CN102187564A - 马达系统以及用于运行马达系统的方法 - Google Patents

马达系统以及用于运行马达系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于运行用于电动马达的触发单元的方法，其中所述触发单元具有用于触发所述电动马达的触发线路以及布置在所述触发线路前面的尤其具有中间线路电容的中间线路，该方法具有以下步骤：提供用于触发所述电动马达（2）的调节量（SG）；调节可变的输入电压（UDC）并且通过所述中间线路将所调节的输入电压（UDC）提供给所述触发单元（3）；根据可供使用的依赖于所调节的输入电压（UDC）的中间线路电压（UC）并且根据所述调节量（SG）来运行所述触发线路（3），用于相应于所述调节量（SG）来触发所述电动马达（2）。

Description

马达系统以及用于运行马达系统的方法
技术领域
本发明一般而言涉及一种具有电动马达的马达系统，所述电动马达通过大功率电子的触发线路来触发并且由直流电源来供电。
背景技术
在机动车中越来越多地使用能够可变触发的电动马达。为此这样的电动马达通常通过触发装置来触发，所述触发装置拥有大功率电子的触发线路比如B6电桥、H电桥和类似的具有半导体开关的触发线路。所述触发线路通常通过以导电或者不导电的方式来切换半导体开关的控制单元来控制。
此外，所述触发装置在所述触发线路的输入侧具有无源的布线结构，所述布线结构一般具有至少一种通常称为中间线路电容的电容。根据通过控制单元引起的触发线路的触发情况并且根据寄生电阻，所述中间线路电容上面的电压发生变化并且产生电压及电流波痕（Spannungs- und Stromrippel），这使得所述中间线路电容的相应的尺度设计成为必要。根据由于所出现的电压波痕引起的中间线路电容的巨大负荷以及由此而必要的尺度设计，通过所述中间线路电容的大小来确定所述用于电动马达的触发装置的总结构体积的很大的部分。在将来，中间线路中的分散的结构元件的结构体积将继续主宰所述控制单元及触发线路的结构体积，因为所述控制单元和触发线路越来越小型化并且根据增加的EMV（电磁兼容性）要求必须将更多的结构元件布置在中间线路中。
此外知道通过直流变压器来触发马达系统中的电动马达，所述直变压器从车用电网的供应电压中产生其它的和/或稳定化的中间线路电压，用于以所期望的电压来触发电动马达。
发明内容
本发明的任务是，设置一种用于电动马达的触发装置，对于所述电动马达来说可以设置具有尽可能小的电容值的中间线路电容，从而可以缩小所述中间线路电容的结构大小。
该任务通过一种按权利要求1所述的用于触发马达系统的方法并且通过按并列权利要求所述的一种装置、一种触发系统和一种马达系统得到解决。
本发明的其它设计方案在从属权利要求中得到说明。
按照第一方面，设置了用于运行用于电动马达的触发单元的方法，其中所述触发单元具有用于触发电动马达的触发线路以及布置在该触发线路前面的尤其具有中间线路电容的中间线路。该方法包括以下步骤：
-提供用于触发所述电动马达的调节量；
-调节可变的输入电压并且通过所述中间线路将所调节的输入电压提供给所述触发单元；
-根据可供使用的依赖于所调节的输入电压的中间线路电压并且根据所述调节量来运行所述触发线路，用于相应于所述调节量来触发所述电动马达。
上述方法的构思在于，将所述中间线路的结构体积尤其布置在其中的中间线路电容的结构体积降低到最低限度，方法是设置所述中间线路电容的较小的负荷。这通过以下方式来实现，即降低所述中间线路电容的交流负荷。流过所述中间线路的对中间线路电容的交流负荷来说决定性的有效电流依赖于输入电流并且依赖于被所述触发线路所接收的电流，也就是说依赖于输入电压和/或所述触发线路的触发。流入到所述触发线路中的电流可以通过所加载的依赖于输入电压的中间线路电压来受到影响。由此流过所述中间线路电容的有效电流可以根据所述触发线路的输入侧上的电压来调节，该电压也相应于所述中间线路电容上面的电压。出于这个原因，上述方法可以设置用于不仅如此调节输入电压而且如此触发所述控制单元，从而根据流过所述中间线路电容的有效电流来调节所述中间线路电容上面的电压，用于尽可能将所述中间线路电容的交流负荷降低到最低限度。
