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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Elektromotoren, und sie
betrifft insbesondere ein Verfahren und ein System zum Betreiben
eines Elektromotors, der mit mehreren Leistungsversorgungen gekoppelt ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
den letzten Jahren haben technologische Fortschritte sowie sich
immer weiter entwickelnde Vorlieben bezüglich des Stils zu wesentlichen
Veränderungen
bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Veränderungen
betrifft die Leistungsverwendung und die Komplexität der verschiedenen
elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Fahrzeugen
mit alternativem Kraftstoff, wie etwa Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen.
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Viele
der elektrischen Komponenten, welche die Elektromotoren umfassen,
die in derartigen Fahrzeugen verwendet werden, empfangen elektrische
Leistung von Wechselstrom-Leistungsversorgungen (AC-Leistungsversorgungen).
Die Leistungsquellen (z. B. Batterien), welche bei derartigen Anwendungen
verwendet werden, liefern jedoch nur Gleichstromleistung (DC-Leistung).
Daher werden zur Umwandlung der DC-Leistung in AC-Leistung Einrichtungen
verwendet, die als "Wechselrichter/Gleichrichter" bekannt sind und
im Folgenden als Wechselrichter be zeichnet 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. Typischerweise werden "Leistungswandler", wie etwa Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler
(DC/DC-Wandler) verwendet, um die Leistung von den zwei Spannungsquellen
zu verwalten und zu übertragen.
Moderne DC/DC-Wandler umfassen oft Transistoren, die durch eine
Induktivität
elektrisch verbunden sind. Durch Steuern der Zustande der verschiedenen
Transistoren kann ein mittlerer Sollstrom 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 wesentlich. Die zusätzlichen
Komponenten, die für
beide Typen von Einrichtungen benötigt werden, erhöhen auch
die Gesamtkosten und das Gewicht des Fahrzeugs.
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Entsprechend
ist es wünschenswert,
ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines Motors, der mit
mehreren Leistungsquellen gekoppelt ist, bereitzustellen, welche
ein vereinfachtes elektrisches System verwenden, wobei die Leistungsfähigkeit
des Motors maximiert wird. Darüber
hinaus werden weitere wünschenswerte
Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden
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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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird ein Verfahren bereitgestellt, um einen Elektromotor zu betreiben,
der mindestens eine Wicklung aufweist, die mit ersten und zweiten
Leistungsversorgungen gekoppelt ist. Ein Drehmomentbefehl für den Elektromotor
wird empfangen. Eine gegenwärtige
Leistungsreserve für
die erste und zweite Leistungsversorgung wird zumindest teilweise
auf der Grundlage des Drehmomentbefehls ermittelt. Eine Betriebsspannung für die zweite
Leistungsversorgung wird auf der Grundlage der gegenwärtigen Leistungsreserve
ermittelt. Die Betriebsspannung für die zweite Leistungsversorgung
wird an die mindestens eine Wicklung angelegt. Das Anlegen der Betriebsspannung
ermöglicht,
dass die gegenwärtige
Leistungsreserve zwischen mindestens zweien von der ersten Leistungsversorgung,
der zweiten Leistungsversorgung und dem Motor fließt.
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Es
wird ein Verfahren bereitgestellt, um einen Elektromotor zu betreiben,
der mindestens eine Wicklung mit einer ersten Gleichstrom-Leistungsversorgung
(DC-Leistungsversorgung) und einem ersten Wechselrichter, die mit
einem ersten Ende derselben gekoppelt sind, und einer zweiten DC-Leistungsversorgung
und einem zweiten Wechselrichter, die mit einem zweiten Ende derselben
gekoppelt sind, aufweist. Ein Drehmomentbefehl für den Elektromotor wird empfangen.
Auf der Grundlage des Drehmomentbefehls wird ein Leistungsbefehl
für die
erste DC-Leistungsversorgung ermittelt. Der Leistungsbefehl für die erste
DC-Leistungsversorgung ist entweder kleiner als eine maximale Leistungsausgabe
der ersten DC-Leistungsversorgung oder nicht kleiner als die maximale
Leistungsausgabe der ersten DC-Leistungsversorgung. Ein Leistungsbefehl
für die
zweite DC-Leistungsversorgung wird auf der Grundlage einer Differenz
zwischen dem Leistungsbefehl für die
erste DC-Leistungsversorgung und der maximalen Leistungsausgabe
der ersten DC-Leistungsversorgung ermittelt. Eine Betriebsspannung
für die
zweite DC-Leistungsversorgung wird auf der Grundlage des Leistungsbefehls
für die
zweite DC-Leistungsversorgung ermittelt. Die Betriebsspannung für die zweite
DC-Leistungsversorgung wird mit der zweiten Leistungsversorgung
an die mindestens eine Wicklung angelegt.
