用于混合动力驱动系统的纹波减小的转换器的制作方法
本申请总体上涉及电机和dc/dc转换器系统，所述dc/dc转换器系统被配置为减小在通过ac电网对电动车辆进行充电期间的电流纹波。
背景技术
电气化车辆(包括混合动力电动车辆(hev)和电池电动车辆(bev))依靠牵引电池向用于推进的牵引马达提供电力，并且依靠牵引电池和牵引马达之间的电力逆变器将直流(dc)电力转换为交流(ac)电力。典型的ac牵引马达是可由3个正弦信号提供电力的三相马达，所述3个正弦信号中的每个以120度的相位分离驱动。牵引电池被配置为在特定电压范围内操作并提供最大电流。可选地，牵引电池被称作高电压电池。然而电机的改善的性能可通过在不同的电压范围(通常高于牵引电池端电压的电压)下进行操作来实现。同样地，用于驱动车载电机的电流需求通常被称作高电流。
此外，很多电气化车辆包括dc-dc转换器(还被称作可变电压转换器(vvc))，以将牵引电池的电压转换为电机的操作电压水平。电机(可包括牵引马达和发电机)可能需要高电压和高电流。由于电压需求和电流需求，电池模块和电力电子模块通常在持续的通信中。
技术实现要素：
一种用于车辆的动力传动系统包括dc/dc转换器和控制器。dc/dc转换器包括电感器和输出电容器，并且连接在牵引电池和电驱动单元之间。控制器可被配置为：响应于车辆和ac电网之间的电连接，将所述输出电容器和电感器串联连接在牵引电池的端子之间，以吸收来自ac电网的无功功率。
根据本发明的一个实施例，dc/dc转换器是双向dc/dc转换器。
根据本发明的一个实施例，dc/dc转换器是降压-升压dc/dc转换器。
一种控制动力传动系统的方法包括：响应于ac电网和包括所述动力传动系统的电动车辆之间的电连接，根据来自ac电网的无功功率，通过控制器对dc/dc转换器的高侧开关进行调制，以将功率传送通过dc/dc转换器的电感器，从而在dc/dc转换器的输出电容器中吸收所述无功功率的一部分。
一种用于车辆的动力传动系统包括控制器，所述控制器可被配置为：响应于车辆和ac电网之间的电连接，将dc/dc转换器的输出电容器和电感器串联连接在牵引电池的端子之间，以吸收来自ac电网的无功功率。
根据本发明的一个实施例，所述动力传动系统还包括集成的充电器，所述集成的充电器被配置为：经由第一电机和第二电机两者的中性端子，在ac电网与dc/dc转换器之间形成电连接。
根据本发明的一个实施例，dc/dc转换器是双向dc/dc转换器。
根据本发明的一个实施例，dc/dc转换器是降压-升压dc/dc转换器。
附图说明
图1是具有电机和dc/dc转换器的电气化车辆的示图，其中，dc/dc转换器被配置为减小在通过ac电网对电动车辆充电期间的电流纹波。
图2是示出典型的动力传动系统以及包括ac电网充电组件的能量储存组件的混合动力车辆的示图。
图3是车载dc/dc转换器的示意图。
图4是包括ac电网充电器、牵引电池以及被配置为将无功功率引导至dc总线电容器的转换器的混合动力车辆动力传动系统的示意图。
图5是包括集成ac电网充电器、牵引电池以及被配置为将无功功率引导至dc总线电容器的转换器的功率分流式混合动力车辆动力传动系统的示意图。
图6是混合动力车辆的ac充电期间的充电组件与可变电压转换器组件的ac特性的图形示图。
图7是用于混合动力车辆转换器的控制系统的示图。
图8是用于转换器的控制系统将无功功率引导至dc总线电容器的流程图。
图9是包括ac电网充电器、dc/dc转换器、牵引电池以及具有平衡电容器的逆变器/马达的混合动力车辆动力传动系统的示图。
图10是包括ac电网充电器、dc/dc转换器、牵引电池以及被配置为在充电期间对功率进行平衡的逆变器/马达的混合动力车辆动力传动系统的示图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的是，参考任一附图示出和描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
用于电动车辆的单相交流(ac)充电器通常以各种频率传送ac纹波。通常，最显著的频率分量是电网频率或线路频率的两倍，并且电网输入功率具有脉冲形状，所述脉冲形状具有直流偏移(pin_dc)、较大的ac分量(线路频率的2倍)以及大小为2(pin_dc)的峰间值。这种功率纹波在电池侧引起处于电网频率的两倍的频率下的电流纹波，从而需要额外的电路来保护电池。此外，存在其它频率下的电流纹波，诸如，由于电网失真和充电器的半导体开关的开关频率而导致的不同阶次的谐波。为了滤掉这些纹波，充电器需要大的直流链路电容器。这种大容量电容器增大了充电器的成本、体积和重量。
由于电动车辆在ac电网充电期间不运动，所以电动车辆的电驱动系统(例如，动力传动系统或电动驱动系统)通常与电池断开连接，所述电气驱动系统包括牵引驱动逆变器和电机。这里，dc/dc转换器被操作以在电感器和输出电容器中吸收无功功率。
提出了一种设备和方法，所述设备和方法利用电动驱动系统并且在充电期间将电动驱动系统作为低频电流补偿器进行操作。公开了一种动力传动系统，所述动力传动系统包括电容器，所述电容器被选择性地连接在y形绕组电机的中性端子与马达逆变器的负极端子之间。在另一个实施例中，用于动力传动系统的控制器被配置为在ac电网充电期间以高于线路频率的频率对逆变器的开关进行调制，以使电流流过电机的一个相绕组，使得电流经由电机的不同的相绕组返回。
