CN104812615A - 具有电机和两个车载电网子系统的车辆 - Google Patents

Abstract

具有N相电机的车辆具有第一车载电网子系统(BN1)和具有第二车载电网子系统(BN2)，其中，所述电机包括转子和定子系统(1)，所述第一车载电网子系统包括逆变器(2)，定子系统配设于逆变器，并且电机能够根据磁场定向调节原理利用逆变器调节器运行，这样使得定子系统以星形连接实施，星形接点与第二车载电网子系统连接或者能够经由星形接点开关(5)与第二车载电网子系统连接，逆变器调节器包括电流调节器和星形接点调节器，电流调节器调节定子系统的相电流，并且星形接点调节器调节星形接点电流。

Description

具有电机和两个车载电网子系统的车辆

技术领域

本发明涉及一种具有N相电机的车辆，所述车辆具有第一车载电网子系统和具有第二车载电网子系统，其中，所述电机包括转子和定子系统，第一车载电网子系统包括逆变器，定子系统配设于逆变器，并且能电机根据磁场定向调节原理利用逆变器调节器运行。

背景技术

通常在车辆中，车载能量系统为作为电能消耗器的组件提供14伏额定电压水平。次级12伏蓄能器和14伏发电机按照在车辆中提供2～3kW的电功率来设计，该次级12伏蓄能器在车载电网中根据运行情况承担能量源的功能或能量接收器(Energiesenke)的功能。

特别是当具有提高的功率需求的多个消耗器集成到车辆的车载电网中时，车载电网可以具有两个车载电网子系统。于是直流调节器在所述两个车载电网子系统之间传送电功率。在具有电气化传动系的车辆中也能电动机式地运行的电机如每个车载电网子系统的至少一个蓄能器那样具有作为车辆中的电能源或电能接收器的功能。这样的车载电网子系统拓扑例如在文献DE 102 44 229 A1中示出。

发明内容

本发明的目的在于，描述一种改进的、具有多相电机的车辆，所述车辆具有第一车载电网子系统和具有第二车载电网子系统，其中，所述电机包括转子和定子系统，所述第一车载电网子系统包括逆变器，定子系统配设于逆变器，并且电机能根据磁场定向调节原理利用逆变器调节器运行。

通过根据权利要求1的车辆达到该目的。由从属权利要求得出本发明的有利的实施形式和进一步扩展方案。

根据本发明，定子系统以星形连接实施，星形接点与第二车载电网子系统连接或者能通过星形接点开关与第二车载电网子系统连接，并且逆变器调节器包括电流调节器和星形接点调节器。

这意味着，电机的星形接点可以通过星形接点开关与第二车载电网子系统的电位连接或者持续地相连接。因此，能实现经过星形接点的电流，所述电流被称为星形接点电流。如果电机通过星形接点开关与第二车载电网子系统连接，那么星形接点电流作为附加的自由度被引入到电机中。通过如下方式扩展电机的调节原理，即，调节电机并且具有用于定子系统的电流调节器的逆变器调节器补充有星形接点调节器。通过该星形接点调节器可调节经过星形接点的电流。第二车载电网子系统例如可以通过电消耗器或者备选地或补充地通过电机的星形连接或三角连接中的其他的定子系统构成。此外，中间电路电容器可以配设于逆变器。

根据本发明的一种优选的实施方式，定子系统的N个相电流中能测量至少N-1个相电流，所测量的相电流通过扩展的克拉克－帕克变换能变换为如下的电流矢量，所述电流矢量具有形成磁通量的分量、形成磁矩的分流、零电流分量的磁磁场定向的电流矢量，其中，星形接点电流是零电流分量的三倍。

持续的电连接理解为：未断开的并不可断开的电流通路。这例如意味着二极管可以被引入到电流通路中。

因此，电机能根据本领域技术人员对电机已知的磁场定向调节原理来调节。根据该原理，例如在三相电机中，定子系统的两个相电流被测量并且通过二维克拉克－帕克变换被变换为两个转子不变的电流值。所述两个转子不变的电流值称作形成磁通量的电流分量和形成磁矩的电流分量。通过控制单元例如通过控制器进行变换。

