DE102004036304B4 - Verfahren und System für ein verbessertes Wärmemanagement eines Spannungsquellen-Wechselrichters, der bei niedriger Ausgangsfrequenz arbeitet, unter Nutzung einer Nullvektormodulationstechnik - Google Patents

Verfahren und System für ein verbessertes Wärmemanagement eines Spannungsquellen-Wechselrichters, der bei niedriger Ausgangsfrequenz arbeitet, unter Nutzung einer Nullvektormodulationstechnik Download PDF

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Abstract

Verfahren für das Wärmemanagement in einem Spannungsquellen-Wechselrichter (110), welcher mehrere Zweige sowie Schalter (111–123) zum Steuern des Stromflusses in jeweiligen Abschnitten der Zweige umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Abtasten (520) einer Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz; Bestimmen (530) einer Nullvektormodulation in Reaktion auf die abgetastete Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz, wobei eine Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und ein Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) unter Berücksichtigung der Gesamtverlustleistung in demjenigem Zweig, welcher den höchsten Strom führt, ausgewählt werden; und Anwenden (540) der bestimmten Nullvektormodulation, um die Wärmebelastung in dem Spannungsquellen-Wechselrichter (110) zu verringern, wobei das Anwenden der Nullvektormodulation umfasst, dass die Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0, V7) eines ersten und eines zweiten Nullzustands periodisch abwechselnd mit der Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und dem Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) ausgewählt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Spannungsquellen-Wechselrichter und insbesondere das Wärmemanagement von Leistungsschaltern in Spannungsquellen-Wechselrichtern.
  • Spannungsquellen-Wechselrichter werden in vielen Anwendungen wie etwa z. B. bei Kraftfahrzeuganwendungen in Motorantriebssystemen für Elektrofahrzeuge oder für Elektrohybridfahrzeuge zunehmend genutzt. In diesen Anwendungen kann ein Spannungsquellen-Wechselrichter (VSI) eine von einem Wechselstrom abhängige Vorrichtung wie etwa z. B. einen Wechselstrommotor versorgen.
  • Probleme des Wärmemanagements, die Leistungsschalter in dem Spannungsquellen-Wechselrichter betreffen, können auftreten, wenn der Spannungsquellen-Wechselrichter bei niedriger Ausgangsfrequenz oder bei der Ausgangsfrequenz null arbeitet, d. h., wenn der Spannungsquellen-Wechselrichter die Spannung null oder eine niedrige Spannung über die Phasen anlegt, während er eine als Eingangsspannung bezeichnete konstante Gleichspannung empfängt. Wenn der Spannungsquellen-Wechselrichter bei niedriger Ausgangsfrequenz oder bei der Ausgangsfrequenz null arbeitet, ist die durch ihn erzeugte Durchschnittsspannung im Vergleich zu der Gleichspannung niedrig, während der Ausgangsstrom der Nennstrom des Schalters sein kann.
  • Probleme des Wärmemanagements treten bei der Ausgangsfrequenz null oder bei einer niedrigen Ausgangsfrequenz wegen eines langsam veränderlichen Wechselstroms auf. Das heißt, unter diesen Bedingungen könnte in dem Spannungsquellen-Wechselrichter ein Leistungsschalter erforderlich sein, der den maximalen Nennstrom ununterbrochen oder während einer langen Zeitdauer führt, was zu einer hohen konstanten Verlustleistung in dem Leistungsschalter führt. Diese Bedingung stellt eine ungünstigste Betriebsbedingung für einen Schalter in dem Spannungsquellen-Wechselrichter dar. Eine herkömmliche Lösung ist es, den Betrieb des Spannungsquellen-Wechselrichters bei der Ausgangsfrequenz null und dem vollen Ausgangsstrom zeitlich zu begrenzen. Leider ist diese herkömmliche Lösung für den Elektro- und Hybridfahrzeugbetrieb problematisch, da sie die Zeitdauer begrenzt, während der beim Start des Fahrzeugs das maximale Drehmoment an den Elektromotor angelegt werden kann.
  • Somit ist es wünschenswert, ein System zu schaffen, das diese und weitere Nachteile überwindet.
  • Die US 6 337 804 B1 offenbart einen pulsweitenmodulierten Umrichter, der für jede Ausgangsphase mehrere Schaltelemente umfasst, die durch einen gemeinsamen Controller angesteuert werden. Um die thermische Belastung der Schaltelemente bei niedrigen Frequenzen zu verringern, wechselt der Controller bei Unterschreiten eines Frequenz-Schwellenwerts von dem regulären Schaltalgorithmus in einen alternativen Schaltalgorithmus, bei welchem die Verweilzeiten der einzelnen Schaltelemente minimiert sind.
  • In der DE 100 19 374 A1 ist ein Steuerverfahren für einen pulsweitenmodulierten Umrichter offenbart, bei welchem zur Geräuschvermeidung die Schaltvorgänge bei der Pulsweitenmodulation derart koordiniert werden, dass sich stetige Spannungsübergänge ergeben.
