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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung
mit der Seriennummer 60/952,776, die am 30. Juli 2007 eingereicht
wurde. Der gesamte Inhalt dieser provisorischen Anmeldung ist durch
Bezugnahme hierin aufgenommen.
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TECHNISCHES GEBIET
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Ausführungsformen
des hierin beschriebenen Gegenstands betreffen allgemein Fahrzeugantriebssysteme,
und insbesondere betreffen Ausführungsformen
des Gegenstands Hybridfahrzeuge mit einem doppelseitigen Wechselrichterantriebssystem.
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HINTERGRUND
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In
den letzten Jahren haben technologische Fortschritte sowie immer
neu entstehende Stilrichtungen zu wesentlichen Veränderungen
bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Veränderungen
betrifft die Leistungsverwendung und die Komplexität der verschiedenen
elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, speziell in Fahrzeugen
mit alternativem Kraftstoff, wie Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen.
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Viele
der elektrischen Komponenten, welche die in derartigen Fahrzeugen
verwendeten Elektromotoren umfassen, empfangen elektrische Leistung von
Wechselstrom-Leistungsversorgungen (AC-Leistungsversorgungen). Die
bei derartigen Anwendungen verwendeten Leistungsquellen (z. B. Batterien)
stellen jedoch nur Gleichstromleistung (DC-Leistung) bereit. Zur
Umwandlung der DC-Leistung in AC-Leistung werden daher Einrichtungen
verwendet, welche 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.
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Zudem
verwenden derartige Fahrzeuge, insbesondere 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
aus den zwei Spannungsquellen zu verwalten und zu übertragen. Moderne
DC/DC-Wandler umfassen oft Transistoren, die durch eine Induktivität elektrisch
verbunden sind. Durch ein Steuern der Zustände der verschiedenen Transistoren
kann ein gewünschter
durchschnittlicher Strom durch die Induktivität eingeprägt werden und somit den Leistungsfluss
zwischen den zwei Spannungsquellen steuern.
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Die
Verwendung sowohl eines Wechselrichters als auch eines Leistungswandlers
erhöht
die Komplexität
des elektrischen Systems des Kraftfahrzeugs erheblich. Die für beide
Typen von Einrichtungen benötigten
zusätzlichen
Komponenten erhöhen auch
die Gesamtkosten und das Gewicht des Fahrzeugs. Entsprechend 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 Motors durch die Verwendung dualer elektrischer Wechselrichtersysteme
maximiert wird.
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Eine
wesentliche Quelle von Leistungsverlust in einem Wechselrichter
ist der Verlust, der dem Modulieren der Schalter oder Transistoren
zugeordnet ist (d. h. der Schaltverlust). Es wurden unstetige Pulsbreitenmodulationstechniken
(DPWM-Techniken, DPWM von discontinuous pulse width modulation)
entwickelt, um einen Schaltverlust in herkömmlichen Systemen mit einem
Wechselrichter zu verringern.
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Entsprechend
ist es wünschenswert,
Verfahren und Systeme zur Verwendung einer unstetigen Pulsbreitenmodulation
(DPWM) in einem doppelseitigen Wechselrichtersystem bereitzustellen,
um einen Schaltverlust zu verringern, ohne die Vorteile eines doppelseitigen
Wechselrichtersystems zu beeinträchtigen.
Weitere wünschenswerte
Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus
der nachstehenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in
Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden technischen
Gebiet und Hintergrund offenbar werden.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Es
wird ein Verfahren bereitgestellt, um ein doppelseitiges Wechselrichtersystem
mit einem ersten Wechselrichter und einem zweiten Wechselrichter
zu steuern, wobei der zweite Wechselrichter einen ersten Schenkel,
der einem ersten Phasenstrom zugeordnet ist, einen zweiten Schenkel,
der einem zweiten Phasenstrom zugeordnet ist, und einen dritten
Schenkel, der einem dritten Phasenstrom zugeordnet ist, aufweist.
Wenn der erste Phasenstrom größer als
der zweite Phasenstrom und der dritte Phasenstrom ist, und wenn
der erste Phasenstrom größer als
ein Sollstrom des zweiten Wechselrichters ist, umfasst das Verfahren,
dass der erste Schenkel mit einem ersten Tastverhältnis moduliert
wird, und dass der zweite Schenkel und der dritte Schenkel an eine
negative Spannungsschiene des zweiten Wechselrichters geklemmt werden.
Wenn der erste Phasenstrom kleiner als der Sollstrom des zweiten Wechselrichters
ist, umfasst das Verfahren, dass der erste Schenkel an eine positive
Spannungsschiene des zweiten Wechselrichters geklemmt wird, und wenn
der zweite Phasenstrom größer als
Null ist, dass der dritte Schenkel an die negative Spannungsschiene
geklemmt wird und der zweite Schenkel mit einem zweiten Tastverhältnis moduliert
wird.
