专利名称：具有内装测试的电动车辆推进系统电桥的制作方法
下列美国专利申请与本申请在相同日期提出，这些申请是可以信赖的，并且在本申请中参考引入。
带有代理人卷号No.58,295的题目为“平顶原理”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,332的题目为“感应电动机及有关冷却方法”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,333的题目为“用于电动车辆的汽车12伏系统”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,334的题目为“用于电动车辆推进系统的直冷开关组件”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,335的题目为“电动车辆推进系统”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,336的题目为“用于高压电动机控制的速度控制与自举技术”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,337的题目为“用于电动车辆推进系统电动机控制器的矢量控制板”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,338的题目为“具有集成测试和控制的数字脉冲宽度调制器”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,339的题目为“用于电动车辆的控制机构”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,340的题目为“用于电源变换器的改进型电磁干扰滤波器布局”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,341的题目为“用于传感电源与底盘之间泄漏电流的故障探测电路”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,342的题目为“电动车辆继电器组件”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；
带有代理人卷号No.58,343的题目为“三相电桥组件”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,345的题目为“用于测试电动车辆推进系统的电桥的方法”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,346的题目为“电动车辆配电组件”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,347的题目为“电动车辆底盘控制器”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,348的题目为“电动车辆系统控制装置外壳”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,349的题目为“用于电动车辆系统控制装置的低成本液冷外壳”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,350的题目为“电动车辆冷却剂泵组件”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,351的题目为“散热变压器线圈”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,352的题目为“电动车辆电池充电器”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；本发明一般涉及一种电桥。更具体地说，本发明涉及一种电动车辆推进系统电桥。虽然本发明应用范围很广，但是它特别适合用于利用电池或电池组合及其它源，例如耦合到交流发电机的热机来作为电源的电动车辆，并且将就此作具体叙述。