  • Die DE 27 05 343 C2 offenbart ein Steuerverfahren für einen selbstgeführten Drehstrom-Wechselrichter, bei welchem zur Reduktion der Schalthäufigkeit die Nullsystemspannung in zwei nicht getakteten Zeitintervallen in unterschiedlicher Weise aus einer Differenz von Gleichspannung und Grundschwingungsanteil gebildet wird.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die thermische Belastung der einzelnen Schalter in einem Wechselrichter bei niedrigen Ausgangsfrequenzen effektiv zu verringern.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein computerlesbares Medium mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
  • Ein Aspekt der Erfindung schafft ein Verfahren für das Wärmemanagement in einem Spannungsquellen-Wechselrichter, welcher mehrere Zweige sowie Schalter zum Steuern des Stromflusses in jeweiligen Abschnitten der Zweige umfasst, durch: Abtasten einer Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz, Bestimmen einer Nullvektormodulation in Reaktion auf die abgetastete Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz, wobei eine Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und ein Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) unter Berücksichtigung der Gesamtverlustleistung in demjenigem Zweig, welcher den höchsten Strom führt, ausgewählt werden, und Anwenden der bestimmten Nullvektormodulation, um die Wärmebelastung in dem Spannungsquellen-Wechselrichter zu verringern, wobei das Anwenden der Nullvektormodulation umfasst, dass die Nullzustands-Schaltraumvektoren eines ersten und eines zweiten Nullzustands periodisch abwechselnd mit der Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und dem Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) ausgewählt werden.
  • In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein computerlesbares Medium, das ein Computerprogramm zum Steuern eines Spannungsquellen-Wechselrichters mit mehreren Zweigen sowie Schaltern zum Steuern des Stromflusses in jeweiligen Abschnitten der Zweige speichert: computerlesbaren Code zum Bestimmen einer Nullvektormodulation in Reaktion auf eine Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz, wobei eine Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und ein Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) unter Berücksichtigung der Gesamtverlustleistung in demjenigem Zweig, welcher den höchsten Strom führt, ausgewählt werden; und computerlesbaren Code, um die bestimmte Nullvektormodulation zum Verringern der Wärmebelastung in dem Spannungsquellen-Wechselrichter anzuwenden, indem die Nullzustands-Schaltraumvektoren eines ersten und eines zweiten Nullzustands periodisch abwechselnd mit der Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und dem Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) ausgewählt werden.
  • In Übereinstimmung mit einem nochmals weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System für das Wärmemanagement in einem Spannungsquellen-Wechselrichter, welcher mehrere Zweige sowie Schalter zum Steuern des Stromflusses in jeweiligen Abschnitten der Zweige umfasst, geschaffen. Das System enthält ein Mittel zum Abtasten einer Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz. Außerdem enthält das System ein Mittel zum Bestimmen einer Nullvektormodulation in Reaktion auf die abgetastete Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz, welches Mittel dazu ausgebildet ist, eine Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und einen Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) unter Berücksichtigung der Gesamtverlustleistung in demjenigem Zweig, welcher den höchsten Strom führt, auszuwählen. Außerdem wird ein Mittel geschaffen, um die bestimmte Nullvektormodulation zum Verringern der Wärmebelastung in dem Spannungsquellen-Wechselrichter anzuwenden, indem die Nullzustands-Schaltraumvektoren eines ersten und eines zweiten Nullzustands periodisch abwechselnd mit der Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und dem Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) ausgewählt werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:
  • 1 einen Stromlaufplan, der ein herkömmliches Motorantriebssystem veranschaulicht;
  • 2 einen Blockschaltplan, der eine Steuerschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung für einen Spannungsquellen-Wechselrichter veranschaulicht;
  • 3 ein sechseckiges Raumvektor-Strukturdiagramm, das potenzielle Kombinationen von Wechselrichter-Schalterzuständen einer in 2 veranschaulichten Systemsteuereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
  • 4 ein Raumvektor-Flächendiagramm, das einen Abschnitt des in 3 veranschaulichten sechseckigen Raumvektor-Strukturdiagramms veranschaulicht und einen abgebildeten Referenzvektor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält; und
  • 5 einen Ablaufplan, der ein Verfahren zur Schaffung eines verbesserten Wärmemanagements in einem Spannungsquellen-Wechselrichter, der die Nullvektormodulation nutzt, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
  • In der gesamten Beschreibung und in den Ansprüchen bedeutet der Begriff ”verbunden” eine direkte Verbindung zwischen Komponenten oder Vorrichtungen, die ohne irgendwelche Zwischenvorrichtungen verbunden sind. Der Begriff ”gekoppelt” bedeutet entweder eine direkte Verbindung zwischen Komponenten oder Vorrichtungen, die verbunden sind, oder eine indirekte Verbindung über eine oder mehrere passive oder aktive Zwischenvorrichtungen.
  • 1 ist ein Stromlaufplan, der ein herkömmliches Motorantriebssystem 100 veranschaulicht, das einen Spannungsquellen-Wechselrichter 110 und einen Wechselstrommotor 120 enthält. Der Spannungsquellen-Wechselrichter 110 ist ein herkömmlicher Spannungsquellen-Wechselrichter und enthält die Stromversorgung VBatt, die Dioden (D11–D23) und die Schalter (111–123). Die Knoten (N11–N15) sind zu Erläuterungszwecken zusätzlich enthalten.