根据一种优选的实施方式，测量两个相电流以及星形接点电流或者可选地测量三个相电流。

在测量三个相电流时，将所述三个相电流提供给扩展的三维克拉克－帕克变换，该扩展的三维克拉克－帕克变换以灵巧的方式修改对于本领域技术人员已知的二维克拉克－帕克变换。除了形成磁通量的电流分量和形成磁矩的电流分量以外，得到零电流分量作为另外的分量。该电流零分量是星形接点电流的三分之一、即经过电机的星形接点的通过电流的三分之一。

通常地，即在任意多相电机中，总共设有数量至少等于电机的相的数量N的经由电流测量器件的电流测量部位。

此外，特别有利的是，逆变器调节器将形成磁通量的电流分量作为一个调节参量，将形成磁矩的电流分量作为一个调节参量、将零电流分量作为一个调节参量、将形成磁通量的电流分量的第一理论电流参量作为一个理论参量、以及将形成磁矩的电流分量的第二理论电流参量作为一个理论参量、以及将星形接点电流的星形接点理论电流作为一个理论参量、并且输出配设于形成磁通量的电流分量的第一定子调整电压作为一个调整参量，输出配设于形成磁矩的电流分量的第二定子调整电压作为一个调整参量，以及输出配设于零电流分量的第三定子调整电压作为一个调整参量。

基于零电流分量和星形接点电流之间的关系，第三定子调整电压直接配设于星形接点电流。因此，第三定子调整电压可被理解为星形接点调节器的调整参量，所述第一和第二定子调整电压用作用于定子系统的电流调节器的调整参量。

根据本发明的一种特别优选实施方式，所述电流调节器和星形接点调节器基本上实施为PI调节器。

基于调节对象，电流调节器和星形接点调节器设计为鲁棒的PI调节器是特别有利的，该调节对象描述电机的参量如转速、接收的(abnehmen)转矩、达到的(eingehen)转矩、转子相对于定子的角位置、穿过定子和转子的磁通量以及相电压和相电流之间的关系。

备选地，在同样小的复杂性的情况下可应用具有与PI调节可相比较的动态性和精确度的调节电路，例如PID调节器或具有预调的调节器。

根据本发明的另一种实施方式，N相电机构成为三相电机并且逆变器包括六个逆变器开关，所述逆变器开关设置在用于定子系统的三相的三个半桥中，并且逆变器在开关周期中根据脉冲宽度调制原理切换用于每个所述相的相电压，其中，第一定子调整电压、第二定子调整电压和第三定子调整电压通过扩展的克拉克－帕克逆变换可变换为定子系统要切换的相电压。

因此，要切换的相电压通过修改的克拉克－帕克逆变换来确定，其中，克拉克－帕克逆变换的修改对应于克拉克－帕克变换对于扩展的克拉克－帕克变换的修改。所得到的相电压可通过逆变器脉冲宽度调制来切换，就是说，相电压通过如下方式来调整，即，通过断开半桥中心和第一车载电网子系统的较低电位之间的逆变器开关和接通半桥的其他开关来将相应半桥中心切换到第一车载电网子系统的较高电位上一段确定的时间，其中，开关时间与周期时间的比例与要调征的相电压成正比。以此在周期的时间中点调整相电压。

根据本发明另一种变型方案，在星形接点开关闭合的情况下并且在星形接点电流具有从星形接点到第二车载电网子系统的电流方向的情况下，电机引起电功率从第一车载电网子系统传送到第二车载电网子系统。

这意味着，如果电机预定和调整星形接点理论电流，所述星形接点理论电流对应于从星形接点到第二车载电网子系统的通过电流，那么电机作为降压变流器起作用。

根据本发明另一种变型方案，在星形接点开关闭合的情况下并且在星形接点电流具有从第二车载电网子系统到星形接点的电流方向的情况下，电机引起电功率从第二车载电网子系统传送到第一车载电网子系统。

