用于實施補救性電短路的系統和方法
【專利摘要】一種在旋轉電機(EM)中實施補救性短路的方法包括檢測故障狀況；和首先命令功率逆變器(PIM)進入電斷開狀態。一旦處于斷開狀態，控制器可確定由旋轉EM產生的電流的相位角，并且可控制PIM以向EM應用與產生的電流的確定的相位角異相的電壓。在時間周期上使應用的電壓信號的幅值從第一電壓斜線下降到零；之后PIM可命令將EM的所有電繞組電聯接到彼此。
【專利說明】用于實施補救性電短路的系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于實施補救性電短路的系統和方法。
【背景技術】
[0002]內置式永磁(IPM)同步電機通常在混合電動和電池電動車輛中用作電牽引電動機。IPM同步電機通過DC功率電源連同電流控制的電壓源逆變器供能，DC電源通常為可再充電電池模塊。但是，用于這樣的電機轉子中的永磁體可能使電動機控制器進行的對經檢測的電動機或驅動系統故障的響應變復雜。
[0003]例如，在較高電動機速度下，旋轉磁體可在電動機定子繞組中產生反電動勢(EMF)電壓。如果電壓逆變器中的轉換響應于檢測到的故障被臨時禁用，則反電動勢電壓可能使逆變器中的二極管導通，由此允許電流朝向電池模塊流回。該電流流動狀況通常被稱為“不可控發電運行”(UCG)狀態。UCG狀態特征可包括存在作用在電機上的相對大量的再生制動扭矩，以及回到電池模塊的大的電流傳導。
[0004]為了防止該結果，作為故障狀況補救措施，IPM式同步電機的控制器可將多相電機的每一相短路到一個或多個其他相，以使電流可從一相流到另一相，而不是流動回到電池模塊。在三相電機中，該補救措施被稱為“三相短路”。在較高的電動機速度下，制動扭矩相對低，這對于牽引驅動應用是有利的。在三相短路操作期間，電機阻抗將限制電動機電流。另外，定子電流接近用于大部分電動機速度的電機的特征電流。
【發明內容】
[0005]混合動力車輛可包括DC電總線、AC電總線、永磁同步電機(EM)和功率逆變器模塊(PM)。EM可包括布置在AC電總線上的多個電相位繞組，并且可操作以從旋轉運動產生AC電信號。PM可以以電的方式(electrically)布置在DC電總線和AC電總線之間，并且可在斷開狀態、可控切換狀態和多相短路狀態之間轉變。
[0006]控制器可與PM電通訊，并且配置為:命令PM到斷開狀態；確定產生的AC電信號的電流的相位角；和命令PIM進入可控切換狀態。一旦在可控切換狀態，則控制器可控制PIM以向EM應用與產生的電流的經確定的相位角異相的電壓，同時使應用的電壓的幅值從最大電壓斜線下降到零。一旦處于零，控制器可命令PM進入多相短路狀態。
[0007]PM可包括多個半導體開關，其每一個分別可在電斷開狀態、電閉合狀態之間轉變。PIM的斷開狀態可包括所有半導體開關電斷開。PIM的可控開關狀態可包括半導體開關可控制以將來自DC電總線的DC電信號轉變為AC電信號，并且將AC電信號應用到AC電總線；并且PIM的多相短路狀態可包括一半的半導體開關閉合，以使所有的多個電相位繞組電聯接在一起。
[0008]通常，應用的異相的電壓和產生的電流的經確定的相位角之交的相位差可等于-180度加電壓提前角。電壓提前角可以是EM的旋轉速度和/或控制器取樣周期的函數。因此，控制器可進一步配置為監測電動機的速度。如果速度值不可容易地獲得(例如來自傳感器)，則控制器可配置為通過計算產生的AC電信號的電流的經確定的相位角的導數而獲得EM的速度。
[0009]在一種配置中，控制器可配置為使所應用的電壓的幅值在EM的基礎周期的2至3倍范圍內的時間周期內從最大電壓斜線下降到零。
[0010]類似地，一種在旋轉的多相電機(EM)中實施補救短路的方法，包括檢測故障狀況；和首先命令功率逆變器模塊(PIM)進入電斷開狀態。一旦處于斷開狀態，則控制器可確定由旋轉EM產生的電流的相位角，并且可控制PM向EM應用與產生的電流的相位角異相的電壓。應用的電壓信號的幅值可在一時間周期上從第一電壓斜線下降到零；之后PM可被命令以將EM的全部電繞組電聯接到彼此。
