DE102008025446A1

DE102008025446A1 - Verfahren und System zum Betreiben eines Motors in einem Elektrofahrzeug in geräuschreduzierender Weise

Info

Publication number: DE102008025446A1
Application number: DE102008025446A
Authority: DE
Inventors: Nitinkumar R. Cypress Patel; Mohammad N. Van Buren Township Anwar; Silva Redondo Beach Hiti; Brian A. Torrance Welchko; Steven E. Torrance Schulz; Lisa M. Farmington Hills Talarico
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2008-12-24
Also published as: CN101316078A; US20080298785A1; CN101316078B; US7576500B2

Abstract

Es werden ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines mit einem elektrischen Bus gekoppelten Motors in einem Fahrzeug geschaffen. Es werden ausgewählte Resonanzfrequenzen des elektrischen Busses bestimmt. Die ausgewählten Resonanzfrequenzen enthalten eine tiefe Resonanzfrequenz und eine hohe Resonanzfrequenz. Leistung wird dem Motor über wenigstens einen Schalter, der bei der Schaltfrequenz arbeitet, bereitgestellt. Die Schaltfrequenz wird als Funktion einer Betriebsgeschwindigkeit des Motors gesteuert. Die Funktion ist entweder durch einen ersten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer ersten Steigung, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine ausgewählte Schaltfrequenz oder gleich dieser ist, oder einen zweiten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer zweiten Steigung, wenn die Schaltfrequenz höher als die ausgewählte Frequenz ist, wobei die ausgewählte Schaltfrequenz höher als die tiefe Resonanzfrequenz ist, oder einen im Wesentlichen linearen Abschnitt, dessen y-Achsenabschnitt über der tiefen Resonanzfrequenz liegt, gekennzeichnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kraftfahrzeuge und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines Motors in einem Elektrofahrzeug wie etwa einem Hybridkraftfahrzeug in geräuschreduzierender Weise.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Technologie sowie sich stets wandelnde Geschmacksrichtungen im Stil zu wesentlichen Veränderungen des Entwurfs von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Veränderungen betrifft die Komplexität der elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Alternativkraftstoff-Fahrzeugen wie etwa Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Solche Alternativkraftstoff-Fahrzeuge verwenden zum Antreiben der Räder typischerweise einen oder mehrere Elektromotoren, eventuell in Kombination mit einem weiteren Antrieb. Außerdem können solche Kraftfahrzeuge weitere Motoren sowie weitere Hochspannungskomponenten enthalten, um weitere verschiedene Systeme in dem Kraftfahrzeug wie etwa die Klimaanlage zu betreiben.
Auf Grund der Tatsache, dass Alternativkraftstoff-Kraftfahrzeuge typischerweise nur eine Gleichstrom-Leistungsversorgung (z. B. eine Batterie) umfassen, werden Spannungsquellen-Wechselrichter (oder kurz: Wechselrichter) verwendet, um die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung, die im Allgemeinen von den Motoren benötigt wird, umzusetzen. Die Motoren, die Wechselrichter und die Batterie sowie weitere Komponenten sind durch eine Reihe von Leitern wie etwa Kabeln elektrisch untereinander verbunden, die als "Gleichstrombus" bezeichnet wird.
Die Wechselrichter setzen Gleichstromleistung in Wechselstromleistung in erster Linie mittels darin befindlicher Schalttransistoren um, wobei beispielsweise Pulsweitenmodulationstechniken (PWM-Techniken) angewandt werden. Die Wechselrichter-Schaltfrequenzen kommen häufig verschiedenen Resonanzfrequenzen auf dem Gleichstrombus nahe und erregen solche, was zu einem unerwünschten Geräusch in dem Fahrzeug und zu einer hochfrequenten Stromwelligkeit auf dem Gleichstrombus führen kann.
Daher sollten ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines mit einem elektrischen Bus gekoppelten Motors derart, dass die Erregung von Resonanzfrequenzen minimiert wird, geschaffen werden. Ferner werden weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den angehängten Ansprüchen deutlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen sowie dem technischen Gebiet und Hintergrund, die vorangestellt worden sind, aufgenommen werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines mit einem elektrischen Bus gekoppelten Motors in einem Fahrzeug geschaffen. Es werden ausgewählte Resonanzfrequenzen des elektrischen Busses bestimmt. Die ausgewählten Resonanzfrequenzen enthalten eine tiefe Resonanzfrequenz und eine hohe Resonanzfrequenz. Leistung wird dem Motor über wenigstens einen Schalter, der bei der Schaltfrequenz arbeitet, bereitgestellt. Die Schaltfrequenz wird als Funktion einer Betriebsgeschwindigkeit des Motors gesteuert. Die Funktion ist entweder durch einen ersten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer ersten Steigung, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine ausgewählte Schaltfrequenz oder gleich dieser ist, oder einen zweiten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer zweiten Steigung, wenn die Schaltfrequenz höher als die ausgewählte Frequenz ist, wobei die ausgewählte Schaltfrequenz höher als die tiefe Resonanzfrequenz ist, oder einen im Wesentlichen linearen Abschnitt, dessen y-Achsenabschnitt über der tiefen Resonanzfrequenz liegt, gekennzeichnet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines mit einem Wechselrichter und einem elektrischen Bus gekoppelten Motors in einem Fahrzeug geschaffen. Es werden ausgewählte Resonanzfrequenzen des elektrischen Busses bestimmt. Die ausgewählten Resonanzfrequenzen enthalten