此外，可以根据所述调节量并且/或者根据马达状态参量尤其转速、转矩、马达电流、一种或者多种相电压并且/或者根据所述触发线路的状态参量尤其其损耗功率并且/或者根据所述中间线路的状态参量尤其中间线路电压或者流过所述中间线路电容的电流来调节所述可变的输入电压。尤其所述调节量可以相应于电功率、机械功率、所期望的转速、所期望的转矩、马达电流、马达电压、角度位置或者相电压。
按照一种实施方式，所述输入电压的调节和所述触发线路的运行按照一函数来实施，对于该函数来说将流过所述中间线路的电容的有效电流降低到最低限度。
在此可以规定，所述输入电压的调节和所述触发线路的运行按照一函数来实施，对于该函数来说将DC-/DC转换器中的损耗降低到最低限度，而没有超过预先给定的流过所述中间线路的电容的有效电流。
此外，可以在运行过程中或者在明确的学习阶段中通过电动马达的输入电压和触发方式的变化通过所述触发线路来学习所述函数以用于调节输入电压。
尤其可以将所述至少一个预先给定的调节量的一个或者多个工作点保存在组合特性曲线中。
此外，所述输入电压的调节和所述触发线路的运行可以借助于梯度下降法来实施。
按照另一个方面，设置了用于运行电动马达的装置，该装置包括：
-用于触发所述电动马达的触发线路，
-中间线路，该中间线路在输入侧布置在所述触发线路上并且尤其具有中间线路电容；
-控制单元，该控制单元构造用于
-接收调节量；
-用于输出调节参量（Einstellgröße），该调节参量使得可变的输入电压通过所述中间线路输送给所述触发线路；
-用于运行所述触发线路，从而根据可供使用的依赖于所调节的输入电压的中间线路电压并且根据所述调节量来触发所述电动马达。
按照另一个方面，设置了用于运行电动马达的触发系统，该触发系统包括：
-上述装置；
-用于接收所述调节参量的变压器，用于根据所述调节参量来提供可变的输入电压。
按照另一个方面，设置了具有电动马达和上述触发系统的马达系统。
附图说明
下面借助于附图对一些实施方式进行详细解释。附图示出：
图1是具有触发装置的马达系统的示意图，该触发装置则具有中间线路电容；并且
图2是用于示出流过所述中间线路电容的标准化到电动马达中的有效电流的有效电流与调制程度之间的依赖关系的图表。
具体实施方式
图1示出了具有电动马达2的马达系统1的示意图，该电动马达2比如可以构造为同步电机的形式。该电动马达可以构造为多相结构。在这里的情况中，该电动马达2具有三个相。
所述电动马达2通过大功率电子的触发线路3来触发。在图1的实施方式中，所述触发线路3构造为B6桥式线路，该桥式线路具有一定数目的倒相器分支，这个数目相当于所述电动马达2的相的数目。每个倒相器分支具有半导体开关4，也就是拉高开关（Pull-High-Schalter）和拉低开关（Pull-Low-Schalter）。所述拉高开关中的一个和所述拉低开关中的一个相应地串联布置在较高的中间线路电位VH与较低的中间线路电位VL之间。在每条倒相器分支的拉高开关与拉低开关4之间截取相应的相，用于提供给所述电动马达2。所述拉高开关因而将所述倒相器分支的能够截取的相拉向所述较高的中间线路电位VH并且所述拉低开关因而将能够截取的相拉向所述较低的中间线路电位VL。所述拉高开关或者说拉低开关4的每一个都可以构造为大功率晶体管，比如构造为场效应晶体管，构造为晶闸管或者构造为类似晶体管，并且由控制单元5通过合适的控制信号来触发，所述控制信号则通过控制线路6比如输送给相应的栅极接头（Gate-Anschluss）。
