用于逆變器控制的電機的可靠電流感測的制作方法
【專利摘要】逆變器驅(qū)動電機的相電流通過將各個相電流的相導線安裝到各自的磁通芯的中心通道中來測量。多個電流傳感器被安裝到各個磁通芯的間隙中以生成每個相電流的各自的多個電流信號。霍爾效應裝置被連接到用于調(diào)節(jié)電流信號的多個多通道運算放大器裝置以使每組霍爾效應裝置連接到運算放大器中的不同的一個并且以使每個運算放大器裝置接收對應于每個相電流的一個電流信號。因此，對應于每個相導線的有效已調(diào)節(jié)電流信號通過運算放大器裝置生成，除非有霍爾效應裝置和運算放大器裝置的多重同時發(fā)生的故障。
【專利說明】
用于逆變器控制的電機的可靠電流感測
【背景技術】
[0001]本發(fā)明總體上涉及用于控制逆變器驅(qū)動電機的電流感測，并且，更具體地，涉及用于與電動車輛驅(qū)動有關的電流感測的增加的容錯。
[0002]電動車輛——比如混合動力電動車輛(HEV )和插電式混合動力電動車輛(PHEV)一一使用逆變器驅(qū)動電機來提供牽引扭矩和再生制動扭矩。典型的電驅(qū)動系統(tǒng)包括直流(DC)電源(比如電池組或燃料電池)，該DC電源通過接觸器開關連接到可變電壓轉(zhuǎn)換器(VVC)以調(diào)節(jié)主鏈路電容器兩端的主總線電壓。在主總線和牽引馬達之間連接第一逆變器以推進車輛。在主總線和發(fā)電機之間可以連接第二逆變器以在制動過程中再生成能量來通過VVC給電池再充電。如在此所使用的，電機指的是馬達或發(fā)電機。
[0003]逆變器包括以橋接配置連接的晶體管開關(比如絕緣柵雙極晶體管，或IGBThi子控制器打開和關閉開關以便將來自總線的DC電壓轉(zhuǎn)化為應用于馬達的交流(AC)電壓，或以便將來自發(fā)電機的AC電壓轉(zhuǎn)化為總線上的DC電壓。在不同情況下，響應于各種感測到的條件而控制逆變器，該感測到的條件包括電機的旋轉(zhuǎn)位置和流入電機的每個相繞組中的瞬時電流。
[0004]逆變器的脈沖寬度調(diào)制(PffM)切換通常根據(jù)將所需馬達電流與所測量的電流進行比較在馬達/發(fā)電機控制單元(MGCU)的控制下執(zhí)行。例如，所測量的電流可以被扭矩計算器使用以計算瞬時馬達扭矩。所需扭矩可以從駕駛員輸入裝置(比如加速器踏板)、和發(fā)動機控制單元獲得。使用通過駕駛員的動作所指示的特定加速或減速以確定多少扭矩應該被傳遞到車輛車輪。使用所計算出的扭矩需求和實際扭矩(從所測量的電流計算出)之間的差以更新用于切換逆變器的占空比和/或操作頻率。
[0005]可靠電流感測對電動車輛中的電機的HVM控制的正常運行是至關重要的。使用冗余電流傳感器可以增加可靠性，但當使用冗余傳感器以取得單相電流多次測量值時，每相的多個傳感器的使用已引入校準/一致性問題。此外，獲得超出通過已引入冗余傳感器的已知電路拓撲結構來實現(xiàn)的穩(wěn)固性上更大的增加是令人期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在本發(fā)明的一個方面，一種用于電動車輛的具有多相電機的電驅(qū)動裝置包括具有設置在多個相橋臂中的逆變器開關的逆變橋。逆變器控制器可控制地切換逆變器開關。第一和第二相導線被連接在各自的逆變器相橋臂和各自的電機的相繞組之間。每個具有中心通道和間隙的第一和第二磁通芯分別被設置以使第一和第二相導線穿過第一和第二磁通芯的中心通道。包含預定數(shù)量的第一霍爾效應裝置的第一組電流傳感器設置在第一磁通芯的間隙中，以生成各自的第一電流信號。包含預定數(shù)量的第二霍爾效應裝置的第二組電流傳感器設置在第二磁通芯的間隙中，以生成各自的第二電流信號。