本公開涉及車輛上利用的高壓電力系統以及與其相關的控制例程。

背景技術：

車輛可使用動力系系統，該系統由內燃發動機(發動機)與諸如高壓電動馬達/發電機的非燃燒型馬達一起產生推進動力。經由包括逆變器的高壓電力電路，高壓電動馬達/發電機從車載高壓電能存儲裝置(例如，高壓電池)獲取電力。逆變器是利用多個成對設置的半導體開關將直流輸入電壓轉換為交流輸出電壓的裝置。成對的半導體開關根據逆變器開關控制模式受控。交流輸出電壓可供應給諸如高壓電動馬達/發電機的電動機械以完成作業，其中該作業可包括在扭矩模式中產生扭矩或在反應模式中產生電力。半導體開關可為絕緣柵雙極晶體管、場效應晶體管或其它合適的裝置。用于控制半導體開關的開關技術包括脈寬調制(PWM)方法，諸如三角比較脈寬調制(PWM)方法、空間向量(SV)脈寬調制(SV-PWM)方法以及非連續脈寬調制(D-PWM)方法。不同的開關技術根據控制、功率損耗、噪音、諧波含量和其它參數產生不同結果。功率損耗影響系統效率和系統熱生成。

技術實現要素：

描述了一種電連接到電動機器的逆變器。一種用于控制逆變器中切換的方法包括確定電動機器的扭矩輸出并且確定與逆變器冷卻回路相關的溫度。基于電動機器的扭矩輸出和與逆變器冷卻回路相關的溫度，選擇了一種用于控制逆變器的優選逆變器開關控制模式。

從以下結合附圖對一些最佳模式的詳細描述和如所附權利要求書所定義的執行本教導的其它實施例中，可以容易地了解本發明的上述特點和優點以及其他特點和優點。

附圖說明

下面將參照附圖，通過舉例的方式描述一個或多個實施例，其中：

圖1示意性地示出了根據本公開由控制器控制的高壓電力系統的實施例，包括在車輛動力系系統上利用的高壓電力系統；

圖2示意性地示出了根據本公開基于電動機器的扭矩輸出和循環到逆變器的冷卻劑溫度來選擇用于控制逆變器的優選逆變器開關控制模式的馬達控制選擇例程；以及

圖3以圖表示出了根據本公開選擇與冷卻劑溫度和馬達扭矩相關的優選逆變器開關控制模式的變量Z的校定。

具體實施方式

現參考附圖，其中所示的內容僅為了示出某些實施例，而不是為了對其進行限制。圖1示意性地示出了由控制器12控制的高壓電力系統40。在一個非限定性實施例中，并且如圖所示，高壓電力系統40使用于車輛10的動力系系統20上。

在一個非限定性實施例中，動力系系統20包括機械耦接到電動機器30的內燃發動機(發動機)24，以及機械耦接到車輛傳動系26以向一個或多個車輛車輪提供推進動力的傳動機構28。發動機24可以是任何合適的內燃發動機，通過燃燒過程將烴基燃料或其它燃料轉換為機械動力。使用傳動機構28的可旋轉構件22或其它合適的機械耦接件，發動機24機械可旋轉地耦接到電動機器30。動力系系統20可使用第二個或更多的電動機器用于車輛推進和其它功能。傳動機構28可包括任何合適的機械動力傳送機構，諸如但不限于行星齒輪、斜齒輪和其它齒輪組、旋轉軸、離合器、制動器和和其它裝置。可旋轉構件22可包括任何合適的形式，就非限制性舉例而言，諸如旋轉軸、嚙合齒輪布置或帶驅動布置。另外，可旋轉構件22可包括經由傳動系系統20的傳動機構28的一個實施例的行星齒輪組的齒圈、過橋齒輪或太陽齒輪至發動機24的機械耦接。發動機24、電動機器30和傳動機構28之間機械互連的實施例的其它細節是已知的，并且不再詳細描述。

電動機器30可以是任何合適的電動機，并且在一個實施例中是高壓電動機/發電機，該高壓電動馬達/發電機將高壓電力轉換為機械動力，并且優選地將機械動力轉換為可存儲在高壓能量存儲裝置(高壓電池)42中的電能。電動機器30電連接至功率逆變器模塊(TPIM)32。從電動機器30輸出的扭矩可直接使用扭矩傳感器監測，或從至諸如電流、通量或或其他參數的電動機器30的監測到的輸入來推斷。

