专利名称：用于控制功率分流电路的装置和方法以及具有该装置的混合动力车的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制混合动力车的功率分流电路(power shuntcircuit)的装置。
本发明的一个应用领域是混合道路车辆。
背景技术：
文献US-B-6 486 632介绍了 一种包含笫一与第二变换器的装置，笫一与第二变换器的DC侧连接到DC电压存储单元，其AC侧被设计为连接到第一与第二多相电机，第一与第二多相电机被设计为耦合到车辆的机械驱动器，第一机器能够作为电动机运行，第二机器能够作为发电机运行，用于分流来自驱动器的功率，变换器还包含用于DC侧与AC侧之间的转换的斩波开关(chopping switches)，该装置包含用于对变换器DC侧的谐波进行滤波的电容器以及用于控制斩波开关的单元，该单元包含通过具有与变换器相同频率的栽波的脉宽调制对斩波开关进行控制的模式。
如具有功率分流的混合动力车中已知的且由图l所示出的那样，两个
电机3、 4被连接到机械驱动器5，机械驱动器5在一侧^f皮连接到车轮6、 7，在另一側被连接到电力存储系统8。两个变换器l、 2用于控制机器3、 4。当驱动器5由车辆的内燃机9驱动时，对于来自驱动器5的功率的分流，机器中的一个必须作为电动枳逸行，而另一个必须作为发电^:行。当内燃机被关闭时，两个机器3、 4中的一个用于运行驱动器。
共用的滤波电容器C通常在两个变换器1、 2之间安装在DC母线10上。
变换器l、 2通过断开以及闭合其DC电压开关来斩波，以便产生对机器3、 4供电的AC电压。这称为MLI (脉宽调制)斩波。除了机器的电流的有效基波以外，高频(几kHz)斩波产生谐波，以 同样的方式拓宽了在DC母线10上产生的电流的频语。
电容器C对大多数这些电流谐波进行滤波，以便将尽可能直流的电流 返回到存储元件。电容器的老化对其发热敏感，因此对经过其的RMS电 流敏感。因此，控制被滤波的电流及其谐波含量是有价值的。
另外，对于变换器存在几种可能的斩波策略。
发明内容
本发明的第一目的是对变换器的脉宽调制控制进行最优化。 本发明的第二目的是最小化电容器的电流波以及经过它的RMS电流。 本发明的第三目的是对机器的相的电压进行最优化。 本发明的第 一主题是一种控制混合动力车的功率分流电路的装置，该 装置包含第一与第二变换器，第一与第二变换器的DC侧连接到DC电压 存储单元，其AC侧被设计为连接到第一与第二多相电机，第一与第二多 相电机被设计为耦合到车辆的机械驱动器，第 一机器能够作为发电机运行， 第二机器能够作为电动机运行，以便分流来自驱动器的功率，变换器还包 含用于DC側与AC侧之间的转换的斩波开关，该装置包含用于对变换器 DC侧上的谐波进行滤波的电容器以及用于控制斩波开关的单元，该单元 包含通过具有与变换器相同频率的载波的脉宽调制来控制斩波开关的至少 一个模式，该装置的特征在于
笫一与第二机器能够作为电动机/电动机或作为发电机/发电机运行,控
制单元包含用于检测第一与第二机器作为电动机/电动机或作为发电机/发 电机运行的装置以及在检测到第一与第二机器作为电动机/电动机或作为 发电机/发电机运行的情况下相对于第一变换器的斩波开关以时间平移的 方式控制第二变换器的斩波开关的第一装置，并且，用于控制变换器的单 元包含用于根据脉宽向量调制模式控制其斩波开关的装置。 根据本发明的其他特征
-笫二变换器和第一变换器之间的所述时间平移包含载波的半周期。
6-用于控制变换器的单元包含通过脉宽标量调制来控制其斩波开关的 第一模式、通过脉宽向量调制来控制其斩波开关的第二模式、通过过调制
(overmodulated )脉宽调制来控制其斩波开关的第三4莫式以及用于控制其 斩波开关的第四全波(fullwave)模式。
-控制单元包含才莫式选择装置，用于对于分别位于具有增大值的第一、 第二、第三和第四邻近区域的、机器的相关联的速度和转矩值将第一、第 二、第三或第四模式应用到变换器。
-除了笫 一控制装置外，控制单元包含用于检测第一与笫二机器作为电 动机/发电机或作为发电机/电动机运行的装置以及用于在检测到第一与第 二机器作为电动冲几/发电机或作为发电机/电动机运行的情况下用与第一变 换器的斩波开关相同的时间相位控制第二变换器的斩波开关的装置。
