本发明涉及带有制动回路的机动车系统和功率变换器组件。一种机动车系统包括：电动马达；联接到所述电动马达的直流(DC)电源；功率变换器，所述功率变换器包括联接在所述电动马达和所述DC电源之间的至少一个变换开关、和联接在所述电动马达和所述DC电源之间的制动回路，制动回路包括制动电阻器和制动开关；和控制器，控制器与电动马达、DC电源、所述至少一个变换开关和所述制动开关可操作通信。控制器设置成：在电动马达被机械致动时操作所述至少一个变换开关，使得电流从所述电动马达流向所述DC电源；且在机动车系统的制动参数超过预定阈值时选择性地操作所述制动开关。
功率变换器，所述功率变换器包括联接在所述电动马达和所述直流电源之间的至少一个变换开关和联接在所述电动马达和所述直流电源之间的制动回路，所述制动回路包括制动电阻器和制动开关；和控制器，所述控制器与所述电动马达、所述直流电源、所述至少一个变换开关和所述制动开关可操作通信，其中所述控制器设置成：在电动马达被机械致动时操作所述至少一个变换开关，使得电流从所述电动马达流向所述直流电源；且在机动车系统的制动参数超过预定阈值时选择性地操作所述制动开关，使得来自于电动马达的电流中的至少一些流经所述制动电阻器。
2.根据权利要求1所述的机动车系统，其中，所述电动马达包括定子和转子，电动马达的机械致动包括转子相对于定子的旋转。
3.根据权利要求2所述的机动车系统，其中，当电流从电动马达流出时，在机械致动期间扭矩施加到转子上，所述扭矩反抗所述转子相对于所述定子的旋转。
4.根据权利要求3所述的机动车系统，还包括联接到电动马达的车轮，其中，机械致动是由车轮旋转引起。
5.根据权利要求1所述的机动车系统，其中，直流电源包括第一和第二端子，制动回路包括联接到直流电源的第一端子的第一节点和联接到直流电源的第二端子的第二节点。
6.根据权利要求5所述的机动车系统，其中，制动电阻器和制动开关在制动回路的第一节点和第二节点之间串联连接。
7.根据权利要求6所述的机动车系统，其中，制动参数是跨过直流电源的第一和第二端子的电压。
8.根据权利要求1所述的机动车系统，其中，所述至少一个变换开关包括多对晶体管。
9.根据权利要求1所述的机动车系统，还包括与控制器可操作通信的使用者输入装置和联接到使用者输入装置的压力传感器，其中，制动参数是压力传感器测量的压力。
10.根据权利要求1所述的机动车系统，还包括与控制器可操作通信的加速计，其中，制动参数是加速计测量的减速度。
功率变换器，所述功率变换器包括联接在所述电动马达和所述直流电源之间的多对变换开关、和联接在所述电动马达和所述直流电源之间的制动回路，所述制动回路包括制动电阻器和制动开关；和控制器，所述控制器与所述电动马达、所述直流电源、所述对变换开关和所述制动开关可操作通信，其中，所述控制器设置成：在转子相对于定子机械旋转时操作所述对变换开关，使得扭矩施加到转子上且电流从所述电动马达流向所述直流电源，其中，所述扭矩反抗所述转子相对于所述定子的旋转；且在机动车驱动系统的制动参数超过预定阈值时选择性地操作所述制动开关，使得来自于电动马达的电流中的至少一些流经所述制动电阻器。
12.根据权利要求11所述的机动车驱动系统，其中，直流电源包括第一和第二端子，制动回路包括联接到直流电源的第一端子的第一节点和联接到直流电源的第二端子的第二节点。
13.根据权利要求12所述的机动车驱动系统，其中，制动电阻器和制动开关在制动回路的第一节点和第二节点之间串联连接。
14.根据权利要求13所述的机动车驱动系统，其中，制动参数是跨过直流电源的第一和第二端子的电压。
15.根据权利要求14所述的机动车驱动系统，还包括冷却机构，所述冷却机构联接到功率变换器且设置成将冷却流体分配到所述多对变换开关上，冷却流体从制动电阻器散热，从而增加可以由制动电阻器消耗的电流量，且进一步增加可以施加到车轮上的负扭矩，同时保持跨过直流电源的第一和第二端子的电压在期望水平。
16.一种用于控制机动车功率变换器的方法，所述机动车功率变换器包括联接在电动马达和直流电源之间的至少一个变换开关和制动回路，所述制动回路包括制动电阻器和制动开关，所述方法包括：在电动马达被机械致动时操作所述至少一个变换开关使得电流从所述电动马达流向所述直流电源；