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Es
wird ein Kraftfahrzeugantriebssystem bereitgestellt. Das Kraftfahrzeugantriebssystem
umfasst einen Elektromotor, der mindestens eine Wicklung, erste
und zweite Gleichstrom-Leistungsversorgungen (DC-Leistungsversorgungen),
welche mit der mindestens einen Wicklung gekoppelt sind, erste und
zweite Wechselrichter, welche zwischen die jeweiligen ersten und
zweiten DC-Leistungsversorgungen und die mindestens eine Wicklung
gekoppelt sind, um Leistung von den ersten und zweiten DC-Leistungsversorgungen zu
empfangen und Wechselstromleistung (AC-Leistung) an den Elektromotor zu liefern,
und einen Prozessor aufweist, der in wirksamer Verbindung mit dem
Elektromotor, den ersten und zweiten DC-Leistungsversorgungen und
dem ersten und zweiten Wechselrichter steht. Der Prozessor ist so
ausgestaltet, dass er eine gegenwärtige Leistungsreserve für die ersten
und zweiten DC-Leistungsversorgungen zumindest teilweise auf der Grundlage
eines Drehmomentbefehls für
den Elektromotor ermittelt, eine Betriebsspannung für die zweite DC-Leistungsversorgung
auf der Grundlage der gegenwärtigen
Leistungsreserve ermittelt und den zweiten Wechselrichter so betreibt,
dass die Betriebsspannung für
die zweite Leistungsversorgung mit der zweiten Leistungsversorgung
an die mindestens eine Wicklung angelegt wird.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird hier nachstehend in Verbindung mit den
folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen
gleiche Elemente bezeichnen, und
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1 eine
schematische Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
schematische Ansicht eines Systems mit einem dualen Wechselrichter
und einem Motor mit offener Wicklung in dem Kraftfahrzeug von 1 ist;
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3 ein
Zeigerdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des Systems
von 2 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 ein
Zeigerdiagramm ist, das die Arbeitsweise von 3 weiter
veranschaulicht;
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5 ein
Blockdiagramm eines Systems und/oder eines Verfahrens zum Betreiben
des Motorsystems von 2 ist; und
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6–11 graphische
Veranschaulichungen experimenteller Ergebnisse eines Betriebs des
Systems und/oder Verfahrens von 5 sind.
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BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist
nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen
der Erfindung zu beschränken.
Darüber
hinaus ist es nicht beabsichtigt, durch irgendeine explizite oder
implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen
Gebiet, dem Hintergrund und der Kurzzusammenfassung oder der folgenden
genauen Beschreibung dargestellt ist.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Merkmale, die
miteinander "verbunden/geschaltet" oder "gekoppelt" sind. Bei der Verwendung
hierin bedeutet "verbunden/geschaltet", sofern es nicht ausdrücklich anderweitig
angegeben ist, dass ein Element/Merkmal mit einem weiteren Element/Merkmal
direkt verbunden ist (oder direkt damit kommuniziert), und zwar
nicht notwendigerweise mechanisch. Gleichermaßen bedeutet "gekoppelt", sofern es nicht
ausdrücklich
anderweitig angegeben ist, dass ein Element/Merkmal mit einem weiteren
Element/Merkmal direkt oder indirekt verbunden ist (oder direkt
oder indirekt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise
mechanisch. Es sollte jedoch verstanden sein, dass, obwohl zwei
Elemente nachstehend bei einer Ausführungsform als "verbunden/geschaltet" beschrieben sein
können, ähnliche
Elemente bei alternativen Ausführungsformen "gekoppelt" sein können und
umgekehrt. Obwohl die hierin gezeigten schematischen Zeichnungen
beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen, können daher
zusätzliche
dazwischenkommende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten
bei einer tatsächlichen
Ausführungsform
vorhanden sein. Es sollte auch verstanden sein, dass 1–11 rein
veranschaulichend sind und möglicherweise
nicht maßstabsgetreu
gezeichnet sind.
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1 bis 11 veranschaulichen
ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines Elektromotors, der
mindestens eine Wicklung aufweist, die mit ersten und zweiten Leistungsversorgungen
gekoppelt ist. Ein Drehmomentbefehl für den Elektromotor wird empfangen
und eine gegenwärtige
Leistungsreserve für
die erste und zweite Leistungsversorgung wird zumindest teilweise
auf der Grundlage des Drehmomentbefehls ermittelt. Auf der Grundlage
der gegenwärtigen
Leistungsreserve wird eine Betriebsspannung für die zweite Leistungsversorgung
ermittelt. Die Betriebsspannung (d. h. eine Wechselspannung (AC))
für die
zweite Leistungsversorgung wird an die mindestens eine Wicklung
angelegt. Das Anlegen der Betriebsspannung ermöglicht, dass die gegenwärtige Leistungsreserve
zwischen mindestens zweien von der ersten und zweiten Leistungsversorgung
und dem Motor fließt.