eine tiefe Resonanzfrequenz und eine hohe Resonanzfrequenz. Leistung wird dem Motor über wenigstens einen Schalter in dem Wechselrichter bereitgestellt. Das Bereitstellen der Leistung umfasst entweder das Betätigen des wenigstens einen Schalters bei einer anfänglichen Schaltfrequenz, um den Betrieb des Motors auszulösen, wobei die anfängliche Schaltfrequenz höher als die tiefe Resonanzfrequenz ist, oder das Betätigen des wenigstens einen Schalters bei einer Schaltfrequenz, das Erhöhen der Schaltfrequenz mit einer ersten Geschwindigkeit als Funktion einer Betriebsgeschwindigkeit des Motors, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine ausgewählte Schaltfrequenz oder gleich dieser ist, und das Erhöhen der Schaltfrequenz mit einer zweiten Geschwindigkeit als Funktion der Betriebsgeschwindigkeit des Motors, wenn die Schaltfrequenz höher als ausgewählte Frequenz ist, wobei die ausgewählte Schaltfrequenz höher als die tiefe Resonanzfrequenz ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Kraftfahrzeugantriebssystem geschaffen. Das Antriebssystem umfasst einen elektrischen Bus mit ausgewählten Resonanzfrequenzen, wobei die ausgewählten Resonanzfrequenzen eine tiefe Resonanzfrequenz und eine hohe Resonanzfrequenz enthalten, eine Gleichstrom-Leistungsversorgung, die mit dem elektrischen Bus gekoppelt ist, einen Elektromotor, der mit dem elektrischen Bus gekoppelt ist, einen Wechselrichter, der wenigstens einen Transistor umfasst und mit dem elektrischen Bus gekoppelt ist, um Gleichstromleistung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung zu empfangen und Wechselstromleistung an den Elektromotor zu liefern, und einen Prozessor, der mit dem Elektromotor, der Gleichstrom-Leistungsversorgung und dem Wechselrichter in betriebsbereiter Kommunikation steht. Der Prozessor ist konfiguriert, um die Schaltfrequenz als Funktion einer Betriebsgeschwindigkeit des Motors zu steuern. Die Funktion ist entweder durch einen ersten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer ersten Steigung, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine ausgewählte Schaltfrequenz oder gleich dieser ist, oder einen zweiten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer zweiten Steigung, wenn die Schaltfrequenz höher als die ausgewählte Frequenz ist, wobei die ausgewählte Schaltfrequenz höher als die tiefe Resonanzfrequenz ist, oder einen im Wesentlichen linearen Abschnitt, dessen y-Achsenabschnitt über der tiefen Resonanzfrequenz liegt, gekennzeichnet.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, beschrieben; unter diesen zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Ansicht eines Wechselrichters in dem Fahrzeug von 1;
3 eine schematische Ansicht eines elektrischen Busses in dem Fahrzeug von 1;
4 eine graphische Darstellung des Resonanzphänomens bezüglich verschiedener Induktivitätswerte an dem elektrischen Bus von 3;
5 eine graphische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Motors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine graphische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Motors in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine graphische Darstellung eines Beispiels eines hochfrequenten Wellenstroms, der während des Betriebs eines Wechselrichters, der eine herkömmliche Schaltfrequenzfunktion verwendet, an einem elektrischen Bus gemessen worden ist;
8 eine graphische Darstellung eines Beispiels eines hochfrequenten Wellenstroms, der während des Betriebs eines Wechselrichters, der eine Schaltfrequenzfunktion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, an einem elektrischen Bus gemessen worden ist;
9 eine graphische Darstellung des Frequenzspektrums einer Ausgangsspannung eines Wechselrichters, der Festfrequenz-PWM verwendet; und
10 eine graphische Darstellung des Frequenzspektrums einer Ausgangsspannung eines Wechselrichters, der PWM verwendet, wobei eine Dithering-Technik angewandt wird.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende ausführliche Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung nicht einschränken. Außerdem soll sie nicht an irgendeine ausgedrückte oder implizierte Theorie, die in dem technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung, die vorangestellt worden sind, oder der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellt ist, gebunden sein.
Die folgende Beschreibung verweist auf Elemente oder Merkmale, die miteinander "verbunden" oder "gekoppelt" sind. Wie hier verwendet, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, bedeutet "verbunden", dass ein Element/Merkmal direkt mit einem anderen Element/Merkmal verknüpft ist (oder direkt mit einem solchen kommuniziert), jedoch nicht unbedingt auf mechanische Weise. Ähnlich bedeutet "gekoppelt", sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, dass ein Element/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Merkmal verknüpft ist (oder direkt oder indirekt mit einem solchen kommuniziert), jedoch nicht unbedingt auf mecha nische Weise. Obwohl zwei Elemente nachstehend in einer Ausführungsform als "verbunden" beschrieben sind, können wohlgemerkt in alternativen Ausführungsformen ähnliche Elemente "gekoppelt" sein, und umgekehrt. Obwohl die hier gezeigten schematischen Darstellungen beispielhafte Anordnungen von Elementen zeigen, können somit in einer wirklichen Ausführungsform weitere beteiligte Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten vorhanden sein. Außerdem sind die 1–10 selbstverständlich rein veranschaulichend und nicht unbedingt maßstäblich gezeichnet.