在制动参数超过预定阈值时选择性地操作所述制动开关，使得来自于电动马达的电流中的至少一些流经所述制动电阻器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述电动马达包括定子和转子，电动马达的机械致动包括转子相对于定子的旋转。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，当电流从电动马达流出时，在机械致动期间扭矩施加到转子上，所述扭矩反抗所述转子相对于所述定子的旋转。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括选择性地操作所述多个变换开关，使得第二扭矩施加到转子上，其中，所述第二扭矩不反抗所述转子相对于所述定子的旋转。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，制动参数是跨过直流电源的第一和第二端子的电压。
带有制动回路的机动车系统和功率变换器组件
技术领域
[0001] 本发明总体上涉及功率变换器，且更具体地涉及带有制动回路的机动车系统和功率变换器。背景技术
[0002] 近年来，技术的进步和风格的不断尝试导致在机动车设计方面发生了根本性的变化。其中一种变化涉及机动车中的电力系统的复杂性，尤其是替代燃料车辆，例如混合车辆、电动车辆和燃料电池车辆。这种替代燃料车辆通常使用一个或更多电动马达，或许与其他致动器结合，以驱动车轮。
[0003] 由于替代燃料机动车通常只包括直流(DC)电源(例如蓄电池)，所以提供直流-交流(DC/AC)变换器(或功率变换器)以用于将DC功率转换为马达通常所需的交流(AC)功率。这种车辆，尤其是燃料电池车辆，还经常使用两个独立的电压源，例如蓄电池和燃料电池，以向驱动车轮的电动马达提供动力。因此，通常还提供功率变换器例如直流-直流(DC/DC)变换器以管理和传输来自所述两个电压源的功率。
[0004] 功率变换器(DC/AC变换器和DC/DC变换器)也可以使用，从而允许电动马达用作制动和给DC电源再次充电。然而，在急剧制动事件期间，跨过电源产生的电压和引起的流入电源的电流可能升高至能够损坏电源和缩短电源的使用寿命的水平。此外，功率变换器的物理特性可能限制能够从马达流出的电流的量，从而限制可能施加的制动力的量。因而，机械摩擦制动器也通常包括在这种车辆内。
[0005] 因而，期望提供具有关于上述制动特性的改进性能的功率变换器。另外，通过下面结合附图的描述以及前面的技术领域和背景，本发明的其他理想的特征和特性将变得显而易见。发明内容
[0006] 提供一种机动车系统。所述机动车系统包括：电动马达；联接到所述电动马达的直流(DC)电源；功率变换器，所述功率变换器包括联接在所述电动马达和所述DC电源之间的至少一个变换开关和联接在所述电动马达和所述DC电源之间的制动回路，所述制动回路包括制动电阻器和制动开关；和控制器，所述控制器与所述电动马达、所述DC电源、所述至少一个变换开关以及所述制动开关可操作通信。所述控制器设置成：在电动马达被机械致动时操作所述至少一个变换开关，使得电流从所述电动马达流向所述DC电源；且在机动车系统的制动参数超过预定阈值时选择性地操作所述制动开关，使得来自于电动马达的电流中的至少一些流经所述制动电阻器。
[0007] 提供一种机动车驱动系统。所述机动车驱动系统包括：电动马达，所述电动马达包括定子和转子；联接到所述电动马达的DC电源；功率变换器，所述功率变换器包括联接在所述电动马达和所述DC电源之间的多对变换开关和联接在所述电动马达和所述DC电源之间的制动回路，所述制动回路包括制动电阻器和制动开关；和控制器，所述控制器与所述电动马达、所述DC电源、所述对变换开关和所述制动开关可操作通信。所述控制器设置成：在转子相对于定子机械旋转时操作所述对变换开关，使得扭矩施加到转子上且电流从所述电动马达流向所述DC电源，其中，所述扭矩反抗所述转子相对于所述定子的旋转；且在机动车驱动系统的制动参数超过预定阈值时选择性地操作所述制动开关，使得来自于电动马达的电流中的至少一些流经所述制动电阻器。
[0008] 提供一种用于控制机动车功率变换器的方法。所述机动车功率变换器包括联接在电动马达和DC电源之间的至少一个变换开关和制动回路。所述制动回路包括制动电阻器和制动开关。在电动马达被机械致动时操作所述至少一个变换开关，使得电流从所述电动马达流向所述DC电源。接收表示制动参数的信号。在制动参数超过预定阈值时选择性地操作所述制动开关，使得来自于电动马达的电流中的至少一些流经所述制动电阻器。附图说明
