CN103813929B - 具有由换流器供电的永磁激励同步电机的电池运行车辆的驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池运行的车辆的驱动系统（2），该驱动系统具有：带有永磁激励的同步电机（10），该同步电机的定子侧的端子（U，V，W）与自换相的换流器（8）的交流电压侧的端子（R，S，T）导电地连接；以及用于受控地短接永磁激励的同步电机（10）的定子侧的端子（U，V，W）的设备（26）。根据本发明，该设备（26）具有三个可关闭的功率半导体（T12，T14，T16；T11，T13，T15），它们电连接成星形连接，可关闭的功率半导体（T12，T14，T16；T11，T13，T15）的自由的端子（48，50，52）分别与永磁激励的同步电机（10）的定子侧的端子（U，V，W）导电地连接，星形连接的星形结点（44，54）借助高电阻值的电阻（46，56）与自换相的换流器（8）的直流电压侧的端子（DC-，DC+）导电地连接。因此，可得到带有永磁激励的同步电机（10）的电池运行的车辆的驱动系统（2），其中在整流器（8）故障情况下可以使出现的制动力矩曲线最小化，这样车辆在故障情况下保持行迹稳定。

Description

具有由换流器供电的永磁激励同步电机的电池运行车辆的驱动系统

技术领域

本发明涉及一种电池运行的车辆的驱动系统。

背景技术

由DE102009044281A1已知一种电池运行的车辆的驱动系统并且在图1中详细示出。在由2表示的已知的驱动系统的所述方框图中，用4表示储能器，用6表示双向的直流转换器，用8表示自换相的换流器，该自换相的换流器也称作脉冲换流器，用10表示驱动电机，尤其是永磁激励的同步电机，并且用12表示电池运行的车辆的驱动轴或驱动轮。对此，将例如为蓄电池的储能器4的电压转换成脉冲换流器8的直流电压的双向的直流电压转换器6具有两个电串联的可关断的半导体T8和T10，尤其是绝缘栅双极型晶体管(Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren，IGBT)，其连接点14借助于扼流圈16与储能器4的脉冲端子导电地连接。在输出端侧上，所述双极型直流电压转换器6具有缓冲电容器18，借助所述缓冲电容器来平滑和缓冲所述直流电压转换器的输出电压。为了将双向的直流电压转换器6的两个输出端子与自换相的换流器8的相应的直流电压侧的端子DC+、DC-连接而设有两个电流母线20和22。电流母线20也称作正的直流电压母线，电流母线22称作负的直流电压母线。通过所述连接是尽可能低电感的，所述两个电流母线20和22以相互间尽可能小的间距铺设。自换相的换流器8实施成是三相的，因为三相的永磁激励的同步电机设置作为驱动电机10。自换相的换流器8具有三个半桥，这些半桥相对于自换相的换流器8的直流电压侧的端子DC+和DC-电并联并且这些半桥分别具有两个串联的可关断的功率半导体T1、T2或T3、T4或T5、T6。IGBT被设置作为可关断的功率半导体T1……T6，因此自换相的换流器8也称作IGBT脉冲换流器。两个可关断的功率半导体T1、T2或T3、T4或T5、T6的各一个连接点形成自换相的换流器8的交流电压侧的端子R或S或T。驱动电机10具有三个定子线圈L_a、L_b和L_c，这些定子线圈电连接成星形并且这些定子线圈的自由端部分别形成定子侧的端子U、V、W。IGBT脉冲换流器8的每个交流电压侧的端子R、S和T与驱动电机10的相关联的定子侧的端子U、V和W导电地连接。驱动电机10的转子机械地与电池运行的车辆的驱动轮12或驱动轴12连接。为了控制IGBT脉冲换流器8的可关断的功率半导体T1……T6和双向的直流电压转换器6的可关断的功率半导体T8和T10而设有控制和调控装置24。

由DE102006060053A1已知了一种电池运行的车辆的驱动系统，该驱动系统不具有双向的直流电压转换器6。在该驱动系统中，储能器4和缓冲电容器18相对于自换相的换流器8的直流电压侧的端子DC+和DC-电并联。除此之外，与DE102009044281A1的驱动系统2没有其他不同之处。

在永磁激励的同步电机10的运行时，尤其是在弱磁运行时，通过自换相的换流器8的故障或者通过控制和调控装置24由于经由自换相的换流器8的空程二极管V1……V6的能量回授而引起的故障，在储能器4中或在没有详细示出的制动电阻中出现制动力矩，所述制动力矩的曲线在图2的图表中详细示出。所述制动力矩例如在具有最大振幅的最大转速n_max的情况下开始并且随着转速变小而减小。当驱动电机10的电机力(EMK)通过转速n减小而相对于要在自换相的换流器8的直流电压侧的端子DC+和DC-上出现的直流电压相应地变小时，该制动力矩为零。除了制动力矩的所述曲线之外，能够附加地出现超电压，该超电压会损毁自换相的换流器8或另外的连接于直流电压电流母线20和22的设备。

