DE102008034662A1

DE102008034662A1 - System zur Verwendung eines mehrphasigen Motors mit einem doppelseitigen Wechselrichtersystem

Info

Publication number: DE102008034662A1
Application number: DE102008034662A
Authority: DE
Inventors: Milun Torrance Perisic; Silva Redondo Beach Hiti; Brian A. Torrance Welchko; Sibaprasad Torrance Chakrabarti; James M. Cerritos Nagashima; Gregory S. Woodland Hills Smith; George Cerritos John
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2009-02-26

Abstract

Es werden Systeme und Vorrichtungen für ein Wechselrichtersystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einer ersten Energiequelle und einer zweiten Energiequelle bereitgestellt. Das Wechselrichtersystem umfasst einen Elektromotor mit einem ersten Satz von Wicklungen und einem zweiten Satz von Wicklungen. Das Wechselrichtersystem umfasst ferner einen ersten Wechselrichter, der mit der ersten Energiequelle gekoppelt ist und ausgelegt ist, um den Elektromotor anzutreiben, wobei der erste Satz von Wicklungen mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt ist. Das Wechselrichtersystem umfasst auch einen zweiten Wechselrichter, der mit der zweiten Energiequelle gekoppelt ist und ausgelegt ist, um den Elektromotor anzutreiben, wobei der zweite Satz von Wicklungen mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt ist. Ein Controller ist mit dem ersten Wechselrichter und dem zweiten Wechselrichter gekoppelt, um einen Sollleistungsfluss zwischen der ersten Energiequelle, der zweiten Energiequelle und dem Elektromotor zu erreichen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 60,952,739, die am 30. Juli 2007 eingereicht wurde.
TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen des hierin beschriebenen Gegenstands betreffen allgemein Fahrzeugantriebssysteme, und insbesondere betreffen Ausführungsformen des Gegenstands Hybridfahrzeuge mit einem doppelseitigen Wechselrichterantriebssystem.
HINTERGRUND
In den letzten Jahren haben technologische Fortschritte sowie sich immer weiter entwickelnde Vorlieben bezüglich des Stils zu wesentlichen Änderungen bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Änderungen betrifft die Verwendung von Leistung und die Komplexität der verschiedenen elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, speziell bei Fahrzeugen mit alternativem Kraftstoff, wie zum Beispiel Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen.
Viele der elektrischen Komponenten, welche die Elektromotoren umfassen, die in derartigen Fahrzeugen verwendet werden, empfangen elektri sche Leistung von Wechselstrom-Leistungsversorgungen (AC-Leistungsversorgungen). Jedoch liefern die Leistungsquellen (z. B. Batterien), die bei derartigen Anwendungen verwendet werden, nur Gleichstrom-Leistung (DC-Leistung). Zur Umwandlung der DC-Leistung in AC-Leistung werden daher Einrichtungen verwendet, die als "Gleichrichter/Wechselrichter" bekannt sind und die im Folgenden nur als Wechselrichter bezeichnet werden, welche oft mehrere Schalter oder Transistoren verwenden, die mit verschiedenen Intervallen betrieben werden, um die DC-Leistung in AC-Leistung umzuwandeln.
Zudem verwenden derartige Fahrzeuge, speziell Brennstoffzellenfahrzeuge, oft zwei separate Spannungsquellen (z. B. eine Batterie und eine Brennstoffzelle), um die Elektromotoren, welche die Räder antreiben, mit Leistung zu versorgen. "Leistungswandler", wie etwa Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (DC/DC-Wandler) werden typischerweise verwendet, um die Leistung von den zwei Spannungsquellen zu verwalten und zu übertragen. Moderne DC/DC-Wandler verwenden oft Transistoren, die durch eine Induktivität elektrisch verbunden sind. Durch ein Steuern der Zustände der verschiedenen Transistoren kann ein gewünschter mittlerer Strom durch die Induktivität eingeprägt werden und damit den Leistungsfluss zwischen den zwei Spannungsquellen steuern.
Die Verwendung sowohl eines Wechselrichters als auch eines Leistungswandlers erhöht die Komplexität des elektrischen Systems des Kraftfahrzeugs erheblich. Die für beiden Typen von Einrichtungen benötigten zusätzlichen Komponenten erhöhen auch die Gesamtkosten und das Gewicht des Fahrzeugs. Dementsprechend wurden Systeme und Verfahren entwickelt, um einen Motor, der mit mehreren Leistungsquellen gekoppelt ist, ohne einen DC/DC-Wandler zu betreiben, wobei die Leistung des Mo tors durch eine Verwendung von elektrischen Systemen mit dualen Wechselrichtern maximiert wird.
Systeme nach dem Stand der Technik sind auf Entwürfe für dreiphasige Motoren beschränkt, die traditionell in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Jedoch arbeiten mehrphasige Motorantriebe mit mehr als drei Phasen mit einem verbesserten Wirkungsgrad und verringern die benötigte Leistungsklassifizierung je Phase eines Wechselrichters. In einigen Fällen kann dies zu billigeren und kompakteren Wechselrichtern zusätzlich zu einer verbesserten Motorleistung führen.