高壓電池42經由高壓總線向電力組件(特別是經由接觸器開關58向TP IM32)供應電力。高壓總線包括正側(HV+)44和負側(HV-)46，其中電力由電流傳感器48和電壓傳感器56監測。優選地，電力組件包括功率逆變器模塊32和輔助電力模塊(APM)64。在一個實施例中，交流充電器電連接至高壓總線，并且經由充電電纜電連接至遠程、車輛外的交流電源，以當車輛10靜止時向高壓電池42充電。高壓電池42可以是任何合適的高壓能量存儲裝置，例如但不限于多節鋰離子裝置、超級電容器或另一種裝置。負總線接觸器開關52將負極側(HV-)46連接至高壓電池42，并且具有電阻器54的預充電接觸器開關50與之并聯布置。輔助電力模塊64和交流充電器優選在HV+44和HV-46之間并聯布置。輔助電力模塊64優選包括直流/直流電力轉換器，該直流/直流電力轉換器在一個實施例中電連接至低壓總線和低壓電池。輔助電力模塊64向在車輛上的低壓系統(包括例如電動車窗、HVAC風扇、座椅以及其它附屬裝置)提供低壓電力。

逆變器冷卻回路70布置成管理并且傳遞由功率逆變器模塊32產生的熱。逆變器冷卻回路70包括空氣/流體熱交換器72，該空氣/流體熱交換器72使用流體導管75流體連接至功率逆變器模塊32的散熱元件73，散熱元件73機械熱耦接至功率逆變器模塊32的功率晶體管。冷卻流體優選使用流體泵通過逆變器冷卻回路70循環。根據需要，可以采用其它流體元件，諸如耦接器、儲流罐、壓力調節器等。溫度傳感器74被布置成監測逆變器冷卻回路70中的溫度，并且在一個實施例中，溫度傳感器74在來自功率逆變器模塊32的出口處監測冷卻劑流體的溫度。溫度傳感器74指示從散熱元件73的熱傳遞，因此指示在功率逆變器模塊32的功率晶體管中的熱生成。可替代地，可應用溫度模塊來動態評估或以其它方式確定逆變器冷卻回路70的溫度，例如在來自功率逆變器模塊32的出口處的冷卻劑流體的溫度，因此指示功率逆變器模塊32的功率晶體管中的熱生成。在一個實施例中，空氣/流體熱交換器72為整體車輛冷卻系統的一部分。可替代地，功率逆變器模塊32可以是空氣冷卻的，采用空氣被動或主動地穿過散熱元件73，并且采用監測穿過散熱元件73傳導的空氣的溫度系統以，以指示逆變器冷卻回路70的溫度，并且因此指示功率逆變器模塊32的功率晶體管中的熱生成。

控制器12優選地包括多個分立裝置，其與傳動系系統20的各個元件位于相同位置，以響應于操作員命令和傳動系需求來實現傳動系系統20的各個元件的操作控制。控制器12還可以包括提供其它控制裝置的分級控制的控制裝置。控制器12直接或經由通信總線16通信連接至高壓電池42、輔助電力模塊(APM)64和功率逆變器模塊(TPIM)32中的每一個以監視并且控制其操作。控制器12控制傳動系系統20的操作，包括選擇并且命令多個操作模式中的一個操作模式的操作，以產生扭矩并在扭矩產生裝置，例如發動機24、電動機器30和傳動系26之傳遞扭矩。操作模式可以包括一個或多個電動車輛(EV)模式，其中發動機24處于關閉(OFF)狀態，并且電動機30產生推進扭矩。操作模式還可以包括電動可變模式，其中發動機24和第一電動機30產生推進扭矩。操作模式還可以包括擴展范圍EV模式，其中發動機24處于打開(ON)狀態并通過電動機30正在產生電力，并且第二電動機正在產生推進扭矩。擴展范圍EV模式、EV模式和電動可變模式每一個具有相關聯的電池充電模式，其可為充電保持模式或充電消耗模式。

