用于实施补救性电短路的系统和方法

用于实施补救性电短路的系统和方法
【专利摘要】车辆包括多相永磁同步电机、DC和AC总线、电池模块、牵引功率逆变器模块（TPIM）和控制器。与TPIM通信的控制器执行检测故障情况的方法，将电机的全部相的脉宽调制（PWM）占空比固定为50%，以使全部相同步地切换，并响应于检测的故障情况将多相断开状态应用到AC总线。通过在计算的递进持续时间上，在TPIM的每次PWM切换转换处自动地插入可调的死区时间，由此从初始死区时间转换到最小死区时间，控制器随后转换到多相短路状态。在该故障情况期间，该转换降低电机的负直轴电流的峰值超调。
【专利说明】用于实施补救性电短路的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于实施补救性电短路的系统和方法。
【背景技术】
[0002]内置永磁(IPM)同步电机通常在混合动力电动和电池电动车辆中被用作牵引电动机。IPM同步电机经由DC电源(通常为可充电电池模块)与电流控制的电压源逆变器一起来供能。然而，这种电机的转子中使用的永磁体会使电动机控制器对检测到的电动机或驱动系统故障所作的响应复杂化。
[0003]例如，在较高的电动机速度下，旋转的磁体可能在电动机的定子线圈中产生反电动势(EMF)电压。如果电压逆变器内的开关管响应于检测到的故障而临时性失效，则反EMF电压可引起逆变器内的二极管导通，由此允许电流朝向电池模块回流。这样的电流情况通常称为“不可控发电”(UCG)状态。UCG状态特征可包括，存在相对大量的作用在该电机上的再生制动扭矩，以及相当大的电流传导回到电池模块。
[0004]为了对抗该结果，IPM类型同步电机的控制器可执行(针对示例的三相机器)三相短路(SHORT)，作为故障情况的补救措施。电压逆变器的半导体开关被同步地接通，以引起三相短路，这反过来阻止电流流向电池模块或从电池模块流动。在较高的发动机速度下，制动扭矩相对较低，这对于牵引驱动应用是有利的。在三相短路操作期间，电机阻抗将限制电动机电流。另外，对于大多数电动机速度，定子电流接近电机的特征电流。然而，虽然三相短路仍然为可行的故障响应，但是用于实施三相短路的传统方法仍不理想。

【发明内容】

[0005]本文公开了一种系统，其包括多相永磁同步电机、DC总线、AC总线、DC电压源(t匕如电池组或燃料电池)、功率逆变器模块(PM)和控制器。PM经由DC总线电连接到DC电压源，并经由AC总线电连接到电机。PIM包括一组半导体开关，其经由控制器被致动，以将AC电压转变为DC电压，且反之亦然。控制器与PM通信，且配置为检测系统中的故障情况。当检测到时，控制器则将电机全部相的脉宽调制(PWM)占空比固定为50%，以使全部相同步地切换。
[0006]控制器响应于检测的故障情况将多相断开(OPEN)状态应用到AC总线，并通过在计算的递进持续时间(ramp duration)上自动地在PIM的每次PWM切换转换处插入可调的死区时间而转换到多相短路状态。以此方式，在计算的递进持续时间上，控制器从计算的初始死区时间向最小死区时间转换。在该故障情况期间，该转换降低电机的负直轴电流(negative d-axis current)的峰值超调。
[0007]本文还公开了用于在车辆中实施上述多相短路的方法，所述车辆具有电动机驱动系统，该系统使用IPM类型的牵引电动机和牵引功率逆变器模块(TPIM)。
[0008]另外，公开了一种车辆，其包括控制器、三相永磁同步电机(其形式为具有负直轴电流的牵引电动机)和行星齿轮组(联接到电机的输出构件，并接收来自牵引电动机的电动机扭矩)。该车辆还包括DC和AC总线、DC电源和TPM，所述TPM经由DC总线电连接到DC电源，并经由AC总线电连接到牵引电动机。TPM包括一组半导体开关，其被控制以将AC电压转变为DC电压，且反之亦然。控制器配置为执行上述方法。