[0011]在結合附圖時，本發明的上述特征和優點以及其他特征和優點將從下面實現本發明的最佳模式的詳細描述變得顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是具有多相電機、功率逆變器模塊和控制器的示例性車輛的示意圖，所述控制器實施本文提出的車上的多相短路狀態；
[0013]圖2是3相電機、功率逆變器模塊和電池模塊的示意性電路圖；
[0014]圖3是示出實施電機中補救性多相短路的方法的第一配置的示意性流程圖；
[0015]圖4是描繪作為用于多個電動機速度的電動機基本周期的函數的電流過沖的幅值時間曲線；
[0016]圖5是示出實施電機中補救性多相短路的方法的第二配置的示意性流程圖。
【具體實施方式】
[0017]參照附圖，示例性車輛10示意性地顯示在圖1中。車輛10包括第一和第二電動機/發電機單元12和14 (每一個在后文中被簡單地稱為“電動機”或“電機”)。電動機12和14 二者都是牽引電動機形式的多相內置式永磁(IPM)電機。電動機12，14可額定用于約60-180VAC或更大，取決于實施例。電動機12和14通過電動機控制器16控制，電動機控制器16例如為混合動力控制模塊或電動機控制模塊，其選擇地執行體現方法100的編碼，方法100的示例顯示在圖3和5中，并且在下面詳細描述。
[0018]方法100的執行使控制器16響應于檢測到的驅動系統中的電故障、過速故障和/或其他故障選擇地將三相短路(three-phase short)應用到車輛10的AC總線18。雖然為了說明的一致性后文描述了三相短路，但是本方法適用于任何多相電機，例如五相電機。存在很多可被在車輛10的驅動系統中檢測到的可能類型的故障狀況，例如轉子位置、電流和/或電壓傳感器故障，或性能故障，例如過流(overcurrent)或過速,所有這些故障可由控制器16監測。
[0019]在圖1中所示的非限制性示例中，車輛10還包括內燃發動機20和具有至少一個齒輪組24的變速器22。DC電池模塊26或另一個適當的DC電壓源，例如燃料電池，被經由DC總線28和牽引功率逆變器模塊(TPM) 30電連接到第一和第二電動機12、14。可任選的減振/輸入離合器32可被用于，例如在發動機20自動停止事件之后的重新啟動期間，選擇地將發動機20從動力驅動系斷開。
[0020]發動機20的輸出軸34連接到第一電動機12，以當發動機20運行時，第一電動機12經由發動機扭矩被供能，并且可用于產生電動機扭矩，所述電動機扭矩可轉而根據變速器操作模式被用于推進車輛10或將電池模塊26再充電。第二電動機14可被用于驅動車輛10或將電池模塊26充電，而與發動機20的狀態無關。車輛10的其他實施例可被預見為僅具有一個電動機12或14，具有或不具有發動機20，而不偏離預期發明范圍。但是，為了說明的一致性，后文將僅描述圖1的兩個電動機的結構。
[0021]圖1的示例性實施例中所示的行星齒輪組24可包括第一、第二和第三節點36、38和40。如本領域可理解的，這樣的節點可根據實施例分別或以其他順序對應于齒環、太陽齒輪和行星齒輪。旋轉離合器42可選擇地以一些模式接合，以將第一電動機12連接到第一節點36。第二電動機14可經由相互連接構件44直接地連接到第三節點40，S卩“直接地”意思是沒有介于中間的部件被設置在第二電動機14和第三節點40之間。在該特定實施例中，變速器22的輸出構件46可將變速器輸出扭矩傳遞到一組驅動輪(未示出)，以推進車輛10。
