控制逆变器的方法和设备与流程

本公开涉及车辆上利用的高压电力系统以及与其相关的控制例程。

背景技术：

车辆可使用动力系系统，该系统由内燃发动机(发动机)与诸如高压电动马达/发电机的非燃烧型马达一起产生推进动力。经由包括逆变器的高压电力电路，高压电动马达/发电机从车载高压电能存储装置(例如，高压电池)获取电力。逆变器是利用多个成对设置的半导体开关将直流输入电压转换为交流输出电压的装置。成对的半导体开关根据逆变器开关控制模式受控。交流输出电压可供应给诸如高压电动马达/发电机的电动机械以完成作业，其中该作业可包括在扭矩模式中产生扭矩或在反应模式中产生电力。半导体开关可为绝缘栅双极晶体管、场效应晶体管或其它合适的装置。用于控制半导体开关的开关技术包括脉宽调制(PWM)方法，诸如三角比较脉宽调制(PWM)方法、空间向量(SV)脉宽调制(SV-PWM)方法以及非连续脉宽调制(D-PWM)方法。不同的开关技术根据控制、功率损耗、噪音、谐波含量和其它参数产生不同结果。功率损耗影响系统效率和系统热生成。

技术实现要素：

描述了一种电连接到电动机器的逆变器。一种用于控制逆变器中切换的方法包括确定电动机器的扭矩输出并且确定与逆变器冷却回路相关的温度。基于电动机器的扭矩输出和与逆变器冷却回路相关的温度，选择了一种用于控制逆变器的优选逆变器开关控制模式。

从以下结合附图对一些最佳模式的详细描述和如所附权利要求书所定义的执行本教导的其它实施例中，可以容易地了解本发明的上述特点和优点以及其他特点和优点。

附图说明

下面将参照附图，通过举例的方式描述一个或多个实施例，其中：

图1示意性地示出了根据本公开由控制器控制的高压电力系统的实施例，包括在车辆动力系系统上利用的高压电力系统；

图2示意性地示出了根据本公开基于电动机器的扭矩输出和循环到逆变器的冷却剂温度来选择用于控制逆变器的优选逆变器开关控制模式的马达控制选择例程；以及

图3以图表示出了根据本公开选择与冷却剂温度和马达扭矩相关的优选逆变器开关控制模式的变量Z的校定。

具体实施方式

现参考附图，其中所示的内容仅为了示出某些实施例，而不是为了对其进行限制。图1示意性地示出了由控制器12控制的高压电力系统40。在一个非限定性实施例中，并且如图所示，高压电力系统40使用于车辆10的动力系系统20上。

在一个非限定性实施例中，动力系系统20包括机械耦接到电动机器30的内燃发动机(发动机)24，以及机械耦接到车辆传动系26以向一个或多个车辆车轮提供推进动力的传动机构28。发动机24可以是任何合适的内燃发动机，通过燃烧过程将烃基燃料或其它燃料转换为机械动力。使用传动机构28的可旋转构件22或其它合适的机械耦接件，发动机24机械可旋转地耦接到电动机器30。动力系系统20可使用第二个或更多的电动机器用于车辆推进和其它功能。传动机构28可包括任何合适的机械动力传送机构，诸如但不限于行星齿轮、斜齿轮和其它齿轮组、旋转轴、离合器、制动器和和其它装置。可旋转构件22可包括任何合适的形式，就非限制性举例而言，诸如旋转轴、啮合齿轮布置或带驱动布置。另外，可旋转构件22可包括经由传动系系统20的传动机构28的一个实施例的行星齿轮组的齿圈、过桥齿轮或太阳齿轮至发动机24的机械耦接。发动机24、电动机器30和传动机构28之间机械互连的实施例的其它细节是已知的，并且不再详细描述。

电动机器30可以是任何合适的电动机，并且在一个实施例中是高压电动机/发电机，该高压电动马达/发电机将高压电力转换为机械动力，并且优选地将机械动力转换为可存储在高压能量存储装置(高压电池)42中的电能。电动机器30电连接至功率逆变器模块(TPIM)32。从电动机器30输出的扭矩可直接使用扭矩传感器监测，或从至诸如电流、通量或或其他参数的电动机器30的监测到的输入来推断。

高压电池42经由高压总线向电力组件(特别是经由接触器开关58向TP IM32)供应电力。高压总线包括正侧(HV+)44和负侧(HV-)46，其中电力由电流传感器48和电压传感器56监测。优选地，电力组件包括功率逆变器模块32和辅助电力模块(APM)64。在一个实施例中，交流充电器电连接至高压总线，并且经由充电电缆电连接至远程、车辆外的交流电源，以当车辆10静止时向高压电池42充电。高压电池42可以是任何合适的高压能量存储装置，例如但不限于多节锂离子装置、超级电容器或另一种装置。负总线接触器开关52将负极侧(HV-)46连接至高压电池42，并且具有电阻器54的预充电接触器开关50与之并联布置。辅助电力模块64和交流充电器优选在HV+44和HV-46之间并联布置。辅助电力模块64优选包括直流/直流电力转换器，该直流/直流电力转换器在一个实施例中电连接至低压总线和低压电池。辅助电力模块64向在车辆上的低压系统(包括例如电动车窗、HVAC风扇、座椅以及其它附属装置)提供低压电力。