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Es
wird ein Verfahren bereitgestellt, um ein doppelseitiges Wechselrichtersystem
mit einem ersten Wechselrichter und einem zweiten Wechselrichter
zu steuern, wobei der zweite Wechselrichter einen ersten Schenkel,
der einem ersten Phasenstrom (ia2) zugeordnet
ist, einen zweiten Schenkel, der einem zweiten Phasenstrom (ib2) zugeordnet ist, und einen dritten Schenkel,
der einem dritten Phasenstrom (ic2) zugeordnet ist, aufweist. Das
Verfahren umfasst, dass ein Sollstrom (idc2)
des zweiten Wechselrichters ermittelt wird. Wenn ia2 ≥ ib2 und ia2 > ic2 und
ia2 ≥ idc2 ist, umfasst das Verfahren ferner, dass
der erste Schenkel mit einem ersten Tastverhältnis moduliert wird und der
zweite Schenkel und der dritte Schenkel an eine negative Spannungsschiene
des zweiten Wechselrichters geklemmt werden. Wenn ib2 > ia2 und ib2 ≥ ic2 und ib2 ≥ idc2 ist, umfasst das Verfahren ferner, dass
der zweite Schenkel mit einem zweiten Tastverhältnis moduliert wird und der
erste Schenkel und der dritte Schenkel an die negative Spannungsschiene geklemmt
werden. Wenn ic2 ≥ ic2 und
ic2 > ib2 und ic2 ≥ idc2 ist, umfasst das Verfahren ferner, dass
der dritte Schenkel mit einem dritten Tastverhältnis moduliert wird und der
erste Schenkel und der zweite Schenkel an die negative Spannungsschiene
geklemmt werden.
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Es
wird ein Verfahren bereitgestellt, um ein doppelseitiges Wechselrichtersystem
mit einem ersten Wechselrichter und einem zweiten Wechselrichter
zu steuern. Das Verfahren umfasst, dass ein erforderlicher Ausgangsstrom
ermittelt wird und ein Sollstrom des zweiten Wechselrichters ermittelt
wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass eine Schaltfunktion des
zweiten Wechselrichters ermittelt wird, wobei nur ein gewählter Schenkel
in dem zweiten Wechselrichter mit einem Tastverhältnis moduliert wird, dass eine
Schaltfunktion des ersten Wechselrichters auf der Grundlage der
Schaltfunktion des zweiten Wechselrichters ermittelt wird, und dass
der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter unter Verwendung
der Schaltfunktion des ersten Wechselrichters und der Schaltfunktion
des zweiten Wechselrichters moduliert werden.
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Diese
Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten,
die nachstehend in der genauen Beschreibung weiter beschrieben werden,
in einer vereinfachten Form vorzustellen. Diese Zusammenfassung
ist nicht dazu gedacht, Schlüsselmerkmale
oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren,
noch soll sie als ein Hilfsmittel bei der Ermittlung des Schutzumfangs
des beanspruchten Gegenstands verwendet werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein
besseres Verständnis
des Gegenstands kann durch Bezugnahme auf die genaue Beschreibung
und die Ansprüche
in Verbindung mit den folgenden Figuren erreicht werden, wobei in
den Figuren gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen.
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1 ist
eine schematische Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs gemäß einer
Ausführungsform;
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2 ist
eine schematische Ansicht eines doppelseitigen Wechselrichtersystems
gemäß einer Ausführungsform;
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3 ist
eine schematische Ansicht eines Steuerungssystems zum Betreiben
des doppelseitigen Wechselrichtersystems von 2 gemäß einer Ausführungsform;
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4 ist
ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform
eines unstetigen Pulsbreitenmodulationsprozesses grafisch veranschaulicht;
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5–10 sind
Graphen verschiedener Betriebskennlinien eines doppelseitigen Wechselrichtersystems
gemäß einer
Ausführungsform;
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11–16 sind
Graphen verschiedener Betriebskennlinien eines doppelseitigen Wechselrichtersystems
gemäß einer
Ausführungsform;
und
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17–20 sind
Graphen von Betriebskennlinien eines doppelseitigen Wechselrichtersystems
und eines zugehörigen
Leistungsverlustes gemäß einer
Ausführungsform
im Vergleich mit einem anderen Modulationsschema.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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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 soll nicht unbedingt als
bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber
anderen Implementierungen aufgefasst 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 nachstehenden genauen Beschreibung
dargestellt ist.
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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 bei einer Ausführungsform
des dargestellten Gegenstands zusätzliche dazwischenkommende
Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten vorhanden sein. Die
Ausdrücke "erster", "zweiter" und andere derartige numerische
Ausdrücke,
die sich auf Strukturen beziehen, implizieren keine Sequenz oder
Reihenfolge, sofern dies nicht durch den Kontext klar angezeigt
ist.