多個多通道運算放大器裝置設置用于調(diào)節(jié)電流信號并且將它們耦合到逆變器控制器。多通道運算放大器裝置的數(shù)量等于預定數(shù)量。第一霍爾效應裝置中的每一個連接到運算放大器裝置中的不同的一個，并且第二霍爾效應裝置中的每一個連接到運算放大器裝置中的不同的一個。因此，對應于每個相導線的有效已調(diào)節(jié)電流信號通過逆變器控制器接收，除非有霍爾效應裝置和運算放大器裝置的多重故障。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，提供一種多相電動馬達電流測量方法，包含:
[0008]將各自的多個霍爾裝置磁連接到各自的馬達相以生成各自的相電流測量值;以及
[0009]將電流測量值在多個多通道放大器中放大，以使各個相的測量通過不同的放大器放大，從而生成所有相電流的有效電流測量值，除非有霍爾效應裝置和放大器的多重故障。
[0010]在本發(fā)明的一個實施例中，其中每組霍爾裝置通過圍繞各自導線設置的各自的磁通芯磁連接到各自的馬達相的導線。
[0011 ]在本發(fā)明的一個實施例中，本發(fā)明的方法進一步包含:
[0012]將放大的電流測量值在多個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換，其中每個多通道放大器連接到不同的各自模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，提供一種測量逆變器驅(qū)動電機的相電流的方法，包含:
[0014]將各個相電流的相導線安裝到各自的磁通芯的中心通道中；
[0015]將各自的多個電流傳感器安裝到各個磁通芯的間隙中以生成每個相電流的各自的多個電流信號，其中每組電流傳感器包含預定數(shù)量的霍爾效應裝置;以及
[0016]將霍爾效應裝置連接到用于調(diào)節(jié)電流信號的多個多通道運算放大器裝置，以使各自的多個霍爾效應裝置中的每一個連接到運算放大器裝置中的不同的一個并且以使每個運算放大器裝置接收對應于每個相電流的一個電流信號；
[0017]從而對應于每個相導線的有效已調(diào)節(jié)電流信號通過運算放大器裝置生成，除非有霍爾效應裝置和運算放大器裝置的多重同時發(fā)生的故障。
[0018]在本發(fā)明的一個實施例中，其中逆變器控制器控制逆變橋以將相電流供應到電機，方法進一步包含:
[0019]使用多個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器來將已調(diào)節(jié)電流信號轉(zhuǎn)換數(shù)字表示，其中每個運算放大器裝置連接到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的不同的一個。
[0020]在本發(fā)明的一個實施例中，本發(fā)明的方法進一步包含:
[0021]逆變器控制器將對應于每個相導線的已調(diào)節(jié)電流信號比較，以便檢測發(fā)生故障的已調(diào)節(jié)電流信號。
【附圖說明】
[0022]圖1是不出了混合動力電動車輛的一個實施例的框圖；
[0023]圖2是更詳細地示出了逆變橋和電機相繞組的示意圖；
[0024]圖3是示出了現(xiàn)有技術的安裝到印刷電路板的霍爾效應電流傳感器的透視圖；
[0025]圖4是示出了安裝在磁通芯的間隙中的冗余霍爾效應傳感器的透視圖，其中印刷電路板以虛線示出；
[0026]圖5示出了多個相導線，其中每相具有接收各自的多個霍爾效應傳感器的磁通芯；
[0027]圖6是示出了用于將表面安裝霍爾效應傳感器置于共享磁通芯內(nèi)的替代布置的透視圖；