对商业上富有生命力的电动车辆来说，其成本和性能应该与它的装有汽油发动机的对应车辆的成本和性能相竞争。典型地，车辆的推进系统和电池是对车辆成本和性能竞争性产生影响的主要因素。
通常，为了实现商业接受，电动车辆推进系统应该提供下列特点(1)车辆性能与典型的装有汽油发动机的推进系统等效；(2)车辆推进的平滑控制；(3)再生制动；(4)高效率；(5)低成本；(6)自冷却；(7)电磁干扰(EMI)抑制；(8)故障探测和自保护；(9)自测试和诊断能力；(10)与外部系统的控制和状态接口；(11)安全操作和维修；(12)灵活电池充电能力；以及(13)由主电池提供的辅助12伏电源。但是，在现有实际中，电动车辆推进系统设计主要包括使电动机和控制器与一组车辆性能目标相适应，结果通常为了允许实用的电动机和控制器设计而牺牲了性能。此外，对上述提高商业接受性的种种特点很少给予注意。
一个典型的常规电动车辆推进系统其中包括一个电桥，该电桥包括用于对电动机绕组提供电流的高电力电子开关。当这些开关中一个或多个故障时，执行手动诊断测试以探测和隔离故障晶体管。但是，由于其通常要求试错技术，所以手动测试开关晶体管可能既昂贵又费时。
因此，本发明涉及一种电动车辆推进系统电桥，它充分消除由于有关技术的限制和缺点所引起的一个或多个问题。
本发明的特点和优点将在下列叙述中陈述，并且部分将从叙述中显而易见，或可由本发明的实践得知。本发明的目的和其它优点将由所写叙述和其权利要求及附图所具体指出的方法和装置而得到认识并实现。
如实施和概括所述那样，为了实现这些和其它优点，并且按照本发明的目的，本发明提供一种用于电动车辆推进系统的电桥，其包括一个开关电路，包括可在“接通”与“断开”状态之间操作的第一和第二开关元件，以及一个中点探测器，耦合到该开关电路上，用于探测第一和第二开关元件中至少一个元件的故障。
在另一方面，本发明提供一种用于电动车辆推进系统的电桥，其包括多个开关电路，各包括可在“接通”与“断开”状态之间操作的第一和第二开关元件，以及一个中点探测器，耦合到多个开关电路中一个电路上，用于探测多个开关电路中各电路的第一和第二开关元件中至少一个元件的故障。
将会理解上述一般叙述和下列详细叙述都是示范性和说明性的，并且是用来对本发明提供如权利要求那样的进一步说明。
包括附图是为了对本发明提供进一步理解，这些附图结合并构成本说明书的一部分，它们说明本发明的一个现有优选实施例，并且与叙述一起用作说明本发明的原理。在附图中
图1是按照本发明优选实施例的电动车辆推进系统的方块图；图2是图1电动车辆推进系统的配电图3是图1电动车辆推进系统的功能图；图4是图1电动车辆推进系统的电动机控制器的功能图；图5是图1电动车辆推进系统的冷却图；图6A是图1电动车辆推进系统的电动机的示意图；图6B是图1电动车辆推进系统的解析器的示意图；图7和图8是图4电动机控制器的电桥的示意图；图9是中点探测器的示意图。
现在将详细参考本发明的本优选实施例，其一例在附图中说明。
如图1所示，提供一种电动车辆推进系统10，包括一个系统控制装置12，一个电动机组件24，一个冷却系统32，一个电池40，以及一个DC/DC转换器38。系统控制装置12包括一个冷却板14，一个电池充电器16，一个电动机控制器18，一个配电组件20，以及一个底盘控制器22。电动机组件24包括一个解析器26，一个电动机28，以及一个滤波器30。冷却系统32包括一个油泵装置34和一个散热器/风扇36。
如图2所示，电池40用作电动车辆推进系统10的主电源。电池40例如包括一个密封铅酸电池，一个单极锂金属硫化物电池，一个双极锂金属硫化物电池，或其它类似电池，用于提供320伏输出。优选地，电动推进系统10在一个宽电压范围，例如120伏到400伏上工作，以适应由于负载或放电度所引起的电池40的输出电压变化。但是，电动车辆推进系统10优选地最优化为大约320伏额定电池电压。
配电组件20耦合到电池40的输出，并且其中包括熔断器，配线，以及用来把电池40的320伏输出分配到电动车辆推进系统10的各种元件的连接器。例如，配电组件20把电池40的320伏输出耦合到电动机控制器18，DC/DC转换器38，油泵装置34，以及电池充电器16。配电组件20还把电池40的320伏输出分配到电动车辆推进系统10外部的各种车辆辅助设备。这些车辆辅助设备例如包括一个空气调节系统，一个加热系统，一个功率转向系统，以及任何其它可能要求320伏电源的辅助设备。