图1描绘了示出包括电驱动单元2(例如，电机和逆变器)、dc/dc转换器4、高电压电池6和电池充电器8的内部电动动力传动系统组件的混合动力电动车辆。电池充电器8可集成到车辆内部或者可连同ac电网10处于车辆外部。在车辆充电期间，电流流过升压转换器4的电感器l并且经由高侧开关流到dc总线电容器cdc，所述高侧开关被调制以控制电流的流动。这里，电驱动单元2可被配置为开路。在一个实施例中，控制器(例如，电池升压转换器控制器)可选择性地将dc总线电容器cdc与电感器l串联接合或串联连接，使得dc总线电容器cdc与电感器l的串联组合跨接在高电压电池6的端子上。控制器可以以高于线路频率的频率对电池升压转换器的开关进行调制，以减少基于线路频率和线路频率的谐波的纹波电流。这里，控制器(例如，电机逆变器控制器)可选择性地对转换器4的开关进行调制，以吸收来自ac电网10的无功能量。可完成转换器4的高侧开关的调制，以吸收电容器cdc和/或电感器l中的无功能量。
图2描绘了可被称作插电式混合动力电动车辆(phev)的电气化车辆112。插电式混合动力电动车辆112可包括机械地连接至混合动力传动装置116的一个或更多个电机114。电机114能够作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置116机械地连接至发动机118。混合动力传动装置116还机械地连接至驱动轴120，驱动轴120机械地连接至车轮122。电机114可在发动机118启动或关闭时提供推进和减速能力。电机114还可用作发电机，并且能够通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热损失掉的能量来提供燃料经济性效益。电机114还可通过允许发动机118以更高效的转速运转并允许混合动力电动车辆112在特定状况下以发动机118关闭的电动模式运转而减少车辆排放。电气化车辆112还可以是电池电动车辆(bev)。在bev配置中，可以不存在发动机118。在其它配置中，电气化车辆112可以是没有插电能力的全混合动力电动车辆(fhev)。
牵引电池或电池组124储存可被电机114使用的能量。车辆电池组124可提供高电压直流(dc)输出。牵引电池124可电连接至一个或更多个电力电子模块126。一个或更多个接触器142可在断开时将牵引电池124与其它组件隔离，并且可在闭合时将牵引电池124连接至其它组件。电力电子模块126还电连接至电机114，并提供在牵引电池124与电机114之间双向传输能量的能力。例如，牵引电池124可提供dc电压，而电机114可使用三相交流电(ac)来运转。电力电子模块126可将dc电压转换为三相ac电流来运转电机114。在再生模式下，电力电子模块126可将来自用作发电机的电机114的三相ac电流转换为与牵引电池124兼容的dc电压。
车辆112可包括电连接在牵引电池124和电力电子模块126之间的可变电压转换器(vvc)152。vvc152可以是被配置为增大或升高由牵引电池124提供的电压的dc/dc升压转换器。通过增大电压，电流需求可被降低，从而导致电力电子模块126和电机114的布线尺寸减小。此外，电机114可以以较高的效率和较低的损耗运转。
牵引电池124除了提供用于推进的能量以外，还可为其它车辆电力系统提供能量。车辆112可包括dc/dc转换器模块128，dc/dc转换器模块128将牵引电池124的高电压dc输出转换为与低电压车辆负载兼容的低电压dc供应。dc/dc转换器模块128的输出可电连接至辅助电池130(例如，12v电池)以用于给辅助电池130充电。低电压系统可电连接至辅助电池130。一个或更多个电负载146可连接至高电压总线。电负载146可具有适时地操作和控制电负载146的关联的控制器。电负载146的示例可以是风扇、电加热元件和/或空调压缩机。
电气化车辆112可被配置为通过外部电源136对牵引电池124进行再充电。外部电源136可连接至电插座。外部电源136可电连接至充电器或电动车辆供电设备(evse)138。外部电源136可以是由公共电力公司提供的配电网或电网。evse138可提供电路和控制，以调节和管理电源136与车辆112之间的能量传输。外部电源136可向evse138提供dc电力或ac电力。evse138可具有用于插入到车辆112的充电端口134中的充电连接器140。充电端口134可以是被配置为从evse138向车辆112传输电力的任意类型的端口。充电端口134可电连接至充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块132可对从evse138供应的电力进行调节，以向牵引电池124提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块132可与evse138进行接口连接，以协调对车辆112的电力传输。evse连接器140可具有与充电端口134的相应凹入紧密配合的引脚。可选地，被描述为电耦合或电连接的各种组件可使用无线感应耦合来传输电力。
可提供一个或更多个车轮制动器144，以使车辆112减速并阻止车辆112移动。车轮制动器144可以是液压致动的、电致动的或者它们的某种组合。车轮制动器144可以是制动系统150的一部分。制动系统150可包括用于操作车轮制动器144的其它组件。为简单起见，附图描绘了制动系统150与车轮制动器144中的一个之间的单一连接。制动系统150和其它车轮制动器144之间的连接被隐含。制动系统150可包括控制器，以监测和协调制动系统150。制动系统150可监测制动组件并控制车轮制动器144，以进行车辆减速。制动系统150可对驾驶员命令做出响应，并且还可自主运转以实现诸如稳定性控制的功能。制动系统150的控制器可在被另一控制器或子功能请求时实现施加被请求的制动力的方法。
车辆112中的电子模块可经由一个或更多个车辆网络进行通信。车辆网络可包括用于通信的多个信道。车辆网络的一个信道可以是诸如控制器局域网(can)的串行总线。车辆网络的信道中的一个可包括由电气与电子工程师协会(ieee)802标准族定义的以太网。车辆网络的其它信道可包括模块之间的离散连接，并且可包括来自辅助电池130的电力信号。不同的信号可通过车辆网络的不同信道进行传输。例如，视频信号可通过高速信道(例如，以太网)进行传输，而控制信号可通过can或离散信号进行传输。车辆网络可包括协助在模块之间传输信号和数据的任何硬件组件和软件组件。车辆网络未在图1中被示出，但是可隐含了车辆网络可连接在车辆112中存在的任何电子模块。可存在车辆系统控制器(vsc)148来协调各个组件的操作。