逆变器冷却回路70布置成管理并且传递由功率逆变器模块32产生的热。逆变器冷却回路70包括空气/流体热交换器72，该空气/流体热交换器72使用流体导管75流体连接至功率逆变器模块32的散热元件73，散热元件73机械热耦接至功率逆变器模块32的功率晶体管。冷却流体优选使用流体泵通过逆变器冷却回路70循环。根据需要，可以采用其它流体元件，诸如耦接器、储流罐、压力调节器等。温度传感器74被布置成监测逆变器冷却回路70中的温度，并且在一个实施例中，温度传感器74在来自功率逆变器模块32的出口处监测冷却剂流体的温度。温度传感器74指示从散热元件73的热传递，因此指示在功率逆变器模块32的功率晶体管中的热生成。可替代地，可应用温度模块来动态评估或以其它方式确定逆变器冷却回路70的温度，例如在来自功率逆变器模块32的出口处的冷却剂流体的温度，因此指示功率逆变器模块32的功率晶体管中的热生成。在一个实施例中，空气/流体热交换器72为整体车辆冷却系统的一部分。可替代地，功率逆变器模块32可以是空气冷却的，采用空气被动或主动地穿过散热元件73，并且采用监测穿过散热元件73传导的空气的温度系统以，以指示逆变器冷却回路70的温度，并且因此指示功率逆变器模块32的功率晶体管中的热生成。

控制器12优选地包括多个分立装置，其与传动系系统20的各个元件位于相同位置，以响应于操作员命令和传动系需求来实现传动系系统20的各个元件的操作控制。控制器12还可以包括提供其它控制装置的分级控制的控制装置。控制器12直接或经由通信总线16通信连接至高压电池42、辅助电力模块(APM)64和功率逆变器模块(TPIM)32中的每一个以监视并且控制其操作。控制器12控制传动系系统20的操作，包括选择并且命令多个操作模式中的一个操作模式的操作，以产生扭矩并在扭矩产生装置，例如发动机24、电动机器30和传动系26之传递扭矩。操作模式可以包括一个或多个电动车辆(EV)模式，其中发动机24处于关闭(OFF)状态，并且电动机30产生推进扭矩。操作模式还可以包括电动可变模式，其中发动机24和第一电动机30产生推进扭矩。操作模式还可以包括扩展范围EV模式，其中发动机24处于打开(ON)状态并通过电动机30正在产生电力，并且第二电动机正在产生推进扭矩。扩展范围EV模式、EV模式和电动可变模式每一个具有相关联的电池充电模式，其可为充电保持模式或充电消耗模式。

功率逆变器模块(TPIM)32被配置为具有合适的控制电路，其包括将高压直流电转换为高压交流电和将高压交流电转换为高压直流电的功率晶体管。在一个实施例中，功率逆变器模块(TPIM)32包括以成对的功率晶体管形式的多个开关对，所述功率晶体管布置为电气并联在HV+44和HV-46之间的半桥，以将多相形式的电流供应至包括电动机30的多相电气负载。开关对中的每一个对应电动机30的相位。栅极驱动电路控制开关对的开关的启动和停止，并可以包括任何适合的电子装置，所述电子装置能够启动和停止开关以实现HV+44或HV-46之间的功率传送以及能够响应于源自控制器12的控制信号启动和停止电动机30的一个相位。功率逆变器模块(TPIM)32优选地包括其他电气组件，其包括电容器、电阻器和实现与电噪声消除、负载平衡等相关的功能的其他组件。

功率逆变器模块(TPIM)32具有与最大装置温度相关的最大额定电流。在电流级别和大于最大装置温度的相关温度下操作功率逆变器模块(TPIM)32，可损害其功能或缩短其使用寿命。引装置温度升高的一个源包括开关损耗，所述开关损耗涉及电功率，当功率晶体管从打开状态或阻塞状态过渡到关闭或导通状态时，所述电功率转换为热能，反之亦然。

限制逆变器温度的已知控制方法包括允许降低电流至低于额定值，即降低逆变器的额定值，并且降低开关频率。降低逆变器的额定值导致马达扭矩的减少，这是不合需要的，因为它降低了车辆性能并经常被操作员消极地察觉到。降低开关频率可降低开关损耗，以便限制逆变器温度。然而，开关可能导致在某些频率更为明显的可听噪声，因此其校准常常由NVH(噪声-振动-声振粗糙度)需求推动。此外，开关频率与数字控制器采样时间相关联，所述数字控制器采样时间强加基于电动机30的旋转速度的较低开关频率限制。