如上所述，DC/DC转换器38耦合到配电组件20的320伏输出，它把配电组件20的320伏输出转换为12伏。DC/DC转换器38然后把它的12伏输出作为操作电源供给电池充电器16，电动机控制器18，底盘控制器22，油泵装置34，以及散热器/风扇36。DC/DC转换器38还把它的12伏输出作为操作电源供给电动车辆推进系统10外部的各种车辆辅助设备。这些车辆辅助设备例如包括车辆照明，音响系统，以及任何其它可能要求12伏电源的辅助设备。应该理解DC/DC转换器38消除了需要一个分开的12伏蓄电池。
现在将参考图3至图9叙述电动车辆推进系统10的操作。
如图3和图4所示，电动车辆推进系统10的元件通过各种数据总线相互连接。数据总线可以是如本领域已知的电式，光式或光电式。
电池充电器16从电动机控制器18接收指令信号，并对其发送状态信号，以用来对电池40充电。电池充电器16从一个外部交流电源(未示出)提供一个受控电池充电电流。优选地，交流电流按照希望未来电力质量标准，以功率因数接近1和低谐波失真来抽出。此外，电池充电器16优选地设计为与标准接地故障电流断续器和通常在住宅位置所发现的单相电源相适应。
油泵装置34和散热器/风扇36也从电动机控制器18接收指令信号，并对其发送状态信号。如图5所示，电动车辆推进系统10利用一个包括冷却板14，过滤器30，电动机28，油泵装置34，以及散热器/风扇36的闭环冷却系统。优选地，冷却板14为具有双侧表面的空心体，其上以热接触方式安装电池充电器16，电动机控制器18，以及配电组件20。考虑到DC/DC转换器38也能与冷却板14以热接触方式安装。如图5所示，油泵装置34从电动机28的油箱开始，通过散热器/风扇36，冷却板14，过滤器30，并且通过电动机28返回来循环油，例如飞机涡轮机油。热量由散热器/风扇36从油中散去，并且油由过滤器30过滤，油过滤器30可以包括本领域已知的市场上可买得到的油过滤器。优选地，油泵装置34由电动机控制器18控制，以提供可变速油流速。应该理解，图5的闭环油冷却系统使电动车辆推进系统10避免苛刻的汽车操作环境，因此增加了可靠性并减少了维修。此外，因为用于润滑电动机28的相同油还用于冷却系统控制装置12，所以冷却系统可以具有简化设计。
解析器26在图6B说明，并且安排靠近电动机28，以用来探测电动机轴的角位置，并且用来对电动机控制器18提供指示电动机轴的角位置的信号。连接到解析器的参考信号线R1是用于提供指示电动机轴的角位置的正或负参考值。来自解析器的S1信号线提供关于电动机轴的角位置的正或负正弦值，以及来自解析器的S2信号线提供关于电动机轴的角位置的正或负余弦值。
解析器26可以包括市场上可买到的解析器或其它本领域已知的解析器。用于解析器26的参考信号由电动机控制器18提供。
底盘控制器22和电动机控制器18从车辆通信总线接收信号。通常，如下将作更详细叙述，车辆通信总线用作与至底盘控制器22和电动机控制器18的各种车辆传感器和控制器相接口的通信通路。
底盘控制器22包括一个基于微处理器的数字和模拟电子系统，并且提供与车辆传感器和控制器以及与电动机控制器18相关的控制和状态。例如，底盘控制器22通过车辆通信总线连接到车辆钥匙开关，加速器，制动器，以及驱动选择开关。底盘控制器22从这些开关解释信号，以对电动机控制器18提供起动，驱动方式(例如前进，倒退，以及空挡)，电动机转矩，再生制动，关闭，以及内装测试(BIT)指令。优选地，底盘控制器22通过一个光耦合串行数据接口与电动机控制器18通信，并且从电动机控制器18接收所有送来指令的状态信号，以便检验底盘控制器22，车辆及电动机控制器18之间的通信连接，以及检验车辆在正确操作。应该理解，因为底盘控制器22提供与车辆传感器和控制器以及与电动机控制器18相关的控制和状态，所以对具体车辆通过简单变更底盘控制器22，就能把电动车辆推进系统10变更用于任意数目的不同车辆。