图3描绘了被配置为升压转换器的vvc152的示图。vvc152可包括可通过接触器142连接至牵引电池124的端子的输入端子。vvc152可包括连接至电力电子模块126的端子的输出端子。vvc152可被操作为使得输出端子处的电压高于输入端子处的电压。车辆112可包括监测和控制vvc152内的多个位置处的电参数(例如，电压和电流)的vvc控制器200。在一些配置中，vvc控制器200可作为vvc152的一部分被包括。vvc控制器200可确定输出电压基准
vvc152的输出电压可被控制以实现期望的基准电压。在一些配置中，vvc152可以是升压转换器。在升压转换器的配置中，vvc控制器200控制占空比，输入电压vin和输出电压vout之间的理想关系以及占空比d可使用以下等式示出：
期望的占空比d可通过测量输入电压(例如，牵引电池电压)以及将输出电压设置为基准电压而被确定。vvc152可以是降低从输入至输出的电压的降压转换器。在降压配置中，可推导得到将输入电压以及输出电压与占空比关联的不同表达式。在一些配置中，vvc152可以是可增大或减小输入电压的降压-升压转换器。在此描述的控制策略不限于特定的可变电压转换器拓扑。
参照图3，vvc152可升高或“提高”(stepup)由牵引电池124提供的电力的电压电势。牵引电池124可提供高电压(hv)dc电力。在一些配置中，牵引电池124可提供150伏特和400伏特之间的电压。接触器142可串联电连接在牵引电池124和vvc152之间。当接触器142闭合时，hvdc电力可从牵引电池124被传输到vvc152。输入电容器202可与牵引电池124并联电连接。输入电容器202可稳定总线电压并减小任何电压纹波和电流纹波。vvc152可接收hvdc电力，并根据占空比升高或“提高”输入电压的电压电势。
输出电容器204可电连接在vvc152的输出端子之间。输出电容器204可稳定总线电压，并减小vvc152的输出处的电压纹波和电流纹波。
进一步参照图3，vvc152可包括用于升高输入电压以提供升高的输出电压的第一开关器件206和第二开关器件208。开关器件206和开关器件208可被配置为使电流选择性地流动至电负载(例如，电力电子模块126和电机114)。开关器件206和开关器件208中的每个可由vvc控制器200的栅极驱动电路(未示出)单独控制，并且可包括任何类型的可控开关(例如，绝缘栅双极型晶体管(igbt)或场效应晶体管(fet))。栅极驱动电路可向开关器件206和开关器件208中的每个提供基于控制信号(例如，pwm控制信号的占空比)的电信号。二极管可跨接在开关器件206和开关器件208中的每个上。开关器件206和开关器件208可分别具有关联的开关损耗。开关损耗是在开关器件的状态变化(例如，开/关和关/开的转换)期间产生的功率损耗。可通过在转换期间流过开关器件206和开关器件208的电流以及开关器件206两端的电压和开关器件208两端的电压来量化开关损耗。开关器件还可具有当器件导通时产生的关联的传导损耗。
车辆系统可包括用于测量vvc152的电参数的传感器。第一电压传感器210可被配置为测量输入电压(例如，电池124的电压)，并向vvc控制器200提供相应的输入信号(vbat)。在一个或更多个实施例中，第一电压传感器210可测量与电池电压对应的输入电容器202两端的电压。第二电压传感器212可测量vvc152的输出电压并向vvc控制器200提供相应的输入信号(vdc)。在一个或更多个实施例中，第二电压传感器212可测量与dc总线电压对应的输出电容器204两端的电压。第一电压传感器210和第二电压传感器212可包括用于将电压缩放到适合vvc控制器200的水平的电路。vvc控制器200可包括用于对来自第一电压传感器210和第二电压传感器212的信号进行滤波和数字化的电路。
输入电感器214(通常称为升压电感器)可串联电连接在牵引电池124与开关器件206以及开关器件208之间。输入电感器214可在将能量储存在vvc152中和释放vvc152中的能量之间转换，从而能够提供可变的电压和电流作为vvc152的输出并且能够实现期望的电压升高。电流传感器216可测量通过输入电感器214的输入电流，并且可向vvc控制器200提供相应的电流信号(il)。通过输入电感器214的输入电流可以是vvc152的输入电压和输出电压之间的电压差、开关器件206和开关器件208的导通时间以及输入电感器214的电感l共同作用的结果。vvc控制器200可包括用于对来自电流传感器216的信号进行缩放、滤波和数字化的电路。
vvc控制器200可被配置为控制vvc152的输出电压。vvc控制器200可经由车辆网络从vvc152和其它控制器接收输入，并且可确定控制信号。vvc控制器200可监测输入信号
提供给vvc152的控制信号可被配置为以特定的开关频率驱动开关器件206和开关器件208。在开关频率的每个周期内，开关器件206和开关器件208可以以特定的占空比被操作。占空比定义开关器件206和开关器件208处于接通状态和断开状态的时间量。例如，100％的占空比可使开关器件206和开关器件208在无断开的持续接通状态下操作。0％的占空比可使开关器件206和开关器件208在无接通的持续断开状态下操作。50％的占空比可使开关器件206和开关器件208在接通状态下操作持续半个周期并且在断开状态下操作持续半个周期。两个开关206和208的控制信号可以是互补的。也就是说，发送至开关器件中的一个(例如，开关器件206)的控制信号可以是发送至另一开关器件(例如，开关器件208)的控制信号的相反的版本。开关器件206和208的互补控制的使用适合于避免在电流直接流过高侧开关器件206和低侧开关器件208的情况下的击穿状况。高侧开关器件206也被称为通过器件206，低侧开关器件208也被称为充电器件208。
