这里所描述的主题的实施例一般涉及电力牵引系统。更具体地，该主题的实 施例涉及为电力牵引系统利用多种能源的方法和装置，其中所述能源具有不同 的工作特性。

最近几年，技术方面的进步以及式样方面进行的不断发展变化的品味已经导 致汽车设计的重大变化。其中一个变化涉及汽车内各种电气系统的动力使用和 复杂性，尤其是代用燃料车辆，例如混合动力车辆，电动车辆和燃料电池车辆。
在大多数电动车辆和混合电动车辆中，电池通常被用于提供电功率存储。电 池技术是公知的，且它的缺点也是公知的。一个实际缺点就是给定类型的电池 可能只适用于特定工作条件。例如，一些电池适于在低温下工作，而不适于在 高温下工作，而另外一些电池则适于在高温下工作，而不适于在低温下工作。 因此，一个技术挑战就是具有在非常低的温度下和相对高的温度下都能良好运 行的单个电池，所述非常低的温度和相对高的温度通常与电动车辆和混合电动 车辆的运行有关。
作为另一个例子，一些电池在大功率的快速突发(quick burst)时表现得最 好，而另外一些电池在较长时间内提供较小功率时表现得最好。在这方面，锂 离子电池在需要一段时间内的持续功率的高能应用中能够胜任，但是它们难以 在短时间内提供功率突发(bursts of power)。因此，在电动车辆或混合动力车辆 应用中，一旦车辆在巡航，锂离子电池能够充分提供功率，但是它们却很难为 诸如加速和冷启动这样的持续时间短的事件传递功率。另一方面，作为锂离子 电池的替代品，镍氢电泄(NiMH)和铅酸电池已经被研究用于混合电动车辆。尽 管这些电池能够提供足够的功率来处理峰值负载，但是以这种方式使用它们会 显著减小它们的循环寿命。因此，另一个技术挑战就是要具有展示出用于电动 车辆和混合电动车辆应用的能量和功率特性的单个电池。

以下具体描述从本质上来说仅仅是说明性的，且并不打算对该主题的实施例 或者这些实施例的应用和用途进行限制。如这里所采用的，“示例性”意味着“用 作例子，实例或例证”。这里描述为示例性的任何实施方式并不一定要解释为相 比其他实施方式是优选的或有利的。此外，不打算受前面的技术领域，背景技 术，发明内容或者下面的具体实施方式中所给出的明示或者暗示的理论的束缚。
这里按照功能和/或逻辑块部件，并且参考可以由各种计算部件或设备执行 的操作、处理任务和功能的符号表示对技术和工艺进行描述。为了简短起见， 凡涉及逆变器、交流电机控制、电动和混合电动车辆操作、以及系统的其他功 能方面(以及系统的各个操作部件)的常规技术在这不作详细描述。此外，在 这里所包含的各附图中的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或 物理耦合。应该注意在本主题的实施例中还可以存在许多可选的或者附加的功 能关系或物理连接。
以下描述涉及被“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或特征。如这里所使用 的，除非另有明确说明，“连接”指的是一个元件/节点/特征直接接合到另一个元 件/节点/特征(或者直接与其通信)，且不一定是通过机械方式。同样，除非另 有明确说明，“耦合”指的是一个元件/节点/特征直接或间接地接合到另一个元件 /节点/特征(或者直接或间接地与其通信)，且不一定是通过机械方式。因此， 尽管图1中示出的示意图描绘了元件的一种示例性布置，但是附加的中间元件、 装置、特征或部件可以存在于所描绘主题的实施例中。
参照图1-3，双端逆变器的实施例允许由两个不同的电源驱动单个电动机。 当存在具有不同工作特性，额定容量，最优工作条件范围，温度范围等的两个 电源时，这会非常有用。一个例子是具有有限温度范围的锂离子电池组，其要 求电池组以舱的形式安装(cabin mounted)在车辆中。使用具有附加的较宽温 度范围的电源的双端逆变器允许在锂离子电池组的极限之外进行工作，尤其是 在电池组已经被长时间地热浸透(thermally soaked)，且舱加热/冷却没有使电池 组的温度回到它的正常工作范围的冷启动或者热启动期间。
