(untracapacitor)或者其他适合的电压源。电池可以是任何适合在期望的应用中使用的电池类型，比如铅酸电池、锂离子电池、镍金属电池或者其他可以充电的电池。超电容器可以包括超级电容器(supercapacitor)、电化学双层电容器或者任何其他适合于期望的应用中具有较大的能量密度的电化学电容器。

参考附图1和2，双端逆变器系统32适于驱动根据一个实施例具有多于三相的马达20。双端逆变器系统32包含马达20、第一能量源22、第二能量源24、功率逆变器部件26和控制器34。

马达20是多相交流(AC)马达，包括第一组绕组(或线圈)36和第二组绕组37，其中每个绕组对应于马达20的一相。虽然没有显示，马达20包括定子组件(包括线圈)、转子组件(包括铁磁芯)、冷却流体(即，冷却剂)，如本领域技术人员所熟知的那样。马达20可以是感应马达(induction motor)、永磁体马达或者适于希望应用的任何类型。

在一个示例的实施例中，马达20是四相马达，具有第一组绕组36和第二组绕组37，每个都对应于电隔离的两相布线结构。应当注意的是两组绕组36和37是电隔离的，意味着每组绕组36、37中的电流都是可以分别独立进行控制的并与另一组绕组36、37中的电流不同。绕组36和37可以通过使用由马达20产生的磁动势(magnetomotive force)来向其他绕组36和37电磁传送能量。控制器34可以独立控制来自每个能量源22、24的功率流动的方式，以实现期望的功率流。

使用包括两组电隔离的绕组36和37并由两个能量源22、24来驱动的马达20是理想的，特别是对于混合/电模式操作的汽车10中，因为其提供了更好的可靠性。例如，如果第一能量源22，诸如在汽车10中的电池由于一些原因(即冷或严酷的天气)而不工作，马达20仍然可以启动并由第二能量源24独立驱动，这些将在后面进行详细说明。

参考附图2和3，在一个示例性的实施例中，第一组绕组36包括第一相(a)和第二相(b)。在一个示例性的实施例中，第一相(a)和第二相(b)之间的间距(spatial displacement)是这样的，如图所示第一相和第二相之间的电角(electrical angle)是90度。在一个示例性的实施例中，这两相连接起来在马达20中产生第一中性点39。在一个示例性的实施例中，第一相(a)和第二相(b)之间的间距调整为保持在定子构架(frame)中的电角为90度。在现有技术中应当熟知保持90度的电角会导致在马达20中适应于平衡的两相电流励磁而产生平滑的扭矩。

参照附图4，向第一相(i_a)和第二相(i_b)提供电流，其在时间域(in the timedomain)上90度的相位差导致了平滑的旋转磁场。这通过流到第一中性点39(i_{ab_n})的两相电流(i_a和i_b)的和电流来显示。

参照附图2和3，第二组绕组37包括第三相(c)和第四相(d)。由于同前面所述的原因相同的原因，在一个示例性的实施例中，第三相(c)和第四相(d)之间的间距为第三相(c)和第四相(d)之间的电角为90度。此外，两组绕组36和37之间的间距根据不同的设计有所不同，在附图3中表示为θ。在一个示例性的实施例中，间距θ为90度，如附图2所示。在附图3显示绕组36和37具有汇聚(concentrated)绕组结构，这里的概念和原理可以延伸到分布式(distributed)绕组结构。

此外，本领域技术人员应当明白，多相马达20可以比传统的依靠定子中的两组绕组36和37之间的间距的低相(即，三相)机器具有很多的优势。例如变换两个绕组36和37之间的间距可以减少或者消除气隙磁通(air gap flux)谐波和相应的扭矩谐波以及由于这些气通(air flux)谐波造成的转子铜的损耗。绕组36和37之间的间距以及相-连接可以改变以适应希望的应用。在一个示例性的实施例中，两个逆变器38和40的基本频率是一样的，导致了更多的正弦场分布和电流。

参照附图2，功率逆变器组件26包括第一逆变器38和第二逆变器40，每个包括具有反平行(antiparallel)二极管(即与每个开关反平行)的六个开关(例如半导体装置，诸如晶体管和/或开关)。如所示，在逆变器38和40中的开关布置成三对(或，支路)，对42、44和46在第一逆变器38中，对48、50和52在第二逆变器40中。

