用于操作联接到多个功率源的电动机的方法和系统的制作方法

专利名称：用于操作联接到多个功率源的电动机的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及电动机，且更具体地涉及用于操作联
接到多个功率源的电动才几的方法和系统。
背景技术：
功率逆变器和功率换流器两者的使用极大地增加了汽车 电气系统的复杂性。这两种设备需要的附加部件也增加了车辆的总体 成本和重量。 因此，希望提供用于操作联接到多个功率源的电动机的 系统和方法，其采用简化的电气系统，同时使电动机性能最大。此外， 本发明的其他希望的特征和特性从随后详细说明和所附权利要求书结 合附图和前述技术领域以及背景技术变得显而易见。

发明内容
6
如图所示，FCPM 22和电池24与电子控制系统18和功
率逆变器组件26可操作通信且/或电连接到电子控制系统18和功率逆 变器组件26。虽然未示出，在一个实施例中，FCPM22包括具有阳极、 阴极、电解质和催化剂的燃料电池(除了其它部件之外)。如通常理 解的那样，阳极或负阴极传导从例如氢分子释放的电子，从而它们可 以用于外部回路中。阴极或正阳极将电子从外部回路传导回到催化剂， 其中它们可以与氢离子和氧重新结合形成水。电解质或质子交换膜仅 传导带正电的离子而阻止电子，而催化剂利于氧和氢的反应。图2示意性地图示了

图1所示的汽车10内的双逆变器开 路绕组电动机系统32。系统32包括电动机20、 FCPM(或第一电压源 或功率源)22、电池(或第二电压源或功率源)24、逆变器组件26、 和控制器34。
如通常理解的那样，跨过电动机20 (图2 )的绕组36需 要的电压(由电压矢量《表示)取决于速度、指令扭矩(即，指令同 步坐才示电；危(synchronous frame current))牙口其它电动才几参数。 一种这 样的操作条件由图3中的电流矢量；和电压矢量^表示。 如图4所示，；和^的许多组合满足图3所示的相同电动 机电压和相同有功功率。这些组合由xy线上的点ah a2, a3和a4表示。 不同矢量表示不同的逆变器/电压源电压，所有都在电动机20中产生相 同的扭矩和提供相同的功率流给笫二电压源24(或从第二电压源24提 供相同的功率流)。该恒功率线xy上的最优操作点决定跨过第二逆变 器40的端子的调制电压。 如5示出了用于操作采用根据本发明一个实施例如上所 述的原理的双逆变器系统中的电动才几的系统(和/或方法)60。系统和/ 或方法60包括电流控制方块62、功率控制方块64、功率-电压转换 方块66、第一和第二 PWM方块68和70、以及双逆变器系统32。系 统和/或方法60提供控制算法，所述控制算法实现第一和第二电压源 22和24之间的功率流控制同时在电动机20中产生指令扭矩。虽然未 示出，但是系统60接收用于电动机20的扭矩指令，第一电压源22(和 /或第一逆变器38)的功率指令以及电动机20内绕组36的同步坐标电 流可以根据所述扭矩指令产生。 这些估算功率于是可用作如图5所示的闭环功率调节器 的反々贵(户，。)。如果DC侧电流传感器用于测量DC侧电流，可以 简化该估算。该测量的DC电流连同测量的DC电压一起然后用于计算 瞬时有功功率，这可以改进有功功率调节的准确性。图5的功率控制 方块64输出的指令有功和无功功率《和g:分别取代方程7和8中的；/ 和^,以计算调制电压，如下文所述。
[0043在一个实施例中，有功和无功功率，或功率指令y, 2*实 际上对应于第二电压源24(和/或第二逆变器40)的指令功率，指令功 率通过计算第一电压源22的功率指令和第一电压源22的最大功率输 出之间的差确定。因而，取决于第一电压源22中功率是剩余还是短缺， 功率指令尸 ^可以是正的或负的。
[0044求和回路80计算指令有功和无功功率与反馈有功和无功 功率之间的差(即，误差)。该误差发送给第二 PI控制器82,第二 PI控制器82类似于上述第一PI控制器74。
[0045第二 PI控制器82产生表示当前的有功/无功功率误差和 经过时间期间上的有功/无功功率误差的结合的信号。第二 PI控制器 82的输出发送给求和回路84,在一个实施例中，求和回3各84也接收 指令有功和无功功率Z, 2*。求和回路84将来自第二 PI控制器82的信号加到指令功率，并将修正的指令有功和无功功率《，"发送给功率
-电压转换方块66。
