CN106797186B - 电驱动系统和用于运行电车辆的电机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实现一种电驱动系统和一种用于运行电机的方法，其中在第一运行模式中在使用第一电压的情况下驱控电机。为了暂时的功率提高，还可以在第二运行模式中驱控电机，其中用于驱控的电压通过另一能量源来提高。

Description

电驱动系统和用于运行电车辆的电机的方法

技术领域

本发明涉及一种电驱动系统、一种具有电驱动系统的机动车和一种用于运行电机的方法。

背景技术

为了在电动车辆、诸如电驱动的轿车中在同时高的最终速度的情况下实现良好的加速度，已知不同的方案。例如电机可以通过两档变速器与车轮耦合。此外还已知的是，在特别运动的和功率强劲的电动车辆中，相应大地确定电机的尺寸，以便即使在高转速的情况下还能够提供足够的转矩。

此外，DE 10 2011 056 012 A1描述了一种电动车辆的具有两个单独的电机的传动系，其中第一电机相较于第二电机针对较高的最大转矩、但是较低的最大转速来设计。

基于在电驱动系统的领域中的特别是针对电动车辆的越来越多的进一步研发，存在对成本适宜的、高效的、有助推能力的电驱动系统的需求。

发明内容

对此，根据第一方面，本发明实现一种电驱动系统，该电驱动系统具有：电能存储器，该电能存储器包括第一电能存储设备和第二电能存储设备；电机；和逆变器，该逆变器被设计用于，在第一运行模式下在使用由第一能量存储设备提供的第一电压的情况下驱控所述电机，并且在第二运行模式下在使用由第一能量存储设备和第二能量存储设备构成的串联电路所产生的第二电压的情况下驱控所述电机。

根据另一方面，本发明实现一种用于运行电机的方法，该方法具有以下步骤：提供电能存储器，该电能存储器包括第一电能存储设备和第二电能存储设备；在第一运行模式下在使用由第一能量存储设备提供的第一电压的情况下驱控所述电机；和在第二运行模式下在使用由第一能量存储设备和第二能量存储设备构成的串联电路所产生的第二电压的情况下驱控所述电机。

本发明的优点

本发明所基于的构思是，根据当前所需的功率需求以不同的电压驱控电驱动系统中的电机。在低的转速或小的功率需求的情况下，电机在此可以由合适的能量存储设备中的较低的电压来驱控。为了功率提高，特别是在高转速下，此外可以通过将该能量存储设备与另外的能量存储设备组合来提高用于驱控电机的电压。

通过该方式可以的是，即使在低的功率需求的情况下也在高效的工作点中驱控电机。因此，在低的功率需求的情况下实现很好的效率，该效率大于常规驱动系统在部分负载运行中的效率。

在更高的功率需求的情况下，例如针对在高转速下的强烈的加速度或针对在相对高的速度下驱动电动车辆，此外可以通过附加的能量存储设备提高用于驱控电机的电压。对此，例如多个能量存储设备串联，使得各个能量存储设备的端电压的和可供用于驱控电机。

因此，通过电驱动系统的根据本发明的驱控，一方面在少的功率需求的情况下实现高的效率，此外同时也为高功率和高转速提供足够的能量储备。该运行模式也被称为助推运行模式。在此仅需要常规驱动系统的相对少的修改。与常规的需要耗费的传动机构、附加的电机或类似的部件的解决方案不同，所述电驱动系统的成本、重量和体积下降。

根据一种实施方式，逆变器包括中性点钳位（NPC）逆变器。NPC逆变器相较于常规的B6桥允许在使用具有不变的耐压强度的开关元件的情况下输出电压的加倍。通过该方式可以的是，在运行模式中以相应高的电压驱控电机，而不必为此研发新的更耐压的开关元件。因此，具有足够的耐压强度的相应半导体开关元件、特别是MOSFET、IGBT、碳化硅（SiC）或氮化镓（GAN）开关元件已经市售可用。此外，NPC逆变器的使用也允许所需的无源器件由于较高的可能的开关频率而减少，而这不显著影响效率。此外，一个开关的失效不必然导致NPC逆变器的完全失效，由此也可以提高电驱动系统的可用性。