在示例性的实施例中，马达20第一组绕组36的第一相(a)在其相对端电连接在第一逆变器38开关对42的开关与在第一中性点39处的第二相(b)之间。如所示，第一组绕组36的第二相(b)连接在第一逆变器38的对44的开关和第一中性点39之间。第一中性点39连接在对46的开关之间。类似的，第二组绕组37的两个相(c，d)连接在如图所示的对48、50、和52的开关与第二中性点41之间。此外，在替换的实施例中，两个能量源22，24的负轨(negativerail)可以为了产生公用的负点(未显示)而连接。

在这样的结构中，因为能量源22和24是电隔离的，能量源22和24具有不同的电压电平、额定功率和操作特征等，可以同时使用。相对于其他的逆变器系统将就具有了特别的优势，在其他的逆变器系统中作为实际的部件，能量源22和24需要几乎相同。例如在本例子中，例如燃料电池的高压源(≥100V)可以与12V的燃料电池同时驱动马达20。

继续参照附图2，双端逆变器系统32可以包括第一和第二电容器54和56各自与第一和第二能量源22和24并联连接来平滑操作中的电流波动。控制器34可操作地联系和/或电耦合到第一和第二逆变器38和40。控制器34响应于从汽车10的驾驶员获得的命令(也就是通过加速踏板)并向第一逆变器38和第二逆变器40提供命令，如将要说明的，来控制逆变器38和40的输出。

再次参照附图1，电子控制系统18可操作地与马达20、第一能量源22、第二能量源24、以及功率逆变器组件26联系。虽然没有进行详细的显示，电子控制系统18可以包括多种传感器和汽车控制模块，或者电子控制单元(ECU)，例如逆变器控制模块(即，附图2所示的控制器34)和车辆控制器，以及至少一个处理器和/或包含存储(或者另外的计算机可以读取的介质)在其上的用于执行下述处理和方法的指令的储存器。

在操作的过程中，通过向具有电动马达20的车轮16提供功率来控制汽车10，马达20以交替的形式从第一能量源22和第二能量源24接收功率和/或同时从第一能量源22和第二能量源24。为了向马达20供电，DC功率从第一能量源22和第二能量源24分别向第一和第二逆变器38和40提供，它们将DC功率转换为AC功率，如现有技术中所知的那样。第一和第二逆变器38和40在绕组36和37(或者相)上产生AC电压。如通常所知，马达20的绕组36和37上需要的电压取决于速度、命令扭矩(commanded torque)(即命令的同步架电流(frame current))和其他马达参数。

附图5显示了根据本发明的一个实施例中所述原理的双端逆变器系统32中的用于操作马达20的控制系统60。高频脉冲宽度调制(PWM)可以被控制器34所应用来调制和控制逆变器38和40并管理由逆变器38和40产生的电压。控制系统60包括第一和第二PWM块68和70、以及双端逆变器系统32。

在马达20中产生命令扭矩的时候，控制器34提供控制算法来在第一和第二能量源22和24之间实现希望的功率流。虽然没有显示，控制系统60接收第一马达20的扭矩命令，从中控制器34可以判定第一能量源22(和/或第一逆变器38)和第二能量源24(和/或第二逆变器40)的功率命令，以及马达20中的绕组36和37的同步架电流。

如果马达20不需要能量源22或者24的最大功率输出，从能量源22或者24而来的额外的功率可以用于给其他的能量源22或者24充电。出于示例和简化的目的，可以讨论认为虽然第一能量源22产生了过多的功率来给第二能量源24充电，但是，本领域技术人员可以理解，各种可以替换的希望的功率流是可能的，这种特征也不是限制性的，仅仅作为参考的目的。