[0009] 本发明将在下文中结合以下附图加以描述，其中同样的附图标记表示相同的元件，并且：
[0010] 图1是根据本发明的一个实施例的示例性机动车的示意图；
[0011] 图2是图1的机动车中的电压源变换器系统的框图；
[0012] 图3是图1的机动车内的变换器的示意图；和
[0013] 图4是根据本发明的一个实施例的变换器组件的剖面侧视图。具体实施方式[0014] 以下详细的描述仅是说明性质，其并不意在对本发明或对本发明的应用及使用构成任何限制。此外，本发明并不受明确指出或隐含在上述“技术领域”、“背景技术”、“发明内容”或以下“具体实施方式”部分中的任何理论的限制。
[0015] 以下描述涉及“连接”或“联接”在一起的元件或特征。在这里，“连接”意指一个元件/特征与另一元件/特征机械地接合(或直接连通)，并且不一定是直接的。同样地，“联接”意指一个元件/特征与另一元件/特征直接或间接地接合(或直接或间接连通)，并且不一定必须通过机械方式。然而，应当理解的是，以下可能描述两个元件，在一个实施例中为“连接”，而在替代的实施例中相似的元件为“联接”，反之亦然。因此，尽管这里示出的示意图示出了元件设置的示例，但在实际的实施例中也可出现附加的中间的元件、装置、特征或部件。
[0016] 此外，此处描述的各种部件和特征可以涉及使用特殊的数字描述词，例如第一，第二，第三等，以及位置和角度描述词，例如水平的和垂直的。然而，这些描述词仅用于与附图有关的描述性目的，不应当认为是限定，因为各种构件可以在其他实施例中重新布置。应当理解，图1-图4仅仅是示例性的，并且不是按照比例绘制的。
[0017] 图1-图4示出了一种机动车系统。所述机动车系统包括：电动马达；联接到所述电动马达的直流(DC)电源(例如，蓄电池)；功率变换器(例如，逆变器)；和控制器。所述功率变换器包括联接在所述电动马达和所述DC电源之间的至少一个变换开关和联接在所述电动马达和所述DC电源之间的制动回路。所述制动回路包括制动电阻器和制动开关。所述控制器与所述电动马达、所述DC电源、所述至少一个变换开关和所述制动开关可操作通信。所述控制器设置成：在电动马达被机械致动时操作所述至少一个变换开关，使得电流从所述电动马达流向所述DC电源；且在机动车系统的制动参数(例如，蓄电池的包装电压)超过预定阈值时选择性地操作所述制动开关，使得来自于电动马达的电流中的至少一些流经所述制动电阻器。
[0018] 图1示出了根据本发明的一个实施例的车辆(或“机动车”)10。机动车10包括底盘12、车身14、四个车轮16以及电控系统18。车身14布置在底盘12上并大致包围机动车10的其他部件。车身14及底盘12可共同形成车架。车轮16在车身14的相应的角部附近分别可转动地联接至底盘12。
[0019] 机动车10可以是多种不同类型机动车中的任一种，例如，轿车、旅行车、货车、或运动型多用途车(SUV)，并可以是两轮驱动(2WD)(即，后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)、或全轮驱动(AWD)。机动车10也可以具备多种不同类型的发动机(例如，汽油或柴油燃料燃烧发动机、“灵活燃料车辆”(FFV)发动机(即，使用汽油与酒精的混合物)、气态混合物(例如，氢与天然气)燃料发动机、燃烧/电动马达混合动力发动机(例如，在混合电动车辆(HEV)中)、以及电动马达)中任一种或其组合。
[0020] 在图1所描绘的示例性实施例中，机动车10是HEV，并且还包括致动器组件20、蓄电池(或高压直流(DC)电源)22、功率变换器组件(例如逆变器或逆变器组件)24、和散热器26。致动器组件20包括内燃机28和电动马达/发电机(或马达)30。本领域的技术人员将意识到，电动马达30中包括变速器，并且尽管未描绘但也包括定子组件(包括导电线圈)、转子组件(包括铁磁芯)和冷却流体(即冷却剂)。电动马达30中的定子组件和/或转子组件可包括多个电磁极(例如16个磁极)，这通常是可以理解的。
[0021] 仍参见图1，所述内燃机28和/或电动马达30被集成在一起，从而一方或双方通过一个或多个传动轴32机械地联接到车轮16中的至少一些。在一个实施例中，机动车10是“串联HEV”，其中内燃机28不直接联接到变速器，而是联接到发电机(未示出)，发电机用于对电动马达30供给动力。在另一实施例中，机动车10是“并联HEV”，其中，内燃机28通过例如使电动马达30的转子旋转地联接到内燃机28的传动轴而直接联接到变速器。
