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Die Erfindung betrifft das Gebiet
der Elektromotoren und insbesondere Systeme, die mehrere Elektromotoren
verwenden, die von einer gemeinsamen Leistungsversorgung mit Leistung
versorgt werden.
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Elektrofahrzeuge, einschließlich Akkumulator-,
Hybrid- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen, verwenden typischerweise
einen Wechselrichter in Form einer Schaltstromversorgung, die dem
Antriebselektromotor des Fahrzeugs Dreiphasen-Betriebsleistung zuführt. Die
am häufigsten
verwendete Wechselrichterkonstruktion ist ein Wechselrichter einer
impulsbreitenmodulierten Spannungsquelle (PWM-Spannungsquelle), der Leistungstransistoren
nutzt, die die hohen Ströme
zuführen
können,
die erforderlich sind, um den von dem Fahrzeugantriebsmotor benötigten Drehmomentbedarf
zu erfüllen.
Der Wechselrichter schaltet die Leistung von einer Gleichstrom-Sammelschiene
an die Motorwicklungen. Für
ein Niederspannungssystem führt
die Gleichstrom-Sammelschiene
typischerweise 42 V, während
sie für
ein Hochspannungssystem etwa 350-400 V Gleichspannung führt.
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Wenn verschiedene Phasen des Wechselrichters
geschaltet werden, bewirkt dies wesentliche Fluktuationen der Leistungsversorgungsspannung.
Diese Fluktuationen sind zusammen als Potentialschienen-Spannungswelligkeiten
und -Stromwelligkeiten bekannt. Typischweise werden große Kondensatoren
oder Kondensatorbänke
verwendet, die zu der Gleichstrom-Leistungsversorgung parallel geschaltet
sind, um mittels ihrer Funktion als Glättungsfilter die Potentialschienenwelligkeiten
zu kompensieren. Die Größe der Kondensatorbank
in einem Fahrzeugwechselrichtersystem hängt von der Sammelschienenspannung,
vom Leistungspegel und von der Welligkeitstoleranz des Systems ab.
Wenn ein Wechselrichter in der Fahrzeugumgebung von einer Hochspannungs-Sammelschiene angesteuert
wird, kann ein Kondensator mit 1000 Mikrofarad (μF) oder mehr erforderlich sein,
um die Spannungswelligkeit ausreichend zu glätten. Für ein Niederspannungssystem
wie etwa für
ein 42-V-System
kann die Größe der Kapazität mehr als
16.000 μF
betragen. Ein Kondensator oder eine Kondensatorbank mit einem so
hohen Wert benötigt
einen beträchtlichen
Platz und erhöht
die Fahrzeugkosten.
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Für
Mehrwechselrichtersysteme sind die Potentialschienenwelligkeiten
höher.
Mehrwechselrichtersysteme sind Systeme mit zwei oder mehr Wechselrichtern,
die eine entsprechende Anzahl von Motoren ansteuern, dabei aber
aus der gleichen Leistungsquelle mit Leistung versorgt werden. Beispielsweise
können
in Hybridfahrzeugen Zweiwechselrichtersysteme für das Kraftübertragungssystem oder für das Traktionssystem verwendet
werden. Da die Welligkeit additiv ist, verschärft sich das Potentialschienenwelligkeitsproblem
in Mehrwechselrichtersystemen. Somit muss ein größerer Kondensator als für ein Einwechselrichtersystem
allein vorgesehen sein, um die beiden Wechselrichtersysteme aus
der gleichen Leistungsversorgung mit Leistung zu versorgen. Es ist
ein Mehrwechselrichtersystem wünschenswert,
das einen kleineren Kondensator erfordert, um einen gegebenen Glättungsgrad
zu schaffen. Ein solches Wechselrichtersystem wird von der Erfindung
geschaffen, deren Merkmale und Vorteile aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung besser verständlich werden.
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Dementsprechend schafft die Erfindung
in einer Form ein Mehrwechselrichtersystem für ein Fahrzeug, das eine Energiequelle
und einen Kondensator, der zu der Energiequelle parallel geschaltet
ist, umfasst. An die Energiequelle ist ein erster Wechselrichter
angeschlossen, der einen ersten Motor ansteuern kann. An den ersten
Wechselrichter ist der Ausgang einer ersten Steuereinheit angeschlossen,
um ein erstes impulsbreitenmoduliertes Signal an ihn zu liefern,
das in Bezug auf ein erstes Taktsignal moduliert ist. An die Leistungsquelle ist
ein zweiter Wechselrichter angeschlossen, der einen zweiten Motor
ansteuern kann. Der Eingang einer zweiten Steuereinheit empfängt ein
Synchronisiersignal und ihr Ausgang ist an den zweiten Wechselrichter
angeschlossen, um ein zweites impulsbreitenmoduliertes Signal an
ihn zu liefern, das in Bezug auf ein zweites Taktsignal moduliert
ist. Die zweite Steuereinheit verwendet das Synchronisiersignal
dazu, das zweite Taktsignal mit einer vorgegebenen Beziehung in
Bezug auf das erste Taktsignal zu erzeugen.