[0009]如本文所公开的，本发明的所有实施例使用在本文中称为智能死区时间转换或IDT的方法，以提供向多相短路状态的递进的转换(ramped transition),并由此将上述类型的任何直轴电流超调最小化。该受控的转换在多相断开和多相短路状态之间实现。在这样的转换期间，脉宽调制(PWM)经由P頂被采用，其方式使得，P頂的所有相桥臂以50%占空比操作。经由控制器动态地调节PM的死区时间，以提供从断开状态向短路状态的有效的转换。一旦完成转换，则应用可靠的(solid)多相短路。在本控制方法的最基本的实施中，不要求反馈传感器，尽管这样的传感器可被用在其他实施例中以提高性能。
[0010]本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将在结合附图时，从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述显而易见。
【专利附图】

【附图说明】
[0011]图1是具有多相电机、功率逆变器模块和控制器的示例车辆的示意图，所述控制器实施如前所述的车辆上的多相短路状态。
[0012]图2A是振幅时间图，其显示了近似完全断开状态情况的最大死区时间。
[0013]图2B是示例波形的振幅时间图，其描述了足以产生大约50%六阶梯电压的死区时间。
[0014]图2C是示例波形的振幅时间图，该波形具有模拟短路状态情况的最小死区时间。
[0015]图3是振幅时间图，其通过示例电压/速度对描述了直轴电流超调与上升时间。
[0016]图4A和4B是示出了图1的车辆中实现死区时间控制的时间图。
[0017]图5A和5B是示出了当速度传感器出故障或不可用时，实现图1的车辆中死区时间控制的时间图。
[0018]图6是用于在图1的车辆10中实施三相短路的示例方法的流程图。
【具体实施方式】
[0019]参考附图，图1中示意性地显示了示例车辆10。车辆10包括第一和第二电动机/发电机单元16和26。MGU16和26都是牵引电动机形式的多相内置永磁体(IPM)电机。MGU16、26应根据该实施例而额定为大约60-300VAC或更大。MGU16和26经由电动机控制器40控制，所述电动机控制器例如为混合动力控制模块或电动机控制模块，其选择性地执行体现方法100的代码，方法100的一个示例在图5中被显示，且在下文更详细地描述。
[0020]方法100的执行使得控制器40响应于检测到驱动系统中的电故障、过速和/或其他故障，选择性地将三相短路应用到车辆10的AC总线15。尽管此后为了说明的一致性而描述了三相短路，但本方法可应用到任何多相电机，例如五相电机。在车辆10的驱动系统中存在多种可被检测到的可能类型的故障情况，例如转子位置、电流和/或电压传感器故障或性能故障，例如过载电流或超速，所有这些可通过控制器40监测。
[0021]在图1中示出的非限制性示例实施例中，车辆10还包括内燃发动机12和具有至少一个齿轮组30的变速器22。DC电池模块20或其他合适的DC电压源，例如燃料电池，经由DC总线17和牵引功率逆变器模块(TPM) 18被电连接到第一和第二 MGU16、26。可任选的减振/输入离合器14可被用来选择性地将发动机12从传动系断开，例如在自动停车事件之后的发动机12重启期间。
[0022]发动机12的输出轴13连接到第一 MGU16，使得当发动机12运行时，第一 MGU16经由发动机扭矩被供能，且可被用来产生电动机扭矩，该电动机扭矩可转而根据变速器运行模式用来推进车辆10或为电池模块20再充电。第二 MGU26可被用来驱动车辆10或为电池模块20充电，而与发动机12的状态无关。车辆10的其他实施例可被设想具有仅一个MGU16或26，具有或不具有发动机12，而不脱离预期的发明范围。然而为了说明的一致性，此后将仅描述图1的两个电动机的配置。