  • Die Stromversorgung VBatt enthält einen positiven Anschluss (+) und einen negativen Anschluss (–). Der positive Anschluss (+) ist mit dem Knoten N11 gekoppelt und der negative Anschluss (–) ist mit dem Knoten N12 gekoppelt. Die Katode der Diode D11 ist mit dem Knoten N11 gekoppelt, während ihre Anode mit dem Knoten N13 gekoppelt ist, die Katode der Diode D12 ist mit dem Knoten N11 gekoppelt, während ihre Anode mit dem Knoten N14 gekoppelt ist, und die Katode der Diode D13 ist mit dem Knoten N11 gekoppelt, während ihre Anode mit dem Knoten N15 gekoppelt ist. Die Katode der Diode D21 ist mit dem Knoten N13 gekoppelt, während ihre Anode mit dem Knoten N12 gekoppelt ist, die Katode der Diode D22 ist mit dem Knoten N14 gekoppelt, während ihre Anode mit dem Knoten N12 gekoppelt ist, und die Katode der Diode D23 ist mit dem Knoten N15 gekoppelt, während ihre Anode mit dem Knoten N12 gekoppelt ist.
  • Jeder Diode (D11–D23) ist ein Schalter (111–123) zugeordnet, der zu ihr parallel geschaltet ist. Die Kombination einer Diode und eines zugeordneten Schalters wird ein Leistungsschalter genannt. Der auf diese Weise gebildete Leistungsschalter kann den Strom in beiden Richtungen führen, während er die Spannung in einer Richtung sperren kann. Zwei Leistungsschalter sind miteinander gruppiert, um einen Wechselrichterzweig zu bilden. In einem Beispiel und anhand von 1 sind in dem Spannungsquellen-Wechselrichter 110 drei Zweige gebildet.
  • Die Schalter (111–123) stellen ein Mittel bereit, um in einem Abschnitt jedes Zweiges des Spannungsquellen-Wechselrichters 110 den Stromfluss zu steuern. Die Schalter (111–123) werden obere Schalter genannt. Die Schalter (121–123) werden untere Schalter genannt. In einer Ausführungsform und wie ausführlich in 2 gezeigt ist, werden die Schalter (111–123) unter Nutzung einer Hochfrequenz-Impulsbreitenmodulations-Methodik durch Software gesteuert.
  • Der Wechselstrommotor 120 enthält drei Anschlüsse (I1–I3). Der Anschluss I1 ist mit dem Knoten N13 gekoppelt, der Anschluss I2 ist mit dem Knoten N14 gekoppelt und der Anschluss I3 ist mit dem Knoten N15 gekoppelt. Der Wechselstrommotor 120 empfängt eine von dem Spannungsquellen-Wechselrichter 110 eingegebene Wechselspannung und erzeugt anhand der eingegebenen Wechselspannung eine mechanische Leistungsabgabe.
  • Im Betrieb enthält der Spannungsquellen-Wechselrichter 110 sechs Zweirichtungs-Strom/Einrichtungs-Spannungs-Leistungsschalter, wobei ein Schalter in jedem Zweig offen ist, während der andere Schalter in dem Zweig geschlossen ist. Das Schließen des Schalters ermöglicht, dass in einem Abschnitt des Zweigs ein Strom fließt. In einem Beispiel und anhand von 1 ermöglicht das Schließen des Schalters 111, dass Strom von der Stromversorgung VBatt über den Knoten N13 zum Anschluss I1 fließt. Alternativ könnte das Schließen des Schalters je nach den Betriebsbedingungen des Motors ermöglichen, dass Strom in der entgegengesetzten Richtung vom Anschluss I1 über den Knoten N13 zur Stromversorgung VBatt fließt.
  • Zur Steuerung des Durchschnitts pro Zyklus, des Ausgangsspannungsbetrags und der Frequenz wird eine Hochfrequenz-Impulsbreitenmodulationstechnik (Hochfrequenz-PWM-Technik) genutzt. Die Leistungsschalter arbeiten mit einer konstanten Schaltfrequenz fSW, während die Tastgrade der Schalter in der Weise moduliert werden, dass die drei Phasenspannungen mit einem gewünschten Betrag und einer gewünschten Frequenz erzeugt werden.
  • 2 ist ein Blockschaltplan, der eine Steuerschaltung 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung für einen Spannungsquellen-Wechselrichter veranschaulicht. Die Steuerschaltung 200 für einen Spannungsquellen-Wechselrichter enthält eine Systemsteuereinheit 210, die Schaltersteuereinheiten (211–223) und einen Dateneingang 220. In einer Ausführungsform steuert jede Schaltersteuereinheit einen zugeordneten Schalter in einem Spannungsquellen-Wechselrichter.
  • Die Systemsteuereinheit 210 ist eine Steuervorrichtung, die so konstruiert ist, dass sie Daten aus verschiedenen Quellen wie etwa z. B. vom Dateneingang 220 überwacht und empfängt, die empfangenen Daten verarbeitet und anhand der empfangenen verarbeiteten Daten Steuersignale an die Schaltersteuereinheiten (211–223) sendet. In einer Ausführungsform enthält die Systemsteuereinheit 210 wie im Gebiet bekannt Hardware und Software, die erforderlich sind, um ein impulsbreitenmoduliertes Signal zu empfangen, das Befehle für den Betrieb der Leistungsschalter enthält, und anhand des empfangenen impulsbreitenmodulierten Signals einzelne Leistungsschalter-Steuersignale zu erzeugen.