使用通过车辆通信总线而从位于配电组件20中的电池电流传感器所接收的信号，底盘控制器22还提供电池管理能力。底盘控制器22解释来自电池电流传感器的信号，对电动机控制器18提供充电指令，并且对车辆仪表板上的一个“加燃料”计量仪表发送充电状态值。底盘控制器22还通过车辆通信总线连接到包括里程表，速度表，照明，诊断和发射控制器的车辆控制器，以及连接到用于系统扩展的RS-232接口。
如图4所示，电动机控制器18分别包括一个低压电源42，一个输入滤波器和DC继电器控制装置44，一个矢量控制板46，以及第一和第二电桥及门驱动器48和50。低压电源42转换来自DC/DC转换器38的12伏输出，以把+5V，+/-15V，以及+20V输出提供给输入滤波器和DC继电器控制装置44，矢量控制板46，第一电桥48，以及第二电桥50。低压电源42可以包括如本领域已知的市场上买得到的电源。
输入滤波器和DC继电器控制装置44包括用来把配电组件20的320伏输出分别耦合到第一和第二电桥48和50的电连接。输入滤波器和DC继电器控制装置44包括EMI滤波，一个用来把配电组件20的320伏输出至第一和第二电桥48和50的耦合分别切断的继电器电路，以及各种包括电压传感电路和底盘接地故障电路的BIT电路。优选地，输入滤波器和DC继电器控制装置44从矢量控制板46接收控制信号，并对其发送状态信号，例如BIT信号。
矢量控制板46包括一个基于微处理器的数字和模拟电子系统。作为其主要功能，矢量控制板46从底盘控制器22接收驱动器起动的加速和制动请求。矢量控制板46然后分别从解析器26获得转子位置测量，以及从第一和第二电桥48和50获得电流测量，并且使用这些测量来产生脉冲宽度调制(PWM)电压波形，分别用于驱动第一和第二电桥48和50，以在电动机28中产生希望的加速或制动作用。PWM电压波形按照设计为结果引起要求转矩输出的控制程序来产生。如上所述，矢量控制板46还有控制输入滤波器和DC继电器控制装置44，油泵装置34，散热器/风扇36，电池充电器16，输入滤波器和DC继电器控制装置44，内装测试电路，车辆通信，以及故障探测的功能。
如图6A所示，电动机28为三相交流感应电动机，各相具有两个同样的电气隔离的绕组(对“A”相为绕组A1和A2，对“B”相为绕组B1和B2，以及对“C”相为绕组C1和C2)，用于零速产生高转矩，以提供与常规气动发动机不相上下的性能。电动机28的轴(未示出)耦合到车辆转轴上。优选地，电动机28的各相中两个绕组大体上相互层压成一直线，并且电气同相，以便各绕组提供大约总相功率的一半。而且电动机28优选地完全密封，并且利用喷油冷却来从转子和端绕组直接散去热量，以增加可靠性。
如图7所示，第一电桥48包括三个绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关电路52a，52b和52c，以及第二电桥50包括三个IGBT开关电路53a，53b和53c。IGBT开关电路52a，52b和52c分别对电动机28的绕组A1，B1和C1施加驱动电流。类似地，IGBT开关电路53a，53b和53c分别对电动机28的绕组A2，B2和C2施加驱动电流。
各IGBT开关电路52a，52b，52c，53a，53b和53c分别包括上和下IGBT54和56，分别包括上和下二极管58和60，以及包括一个电容器62，如图7所示那样连接。优选地，IGBT开关电路52a，52b，52c，53a，53b和53c全部同样，以便第一和第二电桥48和50各分别对电动机28的绕组提供总驱动电流的一半，从而允许使用容易得到的低成本IGBT开关电路。考虑到IGBT开关电路52a，52b，52c，53a，53b和53c能用本领域已知的其它开关电路来代替。
还如图7所示，第一电桥48还包括三个门驱动电路64a，64b和64c，以及第二电桥50还包括三个门驱动电路65a，65b和65c。门驱动电路64a，64b和64c分别以门驱动信号AU1和AL1，门驱动信号BU1和BL1，以及门驱动信号CU1和CL1的形式从矢量控制板46接收PWM电压波形。同样，门驱动电路65a，65b和65c分别以门驱动信号AU2和AL2，门驱动信号BU2和BL2，以及门驱动信号CU2和CL2的形式从矢量控制板46接收PWM电压波形。门驱动电路64a，64b和64c以及门驱动驱动电路65a，65b和65c水平移位所接收的门驱动信号，并且把水平移位的门驱动信号施加到如图7所示的IGBT开关电路52a，52b，52c，53a，53b和53c。考虑到各门驱动电路64a，64b，64c，65a，65b和65c例如可以包括Fuji EXB841门驱动混合电路或其它本领域已知的类似装置。
