电动车辆驱动系统停用期间电容器的放电.pdf

一种用于电动车辆的驱动系统，包含由接触器可选择地耦接至直流电源(例如蓄电池)的输入电容器。可变电压转换器将输入电容器耦接至主链路电容器，以及逆变器将主电容器耦接至机械载荷(例如，马达和/或发电机)。在正常或紧急关闭期间，接触器是打开的。为了在接触器打开时快速地给输入电容器放电，A)以升压模式操作转换器以便将来自输入电容器的电荷转移至主电容器，直到输入电容器放电至低于阀值电压，B)停用转换器以防止电荷从主电容器转移至输入电容器，以及C)通过逆变器对主电容器进行放电。

权利要求书1.  一种用于电动车辆的驱动系统，包含：输入电容器；具有用于选择性地将输入电容器耦接至直流电源的打开状态和闭合状态的接触器；主电容器；将输入电容器耦接至主电容器的可变电压转换器，该转换器包含多个适用于升压转换的转换器开关；用于将主电容器耦接至机械载荷的逆变器，逆变器包含多个桥接配置的逆变器开关装置；控制器，其与转换器和逆变器耦合，以便在接触器从闭合状态到打开状态时对输入电容器和主电容器进行放电，这通过以下步骤实现：A)以升压模式操作转换器以便将来自输入电容器的电荷转移至主电容器，直到输入电容器放电至低于阀值电压，B)停用转换器开关以防止电荷从主电容器转移至输入电容器，以及C)通过逆变器开关对主电容器进行放电。2.  根据权利要求1所述的驱动系统，其中可变电压转换器以在输入电容器放电期间斜降的占空比来进行操作。3.  根据权利要求1所述的驱动系统，其中在输入电容器放电期间以主动总线电压调节模式控制逆变器，以防止主电容器两端的电压过冲。4.  根据权利要求1所述的驱动系统，其中可变电压转换器包含从输入电容器耦接至转换器开关装置之间的连接点的电感器，以及其中转换器开关装置在主电容器两端串联耦合。5.  根据权利要求1所述的驱动系统，其中机械载荷由牵引马达组成。6.  根据权利要求1所述的驱动系统，其中机械载荷由发电机组成。

说明书电动车辆驱动系统停用期间电容器的放电
背景技术
本发明总体涉及用于电动车辆的驱动系统，以及更具体地，涉及在电驱动系统关闭时电容器的快速放电。
例如混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)这样的电动车辆使用逆变器驱动的电机来提供牵引扭矩和再生制动扭矩。这种逆变器典型地采用储能电容器(或主电容器)作为直流链路(DC link)，该直流链路通常通过可变电压转换器(VVC)、输入电容器以及一对机械接触器(共同形成驱动系统)与高电压(HV)蓄电池相接合。
驱动系统的关闭可以由例如车辆点火开关关断、高电压DC联锁故障、或者车辆碰撞造成。在关闭期间，HV蓄电池通过打开机械接触器迅速与其他电气系统隔绝。然而，在输入电容器和主电容器上仍然存在HV电荷。出于安全的需求，那些HV电荷应当在特定的时间内被迅速释放。
一种传统的放电方法操作如下。一旦确认了接触器的打开状态，便禁用VVC的上下开关(例如，IGBT(绝缘栅双极晶体管))。逆变器将主电容器电压转换成机械载荷(可以是马达或发电机的)，以便通过推送可校准的弱磁电流(flux-weakening current)进入马达和/或发电机来耗散主电容器上的电荷。弱磁电流包含负直轴(D-axis)电流分量和零交轴(Q-axis)电流分量，优选控制该零交轴(Q-axis)电流分量以产生机器中的零扭矩。
由于电流通过逆变器到达机器，储存于主电容器的能量被转化为机器绕组和IGBT开关中的损耗。因此，主电容器上的电压开始下降。一旦主电容器上的电压下降至低于输入电容器的电压，VVC中上桥臂(upper-leg)IGBT的反向阻断二级管(reverse-blocking diode)便开始导电，迫使两个电容器上的电压大致相同。弱磁电流开始对主电容器和输入电容器同时进行 放电。一旦主电容器电压和输入电容器电压下降至低于电压阀值，主电容器电压可以通过主动总线电压调节被保持在该水平，这在当马达或发电机旋转时产生关闭的情况下是可取的，以容许旋转的可控斜降。然后一旦马达和发电机速度降低至低于速度阀值，逆变器继续操作以便使放电电流斜降至零，于是关闭逆变器IGBT并完成放电。