  • In einem Beispiel und anhand der 1 und 2 ist die Systemsteuereinheit 210 als eine Verarbeitungseinheit implementiert, die Begleitvorrichtungen wie etwa PROMs sowie eine Software-Programmierung, die ermöglicht, dass die Verarbeitungseinheit die Operationen durchführt, enthält. Außerdem enthält die Systemsteuereinheit 210 eine Datenbank mit einer wie unten in Tabelle 1 gezeigten Raumvektorstruktur, die einen Schaltraumvektor definiert, der den Schaltern in jeder Verzweigung für irgendeine gegebene Schaltkombination zugeordnet ist. In diesem Beispiel ist die Datenbank wie im Gebiet bekannt als eine Nachschlagtabelle implementiert.
  • Die Schaltersteuereinheiten (211–213) sind Steuervorrichtungen, die Steuersignale von der Systemsteuereinheit 210 empfangen und die Steuersignale in einem zugeordneten Leistungsschalter implementieren. In einer Ausführungsform enthalten die Schaltersteuereinheiten (211–223) Hardware und Software, die erforderlich sind, um die von der Systemsteuereinheit 210 empfangenen Leistungsschalter-Steuersignale zu implementieren. In einem Beispiel und anhand von 1 steuert jede Schaltersteuereinheit (211–223) eine zugeordnete Leistungsschalterkombination. In diesem Beispiel liefert die Schaltersteuereinheit 211 ein Leistungsschalter-Steuersignal an die Leistungsschalterkombination. Ähnlich liefern die verbleibenden Schaltersteuereinheiten jeweils ein Leistungsschalter-Steuersignal an die zugeordnete Leistungsschalterkombination.
    Vektor Zustand Zweig 1 Zweig 2 Zweig 3
    V0 null 0 0 0
    V1 aktiv 1 0 0
    V2 aktiv 1 1 0
    V3 aktiv 0 1 0
    V4 aktiv 0 1 1
    V5 aktiv 0 0 1
    V6 aktiv 1 0 1
    V7 null 1 1 1
    Tabelle 1
  • Die Tabelle 1 ist einem Spannungsquellen-Wechselrichter wie etwa z. B. dem Spannungsquellen-Wechselrichter 110 und der Systemsteuereinheit 210 in 1 oben zugeordnet. Tabelle 1 enthält die Schaltraumvektoren (V0–V7), die den Leistungsschaltern in jedem Zweig (Zweig 1–Zweig 3) für irgendeine gegebene Schaltkombination zugeordnet sind. In Tabelle 1 repräsentiert jeder Zweig zwei Zweirichtungs-Strom/Einrichtungs-Spannungs-Leistungsschalter, wobei ein Schalter in dem Zweig offen ist, während der andere Schalter in dem Zweig geschlossen ist. Die Schaltraumvektoren (V0–V7) werden erzeugt, wenn sich die drei Phase/Neutral-Spannungen zu null addieren, indem zugelassen wird, dass jedem Schaltraumvektor (V0–V7) ein spezifischer Wechselrichter-Schalterzustand zugeordnet wird.
  • In einer Ausführungsform fuhrt ein Spannungsquellen-Wechselrichter mit drei Zweigen, von denen jeder zwei Leistungsschalter enthält, zu acht möglichen Schaltraumvektor-Kombinationen (V0–V7). In einem Beispiel und anhand der 1 und 2 und Tabelle 1 repräsentiert eine ”0” den oberen Schalter des angegebenen Zweigs als den offenen Schalter, während der untere Schalter in dem Zweig geschlossen ist. Eine ”1” repräsentiert den unteren Schalter des angegebenen Zweigs als den offenen Schalter, während der obere Schalter in dem Zweig geschlossen ist. In diesem Beispiel gibt der Schaltraumvektor V1 an, dass der Zweig 1 (Schalter 111 und 121) mit geschlossenem Schalter 111 und mit offenem Schalter 121 konfiguriert ist, dass der Zweig 2 (Schalter 112 und 122) mit geschlossenem Schalter 122 und mit offenem Schalter 112 konfiguriert ist und dass der Zweig 3 (Schalter 113 und 123) mit geschlossenem Schalter 123 und mit offenem Schalter 113 konfiguriert ist.
  • Außerdem enthält Tabelle 1 für jeden Zustand eine Statusspalte. Die Statusspalte gibt entweder einen Status ”null” oder ”aktiv” an. Ein aktiver Status gibt an, das eine Schaltkonfiguration dazu führt, dass an die Last wie etwa z. B. an den Wechselstrommotor 120 aus 1 oben eine Gesamtspannung angelegt wird. Ein Status null gibt an, dass eine Schaltkonfiguration dazu führt, dass die Last effektiv kurzgeschlossen wird.
  • 3 ist ein sechseckiges Raumvektor-Strukturdiagramm 300, das potenzielle Kombinationen von Wechselrichter-Schalterzuständen der in 2 veranschaulichten und in Tabelle 1 enthaltenen Systemsteuereinheit 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Die aktiven Zustände aus Tabelle 1 bilden in 3 die Ecken des hexagonalen Raumvektor-Strukturdiagramms, während sich die Nullzustände in der Mitte des Sechsecks befinden. Der Raumvektorbereich genannte Bereich zwischen den verschiedenen aktiven Zuständen und in den Sechseck-Grenzen ist z. B. anhand eines der Schaltraumvektoren (V0–V7), die die Fläche definieren, als ”S = 1” bezeichnet.