Entsprechend ist es wünschenswert, ein duales Wechselrichtersystem bereitzustellen, um mehrphasige Maschinen, die mehr als drei Motorphasen aufweisen, aufzunehmen. Weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden technischen Gebiet und Hintergrund offenbar werden.
KURZZUSAMMENFASSUNG
Es wird eine Vorrichtung für ein Kraftfahrzeugantriebssystem bereitgestellt. Das Kraftfahrzeugantriebssystem umfasst einen Elektromotor mit einem ersten Satz von Wicklungen und einen zweiten Satz von Wicklungen. Ein erster Wechselrichter ist ausgelegt, um den Elektromotor anzutreiben, wobei der erste Satz von Wicklungen mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt ist. Ein zweiter Wechselrichter ist ausgelegt, um den Elektromotor anzutreiben, wobei der zweite Satz von Wicklungen mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt ist.
Es wird eine Vorrichtung für ein Energieübertragungssystem bereitgestellt. Das Energieübertragungssystem umfasst einen sechsphasigen Motor mit einem ersten dreiphasigen Satz von Wicklungen und einem zweiten dreiphasigen Satz von Wicklungen. Das Energieübertragungssystem umfasst auch ein doppelseitiges Wechselrichtersystem, das zum Antreiben des sechsphasigen Motors ausgelegt ist. Das doppelseitige Wechselrichtersystem umfasst einen ersten Wechselrichter, der mit dem ersten dreiphasigen Satz von Wicklungen gekoppelt ist, und einen zweiten Wechselrichter, der mit dem zweiten dreiphasigen Satz von Wicklungen gekoppelt ist.
Es wird eine Vorrichtung für ein Wechselrichtersystem zur Verwendung in einem Fahrzeug bereitgestellt, welches eine erste Energiequelle und eine zweite Energiequelle aufweist. Das Wechselrichtersystem umfasst einen Elektromotor mit einem ersten Satz von Wicklungen und einem zweiten Satz von Wicklungen. Das Wechselrichtersystem umfasst ferner einen ersten Wechselrichter, der mit der ersten Energiequelle gekoppelt ist und ausgelegt ist, um den Elektromotor anzutreiben, wobei der erste Satz von Wicklungen mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt ist. Das Wechselrichtersystem umfasst auch einen zweiten Wechselrichter, der mit der zweiten Energiequelle gekoppelt ist und ausgelegt ist, um den Elektromotor anzutreiben, wobei der zweite Satz von Wicklungen mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt ist. Ein Controller ist mit dem ersten Wechselrichter und dem zweiten Wechselrichter gekoppelt. Der Controller ist so ausgestaltet, dass er den ersten Wechselrichter und den zweiten Wechselrichter steuert, um einen Sollleistungsfluss zwischen der ersten Energiequelle, der zweiten Energiequelle und dem Elektromotor zu erreichen.
Diese Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten, welche nachstehend in der genauen Beschreibung weiter beschrieben werden, in einer vereinfachten Form vorzustellen. Diese Zu sammenfassung ist nicht dazu gedacht, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch ist sie dazu gedacht, um als ein Hilfsmittel bei der Ermittlung des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet zu werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein besseres Verständnis des Gegenstands kann durch Bezugnahme auf die genaue Beschreibung und die Ansprüche in Verbindung mit den folgenden Figuren erreicht werden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente in den Figuren beschreiben.
1 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine schematische Ansicht eines doppelseitigen Wechselrichtersystems gemäß einer Ausführungsform; und
3 ist eine schematische Ansicht eines Steuerungssystems zum Betreiben des doppelseitigen Wechselrichtersystems von 2 gemäß einer Ausführungsform.
GENAUE BESCHREIBUNG
Die folgende genaue Beschreibung ist rein veranschaulichender Natur und ist nicht dazu gedacht, die Ausführungsformen des Gegenstands oder die Anwendung und Verwendungen derartiger Ausführungsformen zu beschränken. Bei der Verwendung hierin bedeutet das Wort "beispielhaft" "als ein Beispiel, eine Instanz oder eine Veranschaulichung dienend". Jede hierin als beispielhaft beschriebene Implementierung muss nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Implementierungen angesehen werden. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden genauen Beschreibung dargestellt ist.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten oder Merkmale, die miteinander "verbunden" oder "gekoppelt" sind. Bei der Verwendung hierin bedeutet "verbunden", sofern nicht ausdrücklich anderweitig angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem weiteren Element/Knoten/Merkmal direkt verbunden ist (oder direkt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Gleichermaßen bedeutet "gekoppelt", sofern nicht ausdrücklich anderweitig angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem weiteren Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt verbunden ist (oder direkt oder indirekt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Obwohl die hierin gezeigten schematischen Darstellungen beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen, können daher zusätzliche dazwischenkommende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten bei einer Ausführungsform des dargestellten Gegenstands vorhanden sein. Die Ausdrücke "erster", "zweiter" und weitere derartige numerische Ausdrücke, die sich auf Strukturen beziehen, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, sofern dies nicht klar durch den Kontext angezeigt ist.