虽然传统方法在许多情况下足以发挥作用，但其具有一定的局限性。理想地，如果马达/发电机逆变器推送弱磁电流进入马达和发电机，则主电容器上的电压应当下降。然而，由于机器的位置信号中的可能误差，负交轴电流可能被注入机器从而产生再生扭矩。在这种情况下，主电容器上的电压可能会上升而不是下降。这种效果更有可能在马达或发电机速度高时发生。因此，针对位置传感器不精确而言，传统放电策略的稳健性可能会不太理想。
在传统的方法中，当电压达到预定水平时输入电容器的放电就停止。这个水平的值通常会足够低以确保对人的安全，但是同样必须被选择为足够高以保持永磁机在特定速度范围下稳定的电流控制(由于上文所述的位置传感器误差，这是有必要的)。如果马达和发电机的速度高于这个速度范围，则在DC(直流)总线电压的安全水平下可能不会得到稳定的电流控制。因此，传统放电策略完全发挥功能的操作状态是有限的。
另外，期望减少电容器放电所需的时间。典型地，主电容器具有比输入电容器更大的电容量，并通常在更高的电压下操作。首先对主电容器进行放电至输入电容器的电压水平，并且然后进一步对两个电容器一起放电，这大大限制了输入电容器的放电速度，即使输入电容器电压的降低对于人的安全考虑来说可能更为重要。
发明内容
为了解决上述这些问题，本发明采用一种能够于驱动系统的任何操作条件下在极短的一段时间内耗散输入电容器上的能量并且隔离主电容器的放电策略。
在本发明的一方面，一种用于电动车辆的驱动系统，包含输入电容器、具有用于选择性地将输入电容器耦接至直流电源的打开状态和闭合状态的接触器、以及主电容器。可变电压转换器将输入电容器耦接至主电容器，并且包含多个适合升压转换的转换器开关。逆变器将主电容器耦接至机械载荷，并且包含多个桥接配置的逆变器开关装置。控制器与转换器和逆变器耦合，以便在接触器从闭合状态到打开状态时对输入电容器和主电容器进行放电，这通过以下步骤实现：A)以升压模式操作转换器以便将来自输入电容器的电荷转移至主电容器，直到输入电容器放电至低于阀值电压，B)停用转换器开关以防止电荷从主电容器转移至输入电容器，以及C)通过逆变器开关对主电容器进行放电。
根据本发明，提供一种用于电动车辆的驱动系统，包含：
输入电容器；
具有用于选择性地将输入电容器耦接至直流电源的打开状态和闭合状态的接触器；
主电容器；
将输入电容器耦接至主电容器的可变电压转换器，该转换器包含多个适用于升压转换的转换器开关；
用于将主电容器耦接至机械载荷的逆变器，逆变器包含多个桥接配置的逆变器开关装置；
控制器，其与转换器和逆变器耦合，以便在接触器从闭合状态到打开状态时对输入电容器和主电容器进行放电，这通过以下步骤实现：A)以升压模式操作转换器以便将来自输入电容器的电荷转移至主电容器，直到输入电容器放电至低于阀值电压，B)停用转换器开关以防止电荷从主电容器转移至输入电容器，以及C)通过逆变器开关对主电容器进行放电。
根据本发明的一个实施例，其中可变电压转换器以在输入电容器放电期间斜降的占空比来进行操作。
根据本发明的一个实施例，其中在输入电容器放电期间以主动总线电 压调节模式(active bus-voltage regulation mode)控制逆变器，以防止主电容器两端的电压过冲。
根据本发明的一个实施例，其中可变电压转换器包含从输入电容器耦接至转换器开关装置之间连接点的电感器，以及其中转换器开关装置在主电容器两端串联耦合。
根据本发明的一个实施例，其中机械载荷由牵引马达组成。
根据本发明的一个实施例，其中机械载荷由发电机组成。
根据本发明，提供一种关闭电动车辆驱动系统的方法，包括步骤：
打开驱动系统直流电源和输入电容器之间的接触器；
以升压模式操作驱动系统的输入电容器和主电容器之间的可变电压转换器，以便将电荷从输入电容器转移至主电容器；
当输入电容器放电至低于阀值电压时，停用转换器；
激活在主电容器和机械载荷之间耦合的逆变器开关，以便通过将主电容器上的电荷耗散到机械载荷来使主电容器放电至预定电压。
根据本发明的一个实施例，其中以升压模式操作可变电压转换器的步骤包含斜降占空比，输入电容器放电期间可变电压转换器在该占空比下被切换。
根据本发明的一个实施例，进一步包含步骤：
在输入电容器放电期间以主动总线电压调节模式控制逆变器开关，以防止主电容器两端的电压过冲。