因此，双端逆变器可以被用来组合具有不同工作温度范围的两个电池。例如， 具有相对较高的标称工作温度范围-20℃到+80℃的锂离子电池组可以与具有相 对较低的标称工作温度范围-40℃到+95℃的铅酸电池一起使用。在低于-20℃ 的冷启动期间，铅酸电池可以操作电机，直到锂离子电池热起来。在可替换的 实施例中，双端逆变器系统可以与具有不同工作温度范围的其他能量存储装置 (例如不同类型的超级电容器)一起使用。
通过将较宽温度范围的电池与有限温度范围的电池相组合，可以扩展系统的 总工作温度范围。双端逆变器是一种以低成本组合两个电源，并且还在不产生 额外费用的前提下提供电池充电和荷电状态(SOC)管理的非常好的方式。
根据另一个示例性实施例，双端逆变器配置成允许由两个具有不同能量充/ 放特性的不同电源来驱动单个电动机。当希望利用两个不同电池，而并非采用 单个电池使性能折衷时，这将是有用的。因此，能量电池可以通过双端逆变器 拓扑与动力电池耦合。
例如，锂离子电池可以处理连续负载要求(这经常发生在车辆以相当恒定的 速度巡航时)。使用铅酸电池作为次级电源的双端逆变器可以为像加速之类的短 持续时间峰值功率事件提供功率。这将显著减少或消除对具有组合的能量和功 率特性的单个电池的需要。
该实施例具有许多优点。例如，它组合了两种类型的电池，对两个电池组都 进行管理，显著减少或消除了对具有组合的能量和功率特性的单个电池的需要， 并且允许使用现有的电池技术。
具体参考图1，描绘了示例性车辆100的示意图。车辆100优选地合并了如 下面更详细描述的双端逆变器系统的实施例。车辆100通常包括底盘102，车体 104，四个车轮106，以及电子控制系统108。车体104布置在底盘102上，并 且基本上封闭车辆100的其他部件。车体104和底盘102可以共同构成车架。 每个车轮106在靠近车体104的相应角落处，旋转地耦合到底盘102。
车辆100可以是许多不同类型汽车中的任何一种，例如小轿车，货车，卡车， 或者运动型多功能车(SUV)，并且可以是两轮驱动(2WD)(即后轮驱动或前 轮驱动)，四轮驱动(4WD)，或者全轮驱动(AWD)。车辆100也可以并入多 种不同类型的发动机和/或牵引系统的任意一种或其组合，例如汽油或者柴油内 燃机，“灵活燃料型汽车”(flex fuel vehicle)(FFV)发动机(即使用汽油和酒精 的混合物)，气体化合物(例如，氢气和天然气)燃料发动机，内燃机/电动机 混合发动机，以及电动机。
在图1所示的示例性实施例中，车辆100是全电动或者混合电动车辆，并且 车辆100还包括电动机(或者牵引电机)110，具有与其相关的第一工作特性的 第一能源112，具有与其相关的第二工作特性的第二能源114，双端逆变器系统 116，和散热器118。对于这里所描述的实施例，第一能源112和第二能源114 是不同类型、级别、种类、额定容量等的电池。确实，双端逆变器系统116被 适当地配置使得第一能源112的第一工作特性可以与第二能源114的第二工作 特性不同(且可能与第二能源114的第二工作特性不兼容)。如所示的，第一能 源112和第二能源114与电子控制系统108和双端逆变器系统116可操作通信 和/或电连接到电子控制系统108和双端逆变器系统116。还应该注意到，在所 示的实施例中，车辆100不包括直流-直流(DC/DC)功率转换器作为车辆牵引推 进系统的组成部分。
在一个实施例中，电机110是三相交流(AC)电力牵引电机。如图1所示， 电机110还可以包括变速器或者与其协作，使得电机110和变速器通过一个或 者多个驱动轴120机械耦合到至少一些车轮106。散热器118连接到车架的外部， 并且尽管没有详细示出，散热器包括含有冷却流体(即冷却剂)的多个冷却通 道，所述冷却流体例如水和/或乙二醇(即，防冻剂)。散热器118耦合到双端逆 变器系统116和电机110，用来将冷却剂传送到这些部件。在一个实施例中，双 端逆变器系统116接收冷却剂并且与电机110共享冷却剂。在其他实施例中， 双端逆变器系统116可以是气冷的。