1 veranschaulicht ein Fahrzeug oder Kraftfahrzeug 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst ein Chassis 12, eine Karosserie 14, vier Räder 16 und ein elektronisches Steuerungssystem 18. Die Karosserie 14 ist auf dem Chassis 12 an geordnet und umhüllt im Wesentlichen die anderen Komponenten des Kraftfahrzeugs 10. Die Karosserie 14 und das Chassis 12 können gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 16 sind jeweils an einer jeweiligen Ecke der Karosserie 14 mit dem Chassis 12 drehbar gekoppelt.
Das Kraftfahrzeug 10 kann ein beliebiger einer Anzahl verschiedener Typen von Kraftfahrzeugen sein, wie zum Beispiel eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen, oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV), und kann ein Zweiradantrieb (2WD) (d. h. Heckantrieb oder Frontantrieb), ein Vierradantrieb (4WD) oder ein Allradantrieb (AWD) sein. Das Kraftfahrzeug 10 kann auch einen oder eine Kombination einer Anzahl verschiedener Typen von Maschinen enthalten, wie zum Beispiel eine benzin- oder dieselgespeiste Brennkraftmaschine, eine Maschine eines „Fahrzeugs mit flexiblem Kraftstoff" (FFV, FFV von Flex Fuel Vehicle) (d. h., die eine Mischung aus Benzin und Alkohol verwendet), eine von einem gasförmigen Gemisch (z. B. Wasserstoff und Erdgas) gespeiste Maschine, eine hybride Brennkraft/Elektromotormaschine und einen Elektromotor.
Bei der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Kraftfahrzeug 10 ferner einen Motor 20 (d. h. einen Elektromotor/Generator, Antriebsmotor etc.), eine erste Energiequelle 22, eine zweite Energiequelle 24, eine Wechselrichteranordnung 26 und einen Radiator 28. Der Radiator 28 ist mit dem Rahmen an einem äußeren Abschnitt desselben verbunden und umfasst, obwohl es nicht im Detail veranschaulicht ist, mehrere Kühlkanäle, die ein Kühlfluid (d. h. ein Kühlmittel) enthalten, wie etwa Wasser und/oder Ethylenglykol (d. h. "Frostschutz"), und ist mit der Wechselrichteranordnung 26 und dem Motor 20 gekoppelt. Bei einer Ausführungsform empfangt die Wechselrichteranordnung 26 ein Kühlmittel und teilt dieses mit dem Elektromotor 20. Wie in 1 gezeigt ist, kann der Motor 20 auch ein darin derart eingebautes Getriebe enthal ten, dass der Motor 20 und das Getriebe mit wenigstens einigen der Räder 16 durch eine oder mehrere Antriebswellen 30 mechanisch gekoppelt sind.
Wie gezeigt ist, stehen die erste Energiequelle 22 und die zweite Energiequelle 24 in wirksamer Verbindung mit dem elektronischen Steuerungssystem 18 und der Wechselrichteranordnung 26 und/oder sind mit diesen elektrisch gekoppelt. Obwohl es nicht veranschaulicht ist, können die erste Energiequelle 22 und die zweite Energiequelle 24 in Abhängigkeit von der Ausführungsform variieren und können vom gleichen oder von unterschiedlichen Typen sein. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste Energiequelle 22 und die zweite Energiequelle 24 jeweils eine Batterie, eine Brennstoffzelle, einen Ultrakondensator oder eine andere geeignete Spannungsquelle umfassen. Eine Batterie kann ein beliebiger Batterietyp sein, der zur Verwendung in einer gewünschten Anwendung geeignet ist, wie etwa eine Bleisäurebatterie, eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Nickel-Metall-Batterie oder eine andere wiederaufladbare Batterie. Ein Ultrakondensator kann einen Superkondensator, einen elektrochemischen Doppelschichtkondensator oder irgendeinen anderen elektrochemischen Kondensator mit hoher Energiedichte umfassen, der für eine gewünschte Anwendung geeignet ist.
Nun mit Bezug auf 1 und 2 kann ein doppelseitiges Wechselrichtersystem 32 ausgelegt sein, um einen mehrphasigen Motor 20 in dem Kraftfahrzeug 10 gemäß einer Ausführungsform anzutreiben. Das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 umfasst den Motor 20, die erste Energiequelle 22, die zweite Energiequelle 24, die Wechselrichteranordnung 26 und einen Controller 34.