-DC-DC转换器，其插在电容器与电力存储单元之间。
本发明的第二主M—种控制混合动力车车载功率分流电路的方法， 用于应用上面介绍的控制装置，其使用第一与第二变换器，第一与第二变 换器的DC侧连接到DC电压存储单元，其AC側连接到笫一与第二多相 电机，第一与第二多相电机耦合到车辆的机械驱动器，第一机器作为发电 机运行，第二机器作为电动机运行，用于分流来自驱动器的功率，变换器 还包含用于DC侧与AC侧之间的转换的斩波开关、用于对在变换器DC 側提供的谐波进行滤波的电容器，斩波开关被具有至少一个控制斩波开关 的模式的控制单元通过具有与变换器相同频率的栽波的脉宽调制来控制， 该方法的特征在于
使得第 一与笫二机器作为电动机/电动机或作为发电机/发电机运行，
在第一与第二机器作为电动机/电动机或作为发电机/发电机运行的情 况下，第二变换器的斩波开关以相对于第一变换器的斩波开关时间平移的 方式受到控制。
根据本发明的其他特征
一在第一与第二机器作为电动机/电动机或作为发电机/发电机运行的情 况下，第二变换器与第一变换器之间的时间平移对应于栽波的半周期。-对于分别位于具有增大值的第一、第二、第三和第四邻近区域的机器 的相关联的速度和转矩值，变换器的斩波开关根据第一脉宽标量调制控制 模式、第二脉宽向量调制控制模式、第三过调制脉宽调制控制模式、第四 全波控制纟莫式受到控制。
本发明的第三主题为混合动力车，其包含用于经由机械驱动器驱动车 轮的内燃机，机械驱动器被耦合到笫一与第二电机，第一机器能够作为发 电机运行，第二机器能够作为电动机运行，以便构成来自驱动器的功率分 流电路，其特征在于，第一与第二电机被连接到如上所述的车载控制装置。
参照附图，阅读下面仅仅作为非限制性实例给出的介绍，将会更好地
理解本发明，在附图中
图l为混合动力车的驱动器的图2为连接到根据图1的机械驱动器的电工部分的图3为图2的电工部分的两个变换器的详细图4在横坐标上表示电机的旋转速度，在纵坐标上表示电机的转矩， 曲线界定了依赖于机器的运行区段对由变换器进行的电压斩波的选择；
图5表示由正弦标量调制获得的电流信号的实例，其作为横坐标上的 时间的函数；
图6为具有DC-DC转换器的才艮据图1的驱动器。
具体实施例方式
在图中，电机3、 4例如为三相机器，各自包含分别连接到变换器1 与2的AC侧的三个不同的相Ul、 VI、 W1以及U2、 V2、 W2。机器3、 4分别包含可移动部分31、 41，其被机械连接到驱动器5，且其能相对于 连接到相U1、 VI、 Wl、 U2、 V2、 W2的才几械部分32、 42移动。
当内燃机9运行以便机械运行驱动器5、从而经由差速器11旋转车轮 6、 7时，机器3作为发电枳运行，并从驱动器5将电力分流到变换器1的
8AC侧，如箭头F1所示，这种被分流的电力在变换器1的DC侧被转换为 DC电流，以便在存储元件8中存储能量。对于此功率分流，另一机器4 于是作为电动枳逸行。如已经知道的，电力存储元件8例如由一个或多于 一个的可再充电的电池或一个或多于一个的超级电容器构成。内燃机也可 在机器3作为电动机且机器4作为发电机的情况下驱动车轮。电动机/发电 机或发电机/电动才械式的选择由管理器作出。
变换器1、 2分别包含开关II、 12，用于将其DC侧的DC电流斩波为 相U1、 VI、 W1以及U2、 V2、 W2的AC电流。例如，在图3中，各个 变换器1、 2对于各相包含串联在DC母线的两个导体10之间的两个开关 11或12,两个开关I1或I2之间的节点净皮连接到相U1、 V1或W1、 U2、 V2或W2。各个开关II、 12例如由IGBT (绝,型双极型晶体管)构成， 反向二极管与IGBT并联设置。各个开关Il、 12包含用于控制其断开或其 闭合的输入E1、 E2，此输入对于IGBT晶体管由其栅极构成。用于控制变 换器1的开关ll的输入E1被连接到第一控制电路21，而用于控制变换器 2的开关12的输入E2被连接到第二控制电路22。第 一与第二控制电路21 、 22被连接到低级控制单元23，该单元包含用于产生裙发送到第一电路21 的载波的第一模块24以及用于产生補A送到第二电路22的栽波的第二电 路25。单元23包含特别是用于控制模块24与25的一个或多于一个的计 算机26。另外，低级控制单元23被连接到车辆的高级控制单元27。