这意味着，当电机预定和调整星形接点理论电流，所述星形接点理论电流对应于从第二车载电网到星形接点的通过电流，那么电机作为升压变流器起作用。

此外，在星形接点开关闭合的情况下，通过预定星形接点理论电流和调整星形接点调节电压可调整星形接点电流，该星形接点电流对应于从第二车载电网子系统到星形接点的通过电流或从星形接点到第二车载电网子系统的通过电流。

由此，电机作为双向功率调整器起作用。这既适用于旋转的转子也适用于静止的转子。

附图说明

下面借助附图描述本发明的优选实施例。由此得出本发明的其他的细节、优选实施形式和进一步扩展方案。详细示意地示出：

图1具有两个车载电网子系统、电机和星形接点开关的车辆。

具体实施方式

根据图1的实施形式示例性地示出N相电机，作为一个具有转子和定子系统(1)的三相实施的电机。所述三相被称为(u，v，w)。电机配设有逆变器(2)和中间电路电容器(3)。电机、逆变器和中间电路电容器是车辆的第一车载电网子系统(BN1)的组成部分。此外，该车载电网子系统具有至少一个第一电蓄能器(3’)，该第一电蓄能器可以实施为电化学蓄能器。根据本领域技术人员已知的磁场定向调节(FOR)原理，通过逆变器进行电机的操控，所述电机既可以发电机式地运行也可以电动机式地运行。为此，逆变器优选被设计为桥式变流器，就是说电机的每相配设有逆变器的电半桥。半桥由两个开关的串联电路组成，其中，配设于较高电位的开关相应称为高侧开关(HS1、HS2、HS3)并且配设于较低电位的开关相应称为低侧开关(LS1、LS2、LS3)。

备选于桥式变流器，也可以使用多级变流器。此外，在没有普遍性限制的情况下，以桥式变流器为出发点。

车辆还具有第二车载电网子系统(BN2)，该第二车载电网子系统例如包括具有可选的中间电路电容器(12)和电消耗器(13)的第二电蓄能器(4)。第二车载电网子系统可以表示不同的实施形式。对于这些实施形式共同的是，第二车载电网子系统的较低电位对应于第一车载电网子系统的低电位。特别是在第二车载电网子系统的较高电位与第一车载电网子系统的较高电位之间不存在电连接。

然而，电机的星形接点(1a)与第二车载电网子系统的较高电位持续电连接或者能通过被称为星形接点开关(5)的开关电连接。

根据第二车载电网子系统的其他实施方式，该第二车载电网子系统包括这样的定子，该定子可以优选地以星形、备选地以三角形电路连接。于是星形接点(1a)可与第二车载电网子系统的星或与三角形连接或者通过星形接点开关连接。

电机的相电流(I_u、I_v、I_w)是可测量的。所测量的相电流提供给如下的变换：

(等式1)

其中适用，

β_el＝β_mech·Z_p

并且β_el表示转子的电角度并且Z_p表示电机的极对数。

(等式1)中的变换的结果是磁场定向电流矢量(I_d、I_q、I₀)，其中，分量I_d对应于形成磁通量的分量并且分量I_q对应于形成磁矩的分量。

在分量I_d和I_q方面，该变换对应于本领域技术人员已知的克拉克－帕克变换，就是说，等式1中的3×3矩阵中的2×2矩阵对应于克拉克－帕克矩阵。这在等式1中以灵巧的方式扩展为3×3矩阵，这样使得所得到的零电流分量(I₀)对应于星形接点电流(I_Stern)的三分之一。3×3矩阵基于所谓的扩展的克拉克－帕克变换。

这意味着，所述三个相电流的测量通过等式1中的变换和零电流分量的三倍对应于星形接点导致无需在测量技术上对此进行采集。在三相电机的情况下并且借助灵巧的2×2克拉克－帕克矩阵扩展至经扩展的3×3克拉克－帕克矩阵而得出电机的以下关系：