由开关器件206和开关器件208控制的电流可包括纹波分量，所述纹波分量具有随着电流幅值以及开关器件206和开关器件208的占空比和开关频率的变化而变化的幅值。相对于输入电流，在相对高的输入电流的状况期间出现最差情况的纹波电流幅值。当占空比固定时，电感器电流的增大引起纹波电流幅值的增大。纹波电流的幅值还与占空比相关。当占空比等于50％时，出现最高幅值的纹波电流。基于这些事实，在高电流和中间范围占空比的状况下实施用于减小纹波电流幅值的措施可能是有益的。
当设计vvc152时，可选择开关频率和电感器214的电感值，以满足最大可允许纹波电流幅值。纹波分量可以是在dc信号中呈现的周期性变量。纹波分量可由纹波分量幅值和纹波分量频率来定义。纹波分量可具有处于可听频率范围内的谐波，所述谐波可增加车辆的噪声特征。此外，纹波分量可能导致难以精确地控制由电源供电的器件。在开关瞬变期间，开关器件206和开关器件208可在最大电感器电流(dc电流加纹波电流)下断开，这可引起开关器件206和开关器件208两端的大的电压尖峰。由于尺寸和成本的限制，可基于传导电流选择电感值。通常，随着电流增大，电感可由于饱和而减小。
开关频率可被选择以限制在最差情况的情境(例如，最高输入电流的状况和/或占空比接近50％的状况)下的纹波电流分量的幅值。开关器件206和开关器件208的开关频率可被选择为高于连接至vvc152的输出的马达/发电机逆变器的开关频率(例如，5khz)的频率(例如，10khz)。在一些应用中，vvc152的开关频率可被选择为预定的固定频率。预定的固定频率通常被选择以满足噪声和纹波电流的规范。然而，预定的固定频率的选择可能无法在vvc152的全部操作范围内提供最佳性能。预定的固定频率可在特定集合的操作状况下提供最佳结果，但是可能是在其它操作状况下的折衷。
增大开关频率可减小纹波电流幅值并降低开关器件206和开关器件208上的电压负荷，但可能导致更高的开关损耗。虽然可针对最差情况的纹波状况选择开关频率，但是vvc152在最差情况的纹波状况下的操作时间可能仅占总操作时间的小百分比。这可能导致可降低燃料经济性的非必要的高开关损耗。此外，固定的开关频率可将噪声频谱集中在非常窄的范围内。在这个窄的范围内的增大的噪声密度可引起显著的噪声、振动和声振粗糙度(nvh)问题。
vvc控制器200可被配置为基于占空比和输入电流改变开关器件206和开关器件208的开关频率。开关频率的改变可通过降低开关损耗来改善燃料经济性并减少nvh问题，同时保持最差情况的操作状况下的纹波电流目标。
在相对高的电流状况期间，开关器件206和开关器件208可能经受增大的电压负荷。在vvc152的最大操作电流下，可期望选择相对高的开关频率，从而减小纹波分量的幅值并且开关损耗水平是合理的。可基于输入电流幅值选择开关频率，使得开关频率随着输入电流幅值的增大而增大。开关频率可增大到预定的最大开关频率。预定的最大开关频率可以是在较低的纹波分量幅值和较高的开关损耗之间提供折衷的水平。可在操作电流范围内按照离散步长改变开关频率或持续地改变开关频率。
vvc控制器200可被配置为响应于电流输入低于预定的最大电流而降低开关频率。预定的最大电流可以是vvc152的最大操作电流。开关频率的改变可以是基于输入到开关器件206和开关器件208的电流的幅值的。当电流大于预定的最大电流时，开关频率可被设置为预定的最大开关频率。随着电流减小，纹波分量的幅值减小。通过在电流减小时以较低的开关频率进行操作，开关损耗被降低。开关频率可基于输入到开关器件的功率而变化。由于输入功率是输入电流和电池电压的函数，所以输入功率和输入电流可以以类似的方式被使用。
由于纹波电流还受占空比影响，所以开关频率可基于占空比而变化。可基于输入电压与输出电压之间的比值来确定占空比。同理，开关频率还可基于输入电压和输出电压之间的比值而变化。当占空比接近50％时，预测的纹波电流幅值是最大值，并且开关频率可被设置为预定的最大频率。预定的最大频率可以是被选择为使纹波电流幅值最小化的最大开关频率值。开关频率可在占空比范围内按照离散步长变化或持续地变化。
vvc控制器200可被配置为响应于占空比和预测的纹波分量幅值为最大值时的占空比值(例如，50％)之间的差的大小而从预定的最大频率开始减小开关频率。当所述差的大小小于阈值时，开关频率可被设置为预定频率。当所述差的大小减小时，开关频率可向着预定的最大频率增大，以减小纹波分量幅值。当所述差的大小小于阈值时，开关频率可被设置为预定的最大频率。
开关频率可被限制在预定的最大频率和预定的最小频率之间。预定的最小频率可以是大于连接至可变电压转换器152的输出的电力电子模块126的预定开关频率的频率水平。开关频率还可基于与igbt的栅极相关联的寄生电感。
图4是包括ac电网310、电池充电器308、牵引电池306、dc/dc转换器304和电驱动单元302的混合动力车辆动力传动系统的示意图300。电驱动单元302包括电机以及用于驱动电机的逆变器。在推进过程中，dc/dc转换器304被配置为将电池电压升高到dc总线电容器312两端的操作电压，并且在充电期间，dc/dc转换器304被配置为将无功功率引导至dc总线电容器312。通常，电池升压转换器用于将较低的电池电压升高到较高的dc总线电压，以在很多混合动力电动车辆(hev)和一些电池电动车辆中实现更容易的电动马达控制和更高的效率。此附图是独立的单相充电器的示图，所述单相充电器可以是1级ac单相充电器、2级ac单相充电器或3级ac单相充电器。这里，电池升压转换器304(还被称作dc/dc转换器或可变电压转换器(vvc))包括高侧开关314、低侧开关316、电感器318和dc总线或输出电容器320。高侧开关和低侧开关(314和316)通常是固态器件(ssd)，诸如，在多种汽车和工业应用(诸如，电动马达驱动、电力逆变器、dc-dc转换器以及电力模块)中被广泛使用的绝缘栅双极型晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或双极结型晶体管(bjt)。igbt和mosfet的操作是电压控制的，其中，所述操作是基于施加到igbt或mosfet的栅极的电压的，而bjt的操作是电流控制的，其中，所述操作是基于施加到bjt的基极的电流的。