Der Motor 20 ist ein mehrphasiger Wechselstrommotor (AC-Motor) und umfasst einen ersten Satz von Wicklungen 36 (oder Spulen) und einen zweiten Satz von Wicklungen 37, wobei jede Wicklung einer Phase des Motors 20 entspricht. Obwohl es nicht veranschaulicht ist, umfasst der Motor 20 eine Statoranordnung (welche die Spulen umfasst), eine Rotoranordnung (welche einen ferromagnetischen Kern umfasst), und ein Kühlfluid (d. h. ein Kühlmittel), wie der Fachmann verstehen wird. Der Motor 20 kann ein Induktionsmotor, ein Permanentmagnetmotor oder ein beliebiger Typ sein, der für die gewünschte Anwendung geeignet ist.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Motor 20 ein sechsphasiger Motor, wobei der erste Satz von Wicklungen 36 und der zweite Satz von Wicklungen 37 jeweils elektrisch isolierten dreiphasigen Verdrahtungsstrukturen entsprechen. Es ist zu beachten, dass die Sätze von Wicklungen 36 und 37 elektrisch isoliert sind, was bedeutet, dass der Strom in jedem Wicklungssatz 36 und 37 unabhängig gesteuert werden kann und sich von dem Strom in dem jeweils anderen Satz von Wicklungen 36 und 37 unterscheiden kann. Die Sätze von Wicklungen 36 und 37 können dennoch Energie an den jeweils anderen Satz von Wicklungen 36 und 37 unter Verwendung einer magnetomotorischen Kraft, die von dem Motor 20 erzeugt wird, elektromagnetisch übertragen. Der Controller 34 kann die Weise, in welcher Leistung aus jeder Energiequelle 22 und 24 fließt, unabhängig steuern, um einen Sollleistungsfluss zu erreichen.
Gemäß einer Ausführungsform können der erste Satz von Wicklungen 36 und der zweite Satz von Wicklungen 37 jeweils als eine Sternschaltung ausgestaltet sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind der erste Satz von Wicklungen 36 und der zweite Satz von Wicklungen 37 verbunden, um in dem Motor 20 einen Neutralpunkt 39 zu schaffen. Die Wicklungen 36 und 37 können verbunden sein, um den Neutralpunkt 39 in tern innerhalb des Motors 20 erzeugen, was die Anzahl von Anschlüssen/Verbindungen an dem Stator verringert (d. h. 6 Anschlüsse statt 12 Anschlüsse).
Die Verwendung eines mehrphasigen Motors 20, der mit zwei Energiequellen 22 und 24 gekoppelt ist, ist wünschenswert, besonders bei einem Kraftfahrzeug 10, das in einem hybriden/elektrischen Modus arbeitet, weil sie eine verbesserte Zuverlässigkeit bereitstellt. Wenn zum Beispiel eine erste Energiequelle 22, wie etwa eine Batterie in einem Kraftfahrzeug 10 aus irgendeinem Grund ausfällt (d. h. kaltes oder raues Wetter), kann der mehrphasige Motor 20 dennoch durch die zweite Energiequelle 24 unabhängig gestartet und betrieben werden.
Zudem werden Fachleute feststellen, dass ein mehrphasiger Motor 20 zusätzliche Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Maschine mit weniger Phasen (d. h. drei Phasen) in Abhängigkeit von dem räumlichen Versatz der zwei Sätze von Wicklungen 36 und 37 in dem Stator bereitstellen kann. Zum Beispiel kann ein räumlicher Versatz von 30° zwischen den zwei Sätzen von Wicklungen 36 und 37 Luftspaltflussoberwellen und entsprechende Drehmomentoberwellen und Rotorkern- und/oder Kupferverluste, welche von diesen Luftspaltflussoberwellen erzeugt werden, verringern oder beseitigen. Der räumliche Versatz der Wicklungen 36 und 37 und der Phasenverbindungen kann zum Anpassen an eine gewünschte Anwendung variiert werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die Grundfrequenzen der zwei Wechselrichter 38 und 40 gleich, was zu einer sinusförmigeren Feldverteilung und einem sinusförmigeren Strom führt.
Wieder mit Bezug auf 2 umfasst die Wechselrichteranordnung 26 einen ersten Wechselrichter 38 und einen zweiten Wechselrichter 40, die jeweils sechs Schalter (z. B. Halbleitereinrichtungen, wie etwa Transistoren und/oder Schalter) mit antiparallelen Dioden (d. h. antiparallel zu jedem Schalter) enthalten. Wie gezeigt ist, sind die Schalter in den Wechselrichtern 38 und 40 in drei Paaren (oder Schenkeln) angeordnet, wobei sich Paare 42, 44 und 46 in dem ersten Wechselrichter 38 befinden und Paare 48, 50 und 52 in dem zweiten Wechselrichter 40 befinden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist eine erste Phase (i_a) des ersten Satzes von Wicklungen 36 des Motors 20 zwischen die Schalter des Schalterpaars 42 in dem ersten Wechselrichter 38 elektrisch geschaltet. Eine zweite Phase (i_c) des ersten Satzes von Wicklungen 36 ist zwischen die Schalter des Paars 44 in dem ersten Wechselrichter 38 geschaltet und eine dritte Phase (i_e) des ersten Satzes von Wicklungen 36 ist zwischen die Schalter des Paars 46 geschaltet. Bei einer beispielhaften Ausführungsform können die entgegengesetzten Enden der ersten Phase, der zweiten Phase und der dritten Phase verbunden sein, um einen Neutralpunkt 39 zu schaffen. Auf ähnliche Weise können bei einer beispielhaften Ausführungsform die drei Phasen (i_b, i_d, i_f) des zweiten Satzes von Wicklungen 37 zwischen die Schalter der Paare 48, 50 und 52 geschaltet sein und wie gezeigt mit dem Neutralpunkt 39 verbunden sein.