通过相电流的总和形成如下的电流：

I_Stern＝I_U+I_V+I_W

每个所述相电流是具有偏移I0的正弦电流，其中，偏移在各相上均匀分布地调节或者说均匀分布是调节目标(定子电流调节器参见下面)：

(等式1a)

由此从节点调节得出星电流，

相同幅值的三个分别位错120°的正弦电流(对应于三相电机的定子结构)的总和为零。幅值的相等性同样是磁场定向调节情况下的调节目标和用于定子系统的对称性的中心元素。由此使I_Stern简化为：

I_Stern＝3·I₀

等式1中的克拉克－帕克变换再次得出：

$I_0=2/3\·\left[\begin{array}{ccc}1/2& 1/2& 1/2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{I}_U\\ I_V\\ I_W\end{array}\right],$ 借此通过代入等式1a得出：

三角变换结果为

$I_0=\frac{2}{3}\·[\frac{1}{2}\·I_0+\frac{1}{2}\·I_0+\frac{1}{2}\·I_0]=\frac{2}{3}\·\frac{3}{2}\·I_0=I_0,$

借此示出，通过等式1的电流零分量的确定对应于星形接点电流的测量。

克拉克－帕克变换的边界条件通常是I_Stern＝0A。因此对于扩展的克拉克－帕克变换适用：1/3·I_Stern＝1/3·(I_u+I_v+I_w)＝I₀。

此外，与克拉克－帕克变换相比，通过扩展的克拉克－帕克变换以灵巧的方式利用附加的自由度。

电机配设有控制器，该控制器具有输入参量和输出参量以及理论参量。如在本领域技术人员已知的磁场定向调节中，形成磁通量的理论电流(I^* _d)和形成磁矩的电流(I^* _q)用作电机的理论参量。这些理论参量的预定值由电机的运行策略得到并且基本上依循对电机的转矩要求。这不是本发明的对象。

形成磁通量的电流(I_d)和形成磁矩的电流(I_q)用作与理论参量(I^* _d)和(I^* _q)对应的调节参量。调节器输出第一定子调整电压(U_d)和第二定子调整电压(U_q)作为调整参量。调节器的输出第一和第二定子调整电压的部件被称为定子电流控制器。

定子电流控制器扩展出附加的控制器，该附加的控制器被称为星形接点控制器。星形接点理论电流(I^* _Stern)用作理论参量，其中，星形接点电流(I_Stern)用作调节参量。此外，星形接点控制器给出第三定子调整电压(U₀)作为系统的其他调整参量。

借此图1中的系统的主要优点是基于以下原因，即，通过星形接点(1a)与第二车载电网子系统连接，从星形接点流到第二车载电网子系统或者从第二车载电网子系统流到星形接点的有针对性的星形接点电流是可调整的。在通过扩展克拉克－帕克矩阵和引入电流零分量来调节电机时考虑图1中的系统的自由度，与电绝缘的定子系统相比，通过星形接点(1a)与第二车载电网子系统的电连接得出该自由度。

在调节对象(Regelstrecke)中通过如下方式考虑附加的自由度，即，除了由本领域技术人员已知的FOR的定子电流控制器之外，附加的星形接点控制器实施为具有星形接点电流的理论参量。

由定子电流控制器和星形接点控制器得到的转子不变的调整电压U_d、U_q和U₀通过逆变换转化为用于每个相的定子不变的电压参量Uu、U_v和U_w，这些电压参量在每个周期中能通过电机上的逆变器(2)调整。

逆变换被称为扩展的克拉克－帕克逆变换并且根据以下规则变换所得到的调整电压：

(等式2)

这意味着，克拉克－帕克逆变换给出在各个周期中要调整的相电压。

等式2中的3×3矩阵是等式1中的3×3矩阵的逆变换矩阵。

等式2中得到定子不变的电压参量可以用本领域技术人员已知的方法(例如用通过调整分别属于一相的半桥的高侧开关和低侧开关的相应的开关时间所实现的脉冲宽度调制方法)通过接入中间电路(3)的电压U_Zk经由逆变器(2)来调整。

