CN102742144A - 用于减小利用块换向运行的多相电机的起动电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于减小利用块换向运行的多相电机的起动电流的方法，所述多相电机具有电池、每相各具有高侧开关、低侧开关和相绕组以及转子。在该方法中，将分配给电流相位的高侧开关或分配给电流相位的低侧开关保持在闭合状态并且交替地控制分配给其他电流相位的低侧开关或高侧开关。

Description

用于减小利用块换向运行的多相电机的起动电流的方法

技术领域

本发明涉及一种用于减小利用块换向运行的多相电机的起动电流的方法。

背景技术

已知为了起动机动车而使用带传动起动器发电机。该起动器发电机具有在机动车的电池和电机之间布置的逆变器。逆变器是功率电子装置，其包含高侧开关和低侧开关。电机可以以电动机运行方式和以发电机运行方式被运行。

在开始电动机运行方式时，在静止的车辆中进行机动车的内燃机的起动。

用于功率电子装置的开关的简单的和已知的控制方法是所谓的块换向（Blockkommutierung）。该控制方法的优点在于，不需要或者在任何情况下需要小的中间回路电容器。这样的中间回路电容器一般只能困难地装配在机动车中。该控制方法的缺点在于，出现高的起动电流，所述高的起动电流不利地影响电子装置和构建和连接技术的设计。

从US 7,504,790 B2中已经公知的是，在低转速时使用PWM和在高转速时使用块换向。这开启以下可能性：通过高频时钟脉冲限制起动电流。但是在此不利的是，需要具有比较大的电容的中间回路电容器。

从US 6,577,097 B2中已经公知的是，在120^o控制和180^o控制之间进行转换。在此，虽然不需要大电容的中间电容器，但是存在以下问题：在静止的或缓慢旋出的内燃机的情况下、也即在处于每分钟0转数和每分钟大约400转数之间的范围中的曲轴转速的情况下起动电流非常高。这导致，末级的负荷同样是高的。为了避免通过该高负荷对末级引起的破坏，必须通过适当的参数确定来使末级与该高负荷匹配。但是由此对于所有其他的运行点而言，末级是参数过大的。另一缺点在于，由于在起动阶段流动的高电流在对车载电网供应电压时可能出现不希望的电压扰动。在经块换向的系统中不可能通过例如具有16 KHz的高频时钟脉冲减小所提到的高电流，因为为此没有足够电容的中间回路电容器可用。

发明内容

与此相对地，具有在权利要求1中所说明的特征的方法具有以下优点：利用块换向运行的多相电机的起动电流被减小。由此可以更适宜地对末级确定参数，因为起动电流是重要的设计准则。在较高的转速时，相电流单独地由于相对感应的电压而被限制。此外，车载电网和（只要电机是带传动起动器发电机）机械带传动在开动时较小强烈地承担负荷。此外，在电机阻断的情况下不会预期末级的立即破坏。

附图说明

本发明的其他有利的特性从根据附图对实施例的以下阐述中得出。其中：

图1示出用于说明3相块换向带传动起动器发电机的结构的框图，

图2示出用于说明在3和5相系统的情况下经由所使用的控制方案对定子中的磁场矢量的确定，

图3示出用于说明在确定优选的转向时可能的磁场矢量的图示，

图4示出在仿真持续时间为20ms时在取平均的相电流和末级处的被仿真的温度升降之间的关系的图解，

图5示出用于说明根据本发明控制的实施例的框图，和

图6示出用于说明如就本发明而言可以使用的控制模式的图解。

具体实施方式

图1示出多相电机的结构的框图，所述多相电机是3相块换向带传动起动器发电机。该多相电机具有电池B，所述电池具有正极B+和负极B-。电池B与功率电子装置LE连接。该功率电子装置包含三个支路U、V、W，其中每个支路具有两个开关的串联电路，其中对这些开关中的每一个反并联地连接二极管。该装置在使用传统的场效应晶体管的情况下得出，因为所述场效应晶体管包含反向二极管。但是原则上也可以设想使用其他开关元件，例如IGBT。

功率电子装置LE的支路U在两个开关S1和S2之间的连接点处与起动器发电机的定子的相绕组LU连接。支路U的开关S1是高侧开关。二极管D1与开关S1反并联连接。支路U的开关S2是低侧开关。二极管D2与开关S2反并联连接。开关S1和S2由控制单元S控制。

