CN116234713A - 用于控制机动车辆的电机驱动装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过控制器(106)来控制机动车辆的电机驱动装置(100)的方法，其中机动车辆的至少一个车轮(116)能够被电机驱动装置(100)的电动马达(104)驱动，并且其中电机驱动装置(100)具有用于电动马达(104)的至少一个能量源(108)。在此，该方法包括：确定对该车轮(116)施加减速力矩的请求；确定电机驱动装置(100)的状态信息(140，142，144)；根据所确定的状态信息(140，142，144)从电动马达(104)的至少两个可能的运行模式(134，136)中选择电动马达(104)的运行模式(134，136)；以及在所选择的运行模式(134，136)中操控电动马达(104)以对车轮(116)施加减速力矩，其中在出自电动马达(104)的可能的运行模式的第一运行模式(134)中，这样操控电动马达(104)，使得车轮(116)的转动能(120)以第一效率被转换成电能，并且其中在出自该电动马达(104)的可能的运行模式的第二运行模式(136)中，这样操控该电动马达(104)，使得该车轮(116)的转动能(120)以第二效率被转换成电能，其中第二效率低于第一效率。

Description

用于控制机动车辆的电机驱动装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制机动车辆的电机驱动装置的方法以及一种对应的电机驱动装置。
背景技术
机动车辆的机械摩擦制动器现在在其可靠性方面已达到令人满意的水平，这尤其归功于在明确限定的环境中使用已知的且成熟的技术。然而，摩擦制动器仍然具有缺点。它们对车辆的总质量贡献了不可忽视的部分，其中，摩擦制动器所贡献的质量中的大部分是非簧载质量。这些非簧载质量中的大部分是由于：制动器在其尺寸方面还须被设计用于长时间的制动过程，以保持可能很长的下坡行驶的速度。在此例如可能提及的是从大格洛克纳山(Groβglockner)以恒定的速度进行下坡行驶。此外，出于此原因，摩擦制动器在车辆中也需要不可忽视的结构空间。
在借助于摩擦制动器减速时由摩擦制动器吸收的能量无法被再次利用。相反，该能量以热量的形式被输出至环境。这又导致能量的浪费并且由于制动器部件的磨损物而导致对环境的细尘污染，该磨损物同样被释放到环境中。例如，在质量为1600kg的车辆中，在坡度为8％时，为了保持40km/h的速度，摩擦制动器必须吸收大约14kW的机械功率并将其作为热量散发。
除了借助于摩擦制动器来使车辆减速之外，从现有技术还已知的是，还可以借助动力传动系来使车辆减速。在此，尤其针对车辆的电机动力传动系，可以提及在回收车辆动能的同时使车辆减速。又与之前提及的示例类似地，非常现实的是，在这样下坡行驶时，仅通过对应地操控电机动力传动系就可以实现所需的14kW的减速功率，其中，以对应高效地控制驱动装置为前提，可以将大约12kW的电功率馈送回到驱动装置的电池。
然而，借助于根据现有技术的动力传动系来使车辆减速通常缺乏向摩擦制动器所提供的可靠性。因此例如产生这样的问题：在电机驱动装置的电池的吸收能力不足时，无法再实现能量回收，因而无法再实现使车辆减速的可能性。这同样适用于例如电机驱动装置与用于馈送回电能的电池之间的连接(例如由于故障)发生中断的情况。总体上，在借助于回收来进行这样的减速时，车辆的多个部件均参与其中，从而在这些部件中的一个部件失效时，已经无法再借助于回收进行减速。
发明内容
相对于此，本发明所基于的目的在于，提供一种用于控制电机驱动装置的方法以及一种对应的电机驱动装置，它们克服了现有技术的上述缺点。
该目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求10所述的电机驱动装置来实现。有利的设计方案是权利要求2至9、11和12的主题。
在第一方面，本发明涉及一种用于通过控制器来控制机动车辆的电机驱动装置的方法，其中，机动车辆的至少一个车轮能够被电机驱动装置的电动马达驱动，并且其中，电机驱动装置具有用于电动马达的至少一个能量源。在此，该方法包括通过控制器来实施以下步骤：