功率逆變器模塊(TPIM)32被配置為具有合適的控制電路，其包括將高壓直流電轉換為高壓交流電和將高壓交流電轉換為高壓直流電的功率晶體管。在一個實施例中，功率逆變器模塊(TPIM)32包括以成對的功率晶體管形式的多個開關對，所述功率晶體管布置為電氣并聯在HV+44和HV-46之間的半橋，以將多相形式的電流供應至包括電動機30的多相電氣負載。開關對中的每一個對應電動機30的相位。柵極驅動電路控制開關對的開關的啟動和停止，并可以包括任何適合的電子裝置，所述電子裝置能夠啟動和停止開關以實現HV+44或HV-46之間的功率傳送以及能夠響應于源自控制器12的控制信號啟動和停止電動機30的一個相位。功率逆變器模塊(TPIM)32優選地包括其他電氣組件，其包括電容器、電阻器和實現與電噪聲消除、負載平衡等相關的功能的其他組件。

功率逆變器模塊(TPIM)32具有與最大裝置溫度相關的最大額定電流。在電流級別和大于最大裝置溫度的相關溫度下操作功率逆變器模塊(TPIM)32，可損害其功能或縮短其使用壽命。引裝置溫度升高的一個源包括開關損耗，所述開關損耗涉及電功率，當功率晶體管從打開狀態或阻塞狀態過渡到關閉或導通狀態時，所述電功率轉換為熱能，反之亦然。

限制逆變器溫度的已知控制方法包括允許降低電流至低于額定值，即降低逆變器的額定值，并且降低開關頻率。降低逆變器的額定值導致馬達扭矩的減少，這是不合需要的，因為它降低了車輛性能并經常被操作員消極地察覺到。降低開關頻率可降低開關損耗，以便限制逆變器溫度。然而，開關可能導致在某些頻率更為明顯的可聽噪聲，因此其校準常常由NVH(噪聲-振動-聲振粗糙度)需求推動。此外，開關頻率與數字控制器采樣時間相關聯，所述數字控制器采樣時間強加基于電動機30的旋轉速度的較低開關頻率限制。

PWM逆變器(例如，TPIM32)可以若干不同逆變器開關控制模式(包括例如空間向量PWM(SV-PWM)模式和不連續PWM(D-PWM)模式)中的一個模式控制。如本文所使用，逆變器開關控制模式是用于描述多種技術、方法和程序中的任何一個的術語，所述技術、方法和程序用于控制被布置為TPIM32中的半橋的開關對的開關的狀態以控制電動機30的操作來產生并且調節其扭矩和速度輸出。逆變器開關控制模式被優選地實施為控制器12中的控制算法，并且包括SV-PWM模式、D-PWM模式和其它合適模式。SV-PWM模式包括在非零狀態與零狀態之間迅速切換，其中TPIM 32通過規定PWM占空比來規定每個開關的每個狀態中消耗哪部分時間。PWM占空比以規則的間隔更新以使得更新頻率顯著高于轉子旋轉的頻率。D-PWM模式是以基本電輸出頻率將(三相系統中的)六個逆變器開關中的每一個保持在接通狀態持續每個電循環的一部分為特征。因此，相引線中的兩個在正常操作期間的任何給定時間將被接通，或一個相位在高輸出電壓的時間期間將被關斷。D-PWM模式可以包括六步模式(在其輸出電壓限制處)，其中TPIM 32在電動機30的轉子的每個循環中循環通過六個非零開關狀態以在電動機30的定子的每個繞組中產生交流電壓和電流。與操作逆變器(例如，SV-PWM模式和D-PWM模式中的TPIM 32)相關的其它細節是已知的。

