專利名稱：用于操作聯(lián)接到多個(gè)功率源的電動(dòng)機(jī)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電動(dòng)機(jī)，且更具體地涉及用于操作聯(lián)
接到多個(gè)功率源的電動(dòng)才幾的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
功率逆變器和功率換流器兩者的使用極大地增加了汽車 電氣系統(tǒng)的復(fù)雜性。這兩種設(shè)備需要的附加部件也增加了車輛的總體 成本和重量。 因此，希望提供用于操作聯(lián)接到多個(gè)功率源的電動(dòng)機(jī)的 系統(tǒng)和方法，其采用簡化的電氣系統(tǒng)，同時(shí)使電動(dòng)機(jī)性能最大。此外， 本發(fā)明的其他希望的特征和特性從隨后詳細(xì)說明和所附權(quán)利要求書結(jié) 合附圖和前述技術(shù)領(lǐng)域以及背景技術(shù)變得顯而易見。

發(fā)明內(nèi)容
6
如圖所示，F(xiàn)CPM 22和電池24與電子控制系統(tǒng)18和功
率逆變器組件26可操作通信且/或電連接到電子控制系統(tǒng)18和功率逆 變器組件26。雖然未示出，在一個(gè)實(shí)施例中，F(xiàn)CPM22包括具有陽極、 陰極、電解質(zhì)和催化劑的燃料電池(除了其它部件之外)。如通常理 解的那樣，陽極或負(fù)陰極傳導(dǎo)從例如氫分子釋放的電子，從而它們可 以用于外部回路中。陰極或正陽極將電子從外部回路傳導(dǎo)回到催化劑， 其中它們可以與氫離子和氧重新結(jié)合形成水。電解質(zhì)或質(zhì)子交換膜僅 傳導(dǎo)帶正電的離子而阻止電子，而催化劑利于氧和氫的反應(yīng)。圖2示意性地圖示了

圖1所示的汽車10內(nèi)的雙逆變器開 路繞組電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)32。系統(tǒng)32包括電動(dòng)機(jī)20、 FCPM(或第一電壓源 或功率源)22、電池(或第二電壓源或功率源)24、逆變器組件26、 和控制器34。
如通常理解的那樣，跨過電動(dòng)機(jī)20 (圖2 )的繞組36需 要的電壓(由電壓矢量《表示)取決于速度、指令扭矩(即，指令同 步坐才示電；危(synchronous frame current))牙口其它電動(dòng)才幾參數(shù)。 一種這 樣的操作條件由圖3中的電流矢量；和電壓矢量^表示。 如圖4所示，；和^的許多組合滿足圖3所示的相同電動(dòng) 機(jī)電壓和相同有功功率。這些組合由xy線上的點(diǎn)ah a2, a3和a4表示。 不同矢量表示不同的逆變器/電壓源電壓，所有都在電動(dòng)機(jī)20中產(chǎn)生相 同的扭矩和提供相同的功率流給笫二電壓源24(或從第二電壓源24提 供相同的功率流)。該恒功率線xy上的最優(yōu)操作點(diǎn)決定跨過第二逆變 器40的端子的調(diào)制電壓。 如5示出了用于操作采用根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例如上所 述的原理的雙逆變器系統(tǒng)中的電動(dòng)才幾的系統(tǒng)(和/或方法)60。系統(tǒng)和/ 或方法60包括電流控制方塊62、功率控制方塊64、功率-電壓轉(zhuǎn)換 方塊66、第一和第二 PWM方塊68和70、以及雙逆變器系統(tǒng)32。系 統(tǒng)和/或方法60提供控制算法，所述控制算法實(shí)現(xiàn)第一和第二電壓源 22和24之間的功率流控制同時(shí)在電動(dòng)機(jī)20中產(chǎn)生指令扭矩。雖然未 示出，但是系統(tǒng)60接收用于電動(dòng)機(jī)20的扭矩指令，第一電壓源22(和 /或第一逆變器38)的功率指令以及電動(dòng)機(jī)20內(nèi)繞組36的同步坐標(biāo)電 流可以根據(jù)所述扭矩指令產(chǎn)生。 這些估算功率于是可用作如圖5所示的閉環(huán)功率調(diào)節(jié)器 的反々貴(戶，。)。如果DC側(cè)電流傳感器用于測量DC側(cè)電流，可以 簡化該估算。該測量的DC電流連同測量的DC電壓一起然后用于計(jì)算 瞬時(shí)有功功率，這可以改進(jìn)有功功率調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。圖5的功率控制 方塊64輸出的指令有功和無功功率《和g:分別取代方程7和8中的；/ 和^,以計(jì)算調(diào)制電壓，如下文所述。