根据本发明，提供一种使电动车辆驱动系统中的电容器放电的方法，包含：
响应于直流电源与输入电容器断开，以升压模式操作可变电压转换器，以将电荷从输入电容器转移至主电容器；
当输入电容器放电至低于阀值电压时，停用转换器；
操作逆变器，以便使主电容器放电至机械载荷。
根据本发明的一个实施例，其中以升压模式操作可变电压转换器的步骤包含斜降占空比，输入电容器放电期间可变电压转换器在该占空比下被切换。
根据本发明的一个实施例，进一步包含步骤：
在输入电容器放电期间以主动总线电压调节模式控制逆变器，以防止主电容器两端的电压过冲。
根据本发明的一个实施例，其中操作逆变器给主电容器放电的步骤实质上与以升压模式操作可变电压转换器的步骤同时开始。
根据本发明的一个实施例，其中操作逆变器给主电容器放电的步骤在停用转换器的步骤之后开始。
附图说明
图1是显示本发明一优选实施例的示意图；
图2是显示本发明一优选实施例的流程图；
图3是用在输入电容器放电期间的主动总线电压调节模式的框图；
图4是采用图3的调节模式的方法的流程图；
图5和图6分别显示了在采用传统放电方法的驱动系统中的电容器电压和电感电流；
图7和图8分别显示了在采用依据本发明的放电方法的驱动系统中的电容器电压和电感电流。
具体实施方式
本发明采用遵循“输入电容器第一，主电容器第二”的途径的高性能放电策略。总体来说，发明确认蓄电池接触器为打开，并且然后将VVC置于升压模式(例如，通常使用VVC IGBT开关)。由于VVC的升压操作，大部分储存于输入电容器的能量被注入主电容器。由于主链路电容器没有首先放电，所以输入电容器无关于马达/发电机的速度而很快地放电至非常 低的电压。特别地，用于输入电容器的全部放电时间可以被提高两个数量级。
现在参照图1，电动车辆驱动系统10包含通过接触器开关12和13耦合至输入电容器14的DC电源11(如蓄电池组或燃料电池)。接触器12和13最好是具有打开状态和闭合状态的机械开关，用于有选择地依据驱动系统10的驱动模式将蓄电池11耦接至输入电容器14。
可变电压转换器(VVC)15将输入电容器14耦接至主电容器16，该主电容器16起到例如转换器17和19的链路电容器的作用。每个逆变器包含多个桥接配置的开关装置。逆变器17中的开关以所需的方式驱动马达18。逆变器19被切换为再生能量从发电机移至主电容器16。
VVC 15拥有的已知配置包含上转换器开关21和下转换器开关22，在开关21和22之间有通过电感器23耦接至输入电容器14的接合点。正如在本领域中公知的那样，VVC 15可以在电容器14和16之间要么以升压模式(例如，以驱动马达18为目的将输入电容器14上的蓄电池电压转换为电容器16两端的较高电压)或要么以降压模式(例如，将来自发电机20和逆变器19的电压转换为用于为蓄电池11再充电的电压)双向地转移电荷。
VVC 15以及逆变器17和19中的每个开关装置最好包含绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。每个IGBT包含例如上转换器开关21中的二极管24这样的反向阻断二级管。每个IGBT各自拥有耦接至控制器25的控制(例如，底部)端子，该控制器25依据转换器和逆变器的多种操作模式来控制开关。在传统(“主电容器第一”)放电方法中，一旦主电容器16放电至电压低于输入电容器14上的电压，则二极管24将传导电流，从而导致输入电容器14放电不快于主电容器16。相比之下，本发明以升压转换模式操作转换器来开始放电过程，从而允许输入电容器14快速转变为比主电容器16两端的电压低的电压。特别地，控制器25配置用于以当接触器从闭合状态到打开状态时对输入电容器和主电容器进行放电的方式来操作转换器15以及逆变器17和19中的一个或二者，这通过以下步骤实现：A)以升压模式操作转换器以便将来自输入电容器的电荷转移至主电容器，直到输入电容器放 电至低于阀值电压，以及B)停用转换器开关以防止电荷从主电容器转移至输入电容器，此外，控制器25操作以C)通过逆变器开关对主电容器进行放电(要么立即，要么在输入电容器放电之后)。在任何情况下，输入电容器在少到2毫秒的时间内放电，而不是传统方法中的200毫秒。此后，逆变器可以采用任何所需的方法对主电容器进行放电。
