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技术领域

本发明涉及电动车动力传动系。

背景技术

电马达驱动器系统通常包括交流(AC)电动机/功率转换器和直流(DC)功 率源，例如存储电池。功率转换器通常包括逆变器,逆变器将来自电源的直流 电转换为交流电，以驱动电动机。逆变器包括开关，所述开关以互补的方式 开闭，以执行快速脉宽调制(PWM)开关功能，其将DC功率转换为AC功率。 该AC功率驱动AC电动机，AC电动机又驱动车轮。

发明内容

车辆包括电动机、直流电源和操作性地连接到直流电源和电动机的逆变 器。逆变器配置为将来自电源的直流电转换为交流电和将交流电传递到电动 机。逆变器特征在于工作状态和不工作状态。控制器操作性地连接到逆变器 且配置为控制逆变器进行工作或是不进行工作。控制器配置为选择性地使得 逆变器进入逆变器在工作和不工作之间变动的运行模式。

在一定的车辆条件期间，逆变器在工作和不工作之间的变动能在电动机 和逆变器中形成更低功率损耗。还提供一种相应的方法。

本发明提供一种车辆，包括:电动机；直流电源；逆变器，操作性地连接到 直流电源和电动机；所述逆变器配置为将来自电源的直流电转换为交流电，且 将交流电传递到电动机，且特征在于工作状态和不工作状态；控制器，操作性 地连接到逆变器且配置为控制逆变器进行工作或是不进行工作；其中控制器 配置为选择性地使得逆变器进入逆变器在工作和不工作之间变动的运行模 式。

所述的车辆进一步包括输入装置，其可被司机操作，以输入请求的电动 机扭矩；其中控制器操作性地连接到输入装置，以接收所述请求的电动机扭矩； 其中控制器操作性地连接到电动机，使得控制器控制电动机的扭矩输出；和其 中控制器配置为使得，响应于并非零的所述请求的电动机扭矩，控制器让逆 变器进入逆变器在工作和不工作之间变动的所述运行模式。

在所述的车辆中，控制器配置为使得，如果电动机的速度超过预定电动 机速度，则逆变器不进入所述运行模式。

在所述的车辆中，控制器配置为使得在所述运行模式期间逆变器以大于 20赫兹的频率在工作和不工作之间变动。

在所述的车辆中，控制器配置为使得在所述运行模式期间逆变器以大于 200赫兹的频率在工作和不工作之间变动。

在所述的车辆中，电动机是永磁体电动机。

在所述的车辆中，控制器配置为造成转变阶段，在该转变阶段期间，控 制器产生第一命令扭矩和第二命令扭矩，电动机对所述命令扭矩做出响应； 其中第一命令扭矩和第二命令扭矩交替出现；和其中第一命令扭矩和第二命 令扭矩相对于所述请求的扭矩发散且相对于彼此发散，直到第一命令扭矩和 第二命令扭矩中的一个为零。

在所述的车辆中，在所述运行模式期间电动机的扭矩输出为负，在所述 运行模式中逆变器在工作和不工作之间变动。

在所述的车辆中，所述运行模式期间，与在逆变器不工作时相比，在逆 变器工作时电动机的扭矩输出更低。

在所述的车辆中，逆变器包括多个开关，所述多个开关在逆变器工作时 接通且在逆变器不工作时不接通。

在所述的车辆中，所述开关响应于脉宽调制信号接通且在没有脉宽调制 信号时不接通。

本发明提供一种控制车辆的动力传动系的方法，车辆具有直流电源、电 动机和逆变器，逆变器操作性地将所述电源和电动机互连，该方法包括:从输 入装置接收非零扭矩请求；和响应于从输入装置接收非零扭矩请求使得逆变 器进入逆变器在工作和不工作之间变动的运行模式。