这里，可使用ssd或高功率继电器来控制、改变或调制车辆的电池与电机/电驱动单元302之间的电流。然而，当充电时，开关(314和316)可被调制以减小功率纹波。纹波减小方法通过使用电池升压转换器304的半导体开关(314和316)将无功纹波功率引导至电池升压转换器304中的直流链路电容器320。通常考虑电网频率以外的频率，例如，重点在于两倍于电网频率的频率下的纹波可被选择，这是因为该频率分量通常是最严重的纹波分量(例如，在输入电压和输入电流具有单位功率因数的情况下，这是针对大多数商业充电器的情况)。然而，因为电驱动系统在充电期间不运行，并且纹波通过充电器被传送到电池侧，所以通过调节电感值、电容值、调制占空比和调制频率，这种方法和结构可被用于非单位功率因数的情况并且可被用于其它频率分量。
图5是包括ac电网充电器、牵引电池以及被配置为将无功功率引导至dc总线电容器的转换器的功率分流式混合动力车辆动力传动系统的示意图。此系统是利用车载电驱动系统来实现电池充电功能的电动车辆的集成充电器。在该拓扑图中，电动马达绕组和发电机绕组起到电感器的作用，并且电动马达和发电机的相应的逆变器被命令以实现功率因数校正(pfc)功能。
在图5中，混合动力车辆动力传动系统400包括电驱动单元402，所述电驱动单元402可被配置为提供扭矩以驱动车辆的车轮或通过利用车轮的旋转力来产生电流。在电驱动单元402中，电机424与将ac电流转换成直流(dc)电流的电机逆变器422连接。在该示例中，电驱动单元402还包括与发电机逆变器426连接的发电机428。在车辆运行期间，可具有并联连接的平滑电容器412的高电压牵引电池406被用于提供使电机转动的推进力，并且被用于储存通过电机从车轮的旋转能捕获的能量。当车辆未运动时，可能期望通过经由电池充电器将电池406与ac电网410进行连接来提高电池406的荷电状态(soc)，所述电池充电器在该示例中是电驱动单元402。使用ac电网410的一个影响是电网频率的谐波可能产生被传播到动力传动系统400的电池和组件的峰值电压。这里，dc/dc升压转换器或电池升压转换器404包括电感器408、高侧开关414、低侧开关416和电容器420。当充电时，电驱动单元402可将马达424和发电机428的中性端子与ac电网410进行接合，并且调制马达逆变器422和发电机逆变器426的开关以将无功功率传送通过电机424/428的电感绕组。这允许流过电机424/428的绕组的电流流到电池升压转换器404，使得当电容器420和电感器408通过开关414被接合时，所述电流被电容器420和电感器408吸收。所述电流经由上拉开关(例如，414)和下拉开关(例如，416)被控制。
电池充电器可以是由汽车工程师协会(sae)定义的1级ac充电器、2级ac充电器或3级ac充电器(诸如，在saej1772规范和其它sae规范中所描述的充电器)。这里，高侧开关414(可以是继电器、igbt、mosfet或其它固态开关)选择性地将电池端子之间的电容器cdc420与电池升压转换器404的电感器l408进行串联连接。当车辆与ac电网连接并且未运动时，电机424/428的定子绕组可被用于经由逆变器422/426将电流传送至升压转换器404。逆变器422/426可调制开关或可静态地接合开关以引导电流，而转换器404的开关414/416可以以比ac电网410的线路频率大的频率fsw进行调制。所述频率fsw(例如，1khz、1.2khz、2khz、2.4khz、5khz或6khz)可大于线路频率(例如，50hz或60hz)的20倍。
平滑电容器cdc420被用作能量储存器件以吸收纹波功率。电感器l408被用于将无功功率传输至电容器420而通常不被用作能量储存器件。根据电感器408的电感值、开关频率和低频纹波幅值，电感器408可在非连续模式或连续模式下操作。应该注意的是，逆变器422/426的开关的操作使得没有稳态旋转扭矩应用于电机，这是因为由感应出的场产生的任何瞬态扭矩通常将是反向相等的或平衡的使得所述旋转扭矩基本上为零。例如，使相同的(平衡的)电流流过电机的全部相将在电机中产生平衡的均匀场，从而产生最小旋转扭矩或不产生旋转扭矩。此外，逆变器422/426的开关可被调制，以补偿转子位置以及逆变器的电气组件(例如，开关、二极管和连接)和电机的相的特性差异。
图6是在混合动力车辆的ac充电期间的充电组件和动力传动系统组件的ac特性相对于时间602的图形表示600。输入功率604、电感器电流606和大容量dc电容器电压608相对于时间602被图形化地示出。在时间610，当输入dc功率等于电网功率时，电流为零，在时间612并且在1/2的电网频率(fgrid)下，当电流处于最小值时，输入功率为零。在这些输入功率、电感器电流和电容器电压的波形中，只有dc分量和2倍电网频率分量被示出。在该测量过程中，电池充电器被操作，使得电池充电器的输入电压和输入电流达到单位功率因数，但是在大多数情况下，典型的商业充电器不可达到单位功率因数。然而，这些控制方法和电路可被应用于具有其它频率分量的非单位功率因数情况和系统。
为了计算的目的，假设ac侧的全部低频纹波通过充电器被传送到电池侧。然后，输入功率可基于：