[0046功率-电压转换方块66使用修正的指令有功和无功功率 连同合适的反馈信号一起产生第二逆变器40的电压指令，如下文所讨 论的那样。
电流的函数，如下
<formula>formula see original document page 14</formula>
(2)
其中，v,和、是同步坐标电压，^和"是同步坐标电流。为了图示 目的，假设第一电压源22在除了产生指令扭矩需要的牵引功率之外产 生过量功率。优选地，该过量功率需要流入第二电压源(即，电池) 24,从而可以存储以用于随后使用。在这种情况下，如果p和《是传输 给第二逆变器40的有功和无功功率，上述方程中的同步坐标电压和电 流表示第二逆变器40的端子量。
[0048
三相AC电流由电动才几20内产生的^丑矩确定，并由电流 控制方块62调节。即，对于给定的扭矩指令，电动机内的AC电流被 预先确定，方程2中的同步坐标电流完全由电流控制方块62管理。对 于给定的扭矩指令和给定的功率流， 一组同步坐标电压^和v,需要在第 二逆变器40端子处保持。方程2中的这些电压表示为
<formula>formula see original document page 14</formula>(3)
[0049传输给电动机20的功率数学上表示为产生的扭矩7;和同
步速度^的乘积，如下
Pe =X (4)
0050如果系统中的功率损失在该操作点时为A。,s,.，且第一电压 源22产生功率A，那么可能流向第二电压源24的过量功率表示为 H (5)
[0051该瞬时过量有功功率/可取代方程3中的/7,以计算第二 逆变器40端子处的同步坐标电压指令v; d和v; g,如下<formula>formula see original document page 15</formula>
(6)
[0052求解同步坐标电压指令得到<formula>formula see original document page 15</formula>
(7)
[0053如果图3和4中的恒功率线xy表示恒定的有功功率/, 该线上的任何点(即，a!,a2,a3或a4)可选择为具有不同无功功率^的 操作点，而不改变有功功率流。 一旦确定操作点的最优位置，瞬时无 功功率y的指令值可以通过前述的经典无功功率方程(Q)确定。来自
功率控制方块64的修正的指令有功和无功功率《和"分别取代方程6 中的；/和^ ,以计算第二逆变器40端子处的调制电压。
[0054再次参见图5,第二逆变器调制电压信号v;力从功率-电 压转换方块66发送给求和回路78,并直接发送给第二 PWM方块70。 求和回路78将来自求和回路76的电压信号加到第二电压逆变器调制 电压信号，以产生第一逆变器调制电压信号v;力，第一逆变器调制电压 信号v;^发送给第一 PWM方块68。
[0055在电子控制系统18 (图1 )和/或控制器34 (图2)内的 第一和第二 PWM方块68和70采用调制电压信号v;j和《w，连同合 适的反馈信号一起产生PWM信号，以操作第一和第二逆变器38和40 内的开关，以便使得希望的输出电压跨过电动机20内的绕组36施加， 如图2所示，从而操作电动机20。当在双逆变器系统32的第一逆变器 38 (和/或第一电压源22)侧上有过量电压或功率时，功率从第一电压 源22流动通过绕组36进入第二电压源24。当系统32的第一逆变器 38侧上有功率短缺时，功率A^第二电压源24流入电动才几20。
[0056图6-11示出了图5所示的方法和/或系统60的操作的试 验结果。图6-8的波形用O无功功率指令产生，而图9-11的波形用100 伏安(VA)的无功功率指令产生。图6和9示出了第二电压源24中 的DC电流。图7和10示出了第二电压源24的电压，而图8和11示 出了电动才几20中的电流的一个相位。应当注意，DC电流表示在指令无功功率指令变化期间有功功率保持不变，这验证了功率流控制器的 去耦性质。
[0057上述系统和/或方法的一个优势在于用两个单独的DC功 率源给电动机供以动力所使用的电气系统极大地简化，因为不需要常 规的DC/DC功率换流器。因而，降低了车辆的总体成本和重量。然而， 如上所述，并没有损害电动机的性能，因为指令扭矩仍在电动机内产 生，同时允许过量功率在功率源之间流动。
[0058其它实施例可在不同类型的汽车、不同车辆(例如，水 运工具和航空器)、或不同的电气系统中采用上述系统和方法，如在