[0028]圖7是示出了電流測量電路的框圖，其中霍爾效應傳感器和放大器的三冗余用來測量電流測量信號且將其報告給控制器；
[0029]圖8是示出了電流測量電路的框圖，其中霍爾效應傳感器和放大器的雙冗余用來測量電流測量信號且將其報告給控制器；
[0030]圖9和10是分別示出了沒有冗余和具有冗余的放大信號的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的框圖。
【具體實施方式】
[0031 ]現(xiàn)在參照圖1，車輛10被示為具有電驅(qū)動系統(tǒng)18的混合動力電動車輛。盡管示出了功率分流的混合動力布局，但是本發(fā)明也適用于任何類型的電動車輛(例如，HEV、PHEV、或完全電動車輛)。內(nèi)燃發(fā)動機11和電池組12供應能量用于推進車輛10。電池12采用連接到用于驅(qū)動車輛車輪15的變速器齒輪14的輸出端來驅(qū)動馬達13 ο發(fā)動機11的機械輸出端通過分流裝置16連接到齒輪14，用于提供動力傳統(tǒng)的發(fā)動機驅(qū)動模式。分流裝置16也將齒輪14連接到發(fā)電機17，以使在再生制動過程中，來自車輪15的可用的機械能可以用來旋轉(zhuǎn)發(fā)電機17，其中如本領域中已知的，回收能量用來給電池12充電。因此，電機(S卩，馬達13和發(fā)電機17)每個連接到車輪15，用于在存儲的電能和車輪的旋轉(zhuǎn)之間雙向轉(zhuǎn)換。
[0032]電驅(qū)動系統(tǒng)18包括用于將電池電壓轉(zhuǎn)換為所需總線電壓的可變電壓轉(zhuǎn)換器20，所需總線電壓通過逆變器21可控制地切換(即轉(zhuǎn)換)以驅(qū)動馬達13。逆變器22被連接在發(fā)電機17和轉(zhuǎn)換器20之間，以使在再生制動過程中將來自發(fā)電機17的AC電源轉(zhuǎn)化為DC電源，DC電源通過轉(zhuǎn)換器20進一步轉(zhuǎn)換為用于給電池12再充電的適當?shù)碾妷骸?br>[0033]為了控制在逆變橋25和26中的IGBT晶體管開關，現(xiàn)有技術的電驅(qū)動系統(tǒng)包括如圖2中所示的馬達-發(fā)電機控制單元(MGCU)27。電流傳感器28-33設置在各自逆變器相橋臂和各自相繞組之間的每個相導線處，以便感測各自AC電流并且提供相應的電流信號給MGCU
27。用于測量相電流的一種優(yōu)選類型的裝置是基于響應于圍繞載流導線生成的磁通量的霍爾效應，以便量化電流量同時保持與負載電路電隔離。霍爾效應電流傳感器可用在結合各種相關聯(lián)的電路系統(tǒng)的集成電路封裝中。為了避免電流電平接近于零的飽和問題，典型的霍爾效應集成電路裝置生成具有預定偏移的輸出電壓(即，對應于零安培的測量電流的輸出電壓處于大于零的預定電壓，比如在0.1 X V。。)。因此，進一步的信號調(diào)節(jié)通常需要移除偏移和/或以其他方式放大或轉(zhuǎn)移傳感器信號。
[0034]圖3示出了在安裝在印刷電路板36上的集成電路封裝35中的現(xiàn)有技術的霍爾效應傳感器單元的示例。相導線37從端子38攜帶負載電流到各自的馬達相/從各自的馬達相攜帶負載電流。集成電路封裝35具有接收導線37的中心通道40。通過在導線37中流動的電流生成的磁通耦合到內(nèi)部磁芯(未示出)和嵌入式霍爾效應元件，該嵌入式霍爾效應元件在輸出銷41中的一個上生成與電流大小成正比的輸出信號。與封裝35相同的多個集成電路封裝可以安裝在電路板36上(每個接收導線37)，以便提供冗余測量信號。然而，當每個封裝將各自芯與霍爾效應元件結合時，板空間和成本可在使用冗余封裝時過大。
