DE102009028081A1

DE102009028081A1 - Elektrisches System zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung eines Wechselrichters unter Verwendung phasenverschobener Trägersignale und verwandte Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102009028081A1
Application number: DE102009028081A
Authority: DE
Inventors: Brian A. Torrance Welchko
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-09-23
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2010-04-08
Also published as: CN101683834B; US20100072928A1; CN101683834A; US8115433B2

Abstract

Bereitgestellt werden Systeme und Verfahren zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung eines Wechselrichters unter Verwendung phasenverschobener Trägersignale. Ein elektrisches System weist eine Energiequelle und einen Motor auf. Der Motor hat einen ersten Satz Wicklungen und einen zweiten Satz Wicklungen, die elektrisch voneinander isoliert sind. Ein Invertermodul ist zwischen die Energiequelle und den Motor gekoppelt und umfasst einen ersten Satz Phasenschenkel, der an den ersten Satz Wicklungen gekoppelt ist, sowie einen zweiten Satz Phasenschenkel, der an den zweiten Satz Wicklungen gekoppelt ist. Eine Steuereinheit ist mit dem Invertermodul gekoppelt und dazu ausgebildet, den ersten Satz Phasenschenkel mit einem ersten Trägersignal zu modulieren, und den zweiten Satz Phasenschenkel mit einem zweiten Trägersignal zu modulieren, um einen gewünschten Leistungsfluss zwischen der Energiequelle und dem Motor zu erzielen. Das zweite Trägersignal ist phasenverschoben gegenüber dem ersten Trägersignal.

Description

Erklärung über aus Bundesmitteln geförderte Forschung oder Entwicklung
Die Regierung der Vereinigten Staaten verfügt über eine bezahlte Lizenz an dieser Erfindung sowie unter bestimmten Umständen über das Recht, vom Patentinhaber Lizenzierung an Dritte zu vernünftigen Bedingungen zu verlangen, wie in den Bedingungen des vom Energieministerium der Vereinigten Staaten vergebenen Auftrags Nr. DE-FC26-07NT43123 festgelegt.
Technisches Gebiet
Ausführungsformen des hier beschriebenen Gegenstandes beziehen sich allgemein auf Fahrzeugantriebe. Insbesondere beziehen sich Ausführungsformen des Gegenstands auf Elektro- und/oder Hybridfahrzeuge mit einem Wechselrichterantrieb.
Hintergrund
In den letzten Jahren haben der technische Fortschritt sowie sich immer weiter entwickelndes Stilempfin den zu wesentlichen Veränderungen im Kraftfahrzeugbau geführt. Eine der Veränderungen betrifft den Energieverbrauch und die Komplexität der verschiedenen elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, speziell in Kraftfahrzeugen mit Alternativantrieb wie Hybrid-, Elektro-, und Brennstoffzellenfahrzeuge.
Viele der elektrischen Komponenten einschließlich der Elektromotoren, die in solchen Fahrzeugen verwendet werden, erhalten Elektroenergie aus Wechselstromversorgungen. Die bei solchen Anwendungen genutzten Energiequellen (z. B. Batterien) stellen jedoch nur Gleichstromenergie bereit. Daher werden als ”Wechselrichter” bekannte Vorrichtungen zur Umwandlung der Gleichstromenergie in Wechselstromenergie eingesetzt. Diese verwenden häufig eine Vielzahl von Schaltern oder Transistoren, die in unterschiedlichen Zeitabständen betätigt werden, um die Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umzuwandeln.
Häufig wird ein Kondensator in Parallelschaltung zwischen einer Gleichstromenergiewelle und den Wechselrichter angeordnet, um Spannungswelligkeiten zu verringern. Dieser Kondensator, der oft als Gleichstromglied-Kondensator oder Großkondensator bezeichnet wird, muss eine ausreichend große Kapazität und Belastbarkeit aufweisen, um einen im Betrieb auftretenden maximalen effektiven Welligkeitsstrom zu bewältigen. Dies führt im Allgemeinen zur Verwendung eines größeren Kondensators als notwendig, weil ein Kondensator mit passenden Nennwerten für Kapazität und Strom schwierig zu finden ist. Typischerweise bewegt der Kondensator sich zwischen etwa 500 Mikrofarad bei einem Volumen von etwa 0,9 Litern und 1000 Mikrofarad bei einem Volumen von etwa 4,0 Litern. Infolgedessen nimmt der Kondensator, wenn er mit einem Wechselrichter gebündelt wird, typischerweise 30 bis 40 Prozent des Gesamtvolumens des Wechselrichtermoduls ein.