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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 mit dem Chassis 12 jeweils
drehbar gekoppelt.
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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 beliebigen oder eine Kombination
einer Anzahl verschiedener Typen von Maschinen umfassen, wie zum
Beispiel 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
ist das Kraftfahrzeug 10 ein Brennstoffzellenfahrzeug und
umfasst ferner einen Elektromotor/Generator (oder "Antriebs"-Motor) 20,
ein Brennstoffzellen-Leistungsmodul (FCPM, FCPM von fuel cell power
module) 22, eine Batterie 24, eine Wechselrichteranordnung 26 und
einen Radiator 28. Es wird auch darauf hingewiesen, dass
das Kraftfahrzeug 10 bei der dargestellten Ausführungsform
keinen Gleichstrom/Gleichstrom-Leistungswandler (DC/DC-Leistungswandler)
umfasst.
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Wie
gezeigt ist, stehen das FCPM 22 und die Batterie 24 in
wirksamer Verbindung mit und/oder sind mit dem elektronischen Steuerungssystem 18 und
der Wechselrichteranordnung 26 elektrisch verbunden. Obwohl
es nicht veranschaulicht ist, umfasst das FCPM 22 bei einer
Ausführungsform
neben anderen Komponenten eine Brennstoffzelle, die eine Anode,
eine Kathode, einen Elektrolyt und einen Katalysator aufweist. Wie
allgemein verstanden wird, leitet die Anode oder negative Elektrode
Elektronen, die zum Beispiel von Wasserstoffmolekülen freigesetzt
werden, sodass sie in einer externen Schaltung verwendet werden
können. Die
Kathode oder positive Elektrode leitet die Elektronen von der externen
Schaltung zurück
zu dem Katalysator, wo sie mit den Wasserstoffionen und Sauerstoff
rekombinieren können,
um Wasser zu bilden. Der Elektrolyt oder die Protonenaustauschmembran
leitet nur positiv geladene Ionen, während Elek tronen blockiert werden,
während
der Katalysator die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff erleichtert.
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2 veranschaulicht
schematisch ein System 32 mit einem dualen Wechselrichter
und einem Motor mit offenen Wicklungen in dem in 1 veranschaulichten
Kraftfahrzeug 10. Das System 32 umfasst den Motor 20,
das FCPM (oder die erste Spannungs- oder Leistungsquelle) 22,
die Batterie 24 (oder die zweite Spannungs- oder Leistungsquelle),
die Wechselrichteranordnung 26 und einen Controller 34.
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Der
Motor 20 ist bei einer Ausführungsform ein dreiphasiger
Wechselstrommotor (AC-Motor) und umfasst drei Wicklungen (oder Spulen) 36,
von denen jede einer Phase des Motors 20 entspricht, wie
allgemein verstanden wird. Bei einer Ausführungsform ist der Neutralpunkt
des Motors 20 aufgetrennt, um ihn zu einem dreiphasigen
Motor mit sechs Anschlüssen
zu machen. 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 versteht. Wie in 1 gezeigt
ist, kann der Motor 20 auch ein Getriebe umfassen, das
darin derart eingebaut ist, dass der Motor 20 und das Getriebe mit
zumindest einigen der Räder 16 durch
eine oder mehrere Antriebswellen 30 mechanisch gekoppelt
sind.
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Wieder
mit Bezug auf 2 umfasst die Wechselrichteranordnung 26 erste
oder zweite Wechselrichterabschnitte (oder Wechselrichter) 38 und 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 Abschnitten 38 und 40 in drei
Paaren (oder Schenkeln) angeordnet, wobei sich Paare 42, 44 und 46 in
dem ersten Abschnitt 38 befinden und sich Paare 48, 50 und 52 in
dem zweiten Abschnitt 40 befinden. Eine erste der Wicklungen 36 des
Motors 20 ist an entgegengesetzten Enden derselben zwischen
die Schalter des Schalterpaars 42 in dem ersten Abschnitt
und 48 in dem zweiten Abschnitt elektrisch geschaltet.
Eine zweite der Wicklungen 36 ist zwischen die Schalter
des Paars 44 in dem ersten Abschnitt und 50 des
zweiten Abschnitts geschaltet. Eine dritte der Wicklungen 36 ist
zwischen die Schalter der Paare 46 und 52 geschaltet.
