用於混合電動車輛(hev)的功率系統的製作方法

2023-12-06 14:27:51 3

專利名稱：用於混合電動車輛(hev)的功率系統的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及一種混合電動車輛，並且更特別是涉及一種用於 將功率提供給HEV功率系統使用的電栽荷的方法和設備。
背景技術：
混合電動車輛(HEV)採用電馬達/發電機單元(MGU)，該電馬達/ 發電機單元(MGU)包括與內燃機(ICE)結合的交流電(AC)電馬達 以及控制MGU和ICE的使用以便改善效率的電子控制單元(ECU)。在 某些HEV中，ICE驅動發電機，繼而為電MGU供能，由此為車輛供能。 在其它HEV中，電MGU和ICE可提供功率以便根據操作模式驅動車輛 傳動裝置。
除了MGU之外，大多數HEV包括逆變器控制器單元，逆變器控制 器單元包括通過控制單元控制的逆變器模塊。逆變器包括多個逆變器 子模塊。AC電馬達包括可連接到逆變器子模塊上的多個馬達繞組。逆 變器子模塊可通過控制單元快速轉換，以便將電池提供的DC功率轉 換成AC功率。逆變器模塊將此AC功率提供給AC電馬達以便在適當 時刻順序激勵馬達繞組，從而形成造成AC電馬達永磁轉子轉動的轉 動磁場並驅動AC電馬達。除了在它用作馬達時將功率供應到MGU之 外，在它用作發電機時電池可從MGU接收功率，使得HEV通過從制動 回收的功率或者來自於ICE的功率為電池充電。
除了通常是大於60伏的高電壓的推進電池，許多HEV還採用低電 壓輔助電池(即12伏車輛電池)以便為多種車輛電栽荷供能。低電
(APM)充電。APM可用作DC-DC轉換器，以便將推進電池的較高電壓
荷。^ J
因此，希望的是提供一種製造和維護成本小的HEV功率系統。例 如，希望的是消除分離高電壓和低電壓電池的需要和/或例如APM的 昂貴部件的需要。另外，結合附圖和上面的技術領域和背景技術，本清楚。

發明內容
本發明的實施例涉及混合電動車輛(HEV)。按照一個實施例，提 供混合電動車輛(HEV)功率系統，該功率系統包括車輛電系統(VES)、 逆變器控制器單元UCU)以及AC電馬達/發電機單元(MGU)。 VES 包括第一 DC電壓源和串聯連接到第一 DC電壓源上的第二 DC電壓源。 VES還包括在第一 DC電壓源上連接的第一電栽荷，以及在第二 DC電 壓源上連接的第二電栽荷，ICU在第一 DC電壓源和第二 DC電壓源上 連接，並且設計成轉換來自於第一 DC電壓源和第二 DC電壓源的DC 功率以便產生用於電MGU的AC功率。


此後結合下面的附圖，描述本發明，附圖中類似的標號表示類似 的元件，並且
圖1是可用於按照本發明一個示例性應用的混合/電動車輛(HEV) 中的混合電動車輛(HEV)功率系統的簡化方框圖2A和2B是可用於按照本發明另一示例性應用的混合/電動車輛 (HEV)中的混合電動車輛(HEV)功率系統簡化方框圖；以及
圖3是可用於按照本發明又一示例性應用的混合/電動車輛(HEV) 中的混合電動車輛(HEV)功率系統的簡化方框圖。
具體實施例方式
如這裡使用那樣，術語"示例性"指的是"用作實例、示例或說 明"。下面的詳細說明本質上只是示例性的，並且不打算限制本發明 或者本發明的應用和使用。這裡描述為"示例性"的任何實施例不需 要認為是優選於或優於其它實施例。
具體實施方式
中描述的所有實施
例，並不限制通過權利要求限定的，本k明一的範圍。另外，不打算i過
前面技術領域、背景技術、發明內容或者下面描述中提供的任何明示 或暗示的原理限定。
所披露的方法和設備將描述為適用於混合/電動車輛(HEV )。但是， 本領域普通技術人員將理解到相同或類似的技術可適用於其它AC系 統的領域，包括4吏用通過DC電壓源供能的所謂"無刷DC"馬達的那 些。在此方面，這裡披露的任何概念可總體適用於"車輛"，並且如這裡使用那樣，術語"車輛"包括但不局限於例如小轎車、卡車、運 動車輛和貨車的機動車輛、例如舟和船的水上工具以及例如伊牟、前
端裝栽機和機器人的自驅動工業設備。另外，術語"車輛"不局限於 例如汽油或柴油的任何特定的驅動技術。相反，車輛還包括混合車輛、 電池電動車輛、氫車輛以及使用多種其它可選擇燃料的車輛。 示例性實施例
圖1是可用於按照本發明的一個示例性應用的混合/電動車輛
(HEV)的混合電動車輛(HEV)功率系統100的簡化方;f匡圖。HEV功 率系統100包括具有兩相AC感應馬達12的馬達/發電機單元(MGU)、 具有閉環馬達控制器(或者控制單元)16和逆變器模塊30的逆變器 控制器單元(ICU)以及車輛電動系統(VES) 60。本發明的實施例可 為VES60的多種車輛電栽荷提供獨立、輔助、低電壓DC源(例如12 伏電池)，同時消除另外裝置或電路來管理或控制多重低電壓DC源的 電壓的需要。車輛電栽荷分成不同組，並且每個這些組連接到其本身 的輔助低電壓DC源上，使得栽荷"分成"分開的電路。因此，與包 括單個高電壓電池和單個12伏輔助電池的傳統HEV相比，所披露的 實施例採用兩個或多個輔助低電壓DC源，使得電載荷可分成多組並 分開供能。另外，兩個或多個低電壓DC源可用來為HEV的逆變器模 塊和AC馬達供能。因此，此構造可消除高電壓電池和/或例如APM的
昂貴部件的需要。
在此特定實施例中，MGU包括相對不常見的兩相AC感應馬達12(有 時還稱為兩相AC馬達)，該馬達包括馬達繞組20a、 20b和中性點N， 其中馬達繞組20a連接到馬達繞組20b上。在此應用中，電流流入和 流出繞組A 20a並且流入和流出繞組B 20b。圖1中的相A和B垂直， 允許最佳的轉動場的構造。有時，電流從兩相的和中"剩餘"，並且 因此必須流入和流出中性點N和連接實體20d(例如纜線)。雖然未在 圖1中所示，MGU可作為交流發電機通過內燃機(ICE)驅動，並且 MGU還可用作ICE的啟動器。在一種應用中，MGU是帶連接交流發電 機啟動器(BAS)，其中ICE經由帶連接到MGU上'在另一應用中，MGU 是飛輪交流發電機啟動器(FAS)，其中在發動機的曲軸上，ICE使用 MGU作為其飛輪。
