CN103210579A - 电机的激励方法和激励设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在发动机起动运行中借助功率电子装置（18）激励电机（14）的方法，尤其是应用在汽车（10）中，其中功率电子装置（18）具有多个可激励的功率开关（26），所述功率开关（26）为此连接以为该电机（14）多相地供给电流（I），其中功率电子装置（18）激励使得电机（14）发出起动转矩（t），以及其中对功率电子装置（18）进行激励用以发出起动转矩（t），使得所述功率开关（26）的至少两个功率开关的开关位置改变，从而使得功率开关（26）更为均匀地承受负荷。

Description

电机的激励方法和激励设备
技术领域
本发明涉及一种用于借助功率电子装置在发动机起动运行中激励电机的方法，尤其应用在汽车中，其中功率电子装置具有多个可激励的功率开关，功率开关连接成给电机多相地供给电流，其中功率电子装置被激励为使得电机发出起动转矩。
此外，本发明涉及一种用于在发动机起动运行中激励电机的设备，尤其用来应用在汽车中，该设备具有功率电子装置，该功率电子装置具有多个可激励的功率开关，功率开关连接成给电机多相地供给电流，并且具有用于激励功率电子装置的控制设备。
此外，本发明涉及一种汽车传动系，其具有至少一个用于提供驱动功率的电机和具有用于激励上面所述类型的电机的设备。
背景技术
在汽车驱动技术的领域中，普遍已知的是，电机用作唯一的驱动装置或共同带有另一类型的一驱动发动机（混合驱动装置）。在这种电动车辆或混合驱动车辆中，典型地将电机用作驱动发动机。为了激励在汽车中的这种电机，使用功率电子装置，功率电子装置包含逆变器，逆变器将汽车车载的（高电压）电池的直流电压/直流电流转换成交流电流。逆变器在此通常具有多个可激励的功率开关。功率开关借助控制设备以脉宽调制方式被激励，以便电机在发动机运行中在电机的输出轴为确定转速时产生确定的转矩。
为了激励用于电机的这种逆变器，已知的是，使用磁场定向控制（也称作向量控制）。在此情况下，空间向量（例如电流向量）运动，其随电机的输出轴旋转。换言之，为激励电机所需的相电流换算成转子固定的随机器的磁场一起转动的坐标系（所谓的dq系）。在磁场定向控制中，代替相电流于是调节以此方式变换的电流分量Id和Iq。
当纯粹电驱动的车辆或混合驱动装置要由电机驱动时，会出现，在车辆停车时已需要非常高的起动转矩，以便使汽车运动。这例如在山上、在挂车运行（Hängerbetrieb）中或在越过马路牙子时起动时情况如此，或在汽车重量相对于电机的最大功率比较高时才情况如此。
在车辆停车时，电机同样处于停车中。在停车中或在从停车起动时，功率开关不均匀承受负载，因为在该状态中相同的功率开关始终传导为起动转矩或停车转矩所需的电流。发动机起动运行以下理解为电机在停车中的运行或转速非常小的运行，其中会出现功率开关不均匀承受负载。如果多个功率开关在该状态中传导电流，通常其中一个功率开关承受特别强的负载，即最大电流通量。
发明内容
本发明提供了一种用于借助功率电子装置在发动机起动运行中激励电机（尤其是转场电机）的方法，尤其用来应用在汽车中，其中功率电子装置具有多个可激励的功率开关，功率开关为此连接在电机上，为该电机多相地供给电流，其中功率电子装置被激励，使得停车的或起动的电机发出停车转矩或起动转矩，其中对功率电子装置进行激励用来发出停车转矩或起动转矩，使得功率开关的至少两个的开关位置改变，从而使得功率开关均匀地承受负载。
此外，上述任务通过用于激励开头所述类型的电机的设备来解决，该设备具有用于激励功率电子装置的控制设备，其中该控制设备构建为实施上面所述类型的方法。
最后，本发明涉及一种汽车传动系，其具有至少一个用于提供驱动功率的电机和具有用于激励上面所述类型的电机的设备。
发动机起动运行在此理解为运行状态，其中电机的转速为零或小（例如小于10转/秒）并且需要转矩。
通过本发明可以减小各功率开关的热峰值负载。
换言之，对功率电子装置进行激励以发出停车转矩，使得功率电子装置的工作点改变，尤其是步进地改变，以便以此方式实现功率开关均匀地承受负载。工作点步进改变在此可以进行，使得起动转矩基本上保持恒定。可替选地或附加地可能的是，改变工作点，使得起动转矩步进地并且以快速连续地改变，从而使得平均发出的转矩对应于所要求的起动转矩。转矩的改变在此优选快速地进行，使得对于驾驶员可觉察车辆的颠簸等。
该电机通常具有多个激励绕组。对于每个激励绕组或对于电机的每个相优选设置电桥支路，该电桥支路各带有至少两个功率开关。三相电机譬如永磁同步电动机因此优选具有带有三个电桥支路的所谓的B6电桥。
功率开关优选可以是功率半导体器件，尤其是IBGT。
特别优选的是，激励电场定向地进行，其中步进地改变空间向量，用以发出停车转矩。
以此方式可以以简单方式和方法按控制技术对工作点进行改变。