·确定对车轮施加减速力矩的请求，
·确定电机驱动装置的状态信息，
·根据所确定的状态信息从电动马达的至少两个可能的运行模式中选择电动马达的运行模式，以及
·在所选择的运行模式中操控电动马达以对车轮施加减速力矩。
在此，在出自电动马达的可能的运行模式的第一运行模式中，这样操控电动马达，使得车轮的转动能以第一效率被转换成电能。而在出自电动马达的可能的运行模式的第二运行模式中，这样操控电动马达，使得车轮的转动能以第二效率被转换成电能，其中，该第二效率低于该第一效率。
本发明所基于的思想在于，例如在能量源的容量不足的情况下这样使用电动马达以在回收运行时对车轮产生减速力矩，即：使得所考虑的车轮的转动能仅以很少的比例被转换成电能。由于在第二运行模式中回收运行的效率的降低，因此应将转动能中的大部分转换成热量，该热量在电动马达及其外围设备中、尤其在其功率电子装置中产生并且可以通过电动马达的现有的冷却装置被导出。因此，可以在不使用电池的情况下由电动马达提供持续的减速力矩，该减速力矩大体上受电动马达的冷却装置的冷却功率限制。
同时，所描述的方法可以仅由电机驱动装置实现，从而不需要与车辆的其他系统相互作用。这样的相互作用通常是潜在的故障源，该故障源可能会危及这种方案的可靠性。通过电机驱动装置可靠地提供经限定的减速力矩进而使得可以使车辆的摩擦制动器的尺寸设计更小，这是因为通过电动马达可以可靠地贡献一定比例的减速功率。
在此，“减速力矩”可以非常一般性地理解为与车轮的转动方向相反指向的转矩，该转矩在没有其他的力的情况下实现使车轮的转动减慢。然而，对车轮施加这样的减速力矩在此并不等同于车辆自身的减速。因此，作用于车辆的其他的力(例如下坡力)可以使得：尽管存在由电动马达所引起的减速力矩，但车辆的速度没有减小，而是甚至可能增大。
在此，例如可以通过由车辆驾驶员操纵制动踏板来触发对车轮施加减速力矩的请求。此外还可以实现，这样的请求由车辆的驾驶功能触发，例如由巡航控制器或用于受控的下坡行驶的功能(Hill Descent Control，陡坡缓降控制)触发。
尽管在该方法中仅描述了由从能量源汲取其能量的电动马达驱动的车轮，根据本发明的方法还可以传递至车轮、电动马达和能量源的任何任意的情况。因此，该方法还可以应用于每个车轮均由电动马达驱动的机动车辆，其中，马达从多个能量源被供应能量。在此尤其可以提出，指配给车辆前桥的电动马达与第一能量源相连接，而指配给车辆后桥的电动马达与第二能量源相连接。在这种情况下，在该方法的范围内尤其还可以实现，前桥的电动马达以与后桥的电动马达不同的运行模式运行。
在此，“电动马达”一般可以理解为任意类型的电动马达，该电动马达适合用于使用电能来对车轮产生转矩，并且相反地，通过对应的操控，将从车轮获得的转矩转换成电能。用于电动马达的“能量源”在此例如可以是电池。
在此，本发明意义上的“运行模式”或在这样的运行模式中操控电动马达可以理解为以通过所选择的运行模式预先设定的参数来有针对性地操控电动马达。以三相无刷直流马达为例，例如可以通过运行模式来预先设定切换换向块的电压的方式和时间。换向块中的电压的变化、即电压的特定信号形式也可以通过运行模式预先设定。在此，运行模式的参数被选择成，使得在将车轮的转动能转换成电能时电动马达的所产生的效率在运行模式之间仅由于所选择的参数已经有所不同。在此，例如由外部的、不受控制的影响(例如电动马达的运行温度)产生的电动马达的不同的效率不应理解为本发明的意义上的不同的运行模式。相反，为了影响效率而有针对性地设定电动马达的运行温度可以被解读为本发明的意义上的运行模式。
在此，根据一个优选的实施方式提出，在第一运行模式中，电能被供应给能量源。在此，这是指对车轮的转动能的回收，利用该回收对能量源、尤其电池进行再次充电。