ICU包括連接到兩相AC感應馬達12上的兩相逆變器模塊30。兩相逆變器模塊30包括電容器33和兩個逆變器子模塊35、 37。雖然未 在圖1中示出，在一個應用中，逆變器子模塊35、 37各自包括一對 開關(例如兩個場效電晶體(FET)以及兩個二極體).使用本領域公 知的任何技術或機構，逆變器子模塊35、 37連接到兩相AC感應馬達 12的馬達繞組20a、 20b上。如下面更加詳細描述那樣，逆變器模塊 30同樣在串聯電連接的一對低電壓DC電壓源70、 80上連接到VES 60 上，使得逆變器模塊30接收作為兩個低電壓DC電壓源70、 80的總
和的合成電壓(V,w)。如本領域普通技術人員理解那樣，逆變器子模 塊35、 37將輔助低電壓DC源70、 80提供的合成直流(DC )電壓(VIN) 轉換成交流電UC)。通過逆變器子模塊35、 37產生的輸出施加在兩 相AC感應馬達12的馬達繞組20a、 20b上，以《更驅動兩相AC感應馬 達12。
閉環馬達控制器16或"控制單元"從混合系統控制器(未示出) 接收馬達指令信號50，並且從兩相AC感應馬達12接收馬達操作信號 49，並且產生控制信號52以便控制逆變器子模塊35、 37內所採用 的開關(未示出)的轉換。通過提供適當控制信號52到單獨逆變器 子模塊35、 37，閉環馬達控制器16控制那些逆變器子模塊35、 37 中的開關(未示出)的轉換，由此控制逆變器子模塊35、 37分別提 供給馬達繞組20a、 20b的輸出。
車輛電系統(VBS) 60連接到逆變器模塊30上以及經由例如經過 MGU框架到車輛底盤的纜線或電路的連接實體20d連接到兩相AC感應 馬達12的中性點N上。按照此實施例，VES60包:fe兩個獨立、低電壓 DC電壓源70、 80，並且VES 60的電載荷62、 72劃分或分成高側電 路56和低側電路58。在圖1的特定非限定示例性實施例中，通過提 供用於高側56上的栽荷62的分開高側輔助電池70以及用於低側58 上的栽荷72的另一分開低側輔助電池80， VES 60的電栽荷62、 72 分成兩個(2)相同部分(例如各自一半)。
在此特定實施例中，高側56包括與非緩衝載荷69、緩衝過濾器 65和電栽荷62並聯連接的低電壓DC電壓源70，電栽荷62可以是單 個電栽荷或一組不同的電栽荷。非緩衝載荷68和緩衝過濾器65是任 選的部件。在應用時，緩衝過濾器65在電栽荷62和非緩衝栽荷68 之間進行緩沖作用，以便確保DC電壓源70處的突然或短暫電壓降不顯著影響電栽荷62處的電壓。由於這是短暫變化，緩沖過濾器65不 需要存儲大量能量，並使其可以是基於電容器的典型電子過濾器，而 不是二次電池。在一個示例性應用中，緩衝過濾器65包括二極體和 花費時間充電並將載荷62上的電壓臨時保持在其當前大小的電容器
(未示出)。電容器有助於確保例如在高側輔助電池70上存在電壓變 化時栽荷62上的電壓不顯著變化。
類似地，低側58包括與非緩衝栽荷78、緩沖過濾器75和電栽荷 72並聯連接的低電壓DC電壓源80，如上所迷。如上所述，非緩沖栽 荷78和緩衝過濾器75是任選的，並且緩衝過濾器75在電栽荷72和 非緩沖栽荷78之間進行援衝作用，以便確保DC電壓源80處的短暫 電壓降不顯著影響電栽荷72處的電壓，非緩衝栽荷和緩沖過濾器的 特定應用將在下面參考圖3描述。
在此實施例中，節點G連接到底盤接地上，使得兩個低電壓DC源 70、 80共用公共接地。底盤(圖1未示出)假設是大致零伏或"接地"。 DC電壓源70、 80在保持在(大致在)接地電位處的公共節點G串聯 連接在一起。在一個應用中，公共節點G可連接或附接在HEV的底盤
(未示出)上。在此應用中，DC電壓源70包括在公共節點G處連接 到服V底盤上的負端於，並且DC電壓源80包括在公共節點G處串聯 連接到DC電壓源70上的正端子，使得電壓源70、 80產生等於低側 DC電壓源80的電壓(Vbat)和高側DC電壓源70的電壓(Vbat)的總和 的合成電壓(V，N)。此合成電壓(V1N)可不僅用於為電栽荷供能，而 且為逆變器模塊30供能，由此消除HEV中通常使用的分開推進電池 的需要。
DC電壓源70、 80可各自使用任何能量存儲DC電壓源來應用，在 大多數情況下，是低電壓12伏汽車電池。在低電壓DC源70、 80是 12伏汽車電池時，低電壓DC源70、 80可指的是高側輔助電池70和 低側輔助電池80。高側56被"負接地"，這是由於高側輔助電池70 的負端子在節點G處連接在底盤(圖1未示出)上，並且低側58被 "正接地"，這是由於低側輔助電池80的正端子在節點G處連接在底 盤(圖1未示出)上。在輔助低電壓DC源70、 80是標準12伏汽車 電池時，高側56和低側58之間的合成電壓(V,N)是總共24伏。因 此輔助電池70、 80—起有效地提供24伏電池，以便通過逆變器模塊30 (以及兩相AC感應馬達12)使用，由此消除許多HEV中通常所需 的分開驅動電池以便為兩相AC感應馬達12供能的需要。