Das Verwenden eines mehrphasigen Motors 20 kann den benötigten Strom pro Phase verringern, ohne die Spannung pro Phase zu verringern, was die Verwendung eines ersten Wechselrichters 38 und eines zweiten Wechselrichters 40 mit einer niedrigeren Leistungsklassifizierung ermöglicht. Als Folge kann ein kleineres und kompakteres doppelseitiges Wechselrichtersystem 32 verwendet werden, um eine erhöhte Leistungsdichte zu erreichen. Auch können bei dieser Ausgestaltung, da die Energiequellen 22 und 24 elektrisch isoliert sind, Energiequellen 22 und 24 mit unterschiedlichen Spannungsniveaus, Leistungsklassifizierungen, Betriebs kennlinien etc. gleichzeitig verwendet werden. Im Vergleich mit anderen Wechselrichtersystemen, bei denen es aus praktischen Gründen erforderlich ist, dass die Energiequellen 22 und 24 nahezu identisch sind, ist dies besonders vorteilhaft. Zum Beispiel kann in diesem Fall eine Hochspannungsquelle (≥ 100 V) mit einer 12 V Batterie verwendet werden, um den Motor 20 gleichzeitig anzutreiben.
Noch mit Bezug auf 2 kann das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 auch erste und zweite Kondensatoren 54 und 56 umfassen, die jeweils mit der ersten und zweiten Energiequelle 22 und 24 parallel geschaltet sind, um im Betrieb eine Stromrestwelligkeit zu glätten. Der Controller 34 steht in wirksamer Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Wechselrichter 38 und 40 und/oder ist mit diesen elektrisch gekoppelt. Der Controller 34 spricht auf Befehle an, die von dem Fahrer des Kraftfahrzeugs 10 empfangen werden (d. h. über ein Gaspedal), und stellt Befehle an den ersten Wechselrichter 38 und den zweiten Wechselrichter 40 bereit, wie beschrieben wird, um die Ausgänge der Wechselrichter 38 und 40 zu steuern.
Wieder mit Bezug auf 1 steht das elektronische Steuerungssystem 18 in wirksamer Verbindung mit dem Motor 20, der ersten Energiequelle 22, der zweiten Energiequelle 24 und der Wechselrichteranordnung 26. Obwohl es nicht im Detail gezeigt ist, kann das elektronische Steuerungssystem 18 verschiedene Sensoren und Kraftfahrzeugssteuerungsmodule oder elektronische Steuerungseinheiten (ECUs) umfassen, wie etwa ein Wechselrichtersteuerungsmodul (d. h. den in 2 gezeigten Controller 34) und einen Fahrzeugcontroller, und mindestens einen Prozessor und/oder einen Speicher, welcher darin (oder in einem anderen computerlesbaren Medium) gespeicherte Anweisungen umfasst, um die Prozesse und Verfahren wie nachstehend beschrieben auszuführen.
Im Betrieb wird das Kraftfahrzeug 10 betrieben, indem Leistung mit dem Elektromotor 20 an die Räder 16 geliefert wird, welcher Leistung von der ersten Energiequelle 22 und der zweiten Energiequelle 24 abwechselnd und/oder von der ersten Energiequelle 22 und der zweiten Energiequelle 24 gleichzeitig empfängt. Um den Motor 20 mit Leistung zu versorgen, wird DC-Leistung von der ersten Energiequelle 22 und der zweiten Energiequelle 24 an den ersten und zweiten Wechselrichter 38 bzw. 40 bereitgestellt, welche die DC-Leistung in AC-Leistung umwandeln, wie in der Technik allgemein verstanden wird. Der erste und zweite Wechselrichter 38 und 40 erzeugen AC-Spannungen an den Wicklungen 36 und 37 (oder Phasen). Wie allgemein verstanden wird, hängen die erforderlichen Spannungen an den Wicklungen 36 und 37 des Motors 20 (2) von der Drehzahl, dem befohlenen Drehmoment (d. h. befohlenen Synchronrahmenströmen) und anderen Motorparametern ab.