[0022] 散热器26被连接到车架的外部部分并且尽管未详细描绘出，但所述散热器26中包括含有冷却流体(即，冷却剂)例如水和/或乙二醇(即，防冻剂)的多个冷却通道，并且被联接到发动机28和逆变器24。虽然以下讨论将功率变换器组件24指代为直流-交流(DC/AC)逆变器(即，DC-AC逆变器)，但是应当理解的是，在其它实施例中，本发明的各个方面可以与直流-直流(DC/DC)变换器结合使用，这是本领域技术人员理解的。
[0023] 仍参考图1，在所示实施例中，机动车10也包括使用者输入系统34和加速计阵列36，两者都连接到车架且与电控系统18可操作通信。使用者输入系统34包括各种使用者输入装置，例如方向盘38和制动踏板40等。在一个实施例中，压力传感器42联接到制动踏板40且设置成检测踩下制动踏板40的力，产生表示所述力的信号，并将所述信号发送给电控系统18。虽然未详细示出，但是加速计阵列36包括一个或更多加速计(例如，微电机系统(MEMS)装置)，设置成检测机动车10的沿各个轴线(例如，偏航轴、横向轴和纵向轴)的加速度(和减速度)，并产生这些加速度的代表性信号。
[0024] 参见图2，根据本发明的一个示例性实施例示出了电压源逆变器系统(或电驱动系统)44。所述电压源逆变器系统44包括控制器46，控制器46与脉宽调制(PWM)调制器48(或者脉宽调制器)和逆变器24(在其输出端处)可操作通信。PWM调制器48联接到门驱动器50，门驱动器50继而具有联接到逆变器24的输入端的输入端。逆变器24具有联接到马达30的第二输出端。控制器46、PWM调制器48和门驱动器50可以与图1所示的电控系统18整体形成。
[0025] 图3更详细地示意性地描绘了图1和图2的逆变器24。逆变器24包括联接到马达30的三相电路。更具体地，逆变器24包括开关网络，该开关网络具有联接到电压源Vdc(例如，蓄电池22)的第一输入端和联接到马达30的输出端。尽管示出了单个电压源，但也可以使用具有两个串联源的分布式DC链路。
[0026] 所述开关网络包括带有反向并联二极管51(即，与每个开关反向并联)且与马达30的(例如，三个)相中的每个相对应的三对(a，b和c)的串联开关(即，变换开关)。每对串联开关包括：第一开关或晶体管(即“高”开关)52、54和56，具有联接到电压源22的正极(或第一端子)58的第一端子；和第二开关(即“低”开关)60、62和64，具有联接到电压源22的负极(或第二端子)66的第二端子以及联接到相应的第一开关52，54和56的第二端子的第一端子。如通常理解的那样，开关52、54、56、60、62和64中的每个可以是独立半导体开关的形式，例如在半导体(例如，硅)基底(例如，模)上形成的集成电路内的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
[0027] 仍参考图3，根据本发明的一个方面，逆变器24还包括制动回路68。制动回路68包括跨过电压源22的第一和第二端子58和66(即，跨过DC链路)并联联接的第一支路70和第二支路72。第一支路70包括串联连接的制动电阻器(或者阻抗构件)74和制动开关76。如下文详细描述的那样，在一个实施例中，制动电阻器74是液体冷却的电阻器。制动开关76可以是类似于可用作逆变器24的开关网络中的开关52、54、56、60、62和64的IGBT，但不包括二极管。制动回路68的第二支路72包括电解电容器78。
[0028] 图4还示出了根据本发明的一个实施例的逆变器组件24。参考图4，除了其它部件之外，逆变器24还包括壳体(未示出)、连接到壳体和/或在壳体内的底盘80、模块堆82和喷雾器84。壳体可以由模制塑料材料制成且包围模块室，模块室包围模块堆82和喷雾器84。底盘80可以由金属(例如铝)制成，且虽然未示出，但可以形成围绕逆变器24的各个其它部件的框架，例如电容器组件，该电容器组件包括一组或多组间隔开的导电板且卷绕成线圈以形成电容器或者多个电容器，如通常理解的那样。
[0029] 模块堆82连接到底盘80且包括直接覆铜或者双覆铜(DBC)基底86和电子部件或微电子模88。DBC基底86包括陶瓷芯90和在陶瓷芯90的相对侧上(即，上侧和下侧)形成的两个铜层92。微电子模88包括半导体基底(例如，硅基底)94，半导体基底94上形成有包括逆变器24内的开关中的一个或更多个的集成电路(图3)。微电子模88用焊料96安装到DBC基底86的陶瓷芯90的上侧上的铜层92。