[0022]AC總線18將相應的第一和第二電動機12和14連接到TPM30。如本領域所知，TPM30包括一組半導體開關48，例如IGBT或M0SFET，其經由脈寬調制(PWM)快速地切換，以將DC電壓轉變為AC電壓，以由相應的第一和/或第二電動機12，14使用，并且將來自電動機12、14的AC電壓轉變回到在適用于存儲在電池模塊26中的水平的DC電壓。其他高電壓功率部件，例如DC-DC轉換器(未示出)可用于使經逆變的電壓降低到輔助水平，如本領域中所熟知的。
[0023]圖1中所示的控制器16與車輛10的各個部件(特別地，TPM30、第一和第二電動機12，14以及電池模塊26)例如在控制器區域網絡(CAN)總線上通訊。控制器16在執行本方法100中可響應于檢測到的故障狀況選擇地經由一組命令信號(雙頭箭頭50)的傳送實施多相短路。控制器16可使用處理器52轉變到多相短路，所述處理器52還執行任何所需的電動機控制算法，例如矢量控制。處理器52直接將門驅動信號輸出到圖1中所示的TPIM30的半導體開關48。
[0024]多相短路狀態的實施確保電流沒有被從TPM30饋送回到DC總線28，并且在在較高的電動機速度下發生這樣的故障時，低的制動扭矩被應用。阻止電流回流到DC總線28有助于阻止TPM30將DC總線28充電到可能影響靈敏性電部件(例如TPM30自身的部件和/或其他靈敏性部件，例如任何輔助功率源、二極管、繼電器和旁路電容器)的性能或結構完整性的水平。其還阻止不受控的并且可能有害的充電電流流入電池模塊26中。
[0025]雖然受控的多相短路狀態的強加具有確定的故障補救優點，但是其也可能具有許多可能的缺陷。例如，當IPM式電動機在沒有負載和零電流的情況下以相對高的速率旋轉時，例如1500RPM，立即的多相短路的應用可能造成電動機的相電流出現尖峰(spike)。從該大的尖峰，相電流的包絡線可能緩慢地，例如在十毫米內，衰退到電動機的特征電流，但是該臨時的尖峰可能對電動機將來的操作不利。實際衰退速率為電機(例如電動機12，14)的參數的函數。
[0026]仍參照圖1，控制器16可體現為一個或多個硬件裝置和相關的軟件。硬件/軟件可包括在單個物理裝置(例如主機)中，或其可分布在車輛10的全部多個控制器中。為了圖示的簡單性，控制器16顯示為一個裝置。但是，混合動力傳動系領域的普通技術人員將意識到，控制功能通常分布在全部不同的硬件/軟件模塊中，例如上層(top-level)混合動力控制器、負責電動機矢量控制和其他電動機控制功能的電動機控制器、電池控制模塊、空調控制模塊等。另外，雖然TP頂30和控制器16分立地顯示在圖1中，但是在實際的實施例中，TPIM30可以是具有DC電容器、總線排、IGBT,門驅動器(gate drive)、電流傳感器和控制卡(一個或多個)的集成單元。因此，本方法的與TPIM30的控制相關的方面可能在控制器16的總架構內的適當控制水平下進行。
[0027]圖1的控制器16包括至少處理器52和有形非臨時性存儲裝置(一個或多個)54，體現方法100的各個步驟的指令記錄其上。處理器52可物理地聯接到存儲裝置54。由處理器52進行的指令執行使控制器16以本文提出的方式實施到短路狀況的轉變。
[0028]存儲裝置54可以是任何計算機可讀取介質，包括光學和/或磁盤以及其他持久性存儲器。指令，包括命令信號(雙頭箭頭50)，其包括任何所需的門信號，可被通過傳輸線(例如同軸線纜、銅線、光纖等)傳輸到車輛10的各個部件。
[0029]圖2示意性地示出電動機(例如電動機12) >TPIM30和電池模塊26的簡化的電路圖。如圖所示，電動機12圖示為三相平衡負載，并且TPIM30由一組半導體開關48和續流二極管60表示。對于三相斷開，所有開關48被命令關斷(即電斷開)。在斷開狀態同時處于低電動機速度時，電動機12的整流的反電動勢低于DC鏈電壓并且沒有電流流動。在高于某一臨界速度，反電動勢超過應用的DC鏈電壓，并且電流通過續流二極管60流回到電池模塊26中(例如UCG模式)。在UCG模式開始時的臨界速度是DC總線電壓和磁通量的函數。