在所述的方法中，使得逆变器进入逆变器在工作和不工作之间变动的运 行模式包括使得逆变器以大于20赫兹的频率在工作和不工作之间变动。

在所述的方法中，使得逆变器进入逆变器在工作和不工作之间变动的运 行模式包括使得逆变器以大于200赫兹的频率在工作和不工作之间变动。

在所述的方法中，电动机是永磁体电动机。

所述的方法进一步包括，在逆变器在工作和不工作之间变动的所述运行 模式期间，使得电动机的扭矩输出为负。

所述的方法进一步包括，所述运行模式期间，与在逆变器不工作时相比， 在逆变器工作时使得电动机的扭矩输出更低。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能 容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

图1是车辆的示意性部分剖开侧视图，车辆具有带电源、逆变器和电动 机的动力传动系；

图2是显示了作为电动机扭矩函数的逆变器和电动机能量损耗的图；

图3是在逆变器在工作和不工作之间变动时车辆的速度和逆变器的状态 的图；

图4是图1的逆变器的示意性显示；

图5是控制动力传动系的方法的流程图；和

图6是作为时间的函数的扭矩请求值和扭矩命令的图。

具体实施方式

参见图1，车辆10包括车辆车身14。车辆10还包括多个车轮18，所述 车轮可旋转地将车身14支撑在地面上，地面即是车辆停歇或行进的表面。 车辆10还包括动力传动系20，动力传动系包括电动机22。电动机22操作 性地连接到至少一个车轮18，以对其传递扭矩且由此推进车辆10。电动机 22可以直接或间接地连接到车轮18，例如经由多速变速器。动力传动系20 还包括电源，例如电池26，其将电能供应到电动机22。

在所示实施例中，动力传动系20为电池动力传动系，即电池是用于为 电动机22提供功率的唯一能量源。然而，可以在权利要求的范围内采用具 有电动机的其他动力传动系构造。例如，动力传动系也可以是油电混合动力 传动系，其中发动机还与电动机22串行或并行地提供用于推进车辆的功率。

电动机22为使用交流电的永磁体电动机。电池26提供直流电。动力传 动系20包括逆变器30，所述逆变器操作性地连接到电池26，使得逆变器30 接收来自电池26的直流电且将其转换为交流电。逆变器30操作性地连接到 电动机22，以对其传递交流电。

动力传动系20还包括控制器34，所述控制器操作性地连接到逆变器30 和电动机22，从而控制器34控制逆变器30和电动机22。控制器34可以是 通常目的的数字计算机，通常包括微处理器或中央处理单元，只读存储器 (ROM)，随机访问存储器(RAM)，电可编程的只读存储器(EPROM)，高速时 钟，模拟数字(A/D)和数字模拟(D/A)和输入/输出电路和装置(I/O以及 适当的信号调节和缓冲电路。控制器可以是一组控制算法，包括常驻程序指 令和存储在ROM中的校准算法，且被执行为提供相应的控制功能。如在本 文使用的，“控制器”可以包括一个或多个控制器、微处理器、中央处理单 元、或协作以执行本文所述的操作的其他装置。

车辆10还包括输入装置38，所述输入装置可被车辆10的人类司机操作， 以输入电动机22的期望或请求的扭矩输出。在所示实施例中，输入装置38 包括可选择性地压下的脚踏板42。输入装置38还包括传感器46，所述传感 器确定踏板42的位置且将表示踏板42位置的信号传递到控制器34。通常， 踏板相对于其默认直立位置的位移越大则表示请求的扭矩越高。在踏板42 不被压下时，请求的扭矩为零。控制器34响应于踏板42的位置而通过调节 从电池26经由逆变器30传递到电动机22的能量的量来控制电动机22的扭 矩输出。

参见图4，所示实施例中的逆变器30包括联接到电动机22的三相电路。 更具体地，逆变器30包括开关网络，其具有联接到电池26的第一输入部和 联接到电动机22的输出部。开关网络包括三对(a，b和c)串联开关，所述开 关具有对应于电动机30每一个相的反并联二极管(即与每一个开关反并联)。 每一对串联开关包括第一开关或晶体管(即“高”开关)140、142和144以及 第二开关(即“低”开关)146、148和150，所述第一开关具有联接到电池26 的正电极的第一端子，所述第二开关具有联接到电池26的负电极的第二端 子和与相应第一开关140、142和144的第二端子联接的第一端子。

