CN103036448A - 有源开关频率调制 - Google Patents

Abstract

公开了一种控制配置在车辆上的变频功率变换器的方法，以及具有这种变频功率变换器的机器。该方法可以包括提供功率控制器，变频功率变换器和配置在车辆上的电能存储库。该方法可进一步包括通过功率控制器接收所需的参考值，以及基于所需的参考值调整变频功率变换器的开关频率从第一开关频率到第二开关频率。

Description

有源开关频率调制

技术领域

本公开一般涉及高效电功率变换器，并且更具体地涉及减少由在混合动力的土方，建筑，材料处理，采矿车辆和其类似中使用的这些变换器产生的电流和功率纹波（ripple）。

背景技术

机器的驱动***通常包括连接到车轮或其他用来推进机器的牵引装置的电机。驱动***进一步包括驱动发电机的原动机（prime mover），例如发动机。发电机产生用于驱动电机的电功率。由发动机产生的机械功率通过发电机转换为电功率。然后在提供给电机和/或机器辅助设备之前可处理和/或调节电功率。电机将电功率转换回机械功率以驱动牵引装置并推进车辆。

典型的机器也可以包括制动和其他用于延迟或减速机器的机构。当机器减速时，可以经由牵引设备转换机器的动力给电机。电机可以用作发电机以转换机器的动能到电能，该电能可提供到驱动***或在机器上的能量存储设备。

某些机器，例如混合动力机器，配置为在操作的延迟模式期间存储用于稍后使用的由发动机提供的电能或电机提供的电能。这种能量可以通过功率变换器调节并且存储在例如电池和其类似的电能存储库（repository）中。存储的能量可用于功率辅助设备和或驱动机器上的电机以最小化发动机的使用并减少燃料消耗。

公开于2010年12月23日的美国申请公开号2010/0321958（“Brinlee等人”）是涉及开关频率控制的现有技术的例子。Brinlee等公开了一种功率变换器，其包括功率开关，用于控制开关频率的控制器和具有不均匀间隙的磁性设备。在Brinlee等中，***峰值实际电流（system peak actualcurrent）用于提供电感值的反馈。然后为了最小化***中的电容，基于反馈调整开关频率。尽管本设计可以增加功率的转换效率，但是它需要使用***峰值实际电流来提供所需的反馈。

发明内容

根据本公开的一个方面，公开了一种控制配置在车辆上的变频功率变换器的方法。该方法可包括提供功率控制器，变频功率变换器和配置在车辆上的电能存储库。功率控制器可耦合到变频功率变换器和电能存储库。该方法可进一步包括通过功率控制器接收所需的功率参考值，并基于所需的功率参考值调整变频功率变换器的开关频率从第一开关频率到第二开关频率。

根据本公开的另一个方面，公开了一种控制配置在混合动力车辆上的变频功率变换器的方法。该方法可以包括提供功率控制器，变频功率变换器和配置在混合动力车辆上的电能存储库。功率控制器可以耦合到变频功率变换器和电能存储库。该方法可进一步包括通过功率控制器获得所需的电流参考值，并基于所需的电流参考值调整变频功率变换器的开关频率从第一开关频率到第二开关频率。

根据本公开的进一步的方面，公开了一种电驱动机器。该机器可以包括发动机，操作地耦合到发动机的发电机，操作地耦合到一个或多个牵引装置的电机，电能存储库，耦合到电能存储库的闭环变频功率变换器，和耦合到变频功率变换器的功率控制器。变频功率变换器可以包括在第一和第二位置之间可移动的开关。功率控制器可以配置为调整（scale）变频功率变换器的开关频率作为所需的参考值的函数。