[0030]一旦系統進入UCG模式，則由3相電機產生的電壓通常與產生的電流(即180度+/-30度)異相150-210度。更具體地，產生的電壓和電流信號之間的相位差可能類似于鋸齒波，其在極值之間線性移動，每60度具有一中斷。另外，當在UCG模式中，產生的DC電壓分量接近零時(或如果電動機角速度接近無窮大)，則UCG電流接近稱為電機特性電流(其類似于多相短路狀態)的值。
[0031]轉變到短路期間的仿真UCG
[0032]為了避免突然轉變到短路過程中的大的瞬時電流出現尖峰，控制器16可在應用的電壓信號從六階梯電壓(six-step voltage)(即能夠由TPIM30提供的最大電壓)斜線下降到零時指示TPM30模擬UCG模式。通常，UCG模式可通過控制TPM30來提供與UCG電流異相180度的電壓信號而被模擬。
[0033]如圖3中示意性所示，所提出的方法100的一種配置在102處開始，此時控制器16打開所有開關48以暫時將電動機置于UCG狀態。一旦置于該狀態，控制器16可進行流動到電池模塊26的電流的幅值和相位角的初始估計(在104處)。
[0034]在步驟106處，控制器16可根據以下方程計算用于待應用的電壓信號的期望電壓相位:
[0035]ZV=Z 1-180° + Θ adv
[0036]其中Θ adv = 1.5*Tsamp*coe
[0037]并且其中Tsamp為處理器將電流信號取樣的取樣周期，并且為電動機的旋轉速度。
[0038]如上面所述，計算的電壓相位可以與監測的電流相位異相180度，加電壓提前角項eadv。電壓提前角項可補償取樣和計算處理延遲，該延遲可使信號略微滯后(lag)真實的180度偏移。換句話說，在控制器16花費來將電流取樣、計算下一個電壓相位和輸出更新的電壓信號的時間中，電流信號將已經提前(與電動機的旋轉速度成比例)。如果命令的電壓信號為整個時間步長上的PWM電壓信號的中心加權平均值，則可能包括“1.5”倍數，而電流取樣通常在時間步長的開始處被捕獲。以該方式，電壓信號的相位可關于其將被輸出的周期的中心提前。
[0039]一旦在步驟106中計算電壓相位，則控制器16可指令TPM30(經由命令信號50)輸出PWM電壓信號，該PWM電壓信號具有六階梯電壓的電壓幅值，該六階梯電壓具有上文(步驟108)計算的相位。控制器16可在將該信號的幅值從六階梯電壓斜線下降到零時持續地修正所提供的PWM電壓信號。一旦電壓的幅值接近零，則控制器16可命令TPM30開始多相短路。
[0040]最佳轉變時間確定
[0041]圖4示意性地示出針對三個電動機速度72，74和76的、作為從模擬的六階梯UCG到零伏特UCG的轉變時間78的函數的電動機電流過沖百分比70(% OS)。如圖所示，過沖百分比70通常表示關于穩態短路電流的峰值d-軸電流，而用于每一個電動機速度72，74和76的轉變時間78被關于電動機基礎周期Te (即電動機速度的函數)標準化。如圖所示，最佳轉變時間，其在本文中限定為仍具有可接受電流過沖的最快可用轉變時間，可被表達為電動機電周期的函數，電動機電周期則與電動機速度成比例。
[0042]圖4示出這一事實:如果轉變時間設置為電動機基礎電流周期的約2-3倍，則電動機電流峰值過沖可被限制為低于約10%。因此，圖1的控制器16在執行方法100中，可使用測量的電動機速度，如果該數據可得，來確定最佳轉變時間，并且可將轉變時間設置為期望數值，以獲得特定過沖值。
[0043]例如，上升周期(tj可被設置為基礎電流周期的300%，以在轉變到短路狀態期間在電流暫態上保持約10%的過沖。在低電動機速度下，基礎周期變得過長。但是，在這些狀態下，電動機動態變得更被抑制(damped)，并且因而電流過沖變得不那么令人關注。因此，轉變時間可限制為最大值，例如50ms，以避免更長的轉變，同時保持可接受的電流過沖水平。
[0044]對于失效的速度傳感器狀況的速度估計