电子控制系统108与电机110，第一能源112，第二能源114以及双端逆变 器系统116可操作通信。尽管没有详细示出，但是电子控制系统108包括各种 传感器和自动控制模块，或电子控制单元(ECU)，例如逆变器控制模块(即， 如图2和图3所示的控制器)和车辆控制器，以及至少一个处理器和/或包含存 储在其上(或另一种计算机可读介质中)的指令的存储器，该指令用于执行如 下面所描述的过程和方法。
图2是适用于电动或混合电动车辆的双端逆变器系统200的实施例的示意性 电路图。在某些实施例中，双端逆变器系统116(图1所示)可以以这种方式实 施。如图2所示，双端逆变器系统200耦合到交流电力牵引电机202，低温电池 子系统204和高温电池子系统206，并与它们协作。双端逆变器系统200通常包 括但不局限于：耦合到低温电池子系统204的第一逆变器子系统208；耦合到高 温电池子系统206的第二逆变器子系统210，以及耦合到第一逆变器子系统208 和第二逆变器子系统210的控制器212。尽管图2中没有示出，但是相应的电容 器可与低温电池子系统204和高温电池子系统206并联耦合，以在工作期间平 滑电流纹波。
双端逆变器系统200允许交流电力牵引电机202由具有完全不同的标称工作 温度范围的不同电池类型来供电。该拓扑结构使得车辆能够利用不同电池类型 的更好的性能特性，而不必因为采用单个电池必须妥协。对于这个特定的实施 例，低温电池子系统204被实现为具有相对低的标称工作温度范围的低温电池 组。换句话说，低温电池组能够在低温条件下向双端逆变器系统200提供可靠 的工作功率，该低温条件可能不利地影响高温电池子系统206的工作。
在一个实施例中，低温电池子系统204包括标称工作温度范围大约在-40℃ 到+95℃且标称直流电压大约为200-350伏(典型地，大约为300伏)的铅酸电 池组。相反，高温电池子系统206被实现为具有相对高的标称工作温度范围的 高温电池组。从而，高温电池组能够在高温条件下向双端逆变器系统200提供 可靠的工作功率，该高温条件可能不利地影响低温电池子系统204的工作。在 一个实施例中，高温电池子系统206包括标称工作温度范围大约在-20℃到 +80℃且标称直流电压大约为200-350伏(典型地，大约为300伏)的锂离子电 池组。特别地，锂离子电池组不适于低于大约-20℃的温度，并且，因此铅酸电 池组在这种极端低的温度下更合适。尽管不是必要条件，但是在优选实施例中， 低温电池组的电压大约等于高温电池组的电压。
在某些实施例中，锂离子电池组位于车辆的舱内(例如，在乘客舱内)，使 得它可能受舱加热和/或冷却的影响。因此，甚至在极端冷的环境中，可以利用 主车辆上的车载加热系统将锂离子电池组的温度带到其标称的工作温度范围 中。另外，当车辆在冷环境中启动之后，双端逆变器系统200的运行将升高锂 离子电池组的温度。
在一个实施例中，交流电力牵引电机202是包含一组三个绕组(或线圈)214 的三相电机，每个绕组对应交流电力牵引电机202的一相，如公知的。在一个 实施例中，交流电力牵引电机202的中性点被展开以使其成为六端子的三相电 机。尽管没有示出，但正如本领域技术人员所理解的，交流电力牵引电机202 包括定子总成(包括线圈)和转子总成(包括铁磁芯)。
对于该实施例中，第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210每一个都 包含具有反并联二极管(即，流过晶体管开关的电流方向与流过相应二极管的 可容许电流方向相反)的六个开关(例如，半导体器件，例如晶体管)。如所示 的，在第一逆变器子系统208的部分216中的开关被布置成三对(或支脚(legs))： 对218，220和222。相似地，在第二逆变器子系统210的部分224中的开关被 布置成三对(或支脚)：对226，228和230。该组绕组214中的第一绕组在其相 对端电耦合在对218(部分216中)的开关和对226(部分224中)的开关之间。 该组绕组214中的第二绕组耦合于对220(部分216中)的开关和对228(部分 224中)的开关之间。该组绕组214中的第三绕组耦合于对222(部分216中) 的开关和对230(部分224中)的开关之间。从而，每个绕组的一端都耦合到第 一逆变器子系统208，且每个绕组的相对端都耦合到第二逆变器子系统210。