  • Bei der Verwendung kann z. B. irgendeine Spannungsanforderung in den sechseckigen Grenzen des sechseckigen Raumvektor-Strukturdiagramms 300 durch eine Kombination der Schaltraumvektoren auf Zyklusgrundlage erzeugt werden. Das Erzeugen der Spannungsanforderung wird durch Einstellen einer Kombination von Tastgraden von aktiven Zuständen und Nullzuständen in einer Periode ausgeführt und ist unten in 4 ausführlich geschildert. In einem Beispiel und anhand von 3 kann eine Spannungsanforderung in dem Raumvektorbereich ”S = 1” dadurch erzeugt werden, dass in einer gegebenen Periode Ts eine Kombination von Tastgraden von aktiven Zuständen (V1 und V2) und von Nullzuständen (V0 und V7) eingestellt wird, um die geforderte Spannung zu erreichen.
  • 4 ist ein Raumvektor-Flächendiagramm 400, das einen Teil des oben in 3 veranschaulichten sechseckigen Raumvektor-Strukturdiagramms 300 veranschaulicht und einen Referenzvektor V* gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält. Der Referenzvektor V* repräsentiert eine abgebildete Leistungsanforderung. In einer Ausführungsform und anhand der 3 und 4 ermöglicht die Abbildung des Referenzvektors V* auf das Raumvektor-Flächendiagramm 400 die Bestimmung des Raumvektorbereichs wie etwa z. B. des Raumvektorbereichs S = 1 aus 3.
  • In dieser Ausführungsform ermöglicht die Bestimmung des Raumvektorbereichs die Bestimmung der Tastgrade (t1–t6), die den Schaltraumvektoren (V1–V6) aktiver Zustände zugeordnet sind, welche den Raumvektorbereich in einer gegebenen Schaltperiode Ts definieren. Wenn die Tastgrade (t1–t6) für die Schaltraumvektoren (V1–V6) aktiver Zustände, die den Raumvektorbereich definieren, bestimmt sind, können die Tastgrade (t0 und t7) für die Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 und V7) bestimmt werden.
  • In einem Beispiel und anhand von 4 ist der Gesamttastgrad (t0 + t7) der Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 und V7) gemäß Gleichung 1: d = (t0 + t7)/Ts = 1 – [(t1 + t2)/Ts] (1) gleich der Dauer der Periode Ts, abzüglich der Tastgrade (t1 und t2) für die Schaltraumvektoren (V1 und V2)
  • In diesem Beispiel kann während der Schaltperiode Ts einer der Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 oder V7) oder eine Kombination der beiden Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 und V7) verwendet werden, um den Abschluss der Schaltperiode Ts zu erreichen, ohne dass der Durchschnittswert der an die Last angelegten Ausgangsspannung beeinflusst wird. In einer Ausführungsform ermöglicht die Nutzung eines der Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 oder V7) oder der Kombination der Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 und V7) die Optimierung der Impulsbreitenmodulations-Ablaufsteuerung (PWM-Ablaufsteuerung) wie etwa z. B. das Erreichen minimaler Schaltverluste, einer minimalen Spannungsverzerrung, einer minimalen Stromverzerrung und dergleichen.
  • Die Nutzung der Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 oder V7) ermöglicht in der Erfindung die Leitungsverluste in dem Zweig, der den größten Strom führt, unter den Leistungsschaltern des Spannungsquellen-Wechselrichters zu verteilen.
  • Bei niedrigen Ausgangsfrequenzen enthält der Referenzvektor V* einen kleinen Betrag. In dieser Ausführungsform kann der Nullvektor-Tastgrad d für den Referenzvektor V* gemäß Gleichung 2 als: d = (t0 + t7)/Ts >> 1 – [(t1 + t2)/Ts] (2) ausgedrückt werden.
  • Wenn die PWM genutzt wird, so dass der höchste Phasenstrom nicht geschaltet wird, ist die Verlustleistung für denjenigen Leistungsschalter, der den höchsten Strom Imax führt, gleich den maximalen Leitungsleistungsverlusten Pcond(Imax). Die Verlustleistung kann verringert werden, wenn der Leitungsverlust desjenigen Schalters, der den Spitzenstrom führt, für die Dauer des Nullvektor-Tastgrads d größer als die Energie (ESW) ist, die zum Ein- und Ausschalten bei dem Spitzenstrom und bei der Schaltfrequenz fSW erforderlich ist. In einem Beispiel und anhand von 4 ist der Nullvektor-Tastgrad d der Tastgrad d0 für den Nullzustands-Schaltraumvektor V0. In diesem Beispiel kann der Ausdruck in 3 als: [Pcond(Imax)·d0] > [ESW·fSW] (3) ausgedrückt werden.
  • Die Nutzung eines der Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 oder V7) oder der Kombination der Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 und V7) wird Nullvektormodulation (ZVM) genannt. Um die Verlustleistung in demjenigen Schalter, der den größten Strom führt, zu verringern, werden die Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 oder V7) periodisch mit einer Nullvektormodulations-Frequenz fZVM und mit einem Nullvektormodulations-Tastgrad dZVM ausgewählt. Eine Nullvektormodulations-Frequenz fZVM von 100 Hz, die mit einem Nullvektormodulations-Tastgrad dZVM von 0,5 genutzt wird, sind Beispiele der Nullvektormodulations-Implementierung (ZVM-Implementierung).