两个源的电压在大范围内动态改变的任何情况下采用的。电动机和功 率逆变器具有不同数量的相位，如2或4。可以使用其它形式的功率源， 如电流源和包括二极管整流器、可控硅逆变器、燃料电池、感应器、 电容器、和/或它们任何组合的载荷。
[0059
虽然至少一个示范性实施例已经在前述详细i兌明中阐 述，应当理解的是，存在大量的变型。也应当理解的是，示范性实施 例或数个示范性实施例仅为示例，且不打算以任何方式限定本发明的 范围、应用或构造。相反，前述详细说明提供本领域技术人员实施实 施例或数个实施例的便利路线图。应当理解的是，可以进行元件的功 能和布置的多种改变而不偏离所附权利要求书及其合法等价物所阐述 的本发明的范围。
1权利要求
1. 一种用于操作电动机的方法，所述电动机具有联接到第一和第二功率源的至少一个绕组，所述方法包括接收用于所述电动机的扭矩指令；至少部分根据所述扭矩指令确定用于所述第一和第二功率源的当前功率储备；根据所述当前功率储备确定用于所述第二功率源的操作电压；和将用于所述第二功率源的操作电压施加到所述至少一个绕组，所述操作电压的施加允许所述当前功率储备在所述第一功率源、所述第二功率源和所述电动机中的至少两个之间流动。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，确定用于所述第一和 第二功率源的当前功率储备包括至少部分根据所述扭矩指令确定第一功率源的功率指令。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当前功率储备包括第 一功率源的功率指令小于第一功率源最大功率输出和所述功率指令不 小于第一功率源最大功率输出中的至少一个。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定第二功率源的操 作电压包括确定第 一功率源的功率指令和第 一功率源的最大功率输出 之间的差。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定第二功率源的操 作电压还包括根据第 一功率源的功率指令和第 一功率源的最大功率输 出之间的差确定第二功率源的功率指令。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，确定第二功率源的操 作电压还基于第二功率源的功率指令和至少一个绕组的电流指令的乘 积。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一个绕组具 有第一和第二相对的端，第二功率源的操作电压在绕组的第二端处施 力口 。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于还包括 至少部分根据第二功率源的操作电压确定第一功率源的操作电压；和将第一功率源的操作电压施加到所述至少一个绕组的第一端。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当第一功率源的功率 指令小于第 一功率源的最大功率输出时，第 一和第二功率源的操作电 压相应施加到至少一个绕组的相应第一和第二端使得功率从第一功率 源流向第二功率源。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当第一功率源的功 率指令不小于第 一功率源的最大功率输出时，第 一和第二功率源的操 作电压相应施加到至少一个绕组的相应第一和第二端使得功率从第二 功率源流向电动才几。
11. 一种用于操作具有至少一个绕组的电动机的方法，第一直流 (DC)功率源和第 一 功率逆变器联接到所述至少 一 个绕组的第 一 端，第二DC功率源和第二功率逆变器联接到所述至少一个绕组的第二端， 所述方法包括接收用于所述电动机的扭矩指令；基于所述扭矩指令确定所述第一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功率源的最大功率输出 或不小于所述第一DC功率源的所述最大功率输出之一 ；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 所述最大功率输出之间的差确定所述第二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确定所述第二DC功率源 的操作电压；将所述第二 D C功率源的所述操作电压用所述第二功率源施加到所 述至少一个绕组。