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In einer weiteren Form schafft die
Erfindung ein Verfahren zum Verringern der Potentialschienenwelligkeiten
eines Mehrwechselrichtersystems. Ein erster und ein zweiter Wechselrichter,
die an den ersten bzw. an den zweiten Motor angeschlossen sind,
werden mit Leistung aus einer gemeinsamen Leistungsquelle versorgt.
Es wird ein erstes impulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt, das
in Bezug auf ein erstes Taktsignal moduliert ist, und der erste
Wechselrichter mit dem ersten impulsbreitenmodulierten Signal angesteuert.
Es wird ein zweites impulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt, das
in Bezug auf ein zweites Taktsignal moduliert ist, und der zweite
Wechselrichter mit dem zweiten impulsbreitenmodulierten Signal angesteuert.
Das erste und das zweite Taktsignal werden mit einer vorgegebenen
Beziehung zueinander erzeugt.
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In einer nochmals weiteren Form schafft
die Erfindung ein Verfahren zum Verringern der Potentialschienenwelligkeiten
eines Mehrwechselrichtersystems. Ein erster und ein zweiter Wechselrichter,
die an einen ersten bzw. an einen zweiten Motor angeschlossen sind,
werden mit Leistung aus einer gemeinsamen Leistungsquelle versorgt.
Der erste Wechselrichter wird unter Verwendung eines ersten Impulsbreitenmodulationssignals
angesteuert. Der zweite Wechselrichter wird unter Verwendung eines
zweiten Impulsbreitenmodulationssignals angesteuert. Wenn entweder
der erste oder der zweite Motor in einer Motorbetriebsart ist, während gleichzeitig
der jeweils andere Motor in einer Generatorbetriebsart ist, werden
das erste und das zweite Impulsbreitenmodulationssignal unter Verwendung
des gleichen Modulationsschemas erzeugt. Wenn entweder sowohl der
erste als auch der zweite Motor in der Motorbetriebsart ist oder
sowohl der erste als auch der zweite Motor in der Generatorbetriebsart
ist, werden das erste und das zweite Impulsbreitenmodulationssignal
unter Verwendung verschiedener Modulationsschemata erzeugt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen,
die auf die Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:
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1 einen
Blockschaltplan eines im Stand der Technik bekannten Mehrwechselrichtersystems;
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2 einen
Blockschaltplan eines Mehrwechselrichtersystems gemäß der Erfindung;
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3 einen
Zeitablaufplan des Takt- und des Synchronisiersignals aus 2;
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4 einen
Zeitablaufplan der gemäß einem
ersten Verfahren erzeugten Ansteuersignale in dem Wechselrichtersystem
aus 2;
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5 einen
Zeitablaufplan der gemäß einem
zweiten Verfahren erzeugten Ansteuersignale in dem Wechselrichtersystem
aus 2; und
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6 einen
Zeitablaufplan der gemäß einem
dritten Verfahren erzeugten Ansteuersignale in dem Wechselrichtersystem
aus 2.
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Die folgende ausführliche Beschreibung der Erfindung
ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll weder die Erfindung
selbst noch deren Anwendung und Nutzung beschränken. Außerdem soll die Erfindung nicht
an irgendeine im vorausgehenden Hintergrund der Erfindung oder in
der folgenden ausführlichen Beschreibung
der Zeichnung dargestellte Theorie gebunden sein.
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1 zeigt
einen Blockschaltplan eines Mehrwechselrichtersystems 100,
das im Stand der Technik bekannt ist. Das Mehrwechselrichtersystem 100 enthält allgemein
einen Akkumulator 102, einen Glättungskondensator 104,
ein erstes Motorsystem 120, ein zweites Motorsystem 160,
eine Systemsteuereinheit 180 und einen Controller-Area-Network-Bus (CAN-Bus) 190.
Der Akkumulator 102 besitzt einen positiven Anschluss,
der an eine Potentialschiene 106 angeschlossen ist, und
einen negativen Anschluss, der an eine negative Sammelschiene 108 angeschlossen
ist. Der Kondensator 104 besitzt einen ersten Anschluss,
der an die Potentialschiene 106 angeschlossen ist, und
einen zweiten Anschluss, der an die negative Sammelschiene 108 angeschlossen
ist. Der Kondensator 104 ist groß genug, um die von den Motorsystemen 120 und 160 verursachten
Potentialschienenwelligkeiten in ausreichendem Grad zu glätten.
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Das Motorsystem 120 enthält allgemein
einen Motor 122, eine Steuereinheit 124 und einen
Wechselrichter 130. Der Motor 122 ist ein Dreiphasen-Wechselstrommotor
mit drei Anschlüssen,
die an ihre jeweiligen Phasen angeschlossen sind. Die Steuereinheit 124 ist
an den CAN-Bus 190 angeschlossen
und besitzt sechs Ausgangsanschlüsse,
die zwei Ansteuersignale zuführen,
die jeder der drei Phasen des Motors 122 zugeordnet sind.