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Immer
noch mit Bezug auf 2 umfasst das System 32 auch
erste und zweite Kondensatoren 54 und 56, die
jeweils parallel zu der ersten und zweiten Leistungsquelle 22 und 24 geschaltet
sind, um eine Stromrestwelligkeit im Betrieb zu glätten. Der
Controller 34 steht in wirksamer Verbindung und/oder ist
mit dem ersten und zweiten Wechselrichterabschnitt 38 und 40 elektrisch
verbunden. Der Controller 34 spricht auf Befehle an, die
von dem Fahrer des Kraftfahrzeugs 10 (d. h. über ein
Gaspedal) empfangen werden, und liefert Befehle an den ersten Abschnitt 38 und
den zweiten Abschnitt 40, um die Ausgabe der Abschnitte 38 und 40 zu
steuern, wie noch beschrieben wird. Eine Hochfrequenz-Pulsbreitenmodulation
(PWM) kann verwendet werden, um die Abschnitte 38 und 40 zu
steuern und die Spannung zu verwalten, die von den Abschnitten 38 und 40 erzeugt
wird.
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Wieder
auf 1 Bezug nehmend steht das elektronische Steuerungssystem 18 in
wirksamer Verbindung mit dem Motor 20, der Brennstoffzelle 22,
der Batterie 24 und der Wechselrichteranordnung 26.
Obwohl es nicht im Detail gezeigt ist, umfasst 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 Fahr zeugcontroller 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.
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Wieder
mit Bezug auf 1 ist der Radiator 28 mit
dem Rahmen an einem äußeren Abschnitt
desselben verbunden und umfasst, obwohl es nicht im Detail veranschaulicht
ist, mehrere Kühlkanäle dort
hindurch, welche 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 der
Wechselrichter 26 ein Kühlmittel
und teilt dieses mit dem Elektromotor 20.
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Immer
noch mit Bezug auf 1 wird das Kraftfahrzeug 10 im
Betrieb dadurch betrieben, dass Leistung an die Räder 16 von
dem Elektromotor 20 geliefert wird, welcher Leistung von
dem FCPM 22 und der Batterie 24 abwechselnd und/oder
von dem FCPM 22 und der Batterie 24 gleichzeitig
empfangt. Um den Motor 20 mit Leistung zu versorgen, wird
DC-Leistung von dem FCPM 22 und der Batterie 24 an
den ersten und zweiten Wechselrichter 38 bzw. 40 geliefert,
welche die DC-Leistung in AC-Leistung umwandeln, wie in der Technik allgemein
verstanden wird. Wenn der Motor 20 die maximale Leistungsausgabe
des FCPM 22 nicht benötigt kann
die überschüssige Leistung
von dem FCPM 22 verwendet werden, um die Batterie 24 aufzuladen,
wie nachstehend beschrieben wird. Wenn der Motor sowohl die maximale
Leistungsausgabe des FCPM 22 als auch Leistung von der
Batterie 24 benötigt,
kann Leistung von der Batterie 24 in Kombination mit dem
FCPM 22 verwendet werden, um den Motor 20 zu betreiben.
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Mit
Bezug auf 3 und 4 in Kombination
mit 2 erzeugen der erste und zweite Wechselrichter 38 und 40 AC-Spannungen
an den Wicklungen 36 (oder Phasen) an beiden Enden. Die
von dem ersten und zweiten Wechselrichter 38 und 40 erzeugten
AC-Phasenspannungen werden durch die Spannungspfeile ν 1 bzw. ν 2 dargestellt. Die Phasenspannung an
dem Motoranschluss kann wie folgt ausgedrückt werden: ν s = ν 1 – ν 2 (1)
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Wie
allgemein verstanden wird, hängen
die benötigten
Spannungen an den Wicklungen 36 des Motors 20 (2),
welche durch den Spannungspfeil ν*s dargestellt werden, von
der Drehzahl, dem befohlenen Drehmoment (d. h. befohlenen Synchronrahmenströmen) und
weiteren Motorparametern ab. Eine derartige Betriebsbedingung ist
in 3 durch einen Stromvektor i s und einen
Spannungsvektor ν s dargestellt.
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Während des
Betriebs des Motors 20 kann die erste Spannungsquelle 22 (z.
B. das FCPM) die Fähigkeit
aufweisen, dass es zusätzlich
zu der Leistung, die von dem Motor 20 benötigt wird,
um das befohlene Drehmoment zu erzeugen, einen überschüssigen Leistungsbetrag (d.
h. eine Reserveleistung) liefert. Diese überschüssige Leistung kann an die
zweite Spannungsquelle 24 (z. B. die Batterie) geliefert
werden und von dieser gespeichert werden und kann aufgrund der angezeigten
Richtungen des Stromflusses, die in 2 gezeigt
sind, als ein negativer DC-Strom in dem Spannungsbus der zweiten
Spannungsquelle 24 aufgefasst werden. Die Reserveleistung
kann als die Differenz zwischen der Leistung, die von dem Motor 20 benötigt wird, und
der maximalen Leistungsausgabe des FCPM 22 verstanden werden.