[0043在一個(gè)實(shí)施例中，有功和無功功率，或功率指令y, 2*實(shí) 際上對(duì)應(yīng)于第二電壓源24(和/或第二逆變器40)的指令功率，指令功 率通過計(jì)算第一電壓源22的功率指令和第一電壓源22的最大功率輸 出之間的差確定。因而，取決于第一電壓源22中功率是剩余還是短缺， 功率指令尸 ^可以是正的或負(fù)的。
[0044求和回路80計(jì)算指令有功和無功功率與反饋有功和無功 功率之間的差(即，誤差)。該誤差發(fā)送給第二 PI控制器82,第二 PI控制器82類似于上述第一PI控制器74。
[0045第二 PI控制器82產(chǎn)生表示當(dāng)前的有功/無功功率誤差和 經(jīng)過時(shí)間期間上的有功/無功功率誤差的結(jié)合的信號(hào)。第二 PI控制器 82的輸出發(fā)送給求和回路84,在一個(gè)實(shí)施例中，求和回3各84也接收 指令有功和無功功率Z, 2*。求和回路84將來自第二 PI控制器82的信號(hào)加到指令功率，并將修正的指令有功和無功功率《，"發(fā)送給功率
-電壓轉(zhuǎn)換方塊66。
[0046功率-電壓轉(zhuǎn)換方塊66使用修正的指令有功和無功功率 連同合適的反饋信號(hào)一起產(chǎn)生第二逆變器40的電壓指令，如下文所討 論的那樣。
電流的函數(shù)，如下
<formula>formula see original document page 14</formula>
(2)
其中，v,和、是同步坐標(biāo)電壓，^和"是同步坐標(biāo)電流。為了圖示 目的，假設(shè)第一電壓源22在除了產(chǎn)生指令扭矩需要的牽引功率之外產(chǎn) 生過量功率。優(yōu)選地，該過量功率需要流入第二電壓源(即，電池) 24,從而可以存儲(chǔ)以用于隨后使用。在這種情況下，如果p和《是傳輸 給第二逆變器40的有功和無功功率，上述方程中的同步坐標(biāo)電壓和電 流表示第二逆變器40的端子量。
[0048
三相AC電流由電動(dòng)才幾20內(nèi)產(chǎn)生的^丑矩確定，并由電流 控制方塊62調(diào)節(jié)。即，對(duì)于給定的扭矩指令，電動(dòng)機(jī)內(nèi)的AC電流被 預(yù)先確定，方程2中的同步坐標(biāo)電流完全由電流控制方塊62管理。對(duì) 于給定的扭矩指令和給定的功率流， 一組同步坐標(biāo)電壓^和v,需要在第 二逆變器40端子處保持。方程2中的這些電壓表示為
<formula>formula see original document page 14</formula>(3)
[0049傳輸給電動(dòng)機(jī)20的功率數(shù)學(xué)上表示為產(chǎn)生的扭矩7;和同
步速度^的乘積，如下
Pe = X (4)
0050如果系統(tǒng)中的功率損失在該操作點(diǎn)時(shí)為A。,s,.，且第一電壓 源22產(chǎn)生功率A，那么可能流向第二電壓源24的過量功率表示為 H (5)
[0051該瞬時(shí)過量有功功率/可取代方程3中的/7,以計(jì)算第二 逆變器40端子處的同步坐標(biāo)電壓指令v; d和v; g,如下<formula>formula see original document page 15</formula>
(6)
[0052求解同步坐標(biāo)電壓指令得到<formula>formula see original document page 15</formula>
(7)
[0053如果圖3和4中的恒功率線xy表示恒定的有功功率/, 該線上的任何點(diǎn)(即，a!,a2,a3或a4)可選擇為具有不同無功功率^的 操作點(diǎn)，而不改變有功功率流。 一旦確定操作點(diǎn)的最優(yōu)位置，瞬時(shí)無 功功率y的指令值可以通過前述的經(jīng)典無功功率方程(Q)確定。來自
功率控制方塊64的修正的指令有功和無功功率《和"分別取代方程6 中的；/和^ ,以計(jì)算第二逆變器40端子處的調(diào)制電壓。