  • Wenn die Nullvektormodulation (ZVM) genutzt wird, kann die Durchschnittsverlustleistung für eine ZVM-Periode TZVM für den am stärksten belasteten Leistungsschalter gemäß Gleichung 4: Pcond(Imax) – dZVM[Pcond(Imax)·d0 – ESW – fSW] (4) ausgedrückt werden, wobei der ZVM-Tastgrad dZVM der komplementäre Nullzustands-Tastgrad d7 für einen Nullzustands-Schaltraumvektor V7 ist, d. h., die Verlustleistung für denjenigen Schalter, der den höchsten Strom führt, wird verringert. Allerdings werden die Gesamtverluste für denjenigen Spannungsquellen-Wechselrichterzweig, der den höchsten Strom führt, erhöht und können gemäß Gleichung 5 als: 2·(dZVM)(ESW)·(fSW) (5) ausgedrückt werden.
  • Anhand der obigen Gleichung führt die Nutzung eines kleineren komplementären ZVM-Tastgrads dZVM zu einer Verringerung der Verlustleistung des am stärksten belasteten Leistungsschalters, während sie eine kleine Zunahme der Gesamtwechselrichterverluste erzeugt. In einem Beispiel und anhand von 4 führen eine ZVM-Frequenz fZVM von 10 Hertz (Hz), die mit einem Tastgrad d0 für den Nullvektor-Schaltraumvektor V0 von 0,7 verwendet wird, und die Nutzung eines ZVM-Tastgrads dZVM von 0,65 für den Nullzustands-Schaltraumvektor V7 in einem MOSFET-Wechselrichter zu vernachlässigbaren Schaltverlusten. In diesem Beispiel verringert die Nullvektormodulation (ZVM) die Verlustleistung in demjenigen Leistungsschalter, der den höchsten Strom führt, und ermöglicht dadurch die Steuerung der Übergangstemperaturen.
  • 5 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren zur Schaffung eines verbesserten Wärmemanagements in einem Spannungsquellen-Wechselrichter unter Nutzung der Nullvektormodulation gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. 5 schildert ausführlich eine Ausführungsform eines Verfahrens 500 zum Steuern der Wärmezunahme in Leistungsschaltern in einem Spannungsquellen-Wechselrichter (VSI). Das Verfahren 500 kann eines oder mehrere oben in den 1–4 ausführlich geschilderte Konzepte nutzen.
  • Das Verfahren 500 beginnt im Block 510. Zunächst wird eine Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz abgetastet (Block 520). In einer Ausführungsform treten Niederfrequenzbedingungen dann auf, wenn sich ein Elektromotor mit sehr niedriger Drehzahl dreht oder wenn der Motor still steht. In einem Beispiel treten die Bedingungen sehr niedriger Drehzahl oder des Stillstands wie etwa in einem Elektrofahrzeug während des Fahrzeugstarts oder wie etwa in einer Hybridfahrzeug-Anlasser-Generator-Anwendung während des Anlassens des Motors auf.
  • Nachfolgend wird in Reaktion auf die abgetastete Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz eine Nullvektormodulation bestimmt (Block 530). In einer Ausführungsform wird eine ein Referenzvektor genannte Leistungsanforderung, die der abgetasteten Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz zugeordnet ist, auf einen Raumvektorbereich in einem Raumvektor-Strukturdiagramm abgebildet. In einem Beispiel und anhand der 3 und 4 kann eine Spannungsanforderung in dem Raumvektorbereich ”S = 1” dadurch erzeugt werden, dass innerhalb einer gegebenen Periode Ts eine Kombination von Tastgraden von Schaltraumvektoren (V1 und V2) aktiver Zustande und von Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 und V7) eingestellt wird, um die gewünschte Spannung zu erreichen. In diesem Beispiel und anhand von Tabelle 1 enthält jeder Schaltraumvektor eines aktiven Zustands und jeder Nullzustands-Schaltraumvektor drei zugeordnete Zweigkonfigurationen, die in der Tabelle definiert und oben ausführlich geschildert sind.
  • Daraufhin wird die bestimmte Nullvektormodulation angewendet, um die Wärmebelastung in dem Spannungsquellen-Wechselrichter (VSI) zu verringern (Block 540). In einer Ausführungsform ist der Raumvektorbereich, der den Referenzvektor enthält, durch zwei Schaltraumvektoren aktiver Zustände definiert. Eine Kombination der Verwendung der Schaltraumvektoren aktiver Zustände für eine vorgegebene Zeit (Tastgrad eines aktiven Zustands) in einer Betriebsperiode erzeugt den Referenzvektor. Die verbleibende Zeit (Betriebsperiode abzüglich des Tastgrads eines aktiven Zustands) wird für die Verwendung einer Kombination von Nullzustands-Schaltraumvektoren zugeordnet.