電栽荷62、 72可通常表示通過輔助低電壓DC源70、 80驅動或消 耗其功率的任何模塊和/或子模塊。車輛電栽荷62、 72的實例例如包 括車輛附件、模塊、裝置、部件或電路，例如燈、音頻系統、娛樂系 統、動力轉向、ECU、啟動器、電致動泵、風扇、傳感器、控制器、 致動器、閥和其它電子部件。許多電栽荷62是取決於幾乎通用"負 接地協議"的複雜裝置。電栽荷62在高側56上橫過負接地電池70 連接。對於接地的電壓方向不重要的其它電栽荷(例如燈的裝置)可 在低側58上橫過正接地輔助電池80或者在高側56上橫過負接地輔 助電池70連接。
理想地，電載荷62、 72被劃分，使得通過高側56上的電栽荷62 和低側58上的電栽荷72抽取的功率大致相同(至少在平均基礎上)。 但是由於不重要的是預測與電栽荷62、 72相對應的電裝置的準確使 用，其它實施例提供有助於調節電荷以及每個輔助低電壓DC源70、 80上保持的電壓的技術。例如，如果栽荷62是風扇並且栽荷72是無 線電模塊，並且駕駛員是運行風扇，而不是聽無線電，那麼從高側56 上的負接地電池70消耗的電荷會大於低側58上的正接地電池80的 消耗。如果這種使用形式經常出現，那麼會在輔助電池70、 80中造 成大的電荷不平衡。
如圖1所示，按照本發明的此實施例，提供將兩相AC感應馬達12 的中性點N連接到VES 60的節點G的連接實體20d。連接實體20d可 以是連接器、線材或可以用來相互電連接或耦接兩個點的任何其它導 電實體。通過經由連接實體20d將兩相AC感應馬達12的中性點N連 接到VES 60的公共節點G上，連接實體20d上的電壓可受到控制， 以便調節DC電壓源70、 80處保持的各自電壓。在一定時間內每個低 電壓DC源70、80上的平均電壓等於逆變器模塊30上的合成電壓(V,N) 的一半。為了進一步說明，根據逆變器模塊30的逆變器子模塊35、 37內的開關(未示出)的開啟/閉合狀態，每個低電壓DC源70、 80 上的電壓在一定時間內波動，但是平均上等於供應到逆變器模塊30 的電壓(VIN)(即在去往逆變器模塊30的+，-輸入之間的一半)。換言 之，中性線20d的電壓保持在高側輔助電池70的正側電壓和低側輔助電池80的負側電壓之間的一半(平均)。這防止任一個高側輔助電 池70和低側輔助電池80完全放電，
兩相AC感應馬達12進行電荷平衡作用以便將DC電壓源70、 80 處存儲的電荷級別保持在大致相同級別，而不考慮每個DC電壓源70、 80上連接的各自載荷62、 72對DC電壓源70、 80的使用。因此，各
自DC電壓源70、 80處的各自電壓(Vbat )保持在大致相同級別，而 不考慮使用。因此，通過將兩相AC感應馬達12的中性點N連接到VES 60的7>共節點G上，兩相AC感應馬達12可相對保持DC電壓源70、 80電荷平衡，使其保持在大致相同的電荷狀態。
特別是，閉環馬達控制器16控制逆變器子模塊35、 37內的開關
(未示出)接通的順序，使得功率的正確數量提供給電系統VES 60 的高側56和低側58，以便將存儲在DC電壓源70和DC電壓源80處 的電荷級別保持在大致相同的級別，而不考慮電栽荷62和電栽荷72 的使用，使得每個DC電壓源70和DC電壓源80處的各自電壓保持在 大致相同級別，而不管電栽荷62和電栽荷72各自消耗的功率。例如， 在某些操作情況下，閉環馬達控制器16在機動、發電或兩種過程中 控制離開最佳平衡並在中性點N處產生的電磁波形式，以便從特定一 個具有較弱的電荷狀態的DC電壓源70、 80中汲取較小功率和/或發 送更多功率到相同的DC電壓源70。例如，針對時間的不均衡量(與 另一逆變器子模塊37內的其他開關相比)，逆變器子模塊35之一內 的開關可接通，而不耗盡DC電壓源70、 80之一的電荷。例如，低側 輔助DC電壓源80還接收適當量的電荷，即使栽荷72比栽荷62消耗 更多的能量/功率，也保持其充電.因此，即使緩衝栽荷62、 72通過 車輛的操作者不以相同的方式使用，DC電壓源70、 80也將保持平衡。 通過以適當方式控制逆變器模塊30內的單個開關(未示出)，高側輔 助DC電壓源70和低側輔助DC電壓源80將保持在大致平衡的電荷級 別。因此，通過在兩相AC感應馬達12的中性點N和VES 60的節點G 之間連接中性線20b，高側輔助DC電壓源70和低側輔助DC電壓源 80都保持滿意充電。
此外，在高側輔助DC電壓源70和低側輔助DC電壓源80之間不 需要額外的電路或裝置來管理這些DC電壓源70、 80上的電壓(VIN)
(例如確保DC電壓源70、 80之一不完全放電)。因此，消除了在電池高側輔助DC電壓源70、低側輔助DC電壓源80之間進行電荷平衡 的分開裝置的需要。這減小或消除了相對昂責的另外電氣部件或裝置 的需要。因此，提供一種低成本混合系統，該系統適用於低成本小型 車輛，同時以優化的成本有效關係提供更加昂貴的混合系統的許多優 點。小型車輛在制動過程中產生相對少量的功率，使得使用24伏的 MGU可在正常駕駛中捕捉大部分制動能量，其中電流在典型啟動器纜 線能力內。
雖然圖l描述了 MGU採用兩相AC感應馬達的應用，在其他實施例 中，MGU可以是具有任何數量的相的其他類型的AC馬達。例如，MGU
可交替地使用具有表面安裝或內部磁體的永磁轉子，這種馬達的類型 有時稱為"無刷DC馬達"，特別是在逆變器使用相對簡單的轉換順序 時。除了永磁體(例如Lundel交流發電機)之外或代替永磁體(例 如巻繞轉子發電機)，MGU可採用位於轉子上的一個或多個繞組。MGU 可具有轉子，除了永磁體、繞組及其組合或代替永磁體、繞組及其組
合，該轉子使用具有鐵或其他材料的轉子，該材料通過來自於定子的 轉動磁場來吸引(即轉換磁阻或同步磁阻)。同時，定子可以是電馬 達設計領域普通技術人員公知的類型，包括線繞構造，具有疊繞組或 波紋繞組或杆繞構造。