1 bis 10 zeigen ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines mit einem elektrischen Bus gekoppelten Motors in einem Fahrzeug. Es werden ausgewählte Resonanzfrequenzen des elektrischen Busses bestimmt. Die ausgewählten Resonanzfrequenzen enthalten eine tiefe Resonanzfrequenz und eine hohe Resonanzfrequenz. Leistung wird dem Motor über wenigstens einen Schalter, der bei einer Schaltfrequenz arbeitet, bereitgestellt. Die Schaltfrequenz wird als Funktion einer Betriebsgeschwindigkeit des Motors gesteuert. Die Funktion ist entweder durch einen ersten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer ersten Steigung, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine ausgewählte Schaltfrequenz oder gleich dieser ist, oder einen zweiten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer zweiten Steigung, wenn die Schaltfrequenz höher als die ausgewählte Frequenz ist, wobei die ausgewählte Schaltfrequenz höher als die tiefe Resonanzfrequenz ist, oder einen im Wesentlichen linearen Abschnitt, dessen y-Achsenabschnitt über der tiefen Resonanzfrequenz liegt, gekennzeichnet.
1 zeigt ein Elektrofahrzeug (oder Elektrokraftfahrzeug) 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Fahrzeug 20 umfasst einen Rahmen 22, vier Räder 24 und ein elektronisches Steuersystem 26.
Obwohl dies nicht spezifisch gezeigt ist, umfasst der Rahmen ein Fahrwerk und eine Karosserie, die an dem Fahrwerk angeordnet ist und die anderen Komponenten des Fahrzeugs 20 im Wesentlichen umschließt. Die Räder 24 sind jeweils in der Nähe einer jeweiligen Ecke des Rahmens 22 drehbar mit diesem gekoppelt.
Das Fahrzeug 20 kann ein Typ von mehreren verschiedenen Typen von Kraftfahrzeugen wie beispielsweise eine Limousine, eine Kombilimousine, ein Lastkraftwagen oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV) mit Zweiradantrieb (2WD) (d. h. Hinterradantrieb oder Vorderradantrieb), Vierradantrieb (4WD) oder Allradantrieb (AWD) sein. Das Fahrzeug 20 kann außerdem einen Typ oder eine Kombination mehrerer verschiedener Typen von Maschinen wie beispielsweise eine mit Benzin oder Diesel gespeiste Brennkraftmaschine, eine Maschine für ein "Flex-Fuel-Fahrzeug (FFV) (d. h. eine Maschine, die ein Gemisch aus Benzin und Alkohol verwendet), eine mit einer gasförmigen Verbindung (z. B. Wasserstoff und/oder Naturgas) gespeiste Maschine, eine Brennkraft/Elektromotor-Hybridmaschine und einen Elektromotor enthalten.
In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist das Fahrzeug 20 ein AWD-Hybridfahrzeug und umfasst ferner eine vordere Antriebsanordnung bzw. Aktuatoranordnung 28, eine hintere Antriebsanordnung 30, eine Klimaanlage (AC-System) 32 und eine Batterie (d. h. eine Gleichstrom-Leistungsversorgung) 34. Die vordere Antriebsanordnung 28 umfasst eine Brennkraftmaschine 36, eine vordere Motor-/Getriebeanordnung 38 und eine vordere Wechselrichteranordnung 40 (oder Traktions-Wechselrichtermodul = Traction Power Inverter Module, TPIM), die in einer Ausführungsform mehrere Wechselrichter (inverter) (d. h. einen für jeden der Elektromotoren in der weiter unten beschriebenen Antriebsanordnung 28) umfasst.
Die vordere Motor-/Getriebeanordnung 38 umfasst wie üblich ein darin integriertes Getriebe mit zwei Elektromotoren/Generatoren (oder Motoren) 42 und ist mit der Brennkraftmaschine 36 gekoppelt. Obwohl dies nicht gezeigt ist, umfasst jeder der Motoren/Generatoren 42 eine Statoranordnung (die leitende Spulen umfasst) und eine Rotoranordnung (die einen ferromagnetischen Kern umfasst). Die Statoranordnung und/oder die Rotoranordnung innerhalb der Motoren/Generatoren 42 können wie üblich mehrere elektromagnetische Pole (z. B. sechzehn Pole) aufweisen.
Die hintere Antriebsanordnung 30 umfasst eine hintere Motor-/Getriebeanordnung 44 und einen hinteren Wechselrichter 46 (oder ein hinteres Wechselrichtermodul = Rear Power Inverter Module, RPIM). Die hintere Motor-/Getriebeanordnung 44 umfasst einen Elektromotor/Generator 48, der den Motoren/Generatoren 42 der vorderen Motor-/Getriebeanordnung 38 gleichen kann. Das AC-System 32 umfasst eine AC-Einheit 50, die einen AC-Kompressormotor 52 und einen AC-Wechselrichter 54 umfasst, und wird zum Regulieren der Lufttemperatur in einem Fahrgastraum des Fahrzeugs 20 verwendet.
Wie in 1 weiter gezeigt ist, ist die hintere Antriebsanordnung 30 durch eine Antriebswelle 56 mit der vorderen Antriebsanordnung 28 gekoppelt, wobei jede der Antriebsanordnungen 28 und 30 durch mehrere Achsen 58 mit den Rädern 24 gekoppelt ist.
2 zeigt die vordere Wechselrichteranordnung 40 oder genauer einen Wechselrichter in der vorderen Wechselrichteranordnung 40 gemäß einer Ausführungsform. Der Wechselrichter 40 umfasst eine Dreiphasenschaltung, die mit einer Spannungsquelle und einem Motor gekoppelt ist. Genauer umfasst der Wechselrichter 40 ein Schalternetzwerk, dessen erster Eingang mit der Batterie 34 gekoppelt ist und dessen Ausgang mit dem (den) Motor(en)/Generator(en) 42 gekoppelt ist. Obwohl eine einzige Spannungsquelle gezeigt ist, kann ein verteilter Gleichstromzwischenkreis mit zwei in Reihe geschalteten Quellen verwendet werden.