術語控制器、控制模塊、模塊、控制裝置、控制單元、處理器和類似術語是指以下項的任何一個或不同組合：專用集成電路(ASIC)、電子電路、中央處理單元(例如微處理器)以及以存儲器和存儲裝置(只讀、可編程只讀、隨機存取、硬盤等)的形式的相關聯非暫時性存儲器組件。非暫時性存儲器組件能夠存儲以一個或多個軟件或固件程序或例程、組合邏輯電路、輸入/輸出電路和裝置、信號調節和緩沖電路以及其它組件的形式的機器可讀指令，所述其它組件可由一個或多個處理器存取以提供所述功能性。輸入/輸出電路和裝置包括模擬/數字轉換器和監測來自傳感器的輸入的相關裝置，其中這些輸入是以預設采樣頻率或響應于觸發事件而監測。軟件、固件、程序、指令、控制例程、代碼、算法和類似術語意指包括校準和查找表的任何控制器可執行指令。每個控制器執行控制例程以提供期望功能，包括監測來自感測裝置和其它聯網控制器的輸入并且執行控制和診斷例程以控制致動器的操作。例程可以在正進行操作期間以規則的間隔定期執行。可替代地，例程可以響應于觸發事件的發生而執行。通信包括以任何合適形式交換數據信號，包括例如經由傳導介質交換電信號、經由空氣交換電磁信號、經由光學波導交換光學信號等。數字信號可以包括代表來自傳感器的輸入的信號、代表致動器命令的信號以及控制器之間的通信信號。如本文所使用，術語“動態”和“動態地”描述實時執行并且以監測或以其它方式確定參數狀態且在例程執行期間或在例程的執行迭代之間規則地或定期地更新參數狀態為特征的步驟或過程。術語“模型”是指基于處理器的或處理器可執行代碼以及模擬裝置或物理過程的物理存在的相關校準。

圖2示意地示出用于控制參考圖1描述的高壓電源系統40的實施例的馬達控制選擇例程(例程)200。例程200包括基于電動機30的扭矩輸出和循環至逆變器32的冷卻劑溫度來選擇用于控制逆變器32的優選逆變器開關控制模式。對應于例程200，表格1被提供作為其中數字標記的方框和對應功能如下所述的圖例。

表格1

例程200在動力系系統的操作期間定期地執行以基于電動機20的旋轉速度和扭矩以及逆變器冷卻回路70中的溫度(可以由逆變器溫度傳感器74指示)來確定優選逆變器開關控制模式。最初，例程200識別當前逆變器開關控制模式并且還確定電動機20的旋轉速度和扭矩以及逆變器冷卻回路70中進入逆變器32的冷卻劑的溫度(210)。電動機20的旋轉速度和扭矩可以通過任何合適方法(諸如監測旋轉軸速度和至電動機20的電流)來確定。可替代地，例程200可以監測或以其它方式確定直接涉及并且指示逆變器冷卻劑回路70中的溫度的任何合適溫度。

當電動機20的旋轉速度小于已校定閾值速度時(212)(0)，以基于電動機20的扭矩和速度確定的操作來選擇SV-PWM模式或D-PWM模式(228)。已校定閾值速度被確定以將電動機20從低速加速時產生的可聽噪聲最小化。

當電動機20的旋轉速度大于已校定閾值速度時(212)(1)，例程200確定電動機20是否以電力產生模式操作(214)，且如果是(214)(0)，則可以基于電動機20的扭矩和速度確定的操作來選擇SV-PWM模式或D-PWM模式(228)。在一個實施例中，可以任選地在確定優選逆變器開關控制模式之前在這些條件下確定電動機20是以電力產生模式還是扭矩產生模式操作。

當電動機20的旋轉速度大于已校定閾值速度(212)(1)且電動機20是以扭矩產生模式操作時(214)(1)，確定關于離開逆變器32的冷卻劑溫度的變量Z(216)。變量Z是基于進入逆變器32的冷卻劑溫度或與逆變器冷卻回路70相關的另一溫度的參數值，并且參考圖3進行描述。