[0023]图1的示例性实施例中所示的行星齿轮组30可包括第一、第二和第三节点32、34和36。如本领域技术人员理解的，这种节点可根据实施例分别地或以另一顺序对应于环形齿轮、恒星齿轮和行星齿轮。旋转离合器24可选择性地在一些模式中被接合，以将第一MGU16连接到第一节点32。第二 MGU26可经由互连构件27直接地连接到第三节点36，即，其中“直接”意思是，没有介于中间的部件被定位在第二 MGU26和第三节点36之间。在该特定实施例中，变速器22的输出构件33可将变速器输出扭矩(箭头T。)传递到一组驱动轮(未示出)以推进车辆10。
[0024]AC总线15将相应的第一和第二 MGU16和26连接到TPM18。如本领域所熟知的，TPIM18包括一组半导体开关23，例如IGBT或M0SFET，其经由脉宽调制(PMW)被快速地切换，以将DC电压转变为AC电压，用于相应的第一和/或第二 MGU16、26，并用来将来自MGU16、26的AC电压转变回处于适于存储在电池模块20的水平的DC电压。其他高电压功率部件(比如DC-DC转换器(未示出))可被用来将逆变后的电压逐步降低到辅助水平，如本领域所熟知的。
[0025]图1中示出的控制器40与车辆10的各部件通信，特别是与TPM18、第一和第二MGU16、26和电池模块20，例如通过控制器局域网络(CAN)总线通信。在执行本方法100时，控制器40可响应于检测到的故障情况，经由传输一组命令信号(双向箭头11)，选择性地实施多相短路。控制器40可使用处理器42转换到多相短路，所述处理器42也执行任何所需的电动机控制算法，例如矢量控制。处理器42将门控驱动信号直接输出到图1中所示的TPIM18的半导体开关23。
[0026]当在较高发动机速度下发生这样的故障时，多相短路状态的实施确保电流不从TPIM18向回馈送到DC总线17，且确保施加低制动扭矩。阻止电流回流到DC总线17有助于阻止TPM18将DC总线17充电到影响敏感电部件的结构完整性或性能的水平，所述敏感电部件为例如TPIM18本身的部件和/或其他敏感部件，比如任何辅助电源、二极管、继电器和旁路电容器。其还阻止不可控且可能有害的充电电流流入电池模块20。
[0027]仍参考图1，控制器40可体现为硬件装置和相关的软件。该硬件/软件可包括在单个的物理装置(例如主机)中，或其可以分布遍及车辆10的多个控制器。为了图示的简明，控制器40被显示为一个装置。然而，混合动力总成领域的技术人员将意识到，控制功能通常分布遍及不同的硬件/软件模块中，例如顶级混合动力控制器、负责电动机矢量控制和其他电动机控制功能的电动机控制器、电池控制模块和空调控制模块等。另外，尽管在图1中分开地显示了 TPM18和控制器40，但是在实际的实施例中，TPM18可以是具有DC电容器、母线、IGBT、门驱动、电流传感器和控制卡(一个或多个)的集成单元。因此，本方法涉及TPIM18的控制的方面可在控制器40的总体结构内在适当的控制水平下进行。
[0028]图1的控制器40至少包括处理器42和有形非暂时性存储装置(一个或多个)44，体现方法100的各步骤的指令记录在该存储装置上。处理器42物理地联接到存储装置44。通过处理器42对指令的执行使得控制器40以本文提出的方式实施向短路情况的转换。
[0029]存储装置44可以是任何计算机可读介质，包括光盘和/或磁盘和其他永久性存储器。指令，包括命令信号(双向箭头11)，命令信号包括所需的任何门信号，可通过传输线路(比如同轴线缆、铜线、光导纤维等)被传送至车辆10的各种元件。
[0030]尽管受控多相短路状态的强加具有一定的优点，但是如果没有通过本方法100的实施，则具有多种潜在的缺陷。在典型的响应中，比如当IPM类型的电动机在相对高的速率下(例如1500RPM)空载且零电流旋转时，多相短路的应用会引起电动机相电流尖峰脉冲(spike)。相电流的包络线随后缓慢地经过例如数十毫秒衰减到稳定状态值，这也被称为电机特性电流。实际的衰减率是电机(例如MGU16、26)的参数的函数。