Dies beschränkt wiederum die Möglichkeiten, die Größe, das Gewicht und die Kosten des Wechselrichtermoduls zu verringern.
Kurze Zusammenfassung
Bereitgestellt wird eine Vorrichtung für ein elektrisches System zum Gebrauch in einem Fahrzeug. Das elektrische System weist eine Energiequelle und einen Motor auf. Der Motor hat einen ersten Satz Wicklungen und einen zweiten Satz Wicklungen, die elektrisch voneinander isoliert sind. Zwischen die Energiequelle und den Motor ist ein Invertermodul gekoppelt. Das Invertermodul umfasst einen ersten Satz Phasenschenkel, der an den ersten Satz Wicklungen gekoppelt ist, und einen zweiten Satz Phasenschenkel, der an den zweiten Satz Wicklungen gekoppelt ist. Eine Steuereinheit ist mit dem Invertermodul gekoppelt sowie dazu ausgebildet, den ersten Satz Phasenschenkel mit einem ersten Trägersignal zu modulieren, und den zweiten Satz Phasenschenkel mit einem zweiten Trägersignal zu modulieren, um einen gewünschten Leistungsfluss zwischen der Energiequelle und dem Motor zu erzielen. Das zweite Trägersignal ist phasenverschoben gegenüber dem ersten Trägersignal.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Vorrichtung für einen Kraftfahrzeugantrieb bereitgestellt. Der Kraftfahrzeugantrieb weist eine Energiequelle und einen Elektromotor auf. Der Elektromotor weist eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung auf. Die erste Wicklung und die zweite Wicklung sind elektrisch isoliert und gehören jeweils zu einer ersten Phase des Elektromotors. Ein Invertermodul ist mit der Energiequelle gekoppelt und umfasst einen mit der ersten Wicklung gekoppelten ersten Phasenschenkel und einen mit der zweiten Wicklung gekoppelten zweiten Phasenschenkel. Eine Steuereinheit ist mit dem Invertermodul gekoppelt sowie dazu ausgebildet, den ersten Phasenschenkel mit einem ersten Träger zu modulieren und den zweiten Phasenschenkel mit einem zweiten Träger zu modulieren. Der zweite Träger ist phasenverschoben gegenüber dem ersten Träger.
Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichtermoduls, das zum Antrieb eines Elektromotors ausgelegt ist. Der Elektromotor umfasst einen ersten Satz Wicklungen, welche mit einem ersten Satz Phasenschenkel des Wechselrichtermoduls gekoppelt sind, und einen zweiten Satz Wicklungen, welche mit einem zweiten Satz Phasenschenkel des Wechselrichtermoduls gekoppelt sind. Das Verfahren umfasst Modulieren des ersten Satzes Phasenschenkel mit einem ersten Trägersignal und Modulieren des zweiten Satzes Phasenschenkel mit einem zweiten Trägersignal. Das zweite Trägersignal weist eine Phasenverschiebung gegenüber dem ersten Trägersignal auf.
Zweck dieser Zusammenfassung ist, in vereinfachter Form ausgewählte Begriffe einzuführen, die weiterführend in der untenstehenden ausführlichen Beschreibung beschrieben werden. Diese Zusammenfassung ist weder dazu bestimmt, Hauptmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu bezeichnen, noch ist sie dazu bestimmt, als Hilfsmittel beim Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet zu werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein vollständigeres Verständnis des Gegenstandes kann durch Lesen der ausführlichen Beschreibung und Ansprüche erhalten werden, wenn diese in Verbindung mit den folgenden Figuren betrachtet werden, in welchen überall in den Figuren gleiche Bezugsziffern sich auf gleichartige Elemente beziehen.