圖3以圖表示出了選擇與冷卻劑溫度310和馬達扭矩320相關的優選逆變器開關控制模式的變量Z的校定。冷卻劑溫度310指示逆變器冷卻回路70的溫度，并且可以由冷卻劑溫度傳感器(例如，參考圖1描述的傳感器74)指示或其可以其它方式指示。變量Z由第一線305指示，所述第一線305將優選的逆變器開關控制模式分開并且將由冷卻劑溫度310和馬達扭矩320限定的整個區域分成通過由滯后線303指示的滯后區域304分成的第一區域302和第二區域306。第一區域302指示冷卻劑溫度310和馬達扭矩320的值，所述冷卻劑溫度310和馬達扭矩320與SV-PWM模式或D-PWM模式的操作相關聯。第二區域306指示冷卻劑溫度310和馬達扭矩320的值，所述冷卻劑溫度310和馬達扭矩320與D-PWM模式的操作相關聯。如圖所示，第一線305和滯后線303具有負斜率。滯后區域304被引入以防止SV-PWM模式與D-PWM模式之間產生抖動。與第一分離線305相關聯的溫度和扭矩水平的幅度取決于系統的具體熱性質并且因此是應用所特有的。與第一分離線305相關聯的溫度和扭矩水平的幅度被設置成防止TPIM32中的溫度超過最大裝置溫度以防止損害功能或縮短使用壽命。因此，例程200可使用由第一分離線304或滯后線303指示的變量Z以基于冷卻劑溫度確定用于以SV-PWM模式操作的最大容許扭矩。因而，當電動機20以不斷增加的扭矩水平操作時，例程200命令在較低冷卻劑溫度下以D-PWM模式操作。

參考圖2，將馬達扭矩命令與變量Z比較，該變量Z基于冷卻劑溫度(218)來選擇。比較的馬達扭矩命令可以基于來自控制器的當前扭矩命令、實現的實際馬達扭矩、與命令電流相關聯的扭矩或與監測的電流相關聯的扭矩。當馬達扭矩命令小于變量Z扭矩時(218)(0)，將馬達扭矩命令與由如滯后線指示的滯后扭矩值降低的變量Z扭矩比較(220)。當馬達扭矩命令大于由滯后扭矩值降低的變量Z時(220)(0)，當前逆變器開關控制模式繼續為優選的逆變器開關控制模式(222)。當馬達扭矩命令小于由滯后扭矩值降低的變量Z時(220)(1)，SV-PWM模式或D-PWM模式變為優選的逆變器開關控制模式(226)。當馬達扭矩命令大于變量Z扭矩時(218)(1)，D-PWM模式變成優選的逆變器開關控制模式(224)。當選擇優選的逆變器開關控制模式用于實施方式時，例程的該迭代結束(230)。

這里描述的概念允許在馬達操作條件下的D-PWM的使用，這可能導致逆變器溫度超過限值，同時允許在其它嚴重條件下例如SV-PWM的其它PWM方法的使用。從NVH的角度來看，只有當用于高溫的條件都存在時允許D-PWM，而不是在所有時間允許。該方法保留在這樣條件下的全電流和扭矩的能力，不像額定值下降的一個或另一個的算法。這為操作員提供了在寬范圍的溫度、扭矩和速度條件內一致性能。此外，例程200可以用于搶先高逆變器的溫度條件。這與基于逆變器的溫度傳感器數據而選擇PWM方法的控制例程比較，它可能無法迅速作出反應，以足以防止由于在開關溫度和感測溫度之間固有的時間延遲導致的開關過熱的控制程序。

根據本公開的實施例可以體現為設備、方法或計算機程序產品。因此，本公開可采取完全硬件實施例、完全軟件實施例(包括固件、駐留軟件、微代碼等)的形式，或通常在本文中稱作“模塊”或“系統”的軟件和硬件方面組合的實施例。此外，本公開可以采取在具有在介質中體現的計算機可用程序代碼的任何有形介質中體現的計算機程序產品的形式。在流程圖中的流程圖和框圖示出根據本公開的系統，方法和計算機程序產品的可能實施方式的架構、功能和操作。在這方面，流程圖或框圖中的每個框可以表示模塊、段或代碼部分，其包括用于實現指定的邏輯功能的一個或多個可執行指令。還應當指出的是，框圖和/或流程圖示圖中的每一個，以及框圖和/或流程圖示圖中框的組合可以由執行指定功能或動作的基于專用硬件的系統或特殊用途的硬件和計算機指令或其組合來實現。這些計算機程序指令還可以存儲在可以引導計算機或其它可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀介質，使得存儲在計算機可讀介質中的指令產生制造包括指令部件的制品，其實現在流程圖和/或框圖的框或多個框中指定的功能/動作。

詳細說明和附圖或數字支持和描述了本教導，但本教導的范圍由權利要求書限定。雖然已經詳細描述了用于執行本教導的一些最佳模式和其它實施例，但是用于實施在所附的權利要求所限定的本教導的各種替代設計和實施例可存在。