如前文已经说明的，根据之前所确定的电机驱动装置的状态信息来选择电动马达的运行模式。在此，根据一个优选的实施方式，这些状态信息至少包括能量源的荷电状态、和/或能量源的温度、和/或电动马达的温度、和/或电机驱动装置的其他部件的温度。电机驱动装置的其他部件例如可以是驱动装置的功率电子装置，尤其是用于将由能量源所提供的直流电压转换成用于使电动马达运行所需的交流电压的逆变器。在此尤其可以提出，在能量源的并非与完全充满电的能量源相对应的荷电状态下，电动马达优选以第一运行模式运行，从而使得从车轮获得的转动能的尽可能大的部分被转换成电能。在此优选还考虑，能量源由于其当前温度是否适合用于吸收电能。
状态信息还可以识别电机驱动装置的各个部件的故障状态。因此，例如还可以提出，在确认电动马达与能量源之间的连接有缺陷或中断时(即无法将电能馈送回到能量源中时)，电动马达以第二运行模式运行。
相反，在选择运行模式时还考虑：电动马达(例如由于其当前温度)是否能够将车轮的转动能作为热能导出。同样，在此优选地还考虑电机驱动装置的其他部件的温度，尤其电动马达的功率电子装置的温度，该温度同样限制电动马达在第二运行模式中的运行，在该第二运行模式中，电动马达用于导出热能。
根据另一个优选的实施方式还提出，第二效率取决于能量源的荷电状态和/或温度。因此例如可以提出，在能量源几乎完全充满电时，已使用第二运行模式。在这种情况下，将车轮的转动能回收到能量源中仍然是有意义的，从而使得第二效率不应过低。在此还可以提出，第二效率随能量源的当前荷电状态连续地缩放，使得第二效率随能量源的不断充电而连续降低。此外，在此还可以提出，尽管存在能量源的轻微放电，但仍将第二效率设定得尽可能低，因为由于能量源的当前温度，电能无法返回至能量源。
此外，根据另一个实施方式提出，第一效率是用于将车轮的转动能转换成电能的最高可能效率，而第二效率是用于通过电动马达将车轮的转动能转换成电能的最低可能效率。
此外，根据另一个实施方式提出，机动车辆具有至少一个加热电路，其中，在电动马达以第二运行模式运行时所产生的热量被供应给加热电路。加热电路例如可以包含对机动车辆的乘客舱的加热，从而使得在车辆减速时由电动马达所产生的热量可以被用于加热乘客舱。
除了使电动马达以上述两种运行模式(在其中，车轮的动能以不同的效率被转换成电能)中的一种运行模式运行之外，根据另一个实施方式还提出，在出自电动马达的可能的运行模式中的第三运行模式中，这样操控电动马达，使得该电动马达使用由能量源所提供的电能来对车轮施加减速力矩。因此，电动马达被主动供电，使其可以对车轮产生减速力矩。在此，一方面由于对马达的主动供电而在电动马达中产生热能，同时从车轮提取的转动能在电动马达中作为热量而产生。例如，当尽管只有轻微的减速请求而需要大量热量(例如以便快速加热车辆的乘客舱或者以便使电机驱动装置达到运行温度)时，可以使用该运行。同时，在该运行模式中，能量源至少稍微放电，从而可以在第一运行模式中实施随后的减速请求。
根据另一个实施方式还提出，在选择电动马达的运行模式时，考虑机动车辆的用于吸收电能的其他耗电器的吸收能力。因此，例如尽管能量源被完全充满电，但当在此所产生的电能可以被机动车辆的其他耗电器所获得时，电动马达以第一运行模式的运行可以是有意义的。在此，例如空调或电加热器可以被称为耗电器。
根据一个优选的实施方式还提出，电动马达是无刷直流马达，该直流马达具有用于为直流马达提供运行电压的功率电子装置，其中为了在不同的运行模式中操控电动马达，仅将对功率电子装置的操控与所选择的运行模式进行适配。
在另一方面，本发明涉及一种用于机动车辆的电机驱动装置，该电机驱动装置具有电动马达、用于电动马达的能量源和用于电动马达的控制器。在此，控制器被设计成：确定对与电动马达连接的车轮施加减速力矩的请求；确定电机驱动装置的状态信息；根据所确定的状态信息从电动马达的至少两个可能的运行模式中确定电动马达的运行模式；以及在所选择的运行模式中操控电动马达以对车轮施加减速力矩。在此，在出自电动马达的可能的运行模式的第一运行模式中，这样操控电动马达，使得车轮的转动能以第一效率被转换成电能；而在出自电动马达的可能的运行模式的第二运行模式中，这样操控电动马达，使得车轮的转动能以第二效率被转换成电能，其中该第二效率低于该第一效率。