车辆的控制策略和/或驾驶者的意图决定了施加到电机3、 4的转矩和/ 或速度。
无论来自管理器27的此"高级，，命令如何，可以控制变换器的"低级 信号，，，特别是机器3、 4的电压斩波的策略。"低级，，控制包含在计算机 26中。这种/这些计算才几26对将ON/OFF开关指示传送到开关II、 12的控 制电路21、 22进4亍控制。
存在电机的由车辆的"高级"控制选择的几种运行。两个机器可运行
为
电动4几/电动才几，发电机/电动机， 电动才几/发电机， 发电才几/发电机。
机器的相电压根据由单元23的计算机26施加到电路21、 22的第一、 第二、第三、第四控制模式被斩波，分别为 标量MLI，在图中用MLI1表示， 向量MLI，在图中用MLI2表示， 过调制MLI，在图中用MLI3表示， 全波，在图中用PO表示。
斩波策略被选择为解决减小滤波电容器C的设计中存在的问题，但 不会使低级控制过度复杂，也不会影响车辆的性能。
另一个目的是减小电流谐波，其RMS电流是滤波电容器C的发热和 老化的源头。"清洁"的正弦波电压也是^L器端子上所希望的。
因此，消除了自动地对电容器C过工程化(overengineer )以解决这 些问题的需要。
目的在于，取决于电机以及车辆的运行情况，尽可能减小由电容器滤 S皮的电it。
同时，试图根据转矩和速度设置点向机器施加最清洁的电压(也就是 说，基波以外，其第一谐波(firstharmonics )处于斩波频率；不存在奇次 谐波3、 5、 7等等，笫一等(mnk)的来自斩波)。
控制类型的选择首先依赖于机器的所请求的速度和转矩，并由计算机 26进行选择。
向机器供给低电压幅度的情况(通常低速度和低转矩用途) 当机器被供以低幅度电压时，优选为标量MLI控制。在现有技术中， 产生这样的MLI信号的简单方法是进行三角形载波(在斩波频率MLI处) 与设置点(调制)信号之间的比较。事实上，脉宽越来越多地来自数字计 算机的结果，损害模拟比较。图5示出了由标量MLI (TMLI)调制的正 弦波信号SM的结果。
10这种控制的使用使得可以向机器施加低(或甚至零)电压。因此，其 很好地适合于低速区段。 一般用途的情况
在大多数使用情况下，优选为向量MLI控制。
向量MLI控制不是像标量MLI那样使用彼此独立的三个电压，而是 作为控制三相(或多相)系统的旋转向量的策略，因此，具有相之间的脉 冲同步。这一策略的主要优点之一是能够供给与三个并列独立标量策略可 传送的相比更高的基波电压。
当达到能在向量MLI中产生的正弦波电压的最大幅度时，于是，称为 过调制MLI。在这种情况下，基波频率的倍数谐波被加在信号中，从而增 大信号的幅度。
使用极高电压的情况(通常具有极高功率和高速度)
当通过其它控制模式不能达到电压幅度时，优选为全波控制。以希望 获得的基波频率，供给电压被交替施加到负载的各个极。这在机器端子上 给出了 AC电压的最大幅度。这使得可以以由于电压的低频谐波引起的电 流过负荷(附加的损耗)的代价达到高功率(转矩)区段。
模式之间的转移作为电力损耗及其在机器损耗与变换器损耗之间的分 布的函数来确定。图4示出了多种运行情况。
在图4中，标量控制模式MLI1从零速度V和零转矩CM的点O通 过作为速度的函数的第一转矩曲线Cl界定。笫二向量控制模式MLI2通 过曲线Cl与第二曲线C2界定，第二曲线用于相对于曲线Cl的增大的速 度V和/或转矩CM的值。第三向量过调制控制模式MLI3由曲线C2和第 三曲线C3界定，第三曲线用于相对于曲线C2的增大的速度V和/或转矩 CM的值。第四、全波控制模式PO由曲线C3和第四曲线C4界定，第四 曲线用于相对于曲线C3的增大的速度V和/或转矩CM的值。曲线Cl、 C2、 C3、 C4例如像双曲线状减小。笫四曲线C4为电动枳^莫式中机器转 矩的包络曲线。
控制类型的选择也依赖于两个机器3、 4的使用情况。电动才几/电动机或发电机/发电机情况