附图说明

图1是根据该公开的教导应用于电驱动机器的驱动***的一个示例性实施例的一般示意图；

图2是说明根据本公开的控制功率变换器的方法的示例性步骤的流程图；

图3是说明根据本公开的控制功率变换器的方法的示例性步骤的流程图；

图4A-C说明根据本公开在开关频率和功率负载之间的示例性关系和在功率和电流纹波上的影响；和

图5A-C说明根据本公开在开关频率和电流之间的示例性关系和在功率和电流纹波上的影响。

具体实施方式

现在将在细节上参考其示例在附图中示出的特定的实施例或特征。通常，附图中将使用相应的参考数字指示相同或相应的部分。

图1示意性地说明示例性的电驱动机器100。这样的机器可以是但不限于，挖掘机，轮式装载机，越野卡车，或在建筑，采矿，农业或其他工业应用中使用的车辆。电驱动机器100可以包括机械功率源102，例如发动机，发电机104耦合到发动机102，一个或多个牵引电机106，一个或多个最终驱动牵引装置108，主控制器109，电能存储库110，变频功率变换器112和功率控制器114。牵引装置108推进并促进机器100的移动并且可以是但不限于诸如在挖掘机和履带式机器，车轮和类似的上找到的底盘（undercarriage）。机器100可以进一步包括额外的功率变换器，例如图1中示出的第一功率变换器116和第二功率变换器118。

可以通过机器100的嵌入式或集成的主控制器109管理机器100的全面控制。控制器可以采用一个或多个处理器，微处理器，微控制器，电子控制模块（ECM），电子控制单元（ECU），或任意其他合适的用于电子地控制机器100的功能的部件的形式。

主控制器109可以配置为根据预定的算法或用于基于机器100的多种操作条件来控制机器100的指令集来操作。可将这样的算法或指令集读入主控制100的板载存储器，或预编程到存储介质或由控制器109可访问的存储器上，例如，以软盘，硬盘，光学介质，随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），或任意其他在现有技术中普遍使用的合适的计算机可读存储介质的形式。主控制器109可以与发动机102，发电机106，第一和第二变换器116，118，变频功率变换器112，电能存储库110和类似的进行电通信。主控制器109同样可以耦合到机器100的多个其他组件，***或子***（未图示）。通过这种连接方式，控制器109可以从传感器等接收关于机器100的当前操作参数的数据。响应这样的输入，主控制109可以执行多种决定并且发送对应于这种决定结果或对应于需要执行的行为的输出信号。

在一个实施例中，电能存储库110可以是电池。而在另一个实施例中，电能存储库110可以是一个或多个超级电容（super capacitor）。变频功率变换器112可以调节由电能存储库110提供的功率给机器100。变频功率变换器112同样可以调节从发动机102提供到电能存储库110的功率用于存储。此外，变频功率变换器112可以调节从机器100提供的再生功率（例如从制动产生的功率）到电能存储库110。

在操作的推进模式期间，或者当加速机器100时，功率可以从发动机102传送到牵引装置108以导致机器100的移动。特别地，发动机102可以产生输出转矩到发电机104，该发电机可以依次转换机械转矩为电功率。可以交流（AC）功率的形式产生电功率。然后可以由第一变换器116转换交流功率到直流（DC），并且在提供到电机106之前，由第二功率变换器118再次从直流功率转换到适当量的交流功率。然后如本领域技术人员所公知的，使用得到的交流功率来驱动一个或多个电机106和牵引装置108。

在操作的动态中断模式期间，或者当正延迟机器100的运动时，可以由牵引装置108的机械移动产生功率。特别地，移动中的机器100的动能可以在牵引装置108处转换为转动功率（rotational power）。这样的牵引装置108的转动功率可以进一步转动电机106从而产生电功率，例如，以交流功率的形式。这样产生的再生交流功率可以通过第二变换器118转换为直流功率并且引导到发电机104以至少部分地驱动发动机102和/或可以引导到变频功率变换器112用于在存储在电能存储库110之前调整。

在一个实施例中，变频功率变换器112可以包括闭环开关稳压器，该稳压器可以调节任意电压，电流和/或功率或其组合。如在本领域公知的，稳压器可以包括在第一和第二位置之间可移动的开关元件。变频功率变换器112可以利用脉宽调制（PWM）处理以控制占空比的开关频率，如本领域技术人员公知的，在闭环开关稳压器中的开关元件可以在该频率打开和关闭。

在一个实施例中，功率控制器114可以耦合到变频功率变换器112。功率控制器114可以从主控制器109中分离，耦合到主控制器109（如图1所示）或主控制109的部分。功率控制器可以采用一个或多个处理器，微处理器，电子控制模块（ECM），电子控制单元（ECU），或任意其他合适的用于电子地控制变换器112的功能的部件的形式。功率控制器114可以配置为根据预定的算法或用于控制变频功率变换器112的指令集操作。这样的算法或指令集可以读入功率控制器114的板载存储器，或预编程到存储介质或由功率控制器114可访问的存储器上，例如，以软盘，硬盘，光学介质，随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），或任意其他在现有技术中普遍使用的合适的计算机可读存储介质的形式。