Außerdem
weist die Steuereinheit 124 eine Taktgeneratorschaltung 126 auf,
die ein mit "CLK1" bezeichnetes Taktsignal
liefert. Die Steuereinheit 124 ist intern als ein digitaler
Mikrocontroller mit einer Zentraleinheit, einem Speicher und einer
Eingabe/Ausgabe-Schaltungsanordnung realisiert. Die Eingabe/Ausgabe-Schaltungsanordnung
enthält
eine Pulsbreitenmodulator-Schaltungsanordnung (PWM-Schaltungsanordnung),
die synchron zu CLK1 Ausgangssignalformen mit Tastgraden erzeugt,
die den Ansteuersignalen entsprechen, die erforderlich sind, um
die drei Phasen des Motors 122 zum richtigen Zeitpunkt
anzusteuern, der bewirkt, dass sich der Rotor des Motors 122 mit
der gewünschten
Drehzahl dreht oder das gewünschte
Drehmoment erzeugt.
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Der Wechselrichter 130 enthält sechs
N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren
(MOSFETs) 131-136 und sechs Schutzdioden 141-146.
Der Drain des Transistors 131 ist an die Potentialschiene 106 angeschlossen,
sein Gate empfängt
von der Steuereinheit 124 ein erstes PWM-Ausgangssignal,
das einer ersten Phase des Motors 122 zugeordnet ist, und
seine Source ist an eine erste Phasenwicklung des Motors 122 angeschlossen.
Der Drain des Transistors 132 ist an die Source des Transistors 131 angeschlossen,
sein Gate empfängt
von der Steuereinheit 124 ein zweites PWM-Ausgangssignal,
das der ersten Phase des Motors 122 zugeordnet ist, und
seine Source ist an die negative Sammelschiene 108 angeschlossen.
Der Drain des Transistors 133 ist an die Potential schiene 106 angeschlossen,
sein Gate empfängt
von der Steuereinheit 124 ein erstes PWM-Ausgangssignal,
das einer zweiten Phase des Motors 122 zugeordnet ist,
und seine Source ist an eine zweite Phasenwicklung des Motors 122 angeschlossen.
Der Drain des Transistors 134 ist an die Source des Transistors 133 angeschlossen,
sein Gate empfängt
von der Steuereinheit 124 ein zweites PWM-Ausgangssignal,
das der zweiten Phase des Motors 122 zugeordnet ist, und
seine Source ist an die negative Sammelschiene 108 angeschlossen.
Der Drain des Transistors 135 ist an die Potentialschiene 106 angeschlossen,
sein Gate empfängt
von der Steuereinheit 124 ein erstes PWM-Ausgangssignal,
das einer dritten Phase des Motors 122 zugeordnet ist,
und seine Source ist an eine dritte Phasenwicklung des Motors 122 angeschlossen.
Der Drain des Transistors 136 ist an die Source des Transistors 135 angeschlossen,
sein Gate empfängt
von der Steuereinheit 124 ein zweites PWM-Ausgangssignal,
das der dritten Phase des Motors 122 zugeordnet ist, und
seine Source ist an die negative Sammelschiene 108 angeschlossen.
Die Katode jeder der Schutzdioden 141-146 ist an den Drain
jeweils eines der Transistoren 131-136 angeschlossen, während ihre Anode
jeweils an die Source eines jeweiligen Transistors 131-136 angeschlossen
ist. Sämtliche
diskreten Vorrichtungen des Wechselrichters 130 sind zu
einem einzigen Modul, das als ein HEXPACK-Modul bekannt ist, zusammengefasst.
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Das Motorsystem 160 enthält allgemein
einen Motor 162, eine Steuereinheit 164 und einen
Wechselrichter 170. Der Motor 162 ist ebenfalls
ein Dreiphasen-Wechselstrommotor mit drei Anschlüssen, die an ihre jeweiligen
Phasen angeschlossen sind. Die Steuereinheit 164 ist an
den CAN-Bus 190 angeschlossen und besitzt sechs Ausgangsanschlüsse, die
zwei Ansteuersignale zuführen,
die jeder der drei Phasen des Motors 162 zugeordnet sind.
Außerdem
weist die Steuereinheit 164 eine Taktgeneratorschaltung 166 auf,
die ein mit "CLK2" bezeichnetes Taktsignal
liefert.
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Die Steuereinheit 164 ist
intern als ein digitaler Mikrocontroller mit einer Zentraleinheit,
einem Speicher und einer Eingabe/Ausgabe-Schaltungsanordnung realisiert.