Wenn der Motor 20 die maximale Leistung, die von einer Energiequelle 22 oder 24 ausgegeben wird, nicht benötigt, kann die zusätzliche Leistung von der Energiequelle 22 oder 24 verwendet werden, um die jeweils andere Energiequelle 22 oder 24 aufzuladen. Zur Veranschaulichung und der Kürze halber kann es so erörtert werden, als ob die erste Energiequelle 22 überschüssige Leistung erzeugt, um die zweite Energiequelle 24 aufzuladen, jedoch werden Fachleute feststellen, dass zahlreiche alternative Sollleistungsflüsse möglich sind und diese Unterscheidung nicht einschränkend ist, sondern schlicht zu Hinweiszwecken vorgenommen wurde.
Während des Betriebs des Motors 20 kann die erste Energiequelle 22 die Fähigkeit aufweisen, einen überschüssigen Leistungsbetrag (d. h. eine Reserveleistung), zusätzlich zu der Leistung, die von dem Motor 20 benötigt wird, um das befohlene Drehmoment zu erzeugen, zu liefern. Diese über schüssige Leistung kann an die zweite Spannungsquelle 24 geliefert und von dieser gespeichert werden und kann wegen der in 2 gezeigten angegebenen Richtungen des Stromflusses als ein negativer DC-Strom in dem Spannungsbus der zweiten Spannungsquelle 24 betrachtet werden. Die Reserveleistung kann als der Unterschied zwischen der Leistung, die von dem Motor 20 benötigt wird, und der maximalen Leistung, die von der ersten Energiequelle 22 ausgegeben wird, aufgefasst werden.
Bei einigen Betriebsbedingungen kann die maximale Leistung, die von der ersten Energiequelle 22 ausgegeben wird, kleiner als die Leistung sein, die von dem Motor 20 benötigt wird. Wenn der Motor 20 sowohl die maximale Leistung, die von der ersten Energiequelle 22 ausgegeben wird, als auch Leistung von der zweiten Energiequelle 24 benötigt, kann der Controller 34 ausgestaltet sein, um einen Leistungsfluss von der zweiten Energiequelle 24 an den Motor 20 in Kombination mit der ersten Energiequelle 22 zu steuern.
Bei anderen Betriebsbedingungen kann die erste Energiequelle 22 aus irgendeinem Grund ausfallen (d. h. kalte Temperaturen oder raues Wetter). Bei einer Ausführungsform kann die zweite Energiequelle 24 so konzipiert sein, dass sie bei kalten Temperaturen arbeitet, in welchem Fall der Controller 34 einen Leistungsfluss aus der zweiten Energiequelle 24 an den Motor 20 steuern kann.
Viele Spannungskombinationen an den Wicklungen 36 und 36 können das erforderliche Drehmoment in dem Motor 20 erzeugen und einen Sollleistungsfluss an die (oder aus den) Energiequellen 22 und 24 und den Motor 20 erreichen. Ein optimaler Arbeitspunkt ermittelt die Modulationsspannung an den Anschlüssen der Wechselrichter 38 und 40. Fachleute werden feststellen, dass Bedingungen zum Ermitteln eines optimalen Ar beitspunkts dem Konstrukteur überlassen werden und in Abhängigkeit von der Anwendung, für welche der Motor 20 verwendet wird, zusammen mit den gewählten Typen der Energiequellen 22 und 24 variieren werden.
3 veranschaulicht ein Steuerungssystem 60 zum Betreiben eines Motors 20 in einem doppelseitigen Wechselrichtersystem 32 unter Verwendung der voranstehend beschriebenen Prinzipien gemäß einer Ausführungsform. Eine hochfrequente Pulsbreitenmodulation (PWM) kann von dem Controller 34 verwendet werden, um die Wechselrichter 38 und 40 zu modulieren und zu steuern, und um die von den Wechselrichtern 38 und 40 erzeugte Spannung zu verwalten. Das Steuerungssystem 60 umfasst erste und zweite PWM-Blöcke 68 und 70 und das doppelseitige Wechselrichtersystem 32.
Der Controller 34 stellt einen Steuerungsalgorithmus bereit, der einen Sollleistungsfluss zwischen der ersten und zweiten Energiequelle 22 und 24 erreicht, wobei das befohlene Drehmoment in dem Motor 20 erzeugt wird. Obwohl es nicht gezeigt ist, empfangt das Steuerungssystem 60 einen Drehmomentbefehl für den Motor 20, aus welchem der Controller 34 Leistungsbefehle für die erste Energiequelle 22 (und/oder den ersten Wechselrichter 38) und die zweite Energiequelle 24 (und/oder den zweiten Wechselrichter 40) sowie Synchronrahmenströme für die Wicklungen 36 und 37 in dem Motor 20 ermitteln kann.