在此情况下，有利的是，空间向量是电流向量，电流向量步进地沿着恒定转矩的线转动，用以发出起动转矩。
通过该措施可以恒定地提供所要求的起动转矩。由此可以实施根据本发明的方法，而这不会被该汽车的驾驶员发觉。
根据另一优选的实施形式，空间向量是电流向量，该电流向量步进地改变，使得起动转矩改变。
如上面已阐述的那样，这在确定的边界内并且以快速的方式和方法进行，使得该汽车的驾驶员并不或极少觉察到转矩改变。因此，所起动的工作点要选择为使得在时间平均上提供所要求的起动转矩。
在该实施形式中，特别优选的是，电流向量沿着最小总电流的线运动。
由此，可以提高效率。
此外，总之优选的是，空间向量振荡地或循环地或步进地在至少两个边界值之间的范围中运动。
由此，可以经历（angefahren）多个不同的工作点，使得各功率开关可以更为均匀地承受负载。
总之，此外有利的是，根据本发明的方法在电机的转速不超过确定的边界值时才被应用，该边界值可以在10转/秒、优选在1转/秒。
此外尤其优选的是，根据本发明的方法在要求在确定的阈值之上的起动转矩时才被应用。阈值例如在最大转矩的50%，优选在最大转矩的80%。
附图说明
图1示意性地示出了一种车辆，该车辆具有传递系，该传动系具有电机以及用于激励该机器的设备；
图2示出了示例性的电机和相关的功率电子装置的框图；
图3示出了用于对电机实施电场定向激励的电流分量Id和Iq的曲线图；
图4示出了与图3类似的用于示出根据本发明的方法的实施形式的曲线图；
图5示出了与图3类似的用于示出根据本发明的方法的另一实施形式的曲线图；
图6示出了与图3类似的用于示出根据本发明的方法的另一实施形式的曲线图；
图7示出了与图3类似的用于示出根据本发明的方法的另一实施形式的曲线图。
具体实施方式
在图1中，示意性示出汽车，并且大体上用10标明。汽车10具有传动系12，该传动系12在本例子中包含用于提供驱动功率的电机14。传动系12用于驱动车辆10的被驱动的轮16L、16R。
电机14在输出轴上提供转矩并且以可调节转速转动。
传动系12为此可以构建为，车辆10单独借助电机14来驱动（电动车辆）。可替选地，电机14可以是混合传动系12的一部分，其中传动系12可以包含另一在图1中未详细标明的驱动发动机如内燃机等等。此外，传动系12在此情况下可以具有传动装置等。
电机14多相地构造（在此情况下为三相）和借助功率电子装置18来激励。功率电子装置18与车辆10的直流电压供给装置（如车辆10的蓄电池20）连接并且用于将由蓄电池20提供的直流电压逆变成用于电机的三相的三个交流电流。功率电子装置18为此目的具有多个功率开关并且借助控制设备22来激励。此外，该控制设备22可以与电机14连接，以便例如获得电机14的转子的转速和/或 转动位置的实际值。此外，控制设备22可以与蓄电池20连接。最后，控制设备22可以与用于激励传动系12的另外的部件的高级别的或同一级别的控制装置24连接。
图2示意性地示出了功率电子装置18和电机14。
功率电子装置18为了提供三相电流Is1、Is2和Is3总共具有功率半导体（如例如IGBT）形式的六个功率开关，它们彼此连接成本身已知的H电桥电路。三个电桥支路的中间抽头与电机14的相应的励磁绕组连接。励磁绕组28彼此星形地连接，其中优选没有设置零导体。
励磁绕组28在图2中用相V、相U、相W标明。功率开关26以脉宽调制方式激励，使得可以提供基本上正弦的相电流Is1、Is2、Is3，这些相电流还可以彼此相移。
为了使对功率半导体的激励容易，功率半导体被电场定向或根据向量控制的方式来激励。在此情况下，相电流Is1、Is2、Is3被换算成转子固定的随电机14的磁场一起转动的坐标系（所谓的dq系）中。代替相电流，在此情况下控制以此方式变换的电流分量。
在图3中示出了变换过的电流分量Id、Iq的曲线图。为了电机14提供确定的转矩，电流id、iq分别必须调节到确定的值。总电流在此根据式子I=√（Iq2+Id2）来得到。电机14的最大总电流Imax绘成曲线图30中的半圆32。
此外，图3示出了恒定转矩的多个线，其以tq1、tq2、tq3、tq4、tq5、tq6和tq7。
转矩线具有弯曲的曲线，使得为了提供确定的转矩（例如tq5）可以调节工作点38，在该工作点处总电流最小。总电流I_tq5针对该情况作为电流向量36形成，电流向量36由变换过的电流分量Id_tq5和Iq_tq5组成。电流向量36在此具有确定的数值和确定的电流向量角度，电流向量角度在图3中在AI_tq5处示出。
只要要求比较高的转矩（譬如tq5）和电机14的转速在此情况下为零或非常小，由于功率开关26不均匀地承受负载会出现各个功率开关不可容忍的发热。在现有技术中，因此作为保护措施将电流并且由此将转矩减小到较低的值。