Die Eingabe/Ausgabe-Schaltungsanordnung enthält wie die Steuereinheit 124 eine
PWM-Schaltungsanordnung, die synchron zu CLK2 Ausgangssignalformen
mit Tastgraden erzeugt, die den Ansteuersignalen entsprechen, die
erforderlich sind, um die drei Phasen des Motors 162 zum richtigen
Zeitpunkt anzusteuern, der bewirkt, dass sich der Rotor des Motors 162 mit
der gewünschten
Drehzahl dreht oder das gewünschte
Drehmoment erzeugt.
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Der Wechselrichter 170 besitzt
die gleiche Konstruktion wie der Wechselrichter 130 und
besitzt Eingänge
zum Empfang zweier PWM-Phasenansteuersignale,
die jeder der drei Phasen des Motors 162 zugeordnet sind.
Außerdem
ist der Wechselrichter 170 an den ersten und an den zweiten
Anschluss des Akkumulators 102 angeschlossen, um seine
Betriebsleistung davon zu empfangen. Der Wechselrichter 170 besitzt
drei Ausgänge,
die an die jeweiligen Phasenwicklungen des Motors 162 angeschlossen
sind.
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Die Systemsteuereinheit 180 ist
an den CAN-Bus 190 angeschlossen und liefert Befehle an
die Steuereinheiten 124 und 164. Diese Befehle
enthalten Befehle, die den Motor in die Motorbetriebsart oder in
die Generatorbetriebsart usw. versetzen.
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Sowohl das Motorsystem 120 als
auch das Motorsystem 160 wird aus einer gemeinsamen Energiequelle,
d. h. aus dem Akkumulator 102, mit Leistung versorgt, wobei
sie aber durch getrennte Taktsignale CLK1 und CLK2 getaktet werden.
CLK1 und CLK2 besitzen beliebige Frequenzen und sind asynchron zueinander. Da
der Kondensator 104 so bemessen sein muss, dass er die
ungünstigste
Sammelschienen- Stromwelligkeit berücksichtigt,
muss sein Wert gleich der Summe der Werte sein, die für jedes
getrennte Motorsystem erforderlich wären. Falls die Motorsysteme
gleich wären,
müsste
der Kondensator 104 die doppelte Größe haben, die für jedes
Motorsystem allein erforderlich ist.
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Gemäß der Erfindung wird die Größe des Glättungskondensators
dadurch verringert, dass das Mehrwechselrichtersystem als ein Gesamtsystem
betrachtet wird und dass die Motoren intelligent und auf aufeinander
abgestimmte Weise angesteuert werden, um die Potentialschienen-Stromwelligkeit
für das
Gesamtsystem zu minimieren. Allgemein wird diese Abstimmung durch
zwei Mechanismen erreicht. Zunächst
werden die PWM-Signale zum Ansteuern der Wechselrichter in Bezug
auf Takte mit der gleichen Frequenz erzeugt, deren Modulationsschemata
aber komplementär
zueinander gewählt
werden. Zweitens werden die Modulationsschemata je nach den Gesamtzuständen der
Motoren gewählt.
Ein Modulationsschema wird gewählt,
wenn entweder beide Motoren in der Motorbetriebsart sind oder beide
Motoren in der Generatorbetriebsart sind. Ein anderes Modulationsschema
wird gewählt,
wenn ein Motor in der Motorbetriebsart und der andere in der Generatorbetriebsart
ist.
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2 zeigt
einen Blockschaltplan eines Mehrwechselrichtersystems 200 gemäß der Erfindung.
Das Mehrwechselrichtersystem 200 enthält allgemein einen Akkumulator 202,
einen Glättungskondensator 204, ein
erstes Motorsystem 220, ein zweites Motorsystem 260,
eine Systemsteuereinheit 280 und einen CAN-Bus 290.
Der Akkumulator 202 ist eine Gleichspannungs-Energiequelle,
die als Akkumulatorarray realisiert ist. Zur Verwendung in einem
Hybridfahrzeug ist der Akkumulator 202 ein Niederspannungs-Hochstrom-Akkumulatorblock.
Der positive Anschluss des Akkumulators 202 ist an die
Potentialschiene 206 angeschlossen und sein negativer Anschluss
ist an die negative Sammelschie ne 208 angeschlossen. Der
Akkumulator 202 erzeugt eine Nennausgangsspannung von etwa
+42 Volt, wobei die Erfindung aber auch auf Akkumulatoren mit anderen
Spannungen anwendbar ist. Der erste Anschluss des Kondensators 204 ist
an den ersten Anschluss des Akkumulators 202 angeschlossen
und sein zweiter Anschluss ist an den zweiten Anschluss des Akkumulators 202 angeschlossen.
Der Kondensator 204 ist groß genug, um die von den Motorsystemen 220 und 260 verursachte
Potentialschienen-Stromwelligkeit in ausreichendem Grad zu glätten, und
ist vorzugsweise als eine Kohlenstoffkondensatorbank mit einer Gesamtkapazität von etwa
20.000 μF
realisiert.