Bei einigen Betriebsbedingungen kann die maxi male Leistungsausgabe
des FCPM 22 kleiner als die Leistung sein, die von dem
Motor 20 benötigt
wird.
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Eine
Konstantleistungslinie xy, welche diese überschüssige Leistung darstellt, ist
in 3 und 4 gezeigt, auf welcher die Wirkleistung
als P = 3 |ν 2||i s|
cos αs dargestellt werden kann und die Blindleistung
als Q = –3
|ν 2||i s|
sin αs dargestellt werden kann. Ein AC-Spannungsvektor ν 2 der
durch den zweiten Wechselrichter 40 mit der zweiten Spannungsquelle 24 erzeugt
wird und an der xy-Linie entspringt, stellt zusammen mit dem AC-Stromvektor i s die überschüssige Leistung
dar, die in die zweite Spannungsquelle 24 fließt. Daher
müssen der
erste Wechselrichter 38 und die erste Spannungsquelle 22 einen
Spannungsvektor ν 1 als AC-Spannung so erzeugen, dass die durch
den Vektor ν s dargestellte
Motorsollspannung beibehalten wird.
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Wie
in 4 gezeigt ist, genügen viele Kombinationen von ν 1 und ν 2 der
gleichen Motorspannung und der gleichen Wirkleistung wie in 3.
Diese Kombinationen sind durch Punkte a1,
a2, a3 und a4 auf der xy-Linie dargestellt. Die verschiedenen
Vektoren stellen unterschiedliche Wechselrichter/Spannungsquellen-Spannungen
dar, die alle das gleiche Drehmoment in dem Motor 20 und
den gleichen Leistungsfluss an die (oder von der) zweiten Spannungsquelle 24 erzeugen.
Der optimale Arbeitspunkt auf dieser Konstantleistungslinie xy bestimmt
die Modulationsspannung an den Anschlüssen des zweiten Wechselrichters 40.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass es sein kann, dass die erste Spannungsquelle 22 nicht
genug Leistung zur Bereitstellung des benötigten Motordrehmoments erzeugt.
In einer derartigen Situation liefert die zweite Spannungsquelle 24 die
benötigte
zusätzliche
Leistung (d. h. eine negative Reserveleistung).
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5 veranschaulicht
ein System (und/oder ein Verfahren) 60 zum Betreiben eines
Motors in einem System mit dualem Wechselrichter gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, welche die Prinzipien verwenden, die
voranstehend beschrieben sind. Das System und/oder das Verfahren 60 umfassen einen
Stromsteuerungsblock 62, einen Leistungssteuerungsblock 64,
einen Block 66 zur Umwandlung von Leistung in Spannung,
erste und zweite PWM-Blocks 68 und 70 und das
duale Wechselrichtersystem 32. Das System und/oder das
Verfahren 60 stellen einen Steuerungsalgorithmus bereit,
der eine Leistungsflusssteuerung zwischen der ersten und zweiten
Spannungsquelle 22 und 24 erreicht, während das
befohlene Drehmoment in dem Motor 20 erzeugt wird. Obwohl
es nicht gezeigt ist, empfängt
das System 60 einen Drehmomentbefehl für den Motor 20, aus
welchem ein Leistungsbefehl für
die erste Spannungsquelle 22 (und/oder den ersten Wechselrichter 38)
sowie Synchronrahmenströme
für die
Wicklungen 36 in dem Motor 20 erzeugt werden können.
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In
dem Stromsteuerungsblock 62 werden ein befohlener Synchronrahmenstrom i*sdq und
ein Rückkopplungsstrom
(d. h. gemessener Strom) isdq_f von einer
Summierungsschaltung (oder einem Summierer) 72 empfangen.
Die Summierungsschaltung 72 berechnet eine Differenz (d.
h. einen Fehler) zwischen dem befohlenen Strom und dem Rückkopplungsstrom.
Der Fehler wird zum Beispiel an einen ersten Proportional-Integral-
oder -Integrationsregler (PI-Regler) 74 gesandt.
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Wie
der Fachmann feststellt, ist der erste PI-Regler 74 eine
Komponente eines Rückkopplungskreises, der
einen gemessenen Wert (oder einen Ausgang) von einem Prozess oder
einer anderen Vorrichtung aufnimmt und ihn mit einem eingestellten
oder Referenzwert vergleicht. Die Differenz (oder das "Fehler"-Signal) wird dann
dazu verwendet, einen Eingang an den Prozess zu verstellen, um den
Ausgang auf seinen gewünschten
Referenzwert zu bringen. Der erste PI-Regler kann einen proportionalen
und einen integralen Ausdruck umfassen. Der proportionale Ausdruck
wird verwendet, um dem "unmittelbaren" oder gegenwärtigen Fehler
Rechnung zu tragen, welcher mit einer Konstante multipliziert wird.