pin＝pin_dc×(1+cos(2fgrid×2πt))(2)
由输出电容器cbatt吸收的无功能量可基于下列等式被计算：
电容器的电压摆动(voltageswing)可基于下列等式被计算：
等式(5)为电容器的选择提供了准则。例如，考虑具有60hz电网频率的3.3kw充电器、400v电容器dc电压和50v电容器电压纹波(3300/(4*π*60*50*400))，因此可使用200uf的电容器来满足等式(5)的要求。
图7是ac充电期间的混合动力车辆的控制系统转换器信号流的框图500。执行对转换器的控制以将来自ac电网的充电操作的无功功率引导至dc总线电容器或输出电容器。这里，电网侧的感测项可包括电压/电流(例如，iac和vac)，所述电压/电流可通过第一控制框502(例如，ac充电器控制器)被计算以产生相位信息和输入功率数据。相位信息和输入功率数据可传送到可位于车辆内的第二控制框504，并且可与可包括电感器lm电流(ilm)和电容器电压(vc1)的感测信息一起被使用。此控制流的输出是转换器选通信号，所述转换器选通信号被用于将电容器c1(例如，输出电容器420)连接在电机的中性端子和逆变器的负极端子之间。此外，此转换器选通信号还可被用于控制逆变器的开关(例如，马达逆变器422内的开关和发电机逆变器426内的开关)以及转换器(例如，电池升压转换器404)内的开关。
图8是用于将无功功率引导至输出电容器或dc总线电容器的dc/dc转换器的控制系统的流程图700。在操作702，基于混合动力车辆的操作模式，控制器进行分支操作。如果车辆未在充电模式中，则控制器将分支返回到操作702。如果操作模式是充电模式，则控制器分支到操作704。
在操作704，控制器计算输入功率纹波(例如，如图6所示的pin)和逆变器的操作损耗，并进行到操作706。在操作706，基于输入功率纹波是否超过阈值，控制器进行分支操作。所述阈值可基于预定值，例如，所述预定值可包括对于电池允许的最大纹波值，或者所述预定值可通过充电效率要求和转换器电路损耗来确定。如果输入功率纹波小于阈值，则控制器将退出，而如果输入功率纹波大于阈值，则控制器将分支到操作708。
在操作708，控制器将输出电容器连接在电池的端子之间，以“平衡”无功功率。在平衡电容器连接之后，控制器继续执行操作710。
在操作710，控制器操作转换器，以经由转换器的开关将来自充电操作的无功功率引导至输出电容器。在没有输出电容器的实施例中，控制器操作转换器，以将无功功率引导通过转换器的电感器。然后，控制器继续执行操作712。在操作712，控制器响应于充电的状态而进行分支操作，如果充电未完成，则控制器将分支到操作710并继续操作逆变器。如果充电完成，则控制器在操作714退出。
图9是包括电机902的混合动力车辆动力传动系统900的示图，电机902被配置为提供扭矩以驱动车辆的车轮或者通过利用车轮的旋转力使电机902转动以产生电流。电机与将ac电流转换为直流(dc)电流的电机逆变器904连接。在车辆运行期间，高电压牵引电池906被用于提供推进力以使电机转动，并且被用于储存通过电机从车轮的旋转能中捕获的能量。当车辆未运动时，可能期望通过经由电池充电器908将电池906与ac电网910进行连接以提高电池906的荷电状态(soc)。使用ac电网的一个影响是电网频率的谐波可能产生被传播到动力传动系统的电池和组件的峰值电压。由于逆变器904和电机902所需的操作电压可能不同于电池906的电压，所以dc/dc转换器912可被用于将电池电压增大/减小或升高/降低到所述操作电压。dc/dc转换器912(还被称作可变电压转换器(vvc))可包括高侧开关914、低侧开关916、电感器918和输出电容器920。高侧开关和低侧开关(914和916)通常是固态器件(ssd)，诸如在多种汽车和工业应用(诸如，电动马达驱动、电力逆变器、dc-dc转换器以及电力模块)中被广泛使用的绝缘栅双极型晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或双极结型晶体管(bjt)。igbt和mosfet的操作是电压控制的，其中，所述操作是基于施加到igbt或mosfet的栅极的电压的，而bjt的操作是电流控制的，其中，所述操作是基于施加到bjt的基极的电流的。
在推进过程中，dc/dc转换器912被配置为将电池电压升高到dc总线电容器920两端的操作电压，并且在充电期间，dc/dc转换器912被配置为将无功功率引导至dc总线电容器920。通常，电池升压转换器被用于将较低的电池电压升高到较高的dc总线电压，以实现在很多混合动力电动车辆(hev)和一些电池电动车辆中的更容易的电动马达控制和更高的效率。此附图是独立的单相充电器的示图，所述单相充电器可以是由汽车工程师协会(sae)定义的1级ac单相充电器、2级ac单相充电器或3级ac单相充电器(诸如，在saej1772规范和其它sae规范中所描述的单相充电器)。
这里，经由开关924选择性地将电容器922与电机902的中性端子进行连接，并且对逆变器904的开关(928a、928b、928c、930a、930b和930c)进行调制，以将无功功率传送通过电机902的感性绕组926a、926b和926c。这允许流过电机绕组926a、926b和926c的电流进行流动，以在电容器920通过开关924被接合时由电容器920吸收。电流经由上拉开关928a、928b和928c以及下拉开关930a、930b和930c被控制，这些开关还被称作高侧开关928a、928b和928c以及低侧开关930a、930b和930c。这里，开关r1924(可以是继电器、igbt、mosfet或其它固态开关)选择性地将电容器c1922连接在电机902的中性端子与逆变器904的负极总线之间。当车辆与ac电网连接并且未运动时，电机的定子绕组(即，电感器l1、l2和l3)可被用于经由逆变器904将电流传送至电池升压转换器912。逆变器以大于ac电网910的线路频率的频率fsw调制开关(928和930)。所述频率fsw(例如，1khz、1.2khz、2khz、2.4khz、5khz或6khz)可大于线路频率(例如，50hz或60hz)的20倍。