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Das Motorsystem 220 enthält allgemein
einen Motor 222, eine Master-Steuereinheit 224 und
einen Wechselrichter 230. Der Motor 222 ist ein
Dreiphasen-Wechselstrommotor mit drei Anschlüssen, die an ihre jeweiligen
Phasen angeschlossen sind. Die Steuereinheit 224 ist an
den CAN-Bus 290 angeschlossen und besitzt sechs Ausgangsanschlüsse, die
zwei Ansteuersignale zuführen,
die jeder der drei Phasen des Motors 222 zugeordnet sind.
Die Steuereinheit 224 ist intern als digitaler Mikrocontroller
mit einer Zentraleinheit, einem Speicher und einer Eingabe/Ausgabe-Schaltungsanordnung
realisiert. Wie der Controller 124 aus 1 enthält die Eingabe/Ausgabe-Schaltungsanordnung
eine PWM-Schaltungsanordnung,
die synchron zu CLK1 Ausgangssignalformen mit Tastgraden erzeugt,
die den Ansteuersignalen entsprechen, die erforderlich sind, um
die drei Phasen des Motors 222 zum richtigen Zeitpunkt anzusteuern,
der bewirkt, dass sich der Rotor des Motors 222 mit der
gewünschten
Drehzahl dreht oder das gewünschte
Drehmoment erzeugt. Der Wechselrichter 230 besitzt die
gleiche Konstruktion wie der Wechselrichter 130 aus 1 und besitzt Eingänge, die
zwei PWM-Phasenansteuersignale empfangen, die jeder der drei Phasen
des Motors 222 zugeordnet sind. Außerdem ist der Wechselrichter 230 an
die Potential schiene 206 und an die negative Sammelschiene 208 angeschlossen,
von der er seine Betriebsleistung empfängt. Der Wechselrichter 230 besitzt
drei Ausgänge,
die an die jeweiligen Phasenwicklungen des Motors 222 angeschlossen
sind.
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Das Motorsystem 260 enthält allgemein
einen Motor 262, eine Slave-Steuereinheit 264 und
einen Wechselrichter 270. Der Motor 262 ist ein
Dreiphasen-Wechselstrommotor mit drei Anschlüssen, die an ihre jeweiligen
Phasen angeschlossen sind. Die Steuereinheit 264 ist an
den CAN-Bus 290 angeschlossen und besitzt sechs Ausgangsanschlüsse, die
zwei Ansteuersignale liefern, die jeder der drei Phasen des Motors 262 zugeordnet
sind. Die Steuereinheit 264 ist intern als ein digitaler
Mikrocontroller mit einer Zentraleinheit, einem Speicher und einer
Eingabe/Ausgabe-Schaltungsanordnung realisiert. Wie die Steuereinheit 124 aus 1 enthält die Eingabe/Ausgabe-Schaltungsanordnung
eine PWM-Schaltungsanordnung,
die synchron zu CLK2 Ausgangssignalformen mit Tastgraden erzeugt,
die den Ansteuersignalen entsprechen, die erforderlich sind, um
die drei Phasen des Motors 262 zum richtigen Zeitpunkt
anzusteuern, der bewirkt, dass sich der Rotor des Motors 262 mit
der gewünschten
Drehzahl dreht oder das gewünschte
Drehmoment erzeugt. Der Wechselrichter 270 besitzt die
gleiche Konstruktion wie der Wechselrichter 130 aus 1 und besitzt Eingänge, die
zwei PWM-Phasenansteuersignale empfangen, die jeder der drei Phasen
des Motors 262 zugeordnet sind. Außerdem ist der Wechselrichter 270 an
die Potentialschiene 206 und an die negative Sammelschiene 208 angeschlossen,
um von ihr seine Betriebsleistung zu empfangen. Der Wechselrichter 270 besitzt
drei Ausgänge, die
an die jeweiligen Phasenwicklungen des Motors 262 angeschlossen
sind.
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Die Systemsteuereinheit 280 reagiert
auf Befehle, die von dem Fahrer des Fahrzeugs empfangen werden,
und liefert an die Master-Steuereinheit 224 und
an die Slave-Steuereinheit 264 Befehle, die die Drehzahl/das
Drehmoment und die Betriebsart jedes Motors steuern. Die Systemsteuereinheit 280 nutzt
den CAN-Bus 290, um diese Befehle zu übermitteln. Für die Fahrzeugumgebung
ist der CAN-Bus 290 besonders gut geeignet, während in
anderen Umgebungen auch andere Bussysteme verwendet werden können.
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Dadurch, dass die Wechselrichtersysteme 220 und 260 als
Teile eines untereinander zusammenhängenden Gesamtsystems betrachtet
werden und die Erzeugung der Impulsbreitenmodulationssignale intelligent aufeinander
abgestimmt wird, um die Potentialschienenwelligkeiten zu minimieren,
kann das Mehrwechselrichtersystem 200 die für den Kondensator 204 erforderliche
Größe etwa
auf der Hälfte
derjenigen verringern, die für
das Wechselrichtersystem 100 aus 1 erforderlich ist. Zu diesem Zweck besitzt
die Master-Steuereinheit 224 einen Ausgang, der mit "PROCESSOR SYNC SIGNAL" bezeichnet ist und
an einen Eingang der Slave-Steuereinheit 264 angeschlossen
ist.