Das Schalternetzwerk umfasst drei Paare in Reihe geschalteter Schalter mit antiparallelen Dioden (d. h. jeweils zu einem Schalter antiparallel), die jeweils den Phasen entsprechen. Jedes der Paare in Reihe geschalteter Schalter umfasst einen ersten Schalter (oder Transistor) 60, 62 und 64, dessen erster Anschluss mit einer positiven Elektrode der Batterie 34 gekoppelt ist, und einen zweiten Schalter 66, 68 und 70, dessen zweiter Anschluss mit einer negativen Elektrode der Batterie 34 gekoppelt ist und dessen erster Anschluss mit einem zweiten Anschluss des entsprechenden ersten Schalters 60, 62 und 64 gekoppelt ist. Obwohl 2 speziell einen Wechselrichter in der vorderen Wechselrichteranordnung 40 zeigen soll, kann 2 wohlgemerkt gemäß wenigstens einer Ausführungsform auch zur Darstellung des hinteren Wechselrichters 46 und/oder des AC-Wechselrichters 54 verwendet werden.
Um wieder auf 1 Bezug zu nehmen, steht das elektronische Steuersystem 26 mit der vorderen Antriebsanordnung 28, der hinteren Antriebsanordnung 30, dem AC-System 32 und der Batterie 34 in betriebsbereiter Kommunikation. Obwohl dies nicht im Einzelnen gezeigt ist, umfasst das elektronische Steuersystem 26 verschiedene Sensoren und Kraftfahrzeug-Steuermodule oder elektronische Steuereinheiten (electronic control units, ECUs) wie etwa ein Wechselrichter-Steuermodul und einen Fahrzeugcontroller sowie wenigstens einen Prozessor und/oder einen Speicher, der darin (oder in einem anderen computerlesbaren Medium) gespeicherte Anweisungen zum Ausführen der weiter unten beschriebenen Prozesse und Verfahren enthält.
3 zeigt schematisch einen elektrischen Hochspannungs-Gleichstrombus (oder elektrischen Bus) 72 in dem Fahrzeug 20. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, umfasst der Gleichstrombus 72 mehrere Leiter 74 (z. B. Sammelschienen und/oder Drähte oder Kabel), die die Batterie 34, die vordere Antriebsanordnung 28, die hintere Antriebsanordnung 30 und das AC-System 32 (in 1 gezeigt) untereinander verbinden. Der Gleichstrombus 72 (und/oder die verschiedenen durch ihn untereinander verbundenen Komponenten) umfassen außerdem wie üblich verschiedene Kondensatoren (z. B. X-Y-Kondensatoren) 76 und Induktoren (z. B. Gleichtaktdrosselspulen und Kabelinduktivitäten) 78. Es sei angemerkt, dass das in 1 gezeigte Fahrzeug 20 verschiedene weitere Komponenten umfassen kann, denen der Gleichstrombus 72 gemeinsam ist, wie etwa einen Wechselrichter/Gleichrichter für elektrische Kraftlenkung, Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler und andere Hochspannungskomponenten.
Die mit dem Gleichstrombus 72 gekoppelten verschiedenen Komponenten besitzen unterschiedliche Filterkapazitäten und -induktivitäten, die von den einzelnen Entwurfsanforderungen abhängen, sowie X-Y-Kondensatoren und Gleichtaktdrosselspulen für elektromagnetische Verträglichkeit. Außerdem fügen die Leiter, die die verschiedenen Komponenten untereinander verbinden, Reiheninduktivitäten hinzu. In Abhängigkeit von der Auslegung des Gleichstrombusses 72 bilden diese Induktivitäten und Kapazitäten Resonanzkreise, die Resonanzfrequenzen besitzen können, die hergeleitet werden können durch:
wobei L = Induktivität (in Henry) und C = Kapazität (in Farad).
In Abhängigkeit von der bestimmten Gleichstrombusauslegung und der Betriebsstrategie kann das System mehrere Resonanzkreise mit mehreren Resonanzfrequenzen besitzen. Die Selbstinduktivitäts-, Kapazitäts- und Kabelinduktivitätswerte können von Teil zu Teil oder von Fahrzeug zu Fahrzeug variieren. Als Folge besitzt der Gleichstrombus 72 statt nur einer Resonanzfrequenz einen Bereich von Resonanzfrequenzen, bei denen bestimmte Komponenten einen niederohmigen Pfad für Resonanzstrom, der fließt, wenn der Gleichstrombus 72 in diesem Bereich erregt wird, schaffen könnten.
4 zeigt das Resonanzphänomen bezüglich verschiedener an dem hinteren Wechselrichter gemessener Induktivitätswerte 80–88 an dem in 3 gezeigten Gleichstrombus 72 infolge des Betriebs des vorderen Wechselrichters. Um sowohl auf 3 als auch auf 4 Bezug zu nehmen, entspricht der Induktivitätswert 80 einer Kabelinduktivität (L_TPIM) des vorderen Wechselrichters von 2,5 μH, einer Kabelinduktivität (L_RPIM) des hinteren Wechselrichters von 1,1 μH und einer AC-Motor-Reiheninduktivität (L_ACCM) von 7,8 μH. Der Induktivitätswert 82 entspricht einem L_TPIM von 4,4 μH, einem L_RPIM von 1,1 μH und einem L_ACCM von 7,8 μH. Der Induktivitätswert 84 entspricht einem von L_TPIM 4,4 μH, einem L_RPIM von 2,2 μH und einem L_ACCM von 11,8 μH. Der Induktivitätswert 86 entspricht einem L_TPIM von 4,4 μH, einem L_RPIM von 2,2 μH und einem L_ACCM von 7,8 μH. Der Induktivitätswert 88 entspricht einem L_TPIM von 6,5 μH, einem L_RPIM von 4,4 μH und einem L_ACCM von 7,8 μH. Wie gezeigt ist, weisen die Induktivitäts-Resonanzstromwerte etwa zwischen der Resonanzfrequenz von 2500 Hz (oder der tiefen Resonanzfrequenz) und der Resonanzfrequenz von 4800 Hz (oder der hohen Resonanzfrequenz) Spitzen auf.