在一个实施例中，功率控制器114可以配置为基于功率参考调整变频变换器112的开关元件的开关频率从一个频率到另一个频率。功率参考可以是从电能存储库110由机器100所需的放电功率量或者是由机器100所需的充电到电能存储库110的功率量。从电能存储库110中可以发生放电，例如，当机器100需要电能存储库110以提供推进力到机器100，或提供功率到机器100的辅助附件和其类似的时候。

由于所需的功率参考（到或从电能存储库110的所需的功率）减少，功率控制器114可增加变频变换器112的开关元件的开关频率。例如，如果当前的功率参考（当前提供到电能存储库110/从电能存储库110提供的功率量）大于所需的功率参考，那么功率控制器114可以增加变频变换器112的开关元件的开关频率从第一开关频率（对应于当前的功率参考值）到第二开关频率（对应于期望的功率参考值）。否则，如果当前的功率参考小于所需的功率参考，功率控制器114可减少变频变换器112的开关元件的开关频率从第一开关频率（对应于当前的功率参考值）到第二开关频率（对应于所需的功率参考值）。

在一个示例性实施例中，机器100可需要对电能存储库110充电。主控制器109，或其他控制器，当该电能存储库100基本上完全充电（初始量）时，可以从数据库120或由控制器可访问的存储器中找到表示从电能存储库110可用的功率量的值。主控制器109同样可以接收表示在其当前充电水平（当前量）的电能存储器110中留下的剩余功率的测量的数据。这样的数据可以，但不是必须，源于耦合到电能存储库110的传感器。在本实施例中，功率参考可以是当基本上完全充电（初始量）时从电能存储库110可用的功率量与从在其当前充电水平（当前量）的电能存储库110中可用的剩余功率之间的差。在其他实施例中，例如，当电能存储库110提供功率以推进机器100时，功率参考可以是由机器100从电能存储库100所需的功率。

在一些实施例中，功率控制器114仅当所需的功率参考落入预定范围时，才可以调整在变频变换器112中的开关元件的开关频率。在一个实施例中，因为所需的功率参考减少到小于变频功率变换器112的额定功率的大约百分之八十的范围内，所以功率控制器114增加变频变换器112的开关元件的开关频率。在一个替代实施例中，变频变换器112的开关元件的开关频率的这种调整仅在低功率条件期间发生。低功率条件的一个例子是当所需的到/来自电能存储库110的功率/能量的量在小于变频功率变换器112的额定功率的大约百分之十内的时候。

第二开关频率，可以通过使用由功率控制器114执行的函数或算法的功率控制器114确定，或者可以由功率控制器114从存储在数据库120上的查找表找到。然后功率控制器114可以调整当前的变频功率变换器112的开关元件的开关频率到在此提及的作为第一开关频率的第二频率。

在另一个实施例中，功率控制器114可以配置为基于所需的电流参考调整变频变换器112的开关元件的开关频率从一个频率到另一个频率。可由功率控制器114，主控制器109或其他控制器计算所需的参考电流。这种所需的电流参考可以表示对应于或相关于所需的功率参考的电流。

使用上面讨论的例子，在一个实施例中，功率控制器114可以配置为基于所需的电流参考调整变频变换器112的开关元件的开关频率从一个频率到另一个频率。由于所需的电流参考的值减少，功率控制器114可增加变频变换器112的开关元件的开关频率。例如，如果当前的电流参考（需要到/来自电能存储库110的当前的电流）大于所需的电流参考，那么功率控制器114可以增加变频变换器112的开关元件的开关频率从第一开关频率（对应于当前电流参考）到第二开关频率（对应于所需的电流参考）。否则，如果当前的电流参考小于所需的功率参考，那么功率控制器114可以减小变频变换器112的开关元件的开关频率从第一开关频率（对应于当前电流参考）到第二开关频率（对应于所需的电流参考）。