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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 angeordnet 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 in der
Nähe einer
jeweiligen Ecke der Karosserie 14 jeweils mit dem Chassis 12 drehbar
gekoppelt.
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Das
Kraftfahrzeug 10 kann ein beliebiger einer Anzahl verschiedener
Typen von Kraftfahrzeugen sein, wie z. B. eine Limousine, ein Kombi,
ein Lastwagen oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV, SUV von sport utility
vehicle), und kann ein Zweiradantrieb (2WD) (d. h. Heckantrieb oder
Frontantrieb), ein Vierradantrieb (4WD) oder ein Allradantrieb (AWD)
sein. Das Kraftfahrzeug 10 kann auch einen beliebigen oder
eine Kombination aus einer Anzahl verschiedener Typen von Maschinen
umfassen, wie z. B. eine benzin- oder dieselgespeiste Brennkraftmaschine, die
Maschine eines "Fahrzeugs
mit flexiblem Kraftstoff" (FFV,
FFV von flex fuel vehicle) (d. h., die eine Mischung aus Benzin
und Alkohol verwendet), eine mit einem gasförmigen Gemisch (z. B. Wasserstoff und
Erdgas) gespeiste Maschine, eine hybride Brennkraft/Elektromotormaschine
und einen Elektromotor.
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Bei
der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform
umfasst das Kraftfahrzeug 10 ferner einen Motor 20 (d.
h. einen Elektromotor/Generator, einen 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
empfängt
die Wechselrichteranordnung 26 ein Kühlmittel und teilt dieses mit
dem Motor 20. Wie in 1 gezeigt
ist, kann der Motor 20 ein Getriebe umfassen, das darin
derart integriert ist, dass der Motor 20 und das Getriebe
mit wenigstens einigen der Räder 16 durch
eine oder mehrere Antriebswellen 30 mechanisch gekoppelt
sind.
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Wie
gezeigt ist, stehen die erste Energiequelle 22 und die
zweite Energiequelle 24 in wirksamer Verbindung mit und/oder
sind mit dem elektronischen Steuerungssystem 18 und der
Wechselrichteranordnung 26 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 Typ oder von unterschiedlichen Typen sein. Bei einer
oder mehreren Ausführungsformen
können 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 Typ von Batterie sein, der zur Verwendung bei einer
gewünschten
Anwendung geeignet ist, wie etwa eine Bleisäurebatterie, eine Lithium-Ionen-Batterie, eine
Nickelmetallbatterie oder eine andere wiederaufladbare Batterie.
Ein Ultrakondensator kann einen Superkondensator, einen elektrochemischen Doppelschichtkondensator
oder irgendeinen anderen elektrochemischen Kondensator mit einer
hohen Energiedichte umfassen, der für eine gewünschte Anwendung geeignet ist.
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Nun
mit Bezug auf 1 und 2 kann ein doppelseitiges
Wechselrichtersystem 32 zum Antreiben des Motors 20 gemäß einer
Ausführungsform ausgelegt
sein. Das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 umfasst
den Motor 20, die erste Energiequelle 22, die
zweite Energiequelle 24, die Wechselrichteranordnung 26 und
einen Controller 34.
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Der
Motor 20 ist ein mehrphasiger Wechselstrommotor (AC-Motor)
und umfasst einen Satz von Wicklungen 36 (oder Spulen),
wobei jede Wicklung einer Phase des Motors 20 entspricht.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform
ist der Motor 20 ein dreiphasiger Motor. Einige der hierin
erörterten
Prinzipien können
jedoch auf einen Motor 20 mit einer beliebigen Anzahl von
Phasen zutreffen und können entsprechend
modifiziert werden, wie in der Technik verstanden wird. 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 erkennen wird. Der Motor 20 kann ein Induktionsmotor, ein
Permanentmagnetmotor oder ein beliebiger für die gewünschte Anwendung geeigneter
Typ sein.
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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) umfassen. Wie gezeigt ist, sind
die Schalter in den Wechselrichtern 38, 40 in
drei Schenkeln (oder Paaren) angeordnet, wobei sich Schenkel 42, 44 und 46 in
dem ersten Wechselrichter 38 befinden und Schenkel 48, 50 und 52 in
dem zweiten Wechselrichter 40 befinden.
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Eine
erste der Wicklungen 36 (d. h. eine Phase a) des Motors 20 ist
an entgegengesetzten Enden derselben zwischen die Schalter des Schenkels 42 in dem
ersten Wechselrichter 38 und des Schenkels 52 in
dem zweiten Wechselrichter 40 elektrisch geschaltet. Eine
zweite der Wicklungen 36 (d. h. eine Phase b) ist zwischen
die Schalter des Schenkels 44 in dem ersten Wechselrichter 38 und
des Schenkels 50 in dem zweiten Wechselrichter 40 geschaltet.