功率电子装置LE的支路V在开关S3和S4之间的连接点处与起动器发电机的定子的相绕组LV连接。支路V的开关S3是高侧开关。二极管D3与开关S3反并联连接。支路V的开关S4是低侧开关。二极管D4与开关S4反并联连接。开关S3和S4同样由控制单元S控制。

功率电子装置LE的支路W在开关S5和S6之间的连接点处与起动器发电机的定子的相绕组LW连接。支路W的开关S5是高侧开关。二极管D5与开关S5反并联连接。支路W的开关S6是低侧开关。二极管D6与开关S6反并联连接。开关S5和S6也由控制单元S控制。

定子的相绕组LU、LV和LW在所示的实施例中构成星形连接。但是所述相绕组也可以在三角形连接的意义上相互连接。如果开关S1、…、S6分别以Mosfet开关的形式实现，则所述开关已经包含单独示出的二极管D1…D6。

在起动器运行中，将从电池B提取的功率馈入到系统中并且转化成机械能。在整流器运行中，能量流从定子的相绕组经由作为整流器起作用的功率电子装置流到电池并且流到车载电网的在图1中未示出的负载。

在起动器运行中，必须通过适当地控制定子绕组构建转子的转矩。如果定子场和转子场相互处于90^o的角偏移，则可以实现最大转矩。

图2示出用于说明在三相电机的情况下和在五相电机的情况下确定定子中的磁场矢量的例子的简图。其中，数字“1”分别代表在电池B的正极B+方向上的闭合的开关、也即代表闭合的高侧开关。数字“0”分别代表在电池B的负极B-方向上的闭合的开关，也即代表闭合的低侧开关。破折号“-”代表两个开关、也即高侧开关以及低侧开关均处于打开状态的相。

将120^o块换向理解为以下控制方法，在该控制方法中在3相电机的情况下仅同时闭合六个开关中的两个。将180^o块换向理解为以下控制方法，在该控制方法中在3相电机的情况下同时闭合六个开关中的三个。

在图2的左图示中示出了在120^o块换向（虚线）和180^o块换向（实线）情况下3相电机的磁矢量。180^o块换向的磁矢量相互具有60^o的角偏移。120^o块换向的磁矢量同样相互具有60^o的角偏移并且相对于180^o块换向的磁矢量分别具有30^o的角偏移。120^o块换向的磁矢量短于180^o块换向的磁矢量，因为在180^o块换向时由于两个高侧开关或两个低侧开关的串联而出现较高的电流。位于所示的磁矢量之间的所有位置通过块换向不能被示出，而是必须通过不同的调制方式、例如正弦调制来开动。在块换向系统的情况下由于这些跳变而总是得出转子处的力矩波动。

在起动阶段中，通常借助于角度测量设备来测量转子相对于定子的当前位置或角位置。根据测量结果，这样调整定子磁场，使得所属的定子磁场矢量相对于转子磁场或转子磁场矢量尽可能地接近所希望的90^o偏移。

在图2的右图示中示出5相电机的磁场矢量。为了简单起见这里仅仅示出了在3相电机情况下180^o控制的等效方案，也即10个可用的开关中在每个任意的时刻5个开关处于运行中。各个磁场矢量相互分别具有36^o偏移。

图3示出用于说明在确定优选的转向时可能的磁场矢量的图示。

在图3的左图示中，示例性地示出3相电机的情形。在该例子中，转子磁场矢量LMV垂直地指向下。对于具有LMV的60^o偏移的所有其他位置，可以从简单的对称性观察中为定子的功率电子装置得出需要的控制模式。对于180^o块换向因此调整控制模式“100”， 对于120^o块换向必须在控制模式“10-”或“1-0”之间作出决定。两个最后所述的控制模式首先将会在电机处构建相同的转矩。在图3中画阴影线的区域对于转子磁场矢量是允许的区域，该区域导致转子逆时针方向的加速度，但是具有不同强度的转矩。研究已经得出，在第一个毫秒内、典型地在20毫秒内几乎不出现转速升高，但是出现高电流。这导致功率电子装置的末级中的强烈的温度升高，所述强烈的温度升高在电机的继续运行中不再出现。如果在电机的静止中在图3中画阴影线的区域内的定子磁场矢量被改变，则这样的强烈的温度升高可以被避免。理想地，定子磁场矢量相对于转子磁场矢量摆动所希望的角度90^o。在图3中画阴影线的区域的特征在于，数字“1”总是处于第一位置。因此所属的高侧支路最强烈地承受负荷。在根据本发明的方法中，通过智能地控制低侧支路导致相应的电流路径的去负荷。控制序列因此具有以下流程：1-0,1--，10-，1--。该序列被重复，其中单个状态的持续时间根据电流要求可以变化。