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften, zum Gebrauch in einem Fahrzeug geeigneten elektrischen Systems gemäß einer Ausführungsform;
2 ist ein Graph phasenverschobener Trägersignale, die zum Gebrauch mit dem elektrischen System aus 1 gemäß einer Ausführungsform geeignet sind;
3 ist ein Graph beispielhafter Pulsweitenmodulationssignale bezogen auf ein Schaltspiel, die die Auswirkung der phasenverschobenen Träger aus 2 gemäß einer Ausführungsform zeigen;
4 ist ein Graph phasenverschobener Trägersignale, die zum Gebrauch mit dem elektrischen System aus 1 gemäß einer Ausführungsform geeignet sind;
5 ist ein Graph beispielhafter Pulsweitenmodulationssignale bezogen auf ein Schaltspiel, die die Auswirkung der phasenverschobenen Träger aus 4 gemäß einer Ausführungsform zeigen; und
6 ist ein Graph des Verhältnisses von Kondensatorstrom und Ausgangsstrom über dem Modulationsindex für ein herkömmliches System, verglichen mit einem beispielhaften elektrischen System, das gemäß einer Ausführungsform phasenverschobene Trägersignale verwendet.
Ausführliche Beschreibung
Die folgende ausführliche Beschreibung ist lediglich veranschaulichender Natur und nicht dazu gedacht, die Ausführungsformen des Gegenstands oder die Anwendung und Nutzungen solcher Ausführungsformen zu beschränken. Das Wort ”beispielhaft”, so wie es hier gebraucht wird, bedeutet ”als Beispiel, Fall einer Umsetzung oder Veranschaulichung dienend”. Keine hier als beispielhaft beschriebene Umsetzung ist notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Umsetzungen auszulegen. Ferner ist nicht beabsichtigt, durch eine beliebige ausdrückliche oder implizite Theorie gebunden zu sein, die im vorstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung dargelegt wird.
Die folgende Beschreibung erwähnt Elemente oder Knotenpunkte oder Merkmale, die miteinander ”gekoppelt” sind. So wie hier gebraucht bedeutet ”gekoppelt”, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, dass ein Element/Knotenpunkt/Merkmal unmittelbar oder mittelbar zusammengefügt ist (oder unmittelbar oder mittelbar in Verbindung steht) mit einem weiteren Element/Knotenpunkt/Merkmal, und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Daher können, auch wenn die hier gezeigten Schaubilder beispielhafte Anordnungen von Elementen abbilden, in einer Ausführungsform des abgebildeten Gegenstands zusätzliche dazwischenkommende Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Bestandteile vorhanden sein. Darüber hinaus implizieren auf Strukturen bezogene Zählwörter wie ”erster”, ”zweiter” usw. keine Ordnung oder Reihenfolge, sofern der Zusammenhang dies nicht klar anzeigt.
Der Kürze halber können herkömmliche Technologien mit Bezug auf Signalisierung, Stromsensierung, Motorsteuerung und andere funktionale Gesichtspunkte der Systeme (und der einzelnen Funktionsbestandteile der Systeme) hier nicht in Einzelheiten beschrieben werden. Ferner sollen die in den verschiedenen hier enthaltenen Figuren gezeigten Verbindungslinien für beispielhafte Funktionsverhältnisse und/oder physische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen stehen. Festzuhalten ist, dass zahlreiche alternative oder zusätzliche Funktionsverhältnisse oder physische Verbindungen in einer Ausführungsform des Gegenstands gegenwärtig sein können.
Hier behandelte Techniken und Begriffe beziehen sich auf Systeme und Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors unter Verwendung eines Wechselrichtermoduls. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Elektromotor als ein Dreiphasenmotor mit zwei Wicklungssätzen verwirklicht, wobei jeder Wicklungssatz ein dreiphasiger Satz Wicklungen ist. Der erste Satz Wicklungen wird durch einen ersten Satz Phasenschenkel im Invertermodul angesteuert, und der zweite Satz Wicklungen wird durch einen zweiten Satz Phasenschenkel im Invertermodul angesteuert. Der erste Satz Phasenschenkel wird angesteuert, indem Pulsweitenmodulationssignale (PWM-Signale) bezüglich eines ersten Trägersignals erzeugt werden und der zweite Satz Phasenschenkel wird angesteuert, indem PWM-Signale bezüglich eines zweiten Trägersignals erzeugt werden. Der resultierende Welligkeitsstrom am Gleichstromglied-Kondensator ist verringert, was den Gebrauch eines kleineren Gleichstromglied-Kondensators ermöglicht, wenn das Invertermodul an eine Energiequelle angeschlossen wird.