Während des Betriebs, um wieder auf 1 Bezug zu nehmen, wird das Fahrzeug 20 betrieben, indem mit der Brennkraftmaschine 36 und den Elektromotoren 42 und 48 in alternativer Weise und/oder mit der Brennkraftmaschine 36 und den Elektromotoren 42 und 48 gleichzeitig den Rädern 24 Leistung bereitgestellt wird. Außerdem wird der AC-Kompressormotor 52 beim Betrieb des AC-Systems 32 dazu verwendet, die Temperatur innerhalb des Fahrgastraums des Fahrzeugs 20 zu regulieren. Um die Motoren 42, 48 und 52 zu speisen, wird Gleichstromleistung von der Batterie 34 zu den entsprechenden Wechselrichtern 40, 46 und 54 geliefert, die die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umsetzen, bevor die Leistung zu den Motoren 42, 48 und 52 geschickt wird. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, wird in jedem Wechselrichter die Umsetzung von Gleichstromleistung in Wechselstromleistung im Wesentlichen dadurch ausgeführt, dass die Transistoren 60–70 bei einer "Schaltfrequenz" arbeiten (d. h. wiederholt schalten), beispielsweise zwischen 2 und 12 Kilohertz (kHz). Das Schalten der Transistoren 60–70 kann durch einen Controller und einen Modulator, die in das in 1 gezeigte elektronische Steuersystem 26 integriert sind, gesteuert werden.
5 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Genauer ist 5 eine graphische Darstellung eines Beispiels einer gesteuerten Schaltfrequenz eines Wechselrichters als Funktion einer Betriebsgeschwindigkeit (elektrischen Frequenz oder Motordrehzahl) eines Motors, dem Wechselstromleistung zugeführt wird, wobei die Funktion durch das durch das elektronische Steuersystem 26 beim Steuern des Betriebs eines der in 1 gezeigten Wechselrichter 40, 46, und 54 implementiert werden kann. Wie in 5 gezeigt ist, umfasst die Funktion mehrere lineare Segmente (oder Abschnitte) 90, 92, 94 und 96, wovon jeder bestimmten Motordrehzahlen und Schaltfrequenzen entspricht und eine bestimmte Steigung besitzt.
Speziell erstreckt sich ein "tiefes" Segment 90 von einem "y-Achsenabschnitt" 98 der Funktion (d. h., der einer Motordrehzahl von null entspricht) bei einer minimalen Schaltfrequenz ("MinSwitchingFreq") von 2 kHz. Das tiefe Segment 90 erstreckt sich zu einem ersten Knickpunkt in der Motordrehzahl bei "FeLow". Wie gezeigt ist, ist die Schaltfrequenz in dem tiefen Segment 90 konstant (d. h., dass sie eine Steigung von 0 besitzt). Mit anderen Worten, zwischen einer Motorumdrehung von null und FeLow bleibt die Schaltfrequenz auf MinSwitchingFreq oder 2 kHz. Somit bleibt während des Betriebs, wenn die Motordrehzahl auf über null erhöht wird, die Schaltfrequenz auf der minimalen Schaltfrequenz (d. h. nimmt nicht zu), bis die Motordrehzahl FeLow erreicht. Es sei angemerkt, dass die minimale Schaltfrequenz niedriger als die tiefe Resonanzfrequenz (d. h. 2500 Hz) des Gleichstrombusses 72 ist.
Ein "tiefes bis mittleres" Segment 92 erstreckt sich von einem Ende des tiefen Segments 90 bei der Motordrehzahl FeLow zu einem zweiten Knickpunkt in der Motordrehzahl bei "FeMid". Das tiefe bis mittlere Segment 92 nimmt mit einer relativ hohen Geschwindigkeit auf eine mittlere Schaltfrequenz ("MidSwitchingFreq") (z. B. von 5 kHz) zu (d. h. besitzt eine relativ steile (oder große) positive Steigung).
Von besonderem Interesse bei dem tiefen bis mittleren Segment 92 sind dessen relativ große Steigung und der überdeckte Bereich von Schaltfrequenzen. Speziell überdeckt der Bereich von Schaltfrequenzen zwischen MinSwitchingFreq und MidSwitchingFreq den in 4 gezeigten Bereich von Resonanzfrequenzen. Wenn die Motordrehzahl zunimmt, durchläuft daher die Schaltfrequenz den in 4 gezeigten Bereich von Resonanzfrequenzen relativ schnell. Es sei angemerkt, dass die mittlere Schaltfre quenz höher als die hohe Resonanzfrequenz (d. h. 4800 Hz) des Gleichstrombusses 72 ist.
Ein "mittleres bis hohes" Segment 94 erstreckt sich von einem oberen Ende des tiefen bis mittleren Segments 92 zu einem dritten Knickpunkt in der Motordrehzahl bei "FeHigh", wobei es mit einer geringeren Geschwindigkeit als das tiefe bis mittlere Segment 92 auf die maximale Schaltfrequenz ("MaxSwitchingFreq") (z. B. von 12 kHz) ansteigt. Das heißt, dass das mittlere bis hohe Segment 94 eine positive Steigung besitzt, die kleiner als die Steigung des tiefen bis mittleren Segments 92 ist. Wenn die Motordrehzahl nach dem Ansteigen über MidSwitchingFreq hinaus zunimmt, nimmt daher die Schaltfrequenz im Vergleich zu dem tiefen bis mittleren Segment 92 mit einer geringeren Geschwindigkeit relativ zu der Motordrehzahl zu.