在图3的右图示中，示例性地示出5相电机的情形，其中在该例子中转子磁场矢量LMV 也垂直地指向下。为了简单起见，这里仅仅画出在3相电机情况下120^o控制的等效方案，也即在每个时刻10个可用的开关中的仅2个激活地被控制。可以看出，5相电机或一般更高相电机相对于3相电机具有优点，因为定子磁场矢量可以更精细地分辨地被调整。由此力矩损耗在偏差所希望的理想角90 ^o的情况下比在3相电机的情况下小。

研究已经得出，在已知的块换向的情况下对在末级处的要预期的温度存在不同的影响。在120^o块换向的情况下得出比在180^o块换向的情况下低的末级电流。此外已经表明，在脉动运行的块换向的情况下，在末级中流动的电流进一步被减小。由此，取平均的电池电流和还有所构建的转矩被减小。但是由于引线电感的消弧能量，末级的温度负荷仅少量地被降低。在现有技术中，通过使用具有大电容的中间回路电容器来导致末级温度负荷的这样的降低。

在根据本发明的方法中，不需要使用具有大电容的中间回路电容器。在根据本发明的方法中，通过以下方式来导致末级温度负荷的降低，即在起动阶段中根据瞬时位置或者将分配给电流相位的高侧开关保持在闭合状态并且对分配给其他电流相位的低侧开关交替地进行控制，或者将低侧开关保持在闭合状态并且对其他相的两个高侧开关交替地进行控制。在根据图3左图示的实施例中，在开关状态“10-”和“1-0”之间来回切换，优选地具有各个控制过程的可变持续时间和/或在相继的控制过程之间的可变暂停。准确地说，由开关状态“10-”、“1--”、“1-0”、“1--”组成控制序列。在此，可以不对称地选择低侧开关之间的接通比。另外，优选地利用小于定子绕组的时间常数的转换持续时间来进行该交替的控制。

低侧开关的该交替的控制对应于定子磁场摆动90 ^o的理想角位置。

通过该行为方式可以以所希望的方式控制取平均的电池电流，而在此没有值得注意地提高末级的温度负荷。上面的开关支路、也即分别所属的高侧开关在此被保持在闭合状态。

如果转子的转速超过预先给定的转速阈值，则转换到在120^o块换向或180^o块换向意义上的正常控制模式，也即进行功率电子装置的开关的块换向控制。

根据本发明的行为方式的优点在于，虽然上面的开关支路连续地承受负荷，但是消弧能量交错地被转化到两个低侧开关中。在此，在参与的三个开关之间发生出现的消耗功率的补偿并且从而发生温度补偿。通过改变在低侧开关的开关状态之间的暂停可以控制电流高度。在控制暂停中，在分别相对的路径的反向二极管中进行相电流的自振荡。该自振荡可以通过有效地控制相应的开关路径被延长，由此减少开关元件中的损耗功率。

图4示出用于说明在仿真持续时间为20ms的情况下在取平均的相电流和在末级处的仿真的温度升降之间的关系的图解。取平均的相电流分别是可获得的转矩的尺度。在此情况下，对于相电流观察处于形成力矩的方向上的两个相电流的和。在本实施例中，这是W-U和W-V。从图4可以看出，在具有120^o控制或180^o控制的脉动运行时温度负荷由于出现的消弧电压不被减小。通过根据本发明的方法彼此成比例地减小相电流和温度负荷。

图5示出用于说明根据本发明的控制的实施例的框图。根据转子磁场矢量的当前位置，相应的控制不同。从该图中可以看出，布置在支路W中的高侧开关S5连续地被控制，而布置在支路U中的低侧开关S2和布置在支路V中的低侧开关S4交替地被控制。在图5中所示的电机的结构与在图1中所示的电机的结构一致。

图6示出用于说明如结合本发明使用的控制模式的图解。图6a说明布置在支路W中的高侧开关S5借助于控制信号s5的连续控制。图6b说明布置在支路U中的低侧开关S2借助于控制信号s2的控制。图6c说明布置在支路V中的低侧开关S4借助于控制信号s4的控制。可以看出，开关S2和S4交替地被控制。此外，从图6b和6c可以看出，开关S2和S4的控制持续时间可以被改变。