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Systems 100, das zum Gebrauch als Kraftfahrzeugantrieb für eine Fahrzeug 102 geeignet ist. In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das elektrische System 100 ohne Einschränkung eine Energiequelle 104, ein Invertermodul 106, einen Motor 108 und eine Steuereinheit 110. Ein Kondensator 112 kann derart zwischen die Energiequelle 104 und das Invertermodul 106 gekoppelt sein, dass der Kondensator 2 und die Energiequelle 106 elektrisch parallel liegen. In dieser Hinsicht kann der Kondensator 112 ersatzweise als der Gleichstromglied-Kondensator oder Großkondensator bezeichnet werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform betreibt die Steuereinheit 110 wie unten beschrieben das Invertermodul 106, um einen gewünschten Leistungsfluss zwischen der Energiequelle 104 und dem Motor 108 zu erreichen und Welligkeitsstrom zu verringern.
Das Fahrzeug 102 ist vorzugsweise verwirklicht als ein Kraftfahrzeug wie z. B. eine Limousine, ein Kombiwagen, ein Lastkraftwagen oder eine Geländelimousine (SUV) und kann zweiradgetrieben (2WD) (d. h. hinterradgetrieben oder vorderradgetrieben), vierradgetrieben (4WD) oder allradgetrieben (AWD) sein. Das Fahrzeug 102 kann auch einen beliebigen einzelnen von, oder eine beliebige Kombination einer Anzahl von, unterschiedlichen Typen von Antriebsmotoren aufweisen, wie z. B. einem benzin- oder dieselgetriebenen Verbrennungsmotor, einem Motor eines ”Flex-Fuel-Fahrzeugs” (FFV-Motor) (d. h. betrieben mit einer Mischung von Benzin und Alkohol), einem mit Mischgas (z. B. Wasserstoff und Erdgas) betriebenen Motor, einem hybriden Verbrennungs-/Elektromotor und einem Elektromotor. In dieser Beziehung kann die Energiequelle 104 eine Batterie, eine Brennstoffzelle (oder einen Brennstoffzellenstapel), einen Superkondensator, einen geregelten Generatorausgang oder eine andere geeignete Spannungsquelle aufweisen. Die Batterie kann ein beliebiger zum Gebrauch für eine gewünschte Anwendung geeigneter Typ von Batterie sein, etwa eine Bleibatterie, eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Nickel-Metall-Batterie oder eine andere wieder aufladbare Batterie.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Motor 108 ein Mehrphasenwechselstrommotor und weist einen Satz Wicklungen (oder Spulen) auf, wobei jede Wicklung einer Phase des Motors 108 entspricht, wie untenstehend ausführlicher beschrieben. Wenn auch nicht gezeigt, umfasst der Motor 108 eine Ständeranordnung (einschließlich der Spulen), eine Läuferanordnung (einschließlich eines ferromagnetischen Kerns) und eine Kühlflüssigkeit (d. h. ein Kühlmittel), wie ein Fachmann leicht einsehen wird. Der Motor 108 kann ein Induktionsmotor, ein Permanentmagnetmotor oder jeder andere für die gewünschte Anwendung geeignete Typ sein. Obwohl nicht gezeigt, kann der Motor 108 auch ein integriertes Getriebe aufweisen, sodass der Motor 108 und das Getriebe mechanisch über eine oder mehrere Antriebswellen mit zumindest einigen der Räder des Fahrzeugs 102 gekoppelt sind.