[0035]如圖4中所示，本發(fā)明通過使用具有多個霍爾效應元件46-48的共享磁通芯45來實現(xiàn)封裝效率。印刷電路板(PCB)50以虛線被示出，其中霍爾效應元件46-48安裝在電路板50的底側(cè)，并且磁通芯45設置在底側(cè)，以使在芯45中的間隙51接收元件46-48，并且以使中心通道52接收各自相導線(以匯流條或絕緣導線的形式)。芯45的形狀和磁特性和間隙51內(nèi)霍爾裝置46-48的布局被選擇，以確保每個裝置接收大體上相等的磁通量，這由于通過置于中心通道52內(nèi)的負載導線的電流流動造成?；魻栄b置46可以是例如通孔安裝或表面安裝的裝置。A1363霍爾效應傳感器IC和A1381霍爾效應傳感器IC——兩者可向馬薩諸塞州伍斯特市的Allegro微系統(tǒng)有限公司(Allegro MicroSystems，LLC)購買--已用來實踐本發(fā)明。
[0036]對于低電流應用，芯45可以足夠小以直接地安裝到印刷電路板50上。對于更高電流應用——其中需要更大的芯，芯45可以優(yōu)選被安裝(例如，封閉)到塑料殼或殼體(未示出)，其中間隙51被設置，以使當PCB50被安裝到殼體時，裝置46-48正確地定向在間隙51內(nèi)。同樣地，安裝在攜帶將要被測量的電流的PCB50上的負載導線或匯流條(未示出)也可以從PCB 50延伸，以便當PCB 50裝配在殼體內(nèi)時置于中心通道52內(nèi)。盡管圖4示出了單一電流的測量，但是本發(fā)明可以應用于具有部件的進一步重復的多相電驅(qū)動裝置。因此，典型的三相驅(qū)動裝置可以包括一種總成，其中三個磁通芯封閉到機械殼體，并且然后攜帶三組冗余霍爾傳感器的PCB擰到殼體上，以使各自負載電流導線和各組霍爾傳感器同時置于各自磁通芯中。
[0037]圖5示出了本發(fā)明的進一步實施例，其中執(zhí)行用于三相電機的電流測量。因此，印刷電路板55具有在其上終止的相導線56、57和58，用于將各自相電流傳遞到電機(未示出)。冗余霍爾效應裝置60A、60B和60C在板55的一側(cè)上被安裝成一排，以使當板55與芯61—起安裝(例如，芯61已被先前安裝在殼體59中)時，則裝置60A-60C被置于芯61的間隙62內(nèi)，并且導線56被置于芯61的中心通道63中。同樣地，冗余霍爾效應裝置64A、64B、和64C在板55的一側(cè)上被安裝(通孔或表面安裝)成另一排，以便被接收在同樣安裝在殼體59中的芯65的間隙66中。此外，導線57被接收在芯65的中心通道67中。冗余霍爾效應裝置68A、68B和68C在板55的一側(cè)上被安裝成一排，以便被接收在芯70的間隙71中。此外，導線58被接收在芯70的中心通道72中。因此，霍爾傳感器可以以緊湊且方便的方式有效地設置在印刷電路板的一側(cè)上，并且磁通芯被方便地放置來以保持連接到每個傳感器的大體上相等的磁通的方式與霍爾傳感器和負載導線相互作用，以使精確電流測量具有高可靠性，因為多個部件故障必須合力以防止做出且傳送精確電流測量。
[0038]圖6顯示了另一種布置，其中印刷電路板75具有側(cè)邊緣76，其中安裝有一對冗余霍爾傳感器IC 77和78。磁通芯80具有用于接收板75的邊緣76的間隙81，以使霍爾傳感器IC77和78可以設置在間隙81內(nèi)。相應的相導線(未示出)將被接收在芯80的中心通道82中。運算放大器(op amp)集成電路79被示出在電路板75上，用于調(diào)節(jié)霍爾效應電流信號。霍爾傳感器IC 83和84也沿著邊緣76安裝，以便接收另一個磁通芯(未示出)。運算放大器85被安裝在板75上，用于調(diào)節(jié)附加傳感器信號。盡管在圖6中示出了每個馬達相一個運算放大器裝置，但是來自每相的各自的霍爾傳感器信號可以優(yōu)先地交錯在不同的運算放大器裝置之間，用于如下所討論的增加的可靠性。同樣地，三相霍爾效應IC和三相運算放大器可以置于板75上，其中有三個磁通芯被設置為接收它們。