Der integrale Ausdruck integriert den Fehler über eine Zeitspanne und multipliziert
die integrierte Summe mit einer weiteren Konstante.
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Folglich
empfängt
der erste PI-Regler 74 den gegenwärtigen Stromfehler von der
Summierungsschaltung 72 und erzeugt ein Signal, das eine
Kombination des gegenwärtigen
Stromfehlers und des Stromfehlers über eine Zeitspanne darstellt.
Der Ausgang des ersten PI-Reglers 74 wird an eine Summierungsschaltung 76 gesandt,
welche bei einer Ausführungsform
auch die Entkopplungsspannung ν*sdq_d empfängt. Die
Summierungsschaltung 76 addiert den Ausgang des ersten
PI-Reglers 74 zu der Entkopplungsspannung und sendet ihren
Ausgang (d. h. ein Spannungssignal) an eine Summierungsschaltung 78.
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In
dem Leistungssteuerungsblock 64 empfängt eine Summierungsschaltung 80 befohlene
Wirk- und Blindleistungen P*, Q* und rückgekoppelte (d. h. gemessene)
oder geschätzte
Wirk- und Blindleistungen P ^, Q ^. Idealerweise sollte die an der AC-Seite
berechnete Wirkleistung mit der an der DC-Seite übereinstimmen. Jedoch führen nicht
ideale Kennlinien der Leistungsschaltungen und deren Betrieb immer
zu einer Abweichung zwi schen diesen. Bei Ausführungsformen, bei denen die
Berücksichtigung
eines keinen Leistungsbetrags (speziell Wirkleistung) wichtig ist,
kann bei dem Fehlen geeigneter Sensoren ein Algorithmus zur Leistungsschätzung verwendet
werden, um die Genauigkeit der befohlenen Leistung zu verbessern.
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Diese
geschätzten
Leistungen können
dann als Rückkopplung
(P ^, Q ^) für
einen Leistungsregler mit geschlossenem Regelkreis verwendet werden,
wie in 5 gezeigt ist. Diese Schätzung kann vereinfacht werden,
wenn ein DC-seitiger Stromsensor verwendet wird, um den Strom an
der DC-Seite zu
messen. Dieser gemessene DC-Strom kann zusammen mit einer gemessenen
DC-Spannung dann verwendet werden, um eine augenblickliche Wirkleistung
zu berechnen, was die Genauigkeit der Regelung der Wirkleistung
verbessern kann. Die aus dem Leistungssteuerungsblock 64 in 5 kommenden
befohlenen Wirk- und Blindleistungen P*b , Q*b können in
Gleichungen 7 und 8 anstelle von p* bzw. q* verwendet werden, um
die Modulationsspannungen wie nachstehend beschrieben zu berechnen.
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Bei
einer Ausführungsform
können
die Wirk- und Blindleistungen oder Leistungsbefehle P*, Q* den befohlenen
Leistungen für
die zweite Spannungsquelle 24 (und/oder den zweiten Wechselrichter 40)
tatsächlich entsprechen,
welche ermittelt werden können,
indem eine Differenz zwischen dem Leistungsbefehl für die erste
Spannungsquelle 22 und der maximalen Leistungsausgabe der
ersten Spannungsquelle 22 berechnet wird. Die Leistungsbefehle
P*, Q* können
somit in Abhängigkeit
davon, ob ein Überschuss
oder ein Mangel an Leistung bei der ersten Spannungsquelle 22 vorhanden
ist, positiv oder negativ sein.
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Die
Summierungsschaltung 80 berechnet eine Differenz (d. h.
einen Fehler) zwischen den befohlenen Wirk- und Blindleistungen
und den rückgekoppelten
Wirk- und Blindleistungen. Der Fehler wird an einen zweiten PI-Regler 82 gesandt,
welcher dem voranstehend beschriebenen ersten PI-Regler 74 ähneln kann.
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Der
zweite PI-Regler 82 erzeugt ein Signal, das eine Kombination
des gegenwärtigen
Wirkleistungs-/Blindleistungs-Fehlers und des Wirkleistungs-/Blindleistungs-Fehlers über eine
Zeitspanne darstellt. Der Ausgang des zweiten PI-Regler 82 wird
an eine Summierungsschaltung 84 gesandt, welche bei einer
Ausführungsform
auch die befohlenen Wirk- und Blindleistungen P*, Q* empfangt. Die
Summierungsschaltung 84 addiert das Signal von dem zweiten
PI-Regler 82 zu den befohlenen Leistungen und sendet modifizierte
befohlene Wirk- und Blindleistungen P*b , Q*b an den Block 66 zur
Umwandlung von Leistung in Spannung.