PWM逆变器(例如，TPIM32)可以若干不同逆变器开关控制模式(包括例如空间向量PWM(SV-PWM)模式和不连续PWM(D-PWM)模式)中的一个模式控制。如本文所使用，逆变器开关控制模式是用于描述多种技术、方法和程序中的任何一个的术语，所述技术、方法和程序用于控制被布置为TPIM32中的半桥的开关对的开关的状态以控制电动机30的操作来产生并且调节其扭矩和速度输出。逆变器开关控制模式被优选地实施为控制器12中的控制算法，并且包括SV-PWM模式、D-PWM模式和其它合适模式。SV-PWM模式包括在非零状态与零状态之间迅速切换，其中TPIM 32通过规定PWM占空比来规定每个开关的每个状态中消耗哪部分时间。PWM占空比以规则的间隔更新以使得更新频率显著高于转子旋转的频率。D-PWM模式是以基本电输出频率将(三相系统中的)六个逆变器开关中的每一个保持在接通状态持续每个电循环的一部分为特征。因此，相引线中的两个在正常操作期间的任何给定时间将被接通，或一个相位在高输出电压的时间期间将被关断。D-PWM模式可以包括六步模式(在其输出电压限制处)，其中TPIM 32在电动机30的转子的每个循环中循环通过六个非零开关状态以在电动机30的定子的每个绕组中产生交流电压和电流。与操作逆变器(例如，SV-PWM模式和D-PWM模式中的TPIM 32)相关的其它细节是已知的。

术语控制器、控制模块、模块、控制装置、控制单元、处理器和类似术语是指以下项的任何一个或不同组合：专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如微处理器)以及以存储器和存储装置(只读、可编程只读、随机存取、硬盘等)的形式的相关联非暂时性存储器组件。非暂时性存储器组件能够存储以一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、信号调节和缓冲电路以及其它组件的形式的机器可读指令，所述其它组件可由一个或多个处理器存取以提供所述功能性。输入/输出电路和装置包括模拟/数字转换器和监测来自传感器的输入的相关装置，其中这些输入是以预设采样频率或响应于触发事件而监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语意指包括校准和查找表的任何控制器可执行指令。每个控制器执行控制例程以提供期望功能，包括监测来自感测装置和其它联网控制器的输入并且执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。例程可以在正进行操作期间以规则的间隔定期执行。可替代地，例程可以响应于触发事件的发生而执行。通信包括以任何合适形式交换数据信号，包括例如经由传导介质交换电信号、经由空气交换电磁信号、经由光学波导交换光学信号等。数字信号可以包括代表来自传感器的输入的信号、代表致动器命令的信号以及控制器之间的通信信号。如本文所使用，术语“动态”和“动态地”描述实时执行并且以监测或以其它方式确定参数状态且在例程执行期间或在例程的执行迭代之间规则地或定期地更新参数状态为特征的步骤或过程。术语“模型”是指基于处理器的或处理器可执行代码以及模拟装置或物理过程的物理存在的相关校准。

图2示意地示出用于控制参考图1描述的高压电源系统40的实施例的马达控制选择例程(例程)200。例程200包括基于电动机30的扭矩输出和循环至逆变器32的冷却剂温度来选择用于控制逆变器32的优选逆变器开关控制模式。对应于例程200，表格1被提供作为其中数字标记的方框和对应功能如下所述的图例。

表格1

例程200在动力系系统的操作期间定期地执行以基于电动机20的旋转速度和扭矩以及逆变器冷却回路70中的温度(可以由逆变器温度传感器74指示)来确定优选逆变器开关控制模式。最初，例程200识别当前逆变器开关控制模式并且还确定电动机20的旋转速度和扭矩以及逆变器冷却回路70中进入逆变器32的冷却剂的温度(210)。电动机20的旋转速度和扭矩可以通过任何合适方法(诸如监测旋转轴速度和至电动机20的电流)来确定。可替代地，例程200可以监测或以其它方式确定直接涉及并且指示逆变器冷却剂回路70中的温度的任何合适温度。

当电动机20的旋转速度小于已校定阈值速度时(212)(0)，以基于电动机20的扭矩和速度确定的操作来选择SV-PWM模式或D-PWM模式(228)。已校定阈值速度被确定以将电动机20从低速加速时产生的可听噪声最小化。

当电动机20的旋转速度大于已校定阈值速度时(212)(1)，例程200确定电动机20是否以电力产生模式操作(214)，且如果是(214)(0)，则可以基于电动机20的扭矩和速度确定的操作来选择SV-PWM模式或D-PWM模式(228)。在一个实施例中，可以任选地在确定优选逆变器开关控制模式之前在这些条件下确定电动机20是以电力产生模式还是扭矩产生模式操作。