Eine dritte der Wicklungen 36 (d. h. eine Phase c) ist
zwischen die Schalter der Schenkel 46 und 48 wie
gezeigt geschaltet. Bei dieser Konfiguration sind die Phasenströme im gesamten
doppelseitigen Wechselrichtersystem 32 gleich (d. h. für Phase
a ist der Strom ia = ia1 =
ia2, etc.).
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Immer
noch mit Bezug auf 2 kann das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 auch
einen ersten und zweiten Kondensator 54 und 56 umfassen,
die jeweils mit der ersten und zweiten Energiequelle 22, 24 parallel
verbunden sind, um eine Stromrestwelligkeit im Betrieb zu glätten. Eine
positive Spannungsschiene 58 des zweiten Wechselrichters 40 ist
einer positiven Spannungsreferenz der zweiten Energiequelle 24 zugeordnet,
und eine negative Spannungsschiene 59 des zweiten Wechselrichters 40 ist
einer negativen Spannungsreferenz der zweiten Energiequelle 24 zugeordnet.
Der Controller 34 steht in wirksamer Verbindung mit und/oder
ist mit dem ersten und zweiten Wechselrichter 38, 40 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 den Ausgang der Wechselrichter 38, 40 zu steuern.
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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 Kraftfahrzeugsteuerungsmodule oder elektronische Steuerungseinheiten
(ECUs), wie etwa ein Wechselrichtersteuerungsmodul (d. h. den in 2 gezeigten
Controller 34) und einen Fahrzeugcontroller, und mindestens
einen Prozessor und/oder einen Speicher umfassen, welcher darin
(oder in einem anderen computerlesbaren Medium) gespeicherte Anweisungen
zum Ausführen der
Prozesse und Verfahren wie nachstehend beschrieben umfasst.
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Im
Betrieb wird das Kraftfahrzeug 10 betrieben, indem mit
dem Motor 20, 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,
Leistung an die Räder 16 bereitgestellt
wird. Um den Motor 20 mit Leistung zu versorgen, wird DC-Leistung
von der ersten Energiequelle 22 und der zweiten Energiequelle 24 an
den ersten bzw. zweiten Wechselrichter 38, 40 bereitgestellt,
welche die DC-Leistung in AC-Leistung umwandeln, wie in der Technik
allgemein verstanden wird. Der erste und zweite Wechselrichter 38, 40 erzeugen
AC-Spannungen an den Wicklungen 36 (oder Phasen). Wie allgemein
verstanden wird, hängen
die erforderlichen Spannungen an den Wicklungen 36 des
Motors 20 von der Drehzahl, dem befohlenen Drehmoment (d.
h. befohlenen Synchronrahmenströmen)
und anderen Motorparametern ab.
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3 veranschaulicht
ein Steuerungssystem 60 zum Betreiben eines Motors 20 in
einem doppelseitigen Wechselrichtersystem 32 unter Verwendung
der Prinzipien, die hierin gemäß einer
Ausführungsform
beschrieben sind. Eine hochfrequente Pulsbreitenmodulation (PWM)
kann von dem Controller 34 angewendet werden, um die Wechselrichter 38, 40 zu
modulieren und zu steuern, und um die von den Wechselrichtern 38, 40 erzeugte
Spannung zu verwalten. Das Steuerungssystem 60 umfasst
erste und zweite PWM-Blöcke 68 und 70 und
das doppelseitige Wechselrichtersystem 32.
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Der
Controller 34 stellt einen Steuerungsalgorithmus bereit,
der einen Sollleistungsfluss zwischen der ersten und zweiten Energiequelle 22, 24 erreicht,
wobei das befohlene Drehmoment in dem Motor 20 erzeugt
wird. Obwohl es nicht gezeigt ist, empfängt 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 in
dem Motor 20 (d. h. einen erforderlichen Motorstrom oder
Motorsollstrom) ermitteln kann.
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Viele
Spannungskombinationen an den Wicklungen 36 können das
befohlene Drehmoment in dem Motor 20 erzeugen und einen
Sollleistungsfluss an die (oder aus den) Energiequellen 22, 24 und den
Motor 20 erreichen. Wenn der Motor 20 die maximale
Leistungsausgabe einer Energiequelle 22 oder 24 nicht
benötigt,
kann die zusätzliche
Leistung aus 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
zum Aufladen der zweiten Energiequelle 24 erzeugt, jedoch
werden Fachleute feststellen, dass zahlreiche alternative Sollleistungsflüsse möglich sind
und diese Unterscheidung nicht einschränkend ist, sondern schlicht zu
Hinweiszwecken vorgenommen wurde. Ein optimaler Arbeitspunkt legt
die Modulationsspannung an den Anschlüssen der Wechselrichter 38, 40 fest. Fachleute
werden feststellen, dass Bedingungen zur Ermittlung eines optimalen
Arbeitspunkts 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, 24 variieren werden.