开关140、142、144、146、148、150根据从控制器34而来的命令信号 以受控频率开闭，以产生期望电压波形，在电动机22中形成三相AC输出 i_a、i_b、i_c。如在本文使用的，在逆变器30的开关被接通(响应于来自控制器 34的信号)时逆变器30处于“工作”状态，且在逆变器30的开关不接通(即 停用)时逆变器30处于“不工作”状态。通常，控制器34产生用于控制逆 变器30的接通动作的脉宽调制信号(PWM)。PWM信号使得逆变器30工 作，即PWM信号使得开关接通且由此将电池26的DC电流转换为被电动机 22使用的AC电流。去除PWM信号使得逆变器30不工作，即开关变成停 用。虽然所示实施例的逆变器30和电动机22特征在于三个相，但是在本发 明的范围内可以采用任何数量的相。

图2显示了作为电动机扭矩函数的逆变器30和电动机22的电功率损失 之间的关系。参见图1和2，水平轴线50代表电动机22的扭矩输出。垂直 轴线54代表功率损耗(例如以瓦特为单位)。线58代表在逆变器“工作”时 作为电动机22的扭矩输出函数的逆变器30和电动机22的组合功率损耗。 损耗随电动机22的速度变化；线58代表一个电动机速度下的损耗。在其他电 动机速度下，具体值将不同，但是线58的形状基本上相似。

如果逆变器30不工作且请求扭矩为零，则电动机22的扭矩输出将由于 永磁体而略微变负。更具体地，由于通过永磁体产生的的变化磁场，电动机 22的旋转转子将感应出电流。在所示实施例中，且在线58所代表的电动机 速度下，在存在零请求扭矩时，电动机22的扭矩输出为-0.5Nm(在图2的点 62)。如果车辆10滑行减速，即如果车辆10的司机通过经由输入装置38来 输入零扭矩请求而让车辆缓慢降低速度时，则可接受的是让电动机22的扭 矩输出更低，例如-1.0Nm。在图2所示例子中的-1.0Nm下，逆变器30工作 时的功率损耗显示在点66。

图3显示了由于通过控制器34执行的控制动力传动系20的方法导致的 逆变器的状态和车辆10的速度情况。参见图1和3，水平轴线82代表时间， 且垂直轴线86代表车辆10的速度。逆变器30的状态(即无论逆变器30工 作还是不工作)通过线90代表。在逆变器不工作时，线90在水平轴线82上； 在逆变器30工作时，线90升高到水平轴线82以上。由此，在时刻为零和 时刻为t₁之间的线90的部分92代表逆变器不工作；在时刻t₁和t₂之间的线 90的部分94代表逆变器工作。

控制器34配置为选择性地使得逆变器30进入一运行模式，在该运行模 式中逆变器30在工作和不工作之间来回变动。更具体地，控制器34配置为 响应于从输入装置38接收的非零扭矩请求而使得逆变器30进入所述运行模 式，在该运行模式下逆变器30在工作和不工作之间来回变动。该运行模式 显示在图3中，其中线90显示了逆变器30在工作和不工作之间来回交替或 变动。在所示实施例中，控制器34通过将PWM信号传递到逆变器30而使 得逆变器30工作，且通过不将PWM信号传递到逆变器30而使得逆变器不 工作。

更具体地，在时刻为零和时刻t₁之间线的90的部分92代表逆变器不工 作；在时刻t₁和t₂之间的线90的部分94代表逆变器工作；在时刻t₂和t₃之间 的线90的部分96代表逆变器不工作；在时刻t₃和t₄之间的线90的部分98 代表逆变器工作；在时刻t₄之后的线90的部分99代表逆变器不工作。由此， 在该运行模式期间，逆变器30在工作和不工作之间来回变动。