Ein "hohes" Segment 96 erstreckt sich von einem oberen Ende des mittleren bis hohen Segments 96 und besitzt eine Steigung von 0. Das heißt, dass nach dem Erreichen der maximalen Schaltfrequenz die Schaltfrequenz ungeachtet weiterer Zunahmen der Motordrehzahl nicht mehr weiter zunimmt.
6 zeigt ein Verfahren oder eine Funktion zum Betreiben eines Motors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt ist, umfasst die Funktion zwei lineare Segmente (oder Abschnitte) 100 und 102, wovon jedes bestimmten Motordrehzahlen und Schaltfrequenzen entspricht und eine bestimmte Steigung besitzt.
Speziell erstreckt sich ein "tiefes bis hohes" Segment 100 von einem "y-Achsenabschnitt" 104 der Funktion (d. h., der einer Motordrehzahl von null entspricht) bei einer anfänglichen Schaltfrequenz von beispielsweise etwa 4 kHz. Das tiefe bis hohe Segment 100 erstreckt sich zu einer hohen Motordrehzahl bei "FeHigh" und einer maximalen Schaltfrequenz ("MaxSwitchingFreq") (z. B. von 12 kHz) mit einer Steigung, die zu jener des in 5 gezeigten mittleren bis hohen Segments 94 ähnlich ist. Wenn der Motorbetrieb ausgelöst wird, beginnt somit, wenn die Motordrehzahl auf über null ansteigt, die Schaltfrequenz bei 4 kHz und beginnt mit der Motordrehzahl unmittelbar anzusteigen.
Von besonderem Interesse bei dem tiefen bis hohen Segment 100 sind dessen relativ hoher y-Achsenabschnitt 104 und seine Beziehung zu dem in 4 gezeigten Bereich von Resonanzfrequenzen. Speziell liegt bei der in 6 gezeigten Funktion die niedrigste verwendete Schaltfrequenz (d. h. bei dem y-Achsenabschnitt 104) weit über dem unteren Ende des in 4 gezeigten Bereichs von Resonanzfrequenzen. Wenn der Motorbetrieb ausgelöst ist und die Motordrehzahl zunimmt, "umgeht" daher die Schaltfrequenz einen Abschnitt des in 4 gezeigten Bereichs von Resonanzfrequenzen. Als Folge läuft die Schaltfrequenz, wenn die Motordrehzahl weiterhin zunimmt, relativ schnell aus dem Bereich der Resonanzfrequenzen heraus.
Ein "hohes" Segment 102 erstreckt sich von einem oberen Ende des tiefen bis hohen Segments 100 und besitzt eine Steigung von 0. Das heißt, dass nach dem Erreichen der maximalen Schaltfrequenz die Schaltfrequenz ungeachtet weiterer Zunahmen der Motordrehzahl nicht mehr weiter zunimmt.
Ein Vorteil des Verfahrens und des Systems, die oben beschrieben worden sind, ist, dass wegen der Steigung in bestimmten Abschnitten der Schaltfrequenzfunktion und/oder des y-Achsenabschnitts der Schaltfrequenzfunktion die Schaltfrequenzen, die die Resonanzfrequenzen des Gleich strombusses erregen, wenigstens teilweise "ausgeschaltet" sind. Das heißt, dass wegen der Steigung und/oder des y-Achsenabschnitts der Schaltfrequenzfunktion die Zeitspanne, in der der bestimmte Wechselrichter bei Schaltfrequenzen, die die Gleichstrombus-Resonanzfrequenzen erregen können, arbeitet, verkürzt ist, Als Folge ist die Wahrscheinlichkeit, dass irgendwelche solcher Resonanzfrequenzen erregt werden, was zu einem unerwünschten Geräusch im Fahrgastraum führen kann, minimiert ist.
7 zeigt graphisch ein Beispiel eines hochfrequenten Wellenstroms 106, der während des Betriebs eines Wechselrichters, der eine herkömmliche Schaltfrequenzfunktion verwendet, gemessen worden ist. Bei Verwendung der herkömmlichen Schaltfrequenzfunktion ist der hochfrequente Wellstrom 106 bei einer Frequenz von etwa 3,29 kHz mit einem Spitzenstrom von 160 A von Spitze zu Spitze vorhanden. Ein solcher Wellenstrom verursacht ein hörbares akustisches Hochton-Geräusch im Fahrzeug. 8 zeigt ein Beispiel eines hochfrequenten Wellenstroms 108, der während des Betriebs eines Wechselrichters, der eine Schaltfrequenzfunktion gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, gemessen worden ist. Der vorhandene Wellenstrom 108 besitzt eine Frequenz von etwa 11,8 kHz bei einem Spitzenstrom von 51 A von Spitze zu Spitze. Die Frequenz des Wellenstroms 108 nach 8 liegt, wie oben beschrieben worden ist, außerhalb der Gleichstrombus-Resonanzfrequenzen, weshalb das hörbare Geräusch reduziert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Dithering-Technik auf das PWM-Schalten angewandt werden, womit das Frequenzspektrum wirksam gespreizt und somit die Spitzenamplitude von Emissionen bei den diskreten Oberschwingungsfrequenzen der Schaltfrequenz reduziert werden kann. In dieser Weise können die Spitzenemissionen reduziert werden, was zu einem verringerten akustischen Geräusch vom Motor sowie zu einem Minimieren der Erregungsamplitude in Bezug auf Gleichstrombusresonanzen führen kann.