In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist der Motor 108 als ein Dreiphasenwechselstrommotor verwirklicht, der einen ersten dreiphasigen Wicklungssatz (Wicklungen 114, 116 und 118 beinhaltend) und einen zweiten dreiphasigen Wicklungssatz (Wicklung 115, 117 und 119 beinhaltend) aufweist. In dieser Hinsicht kann der Motor 108 als eine doppelte Dreiphasenwicklungskonfiguration aufweisend begriffen werden. Auch wenn das elektrische System 100 hier im Kontext eines Dreiphasenmotors beschrieben ist, sollte verständlich sein, dass der hier beschriebene Gegenstand unabhängig von der Phasenanzahl des Motors ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform sind der erste dreiphasige Wicklungssatz und der zweite dreiphasige Wicklungssatz elektrisch voneinander isoliert und weisen eine gleiche oder identische Wicklungsstruktur auf. Dies bedeutet, eine erste (z. B. Phase-A-)Wicklung 114 des ersten Wicklungssatzes hat den gleichen Wicklungsfaktor wie eine zweite (z. B. Phase-A-)Wicklung 115 des zweiten Wicklungssatzes. Zusätzlich sind die beiden Phase-A-Wicklungen 114, 115 elektrisch isoliert und belegen (oder teilen sich) die gleichen Schlitze im Ständer des Motors 108. In ähnlicher Weise haben die beiden Phase-B-Wicklungen 116, 117 einen gleichen Wicklungsfaktor und belegen gleiche Schlitze im Ständer, und die beiden Phase-C-Wicklungen 118, 119 haben einen gleichen Wicklungsfaktor und belegen gleiche Schlitze im Ständer. Es sollte begreiflich sein, dass die Phasenbezeichnungen A, B und C zur einfachen Beschreibung dienen und den Gegenstand in keiner Weise einschränken sollen.
In einer beispielhaften Ausführungsform sind die beiden Wicklungssätze jeweils in Stern-Schaltung konfiguriert. Beispielsweise ist ein Ende jeder Wicklung des ersten Satzes Wicklungen mit Enden der anderen Wicklungen des ersten Satzes an einem gemeinsamen Knoten verbunden. Das heißt, gleiche Enden von Wicklung 114, 116 und Wicklung 118 sind an einem gemeinsamen Knoten verbunden und/oder enden dort. In einer beispielhaften Ausführungsform, in welcher der erste Satz Wicklungen und der zweite Satz Wicklungen eine gleiche Wicklungsstruktur aufweisen, sind am gleichen Ende wie beim ersten Satz Wicklungen die Enden von Wicklung 115, Wicklung 117 und Wicklung 119 an einem zweiten gemeinsamen Knoten verbunden und/oder enden an diesem.
In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Invertermodul 106 zwölf Schalter (z. B. Halbleitervorrichtungen wie Transistoren und/oder Schalter) mit antiparallelen Dioden (d. h. Dioden, die zu den einzelnen Schaltern antiparallel sind). Vorzugsweise sind die Schalter unter Einsatz IGBTs verwirklicht. Wie gezeigt, sind die Schalter im Invertermodul 106 in sechs Schenkeln (oder Paaren) angeordnet, wobei die Schenkel 120, 122, 124 jeweils an ein entsprechendes Ende (d. h. dasjenige Ende der Wicklungen, das nicht zur Bildung der Stern-Schaltung verbunden ist) der Wicklungen 114, 116, 118 gekoppelt sind und die Schenkel 121, 123, 125 jeweils an ein entsprechendes Ende der Wicklungen 115, 116, 119 gekoppelt sind. In dieser Beziehung ist der Schenkel 120 an die erste Phase-A-Wicklung 114 gekoppelt, Schenkel 122 ist an die erste Phase-B-Wicklung 116 gekoppelt, und der Schenkel 124 ist an die erste Phase-C-Wicklung 118 gekoppelt. Gleichermaßen ist der Schenkel 121 an die zweite Phase-A-Wicklung 115 gekoppelt, und der Schenkel 125 ist an die zweite Phase-C-Wicklung 119 gekoppelt. Demgemäß können die Schenkel 120 und 121 zusammenfassend als die Phase-A-Schenkel, die Schenkel 121 und 123 als die Phase B-Schenkel und die Schenkel 124, 125 als die Phase-C-Schenkel bezeichnet werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform steht die Steuereinheit 110 in betriebsfähiger Verbindung mit dem Invertermodul 106 und/oder ist elektrisch mit diesem gekoppelt. Die Steuereinheit 110 reagiert auf vom Fahrer des Fahrzeugs 102 empfangene Befehle (z. B. über ein Gaspedal) und stellt dem Invertermodul 106 einen Befehl zur Steuerung der Leistungsabgabe der Wechselrichter-Phasenschenkel 120, 121, 122, 123, 124, 125 bereit. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit 110 ausgebildet, das Invertermodul 106 mittels hochfrequenter Pulsweitenmodulation (PWM) zu modulieren und zu steuern, wie unten beschrieben. Die Steuereinheit 110 stellt PWM-Signale zur Betätigung der Schalter innerhalb der Wechselrichter-Phasenschenkel 120, 122, 123, 124, 125 bereit, um zu bewirken, dass Ausgangsspannungen an die Wicklungen 114, 115, 116, 117, 118, 119 im Motor 108 angelegt werden, um den Motor 108 mit einem befohlenen Drehmoment zu betreiben. Die Steuereinheit 110 kann, auch wenn dies bildlich nicht dargestellt ist, Strom- und/oder Spannungsbefehle für die Phasen des Motors 108 in Reaktion auf den Empfang eines Drehmomentbefehls von einem elektronischen Steuergerät (ECU) oder einem anderen Steuermodul im Fahrzeug 102 erzeugen. Außerdem kann in manchen Ausführungsformen die Steuereinheit 110 in ein elektronisches Steuergerät oder ein weiteres Fahrzeugsteuermodul eingebaut sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform ermittelt die Steuereinheit 110 einen Strom- und/oder Spannungsbefehl, der im Folgenden als das ”Befehlssignal” bezeichnet ist, für die einzelnen Phasen des Motors 108 beruhend auf dem Drehmomentbefehl, der Spannung der Energiequelle 104, der Winkelgeschwindigkeit des Motors 108 und gegebenenfalls weiteren Betriebsparametern des elektrischen Systems 100. Die Steuereinheit 110 erzeugt sodann PWM-Signale für die Schalter im Invertermodul 106 durch Vergleichen des Befehlssignals mit einem Trägersignal auf eine bekannte Weise. Zum Beispiel kann die Steuereinheit PWM-Signale für die Wechselrichter-Phasenschenkel 120, 121, 122, 123, 124, 125 mittels eines Schnittpunktverfahrens erzeugen. Dabei wird das Befehlssignal mit dem Trägersignal (z. B. einer Dreieckswellenform oder Sägezahnwellenform) verglichen und ein PWM-Signal erzeugt, indem für die Schalter HIGH (oder der Ein-Zustand) gesetzt wird, wenn der Wert des Befehlssignals größer als das Trägersignal ist. Mannigfaltige Verfahren zur Erzeugung von PWM-Signalen sind bekannt und werden hier nicht ausführlich beschrieben.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit 110 ausgebildet, den ersten Satz Phasenschenkel 120, 122, 124 durch Erzeugen von PWM-Signalen für die Schalter der Phasenschenkel 120, 122, 124 unter Verwendung eines ersten Trägersignals zu modulieren und den zweiten Satz Phasenschenkel 121, 123, 125 durch Erzeugen von PWM-Signalen für die Schalter der Phasenschenkel 121, 123, 125 unter Verwendung eines zweiten Trägersignals zu modulieren. Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit 110 ausgebildet, eine Modulationsbetriebsart für das Invertermodul 106 zu ermitteln oder zu bestimmen. Beispielsweise kann es in Abhängigkeit vom Echtzeitbetrieb des elektrischen Betriebs 100 wünschenswert sein, verschiedene PWM-Techniken wie kontinuierliche PWM oder diskontinuierliche PWM zu verwenden, um Verluste oder unerwünschte Oberschwingungen im elektrischen System 100 zu verringern. In einer beispielhaften Ausführungsform ermittelt die Steuereinheit 110 das zweite Trägersignal durch Beaufschlagen des ersten Trägersignals mit einer Phasenverschiebung, beruhend auf der ermittelten Modulationsbetriebsart. In dieser Hinsicht können das erste Trägersignal und das zweite Trägersignal als überlappend aufgefasst werden.
Mit Bezug nunmehr auf 2 und 3 ermittelt in einer beispielhaften Ausführungsform die Steuereinheit 110, falls die Modulationsbetriebsart als eine kontinuierliche Modulationsbetriebsart bestimmt ist, das zweite Trägersignal (TRÄGER 2) durch Beaufschlagen des ersten Trägersignals (TRÄGER 1) mit einer Phasenverschiebung von 90° (oder π/2 im Bogenmaß). So wie hier gebraucht, soll unter kontinuierlicher Modulationsbetriebsart eine Betriebsart zu verstehen sein, bei der jeder Phasenschenkel eines Satzes von Phasenschenkeln für zumindest einen gewissen Anteil jeder Schaltperiode den Zustand ändert. Auch wenn 2 mit dreieckigen Wellenformen darstellt, sollte begreiflich sein, dass der hier beschriebene Gegenstand nicht auf irgendeine bestimmte Trägerwellenform beschränkt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform erzeugt die Steuereinheit 110 ein erstes PWM-Signal (PWM₁) für den ersten Satz Phasenschenkel 120, 122, 124 unter Verwendung des ersten Trägersignals (TRÄGER 1) und ein zweites Signal (PWM₂) für den zweiten Satz Phasenschenkel 121, 123, 125 unter Verwendung des zweiten Trägersignals (TRÄGER 2) wie in 3 gezeigt.