根据另一种实施方式，第一电能存储设备和第二电能存储设备在一个节点处相互连接。该节点与NPC逆变器的中间端子（中性点）电连接。通过该方式，例如具有中间抽头的电池可以用作能量存储器。该中间抽头在该情况下是两个能量存储设备之间的节点。通过该方式可以特别简单地实现针对根据本发明的电驱动系统的能量供应。

根据一种实施方式，逆变器还被设计用于在回收模式中整流由电机所提供的电压。所述被整流的电压可以通过逆变器提供给第一电能存储设备和/或第二电能存储设备。通过该方式可以的是，通过电机将运行能转化为电能并且将所述电能又输送给电能存储器。

根据一种实施方式，第一能量存储设备和第二能量存储设备不同地构造。例如第一能量存储设备可以包括高能存储设备。这样的高能存储设备被设计用于存储大量的能量并且在需要时又输出这些能量。通过该方式，例如可以通过第一电能存储设备提供针对电机的较长期的运行所需的能量。 此外，例如第二电能存储设备可以实施为高功率能量存储器。这样的高功率能量存储器特别是能够非常快速地提供大量的电能。所述提供的电能例如可以用于强烈的加速度过程或电机在特别高功率下的短时间允许。通过两个电能存储设备的不同实施方案，在此两个能量存储设备中的每个可以单独适配于相应的要求。

如果此外例如在回收期间电能存储器也通过逆变器充电，则在此特别是可以优选地选择两个电能存储设备之一。在该情况下，在回收过程期间应该被充电的能量存储设备可以针对提高数量的充电循环来进行优化。例如对此特别适合的是超级电容器或类似的。如果在回收期间给针对提高数量的充电循环来设计的能量存储设备充电，则可以提高整个能量存储设备的预期寿命。

在一种替代的实施方式中，第一能量存储设备和第二能量存储设备相同地构造。通过该方式，可以在没有提高的研发花费的情况下特别简单地实现所需的电能存储器。

根据另一种实施方式，第一能量存储设备包括牵引电池。因此可以特别简单地构造用于根据本发明的驱动系统的电能存储器。

根据一种实施方式，第一能量存储设备和/或第二能量存储设备具有至少300伏特的端电压。优选地，相应的端电压具有大约400伏特的电压。对于这样的电压水平，已经存在大量的可用的具有足够的耐压强度的器件、诸如牵引电池和逆变器。因此在该情况下可以特别简单并且成本适宜地构造电驱动系统。

根据一种实施方式，如果电机的转速超过预先确定的第一极限值和/或要由电机提供的转矩超过预先确定的第二极限值，则在第二运行模式中驱控电机。通过根据电机的转速和/或所要求的转矩在两个运行模式之间进行变换，对于每个情况可以选择最优的运行模式，使得一方面电机以高效率运行并且此外也可以满足暂时的高功率要求。

根据另一方面，本发明实现一种具有根据本发明的电驱动系统的机动车。通过根据本发明的电驱动系统集成到机动车、诸如轿车、或者也可以是其他机动车、诸如公交车或载重汽车中，可以通过非常宽的功率谱分别提供高效的驱动系统，该驱动系统特别是即使在加速或高的速度时也提供足够的功率储备。

附图说明

本发明的其他实施方式和优点从参考附图的以下描述中得出。

在此：

图1示出根据一种实施方式的电驱动系统的示意图；

图2示出根据一种实施方式的具有NPC逆变器的电驱动系统的示意图；

图3示出根据一种实施方式的具有驱动系统的机动车的示意图；

图4示出转矩关于电机的转速的变化曲线的示意图；和

图5示出如一种实施方式所基于的用于运行电机的方法的示意图。

具体实施方式

图1示出根据一种实施方式的电驱动系统的示意图。电能存储器1将其电能馈送给逆变器2。逆变器2将电能存储器1提供的直流电压转换成一相或多相交流电压并且利用该交流电压驱控电机3。

电能存储器1原则上可以是任意的电能存储器，该任意的电能存储器除了两个外部的端子“正和负”之外还具有附加的中间抽头。例如电能存储器1可以是包括第一电能存储设备11和第二电能存储设备12的两件式能量存储器，其中第一和第二能量存储设备11和12在一个节点处彼此电连接。该节点在该情况下是电能存储器1的中间抽头K。在这里示出的示例中，第一能量存储设备11的正端子与第二能量存储设备12的负端子连接并且该节点与逆变器2连接。此外，第一能量存储设备11的负端子以及第二能量存储设备12的正端子与逆变器2连接。替代地，以下电能存储器1也是可以的，其中第一能量存储设备11的负端子与第二能量存储设备12的正端子连接。