由此，下面參考圖2A-3描述特定實施例，其中MGU採用三相AC 感應馬達。另外，雖然圖1的實施例描述成包括兩個逆變器子模塊35、 37，在下面參考圖2A-3描述的其他實施例中，逆變器模塊30可以是 任何其他類型的逆變器控制器單元(ICU)構造(有時還稱為變頻驅 動控制器)，並且可包括任何其他數量的逆變器子模塊。例如，如下 面參考圖2A和2B描述那樣，逆變器模塊30可用作全波橋式逆變器， 包括三個逆變器子模塊135、 137、 139，或者如下面參考圖3描述那 樣，逆變器模塊30可用作三角形逆變器，該逆變器也包括三個簡化 逆變器子模塊。此外，在其他實施例中，例如下面參考圖3描迷那樣， 可以設置兩個(2)以上的輔助電池，並且VES的電載荷可分成兩個
(2)以上的相同部分(例如三個輔助電池，每個處理電載荷的三分 之一併且提供36伏的組合DC電壓以便通過逆變器模塊和MGU使用)。 圖2A和2B是可用於按照本發明的示例性應用的混合/電動車輛
(HEV)中的混合電動車輛(HEV)功率系統200的簡化方框圖。在這些實施例中，主要區別在於馬達/發電機單元(MGU)是具有三個馬達 繞組20a、 20b、 20c的三相AC馬達12，並且逆變器控制單元(ICU ) 包括閉環馬達控制器16，並且逆變器模塊30包括電容器133和三個 逆變器子模塊135、 137、 139。在此實施例中，逆變器子模塊135連 接到馬達繞組20a上，逆變器子模塊137連接到馬達繞組20b上，並 且逆變器子模塊139連接到馬達繞組20c上。三相AC馬達112包括 在中性點N處連接在一起的三個馬達繞組A、 B、 C(20a、 20b、 20c )。 進入馬達繞組A 20a的電流流出馬達繞組B 20b和C 20c，進入馬達 繞組B 20b的電流流出馬達繞組A 20a和C 20c，並且進入馬達繞組 C 20c的電流流出馬達繞組A 20a和B 20b
圖2B表示按照一個應用的圖2A的三相AC馬達112和逆變器子模 塊135、 137、 139的進一步細節。在圖2B中，MGU包括星形連接(或 Y形連接)的三相電馬達112 (有時還稱為無刷直流馬達(BDCM))， 並且逆變器模塊30是全波橋式逆變器130。
星形連接的三相馬達112包括永磁體轉子16和在馬達端子A、 B 和C之間Y形連接的三個定子繞組20a、 20b和20c。相電流Ia、 Ib 和Ic流過各自定子繞組20a、 20b和20c.每個定子繞組20a-20c上 的相-中性電壓分別表示為Van、 Vbn、 Vcn，其中分別表示為通過理想 電壓源產生的電壓Ea、 Eb、 Ec的每個定子繞組20a-20c內產生的後 (back) EMF電壓分別表示成與定子繞組20a-20c串聯連接。如公知 那樣，這些後EMF電壓Ea、 Eb和Ec是通過永磁體轉子18轉動在各 自定子繞組20a-20c內感應的電壓。雖然對於所有應用來說不是必須 的，馬達112還表示成裝備有轉子位置傳感器22,該傳感器提供表示 轉子16相對於定子繞組20a-20c的機械轉動角度位置的輸出轉子位 置信號6m,位置傳感器22可以是霍爾效應傳感器，或者可以是本領 域公知的其他形式的位置編碼器。本領域普通技術人員將理解到具有 其他技術來確定轉子18的角度位置，而不使用轉子位置傳感器22(見 例如授予Huggett等人的美國專利No. 59492(H )。馬達ll2經由驅動 軸192連接到內燃機(ICE)上。
全波橋式逆變器130包括電容器133、包括雙重開關24/36、 26/38 的第一逆變器子模塊35、包括雙重開關28/40、 30/42的第二逆變器 子模塊37以及包括雙重開關32/44、 34/46的第三逆變器子模塊39。因此，全波橋式逆變器130具有六個固態轉換裝置24、 26、 28、 30、 32、 34和六個二極體36、 38、 40、 42、 44、 46，以寸更適當轉換合成 電壓(VIN )，並且提供BDCM 112的定子繞組20a、 20b、 20c的三相 激勵(見例如1985年10月1日授予Murty並轉讓給本申請的相同受 讓人的美國專利No. 4544868 )。
閉環馬達控制器116或"控制單元"從馬達112接收馬達指令信 號50和馬達操作信號49，並且產生控制信號52，以便在逆變器子模 塊135、 137、 139內控制固態轉換裝置24、 26、 28、 30、 32、 34的 轉換。通過提供適當的控制信號52給單獨逆變器子模塊135、 137、 139，閉環馬達控制器16在逆變器子模塊135、 137、 139內控制固態 轉換裝置24、 26、 28、 30、 32、 34的轉換，並且由此控制逆變器子 模塊135、 137、 139提供給馬達繞組20a、 20b的輸出。
按照本發明的實施例，連接實體20d設置成將馬達112的中性點N 連接到VES 60的位於接地電位的節點G。在此實施例中，節點G連接 到底盤上，使得兩個低電壓DC源70、 80共用7>共接地。DC電壓源 70、 80在公共節點G處串聯連接，使得電壓源70、 80產生等於低側 DC電壓源80的電壓(Vb,t )和高側DC電壓源70的電壓(Vbal)的總和 的合成電壓(VIN)。此合成電壓(V1N)可不僅用於為電載荷供能，而 且為ICU 130供能，由此消除HEV中常用的分開非輔助電池的需要。
如圖2A和2B所示，按照本發明的此實施例，連接實體20d將馬 達112的中性點N連接到VES 60的節點G。根據逆變器模塊130的逆 變器子模塊135、 137、 139內的開關24、 26、 28、 30、 32、 34的開 啟/閉合狀態，連接實體20d上的電壓隨著時間波動。但是平均地， 連接實體20d上的電壓等於逆變器模塊130上的電壓(V，N)(即去往 逆變器模塊130的+，-輸入之間的一半)。這防止任一高側輔助電池70 和4氐側輔助電池80完全放電.