在图2中所示的第一优选方法中，本发明在步骤30确定高电压蓄电池接触器被打开。在步骤31，转换器进入升压模式，从而开始电荷从输入电容器向主电容器的转移，并降低输入电容器两端的电压。在升压模式中，本发明最好如步骤32所示将转换器的占空比斜降至小(可校准)占空比。在该实施例中，占空比决定输入电容器与主电容器之间的电压比，并且斜降占空比的行为降低了输入电容器的电压。在步骤33中进行检查以确定输入电容器电压是否已经放电至低于阀值电压Vthres。如果没有，则返回步骤32以继续斜降占空比。一旦输入电容器电压低于阀值电压，则转换器开关在步骤34禁用。通过停用转换器，阻止了电荷从主电容器转移回输入电容器。随着输入电容器的放电，在步骤35对主电容器进行放电。尽管在图2中没有显示，必要时步骤35中主电容器的放电可以与步骤31同时开始。
当输入电容器通过转换器升压操作将电荷注入主电容器时，在转换器中出现转换损耗，并且主电容器相对较大的电容量通常将确保没有任何由于接受来自输入电容器的电荷而导致的主电容器上明显电压过冲。然而，如果主电容器电压在放电开始之前已经接近上限，当转换器升压时，可能需要进一步抑制主电容器上任何潜在的电压过冲。为了防止过冲，可以以主动总线电压调节模式操作一个或更多机械载荷(即，马达或发电机)，其中主电容器电压被主动调节至遵循指令值。
主动总线电压调节的实施方式如图3所示。将主电容器电压Vdc与指令电压(电压上限)Vdc*在加法电路(summer)40中作比较，该加法电路40向比例积分(proportional-integral(PI))调节器41提供差异信号。调节器41的输出与放大器42的输入耦合来生成交轴电流指令iq*。放大器42具有与马达或发电机的标记速度(signed speed)ωre相一致的增益。将直轴电流指令Id*设置为机器的典型的短路电流-Ich。交轴和直轴电流指令被应用于电 流调节器43，以致适当水平的电流耗散于机械载荷，以便保持主电容器电压低于极限。
图4显示了包含图3的电压调节器的方法。在步骤50，高电压蓄电池接触器的打开状态被确认(例如，由点火开关关断命令或诸如检测到碰撞这样的紧急关闭状况所引起)。可变电压转换器可以开始在升压模式下操作，以使输入电容器向主电容器放电，并且马达或发电机逆变器在步骤51进入总线电压调节模式。在步骤52进行检查以确定转换器是否在对输入电容器进行放电后已经禁用(例如，运用图2所示的方法)。如果还没有禁用，则逆变器在步骤53保持总线电压调节模式。一旦在步骤52检测到转换器禁用，则在步骤54开始(或继续)对主电容器进行放电。一旦机械载荷的旋转速度降至零并且主电容器两端的电压已经被放电，则逆变器开关在步骤55被禁用。
图5-8显示了本发明的典型效果与传统方法的典型效果进行的对比。图5显示了使用传统方法的放电，其中曲线60是主电容器电压以及曲线62是输入电容器电压。主电容器电压起始于额定值400伏。当放电开始时，主电容器开始沿轨迹61衰减。衰减过后，主电容器电压降低至与输入电容器电压初始值相等的水平。输入电容器电压保持其原始水平直至电压在点63处相等。此后，两个电容器都以相等的速率放电直至达到位于点64的安全阀值电压。放电开始后，为了使输入电容器电压下降至安全阀值需要200毫秒。图6显示了代表从输入电容器流出的电流的曲线65，该曲线65最初为零，并当输入电容器处在放电阶段期间于66处倾斜向上。
相比之下，图7显示了使用本发明所得到的结果，其中曲线70绘制了主电容器电压，以及曲线71绘制了输入电容器电压。放电一开始，输入电容器电压便开始沿线段72下降。在大约2毫秒之内，输入电容器电压下降至低于安全电压阀值。主电容器电压沿线段73放电，需要大约与传统方法相同的时间。然而，输入电容器在这段时间已经完全放电，并且主电容器上的高电压变得与外界环境隔绝。图8显示了输入电容器电流75的曲线图，该电流在升压模式期间于76处达到了高值，以达到快速地将全部电荷转移出输入电容器。
由于本发明改进的放电策略，对输入电容器进行放电可以比以前快很多。进一步地，输入电容器电压可以以任何马达或发电机的速率进行快速放电。进一步地，本发明可供选择地对主电容器电压放电使用闭合环路控制，该闭合环路控制能够可靠对抗马达或发电机位置传感器误差。