Um den Dithering- bzw. Schwankungsalgorithmus zu implementieren, wird die PWM-Frequenz bei einer niedrigen Geschwindigkeit in zufälliger Weise verändert (beispielsweise wird die PWM-Frequenz alle 10 ms modifiziert). Es wird eine Zufallsänderung in die PWM-Frequenz eingeführt, womit das Spektrum der Spannung und der Ströme, die durch den Wechselrichter und den Motor erzeugt werden, wirksam gespreizt wird. Mathematisch kann dies dargestellt werden durch: T0 = Tnom – (frn·Tdither) (2) 0 ≤ frn ≤ 1wobei T₀ die wirkliche Schaltperiode ist, T_nom die nominelle Schaltperiode ist, T_dither die maximale Schwankungsspannweite ist und frn eine pseudozufällige Zahl ist. Während des Betriebs aktualisiert das elektronische Steuersystem 26 die Schaltfrequenz per Gleichung 2 mit der spezifizierten Schwankungsgeschwindigkeit, die wie oben erwähnt 10 ms betragen kann.
Die 9 und 10 zeigen die Auswirkung des Dithering der PWM-Frequenz. 9 zeigt das Frequenzspektrum der Ausgangsspannung 110 eines Spannungsquellen-Wechselrichters, der Festfrequenz-PWM bei 10 kHz verwendet. Hervorstechend sind die starken Komponenten bei den diskreten Oberschwingungen der PWM-Frequenz. 10 zeigt das Spektrum, wenn Dithering angewandt wird. Es sei hervorgehoben, dass infolge des Frequenzspreizungseffektes die Spitzen der Oberschwingungen in der Amplitude reduziert sind.
Somit wird bei Verwendung der vorgeschlagenen Lösung durch Verändern der Wechselrichter-Schaltfrequenz in Bezug auf die motorelektrische Drehzahl und durch Dithering der PWM die Gleichstrombusresonanz reduziert.
Ein weiterer Vorteil des Anwendens der Dithering-Technik auf die oben beschriebenen Schaltfrequenzfunktionen ist, dass die Spitzenamplitude von Emissionen bei den diskreten Oberschwingungsfrequenzen der Schaltfrequenz reduziert ist. Als Folge kann die Erregungsamplitude in Bezug auf Gleichstrombusresonanzen weiter minimiert werden und das akustische Geräusch von dem Motor weiter reduziert werden.
Obgleich in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt worden ist, sollte klar sein, dass es eine große Anzahl von Abwandlungen gibt. Außerdem sollte klar sein, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang der Erfindung, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung in keiner Weise einschränken sollen. Eher stellt die vorstehende ausführliche Beschreibung für Fachleute auf dem Gebiet einen zweckmäßigen Plan zur Realisierung der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften Ausführungsformen bereit. Selbstverständlich können an der Funktion und der Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und in deren zulässigen Entsprechungen dargestellt ist, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines mit einem elektrischen Bus gekoppelten Motors in einem Fahrzeug, umfassend: Bestimmen ausgewählter Resonanzfrequenzen des elektrischen Busses, wobei die ausgewählten Resonanzfrequenzen eine tiefe Resonanzfrequenz und eine hohe Resonanzfrequenz enthalten; Bereitstellen von Leistung an den Motor über wenigstens einen Schalter, der bei einer Schaltfrequenz arbeitet; und Steuern der Schaltfrequenz als Funktion einer Betriebsgeschwindigkeit des Motors, wobei die Funktion gekennzeichnet ist entweder durch: einen ersten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer ersten Steigung, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine ausgewählte Schaltfrequenz oder gleich dieser ist, oder durch einen zweiten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer zweiten Steigung, wenn die Schaltfrequenz höher als die ausgewählte Schaltfrequenz ist, wobei die ausgewählte Schaltfrequenz höher als die tiefe Resonanzfrequenz ist, oder durch einen im Wesentlichen linearen Abschnitt, dessen y-Achsenabschnitt über der tiefen Resonanzfrequenz liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Funktion durch den ersten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer ersten Steigung, wenn die Schaltfrequenz niedriger als die ausgewählte Schaltfrequenz oder gleich dieser ist, und den zweiten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer zweiten Steigung, wenn die Schaltfrequenz höher als die ausgewählte Frequenz ist, gekennzeichnet ist und wobei die ausgewählte Schaltfrequenz höher als die hohe Resonanzfrequenz oder gleich dieser ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Funktion ferner einen dritten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer dritten Steigung, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine zweite ausgewählte Schaltfrequenz ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die zweite ausgewählte Schaltfrequenz niedriger als die tiefe Resonanzfrequenz oder gleich dieser ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste Steigung größer als die zweite und die dritte Steigung ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zweite Steigung größer als die dritte Steigung ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die dritte Steigung im Wesentlichen null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Funktion durch den im Wesentlichen linearen Abschnitt, dessen y-Achsenabschnitt über der tiefen Resonanzfrequenz liegt, gekennzeichnet ist und wobei der y-Achsenabschnitt größer als 2 Kilohertz (kHz) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der im Wesentlichen lineare Abschnitt am y-Achsenabschnitt eine Steigung größer als null besitzt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der wenigstens eine Schalter ein Transistor in einem mit dem Motor und dem elektrischen Bus gekoppelten Wechselrichter ist.