Der Controller 34 versorgt den ersten und zweiten PWM-Block 68 und 70 mit Modulationsspannungssignalen v₁* und v₂*, um PWM-Signale zu erzeugen, um die Schalter in dem ersten und zweiten Wechselrichter 38 und 40 zu betreiben, um zu bewirken, dass die gewünschten Ausgangsspannungen an den Wicklungen 36 und 37 in dem Motor 20, der in 2 gezeigt ist, angelegt werden, um den Motor 20 mit dem erforderlichen Dreh moment zu betreiben. Wenn ein Überschuss an Spannung oder Leistung an der Seite des ersten Wechselrichters 38 (und/oder der ersten Energiequelle 22) des doppelseitigen Wechselrichtersystems 32 vorliegt, fließt Leistung von der ersten Energiequelle 22 durch die Wicklungen 36, und der Controller 34 kann ausgestaltet sein, um ein elektromagnetisches Aufladen der zweiten Energiequelle 24 durch den Elektromotor 20 zu steuern. Wenn eine Leistungsknappheit an der Seite des ersten Wechselrichters 38 des doppelseitigen Wechselrichtersystems 32 vorliegt, kann der Controller 34 ausgestaltet sein, um einen Leistungsfluss von der zweiten Energiequelle 24 in den Motor 20 zu steuern. Fachleute werden feststellen, dass das Steuerungssystem 60 weiter modifiziert werden kann, um geeignete Rückkopplungssignale und andere in der Technik bekannte Verfahren zum Steuern der Wechselrichter 38 und 40 aufzunehmen, welche nicht im Umfang dieser Offenbarung liegen.
Ein Vorteil des voranstehend beschriebenen Systems und/oder Verfahrens besteht darin, dass das elektrische System, das zur Versorgung des Motors 20 mit Leistung mit zwei separaten Energiequellen 22 und 24 verwendet wird, wesentlich vereinfacht wird, da ein herkömmlicher DC/DC-Leistungswandler nicht benötigt wird. Das Verwenden eines mehrphasigen Motors 20 verringert den Strom pro Phase der Wechselrichter 38 und 40, was die Verwendung kompakterer Wechselrichter 38 und 40 mit einer niedrigeren Leistungsklassifizierung ermöglicht. Als Folge können die Gesamtkosten und das Gewicht des Fahrzeugs verringert werden. Jedoch wird, wie voranstehend beschrieben ist, die Leistung des Motors 20 nicht beeinträchtigt, da das befohlene Drehmoment weiterhin in dem Motor 20 erzeugt werden kann, wobei es möglich ist, dass überschüssige Leistung zwischen den Energiequellen 22 und 24 fließt.
Andere Ausführungsformen können ein voranstehend beschriebenes System und Verfahren bei verschiedenen Typen von Kraftfahrzeugen, verschiedenen Fahrzeugen (z. B. Wasserfahrzeugen und Flugzeugen) oder insgesamt bei verschiedenen elektrischen Systemen verwenden, da es bei jeder Situation implementiert werden kann, bei der sich die Spannungen der zwei Quellen dynamisch über einen weiten Bereich ändern. Der Elektromotor 20 und die Wechselrichter 38 und 40 können andere Phasenzahlen aufweisen und die hierin beschriebenen Systeme sollen nicht so aufgefasst werden, dass sie auf eine sechsphasige Konzeption beschränkt sind. Es können andere Formen von Energiequellen 22 und 24 verwendet werden, wie etwa Stromquellen und Lasten, die Diodengleichrichter, Thyristorwandler, Brennstoffzellen, Induktivitäten, Kondensatoren und/oder eine beliebige Kombination daraus umfassen.
Der Kürze halber kann es sein, dass herkömmliche Techniken mit Bezug auf Signalverarbeitung, Datenübertragung, Signalisierung, Netzwerksteuerung und andere funktionale Aspekte der Systeme (und der einzelnen Betriebskomponenten der Systeme) hierin nicht im Detail beschrieben sind. Darüber hinaus sind die Verbindungslinien, die in den verschiedenen hierin enthaltenen Figuren gezeigt sind, zur Darstellung beispielhafter funktionaler Beziehungen und/oder physikalischer Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen gedacht. Es wird angemerkt, dass viele alternative oder zusätzliche funktionale Beziehungen oder physikalische Verbindungen bei einer Ausführungsform des Gegenstands vorhanden sein können.
Obwohl mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der voranstehenden genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine große Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die Ausführungsformen, welche hierin beschrieben sind, nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung des beanspruchten Gegenstands in irgendeiner Weise zu beschränken. Stattdessen wir die voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beschriebenen Ausführungsform oder Ausführungsformen bereitstellen. Es sollte verstanden sein, dass in der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Veränderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang abzuweichen, der durch die Ansprüche definiert ist, welcher bekannte Äquivalente und vorhersehbare Äquivalente zum Zeitpunkt der Einreichung dieser Patentanmeldung umfasst.