如图8所示，在电动机28的绕组A1，A2，C1和C2处装设电流传感器66。如上所述，矢量控制板66使用来自电流传感器66的电流测量以产生门驱动信号AU1，AL1，BU1，BL1，CU1和CL1。如本领域已知，电流传感器66的位置可以改变。例如，电流传感器66不是装设在绕组A1，A2，C1和C2处，而是可以选择装设在绕组A1，A2，B1和B2处，或装设在绕组B1，B2，C1和C2处。
还如图8所示，中点探测器68和69分别装设在电动机28的各绕组B1和B2处。如下将作更详细叙述，中点探测器68和69用来自动探测和隔离IGBT开关电路52a，52b，52c，53a，53b和53c中的晶体管故障。
如图9所示，各中点探测器68和69包括一对电阻器70和72，以及一对光耦合器74和76，如所示那样连接。电阻器70和光耦合器74的串联组合与相B的上IGBT54并联连接，以及电阻器72和光耦合器76的串联组合与相B的下IGBT56并联连接。各光耦合器74和76例如可以包括一个Toshiba H11L1F1耦合器或其它本领域已知的类似装置。虽然图9表示光耦合器74和76为反相式，但是光耦合器74和76可选择亦为本领域已知的非反相式。此外，选择电阻器70和72的值，以便电阻器70和72用IGBT开关电路52b和53b两端之间的一半和全部操作电压两者，分别激发光耦合器74和76的输入发光二极管。因此，在上或下IGBT54或56两端之间所存在的至少一半电压将结果引起各个光耦合器74或76的输出端产生信号。图9的中点探测器68和69的逻辑在下表I中总结。
IGBT开关电路52a，52b，52c，53a，53b和53c的测试优选地由矢量控制板46在起动诊断程序期间或在故障探测程序期间来执行。但是，考虑到IGBT开关电路52a，52b，52c，53a，53b和53c的测试也能由一个位于修理设备处的外部诊断计算机来执行。
当其IGBT在测试方式下有选择地触发时，第一和第二电桥48和50的分别适当操作将显示下列特征表I上开关54下开关56输出A输出B接通 接通 高 高接通 断开 高 低断开 接通 低 高断开 断开 低 低IGBT开关电路52a，52b，52c，53a，53b和53c的测试因此通过操作矢量控制板46或外部诊断计算机，以首先断开各IGBT开关电路52a，52b，52c，53a，53b和53c的上晶体管54和下晶体管56两者，以及通过检查以确保各探测器68和69的输出为低而得到实行。其次，矢量控制板46或外部诊断计算机顺序接通并然后断开各晶体管，同时监视中点探测器68和69的输出。如果中点探测器68和69中有一个的输出不满足上表1，则认为包括产生不正确输出的晶体管的IGBT开关电路为故障。但是，如果发现一组绕组的所有IGBT开关电路都有故障，则认为相对于那组绕组的中点探测器故障。IGBT开关电路52a，52b，52c，53a，53b和53c的测试在下表II和表III中总结，其中“Lwr”表示下晶体管56，“Upr”表示上晶体管54，“P”表示合格晶体管，以及“F”表示故障晶体管。
表IIIGBT 52aIGBT 52b IGBT 52c故障IGBTLwr UprLwr Upr LwrUprF P P PP P 52aP F P PP P 52aP P F PP P 52bP P P FP P 52bP P P PF P 52cP P P PP F 52cF F F FF F 中点探测器68表IIIIGBT 53aIGBT 53b IGBT 53c故障IGBTLwr UprLwr Upr LwrUprF P P PP P 53aP F P PP P 53aP P F PP P 53bP P P FP P 53bP P P PF P 53cP P P PP F 53cF F F FF F 中点探测器69