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Der
Controller 34 versorgt den ersten und zweiten PWM-Block 68 und 70 mit
Modulationsspannungssignalen v * / 1 und v * / 2, um PWM-Signale zum Betreiben
der Schalter in dem ersten und zweiten Wechselrichter 38, 40 zu
erzeugen, um zu bewirken, dass die Sollausgangsspannungen an die
Wicklungen 36 in dem Motor 20 angelegt werden,
um den Motor 20 mit dem Solldrehmoment zu betreiben. 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, 40 aufzunehmen,
welche nicht im Umfang dieser Offenbarung liegen.
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4 ist
ein Flussdiagramm einer Ausführungsform
eines unstetigen Pulsbreitenmodulationsprozesses. Die verschiedenen
Aufgaben, die in Verbindung mit diesem Prozess ausgeführt werden,
können
durch eine Software, eine Hardware, eine Firmware oder eine beliebige
Kombination daraus ausgeführt
werden. Zur Veranschaulichung kann sich die folgende Beschreibung
dieses Prozesses auf Elemente beziehen, die voranstehend in Verbindung
mit 1–3 erwähnt wurden.
In der Praxis können Abschnitte
des Prozesses von verschiedenen Elementen des beschriebenen Systems
ausgeführt
werden. Es ist festzustellen, dass der Prozess eine beliebige Anzahl
zusätzlicher
oder alternativer Aufgaben umfassen kann, dass die in 4 gezeigten
Aufgaben nicht in der veranschaulichten Reihenfolge ausgeführt werden
müssen,
und dass der Prozess in einer umfassenderen Prozedur oder einem
umfassenderen Prozess enthalten sein kann, welche/welcher zusätzliche
Funktionalität
aufweist, die hierin nicht im Detail beschrieben ist.
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Mit
Bezug auf 4 kann der Controller die Soll-(oder
benötigten)Ausgangsphasenströme ermitteln,
um ein befohlenes Drehmoment in einem Motor zu erzeugen (Aufgabe 400).
Der Controller kann auch einen Sollstrom des zweiten Wechselrichters
in dem Bus des zweiten Wechselrichters ermitteln, um den Sollleistungsfluss
an die/aus der zweiten Energiequelle zu erzeugen (Aufgabe 402).
Gemäß einer Ausführungsform
kann der Controller eine Schaltfunktion für den zweiten Wechselrichter
ermitteln, um den Sollstrom des zweiten Wechselrichters in dem Bus
des zweiten Wechselrichters zu erzeugen (Aufgabe 404).
Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird
die Schaltfunktion so ermittelt, dass nur ein Schenkel in dem zweiten
Wechselrichter zur Modulation mit einem Tastverhältnis gewählt wird, während die beiden anderen Schenkel
des zweiten Wechselrichters entweder an die positive Spannungsschiene oder
die negative Spannungsschiene geklemmt werden (d. h. die beiden
anderen Schenkel werden nicht moduliert/geschaltet). Das Klemmen
eines Schenkels an die positive Spannungsschiene kann so verstanden
werden, dass der obere Schalter eines Schalterpaars derart an- oder
eingeschaltet wird (d. h. durch Anlegen einer "Ein"-Zustands-Gatespannung
an den elektronischen Schalter), dass Strom durch den oberen Schalter
und an die positive/aus der positiven Spannungsschiene fließt, während der andere
Schalter in dem Paar ausgeschaltet bleibt. Zum Beispiel kann mit
Bezug auf 2 der obere Schalter in dem
Schenkel 52 derart eingeschaltet werden, dass Strom durch
den Schalter fließt
und der Spannungspegel an Punkt a2 in etwa äquivalent zu dem Spannungspegel
der positiven Spannungsschiene 58 ist, wobei der Unterschied
in dem Spannungsabfall an dem Schalter besteht (ein Transistor-IGBT
oder eine Diode, basierend auf der Stromflussrichtung). Dies kann
durch dn = 1 oder ein Tastverhältnis oder eine
Schaltfunktion von 1 dargestellt werden. Andererseits kann das Klemmen
eines Schenkels an die negative Spannungsschiene so verstanden werden,
dass der untere Schalter so eingeschaltet wird, dass Strom durch
den unteren Schalter und an die negative/aus der negativen Spannungsschiene
fließt.
Dies kann durch dn = 0 oder ein Tastverhältnis oder
eine Schaltfunktion von 0 dargestellt werden.