图4示出了类似图3的曲线图，其中代替转矩降低在发动机起动运行中对工作点实施步进改变。在此情况下，利用如下自由度，所要求的转矩tq5可以通过不同的电流向量来调节。图4在此情况下示出了电流分量Id和Iq的可能的变化范围，这些电流分量分别导致相同的转矩tq5。此外，在图4中绘出了工作点38，在该工作点处电流消耗最小。
电流向量36现在可以步进调节到其他工作点38'、38''、38'''、38IV，而所发出的转矩不改变。
工作点移动的极限值在所要求的转矩tq5与最大电流Imax的特征曲线交点处并且在图4中在38'或38IV处示出。在极限值处的相关的电流向量在36''和36IV处示出。
换言之，在发动机起动运行中调节步进地转动的电流向量36（例如从角度AI1_TQ5到角度AI2_TQ5），这导致其他功率开关持续地导通相应的最大电流。由此，在停车中通常在有恰好一个功率开关时持续地出现最大负荷循环地分配到多个功率开关上。这导致，在停车中减小了在每个单独功率开关上的热峰值负荷并且由此可以提高可能的持续负载，即持续形成的起动转矩或停车转矩。
所示的工作点的数目可理解为纯粹示例性的。一般而言，可能的是，为了实施该方法仅经过两个不同的工作点。可替选地，可能的是，循环地经过更多数目如三个、四个、五个或更多的不同工作点。
图5示出了用于在发动机起动运行中激励电机的方法的一个可替选的实施形式。在此情况下，也出现工作点移动，用于配置起动转矩tq5。在此，功率开关被激励使得快速连续地经过工作点用以提供不同的转矩，如在图5中在38V和38VI处所示。在平均值上，以此方式提供的转矩要形成所要求的起动转矩tq5。在图5中示例性地示出，随后经过更高的转矩tq6和更低的转矩tq4。在本情况下，所选择的工作点38、38V、38VI的数目仅仅为示例性的。一般而言，可能的是，该方法利用仅仅两个工作点或明显更高数目的工作点来实施。
此外，图5示出了，转矩的调制优选沿着线40进行，其中为实现相应的转矩所需的总电流最小。
图6和图7示出了用于在发动机起动运行中激励电机的方法的其他可替选的实施形式。在图6和图7所示的方法中，电流向量分别步进地在不同的工作点之间运动，这些工作点不仅可以在恒定转矩（tq1-tq7）的线上而且也可以包含不同的转矩。为此，在dq曲线图中分别定义了电流向量36的可用的范围42。在图6中，电流向量36例如在四个工作点38VI、38VII、38IX、38X之间振荡或步进地运动。工作点38VII、38VIII在此在恒定转矩的线tq6上。其他工作点38IX、38X在线tq4上 。所有工作点在本实施形式中在半圆内部，该半圆限定了最大总电流Imax。
在图7的实施形式中，例如三个工作点振荡或步进地经过。这是已经在图4或图5中所描述的工作点38II、38IV、38V。

Claims (8)

1.一种用于在发动机起动运行中借助功率电子装置（18）激励电机（14）的方法，尤其是应用在汽车（10）中，其中功率电子装置（18）具有多个可激励的功率开关（26），所述功率开关（26）为此连接到电机（14）上，为该电机（14）多相地供给电流（I），其中功率电子装置（18）激励为使得静止的或起动的电机（14）发出停车转矩或起动转矩（t），以及
其中对功率电子装置（18）进行激励用以发出停车转矩或起动转矩（t），使得所述功率开关（26）的至少两个功率开关的开关位置改变，从而使得功率开关（26）更为均匀地承受负荷。
2.根据权利要求1所述的方法，其中激励以磁场定向的方式来进行，其中步进地改变空间向量（36）用以发出起动转矩（t）。
3.根据权利要求2所述的方法，其中空间向量是电流向量（36），该电流向量（36）沿着恒定的转矩的线（tq）步进地转动，用以发出起动转矩（t）。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中空间向量是电流向量（36），该电流向量（36）步进地改变，使得由电机发出的转矩（t）改变。
5.根据权利要求4所述的方法，其中电流向量（36）沿着最小总电流的线（40）运动。
6.根据权利要求2至5之一所述的方法，其中电流向量（36）振荡地或循环地在至少两个边界值（38''，38IV、38V、38VI）之间的范围中运动。
7.一种用于在发动机起动运行中激励电机（14）的设备（18，22），尤其是用于应用在汽车（10）中，该设备具有功率电子装置（18），该功率电子装置（18）具有多个可激励的功率开关（26），所述功率开关（26）为此连接，为该电机（14）多相地供给电流（I），并且具有控制设备（22），用于激励功率电子装置（18），其中控制设备（22）被构建为，实施根据权利要求1至6之一所述的方法。
8.一种汽车传动系，其具有至少一个用于提供驱动功率的电机（14）和根据权利要求7所述的用于激励电机（14）的设备（18，22）。
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