平滑电容器c1922被用作能量储存器件以吸收纹波功率。电感器lm表示电机902的绕组电感。电感器lm被用于将无功能量传输到电容器922而通常不被用作能量储存器件。根据绕组(926a、926b和926c)的电感值、开关频率和低频纹波幅值，电感器可在非连续模式或连续模式下进行操作。
三个相桥中的开关被分成两组：三个上端开关(928a、928b和928c)及三个下端开关(930a、930b和930c)。每组中的开关可在不同模式下进行操作。例如，在第一“并联”模式下，三个开关(例如，上端开关或下端开关)同时动作，使得全部上端开关同样地被激活并且全部下端开关同样地被激活。另一模式是“交错”模式，在“交错”模式下，三个开关(例如，上端开关或下端开关)以1/3的开关周期分开进行操作。第三“选择性”模式使得在给定时间只有一个或两个开关进行操作。虽然已经使用三相电机来说明本发明，但是本发明不限于三相电机，这是因为还可以在六相电机、九相电机或其它多相电机来实施本发明，其中，平衡电容器被连接在多相电机的中性端子与用于电机的逆变器的负极端子之间。开关的操作使得没有稳态旋转扭矩被应用于电机，这是因为在一些实施例中由感应出的场产生的任何瞬态扭矩通常将是反向相等的或者将是平衡的，使得所述旋转扭矩基本上为零。例如，使相同的(平衡的)电流流过电机的全部相位将在电机中产生平衡的均匀场，从而产生最小旋转扭矩或者不产生旋转扭矩。此外，开关可被调制以补偿转子位置以及逆变器的电气组件(例如，开关、二极管和连接)和电机的相(例如，926a、926b和926c)的特性差异。
图10是包括电机1002的混合动力车辆动力传动系统1000的示图，电机1002可被配置为提供扭矩以驱动车辆的车轮或者通过使用车轮的旋转力使电机1002转动来产生电流。电机与将ac电流转换为直流(dc)电流的电机逆变器1004连接。在车辆运行期间，高电压牵引电池1006被用于提供推进力以使电机转动，并且被用于储存由电机从车轮的旋转能中捕获的能量。当车辆未运动时，可能期望通过经由电池充电器1008将电池1006与ac电网1010进行连接来提高电池1006的荷电状态(soc)。使用ac电网的一个影响是电网频率的谐波可能产生被传播到动力传动系统的电池和组件上的峰值电压。由于逆变器1004和电机1002所需的操作电压可不同于电池1006的电压，所以dc/dc转换器1012可被用于将电池电压增大/减小或升高/降低到所述操作电压。dc/dc转换器1012(还被称作可变电压转换器(vvc))可包括高侧开关1014、低侧开关1016、电感器1018和输出电容器1020。高侧开关和低侧开关(1014和1016)通常是固态器件(ssd)，诸如在多种汽车和工业应用(诸如，电动马达驱动、电力逆变器、dc-dc转换器以及电力模块)中被广泛使用的绝缘栅双极型晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或双极结型晶体管(bjt)。igbt和mosfet的操作是电压控制的，其中，所述操作是基于施加到igbt或mosfet的栅极的电压的，而bjt的操作是电流控制的，其中，所述操作是基于施加到bjt的基极的电流的。
在推进过程中，dc/dc转换器1012被配置为将电池电压升高到dc总线电容器1020两端的操作电压，并且在充电期间，dc/dc转换器1012被配置为将无功功率引导至dc总线电容器1020。通常，电池升压转换器被用于将较低的电池电压升高到较高的dc总线电压，以实现在很多混合动力电动车辆(hev)和一些电池电动车辆中的更容易的电动马达控制和更高的效率。此附图是独立的单相充电器的示图，所述单相充电器可以是由汽车工程师协会(sae)定义的1级ac单相充电器、2级ac单相充电器或3级ac单相充电器(诸如，在saej1772规范和其它sae规范中所描述的单相充电器)。
使用ac电网的一个影响是电网频率的谐波可产生被传播到动力传动系统的峰值电压。这里，可经由逆变器1004将电流引导通过电机1002的至少一相。电流可被引导流过电机的至少一个绕组(例如，1026a、1026b和1026c)，并且随后经由电机的不同绕组返回。电流经由上拉开关1028a、1028b和1028c以及下拉开关1030a、1030b和1030c被控制。例如，可通过导通第一开关1028a将电流引导流过第一相1026a，并且然后可通过导通第二开关1030b使电流经由第二相1026b返回。在可选实施例中，可通过导通第二开关1030b和第三开关1030c使电流经由第二相1026b和第三相1026c返回。
图10的等效电路基本上具有跨接在桥两端的电感器的h桥。取决于开关配置，电感器lm表示串联或并联的相的等效绕组电感，所述等效绕组电感可根据不同的电路配置而具有不同的值。上拉开关1028a、1028b和1028c以及下拉开关1030a、1030b和1030c形成全桥逆变器并且被控制以产生电感器电流ilm。上拉开关1028a、1028b和1028c以及下拉开关1030a、1030b和1030c可以以比ac电网的线路频率高得多(>20倍)的频率fsw进行操作。而且上拉开关1028a、1028b和1028c以及下拉开关1030a、1030b和1030c可被控制，使得电感器电流ilm追踪输入功率以补偿输入功率的无功功率分量。虽然已经使用三相电机来说明该实施例，但是该实施例不限于三相电机，这是应为该实施例还可以在六相电机、九相电机或其它多相电机中来实施，其中，电流流出至少一个相并且经由至少一个不同的相返回。开关的操作使得没有稳态旋转扭矩被应用于电机，这是因为由感应出的场产生的瞬态扭矩通常在一些实施例中将是反向相等的或者将是平衡的，使得所述旋转扭矩基本上为零。例如，使相同的(平衡的)电流流过电机的一相并且使电流经由单独的不同相返回，以在电机中产生平衡的均匀场，从而产生最小旋转扭矩或者不产生旋转扭矩。另一示例是：使电流流过电机的一相并且使电流经由剩余的两相返回，以在电机中产生平衡的均匀场，从而产生最小旋转扭矩或者不产生旋转扭矩。此外，开关可被调制以补偿转子位置以及逆变器的电气组件(例如，开关、二极管和连接)和电机的相(例如，1026a、1026b和1026c)的特性差异。