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Der
Block 66 zur Umwandlung von Leistung in Spannung verwendet
die modifizierten befohlenen Wirk- und Blindleistungen zusammen
mit geeigneten Rückkopplungssignalen,
um einen Spannungsbefehl für den
zweiten Wechselrichter 40 wie nachstehend erörtert zu
erzeugen.
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Die
augenblickliche Wirk- und Blindleistung kann mathematisch als eine
Funktion von Spannungen und Strömen
in dem Synchronrahmen wie folgt ausgedrückt werden:
wobei ν
d und ν
q Synchronrahmenspannungen
sind und i
d und i
q Synchronrahmenströme sind.
Zur Veranschaulichung wird angenommen, dass die erste Spannungsquelle
22 zusätzlich zu
der Antriebsleistung, die benötigt wird,
um das befohlene Drehmoment zu erzeugen, überschüssige Leistung erzeugt. Vorzugsweise
soll diese überschüssige Leistung
in die zweite Spannungsquelle (d. h. die Batterie)
24 fließen, sodass
sie für
eine spätere
Verwendung gespeichert werden kann. Wenn bei einer derartigen Situation
p und q die Wirk- und Blindleistungen sind, die an den zweiten Wechselrichter
40 geliefert
werden, stellen die Synchronrahmenspannungen und -ströme in der
voranstehenden Gleichung die Anschlussgrößen an dem zweiten Wechselrichter
40 dar.
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Die
dreiphasigen AC-Ströme
werden durch das Drehmoment bestimmt, das in dem Motor
20 entwickelt
wird, und werden durch den Stromsteuerungsblock
62 geregelt.
Das heißt,
dass für
einen gegebenen Drehmomentbefehl der AC-Strom innerhalb des Motors
vorbestimmt ist und die Synchronrahmenströme in Gleichung 2 durch den
Stromsteuerungsblock
62 vollständig gelenkt werden. Für einen
gegebenen Drehmomentbefehl und einen gegebenen Leistungsfluss muss
ein Satz von Synchronrahmenspannungen ν
d und ν
q an
den Anschlüssen
des zweiten Wechselrichters
40 beibehalten werden. Diese
Spannungen in Gleichung 2 können
ausgedrückt
werden als:
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Die
an den Motor 20 gelieferte Leistung kann mathematisch als
ein Produkt des erzeugten Drehmoments Te und
der synchronen Drehzahl ωe ausgedrückt
werden als pe =
Teωe (4)
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Wenn
bei diesem Arbeitspunkt der Leistungsverlust in dem System ploss ist und die erste Spannungsquelle 22 eine
Leistung p1 erzeugt, dann kann die überschüssige Leistung,
die an die zweite Spannungsquelle 24 fließen kann,
ausgedrückt
werden als p* = p1 – pe – ploss (5)
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Diese
augenblickliche überschüssige Wirkleistung
p* kann in Gleichung 3 für
p eingesetzt werden, um die Synchronrahmen-Spannungsbefehle
ν*2_d und
ν*2_q an den
Anschlüssen
des zweiten Wechselrichters
40 wie folgt zu berechnen:
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Ein
Auflösen
nach den Synchronrahmen-Spannungsbefehlen liefert
-
-
Wenn
die Konstantleistungslinie xy in 3 und 4 die
konstante Wirkleistung p* darstellt, kann ein beliebiger Punkt auf
dieser Linie (d. h. a1, a2,
a3 oder a4) als
ein Arbeitspunkt mit einer anderen Blindleistung q* gewählt werden,
ohne den Wirkleistungsfluss zu verändern. Sobald die optimale
Stelle des Arbeitspunkts bestimmt ist, kann der befohlene Wert der
augenblicklichen Blindleistung q* durch die klassische Blindleistungsgleichung
(Q) ermittelt werden, wie voranstehend erwähnt. Die modifizierten befohlenen
Wirk- und Blindleistungen P*b , und Q*b von dem Leistungssteuerungsblock 64 können in
Gleichung 6 anstelle von p* bzw. q* verwendet werden, um die Modulationsspannungen
an den Anschlüssen
des zweiten Wechselrichters 40 zu berechnen.
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Wieder
mit Bezug auf 5 wird ein Modulationsspannungssignal ν*2_dq für den zweiten
Wechselrichter von dem Block 66 zur Umwandlung von Leistung
in Spannung an die Summierungsschaltung 78 und direkt an den
zweiten PWM-Block 70 gesandt. Die Summierungsschaltung 78 addiert
das Spannungssignal von der Summierungsschaltung 76 zu
dem Modulationsspannungssignal für
den zweiten Wechselrichter, um ein Modulationsspannungssignal ν*1_q für den ersten
Wechselrichter zu erzeugen, welches an den ersten PWM-Block 68 gesandt
wird.