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Ein
geklemmter Phasenschenkel wird keinen Schaltverlust erzeugen, während er
an eine Schiene geklemmt ist, wodurch der Gesamtschaltverlust in dem
zweiten Wechselrichter verringert wird. Bei einer beispielhaften
Ausführungsform
sind zu einem beliebigen Zeitpunkt zwei der drei Schenkel geklemmt, was
bedeutet, dass nur ein Schenkel einen Schaltverlust erzeugt. Auf
der Grundlage der Schaltfunktion des zweiten Wechselrichters und
des Motorsollstroms kann eine Schaltfunktion des ersten Wechselrichters
ermittelt werden (Aufgabe 406). Bei einer beispielhaften
Ausführungsform
stellt die Schaltfunktion des ersten Wechselrichters im Wesentlichen
Oberwellenspannungskomponenten so ein, dass die Spannung an dem
Motor sinusförmig
bleibt und/oder ausgeglichen ist, wie in der Technik verstanden
wird. Der Controller kann die Schaltfunktion des ersten Wechselrichters
ermitteln und Signale bereitstellen, um den ersten Wechselrichter
entsprechend zu modulieren (Aufgabe 408).
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform kann
der Controller
34 im Betrieb mit einem Drehmomentbefehl
versorgt werden (d. h. durch das elektronische Steuerungssystem
18)
und den Spitzenphasenstrom (I
p) ermitteln,
der erforderlich ist, um das befohlene Drehmoment zu erzeugen (d.
h. den erforderlichen Ausgangsstrom). Der Controller kann auch einen
Sollleistungsfluss an die/aus der zweiten Energiequelle ermitteln
und daraus einen Sollstrom des zweiten Wechselrichters (i
dc2) ermitteln, um die zweite Energiequelle
24 aufzuladen/zu
entladen. Der maximale Strom des zweiten Wechselrichters (i
dc2), der durch eine lineare Modulation realisiert
werden kann, beträgt
wie in der Technik verstanden
wird.
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Wenn
bei einer beispielhaften Ausführungsform
die Größe des Stroms
des zweiten Wechselrichters
40 (i
dc2)
kleiner als die Hälfte
des AC-Spitzenphasenstroms I
p ist,
schaltet nur ein Schenkel
48,
50,
52 in
dem zweiten Wechselrichter
40, während die beiden anderen Schenkel
an die negative Spannungsschiene
59 geklemmt werden. Ein
einphasiger Strom ist in der Lage, den Strom des zweiten Wechselrichters
(i
dc2) bereitzustellen, wenn er kleiner
als die Hälfte
des AC-Spitzenstroms ist. Wenn zwei Phasenströme gleich sind, kann der jeweilige
Schenkel
48,
50,
52 nach Wunsch gewählt werden,
und wie diese Situation gelöst
wird, ist eine Angelegenheit der Entwurfspräferenz, wie in der Technik
verstanden wird. Gemäß einer
Ausführungsform
kann der Algorithmus, der zur Ermittlung der Schaltfunktion des
zweiten Wechselrichters
40 verwendet wird, wenn
ist, gekennzeichnet sein
durch:
Wenn (i
a2 ≥ i
b2) & (i
a2 > i
c2):
Wenn (i
b2 ≥ i
c2) & (i
b2 > i
a2)
Wenn (i
c2 ≥ i
a2) & (i
c2 > i
b2)
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Wie
in
5 gezeigt ist, ist bei einer beispielhaften Ausführungsform
der Sollstrom der Motorphase a (i
a) für ein Drittel
eines Zyklus (d. h. 120° oder 2π/3 Radian
aufgrund eines ausgeglichenen dreiphasigen Systems) größer als
die anderen Phasenströme
(i
b, i
c).
6 zeigt
die Schaltfunktion des zweiten Wechselrichters
40 bei diesem
beispielhaften Fall unter Verwendung des voranstehend beschriebenen
Prozesses. Zum Beispiel kann der Schenkel
52 in dem zweiten
Wechselrichter
40, welcher der Phase a entspricht, mit
einem Tastverhältnis geschaltet
werden, das durch Dividieren des Sollstroms des zweiten Wechselrichters
(i
dc2) durch den Wechselrichterphasenstrom
(i
a2) ermittelt wird
und die beiden anderen Schenkel
48 und
50 werden an
die negative Spannungsschiene
59 geklemmt (d
b2 =
0, d
c2 = 0).
5–
6 veranschaulichen
den Betrieb über
einen gesamten Zyklus (d. h. 360° oder
2π Radian).
Der Sollstrom des zweiten Wechselrichters (i
dc2),
der an die zweite Energiequelle
24 fließt, ist in
7 gezeigt.