[0054再次參見圖5,第二逆變器調(diào)制電壓信號(hào)v;力從功率-電 壓轉(zhuǎn)換方塊66發(fā)送給求和回路78,并直接發(fā)送給第二 PWM方塊70。 求和回路78將來自求和回路76的電壓信號(hào)加到第二電壓逆變器調(diào)制 電壓信號(hào)，以產(chǎn)生第一逆變器調(diào)制電壓信號(hào)v;力，第一逆變器調(diào)制電壓 信號(hào)v;^發(fā)送給第一 PWM方塊68。
[0055在電子控制系統(tǒng)18 (圖1 )和/或控制器34 (圖2)內(nèi)的 第一和第二 PWM方塊68和70采用調(diào)制電壓信號(hào)v;j和《w，連同合 適的反饋信號(hào)一起產(chǎn)生PWM信號(hào)，以操作第一和第二逆變器38和40 內(nèi)的開關(guān)，以便使得希望的輸出電壓跨過電動(dòng)機(jī)20內(nèi)的繞組36施加， 如圖2所示，從而操作電動(dòng)機(jī)20。當(dāng)在雙逆變器系統(tǒng)32的第一逆變器 38 (和/或第一電壓源22)側(cè)上有過量電壓或功率時(shí)，功率從第一電壓 源22流動(dòng)通過繞組36進(jìn)入第二電壓源24。當(dāng)系統(tǒng)32的第一逆變器 38側(cè)上有功率短缺時(shí)，功率A^第二電壓源24流入電動(dòng)才幾20。
[0056圖6-11示出了圖5所示的方法和/或系統(tǒng)60的操作的試 驗(yàn)結(jié)果。圖6-8的波形用O無功功率指令產(chǎn)生，而圖9-11的波形用100 伏安(VA)的無功功率指令產(chǎn)生。圖6和9示出了第二電壓源24中 的DC電流。圖7和10示出了第二電壓源24的電壓，而圖8和11示 出了電動(dòng)才幾20中的電流的一個(gè)相位。應(yīng)當(dāng)注意，DC電流表示在指令無功功率指令變化期間有功功率保持不變，這驗(yàn)證了功率流控制器的 去耦性質(zhì)。
[0057上述系統(tǒng)和/或方法的一個(gè)優(yōu)勢在于用兩個(gè)單獨(dú)的DC功 率源給電動(dòng)機(jī)供以動(dòng)力所使用的電氣系統(tǒng)極大地簡化，因?yàn)椴恍枰?規(guī)的DC/DC功率換流器。因而，降低了車輛的總體成本和重量。然而， 如上所述，并沒有損害電動(dòng)機(jī)的性能，因?yàn)橹噶钆ぞ厝栽陔妱?dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn) 生，同時(shí)允許過量功率在功率源之間流動(dòng)。
[0058其它實(shí)施例可在不同類型的汽車、不同車輛(例如，水 運(yùn)工具和航空器)、或不同的電氣系統(tǒng)中采用上述系統(tǒng)和方法，如在
兩個(gè)源的電壓在大范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)改變的任何情況下采用的。電動(dòng)機(jī)和功 率逆變器具有不同數(shù)量的相位，如2或4。可以使用其它形式的功率源， 如電流源和包括二極管整流器、可控硅逆變器、燃料電池、感應(yīng)器、 電容器、和/或它們?nèi)魏谓M合的載荷。
[0059
雖然至少一個(gè)示范性實(shí)施例已經(jīng)在前述詳細(xì)i兌明中闡 述，應(yīng)當(dāng)理解的是，存在大量的變型。也應(yīng)當(dāng)理解的是，示范性實(shí)施 例或數(shù)個(gè)示范性實(shí)施例僅為示例，且不打算以任何方式限定本發(fā)明的 范圍、應(yīng)用或構(gòu)造。相反，前述詳細(xì)說明提供本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施實(shí) 施例或數(shù)個(gè)實(shí)施例的便利路線圖。應(yīng)當(dāng)理解的是，可以進(jìn)行元件的功 能和布置的多種改變而不偏離所附權(quán)利要求書及其合法等價(jià)物所闡述 的本發(fā)明的范圍。
1權(quán)利要求