在某些实施例中，功率控制器114仅当所需的电流参考落入预定范围时才可以调整在变频变换器112中的开关元件的开关频率。在一个实施例中，由于所需的电流参考减小到小于变频功率变换器112的额定电流的大约百分之八十的范围内，因此功率控制器114增加变频变换器112的开关元件的开关频率。在一个替代实施例中，变频变换器112的开关元件的开关频率的这种调整仅可在低电流条件期间发生。低电流条件的一个例子是当到/来自电能存储库110的所需的电流量在小于变频变换器112的额定电流的大约百分之十的范围内的时候。

图2是根据示例性实施例的用于控制耦合到车辆的功率变换器的示例性方法200。该方法可以用多于或少于所示出的步骤的数量来实施并不限于所示出的顺序。

在步骤210中，功率控制器113可以接收所需的功率参考。在一个示例性实施例中，可以从主控制器109或机器上的其他控制器传送所需的功率参考值到功率控制器114。

在该方法的步骤220中，功率控制器114可以确定所需的功率参考是否在预定的范围（是否可用）中。如果所需的功率参考在预定的范围中，则该方法进行到步骤230。如果所需的功率参考在预定的范围外，则过程结束。在没有预定范围的实施例中，过程从步骤210继续到步骤230。

在步骤230中，功率控制器114比较所需的功率参考和当前的功率参考。如果所需的参考功率不同于当前的功率参考，则过程继续到步骤240，否则过程结束。

在步骤240中，功率控制器114基于所需的功率参考确定第二开关频率。第二开关频率可以从由功率控制器114的函数或算法的执行中计算或可以从存储在数据库120上的查找表中由功率控制器114找到。

在步骤250中功率控制器114调整变频功率变换器112的开关元件的开关频率从第一开关频率到第二开关频率。

在混合动力机器中，当所需的功率参考在变频功率变换器的额定功率的某个范围内时可能会出现功率（和电流）纹波。这种功率（或电流）纹波可限制可存储在或由电能存储库110提供的能量的量。通过调整在变频变换器112中的开关元件的开关频率，可减少纹波的量。更具体地，当所需的功率（或电流）参考减少时，可以通过增加变频功率变换器的开关频率来减少功率（或电流）纹波。图4A-C示出根据本公开的教导的这个概念。

在图4A中，两个示例性的图描述示出在功率参考和开关频率之间的关系。在第一个图400中，可看到功率参考402随时间减少。在第二个图410中，根据本公开的教导，在整个当功率参考402的减少时，示出功率变换器112的相关的开关频率412正增加。一起读两个图400，410，当功率参考402减少时开关频率412增加。

图4B示出描述在功率变换器112中的开关频率的任意增长之前，在图4A中示出的示例性功率参考点404处的示例性功率纹波422和电流纹波424的图420。图4C示出描述在图4A中示出的示例性的所需的功率参考点406处的示例性功率纹波432和示例性电流纹波434的图430。在图420和图430的比较看出的在功率纹波和电流纹波中的减少说明当与功率参考402减少时在功率变换器112中的开关元件的开关频率增加的时候，在功率纹波422和电流纹波424上的效果。

图3是根据示例性实施例的用于控制耦合到车辆的功率变换器的另一个示例性方法300。该方法可以用多于或少于所示步骤的数量实施并且不限于所示出的顺序。

在步骤310中，功率控制器114可以获得所需的电流参考。在一个示例性实施例中，所需的电流参考值可以从主控制器109或在机器上的另一个控制器传送到功率控制器114。在另一个实施例中，如在本领域中公知的做法，功率控制器114可基于由功率控制器114接收的所需的功率参考，计算所需的电流参考。

在方法的步骤220中，功率控制器114可以确定所需的电流参考是否在预定范围中（是否可用）。如果所需的电流参考在预定的范围内，该方法进行到步骤230。如果所需的电流参考在预定范围之外，该过程结束。在没有预定范围的实施例中，该过程继续从步骤210到步骤230。

在步骤230中，功率控制器114比较所需的电流参考与当前的电流参考。如果所需的电流参考不同于当前的电流参考，则该过程继续到步骤240，否则该过程结束。

在步骤240中，功率控制器114基于所需的电流参考确定第二开关频率。第二开关频率可以从由功率控制器114的函数或算法的执行中计算或者可以从储存在数据库120上的查找表由功率控制器114找到。