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Der
erste und zweite PWM-Block 68 und 70, welche in
dem elektronischen Steuerungssystem 18 (1)
und/oder in dem Controller 34 (2) enthalten
sein können,
verwenden die Modulationsspannungssignale ν*1_dq und ν*2_dq zusammen mit geeigneten
Rückkopplungssignalen,
um PWM-Signale zu erzeugen, um die Schalter in dem ersten und zweiten
Wechselrichter 38 und 40 so zu betreiben, dass
bewirkt wird, dass Sollausgangsspannungen an die Wicklungen 36 in
dem in 2 gezeigten Motor 20 angelegt werden,
um den Motor 20 zu betreiben. Wenn an der Seite des ersten
Wechselrichters 38 (und/oder der ersten Spannungsquelle 22)
des dualen Wechselrichtersystems 32 ein Überschuss
an Spannung oder Leistung vorliegt, fließt Leistung von der ersten
Spannungsquelle 22 durch die Wicklungen 36 und
in die zweite Spannungsquelle 24. Wenn an der Seite des
ersten Wechselrichters 38 des Systems 32 eine
Leistungsknappheit vorliegt, fließt Leistung von der zweiten
Spannungsquelle 24 in den Motor 20.
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6–11 veranschaulichen
experimentelle Ergebnisse des Betriebs des Verfahrens und/oder des
Systems 60, die in 5 gezeigt
sind. Die Wellenformen in 6–8 wurden
mit einem Blindleistungsbefehl von Null entwickelt, während diejenigen
in 9–11 mit
einem Blindleistungsbefehl von 100 Volt-Ampere (VA) entwickelt wurden. 6 und 9 veranschaulichen
den DC-Strom in der zweiten Spannungsquelle 24. 7 und 10 veranschaulichen
die Spannung der zweiten Spannungsquelle 24, während 8 und 11 eine
Phase des Stroms in dem Motor 20 veranschaulichen. Es wird
angemerkt, dass der DC-Strom, welcher die Wirkleistung darstellt,
bei einer Veränderung
bei dem befohlenen Blindleistungsbefehl unverändert bleibt, was die Entkopplungseigenschaft
des Leistungsflussreglers bestätigt.
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Ein
Vorteil des Systems und/oder des Verfahrens, die voranstehend beschrieben
sind, besteht darin, dass das elektrische System, das verwendet
wird, um den Motor mit zwei separaten DC-Leistungsquellen mit Leistung
zu versorgen, wesentlich vereinfacht wird, da ein herkömmlicher
DC/DC-Leistungswandler
nicht benötigt
wird. Als Folge können
die Gesamtkosten und das Gewicht des Fahrzeugs verringert werden.
Die Leistungsfähigkeit
des Motors wird jedoch nicht beeinträchtigt, wie voranstehend beschrieben
ist, da das befohlene Drehmoment weiterhin in dem Motor erzeugt
werden kann, während
ermöglicht
wird, dass überschüssige Leistung
zwischen den Leistungsquellen fließt.
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Weitere
Ausführungsformen
können
das System und Verfahren, die voranstehend beschrieben wurden, bei
verschiedenen Typen von Kraftfahrzeugen, verschiedenen Fahrzeugen
(z. B. Wasserfahrzeugen und Flugzeugen) oder insgesamt bei verschiedenen
elektrischen Systemen verwenden, da sie bei jeder Situation implementiert
werden können,
bei der sich die Spannungen der zwei Quellen dynamisch über einen
weiten Bereich verändern.
Der Elektromotor und der Wechselrichter können andere Phasenanzahlen,
wie etwa zwei oder vier aufweisen. Andere Formen von Leistungsquellen
können
verwendet werden, wie etwa Stromquellen und Lasten, welche Diodengleichrichter,
Thyristorwandler, Brennstoffzellen, Induktivitäten, Kondensatoren und/oder
eine beliebige Kombination davon umfassen.
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Obwohl
in der voranstehenden genauen Beschreibung mindestens eine beispielhafte
Ausführungsform
dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine große Anzahl
an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass die beispielhafte
Ausführungsform
oder die beispielhaften Ausführungsformen
nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang,
die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner
Weise zu beschränken.
Stattdessen wird die voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten eine
brauchbare Anleitung zur Implementierung der beispielhaften Ausführungsform
oder der beispielhaften Ausführungsformen
bereitstellen. Es sollte verstanden sein, dass in der Funktion und
Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden
können,
ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den
beigefügten
Ansprüchen
und deren juristischen Äquivalenten
offengelegt ist.