1. 一種用于操作電動(dòng)機(jī)的方法，所述電動(dòng)機(jī)具有聯(lián)接到第一和第二功率源的至少一個(gè)繞組，所述方法包括接收用于所述電動(dòng)機(jī)的扭矩指令；至少部分根據(jù)所述扭矩指令確定用于所述第一和第二功率源的當(dāng)前功率儲(chǔ)備；根據(jù)所述當(dāng)前功率儲(chǔ)備確定用于所述第二功率源的操作電壓；和將用于所述第二功率源的操作電壓施加到所述至少一個(gè)繞組，所述操作電壓的施加允許所述當(dāng)前功率儲(chǔ)備在所述第一功率源、所述第二功率源和所述電動(dòng)機(jī)中的至少兩個(gè)之間流動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，確定用于所述第一和 第二功率源的當(dāng)前功率儲(chǔ)備包括至少部分根據(jù)所述扭矩指令確定第一功率源的功率指令。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，當(dāng)前功率儲(chǔ)備包括第 一功率源的功率指令小于第一功率源最大功率輸出和所述功率指令不 小于第一功率源最大功率輸出中的至少一個(gè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，確定第二功率源的操 作電壓包括確定第 一功率源的功率指令和第 一功率源的最大功率輸出 之間的差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，確定第二功率源的操 作電壓還包括根據(jù)第 一功率源的功率指令和第 一功率源的最大功率輸 出之間的差確定第二功率源的功率指令。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，確定第二功率源的操 作電壓還基于第二功率源的功率指令和至少一個(gè)繞組的電流指令的乘 積。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)繞組具 有第一和第二相對(duì)的端，第二功率源的操作電壓在繞組的第二端處施 力口 。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于還包括 至少部分根據(jù)第二功率源的操作電壓確定第一功率源的操作電壓；和將第一功率源的操作電壓施加到所述至少一個(gè)繞組的第一端。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，當(dāng)?shù)谝还β试吹墓β?指令小于第 一功率源的最大功率輸出時(shí)，第 一和第二功率源的操作電 壓相應(yīng)施加到至少一個(gè)繞組的相應(yīng)第一和第二端使得功率從第一功率 源流向第二功率源。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，當(dāng)?shù)谝还β试吹墓?率指令不小于第 一功率源的最大功率輸出時(shí)，第 一和第二功率源的操 作電壓相應(yīng)施加到至少一個(gè)繞組的相應(yīng)第一和第二端使得功率從第二 功率源流向電動(dòng)才幾。
11. 一種用于操作具有至少一個(gè)繞組的電動(dòng)機(jī)的方法，第一直流 (DC)功率源和第 一 功率逆變器聯(lián)接到所述至少 一 個(gè)繞組的第 一 端，第二DC功率源和第二功率逆變器聯(lián)接到所述至少一個(gè)繞組的第二端， 所述方法包括接收用于所述電動(dòng)機(jī)的扭矩指令；基于所述扭矩指令確定所述第一DC功率源的功率指令，所述第一 DC功率源的所述功率指令是小于所述第一DC功率源的最大功率輸出 或不小于所述第一DC功率源的所述最大功率輸出之一 ；基于所述第一DC功率源的所述功率指令和所述第一DC功率源的 所述最大功率輸出之間的差確定所述第二DC功率源的功率指令；和基于所述第二DC功率源的所述功率指令確定所述第二DC功率源 的操作電壓；將所述第二 D C功率源的所述操作電壓用所述第二功率源施加到所 述至少一個(gè)繞組。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于還包括 根據(jù)扭矩指令確定第一DC功率源的操作電壓；和將第一 D C功率源的操作電壓用第一 D C功率源施加到至少 一 個(gè)繞 組，第 一和第二DC功率源的相應(yīng)操作電壓施加到至少 一個(gè)繞組使得功 率在所述第一和第二DC功率源和所述電動(dòng)才幾之間流動(dòng)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，第一DC功率源是 燃料電池，第二DC功率源是電池，且所述方法還包括在第一和第二 DC功率源的相應(yīng)操作電壓施加到至少一個(gè)繞組之前，將來自第一和第 二DC功率源的DC功率轉(zhuǎn)換為交流(AC)功率。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，第一DC功率源的 功率指令小于第一DC功率源的最大功率輸出，第一和第二DC功率源的 相應(yīng)操作電壓施加到至少 一個(gè)繞組使得功率從第一DC功率源流向第二 DC功率源。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，第一DC功率源的 功率指令不小于第一DC功率源的最大功率輸出，第一和第二DC功率源 的相應(yīng)操作電壓施加到至少一個(gè)繞組使得功率從第二DC功率源流向電動(dòng)機(jī)。