电能存储器1在此可以是具有中间抽头K的电池，其中两个能量存储设备11和12分别通过一个或多个电池单元构成。替代地，电能存储器1也可以通过两个单独的电池构成，其中两个电池中的每个对应于电能存储设备11或12。在该情况下，两个电池之间的电连接是中间抽头K。

第一电能存储设备11的端电压在此可以恰好或至少近似对应于第二电能存储设备12的端电压。替代地，同样可以的是，第一电能存储设备11和第二电能存储设备12具有不同的端电压。优选地，第一电能存储设备11上的端电压至少对应于常规牵引电池的端电压，如所述牵引电池为了运行例如电动车辆中的电机所使用的那样。这样的牵引电池通常具有至少300伏特、特别是在大约300伏特和400伏特之间的端电压。

电能存储器1的第一电能存储设备和第二电能存储设备12可以相同地构造。此外，然而也可以的是，第一能量存储设备11和第二能量存储设备12在其结构上或至少在参数、如能量存储容量和/或端电压上不同。例如可以的是，第一能量存储设备11比第二能量存储设备12具有更大或更小的能量存储容量。第一能量存储设备11例如可以设计成高能存储器。这样的高能存储器可以以相对小的存储体积存储大量的能量并且在需要时提供这些电能。第二能量存储设备12例如可以实施为高功率存储器。这样的高功率存储器能够在很短的时间段内提供大量的能量、特别是大量的电能。因此通过这样的高功率存储器例如可以在很高的功率需求的情况下十分快速地提供所需的电能。例如这样的高功率存储器可以是超级电容器或类似的。但是，其他存储技术同样可以。

此外，电能存储器1的两个电能存储设备11和12也可以针对不同数量的最大充电循环来优化。因此，例如两个电池存储设备之一11或12可以针对特别高数量的充电循环来优化，而分别另外的能量存储设备11或12仅针对较少数量的充电循环来设计。在该情况下，在回收模式中，优选地可以将电能馈送到针对较高数量的充电循环来设计的能量存储设备11或12中。因此，针对较少数量的充电循环来设计能量存储设备11或12在回收过程期间不负载。通过该方式可以成本适宜地针对长的寿命构型电能存储器1。

电能存储器1的三个端子、即负端子、正端子和中间抽头K与逆变器2电连接。例如该逆变器可以是中性点钳位逆变器（NPC逆变器）。逆变器2将电能存储器1提供的直流电压转换成一相或多相交流电压。利用该转换的交流电压驱控与逆变器2电连接的电机3。在此，逆变器2的运行可以基于控制信号进行，所述控制信号由控制设备4生成并且提供给逆变器2。控制信号在控制设备4中的生成在此例如可以基于控制参数41进行，诸如基于预先给定的转速或要提供给电机3的转矩来计算。

在第一运行模式中，逆变器2在此可以仅仅在使用电能存储器1的部分电压的情况下驱控电机3，该部分电压由第一能量存储设备11来提供。第二能量存储设备12在所述第一运行模式中不用于驱控电机3。因此，在所述第一运行模式中，可以用来驱控电机3的电压的幅度通过第一能量存储设备11的端电压来限制。由第一能量存储设备11提供的电压通常足以将电机3在直至预先确定的极限的转速范围内运行。也可以在使用仅仅由第一能量存储设备11提供的电压的情况下将电机3良好地加速直至转速的该极限。为了此外即使在较高的转速下也能够良好地加速电机或即使在较高的转速下也能够由电机3提供足够的转矩，可以通过逆变器2在另外的运行模式中在使用电能存储器1上的完整的电压的情况下驱控电机3。在该情况下，用于驱控电机3的逆变器2使用由第一能量存储设备11和第二能量存储设备12的串联电路得出的并且位于电能存储器1的正端子和负端子之间的电压。通过使用所述较高的电压，逆变器2在电机3处也可以提供具有相应较高的幅度的交流电压。因此即使在较高转速下也可以通过电机3提供足够大的转矩，或者即使在较高转速下也可以实现电机3的改进的加速度。对此要注意的是，电机3的绝缘、特别是电机3中的绕组的绝缘也相应地耐压地来设计。也就是说，电机3的耐压强度必须适配于电能存储器1的正端子和负端子之间的、即通过第一和第二能量存储设备11和12的串联电路得出的电压。此外，电驱动系统、特别是电机3以及逆变器2必须针对高的电功率和与之关联的放热来设计，所述高的电功率和与之关联的放热可能在所述第二运行模式中出现。