也可以取代所示出的具有B6桥式线路的触发线路3来使用其它切换的大功率电子的触发线路比如H电桥和类似触发线路。
在输入侧，所述触发线路3与包含中间线路电容7的中间线路相连接。所述中间线路可以具有无源的结构元件尤其扼流圈。所述中间线路电容7用一个接头与所述较高的中间线路电位VH相连接并且用另一个接头与所述较低的中间线路电位VL相连接。所述中间线路电容7用于在所述触发线路3的输入侧上降低通过所述半导体开关4的切换在所述触发线路3中出现的跃变负荷（Sprungbelastungen），用于使电力供应源经受较少的负荷。
所述较高的和较低的中间线路电位VH、VL由变压器8尤其直流变压器来提供，所述直流变压器在输入侧与机动车的车用电网或者通常与能源相连接。对于机动车来说，所述直流变压器8在输入侧与机动车的蓄电池（未示出）相连接，该蓄电池提供电池电压UBat。所述直流变压器8能够可变触发，也就是说按照直流变压器-调节值V可以可变调节所述直流变压器8的输出电压UDC，在此将所述直流变压器-调节值V比如作为电信号或者作为数字的或者模拟的参量通过调节线路9提供给所述直流变压器8。
此外，设置了控制单元5，该控制单元5不仅与所述直流变压器8而且与所述触发线路3相连接。从外部将调节量SG作为设定值提供给所述控制单元5，所述调节量SG表明马达参量，在此应该以该马达参量来触发所述电动马达2。所述调节量比如可以相应于电功率、机械功率、所期望的转速、所期望的转矩、马达电流、马达电压、角度位置或者相电压。从所述调节量SG中得出这一点，应该以何种方式来触发所述电动马达2，以便该电动马达2具有相应于预先给定的调节量SG的性能。所述控制单元5而后可以如此触发所述直流变压器8和触发线路3，从而提供相应于所述调节量SG的马达参量。
为减小所述中间线路电容7的结构大小，有意义的是降低其电负荷。所述中间线路电容7的交流负荷通常用以下公式来计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
其中IC_eff相应于流过所述中间线路电容的有效电流，iDCDC(t)相应于由所述直流变压器8提供的电流并且iPCU(t)相应于由所述触发线路3所接收的（输入侧的）电流。可以看出，通过所述变压器电流iDCDC(t)和流过控制线路的电流iPCU(t)的接近可以降低流过所述中间线路电容7的有效电流IC_eff。流过所述触发线路3的电流的平均值和有效值可以通过加载在所述中间线路电容7上面的中间线路电压UC的大小来受到影响。
这也可以从图2的图表中看出来。在图2的图表中关于调制程度M示出了流过所述中间线路电容IC_eff的标准化到电动马达2中的有效电流的有效电流IC_eff。所述调制程度M与中间线路电压UC成反比例，并且由此能够通过所述直流变压器8来影响。在图2中示出的特性曲线的参数是功率因数cos（φ），该功率因数通常能够通过电动马达的有效功率除以其表观功率得到的商数来求得。φ相应于电流与电压之间的相位角。
为了将流过所述中间线路电容7的有效电流IC_eff尽可能降低到最低限度，所述控制单元5以合适的方式触发所述直流变压器8。通过内电压UDC和预先给定的调节量SG获得所述触发线路3的相应的触发结果。在此，所述控制单元5只应该如此触发所述直流变压器8，从而在相应的电压范围之内调节输出电压。该电压范围限制到一些电压，对于这些电压来说可以维持通过所述调节量SG预先给定的对电动马达2的要求，所述触发线路3未陷入到欠压模式中或者没有超过所述触发线路3中的提供中间线路电容的电容器以及半导体开关的耐电强度。
所述触发线路3比如可以通过脉宽调制的触发的占空比的变化或者说通过空间矢量调制（Raumzeigermodulation）的占空比的变化来向所述电动马达2提供不同的功率。也可以通过所述控制单元5来预先给定所述空间矢量调制的调制周期持续时间。所述控制单元5因此在选择所述直流变压器8和触发线路3的触发方式方面拥有自由度，用于调节通过所述调节量SG预先给定的马达参量。