如果存在与上述角度不同的其他起始位置，则可以确定相应的120^o控制模式，其位于90^o角度的两侧，并且在相应的控制模式之间以上面所述的方式来回切换。一旦由于转子旋转而低于在转子场和定子场之间的角度30^o，则必须跟踪控制模式。根据所实现的转速可以任意地跟踪控制模式。

在图3的右图示中对于5相电机示出以下控制模式，所述控制模式仅产生一个相电流，也即对应于在3相电机情况下的120^o块换向。可以看出，通过在图3中所述的控制模式以顺时针方向出发分别影响末级。因此，可以在5相电机的情况下使用与在3相电机的情况下相同的方法。附加地在5相电机情况下得出以下优点：在起动时仅对一个绕组相施加电压并且因此存在最大电阻。在随后的进程中，在电压升高时可以通过接通可变数量的绕组相来降低总电阻并且从而提高在电机中的总电流。

根据本发明的优选实施形式，以小于定子绕组的时间常数的转换持续时间来交替地控制低侧开关，所述时间常数处于几毫秒的范围中。这一方面引起得出的电流和从而还有所产生的转矩具有小的波动。另一方面，开关频率足够小，使得不需要中间回路电容器。

根据另一优选实施形式，在两个低侧开关之间的接通比可以被选择为不对称的。这具有以下优点：在某程度上仍可以跟踪在定子磁场和转子磁场之间的磁场矢量的90^o的理想偏移。

上面示例性地对于开关矢量“10-”和“1-0”或“-01”和“0-1”描述了根据本发明的方法。这些矢量的选择取决于电机的转子的静止位置。在转子的其他静止位置时也可以使用其他开关矢量。

在上述方法中，将分配给电流相位的高侧开关保持在闭合状态并且交替地控制分配给其他电流相位的低侧开关，以便实现起动电流的减小。在转子的其他静止位置时，对此可替代地可以将分配给电流相位的低侧开关保持在闭合状态并且交替地控制分配给其他电流相位的高侧开关，以便实现起动电流的减小。

此外，也可以使用180^o块换向的开关矢量或者两者的组合，例如在“10-”和“100”之间摆动。

另一实施形式在于，在多于两个的状态之间进行转换。这尤其是在具有多于三个相的电机的情况下是有利的。

在根据本发明的方法中，除了起动电流之外也减小开动力矩。另一实施形式因此在于，根据其内布置有电机的机动车的运行状态来可激活地和/或可去活地设计根据本发明的方法。尤其是存在以下可能性：在存在低环境温度时在车辆冷态起动情况下不考虑使用所要求的方法，而代替地以传统的方式进行车辆起动。此外存在以下可能性：在热态起动的情况下原则上激活根据本发明的方法。

根据本发明的方法尤其是在利用块换向运行的多相电机的起动时可被使用，以便减小起动电流。首先，所要求的方法适用于结合带传动起动器发电机和结合集成起动器发电机使用。有利的改进在于，这样控制电机的惯性运动（Auslauf），使得电机的转子在适用于重新起动的角位置停住。

上述总是以以下内容为出发点：确定转子位置和转子转速并且在存在小于预先给定的阈值的转子转速时根据本发明控制开关。对此可替代地，也可以根据所测量的定子电流来激活或去活开关的根据本发明的控制。

Claims (12)

1.用于减小利用块换向运行的多相电机的起动电流的方法，所述多相电机具有电池、每相各具有高侧开关、低侧开关和相绕组、以及转子，其特征在于，

-将分配给电流相位的高侧开关保持在闭合状态并且交替地控制分配给其他电流相位的低侧开关，或者

-将分配给电流相位的低侧开关保持在闭合状态并且交替地控制分配给其他电流相位的高侧开关。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定转子转速并且在存在小于阈值的转子转速时根据权利要求1进行开关的控制。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定定子电流并且根据所测量的定子电流来激活或去活所述方法。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，根据转子位置跟踪开关的控制，以便产生磁旋转场。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，改变被交替地控制的低侧开关或高侧开关的控制持续时间。

6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在交替地控制低侧开关或高侧开关时改变在相继的控制过程之间的暂停。

7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，以小于定子绕组的时间常数的转换持续时间来进行交替的控制。

8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，不对称地选择在低侧开关或高侧开关之间的接通比。

9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，可以根据其内布置有电机的机动车的运行状态来激活和/或去活所述方法。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在低温时在车辆起动情况下去活所述方法。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在车辆的热态起动情况下激活所述方法。

12.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，电机是带传动起动器发电机并且控制电机的惯性运动，使得转子在适用于重新起动电机的角位置停住。

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