在电池运行的车辆中，这种制动力矩是不期望的并且也是不能接受的，因为这种电池运行的车辆的车辆驾驶者会这种运行状态感到非常意外。制动仅由车辆驾驶者导入和控制。此外，这种突然出现的制动力矩还能够引起电池运行的车辆滑向一旁，造成车辆的和其他车辆损坏或毁坏并且可能造成车辆驾驶者受伤。为了在永磁激励的同步电机10尤其在弱磁运行中运行时在驱动系统2的自换相的换流器8的或其控制和调控装置24的故障情况下克制超电压和制动力矩，自换相的换流器8被控制为，使其出现“电枢短路”的运行状态。在该运行状态中，上部的或下部的可关断的功率半导体T1、T3、T5或T2、T4、T6接通，由此永磁激励的同步电极10的定子线圈L_a、L_b和L_c短接。由此，所述同步电机10的现有的动能经由定子线圈L_a、L_b和L_c转换成热量。由此，该动能不再能够转换为引起超电压的电能。借助于这样控制的电枢短路，在故障情况下导入紧急制动。借助于电枢短路产生的制动力矩的转矩曲线在图3的图表中详细示出。从所述曲线推导出，在最大转速n_max的情况下，具有最小振幅的制动力矩开始并且随着转速n减小而增大。在小转速的情况下，该制动力矩的振幅非常快地上升到其最大值并且在此之后非常快地减小直至转速n＝0。

为了在故障情况下减小高的制动力矩(图2)，容易理解的是，接入电枢短路。因为在自换相的换流器的或自换相的换流器的控制和调控装置的故障情况下取消产生电枢短路，电枢短路仅借助于外部设备导入。

在图4中详细示出用于在根据图1的驱动系统2中产生外部的电枢短路的设备26，其中出于概览性的原因，仅示出自换相的换流器8、缓冲电容器18和永磁激励的同步电机10。设备26具有6引脚的二极管桥28和晶闸管30。各两个串联的二极管形成交流电压侧的端子U2或V2或W2。各两个二极管的三个串联电路电并联并且形成两个直流电压侧的端子32和34，相对于该端子，晶闸管30接入为，使得其阴极端子与6引脚的二极管桥28的端子32并且其阳极端子与端子34导电地连接。设备26的交流电压侧的端子U2、V2和W2与永磁激励的同步电机10的相应的定子侧的端子U、V和W导电地连接。

在故障情况下点燃晶闸管30，由此该晶闸管将两个直流电压侧的端子32和34导电地彼此连接。由此，6引脚的二极管桥28在直流电压侧上短接。因为永磁激励的同步电机10的定子侧的端子U、V和W连接于6引脚的二极管桥28的交流电压侧的端子U2、V2和W2，该同步电机10的定子线圈L_a、L_b和L_c被短接。晶闸管30能够借助于熄灭电路再次关断。同样地，已点燃的晶闸管30在其引导交流电流时熄灭。只要电流过零(符号改变)，晶闸管30熄灭。因为在6引脚的二极管桥28的直流电压侧的端子32和34上存在直流电压，当直流电压变成零时，晶闸管30才熄灭。因此，设备26产生制动力矩曲线，例如在图3的图表中示出的曲线。

如果没有接入外部的电枢短路，根据图2的图表的制动力矩在转速n_k时又为零。也就是说，在小于转速n_k的转速n的情况下，制动力矩不再产生作用。在根据图3的制动力矩曲线的情况中，制动力矩仍产生作用，其中制动力矩的最大值在转速非常小时才实现。由此，电池运行的车辆又在没有车辆驾驶者协助的情况下制动至几乎停止，其中在小速度的情况下非常强地制动。这种特性是后面的车辆难以估计的，在这种情况并不与交通相关地产生时，是格外难以估计的。

因此，期望的是，在转速n≤n_k的情况下，再次取消外部电枢短路。但是，这借助设备26是不可能的，因为在没有用于晶闸管30的附加的熄灭电路的情况下，晶闸管不能够在预定的时刻关断。这种熄灭电路使设备26更为复杂并且该熄灭电路由二极管桥28造成的附加的损耗功率是不经济的。