[0039]圖7示出了作為三相電機的電驅(qū)動的一部分的印刷電路板90。磁通芯91、92、和93接收來自各自的相導線(未示出)的磁通，并且每個芯容納三個各自的霍爾元件。因此，芯91接收霍爾元件94-96，芯92接收霍爾元件97-99，和芯93接收霍爾元件100-102。安裝在電路板90上的運算放大器裝置103、104、和105可以每個包含多通道裝置(例如，四元運算放大器裝置)，其中每個運算放大器在各自通道從相導線中的每一個接收一個測量電流信號。因此，運算放大器103具有接收來自霍爾裝置96的測量電流信號的第一通道、接收來自霍爾裝置99的測量電流信號的第二通道、和接收來自霍爾裝置102的測量電流信號的第三通道。眾所周知，典型的集成電路裝置的故障模式導致集成電路裝置的功能完全喪失。然而，一個裝置的故障可能通常不會對其他附近的裝置有影響。使用圖7中所示的電路拓撲結構，需要至少三個不同的裝置的故障以便防止有效狀態(tài)電流信號通過逆變器控制器接收。例如，如果有任何單個運算放大器故障，則不會對電流感測有影響。即使三分之二的運算放大器發(fā)生故障，完整的系統(tǒng)控制可以仍然得到保持并且對功能沒有影響(除非一個或多個霍爾裝置同時發(fā)生故障)。
[0040]圖8示出了具有雙冗余(即每相有兩個獨立霍爾裝置和兩個運算放大器裝置)以確保可靠傳感器性能的替代實施例。因此，印刷電路板110抵靠磁通芯111、112、和113設置以接收各自相導線并且以接收如所示的各自霍爾傳感器IC 114-119。運算放大器裝置120和121被交錯以在各個運算放大器通道中接收來自相導線中的不同的一個的電流信號。因此，對應于每個相導線的有效已調(diào)節(jié)電流信號通過逆變器控制器接收，除非i) 一個相的兩個霍爾效應裝置都發(fā)生故障，或ii)兩個運算放大器120和121同時發(fā)生故障。
[0041]更概括地說，如圖7和8中所示的本發(fā)明使用用于每個相導線的預定數(shù)量的霍爾效應裝置。相同的預定數(shù)量的運算放大器被使用，其中每個運算放大器裝置具有大于或等于預定數(shù)量的多個通道。用于每個相的多個霍爾效應裝置中的每一個被連接到運算放大器裝置中的不同的一個。除非有霍爾效應裝置和運算放大器裝置的多重故障，否則有效已調(diào)節(jié)電流信號繼續(xù)通過用于每個相導線的逆變器控制器接收。
[0042]圖9示出了電路板90上的運算放大器103-105與包括模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器126的逆變器控制器125的相互連接。轉(zhuǎn)換器126可以包含用于對每個來自運算放大器103-105的電流傳感器信號順序地進行采樣的單個通道。用于每相的三個信號可以通過控制器125中的軟件算法進行比較以識別任何發(fā)生故障的信號。例如，如果一個特定信號明顯偏離其它兩個信號或不能以電機的旋轉(zhuǎn)速度適當?shù)馗淖儯瑒t可以做出決定特定傳感器信號是發(fā)生故障的(假如錯誤在多個連續(xù)樣本上是持續(xù)的)。圖10示出了使用具有三個獨立模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器通道131-133的逆變器控制器130建立附加冗余的實施例。每個運算放大器103-105被饋送到不同的轉(zhuǎn)換器通道或裝置，導致用于每相的電流測量被分布在轉(zhuǎn)換器131-132中的不同的轉(zhuǎn)換器之間。已轉(zhuǎn)換的電流測量然后使用相同的故障檢測算法進行分析，以識別任何發(fā)生故障的測量。此外，每相的有效測量可以被組合或特定的一個有效信號可以被選擇用于在電機的PffM控制中使用。