应该注意，因为电动机28的绕组A1，B1和C1如绕组A2，B2和C2那样，表现直流短路，所以如图8所示，要求每组绕组只有一个中点探测器(对A1，B1和C1组绕组要求一个中点探测器，以及对绕组A2，B2和C2要求一个中点探测器)。此外，虽然图8表示中点探测器68和69分别连接到绕组B1和B2，但是中点探测器能选择地分别连接到绕组A1和A2，或分别连接到绕组C1和C2，或连接到其组合。应该注意到，如果绕组A1，B1和C1及绕组A2，B2和C2不表现直流短路，则将要求每组绕组有三个中点探测器(对组中每个绕组要求一个探测器)。
对本领域技术人员将显而易见，在不违反本发明的精神或范围下，可以对本发明进行各种更改和变更。因此，本发明意欲覆盖此发明的种种更改和变更，只要它们在附加权利要求及其等效范围之内。
权利要求
1.一种用于电动车辆推进系统的电桥，包括一个开关电路，包括第一和第二开关元件，可在“接通”与“断开”状态之间操作；以及一个中点探测器，耦合到该开关电路上，用于探测第一和第二开关元件中至少一个元件的故障。
2.按照权利要求1的电桥，其中中点探测器通过探测第一和第二开关元件中至少一个元件两端之间的电压，来探测第一和第二开关元件中至少一个元件的故障。
3.按照权利要求1的电桥，其中开关电路包括一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关电路，并且其中第一和第二开关元件分别包括第一和第二IGBT。
4.按照权利要求3的电桥，其中第一和第二开关元件还包括分别与第一和第二IGBT并联连接的第一和第二二极管，并且其中IGBT开关元件还包括一个与第一和第二IGBT并联连接的电容器。
5.按照权利要求1的电桥，其中中点探测器包括用于探测第一开关元件两端之间电压的第一电压探测器，以及用于探测第二开关元件两端之间电压的第二电压探测器，并且其中第一电压探测器在探测第一开关元件两端之间电压时，产生具有第一值的第一输出信号，以及其中第二电压探测器在探测第二开关元件两端之间存在的电压时，产生具有第二值的第二输出信号。
6.按照权利要求1的电桥，其中中点探测器包括与第一开关元件并联连接的第一光耦合器电路，以及与第二开关元件并联连接的第二光耦合器电路。
7.按照权利要求6的电桥，其中第一光耦合器电路在第一开关元件为“接通”状态时，产生具有第一值的第一输出信号，以及在第一开关元件为“断开”状态时，产生具有第二值的第二输出信号，并且其中第二光耦合器电路在第二开关元件为“接通”状态时，产生具有第一值的第一输出信号，以及在第二开关元件为“断开”状态时，产生具有第二值的第二输出信号。
8.按照权利要求2的电桥，其中中点探测器包括与第一IGBT并联连接的第一光耦合器电路，以及与第二IGBT并联连接的第二光耦合器电路。
9.按照权利要求8的电桥，其中第一光耦合器电路在第一IGBT为“接通”状态时，产生具有第一值的第一输出信号，以及在第一IGBT为“断开”状态时，产生具有第二值的第二输出信号，并且其中第二光耦合器电路在第二IGBT为“接通”状态时，产生具有第一值的第一输出信号，以及在第二IGBT为“断开”状态时，产生具有第二值的第二输出信号。
10.按照权利要求1的电桥，还包括一个门驱动电路，用于提供门驱动信号，以在“接通”与“断开”状态之间操作第一和第二开关元件。
11.一种用于电动车辆推进系统的电桥，包括多个开关电路，各包括第一和第二开关元件，可在“接通”与“断开”状态之间操作；以及一个中点探测器，耦合到多个开关电路中一个电路上，用于探测多个开关电路中各个电路的第一和第二开关元件中至少一个元件的故障。
12.按照权利要求11的电桥，还包括多个门驱动电路，用于提供门驱动信号，以在“接通”与“断开”状态之间操作第一和第二开关元件的各自元件。
全文摘要
一种用于电动车辆推进系统的电桥(48)，包括一个开关电路，其包括第一和第二开关元件(54，56)，可在“接通”与“断开”状态之间操作，以及一个中点探测器(68，69)，其耦合到开关电路上，用于探测第一和第二开关元件(54，56)中至少一个元件的故障。
文档编号G01R31/40GK1154742SQ95194189
公开日1997年7月16日 申请日期1995年6月1日 优先权日1995年6月1日
发明者小戴维·L·香茨, 布赖恩·A·杜布罗 申请人:诺思路·格鲁曼公司