Verfahren zum Betreiben eines mit einem Wechselrichter und einem elektrischen Bus gekoppelten Motors in einem Fahrzeug, umfassend: Bestimmen ausgewählter Resonanzfrequenzen des elektrischen Busses, wobei die ausgewählten Resonanzfrequenzen eine tiefe Resonanzfrequenz und eine hohe Resonanzfrequenz enthalten; und Bereitstellen von Leistung an den Motor über wenigstens einen Schalter in dem Wechselrichter, wobei das Bereitstellen entweder das Betätigen des wenigstens einen Schalters bei einer anfänglichen Schaltfrequenz, um den Betrieb des Motors auszulösen, wobei die anfängliche Schaltfrequenz höher als die tiefe Resonanzfrequenz ist, oder das Betätigen des wenigstens einen Schalters bei einer Schaltfrequenz, das Erhöhen der Schaltfrequenz mit einer ersten Geschwindigkeit als Funktion einer Betriebsgeschwindigkeit des Motors, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine ausgewählte Schaltfrequenz oder gleich dieser ist, und das Erhöhen der Schaltfrequenz mit einer zweiten Geschwindigkeit als Funktion der Betriebsgeschwindigkeit des Motors, wenn die Schaltfrequenz höher als die ausgewählte Frequenz ist, wobei die ausgewählte Schaltfrequenz höher als die tiefe Resonanzfrequenz ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bereitstellen der Leistung das Betätigen des wenigstens einen Schaltens bei der anfänglichen Schaltfrequenz, um den Betrieb des Motors auszulösen, umfasst und die anfängliche Schaltfrequenz höher als 2 Kilohertz (kHz) ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Auslösung des Betriebs des Motors das Erhöhen einer Betriebsgeschwindigkeit des Motors von null Umdrehungen pro Minute (min^–1) auf über null min^–1 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bereitstellen der Leistung das Betätigen des wenigstens einen Schalters bei einer Schaltfrequenz, das Erhöhen der Schaltfrequenz mit einer ersten Geschwindigkeit als Funktion einer Betriebsgeschwindigkeit des Motors, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine ausgewählte Schaltfrequenz oder gleich dieser ist, und das Erhöhen der Schaltfrequenz mit einer zweiten Geschwindigkeit als Funktion der Betriebsgeschwindigkeit des Motors, wenn die Schaltfrequenz höher als die ausgewählte Frequenz ist, wobei die erste Geschwindigkeit höher als die zweite Geschwindigkeit ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Bereitstellen der Leistung das Erhöhen der Schaltfrequenz mit einer dritten Geschwindigkeit als Funktion der Betriebsgeschwindigkeit des Motors, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine zweite ausgewählte Schaltfrequenz ist, wobei die dritte Geschwindigkeit niedriger als die zweite Geschwindigkeit ist und die zweite ausgewählte Schaltfrequenz niedriger als die tiefe Resonanzfrequenz oder gleich dieser ist, umfasst.
Kraftfahrzeugantriebssystem, umfassend: einen elektrischen Bus mit ausgewählten Resonanzfrequenzen, wobei die ausgewählten Resonanzfrequenzen eine tiefe Resonanzfrequenz und eine hohe Resonanzfrequenz enthalten; eine Gleichstrom-Leistungsversorgung, die mit dem elektrischen Bus gekoppelt ist; einen Elektromotor, der mit dem elektrischen Bus gekoppelt ist; einen Wechselrichter, der wenigstens einen Transistor umfasst und mit dem elektrischen Bus gekoppelt ist, um Gleichstromleistung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung zu empfangen und Wechselstromleistung an den Elektromotor zu liefern; und einen Prozessor, der mit dem Elektromotor, der Gleichstrom-Leistungsversorgung und dem Wechselrichter in betriebsbereiter Kommunikation steht, wobei der Prozessor konfiguriert ist, um: die Schaltfrequenz als Funktion einer Betriebsgeschwindigkeit des Motors zu steuern, wobei die Funktion entweder gekennzeichnet ist durch: einen ersten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer ersten Steigung, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine ausgewählte Schaltfrequenz oder gleich dieser ist, oder durch einen zweiten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer zweiten Steigung, wenn die Schaltfrequenz höher als die ausgewählte Frequenz ist, wobei die ausgewählte Schaltfrequenz höher als die tiefe Resonanzfrequenz ist, oder durch einen im Wesentlichen linearen Abschnitt, dessen y-Achsenabschnitt über der tiefen Resonanzfrequenz liegt.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 16, wobei die Funktion den ersten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer ersten Steigung, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine ausgewählte Schaltfrequenz oder gleich dieser ist, und den zweiten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer zweiten Steigung, wenn die Schaltfrequenz höher als die ausgewählte Frequenz ist, wobei die ausgewählte Schaltfrequenz höher als die hohe Resonanzschaltfrequenz oder gleich dieser ist, umfasst und die Funktion ferner einen dritten im Wesentlichen linearen Abschnitt mit einer dritten Stei gung, wenn die Schaltfrequenz niedriger als eine zweite ausgewählte Schaltfrequenz ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die zweite ausgewählte Schaltfrequenz niedriger als die tiefe Resonanzfrequenz oder gleich dieser ist, wobei die erste Steigung größer als die zweite und die dritte Steigung ist und die zweite Steigung größer als die dritte Steigung ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Funktion den im Wesentlichen linearen Abschnitt, dessen y-Achsenabschnitt über der tiefen Resonanzfrequenz liegt, umfasst und wobei der y-Achsenabschnitt größer als 2 Kilohertz (kHz) ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der im Wesentlichen lineare Abschnitt am y-Achsenabschnitt eine Steigung größer als null besitzt.