  • In einem Beispiel und anhand von 4 werden die Tastgrade (t1 und t2) für die Schaltraumvektoren (V1 und V2) anhand des Referenzvektors V* bestimmt. Der Gesamttastgrad (t0 + t7) der Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 und V7) ist gleich der Dauer der Periode Ts, abzüglich der Tastgrade (t1 und t2) für die Schaltraumvektoren (V1 und V2). In diesem Beispiel kann während der Schaltperiode Ts einer der Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 oder V7) oder eine Kombination beider Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0 und V7) verwendet werden, um den Abschluss der Schaltperiode Ts zu erreichen, ohne dass der Mittelwert der an die Last angelegten Ausgangsspannung beeinflusst wird. Daraufhin wird die Leistung anhand der Taktzyklen der Schaltraumvektoren aktiver Zustande und der Nullzustands-Schaltraumvektoren, die den spezifischen Zweigkonfigurationen in Tabelle 1 oben zugeordnet sind, an die Last abgegeben. Im Block 550 wird das Verfahren abgeschlossen.
  • Das oben beschriebene System und Verfahren für ein verbessertes Wärmemanagement in einem Spannungsquellen-Wechselrichter sind ein beispielhaftes System und Verfahren. Das System und das Verfahren für ein verbessertes Wärmemanagement in einem Spannungsquellen-Wechselrichter veranschaulichen einen möglichen Zugang zu einem verbesserten Wärmemanagement in einem Spannungsquellen-Wechselrichter. Die tatsächliche Implementierung kann von dem diskutierten Paket abweichen. Außerdem können dem Fachmann auf dem Gebiet verschiedene Verbesserungen und Änderungen, die im Umfang dieser Erfindung liegen, einfallen, wie sie in den unten stehenden Ansprüchen dargelegt ist.
  • Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Verfahren für das Wärmemanagement in einem Spannungsquellen-Wechselrichter. Das Verfahren umfasst das Abtasten einer Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz, das Bestimmen einer Nullvektormodulation in Reaktion auf die abgetastete Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz und das Anwenden der bestimmten Nullvektormodulation, um die Wärmebelastung in dem Spannungsquellen-Wechselrichter zu verringern. Der Schritt des Bestimmens der Nullvektormodulation in Reaktion auf die abgetastete Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz umfasst das Abbilden einer Ausgangsspannungsanforderung auf eine Raumvektorstruktur und das Bestimmen von Schaltraumvektoren der Zustände anhand der abgetasteten Ausgangsspannungsanforderung. Der Schritt des Bestimmens der Schaltraumvektoren der Zustände umfasst das Bestimmen der Schaltraumvektoren aktiver Zustände, die den Schaltraumvektoren der Zustände zugeordnet sind, das Bestimmen der Tastgrade für die Schaltraumvektoren aktiver Zustände anhand der Schaltraumvektoren aktiver Zustände und das Bestimmen eines Tastgrads für wenigstens einen Nullzustands-Schaltraumvektor anhand der bestimmten Tastgrade der Schaltraumvektoren aktiver Zustände und einer Schaltperiode.

Claims (13)

  1. Verfahren für das Wärmemanagement in einem Spannungsquellen-Wechselrichter (110), welcher mehrere Zweige sowie Schalter (111–123) zum Steuern des Stromflusses in jeweiligen Abschnitten der Zweige umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Abtasten (520) einer Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz; Bestimmen (530) einer Nullvektormodulation in Reaktion auf die abgetastete Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz, wobei eine Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und ein Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) unter Berücksichtigung der Gesamtverlustleistung in demjenigem Zweig, welcher den höchsten Strom führt, ausgewählt werden; und Anwenden (540) der bestimmten Nullvektormodulation, um die Wärmebelastung in dem Spannungsquellen-Wechselrichter (110) zu verringern, wobei das Anwenden der Nullvektormodulation umfasst, dass die Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0, V7) eines ersten und eines zweiten Nullzustands periodisch abwechselnd mit der Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und dem Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) ausgewählt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Nullvektormodulation in Reaktion auf die abgetastete Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz umfasst: Abbilden einer Ausgangsspannungsanforderung (V*) auf eine Raumvektorstruktur; und Bestimmen der Schaltraumvektoren (V0–V7) der Zustande anhand der abgebildeten Ausgangsspannungsanforderung (V*)
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag einer Kombination von Schaltraumvektoren (V0–V7) der Zustände gleich dem Betrag der Ausgangsspannungsanforderung (V*) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Schaltraumvektoren (V0–V7) der Zustände umfasst: Bestimmen der Schaltraumvektoren (V1–V6) aktiver Zustande, die den Schaltraumvektoren (V0–V7) der Zustände zugeordnet sind; Bestimmen der Tastgrade (t1–t6) für die Schaltraumvektoren (V1–V6) aktiver Zustände anhand der Schaltraumvektoren (V1–V6) aktiver Zustande und der abgebildeten Ausgangsspannungsanforderung (V*); und Bestimmen eines Tastgrads (t0, t7) für wenigstens einen Nullzustands-Schaltraumvektor (V0, V7) anhand der bestimmten Tastgrade (t1–t6) der Schaltraumvektoren (V1–V6) aktiver Zustände und einer Schaltperiode (Ts).
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastgrad (t0, t7) für den wenigstens einen Nullzustands-Schaltraumvektor (V0, V7) aus der Gruppe ausgewählt wird, die Folgendes enthält: einen Tastgrad (t0) des ersten Nullzustands, einen Tastgrad (t7) des zweiten Nullzustands und eine Kombination der Tastgrade (t0, t7) der Nullzustände.