[0031]相电流可数学地变换为同步旋转参考系，即已知的d_q电动机控制参考系。在这种情况中，直轴通常对准转子磁体的北极。因而，负直轴电流将产生磁动势来对抗磁通量。如果反向磁通量足够大，则其可能将转子磁体去磁。本方法可被用来最小化这样的影响。
[0032]智能死区时间转换(IDT)
[0033]本方法100在这里称为智能死区时间转换(IDT)。在执行IDT中，图1的控制器40自动地降低负直轴电流的峰值超调，并由此最小化定子电流和电动机扭矩中的振荡。代替在施加的电压中应用固定的阶梯变化，图1的控制器I在可调的转换周期上提供从断开状态向短路(短路)状态的平滑递进式转换。在该转换周期期间，TPIM18通过PWM操作。然而在一个PWM切换周期内，控制器40将短暂的短路和断开状态时间段时间平均化。通过调节这两个时间段的相对持续时间，TPIM18可平滑地且有效地从断开状态向短路状态转换。
[0034]当处于断开状态时，假设电动机反EMF高于DC总线17的电压水平，电动机电压将导致TPM18的二极管导通并输送一些相电流，即不可控发电(UCG)模式。在UCG模式中，电动机电压在六阶梯电压(six-step voltage)下被最大化,所述六阶梯电压即从三相电源逆变器(比如TPM18)可获得的最大电压，假设每个二极管对于180度电角度导通。相反地，当TPM18处于短路状态中时，施加的电动机电压为零。如果PWM周期被分为断开和短路状态，则所得的时间平均电动机电压与两个状态电压(即六阶梯电压和零伏)中每一个的时间加权平均值成比例。图1的控制器40自动地调节断开和短路状态的相对持续时间，以达到任何希望的电动机电压。因此，电动机电压可通过控制器40从最大的六阶梯电压平滑地降低转变到零伏。
[0035]上述性能通过经由控制器40将PWM模式设置为左侧调整或右侧调整而实现。如本领域已知的，单边调制允许PWM信号的一个边沿被调制，而另一边沿保持相对于时钟脉冲固定。在右则调整PWM (其也被称为前边沿调制)中，脉冲的上升边沿从时钟周期的起始处延迟，而下降边沿保持固定在时钟周期的结束处。左侧调整的PWM (也称为后边沿调制)将前边沿固定在时钟转期的起始处，令后边沿滞后。任一种调整方式可用于方法100的执行中。
[0036]在本方法中，控制器40将所有相的占空比固定到50%，以使所有相同时切换。在一个PWM周期期间，存在包括死区时间的三个不同的状态，其中两个是独特的。当半导体开关23的所有上或下开关被接通时，对受控的电动机形成有效的短路，并由此在AC总线15上形成OVAC的情况。在MGU16、26 二者都被使用的实施例中，MGU16、26彼此独立地受控，且去往每个电机的AC输出也类似地是独立的。[0037]另外，在每次PWM切换转换处，经由来自图1中所示控制器40的命令信号(双向箭头11)，TPM18自动地插入死区时间，以避免TPM18内的上和下开关的交叉导通(即基本会令电池模块20短路，可能导致对半导体开关23破坏的情况)。在插入的死区时间的持续时间中，半导体开关23被关闭，即断开状态被激活。
[0038]在OPEN状态的持续期间内，受控电动机(例如MGU26)的端压通过电动机反EMF与DC母线电压(即DC总线17的电压)的关系以及三相电流的值确定。如果反EMF大于DC母线电压，则端压可由于TPIM18内二极管的导通而被当作是六阶梯电压。控制器40改变PWM内的死区时间的持续时间，以调节从TPIM18施加的电压。
[0039]多相短路转换
[0040]为了进行向多相短路状态的转换，控制器40启动并选择用于TPIM18的左侧调整或右侧调整的PWM。控制器40随后将初始死区时间设置为最大死区时间Td max:
[0041]