Claims

Kraftfahrzeugantriebssystem, das umfasst: einen Elektromotor mit einem ersten Satz von Wicklungen und einem zweiten Satz von Wicklungen; einen ersten Wechselrichter, der ausgelegt ist, um den Elektromotor anzutreiben, wobei der erste Satz von Wicklungen mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt ist; und einen zweiten Wechselrichter, der ausgelegt ist, um den Elektromotor anzutreiben, wobei der zweite Satz von Wicklungen mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt ist.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Elektromotor ein sechsphasiger Motor ist.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 2, wobei der erste Satz von Wicklungen eine erste dreiphasige Wicklungsstruktur umfasst und der zweite Satz von Wicklungen eine zweite dreiphasige Wicklungsstruktur umfasst.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 3, wobei die erste dreiphasige Wicklungsstruktur als eine Sternschaltung ausgestaltet ist und die zweite dreiphasige Wicklungsstruktur als eine Sternschaltung ausgestaltet ist.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 4, wobei die erste dreiphasige Wicklungsstruktur mit der zweiten dreiphasigen Wicklungsstruktur verbunden ist, um einen Neutralpunkt zu schaffen.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 1, das ferner eine mit dem ersten Wechselrichter gekoppelte erste Energiequelle umfasst.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 6, wobei die erste Energiequelle aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einer Batterie, einer Brennstoffzelle und einem Ultrakondensator besteht.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 1, das ferner eine mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelte zweite Energiequelle umfasst.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 8, wobei die zweite Energiequelle aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einer Batterie, einer Brennstoffzelle und einem Ultrakondensator besteht.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Elektromotor aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einem Induktionsmotor und einem Permanentmagnetmotor besteht.
Energieübertragungssystem, das umfasst: einen sechsphasigen Motor mit einem ersten dreiphasigen Satz von Wicklungen und einem zweiten dreiphasigen Satz von Wicklungen; und ein doppelseitiges Wechselrichtersystem, das zum Antreiben des sechsphasigen Motors ausgelegt ist, wobei das doppelseitige Wechselrichtersystem umfasst: einen ersten Wechselrichter, der mit dem ersten dreiphasigen Satz von Wicklungen gekoppelt ist; und einen zweiten Wechselrichter, der mit dem zweiten dreiphasigen Satz von Wicklungen gekoppelt ist.
Energieübertragungssystem nach Anspruch 11, wobei der sechsphasige Motor aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einem Induktionsmotor und einem Permanentmagnetmotor besteht.
Energieübertragungssystem nach Anspruch 11, das ferner eine mit dem ersten Wechselrichter gekoppelte erste Energiequelle und eine mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelte zweite Energiequelle umfasst.
Wechselrichtersystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einer ersten Energiequelle und einer zweiten Energiequelle, wobei das Wechselrichtersystem umfasst: einen Elektromotor mit einem ersten Satz von Wicklungen und einem zweiten Satz von Wicklungen, wobei der erste Satz von Wicklungen von dem zweiten Satz von Wicklungen elektrisch isoliert ist; einen ersten Wechselrichter, der mit der ersten Energiequelle gekoppelt ist und ausgelegt ist, um den Elektromotor anzutreiben, wobei der erste Satz von Wicklungen mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt ist; einen zweiten Wechselrichter, der mit der zweiten Energiequelle gekoppelt ist und ausgelegt ist, um den Elektromotor anzutreiben, wobei der zweite Satz von Wicklungen mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt ist; und einen Controller, der mit dem ersten Wechselrichter und dem zweiten Wechselrichter gekoppelt ist, wobei der Controller ausgestaltet ist, um den ersten Wechselrichter und den zweiten Wechselrichter zu steuern, um einen Sollleistungsfluss zwischen der ersten Energiequelle, der zweiten Energiequelle und dem Elektromotor zu erreichen.
Wechselrichtersystem nach Anspruch 14, wobei der Controller ausgestaltet ist, um einen Leistungsfluss von der ersten Energiequelle zum Antreiben des Elektromotors zu steuern.
Wechselrichtersystem nach Anspruch 15, wobei der Controller ausgestaltet ist, um ein elektromagnetisches Aufladen der zweiten Energiequelle durch den Elektromotor zu steuern.
Wechselrichtersystem nach Anspruch 14, wobei der Controller ausgestaltet ist, um ein elektromagnetisches Aufladen der ersten Energiequelle durch den Elektromotor zu steuern.
Wechselrichtersystem nach Anspruch 14, wobei der Controller ausgestaltet ist, um den ersten Wechselrichter und den zweiten Wechselrichter mit der gleichen Grundfrequenz zu betreiben.
Wechselrichtersystem nach Anspruch 14, wobei die erste Energiequelle eine erste Leistungsklassifizierung aufweist und die zweite Energiequelle eine zweite Leistungsklassifizierung aufweist, wobei die zweite Leistungsklassifizierung ein Verhältnis zu der ersten Leistungsklassifizierung innerhalb von 10% bis 100% aufweist.
Wechselrichtersystem nach Anspruch 14, wobei der erste Wechselrichter eine erste Leistungsklassifizierung aufweist und der zweite Wechselrichter eine zweite Leistungsklassifizierung aufweist, wobei die erste Leistungsklassifizierung und die zweite Leistungsklassifizierung unabhängig voneinander sind.