馬達112進行電荷平衡作用以便將DC電壓源70、 80處存儲的電 荷級別保持在大致相同級別，而不考慮每個DC電壓源70、 80上連接 的各自栽荷62、 72對DC電壓源70、 80的4吏用。通過將馬達112的 中性點N連接到VES 60的公共節點G上，馬達112可相對保持DC電 壓源70、 80電荷平衡，使其保持在大致相同的電荷狀態。因此，各 自DC電壓源70、 80處的各自電壓(Vha,)保持在大致相同級別，而不考慮使用。
閉環馬達控制器16控制逆變器子模塊135、137、139內的開關24、 26、 28、 30、 32、 34接通的順序，使得功率的正確數量提供給電系統 VES 60的高側56和低側58，以便將存儲在DC電壓源70和DC電壓 源80處的電荷級別保持在大致相同的級別，而不考慮電載荷62和電 栽荷72的使用，使得每個DC電壓源70和DC電壓源80處的各自電 壓保持在大致相同級別，而不管電栽荷62和電栽荷72各自消耗的功 率。例如，在某些操作情況下，閉環馬達控制器16在機動、發電或 兩種過程中控制離開最佳平衡並在中性點N處產生的電磁波形式，以 便從特定一個具有較弱的電荷狀態的DC電壓源70、 80中汲取較小功 率和/或發送更多功率到相同的DC電壓源70。例如，針對時間的不均 衡量(與另一逆變器子模塊130的其它逆變器子模塊中的其他開關相 比)，逆變器子模塊130的一個子模塊內的開關可接通，而不耗盡DC 電壓源70、 80之一的電荷。例如，在一種情況下，低側輔助DC電壓 源80還接收適當量的電荷，即使栽荷72比栽荷62消耗更多的能量/ 功率，也保持其充電。因此，即使緩衝載荷62、 72通過車輛的操作 者不以相同的方式使用，DC電壓源70、 80也將保持平衡，通過以適 當方式控制逆變器模塊130內的單個開關，高側輔助DC電壓源70和 低側輔助DC電壓源80將保持在幾乎最佳的電荷級別。因此，通過在 馬達112的中性點N和VES 60的節點G之間連接中性線20b，高側輔 助DC電壓源70和低側輔助DC電壓源80都保持滿意充電。
如同圖1的實施例，在高側輔助DC電壓源70和低側輔助DC電壓 源80之間沒有額外電路或裝置，以管理這些DC電壓源70、 80上的 電壓(VIN)，並且在高側輔助DC電壓源70、低側輔助DC電壓源80 之間進行電荷平衡。通過消除另外電部件或裝置的需要，提供一種非 常低成本的混合系統，該系統提供了更加昂貴混合系統的許多優點。
在AC電馬達在HEV中用作推進裝置時，由於大功率要求，馬達和 逆變器的能力必須是顯著的，在這種應用中，逆變器可代表HEV推進 系統的成本、質量和包裝尺寸的大部分。另外，使用這種逆變器的控 制裝置的可靠性與逆變器內的固態轉換裝置和二極體的所需數量顛 倒相關。因此，有利的是在某些實施例中可以在用於驅動AC電馬達 的控制裝置中的功率逆變器的製造中採用較少的固態轉換裝置和二極體。按照圖3所示的本發明的實施例，提供類似於圖2A和2B的三 相AC感應馬達113，該馬達通過三角形式逆變器模塊驅動，該逆變器 模塊只採用圖2B所示的傳統全波橋式逆變器模塊所需的固態轉換裝 置112、 114、 116和二極體124、 126、 128的一半。
圖3是可用於按照本發明一個示例性應用的混合/電動車輛(HEV) 的混合電動車輛(HEV)功率系統300的簡化方框圖，HEV功率系統 300包括具有三相AC感應馬達113的馬達/發電機單元(MGU)、具有 閉環馬達控制器16和三角形逆變器模塊102的逆變器控制器單元
(ICU)、多個DC電壓源118、 120、 122以及包括多個電載荷162、 172、 182的車輛電動系統(VES) 60。雖然未示出，三相AC感應馬達113 經由驅動軸連接到ICE上。不同車輛電栽荷162、 172、 182設置獨立 輔助低電壓DC源118、 120、 122 (例如12伏電池)，同時消除了另外 裝置和電路以管理或控制多個低電壓DC源118、 120、 122的電壓的 需要，如上述，電栽荷162、 172、 182可總統表示通過輔助低電壓DC 源118、 120、 122驅動或從其消耗功率的任何模塊和/或子模塊。車 輛電栽荷162、 172、 182可分成不同的組，並且每個這些組連接到其 本身的輔助低電壓DC源118、 120、 122上，使得栽荷分成分開的電 路。特別是，在此實施例中，三個輔助低電壓DC源118、 120、 122 被採用，使得電栽荷162、 172、 182可分成多組並分開供能。
三角形逆變器模塊102以虛線三角形表示，並且包括三個逆變器 子模塊112/124、 114/128、 116/126。為了將功率供應到三角形逆變 器模塊102， DC電壓源118連接在逆變器子模塊112/124、 116/126 之間，另一 DC電壓源120連接在逆變器子模塊112/124、 114/128之 間，並且另一 DC電壓源122連接在逆變器子模塊114/128、 116/126 之間。三角形逆變器模塊102經由總線(未示出)連接在三相AC感 應馬達113上。在此特定實施例中，由於MGU採用路三相AC感應馬 達113， ICU包括具有三個逆變器子模塊112/124、 114/128、 116/126 的三相三角形逆變器模塊102。在此實施例中，逆變器子模塊112/124、 114/128、 116/126各自包括與二極體並聯的開關(例如場效電晶體