在该运行模式期间，电动机22的输出扭矩为负，且在逆变器30工作时 电动机22的输出扭矩比在逆变器30不工作时的更低。在图2和3所示的情 况下，在逆变器30不工作时电动机22的输出扭矩为-0.5Nm，且在逆变器 30工作时电动机22的输出扭矩为-1.5Nm。

在逆变器30工作时和逆变器30不工作时之间电动机22的扭矩输出差 反映于车辆10的速度。线100代表作为时间函数的车辆10的速度。在逆变 器不工作时，线100的部分102在在零时刻和时间t₁之间；在逆变器工作时， 线100的部分104在时刻t₁和t₂之间；在逆变器关时，线100的部分106在时 刻t₂和t₃之间；在逆变器工作时，线100的部分108在时刻t₃和t₄之间；在逆 变器不工作时，线100的部分110在时刻t₄之后。

与部分104和108(在逆变器工作且电动机22的输出扭矩较低(例如 -1.5Nm)时)相比，部分102、106和110(在逆变器不工作且电动机22的输出 扭矩较高(例如-0.5Nm)时)显示了较低的车辆减速速率。即与在逆变器不工作 时的时间段中相比，在逆变器工作时的时间段中车辆10的减速速率更高。 然而，因为电动机22在-0.5Nm到-1.5Nm之间交替变换，电动机22的平均 扭矩输出为-1.0Nm。如果电动机22的输出扭矩为-1.0Nm则线114代表车辆 10的速度。由此，在逆变器30在工作和不工作之间变动的运行模式期间， 车辆10的速度减小的量与在逆变器30保持工作且具有-1.0Nm的输出扭矩 时的相同。

再次参见图2，点66代表在逆变器30工作且扭矩输出为-1.0Nm时的逆 变器30和电动机22的功率损耗。点70代表在逆变器30工作且扭矩输出为 -1.5Nm时逆变器30和电动机22的功率损耗。点74代表在逆变器30于工 作和不工作状态之间变动的运行模式期间的平均功率损耗。

由此，点66代表通过线114所示的状态造成的功率损耗，在该状态下 逆变器30工作且电动机22产生-1.0Nm的扭矩，而点74代表通过线100所 示的状态造成的功率损耗，在该状态下逆变器30在工作和不工作之间来回 变动且电动机输出在-1.5Nm到-0.5Nm之间变动。线100非常接近线114， 但是造成点66和74之间的垂直距离120所示的更小功率损耗。

因而通过让逆变器30在其工作和不工作状态之间变动，可在车辆滑行 减速状态期间以更小的功率损耗获得相同的车辆性能。为了使得减速变化不 可察觉，希望的是让控制器34使得逆变器30在工作和不工作之间以大于20 赫兹的频率变动，且更优选的以大于200赫兹的频率变动。

应注意，由于损耗曲线58的形状，通过在一定的扭矩绝对值以上让逆 变器在工作和不工作之间交替变动(即在启用和停用开关之间交替变动)不会 获得益处。进而，应注意的是，在电动机速度相对高时，由于高反电动势 (EMF)，会需要通量弱化；在这些升高的电动机速度下，需要逆变器控制且不 能应用工作/不工作策略。还应注意的是，-0.5和-1.5的输出扭矩值是例子， 且可以在权利要求的范围内使用任何值。

因而，在所示实施例中，控制器34配置为确定输入装置38是否表示非 零的请求扭矩(例如踏板42是否具有相对于其默认直立位置的零位移)。如果 控制器34确定存在相对于输入装置38的零请求扭矩，则控制器34配置为 随后确定电动机22的速度是否超过预定速度，在该预定速度下让逆变器的 工作和不工作变动是无效的(ineffective)。如果控制器34确定电动机22的 速度未超过预定速度，则控制器34使得逆变器进入逆变器在工作和不工作 之间变动的运行模式。如果控制器34确定电动机22的速度超过预定速度， 则控制器34不使得逆变器30进入所述运行模式，而是保持逆变器30处于 “工作”状态(即逆变器30中的开关被接通)。