在此，根据一个实施方式提出，电机驱动装置具有用于冷却电动马达的至少一个冷却回路，其中，在电动马达以第二运行模式运行时所产生的热量经由冷却回路至少部分地被导出。在此，冷却回路可以进而被设计成，将在电动马达中所吸收的热量输出至机动车辆的加热电路。
在此，根据一个优选的实施方式还提出，冷却回路具有用于调节由冷却回路提供的冷却功率的控制装置，其中，由控制器根据所选择的电动马达的运行模式来操控控制装置。因此例如可以提出，在电动马达以第二运行模式或第三运行模式运行时，通过对应操控诸如循环泵或冷却压缩机等元件而自动增大冷却回路的冷却功率，从而高效地导出在电动马达中产生的热量并且可以避免电动马达过热。
附图说明
下面将根据附图详细阐述本发明的优选的设计方案。在附图中：
图1示出根据现有技术的电机驱动装置的示意图，
图2示出根据图1的布置的不同故障源的示意图，
图3示出处于第二运行模式的电动马达的示意图，
图4示出处于第三运行模式的电动马达的示意图，
图5示出具有加热电路的示例性的电机驱动装置的示意图，并且
图6示出用于电机驱动装置的示例性的控制逻辑的示意图。
在下文中，彼此相似或相同的特征用相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的电机驱动装置100的示意图。在此，电机驱动装置100具有驱动单元102，该驱动单元具有电动马达104和用于电动马达104的控制器106。驱动单元102以及因此电动马达104经由直流连接装置110与能量源108(例如电池)相连接以供应电能。除了能量源108之外，其他耗电器112也可以经由直流连接装置110与驱动单元102相连接，这在图1中仅非常示意性地示出。
电动马达104经由连接在下游的传动装置114与车轮116相连接，使得电动马达104可以在车轮116上产生转矩。此外，在车轮116上布置有摩擦制动器118，该摩擦制动器示例性地示出为盘式制动器。在这样的情况下从现有技术已知的是，通过对应地操控电动马达104，既可以使用来自能量源108的电能来向车轮116施加加速转矩，也可以施加减速转矩，其中，车轮116的转动能优选被转换成电能，该电能被供应给能量源108。
在现有技术中，焦点在此通常是尽可能高效地操控电动马达，使得以尽可能高的效率将能量源108的电能转换成车轮116的动能，并且反之亦然。
图2现在示意性示出，在图1中所描述的情况下，哪些故障源会导致根据现有技术的这样的电机驱动装置通常不能永久可靠地减轻摩擦制动器的负担。当能量源108充满电，即无法再将动能回收到能量源108中时，存在第一故障源或第一问题状态。第二故障源在于直流连接装置110的中断或功能故障，从而也无法再将电能导出至其他耗电器112。在这两种情况下，在车轮减速时所释放的全部动能120必然以热量122的形式被摩擦制动器118吸收并被散发到环境中。
为了解决这个问题并确保即使在各个部件(如能量源108或直流连接装置110)发生功能故障的情况下也通过电机驱动装置100可靠地提供减速力矩，根据本发明提出，根据电机驱动装置100的各个部件的状态使电动马达104以不同的运行模式运行以对车轮116产生减速力矩。
为此，例如在图3中示例性地示出了电动马达104。如附图左侧示出的那样，在所示的情况下，无法将驱动单元102的电能经由直流连接装置110馈送回到能量源108中。例如，这可以是在能量源108完全充满电或直流连接装置110有缺陷时的情况。在这种情况下，根据本发明提出，通过对应地操控功率电子装置107以如下方式来使电动马达104运行，使得虽然电动马达继续将车轮116的转动能120转换成电能以对车轮116产生减速力矩，但是这以最低可能的效率进行。
这样做的结果是，车轮116的仅很小一部分转动能120被转换成电能，其中在此所产生的电流124优选完全通过电动马达104和功率电子装置107或连接在电动马达104上游的逆变器126被转换成热量。而绝大部分转动能120被转换成热量122，这些热量在电动马达104中产生并且可以经由电动马达104的冷却装置被导出。