  6. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Anwenden der bestimmten Nullvektormodulation zum Verringern der Wärmebelastung in dem Spannungsquellen-Wechselrichter (110) umfasst: Anlegen einer Gesamtspannung von dem Wechselrichter (110) an eine Last (120), wenn die Schaltraumvektoren (V1–V6) aktiver Zustände genutzt werden; und Anlegen einer Kurzschlussspannung von dem Wechselrichter (110) an die Last (120), wenn die Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0, V7) genutzt werden.
  7. Computerlesbares Medium, das ein Computerprogramm zum Steuern eines Spannungsquellen-Wechselrichters (110) mit mehreren Zweigen sowie Schaltern (111–123) zum Steuern des Stromflusses in jeweiligen Abschnitten der Zweige speichert, umfassend: computerlesbaren Code zum Bestimmen einer Nullvektormodulation in Reaktion auf eine Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz unter Auswählen einer Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und eines Nullvektormodulations-Tastgrads (dZVM) unter Berücksichtigung der Gesamtverlustleistung in demjenigem Zweig, welcher den höchsten Strom führt; und computerlesbaren Code, um die bestimmte Nullvektormodulation zum Verringern der Wärmebelastung in dem Spannungsquellen-Wechselrichter (110) anzuwenden, indem die Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0, V7) eines ersten und eines zweiten Nullzustands periodisch abwechselnd mit der Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und dem Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) ausgewählt werden.
  8. Computerlesbares Medium nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der computerlesbare Code zum Bestimmen einer Nullvektormodulation in Reaktion auf die abgetastete Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz umfasst: computerlesbaren Code zum Abbilden einer Ausgangsspannungsanforderung (V*) auf eine Raumvektorstruktur; und computerlesbaren Code zum Bestimmen von Schaltraumvektoren (V0–V7) der Zustände anhand der abgebildeten Ausgangsspannungsanforderung (V*).
  9. Computerlesbares Medium nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag einer Kombination der Schaltraumvektoren (V0–V7) der Zustände gleich dem Betrag der Ausgangsspannungsanforderung (V*) ist.
  10. Computerlesbares Medium nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der computerlesbare Code zum Bestimmen der Schaltraumvektoren (V0–V7) umfasst: computerlesbaren Code zum Bestimmen der Schaltraumvektoren (V1–V6) aktiver Zustande, die den Schaltraumvektoren (V0–V7) der Zustände zugeordnet sind; computerlesbaren Code zum Bestimmen der Tastgrade (t1–t6) für die Schaltraumvektoren (V1–V6) aktiver Zustande anhand der Schaltraumvektoren (V1–V6) aktiver Zustände und der abgebildeten Ausgangsspannungsanforderung (V*); und computerlesbaren Code zum Bestimmen eines Tastgrads (t0, t7) für wenigstens einen Nullzustands-Schaltraumvektor (V0, V7) anhand der bestimmten Tastgrade (t1–t6) der Schaltraumvektoren (V1–V6) aktiver Zustände und einer Schaltperiode (Ts).
  11. Computerlesbares Medium nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastgrad (t0, t7) für den wenigstens einen Nullzustands-Schaltraumvektor (V0, V7) aus der Gruppe ausgewählt wird, die Folgendes enthält: einen Tastgrad (t0) des ersten Nullzustands, einen Tastgrad (t7) des zweiten Nullzustands und eine Kombination der Tastgrade (t0, t7) der Nullzustände.
  12. Computerlesbares Medium nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der computerlesbare Code zum Anwenden der bestimmten Nullvektormodulation zum Verringern der Wärmebelastung in dem Spannungsquellen-Wechselrichter (110) umfasst: computerlesbaren Code zum Anlegen einer Gesamtspannung von dem Wechselrichter (110) an eine Last (120), wenn die Schaltraumvektoren (V1–V6) aktiver Zustande genutzt werden; und computerlesbaren Code zum Anlegen einer Kurzschlussspannung von dem Wechselrichter (110) an die Last (120), wenn die Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0, V7) genutzt werden.
  13. System für das Wärmemanagement in einem Spannungsquellen-Wechselrichter (110), welcher mehrere Zweige sowie Schalter (111–123) zum Steuern des Stromflusses in jeweiligen Abschnitten der Zweige umfasst, wobei das System umfasst: ein Mittel zum Abtasten einer Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz; ein Mittel zum Bestimmen einer Nullvektormodulation in Reaktion auf die abgetastete Bedingung niedriger Ausgangsfrequenz, welches Mittel dazu ausgebildet ist, eine Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und einen Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) unter Berücksichtigung der Gesamtverlustleistung in demjenigem Zweig, welcher den höchsten Strom führt, auszuwählen; und ein Mittel, um die bestimmte Nullvektormodulation zum Verringern der Wärmebelastung in dem Spannungsquellen-Wechselrichter (110) anzuwenden, indem die Nullzustands-Schaltraumvektoren (V0, V7) eines ersten und eines zweiten Nullzustands periodisch abwechselnd mit der Nullvektormodulations-Frequenz (fZVM) und dem Nullvektormodulations-Tastgrad (dZVM) ausgewählt werden.
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