[0030] 喷雾器84(即，冷却机构)连接到壳体且定位在模块堆82上方，更具体地定位在微电子模88上方。喷雾器84包括喷嘴98，喷嘴98被朝微电子模88指向且通过一系列流体管道与图1中所示的散热器26流体连通。虽然未具体示出，但是在一个实施例中，制动电阻器74(图3)设置在一个流体管道内。
[0031] 参考图1、图2和图3，在操作期间，机动车10通过用内燃机28和电动马达30以交替方式和/或用内燃机28和电动马达30同时地(即，“马达驱动模式”)对车轮16提供动力(即，正扭矩)来操作。为了对电动马达30提供动力，从蓄电池22(和在燃料电池机动车的情况下是燃料电池)对逆变器24提供DC功率，逆变器24将DC功率变换成AC功率，然后将功率送至电动马达30。如本领域技术人员将理解的那样，DC功率至AC功率的变换基本上是通过以“切换频率”(Fsw)(例如12千赫兹(kHz))操作(即，重复地切换)逆变器24中的变换开关52、54、56、60、62和64实现的。通常，控制器46产生脉宽调制(PWM)信号，以控制逆变器24的切换动作。在优选实施例中，控制器46产生不连续的PWM(DPWM)信号，所述信号具有与逆变器24的每个切换循环相关的单个零向量(single zerovector)。
接下来，逆变器24将PWM信号变换为调制后的电压波形，以操作马达30，这使得马达30被磁致动(或“驱动”)，如通常理解的那样。
[0032] 如本领域技术人员将理解的那样，除了提供动力给车轮16之外，在马达30被车轮16(即，机动车10的运动)机械地致动时，马达30可以用于提供“负”扭矩(即，与正扭矩方向相反的扭矩)给车轮16，可用于制动(即，使得机动车10减速)和给蓄电池22充电。
使用者可以通过手动地施加压力给制动踏板40来致动逆变器24和/或马达30的操作的“制动模式”(或再生模式)，从而发送合适的信号给电控系统18。
[0033] 以一定程度上与用于提供正扭矩给车轮16类似的方式，控制器46通过确定期望马达电流和计算将产生期望电流的跨过马达30的绕组的电压，来使得负扭矩施加到车轮16。如通常理解的那样，在马达驱动操作模式期间，马达电压和电流相对于同步参考坐标(即，沿d轴和q轴)大致对齐。然而，在制动操作模式期间，马达电压和电流大致相反(即，相差180度)。由于逆变器24内的变换开关和二极管各允许电流仅以一个方向通过，因而，在马达驱动操作期间大多数电流流经变换开关，而在制动操作期间大多数电流流经二极管。因而，在制动操作期间，电压跨过DC链路产生，这使得电流流入蓄电池22，而负扭矩施加到车轮16，从而使得机动车10减速。
[0034] 在制动操作模式期间，电控系统18监测一个或更多制动参数，例如DC链路电压、施加到制动踏板40的压力和/或由加速计阵列36检测到的加速度或减速度。如果制动参数中的一个或更多(或组合)超过预定阈值，则可以假定机动车经历剧烈的制动事件，例如机动车10快速减速或者使用者试图使得车辆快速减速。在这种事件期间，DC链路电压可能显著增加且使得大量电流流入蓄电池22。
[0035] 响应于检测到制动参数超过阈值，电控系统使用例如PWM控制来致动制动开关76。当制动开关被致动(即，闭合)时，来自于马达30的电流流入制动回路68的第一支路
70且由制动电阻器74消耗。因而，DC链路电压减小，这保护蓄电池22不会被过度充电且允许附加电流从马达30流出，使得施加到车轮16的负扭矩可以增加，这允许机动车10更快地减速，且可以允许机动车不包括用于车轮16的常规摩擦制动器。
[0036] 参考图4，在操作期间，介电冷却流体可以分配到微电子模88上，以从微电子模散热。所述液体然后可以通过流体管道循环到散热器(图1)。此外，由于制动电阻器74在一个实施例中设置在一个流体管道中，冷却流体也从制动电阻器74散热，从而增加可以由制动电阻器74消耗的电流量，且进一步增加可以施加到车轮16上的负扭矩，同时保持DC链路电压在期望水平。
[0037] 虽然已经在上述详细描述中说明了至少一个示意性实施例，但应当理解存在大量的变型。还应当理解的是，示意性实施例仅仅是示例，并不意在以任何方式对本发明的范围、应用或构造构成限制。相反，上述详细描述将向本领域的技术人员提供实施所述实施例的便捷路径。应当理解，可对元件的功能及设置进行各种改变而不脱离所附权利要求及其合法等价物界定的本发明的范围。