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Die Verwendung des PROCESSOR SYNC
SIGNAL beim Aufeinanderabstimmen des Betriebs des Motorsystems 220 und
des Motorsystems 260 wird besser verständlich anhand von 3, die einen Zeitablaufplan 300 des
Takt- und des Synchronisiersignals aus 2 zeigt. Die horizontale Achse stellt
in 3 die Zeit dar, während die
vertikale Achse die Spannung darstellt. Das Taktsignal CLK2 ist
durch eine Signalform 302 veranschaulicht, die einen Zyklus
dadurch beginnt, dass sie zu den mit "t1", "t2" und "t3" bezeichneten Zeitpunkten
von einer logisch tiefen Spannung auf eine logisch hohe Spannung übergeht.
Wie hier gezeigt ist, besitzt CLK2 einen Tastgrad von 50 % und geht
somit in der Mitte zwi schen t 1 und t2 und zwischen t2 und t3 auf
eine logisch tiefe Spannung über.
Das PROCESSOR SYNC SIGNAL ist durch eine Signalform 304 veranschaulicht,
die bei t1, t2 und t3 kurz pulsiert. Somit beginnt in 3 ein mit Zyklus 1 bezeichneter
erster Zyklus für
die Slave-Steuereinheit 264 bei
t1 und endet bei t2, während
ein mit Zyklus 2 bezeichneter zweiter Zyklus bei t2 beginnt
und bei t3 endet. Das PROCESSOR SYNC SIGNAL ist aus dem internen
Takt CLK1 der Master-Steuereinheit 224 abgeleitet.
Somit kann die Master-Steuereinheit 224 über das
PROCESSOR SYNC SIGNAL sicherstellen, dass die PWM-Signale mit der
gleichen Periode erzeugt werden und zu einem bekannten Zeitpunkt
beginnen. Wie nachfolgend ausführlicher
beschrieben wird, verwendet das System 200 diese Abstimmung
daraufhin, um Potentialschienenwelligkeiten zu minimieren.
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Die Erfinder haben drei verschiedene
Modulationsschemata zur intelligenten Erzeugung der PWM-Signale
für die
Wechselrichter 230 und 270 analysiert. In allen
diesen drei Schemata sind die PWM-Zyklen jedes Wechselrichters zueinander
synchronisiert. Das erste Schema ist als mittenbasiert-zusammenfallend
bekannt. 4 zeigt einen
Zeitablaufplan 400 von PWM-Signalen, die in dem System
aus 2 gemäß diesem
Verfahren verwendet werden. Ein erstes PWM-Signal 402 ist
einer der Phasen des Motorsystems 220 zugeordnet und während zweier
mit "Zyklus 1" und "Zyklus 2" bezeichneter
Taktzyklen gezeigt. Während
des Zyklus 1 besitzt das PWM-Signal 402 eine Hoch-Ansteuerzeit,
die um die Mitte des Taktzyklus zentriert ist, und einen Tastgrad
von etwa 50 %. Während
des Zyklus 2 hat sich der Tastgrad des Signals 302 auf
etwa 66 % erhöht,
während
das Signal 402 aber immer noch um die Mitte von Zyklus 2 zentriert
ist.
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Gleichzeitig liefert die Slave-Steuereinheit 264 ein
Ansteuersignal 404, das über den Wechselrichter 270 in
dem Motorsystem 260 eine der Phasen des Motors 262 ansteuert.
Unter Verwendung dieser Technik werden die Taktsignale zueinander
synchronisiert, so dass der Zyklus 1 und der Zyklus 2 zusammenfallen. Während des
Zyklus 1 besitzt das Ansteuersignal 404 einen
Tastgrad von ca. 25 % und ist um die Mitte seines Zyklus zentriert.
Die Hoch-Ansteuerzeiten der Signale 402 und 404 überlappen
sich an sich während
der Mitte des Zyklus 1. Später, während des Zyklus 2,
hat sich der Tastgrad des Signals 404 auf ca. 80 % erhöht.
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[0032] Das zweite Schema ist als
mittenbasiert-verschachtelt bekannt. 5 zeigt
einen Zeitablaufplan 500 der Ansteuersignale in dem Wechselrichtersystem
aus 2, die gemäß diesem
Verfahren erzeugt werden. Wie in 4 ist
dem Motorsystem 220 ein erstes PWM-Signal 502 zugeordnet
und ist dem Motorsystem 260 ein zweites PWM-Signal 504 zugeordnet.
In dieser Technik sind die Taktsignale verschachtelt, d. h. synchronisiert,
jedoch gegeneinander phasenverschoben. 5 zeigt, dass die Signalüberlappung
unter Verwendung des Verschachtelungsschemas im Vergleich zu dem
mittenbasiert-zusammenfallenden Schema verringert ist.