(FET))。逆變器子模塊112/124、 114/128、 116/126使用任何本領 域公知的技術或機構連接在三相AC感應馬達113的馬達繞組A、 B、 C 上。通過逆變器子模塊產生的輸出施加在三相AC感應馬達113的馬達繞組A、 B、 C上，以便驅動三相AC感應馬達113。
DC電壓源118為第一逆變器子模塊112/124供能，DC電壓源120 為逆變器子模塊114/128供能，並且DC電壓源122為逆變器子模塊 116/126供能。DC電壓源122還在公共節點108處連接到逆變器子模 塊114/128上。在此實施例中，三角形逆變器模塊102的所有部分(以 及通過這些部分支承的栽荷162、 172、 182)與HEV的底盤電隔離。
由於要求要與底盤形成兩個連接以造成短路，這有助於防止DC電壓 源118、 120、 122與車輛的底盤或結構短路。通過改變電晶體112、 114、 116的轉換時間，同時產生並監測MGU 113，在每個輔助低電壓 DC源118、 120、 122上保持電荷以及電壓。換言之，通過在其用作發 電機時朝著施加栽荷162、 172、 182較大的三角形逆變器模塊102的 這些部分偏移來自於MGU U3的功率，並且在其用作馬達時遠離這些 部分偏移去往MGU 113的功率，來實現電荷平衡。
DC電壓源118、 120、 122可使用在大多數情況下是低電壓12伏車 輛電池的任何可控制DC電壓源來應用。在每個DC電壓源118、 120、 122是12伏電池時，DC電壓源118、 120、 122可總共提供36伏，以 便驅動三相AC感應馬達113(即逆變器模塊102上的合成電壓降是總 共36伏)。因此，輔助低電壓DC源118、 120、 122可一起有效地提 供36伏電池以便逆變器模塊102 (以及三相AC感應馬達113)使用， 由此消除了許多HEV通常為三相AC感應馬達113供能所需的高電壓 電池的需要。
三相AC感應馬達113包括馬達繞組A、 B、 C。馬達繞組A在節點 106處連接在逆變器子模塊112/124和DC電壓源120之間，馬達繞組 B在公共節點108處連接在逆變器子模塊114/128和DC電壓源122 之間，並且馬達繞組C在節點110處連接在逆變器子模塊116/126和 DC電壓源118之間。在此應用中，分別如同電流Ib、 Ic，進入繞組A 的電流Ia流出繞組B和繞組C，分別如同電流Ia、 Ic，進入繞組B 的電流Ib流出繞組A和繞組C，並且分別如同電流Ia、 Ib，進入繞 組C的電流Ic流出繞組A和繞組B。
在圖3所示的示例性實施例中，通過針對每組栽荷提供分開的DC 電壓源118、 120、 122，電栽荷162、 172、 182分成三個(3 )相同部 分(例如各自三分之一)。車輛電栽荷162、 172、 182包括連接到DC電壓源118並由其供能的第一電栽荷162(或者第一組電栽荷)、連接 到DC電壓源120並由其供能的第二電栽荷172 (或者笫二組電栽荷) 以及連接到DC電壓源122並由其供能的第三電栽荷182(或者第三組 電載荷)。電栽荷162、 172、 182被分布，使得三角形逆變器模塊102 的每個分支上的相對栽荷在所需平均電流和功率方面大致相同，使得 DC電壓源118、 120、 122各自為通過VES支承的總共電栽荷的三分之
一供能。
在此特定實施例中，低電壓DC電壓源118與電容器163、非緩衝 栽荷168、緩衝過濾器165以及可以是單個電栽荷或者一組不同的電 栽荷的電栽荷162並聯連接。非緩衝栽荷168和緩衝過濾器165是任 選部件。在應用時，緩衝過濾器165在電栽荷162和非緩衝栽荷168 之間進行緩衝作用，以確保DC電壓源118上的突然或短暫電壓降不 顯著影響電載荷162處的電壓。在一個示例性應用中，緩衝過濾器165 包括二極體166和花費時間充電並將栽荷162上的電壓臨時保持在其 當前級別的電容器164。電容器164有助於確保栽荷162上的電壓在 DC電壓源118上具有電壓變化時不顯著變化。其他分支可分別包括類 似的電容器173、 183以及緩沖電路175/178、 185/188。
閉環馬達控制器16或"控制單元"從三相AC感應馬達113接收 馬達指令信號50和馬達操作信號49,並且產生控制信號52以便控制 逆變器子模塊112/124、 114/128、 116/126內的開關Sl、 S2、 S3的 轉換。通過提供適當控制信號52給單獨的逆變器子模塊112/124、 114/128、 116/126，閉環馬達控制器16控制這些逆變器子模塊 112/124、 114/128、 116/126內的開關(未示出)的轉換，並由此控 制逆變器子模塊112/124、 114/128、 116/126分別提供給馬達繞組A、 B、 C的輸出。