[0045]電動機速度在一些情況下不可得。控制器16可在該情況下估計電動機速度。為此，需要至少兩個功能性相電流傳感器。對于具有斷開中線(open neutral)的Y連接電動機，第三相電流可計算為另兩個之和的負值，即i。= -1a_ib，如本領域所知。
[0046]對于正被控制的電動機，例如第二電動機14，ABC靜止坐標系的電流可由圖1的控制器16轉變為如下的等效α β靜止坐標系量:
~ I I IraI
ΓΠ1----d
a 2 2 2 ,
_7] β=3 ,V3 b
L_ 」U ---p
_ 2 2」L」
[0048]對于平衡系統，a+b+c = O,并且因此:
[0049]a = a
[0050]β =
[0051]所得電流矢量的角度的時間導數可被用于估計電動機速度。由于導數項固有地具有噪聲，因此信號可被在適當的時間周期(例如3ms)上平均。所得的估計的速度計算值提供用于所提出方法100足夠的精度。該估計方法僅當速度傳感器出現故障并且電流在受控電動機中流動時由控制器16使用。
[0052]上述方程中的α β電流為具有90度異相的正弦量。定子電流矢量Y的角度可計算如下:
丨，/?、
[0053]γ = tan (―)
a
[0054]瞬時電動機角速度可于是作為定子電流位置Y的時間導數被計算，其可被計算為在連續的切換周期上的位置的變化:.y\k\-r\k -l]
[0055]CO1.=γ= 1 L J ' L——Λ-
Tsw
[0056]其中Y [k]為最新取樣周期期間的電流矢量角度，并且Y [k-Ι]為之前取樣周期期間的電流矢量角度。由于瞬時電動機角速度的計算易受噪聲的影響，該結果可經過運動平均過濾器，以平滑該結果，并且提供在最小計算代價下的可接受的精度。
[0057]由控制器16執行的圖1中所示的方法100具有幾個可能的優點。當今使用中最高性能的磁體中的一種是稀土 NeFeB類型。幾種添加劑被用于提高該磁體的性能，這些添加劑中的一種為鏑。通過方法100減小大的瞬時負d軸電流能夠降低鏑含量而不降低磁性，由此降低電動機成本。類似的結果在較低成本的鐵氧體磁體中是可能的。
[0058]圖5大體示出用于實施多相電機中補救性短路的方法120，該方法可類似于(并且可使用來代替)圖3中提供的上述方法100。方法120開始于步驟122處，此時故障被在控制器、電動機或可能需要進行補救性措施的任何位置中檢測到。在步驟124中，控制器16可將一組命令信號50傳輸到TPM30，以指令所有半導體開關48斷開。通過進行此，控制器52可將系統置于UCG模式，其中僅電流流動可從電動機產生。
[0059]在步驟126中，控制器16可從例如與三相電機的a，b和/或c相通訊的一個或多個電流傳感器計算。這些計算值可以是由電機產生的功率的矢量表示。在步驟128中，控制器16可計算產生的電流的相位角和絕對幅值。
[0060]一旦產生的電流被完全量化和理解時，則控制器16可詢問是否在步驟130中已知有效的電動機速度測量值。如果速度測量值不可得，或被認為不可得，則控制器16可在步驟132中使用步驟128中計算的電流的相位角的經過濾的導數計算電動機速度。如果速度測量值可得并且可靠，則方法120可跳過步驟132。
[0061]方法120可然后行進到步驟134，在步驟134中，將產生的電流的絕對幅值與閾值相比較。如果電流小于閾值，則控制器16可推斷不需要多相短路，并且可繼續監測。但是，如果電流超過閾值，則控制器16可通過在步驟136中計算電壓提前角Θ adv而繼續，如上面所述。
[0062]在步驟138中，控制器16可開始PWM控制信號，并且在140中立即進入仿真UCG模式。在仿真UCG模式中，控制器16可控制TPIM30以輸出電壓信號，所述電壓信號與步驟128中計算的電流相位偏移180度角，加步驟136中計算的電壓提前角。產生的電壓信號的幅值可開始于六階梯電壓，并且可在取決于電動機速度的時間周期上轉變到零。例如，在一種配置中，轉變時間可在電動機基礎周期的兩倍和三倍范圍內。