参见图5，示意性地示出了被控制器34使用的替换方法。方法以正常的 动力传动系操作在步骤200开始。在步骤204，控制器34监测来自输入装置 30的扭矩请求值(“T_Request”)。在一个实施例中，被控制器34监测的扭矩请 求数据经滤波，且被限制。在步骤208，控制器34确定扭矩请求是否足够接 近零，以实施扭矩切换(即使逆变器工作和不工作)。

更具体地，在所示实施例中，控制器通过询问扭矩请求值T_Request是否在 第一阈值和第二阈值之间来执行步骤208，其中第一和第二阈值限定在期望 扭矩切换(torque switching)时的外极限。如果对步骤208的询问的回答为 否，则控制器34返回到步骤204。如果对步骤208的询问的回答为是，即请 求的扭矩值在第一和第二阈值之间，则控制器34前进步骤212。

步骤212、216和220包括从正常操作转变为扭矩切换。在步骤212，控 制器34产生电动机扭矩命令，电动机22对该电动机扭矩命令做出响应。扭 矩命令可以被指定为T1和T2，其中在百分之50的时间中电动机产生扭矩 T1而在另百分之50的时间中电动机产生扭矩T2，T1和T2随时间交替变化。 在步骤212，T1＝T_Request-X，且T2＝T_Request+X，其中X的初始值是T_Request的 相对小的分数，例如0.1Nm。在步骤216，控制器询问在扭矩命令对中的其 中一个(T1或T2)是否达到零以表明转变完成。如果对步骤216的询问的回 答为是，则控制器前进到步骤224。如果对步骤216的询问的回答为否，即 如果T1或T2都没有达到零，则控制器前进到步骤220。

在步骤220，控制器将X值增加Y的量。在一个实施例中，Y等于0.1Nm。 由此，如果X的初始值为0.1，则在步骤220，X的值变为0.2Nm。在步骤 220之后，控制器34以新的X值重复步骤212。

图6是是显示了作为时间函数的扭矩请求值和扭矩命令的关系的图。在 图6中，水平轴线300表示时间，且垂直轴线304表示扭矩。扭矩请求通过 线308表示，且扭矩命令通过线312表示。在零时刻和时刻t₁之间，控制器 34执行步骤200和204，即动力传动系处于正常的操作且控制器34监测来 自输入装置38的扭矩请求值。在时刻t₁，控制器34在步骤208确定第一和 第二阈值之间的扭矩请求且开始转变阶段(transition phase)。

在t₁的转变阶段之前，扭矩命令312基本上与扭矩请求308相同。然而， 一旦在步骤212开始转变阶段，则扭矩命令相对于扭矩请求发散，且扭矩命 令在T1和T2之间交替变化。随时间增加，(在步骤220被重复时)X的值增 加，且由此T1和T2的值分别减少和增加，如线312所示。更具体地，T1 和T2发散。

再次参见图5，在控制器34于步骤216确定了T1和T2中的一个已经 达到零时，控制器34执行步骤224。在步骤224，控制器34使得电动机22 以扭矩切换模式运行，其中T1为，且T2为T_Request*2(即T_Request乘以2)。步 骤224期间的扭矩命令在图6中显示为在时刻t₂之后。控制器34随后在步 骤228询问“T_Request仍然在第一和第二阈值之间”这一事件是否仍然为真。 如果在步骤228的回答为是，则控制器34返回步骤224。如果在步骤228 的回答为否，则控制器34前进到步骤232，在该步骤控制器34开始从扭矩 切换转变为正常的操作。

更具体地，在步骤232，控制器34调整T1和T2的值，从而它们随时 间收敛到T_Request，其方式类似于步骤212、216和220中转变期间使得T1和 T2发散的方式。在步骤236，控制器34询问T1和T2是否已经收敛到同一 值。如果在步骤236的回答为是，则控制器34返回步骤200。如果在步骤 236回答为否，则控制器34继续调整T1和T2的值。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术 人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计 和实施例。