【主權項】
1.一種用于電動車輛的具有多相電機的電驅(qū)動裝置，包含: 逆變橋，所述逆變橋具有設置在多個相橋臂中的逆變器開關； 逆變器控制器，所述逆變器控制器用于可控制地切換所述逆變器開關； 第一和第二相導線，所述第一和第二相導線被連接在各自的逆變器相橋臂和所述電機的各自的相繞組之間； 第一和第二磁通芯，所述第一和第二磁通芯每個分別具有中心通道和間隙，其中所述第一和第二相導線分別穿過所述第一和第二磁通芯的所述中心通道；第一組電流傳感器，所述第一組電流傳感器包含預定數(shù)量的第一霍爾效應裝置，每個所述第一霍爾效應裝置設置在所述第一磁通芯的所述間隙中以生成各自的第一電流信號；第二組電流傳感器，所述第二組電流傳感器包含預定數(shù)量的第二霍爾效應裝置，每個所述第二霍爾效應裝置設置在所述第二磁通芯的所述間隙中以生成各自的第二電流信號；以及 多個多通道運算放大器裝置，所述多個多通道運算放大器裝置用于調(diào)節(jié)所述電流信號并且將所述電流信號耦合到逆變器控制器，其中多通道運算放大器裝置的數(shù)量等于所述預定數(shù)量； 其中所述第一霍爾效應裝置中的每一個連接到所述運算放大器裝置中的不同的一個，并且其中所述第二霍爾效應裝置中的每一個連接到所述運算放大器裝置中的不同的一個，從而對應于每個相導線的有效已調(diào)節(jié)電流信號通過所述逆變器控制器接收，除非有所述霍爾效應裝置和所述運算放大器裝置的多重故障。2.根據(jù)權利要求1所述的電驅(qū)動裝置，其中所述電機具有三個相，并且其中所述電驅(qū)動裝置進一步包含: 第三相導線，所述第三相導線被連接在各自的逆變器相橋臂和所述電機的各自的相繞組之間； 第三磁通芯，所述第三磁通芯具有中心通道和間隙，其中所述第三相導線穿過所述第三磁通芯的所述中心通道；以及 第三組電流傳感器，所述第三組電流傳感器包含第三霍爾效應裝置，每個所述第三霍爾效應裝置設置在所述第三磁通芯的所述間隙中以生成各自的第三電流信號； 其中所述預定數(shù)量是三個，并且其中所述第三霍爾效應裝置中的每一個連接到三個運算放大器裝置中的不同的一個。3.根據(jù)權利要求1所述的電驅(qū)動裝置，其中所述逆變器控制器包括預定數(shù)量的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并且其中每個運算放大器裝置連接所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的不同的一個。4.根據(jù)權利要求1所述的電驅(qū)動裝置，其中所述逆變器控制器將對應于每個相導線的所述已調(diào)節(jié)電流信號進行比較以便檢測發(fā)生故障的已調(diào)節(jié)電流信號。5.根據(jù)權利要求1所述的電驅(qū)動裝置，其中每組霍爾效應裝置在電路板上安裝成相應的排，并且其中各自的磁通芯和所述電路板安裝在殼體中以使所述各自的間隙接收所述相應的排的霍爾效應裝置。
【文檔編號】G01R19/25GK105938158SQ201610090316
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年2月18日
【發(fā)明人】賈斯萬特·辛格·加查
【申請人】福特全球技術公司