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Das dritte Schema ist als Schema
mit zusammenfallender steigender und fallender Flanke bekannt. 6 zeigt einen Zeitablaufplan 600 der
PWM-Signale, die in dem System aus 2 gemäß diesem
Verfahren verwendet werden. Unter Verwendung dieses Schemas fallen
der Zyklus 1 und der Zyklus 2 für die PWM-Signale 602 und 604 erneut
zusammen, wobei aber die Überlappung
im Vergleich zu dem mittenbasiert-zusammenfallenden Schema verringert
ist, da die Tastgrade mit verschiedenen Taktflanken moduliert sind.
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Die Erfinder haben diese drei Schemata
simuliert, um zu ermitteln, welches Verfahren bevorzugt ist. Es
wurden zwei asynchrone Maschinen verwendet. Beide Maschinen wurden
in der Motorbetriebsart mit einem Motorwellen-Drehmoment von 92,5
Newtonmeter (Nm) betrieben. In allen drei Schemata wurde der Nullvektor
in der Weise gewählt,
dass die Phase mit dem maximalen Strom nicht umgeschaltet wurde.
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Zunächst wurde für jedes
der drei Schemata der Potentialschienenstrom verglichen. Diese Analyse zeigte,
dass das mittenbasiertzusammenfallende Schema unerwünscht ist,
wenn beide Maschinen im Motorbetrieb sind. Bei Verwendung dieses
Schemas überlappt
sich der Sammelschienenstrom von den zwei Motoren miteinander. Obgleich
der durchschnittliche Gesamtstrom für dieses Schema der gleiche
wie für
die beiden anderen Schemata ist, ist die mittlere quadratische Stromwelligkeit
(RMS-Stromwelligkeit) für
das mittenbasiert-zusammenfallende Schema wegen der hohen Sammelschienen-Stromspitzen
für den
Gesamtsammelschienenstrom sehr hoch. Bei einer Drehzahl von 500
Umdrehungen pro Minute (U/min) war die RMS-Stromwelligkeit für das mittenbasiert-verschachtelte
Schema und für
das Schema mit zusammenfallender steigender und fallender Flanke
wesentlich kleiner als für
das mittenbasiertzusammenfallende Schema.
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Als weiteren Hauptpunkt haben die
Erfinder die harmonischen Spektren des Gleichstrom-Sammelschienenstroms
für das
mittenbasiert-verschachtelte Schema und für das Schema mit zusammenfallender steigender
und fallender Flanke analysiert. Es wurde festgestellt, dass das
mittenbasiert-verschachtelte Schema eine dominante Doppelschaltfrequenzkomponente,
d. h. eine Energie mit einer Spitze bei etwa 20 Kilohertz (kHz)
in dem harmonischen Spektrum, besitzt, wenn die Schaltfrequenz 10
kHz beträgt.
Weiter wurde festgestellt, dass das Schema mit zusammenfallender
steigender und fallender Flanke eine dominante Schaltfrequenzkomponente,
d. h. eine Energie in dem harmonischen Spektrum, mit einer Spitze
bei der Schaltfrequenz von 10 kHz besitzt.
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Die simulierten Potentialschienen-Stromergebnisse
sind in der unten stehenden Tabelle I zusammengefasst: Tabelle
I
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Wie aus Tabelle I zu sehen ist, ist
der Gesamt-RMS-Strom entweder für
das Schema 2 (mittenbasiert-verschachtelt) oder für das Schema 3 (zusammenfallende
steigende und fallende Flanke) wesentlich kleiner als der für das Schema 1 (mittenbasiert-zusammenfallend).
Die niedrigere Sammelschienen-Stromwelligkeit verringert die Sammelschienen-Spannungswelligkeit
wesentlich. Außerdem
beeinflussen die verschiedenen harmonischen Spektren in dem Gleichstrom-Sammelschienenstrom
die Auswahl des Kondensators 204. Für die gleiche Größe der Kapazität führen die
höheren
Spektralfrequenzen in Schema 2 zu einer niedrigeren Spitze-Spitze-Potentialschienen-Spannungswelligkeit.
Allerdings wirken sich die höherfrequenten
Komponenten in Schema 2 nachteilig auf den kapaziti ven
elektrostatischen Widerstand (ESR) aus, was zu höheren Verlusten in dem Kondensator
führt,
die als Wärme
abgeleitet werden.
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Nachfolgend haben die Erfinder die
Wirkungen der zwei Schemata auf die Drehmomenterzeugung analysiert.