是逆变器2在第一运行模式中在使用仅仅一个电能存储设备11的电压的情况下驱控电机3，还是在使用由第一和第二能量存储设备11和12构成的电能存储器1的整个电压的情况下驱控电机3的决定在此可以基于电机3的转速和/或要在电机3上设定的转矩来确定。如之前所述，在此在低转速下或要在电机3上设定低的转矩的情况下足够的是，仅仅在使用第一能量存储设备11的电压的情况下驱控电机3。而在较高转速下和/或较高的要设定的转矩的情况下，在使用第一和第二能量存储设备11、12的电压的情况下驱控电机3。相应运行模式的选择在此可以通过控制设备4在使用在控制设备4上提供的控制参数41的情况下来做出。控制设备4在此例如可以接收关于电机的额定转速以及要在电机上设定的转矩的数据并且由此确定合适的运行模式。随后，在如此确定的运行模式中进行逆变器2的驱控。

除了两个前述的运行模式之外，此外，回收模式是可以的。在该另外的运行模式中，电机3作为发电机运行。电机3在此在逆变器2处提供一相或多相交流电压，所述交流电压由逆变器2转换成直流电压。逆变器2在该运行模式中因此作为整流器工作。如此整流的电压然后可以提供给能量存储器1并且对能量存储器1进行充电。在此可以的是，电能存储器1的第一能量存储设备以及第二能量存储设备同时被充电。替代地，可以给两个能量存储设备中的仅仅一个11或12充电。例如可以仅仅给当前具有较低的充电状态的那个能量存储设备11或12充电。此外也可以的是，优选地给两个能量存储设备之一11或12充电。例如两个能量存储设备之一11或12可以针对较高数量的充电循环来优化。分别另外的能量存储设备11或12可以在该情况下成本适宜地针对较少数量的充电循环来设计。

图2示出根据一种实施方式的电驱动系统的示意图，在该实施方式中逆变器2实施为NPC逆变器。这样的NPC逆变器特别适合作为前述的电驱动系统的逆变器。在电能存储器1的中间抽头K和正或负端子之间分别布置有中间回路电容器C1、C2。在此示出的逆变器的三个相中的每个相包括四个半导体开关元件T1至T4、T5至T8和T9至T12。原则上，然而也可以利用在此示出的电路原理实现与三个不同数量的相。对于第一相，在此四个开关元件T1至T4在能量存储器1的正和负端子之间串联。在第二半导体开关元件T2和第三半导体开关元件T3之间的中间节点与电机3的一个相端子连接。在第一和第二半导体开关元件T1、T2之间的节点以及在第三和第四半导体开关元件T3、T4之间的节点分别通过二极管D1或D2与电能存储器1的中间抽头K连接。其他相的结构在此如图2中所示地类似于刚才描述的第一相。

这样实施的以NPC逆变器形式的逆变器2在此也允许使用常规开关元件、诸如MOSFET或IGBT，但是也可以是新型的快速开关的碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）开关。

图3示出根据一种实施方式的具有电驱动系统的电动车辆5的示意图。电能存储器1给逆变器2馈电。逆变器2然后驱控电机3。电机3通过传动机构和机械连接与车辆5的轴的车轮耦合。根据电机3的转速并且因此车辆5的速度以及所期望的加速度或要设定的转矩，在此或者以完全的通过能量存储器1提供的电压驱控电机3，或者仅仅以电能存储器1的中间抽头和外部端子之间的部分电压驱控电机3。

图4示出可用的转矩M关于电机3的转速n的线图的示意图。虚的曲线变化在此示出在第一运行模式中的可用的转矩，在该第一运行模式中通过逆变器2仅以第一电能存储设备11中的部分电压来驱控电机3。如在此可见那样，在极限转速之上，可用的转矩下降。因此，电机3和因此必要时还有利用该电机3驱动的电动车辆仅还能够显著更弱地被加速。而在使用第一和第二能量存储设备11和12的组合构成的电能存储器1的整个电压时，在这里也可以记录到下降之前，可用的转矩在高得多的转速范围之上仍保持恒定。因此电机3在利用较高的电压驱控时即使在较高的转速范围上也能够很好地被加速。