16. —種汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括 具有至少一個(gè)繞組的電動(dòng)機(jī)；聯(lián)接到所述至少一個(gè)繞組的第一和第二直流(DC)功率源； 聯(lián)接在相應(yīng)的第 一和第二DC功率源和所述至少 一個(gè)繞組之間的第 一和第二功率逆變器，以從所述第一和第二DC功率源接收DC功率并提 供交流(AC)功率給所述電動(dòng)機(jī)；處理器，所述處理器與所述電動(dòng)機(jī)、所述第一和第二DC功率源、 以及所述第一和第二功率逆變器可操作通信，所述處理器構(gòu)造為至少部分根據(jù)所述電動(dòng)機(jī)的扭矩指令確定用于所述第一和第 二 D C功率源的當(dāng)前功率儲(chǔ)備；根據(jù)所述當(dāng)前功率儲(chǔ)備確定用于所述第二DC功率源的操作電壓；和操作所述第二功率逆變器，以用所述第二功率源將所述第二功 率源的所述操作電壓施加到所述至少 一 個(gè)繞組。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述繞組具有 第 一和第二相對(duì)的端，第 一功率逆變器電連接到所述繞組的第 一端， 第二功率逆變器電連接到所述繞組的第二端。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，第一和第二功 率逆變器各包括第一和第二開關(guān)，所述至少一個(gè)繞組電連接在第一和 第二功率逆變器兩者的第一和第二開關(guān)之間。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，確定用于所述 第 一和第二功率源的當(dāng)前功率儲(chǔ)備包括至少部分根據(jù)所述扭矩指令確 定第一功率源的功率指令，其中，確定第二功率源的操作電壓包括確定第 一功率源的功率指令和笫 一功率源的最大功率輸出之間的差；和根據(jù)第 一功率源的功率指令和第 一功率源的最大功率輸出之間的 差確定第二功率源的功率指令。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，確定第二功率源的操作電壓還基于第二功率源的功率指令和至少 一 個(gè)繞組的電流指 令的乘積，所述至少一個(gè)繞組具有第一和第二相對(duì)的端，第二功率源的操作電壓在繞組的第二端處施加，所述方法還包括至少部分根據(jù)第二功率源的操作電壓確定第一功率源的搡作電壓；和將第 一 功率源的操作電壓施加到至少 一 個(gè)繞組的第 一 端。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于操作聯(lián)接到多個(gè)功率源的電動(dòng)機(jī)的方法和系統(tǒng)。提供用于操作電動(dòng)機(jī)的方法和系統(tǒng)，所述電動(dòng)機(jī)具有聯(lián)接到第一和第二功率源的至少一個(gè)繞組。接收用于所述電動(dòng)機(jī)的扭矩指令。至少部分根據(jù)所述扭矩指令確定用于所述第一和第二功率源的當(dāng)前功率儲(chǔ)備。用于所述第二功率源的操作電壓根據(jù)所述當(dāng)前功率儲(chǔ)備確定。用于所述第二功率源的操作電壓施加到所述至少一個(gè)繞組。所述操作電壓的施加允許所述當(dāng)前功率儲(chǔ)備在所述第一功率源、所述第二功率源和所述電動(dòng)機(jī)中的至少兩個(gè)之間流動(dòng)。
文檔編號(hào)B60L15/00GK101445064SQ200810178689
公開日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月27日
發(fā)明者B·A·維爾奇科, S·希蒂, S·查克拉巴蒂 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司