而只要可以实现经由直流连接装置110将电能馈送回到能量源108中，就通过对应地操控功率电子装置107使电动马达以第一运行模式运行以使车轮116减速，从而以最高可能的效率将车轮116的转动能120转换成电能，随后将该电能供应给能量源108。在此，在该运行模式中，电动马达104的运行参数被设计成使得在电动马达104中产生尽可能少的热量。
在图4中示意性示出电动马达104的第三运行模式，例如可以在能量源完全充满电、直流连接装置110完好且电动马达104还相对较冷时使用该第三运行模式。在这种情况下，为了产生减速力矩，通过经由控制器106对应地操控功率电子装置107而有针对性地主动给电动马达供电，使得通过使用电能而向车轮116施加减速力矩。结果是，在电动马达104中，所使用的电能和车轮116的转动能120产生为热能122，该热能可以经由对应的冷却装置被导出。
图5示出示例性的电机驱动装置100的示意图，其中电机驱动装置100与机动车辆的加热电路130相连接。在此，驱动单元102的控制器106具有控制逻辑132，该控制逻辑根据情况在电动马达104的不同的运行模式之间切换以产生减速力矩。在此，第一运行模式134通过对应地适配电动马达104的运行参数、即尤其通过相关的功率电子装置的对应的控制逻辑被设计成，使得电动马达104以尽可能高的效率将车轮116的动能120转换成电能以产生减速力矩，随后将该电能经由直流连接装置110供应给能量源。例如在能量源未完全充满电并且直流连接装置110完全起作用时，使用第一运行模式134。
而在第二运行模式136中，通过对应地适配电动马达104的运行参数而提出，电动马达104以尽可能低的效率将车轮116的动能转换成电能以产生减速力矩。在此产生的热量被导出到加热电路130中并且例如可以经由对应的散热器138被用于加热机动车辆的乘客舱。
图6示出用于如上所述的电机驱动装置100的控制逻辑132的示意图。在此，控制逻辑132首先被设计成用于确定电机驱动装置的状态信息140、142和144。状态信息例如是直流连接装置110的功能性140、用于吸收电能的能量源108的准备情况142(其例如受能量源108的荷电状态和温度影响)，或用于吸收电能的其他耗电器112的准备情况。
将如此确定的状态信息供应给决策逻辑146，该决策逻辑根据所确定的状态信息140、142、144的概览来确定：是否应以电动马达104的第一运行模式或电动马达104的第二运行模式来实施通过电机驱动装置102对车轮116施加减速力矩的相应的请求，如上文所述。根据决策逻辑146的结果，随后通过控制器在操控对应的功率电子装置106时根据第一运行模式或第二运行模式来使用电动马达104的运行参数，使得电动马达104以尽可能高或尽可能低的效率将车轮116的转动能转换成电能。

Claims (12)

1.一种用于通过控制器(106)来控制机动车辆的电机驱动装置(100)的方法，其中该机动车辆的至少一个车轮(116)能够被该电机驱动装置(100)的电动马达(104)驱动，并且其中该电机驱动装置(100)具有用于该电动马达(104)的至少一个能量源(108)，其中该方法包括通过该控制器(106)来实施以下步骤：
·确定对该车轮(116)施加减速力矩的请求，
·确定该电机驱动装置(100)的状态信息(140，142，144)，
·根据所确定的状态信息(140，142，144)从该电动马达(104)的至少两个可能的运行模式(134，136)中选择该电动马达(104)的运行模式(134，136)，以及
·在所选择的运行模式(134，136)中操控该电动马达(104)以对该车轮(116)施加该减速力矩，
其中在出自该电动马达(104)的可能的运行模式的第一运行模式(134)中，这样操控该电动马达(104)，使得该车轮(116)的转动能(120)以第一效率被转换成电能，并且
其中在出自该电动马达(104)的可能的运行模式的第二运行模式(136)中，这样操控该电动马达(104)，使得该车轮(116)的转动能(120)以第二效率被转换成电能，