[0063]一旦仿真的UCG電壓在步驟140中已經斜線下降到零伏特，則控制器16可命令多相短路，該多相短路電聯接電動機的每一個相應的相到每一個其他相。在步驟142中，控制器16可監測電動機的每一個相處產生的電流，并且將電流幅值與閾值相比較(步驟144)。如果產生的電流超過閾值，則TPM30可保持短路。如果產生的電流落在閾值之下，則TPM30可轉變回到完全斷開。
[0064]雖然已經詳細描述了實現本發明的最佳模式，但是本發明相關領域的技術人員將意識到用于實施所附權利要求范圍內的本發明的多種替代設計和實施例。
【權利要求】
1.一種系統，包括: DC電總線； AC電總線； 永磁同步電機(EM)，具有多個布置在AC電總線上的電相位繞組，所述EM操作為從旋轉運動產生AC電信號； 功率逆變器模塊(P頂)，以電的方式布置在DC電總線和AC電總線之間，所述PM可在斷開狀態、可控切換狀態和多相短路狀態之間轉變；和控制器，與PM通訊，控制器配置為: 命令PM進入斷開狀態； 確定產生的AC電信號的電流的相位角； 命令PM進入可控切換狀態； 控制PM向EM應用與產生的電流的經確定的相位角異相的電壓； 令應用的電壓的幅值從最大電壓斜線下降到零；和 命令PM進入多相短路狀態。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，PIM包括多個半導體開關，所述半導體開關每一個分別在電斷開狀態和電閉合狀態之間可轉變； 其中，斷開狀態包括所有半導體開關電斷開； 其中，可控切換狀態包括半導體開關可控制以將來自DC電總線的DC電信號轉變為AC電信號，并且將AC電信號應用到AC電總線；和 其中，多相短路狀態包括一半的半導體開關閉合，以使所有的所述多個電相位繞組電聯接在一起。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，所應用的異相的電壓和產生的電流的經確定的相位角之間的相位差等于-180度加上電壓提前角；和 其中，電壓提前角為EM的旋轉速度的函數。
4.根據權利要求3所述的系統，其中，電壓提前角另外為控制器的取樣周期的函數。
5.根據權利要求3所述的系統，其中，控制器配置為監測電動機的速度。
6.根據權利要求3所述的系統，其中，控制器配置為，通過計算產生的AC電信號的電流的經確定的相位角的導數，獲得EM的速度。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，控制器配置為，令所應用的電壓的幅值在EM的基礎周期的2至3倍之間的時間周期內從最大電壓斜線下降到零。
8.根據權利要求1所述的系統,其中，EM包括三個電相位繞組；并且其中，最大電壓為六階梯電壓。
9.一種在旋轉的多相電機(EM)中響應于故障狀況而實施補救性短路的方法，所述方法包括: 檢測故障狀況； 命令功率逆變器模塊(PIM)進入電斷開狀態； 確定由旋轉的EM產生的電流的相位角； 控制PM以向EM應用與產生的電流的經確定的相位角異相的電壓； 在一時間周期上使應用的電壓的幅值從第一電壓斜線下降到零； 命令PM將的多個電繞組的每一個電聯接到彼此。
10.根據權利要求9所述的方法，其中控制PM以向EM應用與產生的電流的經確定的相位角異相的電壓包括: 使用取樣頻率和EM的旋轉速度，確定電壓提前角； 計算用于應用的電壓的相位角，以使應用的電壓和產生的電流之間的相位差為180度加上經確定的電壓提前角。
【文檔編號】H02P6/08GK104242741SQ201410249871
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2013年6月7日
【發明者】S.E.舒爾茲 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司