这些模式用在ZEV中(专门电气运行，对应于内燃机9停止)。 如果两个机器以MLI控制， 一个机器的斩波将会相对于另一个异相。 这种偏移例如为栽波半周期。两个载波具有同样的频率。在图3的实施例 中，栽波产生模块25向变换器2的控制电路22发送相对于由产生才莫块24 发送到变换器1的控制电路21的具有相同频率的载波偏移半个周期的载 波，也就是说，在相位上相反。因此，发送到变换器1和2的载波具有同 样的频率，并彼此偏移半个周期。
机器3、 4各自作为电动M行或各自作为发电机运行由任何合适的检 测装置MD检测，用于检测机器3、 4作为电动机-电动机或发电机-发电机 运行的这种状态ED被义送到控制单元23，以便对模块24、 25的栽波进 行偏移。
在处于电动机模式的两个机器3、4已经在向量脉宽调制中受到控制的 实例中，对于没有偏移的栽波，当两个变换器的将要滤波的电流总和已经 为76.5有效安培(也就是说，RMS)时，对于偏移半周期的载波，通过向 量脉宽调制控制，两个变换器的将要滤波的电流的这一总和为46,8安培 RMS，也就是说，将由电容器C滤波的RMS电流减小39Y。。
在一个实施例中，优选两个机器的相电流的平衡。也就是说，"高级" 控制在各个机器上对于一个且相同的电流选择对应的转矩，转矩的和被传
送到车轮。典型地，这在ZEV运行模式中是可能的。 电动机/发电机或发电机/电动机情况
这是混合动力车的常用运行模式。施加到电动机的转矩受到"高级，， 控制的控制。
由于电流自然处于相反方向，DC母线10上将被滤波的电流自然减小。 如果两个机器受到MLI控制，优选为，两个变换器的载波具有相同的
相位和相同的频率。
在图6的实施例中，结构可包含电容器C和存储元件8之间的DC/DC
转换器30，以便一方面具有对变换器l、 2和机器3、 4是最优的DC母线10电压，并在另一方面使此电压对存储元件8的电压变化不敏感。
在这种情况下，来自DC/DC转换器30的斩波谐波必须具有与变换器
的相比较高的频率，这在大多数时间成立。
尽管很少使用，可以想到具有多于三相的电动机的变型。主要结果在
于将要滤波的电流的低频谐波将高于相电流基波频率的六倍(相数的两倍)。
主要结果在于差在斩波谐波和由于相电流基波的谐波之间减小。如果 此差是不足的，这可导致相对于三相系统增大斩波频率。
因此，在变换器l、 2的输入上(DC侧)，电容器C的电流波被最小 化。在变换器1、 2的输出上(AC侧)，机器3、 4的端子上的电压的设 置点和基波误差最小化，从而因此具有清洁的正弦波电压。自然，可以仅 仅 得电流波最小化，或仅仅具有清洁的输出电压。
权利要求
1.一种控制混合动力车的功率分流电路的装置，该装置包含第一与第二变换器(1，2)，第一与第二变换器的DC侧连接到DC电压存储单元(8)，其AC侧被设计为连接到第一与第二多相电机(3，4)，第一与第二多相电机被设计为耦合到车辆的机械驱动器(5)，第一电机(3)能够作为发电机运行，第二电机(4)能够作为电动机运行，以便分流来自驱动器(5)的功率，变换器(1，2)还包含用于DC侧与AC侧之间的转换的斩波开关，该装置包含用于对变换器(1，2)DC侧上的谐波进行滤波的电容器(C)以及用于控制斩波开关的单元(23)，单元(23)具有至少一个通过对于变换器(1，2)具有相同频率的载波的脉宽调制用于控制斩波开关的模式，该装置的特征在于第一与第二机器(3，4)能够作为电动机/电动机或作为发电机/发电机运行，控制单元(23)包含用于检测第一与第二机器(3，4)作为电动机/电动机或作为发电机/发电机运行的装置(MD)以及在检测到第一与第二机器(3，4)作为电动机/电动机或作为发电机/发电机运行的情况下相对于第一变换器(1)的斩波开关(I1)以时间平移的方式控制第二变换器(2)的斩波开关(I2)的第一装置，并且，用于控制变换器的单元(23)包含用于根据脉宽向量调制模式(MLI2)控制其斩波开关(I1，I2)的装置(26)。
2. 根据权利要求1的控制装置，其特征在于，第二变换器(2)和第 一变换器(1)之间的所述时间平移包含栽波的半周期。