第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210配置成单独地或者共同地 (取决于特定的工作条件)驱动交流电力牵引电机202。在这方面，控制器212 被适当地配置成影响第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210的操作， 以管理低温电池子系统204，高温电池子系统206和交流电力牵引电机202之间 的功率传输。控制器212对从车辆驾驶员处(例如通过加速器踏板)接收到的 命令做出响应，并且向第一逆变器子系统208的部分216和第二逆变器子系统 210的部分224提供控制信号或命令，以控制部分216和224的输出。可以采用 高频脉宽调制(PWM)技术来控制部分216和224以管理由部分216和224产 生的电压。
还是参看图1，通过经由交流电力牵引电机给车轮106提供功率来操作车辆 100，交流电力牵引电机从低温电池子系统204和/或高温电池子系统206接收其 工作能量。为了给电机供电，从低温电池子系统204和高温电池子系统206分 别向第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210提供直流功率，第一逆变 器子系统和第二逆变器子系统把直流功率转换成交流功率，如本领域所公知的。 在某些实施例中，如果电机不需要低温电池子系统204的最大功率输出，则来 自低温电池子系统204的额外功率可用来对高温电池子系统206进行充电。相 似地，如果电机不需要高温电池子系统206的最大功率输出，则来自高温电池 子系统206的额外功率可用来对低温电池子系统204进行充电。当然，在某些 工作条件下，可以利用控制器212来使用来自两个能源的能量来驱动电机。
在工作中，控制器212接收用于交流电动机202的转矩命令，并且确定如何 最好地管理低温电池子系统204与第一逆变器子系统208之间，以及高温电池 子系统206与第二逆变器子系统210之间的功率流动。通过这种方式，控制器 212还管理第一逆变器子系统208和第二逆变器子系统210驱动交流电动机202 的方式。双端逆变器系统200可以采用任何合适的控制方法、策略、方案或技 术。例如，在美国专利号7154237和7199535(都转让给通用汽车公司)中描述 的技术和方法的某些方面可以被双端逆变器系统200采用。这些专利的相关内 容在此引入以供参考。
对于这里所描述的实施例，控制器212还适当地配置成管理：是低温电池子 系统204为主要能源，高温电池子系统206为主要能源，还是这两个都贡献能 量来驱动交流电力牵引电机202。例如，在某些场合中，控制器212工作以主要 用低温电池子系统204来驱动交流电力牵引电机202，直到高温电池子系统206 达到它的正常工作温度范围。当高温电池子系统206的温度低于它的正常工作 范围，并且当低温电池子系统204的温度处于它的正常工作范围时，会发生这 种情况。当高温电池子系统206达到它的正常工作温度范围(例如，通过车辆 舱的加热或者通过内部工作热量(operating heat))之后，控制器212可以主要 用高温电池子系统206来驱动交流电力牵引电机202。
实际上，车辆可包括电池控制器，该电池控制器可以是与控制器212分离的， 或者是与控制器212集成的(通常，它是分离的)。电池控制器适当地配置成监 控温度以及荷电状态信息(以及其他信息，例如电池平衡(cell balancing))。电 池控制器能够对这些信息进行分析和/或处理，并且向车辆控制器提供功率能力 (power capability)。车辆控制器对从电池控制器获得的信息以及驾驶员命令一起 进行处理，确定如何最好地满足驾驶员的请求并满足任何子系统请求，例如在 两个能源之间的功率平衡。