在步骤250中的功率控制器114调整变频功率变换器112的开关元件的开关频率从第一开关频率到第二开关频率。

与图4A-C相似，图5A-C示出通过调整在变频变换器112中的开关元件的开关频率，可减少纹波的量。更具体地，当所需的电流参考减少时，可以通过增加变频功率变换器112的开关频率来减少功率（或电流）纹波。

在图5A中，两个示例性图描述说明在电流参考和开关频率之间的关系。在第一个图500中，可看出电流参考502随时间减少。在第二个图510中，根据本公开的教导，当电流参考502减少时，示出功率变换器112的相关开关频率512正增加。一起读两个图500，510，当电流参考502减少时开关频率512增加。

图5B示出描述在功率变换器112的开关频率中的任意增长之前，在图5A上示出的示例性的电流参考点504处的示例性的功率纹波522和电流纹波525的图520。图5C示出描述在图5A中示出的示例性的所需的电流参考点506处的示例性的功率纹波532和示例性的电流纹波534的图530。在图520和图530之间的比较中看出的在功率纹波和电流纹波中的减少说明，当电流参考502减少时当在功率变换器112中的开关元件的开关频率增加的时候，在功率纹波522和电流纹波524上的效果。

工业适用性

在存储来自发动机或来自其他再生源的电能存储库中存储功率/能量或从电能存储库获得功率/能量的混合动力机器中，典型地存在耦合到电能存储库的功率变换器。在某些条件下，在电能存储库的充电和放电期间，可展现功率和电流纹波。如在现有技术中公知的，该纹波限制可存储在或者从电能存储库获得的能量。本公开可以找到当所需的功率或电流参考减少时，通过增加开关频率来减少纹波的适用性。

在一个实施例中功率控制器接收所需的功率参考。然后功率控制器可确定所需的参考功率是否在预定范围内。然后功率控制器可以确定所需的功率参考值是否不同于当前的功率参考值。如果是，则功率控制器基于所需的功率参考值改变在变频功率变化器中的开关元件的开关频率。当功率参考减少时，开关频率增加，反之亦然。这样的开关频率的改变减少功率纹波并且允许电能存储库更快地充/放电。

在另一个实施例中，功率控制器接收所需的电流参考。然后功率控制器可确定所需的电流参考是否在预定范围内。然后功率控制器可以确定所需的电流参考值是否不同于当前的电流参考值。如果是，则功率控制器基于所需的电流参考值改变在变频功率变化器中的开关元件的开关频率。当电流参考减少时，开关频率增加，反之亦然。这样的开关频率的改变减少电流纹波并且允许电能存储库更快地充/放电。

在此公开的特征特别适用于混合动力挖掘机，轮式装载机和其他土方，建筑，采矿或材料处理车辆。

Claims (10)

1.一种控制配置在车辆上的变频功率变换器的方法，该方法包括：

提供功率控制器，所述变频功率变换器和设置在所述车辆上的电能存储库，所述功率控制器耦合到所述变频功率变换器和所述电能存储库；

通过所述功率控制器接收所需的功率参考值；以及

基于所述所需的功率参考值调整所述变频功率变换器的开关频率从第一开关频率到第二开关频率。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述电能存储库为电池。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述电能存储库包含超级电容。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述所需的功率参考值在小于所述变频功率变换器的额定功率的大约百分之八十的范围内。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述所需的功率参考值在小于所述变频功率变换器的额定功率的大约百分之十的范围内。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括从在耦合到所述功率控制器的数据库中存储的查找表选择所述第二开关频率。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述所需的功率参考值表示在当基本上充满电时从所述电能存储库可用的功率的初始量与在当前充电水平下从所述电能存储库可用的功率的当前量之间的差。

8.一种电驱动机器，该机器包括：

发动机；

操作地耦合到所述发动机的发电机；

操作地耦合到一个或多个牵引装置的电机；

电能存储库；

耦合到所述电能存储库的闭环的变频功率变换器，所述变频功率变换器包括在第一和第二位置之间可移动的开关；和

耦合到所述变频功率变换器的功率控制器，所述功率控制器配置为调整所述变频功率变换器的所述开关频率作为所需的参考值的函数。

9.如权利要求8所述的机器，其中所述所需的参考值是所需的功率参考值。

10.如权利要求8所述的机器，其中所述所需的参考值是所需的电流参考值。

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