在以下分析中，还假设输入电压和输入电流具有单位功率因数，这是针对大多数商业充电器的情况。然而，针对非单位功率因数的情况，并且针对其它频率分量，分析将是类似的。这里，对两种情况进行了研究，第一种情况是ilm具有大的dc值加ac纹波的情况，第二种情况是ilm没有dc值加ac纹波或者具有小的dc值加ac纹波的情况。
在ilm具有大的dc值加ac纹波的情况下，电感器电流一直为正，并且电感器电流ilm的ac分量追踪输入无功功率以补偿电网侧纹波。这里，电感器上的电流纹波可基于下列等式被计算：
其中，所需的马达定子绕组的电感可基于：
等式(7)提供了推荐的电感的准则。例如，对于具有60hz电网频率的3.3kw充电器、50a的电流纹波和400a的电感器dc电流，200uh的定子绕组等效电感可用于满足要求。
逆变器的控制是将低频无功功率引导至电感器。电网侧的感测项可包括电压/电流(例如，iac和vac)，所述电压/电流可被用于产生相位信息和输入功率数据。相位信息和输入功率数据可与车辆感测信息一起使用，所述车辆感测信息可包括电感器lm的电流(ilm)。
在第二种情况(ilm没有直流值加交流纹波或者具有小的直流值加ac纹波)下，电感器电流可变为负。而且电感器电流的ac分量追踪输入无功功率以补偿电网侧纹波。具有单位功率因数的输入功率可基于以下等式：
pin_ac＝pin_dccos(2fgrid×2πt))(8)
等式(10)提供了用于在单位功率因数状况下补偿两倍电网频率纹波的功率的电感器电流值。电感器电流的极性可根据期望被选择以使电路的传导损耗(例如，通过动力传动系统的开关和组件的传导损耗)最小化。图6示出了与包括电感器电流的电路的特性相关联的波形，所述电路是一个实施例的说明，其中，每次当电感器电流变为零时，电感器电流的极性发生改变。
由控制器执行的控制逻辑或功能可由在一个或更多个附图中的流程图或类似示图来表示。这些附图提供代表性的控制策略和/或逻辑，所述代表性的控制策略和/或逻辑可使用一个或更多个处理策略(诸如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)来实现。因此，示出的各个步骤或功能可按照示出的顺序被执行、并行地执行或者在一些情况下被省略。虽然未总是被明确示出，但是本领域普通技术人员将认识到，示出的一个或更多个步骤或功能可根据使用的特定处理策略而被重复执行。类似地，处理的顺序不一定需要实现在此描述的功能和优点，而是被提供以便于示出和描述。控制逻辑可主要以由基于微处理器的车辆、发动机和/或动力传动系统控制器(诸如，控制器)执行的软件的形式被实现。当然，控制逻辑可根据特定应用以一个或更多个控制器中的软件、硬件或者软件和硬件的组合的形式被实现。当以软件形式被实现时，控制逻辑可在已经存储表示由计算机执行以控制车辆或其子系统的代码或指令的数据的一个或更多个计算机可读存储装置或介质中被提供。计算机可读存储装置或介质可包括多个已知物理装置中的一个或更多个，所述多个已知物理装置利用电存储器、磁存储器和/或光学存储器来保存可执行指令和关联的校准信息、操作变量等。
在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机，或者通过所述处理装置、控制器或计算机实现，其中，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用的电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可以多种形式被存储为可由控制器或计算机执行的数据或指令，其中，所述多种形式包括但不限于信息被永久地存储在非可写存储介质(诸如，只读存储器(rom)装置)中以及信息被可变地存储在可写存储介质(诸如，软盘、磁带、致密盘(cd)、随机存取存储器(ram)装置以及其它磁介质和光学介质)中。所述处理、方法或算法也可在软件可执行对象中实现。可选地，可使用合适的硬件组件(诸如，专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或者其它硬件组件或装置)或者硬件组件、软件组件和固件组件的组合来整体或部分地实现所述处理、方法或算法。
虽然以上描述了示例性实施例，但是并不意在这些实施例描述权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各个实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各个实施例可能已经被描述为提供优点或优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应认识到，根据具体的应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配的容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并非在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。
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