特別是，閉環馬達控制器16控制開關112、 114、 116在逆變器模 塊102內的計時，以便確保供應到每個栽荷的功率大小平均平衡，使 得DC電壓源118、 120、 122可保持在相同的電荷上，而不管栽荷162、 172、 182在每個DC電壓源118、 120、 122上的不同使用。閉環馬達 控制器16控制逆變器子模塊112/124、 114/128、 116/126內的開關 接通的順序，從而提供正確數量的能量，以便將DC電壓源118、 120、 122處存儲的電荷級別保持在大致相同的級別，而不考慮電栽荷162、172、 182的使用，使得每個DC電壓源118、 120、 122處的各自電壓 保持在大致相同級別，而不管電栽荷162、 172、 182各自消耗的功率。 例如，在某些操作情況下，閉環馬達控制器16在機動、發電或兩種 過程中控制離開最佳平衡並在中性點N處產生的電磁波形式，以便從 特定一個具有較弱的電荷狀態的DC電壓源118、 120、 122中汲取較 小功率和/或發送更多功率到相同的DC電壓源118、 120、 122。例如， 在一種情況下，栽荷162使用大於栽荷172、 182的使用，針對時間 的不均衡量(與另一逆變器子模塊114/128、 116/126內的其他開關 114、 116相比)，逆變器子模塊112/124內的開關112可接著接通， 而不耗盡DC電壓源118、 120、 122之一的電荷。例如，輔助DC電壓 源118還接收適當量的電荷，即使栽荷162比栽荷172、 182消耗更 多的能量/功率，也保持其充電。因此，通過以適當方法逆變器模塊 102內的單個開關112、 114、 116,即使緩沖栽荷162、 172、 182通 過車輛的操作者不以相同的方式使用，輔助DC電壓源118、 120、 122 也將保持平衡。
上面針對功能和/或邏輯塊部件和多種工藝步驟描述了某些實施 例和應用。但是應該理解到這些塊部件可通過構造成進行特定功能的 多種部件來實現。另外，本領域普通技術人員將理解到這裡描述的實 施例只是示例性的應用。
在此文件中，例如第一和第二和類似物的相對術語可只用來將一 個實體或動作與另一實體或動作區分，而不需要或暗示這種實體或動 作之間的任何實際的關係或順序。另外，根據文章，用來描述不同元 件之間關係的例如"連接"或"連接到"的詞彙不暗示著在這些元件 之間必須進行直接實際連接。例如，兩個元件可經由一個或多個另外 的元件實際、電子、邏輯或以任何其他方式連接，
雖然在以上詳細描述中提供至少一個示例性實施例，應該理解到 存在著大量變型。還應該理解到一個或多個示例性實施例只是示例， 並且不以任何方式打算限制本發明的範圍、應用或構造。相反，以上 詳細描述將為本領域普通技術人員提供實施一個或多個示例性實施 例的便利方法。應該理解到在元件的功能和配置中可以進行多種變 化，而不偏離所附權利要求及其等同法律等同物限定本發明的範圍。
權利要求
1.一種混合電動車輛(HEV)功率系統，包括車輛電動系統(VES)包括第一DC電壓源；包括在第一DC電壓上連接的第一電載荷的第一組電載荷；與第一DC電壓源串聯連接的第DC電壓源；以及包括在第DC電壓源上連接的第二電載荷的第二組電載荷；逆變器控制器單元(ICU)，在第一DC電壓源和第二DC電壓源上連接，ICU設計成根據第一DC電壓源和第二DC電壓源產生AC功率；以及AC電馬達/發電機單元(MGU)，連接到ICU上並設計成接收ICU產生的AC功率。
2. 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，第二 DC電壓源在大 致是接地電位的公共節點處與第一 DC電壓源串聯連接，並且其中AC 電馬達/發電機單元(MGU)還包括第一馬達繞組； 第二馬達繞組；以及中性點，第一馬達繞組在該中性點處連接到第二馬達繞組上，其 中中性點連接在公共節點上。
3. 如權利要求2所述的系統，其特徵在於，還包括 連接實體，將馬達/發電機單元(MGU)的中性點連接到車輛電動系統(VES)的公共節點上。
4. 如權利要求3所述的系統，其特徵在於，經由連接實體將第一 DC電壓源和第二 DC電壓源連接到馬達/發電機單元(MGU)的中性點 上使得馬達/發電機單元(MGU)進行電荷平衡功能，以便將第一 DC 電壓源和第二 DC電壓源處存儲的電荷保持在大致相同級別上，而不 考慮第一 DC電壓源和第二 DC電壓源的使用。
5. 如權利要求3所述的系統，其特徵在於，逆變器控制器單元(ICU) 還包括逆變器模塊，連接到馬達/發電機單元(MGU)上，並且在第一DC 電壓源和第二 DC電壓源上連接到車輛電動系統(VES)上，使得逆變 器模塊接收包括第一 DC電壓源和第二 DC電壓源的總和的合成電壓 (VIN)，並且將合成電壓(VIN)轉換成施加在馬達/發電機羊元(MGU)的馬達繞組上的AC電壓。
6. 如權利要求5所述的系統，其特徵在於，連接實體上的平均電 壓是逆變器模塊上的合成電壓(V1N)的一半。
7. 如權利要求5所述的系統，其特徵在於，馬達/發電機單元(MGU) 包括兩相AC馬達，並且其中逆變器模塊包括第一逆變器子模塊，連接到第一馬達繞組上；以及 第二逆變器子模塊，連接到笫二馬達繞組上，其中每個笫一和第 二逆變器子模塊包括一對開關。
8. 如權利要求7所述的系統，其特徵在於，ICU還包括 控制單元，連接在逆變器子模塊上，其中控制單元控制逆變器模塊的開關接通的順序，以便將第一 DC電壓源和第二 DC電壓源處存儲 的電荷保持在大致相同的級別，使得每個第一 DC電壓源和第二 DC電 壓源處的各自電壓保持在大致相同級別，而不考慮第一 DC電壓源和 第二DC電壓源各自的使用。
9. 如權利要求5所述的系統，其特徵在於，馬達/發電機單元(MGU) 包括三相AC馬達，並且其中逆變器模塊包括第一逆變器子模塊，連接在第一馬達繞組上； 第二逆變器子模塊，連接在第二馬達繞組上；以及 第三逆變器子模塊，連接在第三馬達繞組上，其中每個第一、第 二和第三逆變器子模塊包括一對開關。
10. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，每個逆變器子模塊 包括至少一個開關，其中ICU還包括控制單元，連接到逆變器子模塊上，其中控制單元控制逆變器模 塊中的開關的接通順序，從而提供正確數量的能量，以便將笫一 DC 電壓源和第二 DC電壓源處存儲的電荷保持在大致相同的級別，使得 每個第一DC電壓源和第二DC電壓源處的各自電壓保持在大致相同的 級別，而不考慮第一DC電壓源和第二DC電壓源的各自使用。
11. 如權利要求l所述的系統，其特徵在於，還包括 第一非緩衝栽荷，以及在第一電栽荷和第一非緩衝栽荷之間進行緩衝作用的第一緩沖過濾器，以確保第一 DC電壓源處的短暫電壓降 不影響第一電載荷處的電壓；以及第二非緩衝載荷，以及在第二電栽荷和第二非緩衝栽荷之間進行緩衝作用的笫二緩衝過濾器，以確保第二 DC電壓源處的短暫電壓降 不影響第二電栽荷處的電壓。
12. 如權利要求16所述的系統，其特徵在於，公共節點連接在混 合電動車輛(HEV)的底盤上；其中第一DC電壓源包括第一輔助低電壓電池，包括在公共節點處連接到HEV底盤上的負 端子；以及其中第二DC電壓源包括第二輔助低電壓電池，在公共節點處與第一輔助低電壓電池和HEV 的底盤串聯連接；其中第一輔助低電壓電池和第二輔助低電壓電池產生等於為第一 組電載荷供能的第一輔助低電壓電池的第一電壓(Vb,t)和為第二組電 栽荷供能的第二輔助低電壓電的第二電壓(Vbal)的總和的合成電壓， 其中合成電壓提供給逆變器模塊。
13. 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，每個電栽荷包括車 輛附件。
14. 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，AC電馬達/發電機 (MGU)還包括第一馬達繞組、第二馬達繞組和第三馬達繞組；以及 其中逆變器控制器單元(ICU)包括逆變器模塊，逆變器模塊包括第一逆變器子模塊和第二逆變器子模塊，其中第二 DC電壓源連接在第一逆變器子模塊和第二逆變器子模塊之間。
15. 如權利要求14所述的系統，其特徵在於，逆變器模塊包括三角形逆變器模塊，三角形逆變器模塊還包括第三逆變器子模塊，
16. 如權利要求15所述的系統，其特徵在於，第一組電栽荷連 接到第一 DC電壓源上，使得第一 DC電壓源將功率供應到第一組電栽 荷；以及其中第二組電載荷連接到第二 DC電壓源，使得第二 DC電壓源將 功率供應到第二組電栽荷，其中該系統還包括第三DC電壓源，連接在第二逆變器子模塊和第三逆變器子模塊之 間，其中第三DC電壓源在接地電位的公共節點處連接到第二逆變器 子模塊上；第三組電載荷，包括連接到第三DC電壓源上的第三電栽荷，使得 第三DC電壓源將功率供應到第三組電栽荷。
17. 如權利要求16所述的系統，其特徵在於，笫一組電載荷、第 二組電栽荷和第三組電栽荷大致相等，使得第一DC電壓源、第二DC 電壓源和第三DC電壓源各自為通過系統支承的總共電載荷的三分之 一供能。
18. 如權利要求16所述的系統，其特徵在於，第一馬達繞組連接 在第一逆變器子模塊和第二 DC電壓源之間，其中笫二馬達繞組連接 在第二逆變器子模塊和第三DC電壓源之間，並且其中第三馬達繞組 連接在第三逆變器子模塊和第一DC電壓源之間。
19. 如權利要求16所述的系統，其特徵在於，還包括 第一非緩衝載荷，以及在第一電栽荷和第一非緩沖栽荷之間進行緩衝作用的第一緩衝過濾器，以確保第一 DC電壓源處的短暫電壓降 不影響第一電栽荷處的電壓；第二非緩衝載荷，以及在第二電栽荷和第二非緩沖栽荷之間進行 緩衝作用的第二緩衝過濾器，以確保第二 DC電壓源處的短暫電壓降 不影響第二電栽荷處的電壓；以及第三非緩衝栽荷，以及在笫三電栽荷和第三非緩衝栽荷之間進行 緩衝作用的笫三緩沖過濾器，以確保第三DC電壓源處的短暫電壓降 不影響第三電載荷處的電壓。
20. —種混合電動車輛(HEV)，包括車輛電動系統(VES)，包括第一DC電壓源；在第一 DC電壓源 上連接的第一電載荷；與笫一DC電壓源串聯連接的第二DC電壓源； 以及在第二 DC電壓源上連接的第二電栽荷；逆變器控制器單元(ICU)，在第一 DC電壓源和第二 DC電壓源上 連接，ICU設計成根據第一 DC電壓源和第二 DC電壓源產生AC功率；AC電馬達/發電機單元(MGU)，連接到ICU上以便接收通過ICU 產生的AC功率；以及內燃機(ICE)，連接到AC電MGU上。
全文摘要
本發明提供一種混合電動車輛(HEV)功率系統，包括車輛電動系統(VES)、逆變器控制器單元(ICU)以及AC電馬達/發電機單元(MGU)。VES包括第一DC電壓源和與第一電壓源串聯連接的第二DC電壓源。VES還包括在第一DC電壓源上連接的第一電載荷以及在第二DC電壓源上連接的第二電載荷。ICU在第一DC電壓源和第二DC電壓源上連接，並且設計成轉換來自於第一DC電壓源和第二DC電壓源的DC功率以便產生用於AC電MUG的AC功率。DC電壓源可一起代替傳統高電壓DC電壓源。在某些實施例中，提供用於「電荷平衡」第一DC電壓源和第二DC電壓源的技術，而沒有昂貴裝置。
文檔編號B60W10/30GK101549690SQ200910127850
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月2日 優先權日2008年4月2日
發明者A·G·霍爾姆斯 申請人:通用汽車環球科技運作公司