图3是适用于电动或混合电动车辆的双端逆变器系统300的替换实施例的示 意性电路图。在某些实施例中，可以以这种方式实施双端逆变器系统116(图1 所示)。如图3所描绘的，双端逆变器系统300耦合到交流电力牵引电机302， 动力电池子系统304和能量电池子系统306并与它们协作。双端逆变器系统300 通常包括但不限于：耦合到动力电池子系统304的第一逆变器子系统308；耦合 到能量电池子系统306的第二逆变器子系统310，以及耦合到第一逆变器子系统 308和第二逆变器子系统310的控制器312。双端逆变器系统300与双端逆变器 系统200相似，并且为了简短起见，在双端逆变器系统300的上下文中将不再 冗余地描述公共元件、特征和功能。
双端逆变器系统300允许由具有完全不同的功率/能量传递特性的不同电池 类型来给交流电力牵引电机302供电。这种拓扑结构使得车辆能够利用不同电 池类型的更好的性能特性，而不必因为采用单个电池必须妥协。对于该特定实 施例，动力电池子系统304具有相对高的电压和相对低的安时额定容量，而能 量电池子系统306具有相对中到高的电压和相对高的安时额定容量。实际上， 动力电池子系统304适当地配置成提供支持短持续时间峰值功率事件(例如车 辆加速)所需的能量。相反地，能量电池子系统306适当地配置成提供维持连 续的且相当稳定的负载条件(例如车辆以相当恒定的速度“巡航”)所需的能量。 因此，动力电池子系统304可以在某些条件下支持交流电力牵引电机302的有 效运行，而能量电池子系统306可以在其他条件下支持交流电力牵引电机302 的有效运行。
在一个实施例中，动力电池子系统304包括标称直流电压大约为200-350伏 (典型地，大约300伏)且典型的能量额定值(energy rating)大约为1-2kWh的 铅酸或者NiMH电池组。相反地，能量电池子系统306可以被实现为标称直流 电压大约为200-350伏(典型地，大约300伏)且典型的能量额定值大约为 10-20kWh的锂离子电池组。尽管不是必要条件，但是在优选实施例中，动力电 池子系统304的电压通常比能量电池子系统306的电压高。实际上，动力电池 子系统304的电压通常不高于能量电池子系统306的电压的两倍。
对于这里所描述的实施例，控制器312适当地配置成管理：是动力电池子系 统304为主要能源，能量电池子系统306为主要能源，还是这两个都贡献能量 来驱动交流电力牵引电机302。例如，在某些特定场合中，控制器312运行以在 与车辆操作有关的持续负载事件期间主要用能量电池子系统306来驱动交流电 力牵引电机302。这样的持续负载事件包括但不限于：车辆以恒定速度的操作； 车辆在静止时的操作；在加速过程中贡献一些能量；或者在制动事件期间接受 一些能量。另外，控制器312配置成在与车辆操作相关的短持续时间峰值功率 事件期间，主要用动力电池子系统304来驱动交流电力牵引电机302。这样的短 持续时间峰值功率事件包括但不限于：车辆加速；车辆初始启动；制动(在该 过程中，期望用再生制动能量来给动力电池子系统304再充电)；或者与外部充 电器关联的快速充电事件。
实际上，车辆控制器将确定在最大化燃料经济性的同时，如何最好地操作车 辆以满足驾驶员的请求。它接收来自车辆上其他控制子系统的输入。控制器312 基于温度，速度和可用的电压提供该信息的一部分，例如电机能够提供什么。 然后车辆控制器可以合适的方式对该信息进行处理，并且按照需要指示控制器 312。通过这种方式，可以控制双端逆变器来适应不同的工作模式，并且进而确 定哪个电池更为合适。
上面所描述的双端逆变器拓扑结构可以用来对接(interface)具有不同和完 全不同的工作特性的两个不同能源，用于与电动或混合电动车辆的交流牵引电 机结合的受控制和管理的操作。这些双端逆变器拓扑结构以利用每种电池的各 自性能的优点的方式，促进了现有的可用电池的使用。
尽管在前面的详细描述中公开了至少一个示例性实施例，但是应该意识到存 在大量的变型。还应该意识到这里所描述的示例性实施例并不打算以任何方式 限制所要求专利保护的主题的范围，适用性或配置。相反，前面的详细说明为 本领域技术人员实施所描述的实施例提供了便捷的途径。应该认识到，在不脱 离权利要求书所限定的范围的前提下，可以对元件的功能和布置作各种改变， 所述范围包括在本专利申请的申请日时已知的等效物和可预见的等效物。