以这种方法能够实现调整电机的通过理论参量I^* _Stern预定的星形接点电流。这与电机是否处于发电机式或电动机式的运行状态或者处于停止或空转无关。星形接点电流的有针对性的调整在车辆中、例如在48伏的第一车载电网子系统的额定电压水平和在12伏的第二车载电网子系统的额定电压水平中起作用，特别有利的是：12伏车载电网子系统是可通过具有星形接点电流提供电功率。这使得可放弃12伏车载电网子系统中的单独的发电机。然而特别是不需要用于在所述两个车载电网子系统之间进行功率转换的直流调节器。通过星形接点电流的方向可在所述两个车载电网子系统之间双向地转换电功率。换句话说，电机在使用极其少的构件的情况下承担直流调节器的功能。这减轻重量、成本和结构空间。此外，这两个车载电网子系统可通过调整星形接点电流来相互支持，就是说，能通过可调整的星形接点电流来达到电压稳定。此外，车辆中的能通量的分配例如在能量回收的情况下能非常可变地实施。如果例如回收功率不能由48伏车载电网子系统来接收，那么这可以被改道到12伏车载电网子系统中。借此提高回收潜能。

根据另一种实施方式，对于通过定子电流调节器和星形接点调节器的调节可选择另一个坐标系，其方式为：例如代替测量所述三个相电流(I_u、I_v、I_w)测量任意选择的两个相电流以及附加地测量星形接点电流I_Stern。于是通过相应修改的扩展的克拉克－帕克变换和通过相应修改的扩展的克拉克－帕克逆变换进行对于调节耗费尽可能适合的参量的变换。

同样，等式1和等式2以类似方式的相应适配是必需的，当电机具有与如在第一实施例中的N＝3所不同的相数。在具有N＝5的五相电机中进行五个电流测量(例如，五个相电流的测量)并且用于克拉克－帕克变换的矩阵和用于克拉克－帕克逆变换的矩阵分别构成为5×5矩阵。

在所示出的实施方式中，逆变器是功率电子单元的组成部分，该功率电子单元包括定子电流调节器、星形接点调节器和用于相电流测量的电流测量器件。例如可以通过霍尔传感器或分流电阻进行相电流测量。优选通过在功率电子单元的微控制器中的A/D转换进行模拟测量信号到可数字处理的信号的后续变换。定子电流调节器和星形接点调节器优选实施为微控制器形式或FPGA形式。

根据描述的实施形式，电机的星形接点可选择地通过星形接点开关连接。这是特别有利的。在星形接点与第二车载电网子系统的持续的固定连接的情况下并且在星形接点电流受调节时，电机较早地(亦即在转速较低时)达到所谓的磁场减弱范围。较早使用磁场减弱导致，电机在确定的转速中与在没有电连接星形接点时相比能够给出更低的转矩。星形接点开关的断开抑制星形接点电流并且提高在确定的转速中可得出的转矩。

在具有未电连接的星形接点的电机中，就是说，在传统地通过空间矢量调制运行的电机中，零向量被均匀分布并且能够在最大值时运行相应相的电压。于是星形接点处的电压波动U_Zk/2。在FOR中均匀分布的零向量是本领域技术人员已知的并且意味着，零时(此时所有相均被切换到较高电位或所有相均被切换到较低电位)在切换周期中尽可能对称地分布。

如果现在星形接点持续地与第二车载电网子系统连接，那么星形接点电压波动电压值U_Bn/2，其中，电压U_Bn描述中间电路(12)的电压值。这样具有如下缺点，转速(所谓的额定转速)向较低转速的方向降低，从该转速起向较高转速的方向开始磁场减弱。因此，电机在可得到的转矩方面可能未被优化地利用。零时可以非自由地分布。随后是最大相电压的减小并且由此额定转速移动至较小的电机转速。