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8–10 veranschaulichen
die Spannungspegel in dem doppelseitigen Wechselrichtersystem 32.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann
der Controller 34, nachdem er den Spitzenphasenstrom Ip und das Tastverhältnis/die Schaltfunktion für den zweiten
Wechselrichter 40 ermittelt hat, eine Schaltfunktion für den ersten
Wechselrichter 38 ermitteln. Wie in 9 gezeigt
ist, sind bei einer beispielhaften Ausführungsform die Schaltfunktion
und die Spannungen des ersten Wechselrichters 38 nicht sinusförmig. DPWM-Techniken
können
verwendet werden, um den ersten Wechselrichter 38 zum Erzeugen
der Sollspannungspegel und zum Verringern eines Schaltverlusts in
dem ersten Wechselrichter 38 zu modulieren. Wie in 10 gezeigt
ist, sind die resultierenden Leitungsspannun gen an dem Motor 20 sinusförmig und
frei von irgendwelchen Oberwellen oder einer Verzerrung.
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Wenn
bei einer beispielhaften Ausführungsform
die Größe des Sollstroms
des zweiten Wechselrichters (i
dc2) größer als
die Hälfte
des Spitzenphasenstroms I
p ist (d. h.
kann ein gewählter Phasenstrom
den Sollstrom des zweiten Wechselrichters (i
dc2)
nicht über
die gesamte Dauer eines Zyklus liefern. Wenn ein Phasenstrom (d.
h. i
a2) den Sollstrom des zweiten Wechselrichters (i
dc2) nicht liefern kann, muss ein weiterer
Schenkel
48,
50,
52 des zweiten Wechselrichters
40,
der einem anderen Phasenstrom zugeordnet ist, geschaltet werden,
um den DC-Sollstrom an die zweite/aus der zweiten Energiequelle
24 zu
erreichen. Gemäß einer Ausführungsform
wird während
dieses Intervalls der gewählte
Schenkel
48,
50,
52 an die positive Spannungsschiene
58 geklemmt.
Einer der anderen Schenkel
48,
50,
52 wird
mit einem Tastverhältnis moduliert,
das den zusätzlichen
Strom ausgleicht, der erforderlich ist, um einen konstanten Pegel
des Stroms des zweiten Wechselrichters (i
dc2)
aufrechtzuerhalten.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann der Algorithmus, der verwendet wird, um die Schaltfunktion des
zweiten Wechselrichters
40 zu ermitteln, wenn
ist, gekennzeichnet sein
durch:
Wenn (i
a2 ≥ i
b2)&(i
a2 > i
c2)
Wenn
i
a2 ≥ i
dc2 Wenn (i
b2 ≥ i
c2)&(i
b2 > i
a2)
Wenn i
b2 ≥ i
dc2 Wenn (i
c2 ≥ i
a2)&(i
c2 > i
b2)
Wenn i
c2 ≥ i
dc2
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Wie
in
11–
13 gezeigt
ist, kann bei einer beispielhaften Ausführungsform der Strom der Phase
a (i
a) den Sollstrom des zweiten Wechselrichters
(i
dc2) nicht über die gesamte Dauer des Intervalls, in
dem der Strom der Phase a größer als
die anderen zwei Phasen ist (d. h. 120° oder 2π/3 Radian wie gezeigt) liefern.
In
11 überschreitet
der Strom der Phase a (i
a) den Sollstrom
des zweiten Wechselrichters (i
dc2) für einen
Abschnitt des Intervalls (von 30° bis
90°). Während dieses
Intervalls kann der Strom der Phase a (i
a)
den Sollstrom des zweiten Wechselrichters
40 (i
dc2) liefern. Daher wird z. B. der Schenkel
52 in
dem zweiten Wechselrichter
40, welcher der Phase a zugeordnet
ist, mit einem Tastverhältnis
geschaltet, das durch Dividieren des Sollstroms des zweiten Wechselrichters
durch den Strom der Phase a ermittelt wird
während die beiden anderen Schenkel
48 und
50 an die
negative Spannungsschiene
59 geklemmt werden (d
b2 = 0, d
c2 = 0).
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Wenn
der Strom der Phase a (i
a) den Sollstrom
des zweiten Wechselrichters (i
dc2) nicht
liefern kann, muss ein weiterer Schenkel
48,
50 des
zweiten Wechselrichters
40 geschaltet werden, um den DC-Sollstrompegel
an die zweite/aus der zweiten Energiequelle
24 aufrechtzuerhalten.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform
wird während
dieses Intervalls der Schenkel
52 der Phase a an die positive Spannungsschiene
58 geklemmt.
Die anderen Schenkel
48,
50 werden mit einem Tastverhältnis moduliert,
das den zusätzlichen
Strom ausgleicht, der zur Aufrechterhaltung eines konstanten Pegels
erforderlich ist. Wenn bei der beispielhaften Ausführungsform
der Strom der Phase c (i
c) größer als
Null ist (wie gezeigt von 0° bis
30°), wird
der Schenkel
50, welcher der Phase b zugeordnet ist, an
die negative Spannungsschiene
59 geklemmt, während der Schenkel
48,
welcher der Phase c zugeordnet ist, mit einem Tastverhältnis (d
c2) moduliert wird, das durch
bestimmt wird. Wenn der Strom
der Phase b (i
b) größer als Null ist (wie gezeigt
von 90° bis
120°), wird
der Schenkel
48, welcher der Phase c zugeordnet ist, an die
negative Span nungsschiene
59 geklemmt, während der
Schenkel
50, welcher der Phase b zugeordnet ist, mit einem
Tastverhältnis
(d
b2) moduliert wird, das durch
bestimmt wird.