比如可以规定，为了将流过所述中间线路电容7的有效电流IC_eff降低到最低限度而将所述直流变压器8的输出电压UDC保持在尽可能小的程度上。也就是说，应该如此选择所述直流变压器8的输出电压，从而还可以实现对于所述电动马达2来说所要求的功率并且可以运行所述触发线路3，也就是说所述触发线路3没有进入欠压模式中。
所述控制单元5为此比如具有组合特性曲线-结构块10，在此将从外部提供的调节量SG作为输入参量提供给组合特性曲线-结构块10并且该组合特性曲线-结构块10根据所述调节量SG将所述直流变压器调节值V提供给所述直流变压器8并且将触发线路调节值S提供给脉冲形成单元11。所述组合特性曲线-结构块10可以具有一种组合特性曲线，在该组合特性曲线中作为在所述中间线路电容7上面加载的电压UC的函数比如考虑到有效电流IC_eff。所述组合特性曲线-结构块10的其它输入参量可以是测量变量，比如电动马达2的马达转速和/或转子的角度位置、相电流、相电压以及所述直流变压器8的同样可以测量的输出电流IDCDC。同样可以在不依赖于所提供的调节量SG的情况下也就是说仅仅在所述测量变量的基础上确定所述直流变压器调节值V。作为替代方案，也可以取代所提供的调节量SG或者作为所提供的调节量SG的补充来将这个参量的当前的实际值用作用于所述组合特性曲线的输入参量。作为组合特性曲线的替代方案，也可以借助于保存在处理器中的算法或者公式从所表明的输入参量中确定V。
可以以静态的方式预先给定所述组合特性曲线。同样可以在运行中或者在学习模式中产生或者说修改所述组合特性曲线，方法是为具有不同的调节量SG的不同的工作点求得所述直流变压器8和触发线路3的最佳的工作点并且将相应的数据组保存在所述组合特性曲线中以便后来加以调用。
优化目标-在不依赖在运行中是用静态的组合特性曲线还是用优化处理来工作的情况下-可能不仅仅是所述中间线路电容器7中的有效电流LC_eff的简单的最小化。比如也有利的是，将电容器电流并且由此将所述中间线路电容的加热保持在规定的极限值之下。所述极限值比如也可能依赖于所述中间线路电容的温度和/或电流负荷的长度。如果超过所述极限值，那就可以立即通过所述脉冲形成单元11 -以马达功率为代价，也就是说在忽视预先给定的调节量SG的情况下-降低马达电流。一旦找到/调节了“更好的”直流变压器调节值V，那么而后所述脉冲形成单元11又可以如此控制所述开关4，从而提供更高的马达电流并且由此重视所述调节量SG。
除了所述中间线路电流的降低的优化目标之外，也可能有其它的优化目标，比如降低变压器8中的损耗。
所述脉冲形成单元11根据比如预先给定空间矢量调制的占空比的触发线路调节值S来产生用于所述触发线路3的拉高开关和拉低开关4的触发脉冲，用于按照所述触发线路调节值S来触发这些开关。
所述直流变压器8的输出电压和所述触发线路3的触发方式的调整可以适应的方式来进行，方法是流过所述中间线路电容7的有效电流比如借助于电流测量转换器或者电流测量电阻来检测并且比如借助于优化方法比如梯度下降法通过由所述直流变压器8输出的变压器电压或者占空比的变化或者通常通过所述触发线路调节值S和直流变压器调节值V的变化来将流过所述中间线路电容7的有效电流降低到最低限度。通过这种方式可以学习用于马达系统的组合特性曲线并且比如将其保存在所述组合特性曲线-结构块10中的合适的存储单元中（未示出）。用这种方式也可以在所述调节量缓慢变化时进行联机适应（Adaption on-the-fly）。
此外可以规定，借助于直流变压器调节值V将所述直流变压器8的输出电压调节到特定的电压。在此直接测量或者从马达状态参量中估算出所述流过中间线路电容7的有效电流IC_eff。如果有效电流IC_eff太大，那就一直修改所述直流变压器8的输出电压，直到所述有效电流IC_eff又变小，也就是说低于特定的电流阈值。