当电动机20的旋转速度大于已校定阈值速度(212)(1)且电动机20是以扭矩产生模式操作时(214)(1)，确定关于离开逆变器32的冷却剂温度的变量Z(216)。变量Z是基于进入逆变器32的冷却剂温度或与逆变器冷却回路70相关的另一温度的参数值，并且参考图3进行描述。

图3以图表示出了选择与冷却剂温度310和马达扭矩320相关的优选逆变器开关控制模式的变量Z的校定。冷却剂温度310指示逆变器冷却回路70的温度，并且可以由冷却剂温度传感器(例如，参考图1描述的传感器74)指示或其可以其它方式指示。变量Z由第一线305指示，所述第一线305将优选的逆变器开关控制模式分开并且将由冷却剂温度310和马达扭矩320限定的整个区域分成通过由滞后线303指示的滞后区域304分成的第一区域302和第二区域306。第一区域302指示冷却剂温度310和马达扭矩320的值，所述冷却剂温度310和马达扭矩320与SV-PWM模式或D-PWM模式的操作相关联。第二区域306指示冷却剂温度310和马达扭矩320的值，所述冷却剂温度310和马达扭矩320与D-PWM模式的操作相关联。如图所示，第一线305和滞后线303具有负斜率。滞后区域304被引入以防止SV-PWM模式与D-PWM模式之间产生抖动。与第一分离线305相关联的温度和扭矩水平的幅度取决于系统的具体热性质并且因此是应用所特有的。与第一分离线305相关联的温度和扭矩水平的幅度被设置成防止TPIM32中的温度超过最大装置温度以防止损害功能或缩短使用寿命。因此，例程200可使用由第一分离线304或滞后线303指示的变量Z以基于冷却剂温度确定用于以SV-PWM模式操作的最大容许扭矩。因而，当电动机20以不断增加的扭矩水平操作时，例程200命令在较低冷却剂温度下以D-PWM模式操作。

参考图2，将马达扭矩命令与变量Z比较，该变量Z基于冷却剂温度(218)来选择。比较的马达扭矩命令可以基于来自控制器的当前扭矩命令、实现的实际马达扭矩、与命令电流相关联的扭矩或与监测的电流相关联的扭矩。当马达扭矩命令小于变量Z扭矩时(218)(0)，将马达扭矩命令与由如滞后线指示的滞后扭矩值降低的变量Z扭矩比较(220)。当马达扭矩命令大于由滞后扭矩值降低的变量Z时(220)(0)，当前逆变器开关控制模式继续为优选的逆变器开关控制模式(222)。当马达扭矩命令小于由滞后扭矩值降低的变量Z时(220)(1)，SV-PWM模式或D-PWM模式变为优选的逆变器开关控制模式(226)。当马达扭矩命令大于变量Z扭矩时(218)(1)，D-PWM模式变成优选的逆变器开关控制模式(224)。当选择优选的逆变器开关控制模式用于实施方式时，例程的该迭代结束(230)。

这里描述的概念允许在马达操作条件下的D-PWM的使用，这可能导致逆变器温度超过限值，同时允许在其它严重条件下例如SV-PWM的其它PWM方法的使用。从NVH的角度来看，只有当用于高温的条件都存在时允许D-PWM，而不是在所有时间允许。该方法保留在这样条件下的全电流和扭矩的能力，不像额定值下降的一个或另一个的算法。这为操作员提供了在宽范围的温度、扭矩和速度条件内一致性能。此外，例程200可以用于抢先高逆变器的温度条件。这与基于逆变器的温度传感器数据而选择PWM方法的控制例程比较，它可能无法迅速作出反应，以足以防止由于在开关温度和感测温度之间固有的时间延迟导致的开关过热的控制程序。

根据本公开的实施例可以体现为设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)的形式，或通常在本文中称作“模块”或“系统”的软件和硬件方面组合的实施例。此外，本公开可以采取在具有在介质中体现的计算机可用程序代码的任何有形介质中体现的计算机程序产品的形式。在流程图中的流程图和框图示出根据本公开的系统，方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示模块、段或代码部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应当指出的是，框图和/或流程图示图中的每一个，以及框图和/或流程图示图中框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或特殊用途的硬件和计算机指令或其组合来实现。这些计算机程序指令还可以存储在可以引导计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读介质，使得存储在计算机可读介质中的指令产生制造包括指令部件的制品，其实现在流程图和/或框图的框或多个框中指定的功能/动作。

详细说明和附图或数字支持和描述了本教导，但本教导的范围由权利要求书限定。虽然已经详细描述了用于执行本教导的一些最佳模式和其它实施例，但是用于实施在所附的权利要求所限定的本教导的各种替代设计和实施例可存在。