其中该第二效率低于该第一效率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在该第一运行模式(134)中，将该电能供应给该能量源(108)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，这些状态信息(140，142，144)至少包括该能量源(108)的荷电状态、和/或该能量源(108)的温度、和/或该电动马达(104)的温度、和/或该电机驱动装置(100)的其他部件(107)的温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该第二效率取决于该能量源(108)的荷电状态和/或温度。
5.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，该第一效率是用于将该车轮(116)的转动能(120)转换成电能的最高可能效率，而该第二效率是用于通过该电动马达(104)将该车轮(116)的转动能(120)转换成电能的最低可能效率。
6.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，该机动车辆具有至少一个加热电路(130)，其中将在该电动马达(104)以该第二运行模式(136)运行时所产生的热量供应给该加热电路(130)。
7.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在来自该电动马达(104)的可能的运行模式的第三运行模式中，这样操控该电动马达(104)，使得该电动马达使用由该能量源(108)提供的电能来对该车轮(116)施加该减速力矩。
8.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在选择该电动马达(104)的运行模式(134，136)时，考虑该机动车辆的用于吸收电能的其他耗电器(112)的吸收能力。
9.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，该电动马达(104)是无刷直流马达，该直流马达具有用于为该直流马达提供运行电压的功率电子装置(107)，其中为了在不同的运行模式中操控该电动马达(104)，仅将对该功率电子装置(107)的操控与所选择的运行模式(134，136)进行适配。
10.一种用于机动车辆的电机驱动装置(100)，该电机驱动装置具有电动马达(104)、用于该电动马达(104)的能量源(108)和用于该电动马达(104)的控制器(106)，其中该控制器(106)被设计成：
·确定对与该电动马达(104)连接的车轮(116)施加减速力矩的请求，
·确定该电机驱动装置(100)的状态信息(140，142，144)，
·根据所确定的状态信息(140，142，144)从该电动马达(104)的至少两个可能的运行模式(134，136)中确定该电动马达(104)的运行模式(134，136)，以及
·在所选择的运行模式(134，136)中操控该电动马达(104)以对该车轮(116)施加该减速力矩，
其中在出自该电动马达(104)的可能的运行模式的第一运行模式(134)中，这样操控该电动马达(104)，使得该车轮(116)的转动能(120)以第一效率被转换成电能，并且
其中在出自该电动马达(104)的可能的运行模式的第二运行模式(136)中，这样操控该电动马达(104)，使得该车轮(116)的转动能(120)以第二效率被转换成电能，
其中该第二效率低于该第一效率。
11.根据权利要求10所述的电机驱动装置(100)，其特征在于，该电机驱动装置(100)具有用于冷却该电动马达(104)的至少一个冷却回路，其中在该电动马达(104)以该第二运行模式(136)运行时所产生的热量经由该冷却回路至少部分被导出。
12.根据权利要求11所述的电机驱动装置(100)，其特征在于，该冷却回路具有用于调节由该冷却回路提供的冷却功率的控制装置，其中该控制器(106)根据该电动马达(104)的所选择的运行模式(134，136)来操控该控制装置。
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