期望的制动力矩的曲线在图5的图表中详细示出。如果在转速n≤n_k时能够再次取消外部电枢短路，该曲线将出现。

在图6中示出设备26的另一个设计方案，该设计方案由EP0742637A1中已知。在设备26的已知的设计方案中设有三个保护装置36，这些保护装置电连接成三角形。两个保护装置36的各一个连接点38、40与永磁激励的同步电机10的定子侧的端子U或V或W导电地连接。借助于保护装置，能够在每个任意的时刻接入并且再次取消电枢短路。当然，如果设备26的保护装置36应当中断时，设备26还能够启动外部电枢短路。通过在负载下允许的开关间隙的受限的数量，设备26的设计方案不能够应用在电池运行的车辆的驱动系统2中。此外，机电器件与电子器件相比要求更大的安装空间，并且此外，电池运行的车辆中的机电器件不再是合乎时势的。借助设备26的所述设计方案能够产生根据图5的制动力矩的曲线。

发明内容

现在，本发明的目的在于这样地对已知的用于受控地短接永磁激励的同步电机的定子侧的端子的设备进行改进，使得不再必须使用机电器件。

通过使用三个电连接成星形连接的可关闭的功率半导体，其中它们的自由端子分别与永磁激励的同步电机的定子侧的端子连接，它的星形结点借助高欧姆的电阻与自换相的换流器的直流电压侧的端子连接，在驱动系统运行时获得用于永磁激励的同步电机的定子侧的端子的控制短路的装置的可测试的设计方式。通过三个电连接成星形的可关闭的功率半导体的星形结点在驱动系统的自换相的换流器的直流电压侧的端子上的高欧姆的连接，在驱动系统的自换相的换流器运行时不再要求也称为空程二极管的附属的反向二极管，因此该二极管不会损坏。

在用于受控地短接永磁激励的同步电机的定子侧的端子的设备的有利的设计方案中，使用IGBT-Sixpack模块作为用于受控地短接永磁激励的同步电机的定子侧的端子的设备。通过使用这种在商业中可得到的IGBT-Sixpac模块极大简化了该设备与自换相的换流器的交流电压侧的端子的连接以及与永磁激励的同步电机的定子侧的端子的连接。

附图说明

参照附图进一步解释本发明，在该附图中根据本发明示意性地示出了几个用于电池运行的车辆的驱动系统的永磁激励的同步电机的定子侧的端子的控制短路的装置的设计方式。

为了继续阐明本发明而参考附图，在所述附图中根据本发明示意地说明电池运行的车辆的驱动系统的用于受控地短接永磁激励的同步电机的定子侧的端子的设备的多个设计方案。

图1示出电池运行的车辆的已知的驱动系统的方框图，

图2示出了在根据图1的驱动系统的自换相的换流器或其控制和调控装置的故障情况下的制动力矩的曲线的图表，

图3示出了在根据图1的驱动系统的自换相的换流器接入电枢短路的情况下的制动力矩的曲线的图表，

图4示出具有用于外部接入电枢短路的设备的根据图1的驱动系统的方框图，

图5示出了在根据图1的驱动系统的自换相的换流器或其控制和调控装置的故障情况下期望的制动力矩的曲线的图表，

图6示出了具有用于外部接入电枢短路的设备的另一个已知的设计方案的根据图1的驱动系统的方框图，

图7和8分别示出了在根据图1的驱动系统中用于外部接入电枢短路的设备的根据本发明的设计方案，并且

图9示出在根据图1的驱动系统中外部接通电枢短路的装置的根据本发明的优选设计方案。

具体实施方式

由于根据图1对驱动系统2进行概览性的陈述的原因，在图7中仅示出了缓冲电容器18、自换相的换流器8和永磁激励的同步电机10。此外，该方框图示出了设备26的根据本发明的实施方式，借助该设备，永磁激励的同步电机10的定子侧的端子U、V和W能够被短接预定的时间段。对此，设备26具有三个可关闭的功率半导体T12、T14和T16，特别是IGBTs。代替IGBTs，也可以使用金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)作为设备26的可关闭的功率半导体T12、T14、T16。可关闭的功率半导体T12、T14和T16电连接成星形，它们的星形结点44借助高电阻值的电阻46与自换相的换流器8的直流电压侧的端子DC-连接。可关闭的功率半导体T12、T14、T16的自由的端子48、50和52与永磁激励的同步电机10的定子侧的端子U、V和W导电地连接。

通过星形结点44在自换相的换流器8的直流电压侧的端子DC-上的高电阻值的连接，设备26与自换相的换流器8在电位上分离。此外，设备26与参考电位规定连接，使得星形结点44的电位在设备26运行时不可以改变。从而避免星形结点44的电位的漂浮。

通过设备26的这种设计方式，永磁激励的同步电机10可以在任意时间在其的定子侧的端子U、V、W上短路。也就是说，借助设备26的根据本发明的设计方式，可以有目的地外部地接通或者再次取消电枢短路。通过外部接通的电枢短路，特别是在弱磁运行时的电池运行的车辆驱动系统运行时，可以使自换相的换流器8以及它的控制和调整装置24在故障情况下所出现的制动力矩最小化，因此电池运行的车辆保持行迹稳定，并且车辆驾驶员对于错误的自换相的换流器8以及它的控制和调整装置24的突然反应(制动力矩)并不感到意外。