3. 根据权利要求1或2的控制装置，其特征在于，用于控制变换器的 单元(23)包含通过脉宽标量调制来控制其斩波开关(II, 12)的第一模 式(MLI1)、通过脉宽向量调制来控制其斩波开关(II, 12)的第二才莫式(MLI2)、通过过调制脉宽调制来控制其斩波开关(11， 12)的第三模式 (MLI3)以及用于控制其斩波开关(II, 12)的第四全波模式(MLI4)。
4. 根据权利要求3的控制装置，其特征在于，控制单元(23)包含模 式选择装置(26)，用于对于分别位于具有增大值的第一、第二、第三和第四邻近区域的机器(3， 4)的相关联的速度和转矩值将第一、第二、第 三或第四模式应用到变换器U， 2)。
5. 根据权利要求l-4中任意一项的控制装置，其特征在于，除了第一 控制装置(24， 25)外，控制单元(23)包含用于检测第一与第二机器(3， 4 )作为电动机/发电机或作为发电机/电动机运行的装置以及用于在检测到 第一与第二机器(3， 4)作为电动机/发电机或作为发电机/电动机运行的情 况下用与第一变换器(1)的斩波开关(II)相同的时间相位控制第二变换 器(2)的斩波开关(12)的装置(23)。
6. 根据权利要求1-5中任意一项的控制装置，其特征在于，DC-DC转 换器(30)插在电容器(C)与电力存储单元(8)之间。
7. —种控制混合动力车车栽功率分流电路的方法，用于应用根据权利 要求1-6中任意一项的控制装置，其使用第一与第二变换器(1， 2)，第 一与第二变换器的DC侧连接到DC电压存储单元(8 ),其AC側连接到 第一与第二多相电机(3， 4)，第一与第二多相电机耦合到车辆的机械驱 动器(5)，第一机器(3)作为发电机运行，第二机器(4)作为电动枳逸 行，用于分流来自驱动器(5)的功率，变换器(l, 2)还包含用于DC侧 与AC侧之间的转换的斩波开关、用于对在变换器(1， 2) DC側提供的 谐波进行滤波的电容器(C)，斩波开关被控制单元(23)控制，控制单 元(23)具有至少一个通过对于变换器(1， 2)具有相同频率的载波的脉 宽调制用于控制斩波开关的模式，该方法的特征在于使得笫一与笫二机器(3, 4)作为电动机/电动机或作为发电机/发电机 运行，在第一与第二机器(3， 4)作为电动机/电动机或作为发电机/发电枳逸 行的情况下，第二变换器(2)的斩波开关(12)以相对于第一变换器(1) 的斩波开关(11)的时间平移方式受到控制。
8. 根据权利要求7的控制方法，其特征在于，在第一与第二机器(3, 4)作为电动机/电动机或作为发电机/发电积逸行的情况下，第二变换器(2) 与第一变换器(1)之间的时间平移对应于栽波的半周期。
9. 根据权利要求7或8的控制方法，其特征在于，对于分别位于具有 增大值的第一、第二、第三和第四邻近领域的机器(3, 4)的相关联的速 度和转矩值，变换器(1， 2)的斩波开关(11， 12)根据第一脉宽标量调 制控制才莫式(MLI1)、第二脉宽向量调制控制才莫式(MLI2)、第三过调 制脉宽调制控制才莫式(MLI3)、第四全波控制模式(MLI4)受到控制。
10. —种混合动力车，其包含用于经由机械驱动器(5)驱动车轮(6， 7)的内燃机(9),机械驱动器(5)被耦合到第一与第二电机(3， 4)， 第一机器(3)能够作为发电机运行，第二机器(4)能够作为电动机运行， 以便构成来自驱动器(5)的功率分流电路，其特征在于，第一与第二电机(3， 4)被连接到如权利要求l-6中任意一项所述的机载控制装置。
全文摘要
本发明涉及一种控制混合动力车的功率分流电路的装置，其包含变换器(1，2)，变换器(1，2)的DC侧连接到DC电压存储单元(8)，其AC侧用于连接到多相电机(3，4)。根据本发明，机器(3，4)能够以电动机/电动机或发电机/发电机模式运行，控制单元(23)包含用于以这样的方式控制第二变换器(2)的斩波开关(12)的第一装置(24，25)在这样的情况下，其相对于第一变换器(1)中的斩波开关(11)在时间上偏移，变换器的控制装置(23)包含用于以脉宽向量调制控制其斩波开关(11，12)的装置(26)。
文档编号H02M7/5387GK101678778SQ200880018690
公开日2010年3月24日 申请日期2008年4月28日 优先权日2007年5月3日
发明者G·帕格斯利, S·劳德特 申请人:雷诺股份公司