【权利要求】
1.一种系统，包括: 多相永磁体同步电机，其具有负直轴电流； DC总线； AC总线； DC电源； 功率逆变器模块(PM)，其经由DC总线电连接到DC电源，并经由AC总线电连接到该电机，其中PM包括一组半导体开关，所述一组半导体开关被控制以将AC电压转变为DC电压，且反之亦然；和 控制器，其与PM通信，该控制器配置为: 检测系统中的故障情况； 确定初始死区时间； 将电机的全部相的脉宽调制(PWM)占空比设置为50%，以使全部相同步地切换； 响应于检测到的故障情况，将多相断开状态应用到AC总线；和通过在计算的递进持续时间上，在PIM的每次PWM切换转换处自动地插入可调的死区时间，由此在计算的递进持续时间上从初始死区时间转换到最小死区时间，转换到作为补救措施的多相短路状态； 其中，在检测的故障情况期间，该转换降低牵引电动机的负直轴电流的峰值超调。
2.如权利要求1所述的系统，其中控制器通过选择性地将一组命令信号传送到PIM以经由半导体开关实施右侧调整或左侧调整的PWM切换，而强加转换。
3.如权利要求1所述的系统，其中控制器在PIM的每次PWM切换转换处自动地插入可调的死区时间，以由此避免半导体开关的交叉导通。
4.如权利要求1所述的系统，其中，控制器被配置为: 确定电机的旋转速度； 从DC总线接收DC母线电压； 使用测量的速度，经由处理器计算电机的反电动势(EMF);和 基于反EMF与DC母线电压的比，使用处理器计算初始的死区时间。
5.如权利要求1所述的系统，其中，控制器被配置为: 确定何时电动机速度传感器出故障或不可用； 当电动机速度传感器出故障或不可用且电流在电机中流动时，测量相电流的电流矢量角； 计算测量的电流矢量角的经滤波的时间导数；和 使用经滤波的时间导数估算电机的速度。
6.一种方法，包括: 使用控制器检测车辆中的故障情况，所述车辆具有多相永磁体同步电机，其中控制器与具有一组半导体开关的功率逆变器模块(PM)通信，且其中PM电连接到DC电池模块和电机； 将电机的全部相的脉宽调制(PWM)占空比设置为50%，以使全部相同步地切换； 响应于检测到的故障情况，将多相断开状态应用到AC总线； 确定初始死区时间；和通过在计算的递进持续时间上，在TPIM的每次PWM切换转换处自动地插入可调的死区时间，包括在计算的递进持续时间上从初始死区时间向最小死区时间转换，转换到作为补救措施的多相短路状态，以由此在检测的故障情况期间降低电机的负直轴电流的峰值超调。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包括: 将初始死区时间设为最大死区时间值(Td max),其是PWM切换周期和TPIM的最小脉宽限制的函数。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述函数通过控制器执行，且等于:
9.如权利要求6所述的方法，进一步包括: 测量电机的旋转速度； 接收DC母线电压； 使用测量的速度，计算电机的反电动势(EMF );和 使用反EMF与DC母线电压的比，计算初始的死区时间。
10.如权利要求6所述的方法，进一步包括: 当电动机速度传感器出故障且电流在电机中流动时，测量相电流的电流矢量角； 计算测量的电流矢量角的经滤波的时间导数； 使用经滤波的时间导数，估算电机的速度； 使用估算的速度，计算电机的反电动势(EMF );和 使用反EMF与DC母线电压的比，计算初始的死区时间。
【文档编号】H02P25/02GK103684204SQ201310415296
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2012年9月12日
【发明者】S.E.舒尔茨 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司