12. 根据权利要求ll所述的方法，其特征在于还包括 根据扭矩指令确定第一DC功率源的操作电压；和将第一 D C功率源的操作电压用第一 D C功率源施加到至少 一 个绕 组，第 一和第二DC功率源的相应操作电压施加到至少 一个绕組使得功 率在所述第一和第二DC功率源和所述电动才几之间流动。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，第一DC功率源是 燃料电池，第二DC功率源是电池，且所述方法还包括在第一和第二 DC功率源的相应操作电压施加到至少一个绕组之前，将来自第一和第 二DC功率源的DC功率转换为交流(AC)功率。
14. 根据权利要求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功率源的最大功率输出，第一和第二DC功率源的 相应操作电压施加到至少 一个绕组使得功率从第一DC功率源流向第二 DC功率源。
15. 根据权利要求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功率源的最大功率输出，第一和第二DC功率源 的相应操作电压施加到至少一个绕组使得功率从第二DC功率源流向电动机。
16. —种汽车驱动系统，包括 具有至少一个绕组的电动机；联接到所述至少一个绕组的第一和第二直流(DC)功率源； 联接在相应的第 一和第二DC功率源和所述至少 一个绕组之间的第 一和第二功率逆变器，以从所述第一和第二DC功率源接收DC功率并提 供交流(AC)功率给所述电动机；处理器，所述处理器与所述电动机、所述第一和第二DC功率源、 以及所述第一和第二功率逆变器可操作通信，所述处理器构造为至少部分根据所述电动机的扭矩指令确定用于所述第一和第 二 D C功率源的当前功率储备；根据所述当前功率储备确定用于所述第二DC功率源的操作电压；和操作所述第二功率逆变器，以用所述第二功率源将所述第二功 率源的所述操作电压施加到所述至少 一 个绕组。
17. 根据权利要求16的汽车驱动系统，其特征在于，所述绕组具有 第 一和第二相对的端，第 一功率逆变器电连接到所述绕组的第 一端， 第二功率逆变器电连接到所述绕组的第二端。
18. 根据权利要求17的汽车驱动系统，其特征在于，第一和第二功 率逆变器各包括第一和第二开关，所述至少一个绕组电连接在第一和 第二功率逆变器两者的第一和第二开关之间。
19. 根据权利要求18的汽车驱动系统，其特征在于，确定用于所述 第 一和第二功率源的当前功率储备包括至少部分根据所述扭矩指令确 定第一功率源的功率指令，其中，确定第二功率源的操作电压包括确定第 一功率源的功率指令和笫 一功率源的最大功率输出之间的差；和根据第 一功率源的功率指令和第 一功率源的最大功率输出之间的 差确定第二功率源的功率指令。
20.根据权利要求19的汽车驱动系统，其特征在于，确定第二功率源的操作电压还基于第二功率源的功率指令和至少 一 个绕组的电流指 令的乘积，所述至少一个绕组具有第一和第二相对的端，第二功率源的操作电压在绕组的第二端处施加，所述方法还包括至少部分根据第二功率源的操作电压确定第一功率源的搡作电压；和将第 一 功率源的操作电压施加到至少 一 个绕组的第 一 端。
全文摘要
本发明涉及用于操作联接到多个功率源的电动机的方法和系统。提供用于操作电动机的方法和系统，所述电动机具有联接到第一和第二功率源的至少一个绕组。接收用于所述电动机的扭矩指令。至少部分根据所述扭矩指令确定用于所述第一和第二功率源的当前功率储备。用于所述第二功率源的操作电压根据所述当前功率储备确定。用于所述第二功率源的操作电压施加到所述至少一个绕组。所述操作电压的施加允许所述当前功率储备在所述第一功率源、所述第二功率源和所述电动机中的至少两个之间流动。
文档编号B60L15/00GK101445064SQ200810178689
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月27日 优先权日2007年11月27日
发明者B·A·维尔奇科, S·希蒂, S·查克拉巴蒂 申请人:通用汽车环球科技运作公司