前述的电驱动系统例如可以用于完全或部分电驱动的车辆。特别是在具有相对高的最终速度的轿车的情况下，可以在很大的速度范围上实现良好的加速度。在此，即使在高转速下还可以提供大的转矩。同样，前述的电驱动系统也可以用于任意其他电动车辆。例如重的车辆、诸如公交车或载重汽车也可以在正常行驶运行期间在第一运行模式中驱控并且在强烈的加速期间在另外的运行模式中运行。

图5示出如根据一种实施方式的用于运行电机3的方法所基于的流程图的示意图。在第一步骤S1中提供电能存储器1，其包括第一电能存储设备11和第二电能存储设备12。两个电能存储设备11和12在此优选地在共同的节点K处彼此电耦合。在步骤S2中，在第一运行模式中在使用由第一能量存储设备11提供的电压来驱控电机3。此外，在步骤S3中，在第二运行模式中在使用由第一能量存储设备11和第二能量存储设备12构成的串联电路所产生的第二电压来驱控电机3。在此，如果电机3的转速超过预先确定的第一极限值和/或要由电机3提供的转矩超过预先确定的第二极限值，则在第二运行模式中驱控电机3。

总之，本发明涉及一种电驱动系统和一种用于运行电机的方法，其中在第一运行模式中在使用第一电压的情况下驱控电机。为了暂时的功率提高，还可以在第二运行模式中驱控电机，其中用于驱控的电压通过另一能量源来提高。

Claims (8)

1.一种电驱动系统，具有：

电能存储器（1），所述电能存储器包括第一电能存储设备（11）和第二电能存储设备（12）；

电机（3）；和

逆变器（2），所述逆变器被设计用于，在第一运行模式中在使用由第一能量存储设备（11）提供的第一电压的情况下驱控电机（3），并且在第二运行模式中在使用由第一能量存储设备（11）和第二能量存储设备（12）构成的串联电路所产生的第二电压的情况下驱控电机（3），

其中所述逆变器（2）还被设计用于在回收模式中整流由所述电机（3）提供的电压并且将其提供给所述第一电能存储设备（11）或所述第二电能存储设备（12），其中所述第一电能存储设备（11）和所述第二电能存储设备（12）被针对不同数量的最大充电循环而优化，并且其中在所述回收模式中经整流的电压仅被馈入针对较高数量的充电循环而设计的能量存储设备中。

2.根据权利要求1所述的电驱动系统，其中所述逆变器（2）包括中性点钳位（NPC）逆变器。

3.根据权利要求2所述的电驱动系统，其中第一电能存储设备（11）和第二电能存储设备（12）在节点（K）处相互电连接，并且所述节点（K）与NPC逆变器的中间端子电连接。

4.根据权利要求1至3之一所述的电驱动系统，其中第一能量存储设备（11）和第二能量存储设备（12）不同地构造。

5.根据权利要求1至3之一所述的电驱动系统，其中第一能量存储设备（11）包括牵引电池。

6.一种车辆，其具有根据权利要求1至5之一所述的电驱动系统。

7.用于运行电机（3）的方法，具有以下步骤：

提供（S1）电能存储器（1），所述电能存储器包括第一电能存储设备（11）和第二电能存储设备（12）；

在第一运行模式中在使用由第一能量存储设备（11）提供的第一电压的情况下驱控（S2）电机（3）；

在第二运行模式中在使用由第一能量存储设备（11）和第二能量存储设备（12）构成的串联电路所产生的第二电压的情况下驱控（S3）电机（3）；以及

在回收模式中整流由所述电机（3）提供的电压并且将其提供给所述第一电能存储设备（11）或所述第二电能存储设备（12），其中所述第一电能存储设备（11）和所述第二电能存储设备（12）被针对不同数量的最大充电循环而优化，并且其中在所述回收模式中经整流的电压仅被馈入针对较高数量的充电循环而设计的能量存储设备中。

8.根据权利要求7所述的方法，其中如果所述电机（3）的转速超过预先确定的第一极限值和/或要由所述电机（3）提供的转矩超过预先确定的第二极限值，则在第二运行模式中驱控电机（3）。

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