通过设备26的星形结点44在自换相的换流器8的直流电压侧的端子DC-上的高电阻值的连接产生这一可能性，即随时检测可关闭的功率半导体T12、T14、T16的功能。对此这样连续控制每个可关闭的功率半导体T12、T14、T16，使得可靠地接通它。因此，自换相的换流器8的交流电压侧的端子R、S和T借助高电阻值的电阻46与其直流电压侧的端子DC-(参考电位)导电地连接。由此，电流流经高电阻值的电阻46，电流在该电阻46上产生电压降。只要三个所谓的测试电压中的一个不被检测到，可关闭的功率半导体T12或者T14或者T16就不再生效。在这种情况下，借助设备26不再能从外部接通电枢短路，这样在故障情况下出现的制动力矩根据图2的图表不再能够根据期望地最小化。因此出现上述结果。

在图8中示出了设备26的根据本发明的可替代的设计方案。该可替代的设计方案与根据图7的装置26的设计方式的区别在于，三个连接成星形的可关闭的功率半导体T11、T13和T15的星形结点54现在借助高电阻值的电阻56与自换相的换流器8的直流电压侧的端子DC+导电地连接。设备26的设计方案的变体与根据图7的设备26的设计方案在功能上是相同的。

在图9中示出了设备26的根据本发明的有利的设计方式。该设计方式结合了根据图7和图8的设备26的两个设计方案。设备26的该设计方案因此是特别有利的，因为使用Sixpack模块、特别是IGBT-Sixpack模块作为可关闭的功率半导体T11、T13、T15和T12、T14、T16。通过使用这种模块，结构非常明显地简化。只有交流电压侧的输出端R’、S’和T’必须分别与相应的自换相的换流器8的交流电压侧的端子R、S或者T以及与永磁激励的同步电机10的定子侧的端子U、V或者W导电地连接。IGBT-Sixpack模块的两个直流电压侧的端子中的一个分别与下方的或者上方的可关闭的功率半导体T12、T14、T16或者T11、T13、T15的星形结点44或者54导电地连接，其中借助高电阻值的电阻46或者56连接在自换相的换流器8的直流电压侧的端子DC-或者DC+的电位上。该设计方式由此进一步改进，即IGBT-Sixpack模块的两个直流电压侧的端子中的另一个也借助另一个高电阻值的电阻56连接在自换相的换流器8的直流电压侧的端子DC+的电位上。这种可能性借助图9的方框图内的虚线来表示。出现在星形结点44和54之间的电压可以为了IGBT-Sixpack模块的可关闭的功率半导体T11、T13、T15、T12、T14、T16的控制的能源供应而退耦。

因此，根据本发明地设计用于外部接通电枢短路的设备26，在故障情况下出现的制动力矩根据图2的图表内的曲线修改为根据图5的图表的所期望的曲线。因此，带有永磁激励的同步电机10的电池运行的车辆的车辆驾驶员不再对突然出现的最大的制动力矩感到意外，该制动力矩由于在自换相的换流器8和它的控制和调整单元24内的故障而产生。因此，电池运行的车辆在故障情况下保持行迹稳定，这样后面的车辆驾驶员也不会对突然转向和/或者强烈制动的车辆感到意外。

Claims (4)

1.一种电池运行的车辆的驱动系统(2)，所述驱动系统具有：永磁激励的同步电机(10)，所述永磁激励的同步电机的定子侧的端子(U，V，W)与自换相的换流器(8)的交流电压侧的端子(R，S，T)导电地连接；以及用于受控地短接所述永磁激励的同步电机(10)的所述定子侧的端子(U，V，W)的设备(26)，其特征在于，所述设备(26)具有三个可关闭的功率半导体，所述可关闭的功率半导体电连接成星形连接，三个所述可关闭的功率半导体的自由的端子(48，50，52)分别与所述永磁激励的同步电机(10)的所述定子侧的端子(U，V，W)导电地连接，星形连接的星形结点(44，54)借助高阻值的电阻(46，56)与所述自换相的换流器(8)的直流电压侧的端子(DC-，DC+)导电地连接。

2.根据权利要求1所述的驱动系统(2)，其特征在于，分别设置绝缘栅双极型晶体管作为所述可关闭的功率半导体。

3.根据权利要求1所述的驱动系统(2)，其特征在于，分别设置MOS场效应晶体管作为所述可关闭的功率半导体。

4.根据权利要求1所述的驱动系统(2)，所述驱动系统带有六个所述可关闭的功率半导体，其特征在于，设置IGBT-Sixpack模块作为所述可关闭的功率半导体。