Dabei haben sie festgestellt, dass die Spitze-Spitze-Drehmomentwelligkeit
in Reaktion auf einen Stufen-Drehmoment-Befehl für das Schema mit zusammenfallender
steigender und fallender Flanke höher als für das mittenbasiertverschachtelte
Schema ist. Außerdem
haben die Erfinder aus einer Analyse des harmonischen Spektrums
der Drehmomenterzeugung festgestellt, dass das Schema mit zusammenfallender
steigender und fallender Flanke bei einer Wellendrehzahl von 500
U/min eine Niederfrequenzoszillation bei ca. 260 Hz oder etwa dem
Sechsfachen der Statorfrequenz erzeugt. Die Anwesenheit dieser Niederfrequenzkomponente
ist sehr unerwünscht.
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Allerdings kann diese Niederfrequenzkomponente
beseitigt werden, falls die PWM-Flankenauswahl zwischen den Sektoren
geändert
wird. Diese Änderung
kann nur dann erreicht werden, wenn die zwei Maschinen mit der gleichen
Statorfrequenz arbeiten. Außerdem
kann die Niederfrequenzoszillation beseitigt werden, falls in allen
Sektoren entweder der Nullvektor "0" oder der Nullvektor "7" ausgewählt wird.
Durch diese Auswahl wird die niederfrequente Drehmoment-Welligkeitskomponente
stark verringert. Allerdings erhöht
dieses Schema im Vergleich zu dem mittenbasiert-verschachtelten
Schema den Schaltverlust. Falls als die Schaltvorrichtungen wie
in dem gezeigten Niederspannungssystem MOS-FETs verwendet werden, ist die Schaltzeit sehr
kurz, wobei der zusätzliche
Schaltverlust nicht sehr bedeutend ist.
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Diese Simulationsergebnisse haben
den Zustand analysiert, in dem beide Motoren in der Motorbetriebsart
sind, treffen jedoch ebenfalls zu, wenn beide Motoren in der Generatorbetriebsart
sind. Allerdings kann das Modulationsschema als ein zusätzlicher
Aspekt der Erfindung anhand der Betriebsart des Motorsystems geändert werden.
Falls beispielsweise sowohl der Motor 222 als auch der
Motor 262 in der Motorbetriebsart ist oder beide in der
Generatorbetriebsart sind, kann zur Verringerung der Potentialschienen-Stromwelligkeit
entweder das mittenbasiert-verschachtelte Schema oder das Schema
mit zusammenfallender steigender und fallender Flanke verwendet
werden. Falls dagegen ein Motor in der Motorbetriebsart und der
andere in der Generatorbetriebsart ist, wird bevorzugt das mittenbasiert-zusammenfallende
Schema verwendet, da die Ansteuerströme entgegengesetzt sind.
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Obgleich die Erfindung im Kontext
einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben worden ist, sind für
den Fachmann auf dem Gebiet verschiedene Änderungen offensichtlich. Zum
Beispiel ist die gezeigte Ausführungsform
ein System mit zwei Dreiphasen-Motoren. Allerdings ist die Erfindung
auf irgendeinen durch PWM-Signale angesteuerten Motor und außerdem auf
Systeme mit zwei oder mehr Motoren anwendbar. Außerdem ist die offenbarte Technik
zur Verringerung der Sammelschienenwelligkeit für verschiedene Wechselrichterkonstruktionen
wie etwa jene, die unter Verwendung von MOSFETs gebaut sind, oder
jene, die unter Verwendung von Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren
(IGBTs) gebaut sind, vorteilhaft. Außerdem ändert sich die Bevorzugung
zwischen dem mittenbasiert-verschachtelten Schema und dem Schema
mit zusammenfallender steigender und fallender Flanke anhand der
tatsächlichen
Charakteristiken der betrachteten Motorsysteme. Dementsprechend
sollen die beigefügten
Ansprüche
alle in den Umfang der Erfindung fallenden Änderungen der Erfindung einschließen.
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Ein Mehrwechselrichtersystem wird
aus einer gemeinsamen Leistungsquelle wie etwa einem Akkumulator
mit Leistung versorgt. An die gemeinsame Leistungsquelle sind ein
erster und ein zweiter Wechselrichter angeschlossen, die entsprechende
Motoren ansteuern. Eine erste und eine zweite Steuereinheit liefern
impulsbreitenmodulierte Signale, die in Bezug auf ein erstes und
auf ein zweites Taktsignal mit dem ersten bzw. mit dem zweiten Wechselrichter
moduliert sind. Ein zwischen einem Bus und eine Masseschiene geschalteter Kondensator
glättet
Potentialschienenwelligkeiten, die durch das gleichzeitige Schalten
verursacht werden. Um die erforderliche Größe des Kondensator zu verringern,
werden verschiedene Modulationsschemata wie etwa ein mittenbasiertes
verschachteltes Schema und ein Schema mit zusammenfallender steigender
und fallender Flanke verwendet, wenn beide Motoren in der Motorbetriebsart
sind oder wenn beide Motoren in der Generatorbetriebsart sind. Dagegen
wird das gleiche Modulationsschema verwendet, wenn ein Motor in
der Motorbetriebsart ist, während
der andere Motor in der Generatorbetriebsart ist.