所述控制单元5、触发线路3和中间线路电容7一般作为一个单元设置在用于电动马达2的控制仪中。因此，在实现上述马达系统时，应该从所述控制单元5设置一条用于将直流变压器调节值V传输给与所述控制仪分开地并且远离地布置的直流变压器8的调节线路9，用于可变触发所述直流变压器8以便将所述中间线路电容7的交流负荷降低到最低限度。

Claims (11)

1.用于运行用于电动马达（2）的触发单元的方法，其中所述触发单元具有用于触发所述电动马达（2）的触发线路（3）以及布置在所述触发线路（3）前面的尤其具有中间线路电容（7）的中间线路，该方法具有以下步骤：
-提供用于触发所述电动马达（2）的调节量（SG）；
-调节可变的输入电压（UDC）并且通过所述中间线路将所调节的输入电压（UDC）提供给所述触发单元（3）；
-根据可供使用的依赖于所调节的输入电压（UDC）的中间线路电压（UC）并且根据所述调节量（SG）来运行所述触发线路（3），用于相应于所述调节量（SG）来触发所述电动马达（2）。
2.按权利要求1所述的方法，其中根据所述调节量（SG）并且/或者根据马达状态参量尤其转速、转矩、马达电流、一种或者多种相电压并且/或者根据所述触发线路（3）的状态参量尤其其损耗功率并且/或者根据所述中间线路的状态参量（UC）尤其中间线路电压或者流过所述中间线路电容（7）的电流（IC_eff）来调节所述可变的输入电压（UDC）。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中所述调节量相应于电功率、机械功率、所期望的转速、所期望的转矩、马达电流、马达电压、角度位置或者相电压。
4.按权利要求1到3中任一项所述的方法，其中所述输入电压（UDC）的调节和所述触发线路（3）的运行按照一函数来实施，对于该函数来说将流过所述中间线路的电容的有效电流（IC_eff）降低到最低限度。
5.按权利要求1到4中任一项所述的方法，其中所述输入电压（UDC）的调节和所述触发线路（3）的运行按照一函数来实施，对于该函数来说将变压器（8）中的损耗降低到最低限度，而没有超过预先给定的流过所述中间线路的电容的有效电流（IC_eff）。
6.按权利要求4或5所述的方法，其中在运行过程中或者在明确的学习阶段中通过电动马达（2）的输入电压（UDC）和触发方式的变化来通过所述触发线路（3）学习所述函数以用于调节输入电压（UDC）。
7.按权利要求4、5或6所述的方法，其中至少一个预先给定的调节量（SG）的一个或者多个工作点保存在组合特性曲线中。
8.按权利要求4到7中任一项所述的方法，其中所述输入电压的调节和所述触发线路的运行借助于梯度下降法来实施。
9.用于运行电动马达（2）的装置，包括：
-用于触发所述电动马达（2）的触发线路；
-中间线路，该中间线路在输入侧布置在所述触发线路上并且尤其具有中间线路电容（7）；
-控制单元（5），该控制单元被构造
-用于接收调节量（SG）；
-用于输出调节参量（V），该调节参量（V）使可变的输入电压（UDC）通过所述中间线路输出给所述触发线路（3）；
-用于运行所述触发线路，从而根据可供使用的依赖于所调节的输入电压（UDC）的中间线路电压（UC）并且根据所述调节量（SG）来触发所述电动马达（2）。
10.用于运行电动马达（2）的触发系统，包括：
-按权利要求9所述的装置；
-用于接收所述调节参量（V）的变压器，以便根据所述调节参量（V）来提供所述可变的输入电压（UDC）。
11.马达系统，具有电动马达（2）并且具有按权利要求10所述的触发系统。
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