12 veranschaulicht
die resultierende Schaltfunktion des zweiten Wechselrichters und
13 veranschaulicht
den Strom des zweiten Wechselrichters (i
dc2).
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14–16 zeigen
die Spannungspegel in dem doppelseitigen Wechselrichtersystem 32 bei einer
beispielhaften Ausführungsform.
Wie voranstehend erörtert
wurde, kann der Controller 34 den Spitzenphasenstrom Ip und das Tastverhältnis/die Schaltfunktion für den zweiten
Wechselrichter 40 ermitteln, auf deren Grundlage der Controller 34 eine
Schaltfunktion für
den ersten Wechselrichter 38 ermitteln kann. Wieder sind
bei einer beispielhaften Ausführungsform,
wie in 15 gezeigt ist, die Schaltfunktion
und die Spannungen des ersten Wechselrichters 38 nicht
sinusförmig.
DPWM-Techniken können
verwendet werden, um den ersten Wechselrichter 38 zu modulieren,
um den Motorsollstrom zu erzeugen und einen Schaltverlust in dem
ersten Wechselrichter 38 zu verringern. Wie in 16 gezeigt
ist, sind die resultierenden Leitungsspannungen an denn Motor 20 sinusförmig und
frei von irgendwelchen Oberwellen oder einer Verzerrung.
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17 veranschaulicht
Betriebskennlinien einer herkömmlichen
DPWM-Technik und 18 veranschaulicht
den Schaltleistungsverlust, welcher der Schaltfunktion von 17 für einen
beispielhaften Fall zugeordnet ist. 19 veranschaulicht
Betriebskennlinien der hierin erörterten
DPWM-Technik und 20 veranschaulicht
den Schaltleistungsverlust, welcher der Schaltfunktion von 19 für einen beispielhaften
Fall zugeordnet ist. Bei dem gezeigten beispielhaften Fall wird
der mittlere Leistungsverlust von 1800 W auf 1680 W verringert,
wenn die hierin erörterten
Verfahren angewandt werden.
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Das
voranstehend beschriebene System und/oder Verfahren stellt/stellen
ein elektrisches System zum Versorgen des Motors 20 mit
Leistung mit zwei separaten Energiequellen 22, 24 bereit,
während
der Schaltverlust im Vergleich mit herkömmlichen DPWM-Techniken verringert
wird. Andere Merkmale eines doppelseitigen Wechselrichtersystems 32,
wie verschiedene Leistungsflüsse
oder ein Leistungstransfer können
auch erreicht werden. Wie voranstehend beschrieben ist, wird die
Leistung des Motors 20 nicht beeinträchtigt und das befohlene Drehmoment
kann weiterhin in dem Motor 20 erzeugt werden, während ermöglicht wird,
dass überschüssige Leistung
zwischen den Energiequellen 22, 24 fließt.
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Andere
Ausführungsformen
können
das voranstehend beschriebene 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 verändern.
Der Motor 20 und die Wechselrichter 38, 40 können andere
Phasenzahlen aufweisen und die hierin beschriebenen Systeme sollen
nicht so aufgefasst werden, dass sie auf einen dreiphasigen Entwurf
beschränkt
sind. Die hierin erörterten
grundlegenden Prinzipien können
auf Phasensysteme höherer
Ordnung erweitert werden, wie in der Technik verstanden wird. Andere
Formen von Energiequellen 22, 24 können verwendet
werden, wie etwa Stromquellen und Lasten, welche Diodengleichrichter,
Thyristorwandler, Brennstoffzellen, Induktivitäten, Kondensatoren und/oder
eine beliebige Kombination daraus umfassen.
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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.
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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,
die hierin beschrieben sind, nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang,
die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung des beanspruchten Gegenstands
in irgendeiner Weise zu beschränken.
Stattdessen wird die voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten eine
brauchbare Anleitung zur Implementierung der beschriebenen Ausführungsform
oder Ausführungsformen
bereitstellen. Es sollte verstanden sein, dass verschiedene Änderungen
bei der Funktion und Anordnung von Elementen durchgeführt werden
können,
ohne von dem Schutzumfang abzuweichen, der durch die Ansprüche definiert
ist, welcher bekannte Äquivalente
und vorhersehbare Äquivalente
zum Zeitpunkt des Einreichens dieser Patentanmeldung umfasst.