现在参考附图5，控制器34可以提供具有调制电压信号v₁^*和V₂^*的第一和第二PWM块68和70。第一和第二PWM块68和70可以产生PWM信号来操作第一和第二逆变器38和40中的开关，引起期望的输出电压来施加在绕组36和37上，以使用希望的扭矩来操作马达20。根据第一实施例控制器34可以构造来确定操作模式。在一个操作模式中，第一能量源22可以独立提供马达20所需的功率。在另一模式中，第一能量源22的最大功率输出可以小于马达20所需的功率。如果马达20需要从第一能量源22而来的功率，以及从第二能量源24而来的功率，控制器34可以构造为通过调制双端逆变器系统32来结合第一能量源22控制从第二能量源24到马达20的功率流。

在另一操作模式中，除了马达20用于产生命令扭矩所需的功率之外，第一能量源22可以具有传送过量功率(即，储备功率(reserve power))的能力。过多的功率也可以提供给第二电压源并由第二电压源储存，并认为是在第二电压源24的电压总线(bus)中的负DC电流，这是因为附图2中所示的电流方向。储备功率可以理解为是马达20所需要的功率和第一能量源22所输出的最大功率之间的差。控制器34可以调制双端逆变器系统32来实现使用马达20的磁动势来给第二能量源24电磁充电。在另一实施例中，控制器34可以构造为在另一操作模式中对二个能量源22、24电磁充电。

在第三操作模式中，第一能量源22可能由于一些原因而不工作(即，冷的温度和严酷的天气)。在一个示例性的实施例中，第二能量源24可以设计为在严酷的天气和冷的温度条件下操作。例如，在冷的温度下工作的锂离子电池可以用于第二能量源24，而第一能量源22可以是传统的铅酸电池。控制器34可以探测到第一能量源22不能提供功率，并通过调制双端逆变器系统32来产生马达20的有效中性点来控制从第二能量源24到马达20的功率流。

绕组36和37上的电压的多种组合可以在马达20中产生需要的扭矩并实现到(或从)能量源22、24和马达20的希望功率流。最佳操作点决定了逆变器38、40的终端上的调制电压。本领域技术人员可以理解的是，判定最佳操作点的条件留给设计者并依靠和选择类型的能量源22、24一起的马达20被使用的应用来改变。本领域技术人员可以理解控制系统60可以进一步被修改来结合适当的反馈信号和现有技术中的其它方法来控制逆变器38和40，这已经超出了这里揭示的内容的范围。

上述的系统和/或方法的优势是，用于采用两个不同的能量源22和24向马达20供电的电子系统被大大简化，因为不需要传统的DC/DC转换器。利用上述的结构允许使用两个具有不同电压电平和操作特征的能量源22和24。此外，在由于一些原因(即极度冷的温度)能量源22和24中一个不能使用的时候，双端逆变器系统32采用单独使用一个能量源22、24来操作马达20或者冷启动汽车10。但是，如前面所述，马达20的性能没有被削弱，因为命令扭矩仍然可以在马达20中产生，同时允许过多功率在能量源22和24之间流动。

其他的实施例也可以在不同类型的汽车、不同的车辆(例如船只和飞行器)或者在不同的电子系统中一起采用利用上述的系统和方法，因为其可以在任何两个源电压动态地在一个较宽的范围内变化的条件下使用。马达20和逆变器38和40可以具有不同的相数，这里所描述的系统不能被认为是限定为一个四相的设计。其他形式的能量源22、24也可以使用，例如包括二极管整流器的负载和电流源、晶闸管变换器、燃料电池、电感、电容和/或上述的结合。

出于简化的目的，关于信号处理、数据传输、发射信号、网络控制和系统的其他功能方面(和系统的各自的操作部分)没有进行详细的说明。进一步，这里的各个附图中所示的连接线用于显示例举各种部件之间的功能关系和/或物理耦合。应当注意的是，很多的替换或者附加功能关系或者物理连接可以在主题的实施例中出现。

当在前面的详细说明中已经出现了至少例举实施例的时候，应当理解存在很多的变型。应当理解的是，示例性的实施例或者这里说明的实施例不是用于以任何方式限制所要求的主题的范围、应用或者特征。更合适地说，前面详细的说明是向本领域技术人员提供一种方便的途径来应用上述的实施例。应当理解，任何变化可以在不脱离权利要求设定的范围内在部件的功能和设置上得以实现，这些变化包括已知的等同物和实施本专利的时候可以预见的等同物。