星形接点开关的断开抑制额定转速向较小的电机转速移动并且由此抑制可从电机得到的机械功率降低。

Claims (9)

1.具有N相电机的车辆，所述车辆具有第一车载电网子系统(BN1)和具有第二车载电网子系统(BN2)，其中，所述电机包括转子和定子系统(1)，所述第一车载电网子系统包括逆变器(2)，定子系统配设于逆变器，并且电机能够根据磁场定向调节原理利用逆变器调节器运行，其特征在于，

－定子系统以星形连接实施，

－星形接点与第二车载电网子系统连接或者能经由星形接点开关(5)与第二车载电网子系统连接，

－逆变器调节器包括电流调节器和星形接点调节器，

－电流调节器调节定子系统的相电流，并且

－星形接点调节器调节星形接点电流。

2.根据权利要求1所述的车辆，其特征在于，

－所述车辆包括用于测量至少N-1个相电流和星形接点电流的测量装置或者车辆包括用于测量至少N个相电流的测量装置，

－所述车辆具有控制单元，所述控制单元包括逆变器调节器。

3.根据权利要求2所述的车辆，其特征在于，

－测量装置测量电机的N个电流(I_u、I_v、I_w)，以及

－控制单元通过扩展的克拉克－帕克变换将所测量的电流(I_u、I_v、I_w)转换为磁场定向的电流矢量(I_d、I_q、I₀)，该磁场定向电流矢量具有形成磁通量的分量(I_d)、形成磁矩的分量(I_q)和零电流分量(I₀)，其中，星形接点电流(I_Stern)是零电流分量的三倍。

4.根据权利要求3所述的车辆，其特征在于，

－逆变器调节器将形成磁通量的分量作为调节参量，

－逆变器调节器将形成磁矩的分量作为调节参量，

－逆变器调节器将零电流分量作为调节参量，

－逆变器调节器将形成磁通量的分量的第一理论电流参量(I^* _d)作为理论参量，

－逆变器调节器将形成磁矩的分量的第二理论电流参量(I^* _q)作为理论参量，

－逆变器调节器将星形接点理论电流(I^* _Stern)作为理论参量，

－逆变器调节器输出第一定子调整电压(U^* _d)作为调整参量，

－逆变器调节器输出第二定子调整电压(U^* _q)作为调整参量，以及

－逆变器调节器输出第三定子调整电压(U^* ₀)作为调整参量。

5.根据权利要求4所述的车辆，其特征在于，

－电流调节器和星形接点调节器基本上实施为PI调节器。

6.根据权利要求4所述的车辆，其特征在于，

－N相电机构成为三相电机，

－逆变器包括六个逆变器开关(HS1、HS2、HS3、LS1、LS2、LS3)，

－这六个逆变器开关设置在用于定子系统的三相的三个半桥中，

－第一定子调整电压、第二定子调整电压和第三定子调整电压通过扩展的克拉克－帕克逆变换可变换为定子系统的相电压(U_u、U_v、U_w)，并且

－逆变器根据脉冲宽度调制原理在开关周期中切换用于每个所述相的相电压。

7.根据权利要求2至6之一所述的车辆，其特征在于，在星形接点开关闭合的情况下，

－在星形接点电流(I_Stern)具有从星形接点到第二车载电网子系统的电流方向时，电机将电功率从第一车载电网子系统传送到第二车载电网子系统并且作为降压变流器起作用。

8.根据权利要求2至6之一所述的车辆，其特征在于，在星形接点开关闭合的情况下，

－在星形接点电流(I_Stern)具有从第二车载电网子系统到星形接点的电流方向时，电机将电功率从第二车载电网子系统传送到第一车载电网子系统并且作为升压变流器起作用。

9.根据权利要求4至8之一所述的车辆，其特征在于，

－通过预定星形接点理论电流和调整星形接点调整电压可调整星形接点电流(I_Stern)，以及

－电机在星形接点开关闭合的情况下作为单向的或双向的功率调整器起作用。