Bezüglich 3 sollte verständlich sein, dass ein HIGH-Status denjenigen Zustand bezeichnen soll, in welchem der obere Schalter in einem betreffenden Wechselrichterphasenschenkel geschlossen ist, und ein LOW-Status den Zustand bezeichnen soll, in welchem der untere Schalter im betreffenden Wechselrichterphasenschenkel geschlossen ist. Wie das PWM-Signal für den ersten Satz Phasenschenkel (PWM₁) zeigt, sind bei 0°, 180° und 360° die Phasenschenkel 120, 122, 124 alle im gleichen Zustand. Dies ist konsistent mit herkömmlicher kontinuierlicher PWM-Modulation, wo alle Wechselrichter-Phasenschenkel eines Satzes sich zu Beginn (0°), in der Mitte (180°) und am Ende (360°) der Schaltperiode im gleichen Zustand befinden. Würde das PWM-Signal für den zweiten Satz Phasenschenkel, PWM₂, unter Verwendung desselben Trägers wie der erste Satz Phasenschenkel erzeugt (z. B. TRÄGER 1), würde der Kondensator 112 während der Schaltperiode bei 0°, 180° und 360° effektiv vom Motor 108 isoliert oder getrennt. Die Motorströme fließen alle durch die Phasenschenkel in Wechselrichter 106 und würden daher einen Welligkeitsstrom oder Einschaltstoßstrom hervorrufen, wenn den Motorströmen hinter diesen Punkten im Schaltzyklus erlaubt wird, durch den Kondensator 112 zu fließen. Demzufolge wird, da kontinuierliche PWM-Modulation symmetrisch zu 180° (oder π/2 im Bogenmaß) oder einer Hälfte der Trägerperiode ist, hier eine Phasenverschiebung von 90° mit gewählt, um die Auslöschung des vom Motor 108 bewirkten Weiligkeitsstroms zu maximieren und dadurch den Welligkeitsstrom zu verringern, der durch den Kondensator 112 fließen muss.
Mit Bezug nunmehr auf 4 und 5 ermittelt in einer beispielhaften Ausführungsform, wenn die Modulationsbetriebsart als eine diskontinuierliche Modulationsbetriebsart bestimmt wird, die Steuereinheit 110 das zweite Trägersignal durch Beaufschlagen des ersten Trä gersignals mit einer Phasenverschiebung von 180° (oder π/2 im Bogenmaß). So wie hier gebraucht soll unter einer diskontinuierlichen Modulationsbetriebsart eine Betriebsart verstanden werden, in welcher während jeder Schaltperiode zumindest ein Phasenschenkel eines Satzes von Phasenschenkeln den Zustand nicht ändert. In einer beispielhaften Ausführungsform erzeugt die Steuereinheit 110 ein erstes DPWM-Signal (DPWM₁) für den ersten Satz Phasenschenkel 120, 122, 124 unter Verwendung des ersten Trägersignals (TRÄGER 1) und ein zweites DPWM-Signal (DPWM₂) für den zweiten Satz Phasenschenkel 121, 123, 125 unter Verwendung des zweiten Trägersignals (TRÄGER 2), wie in 5 gezeigt.
Bezüglich 5 sollte begreiflich sein, dass ein HIGH-Status denjenigen Zustand bezeichnen soll, in welchem der obere Schalter eines betreffenden Wechselrichterphasenschenkels geschlossen ist, und ein LOW-Status denjenigen Zustand bezeichnen soll, in welchem der untere Schalter im betreffenden Wechselrichterphasenschenkel geschlossen ist. Wie das PWM-Signal für den ersten Satz Phasenschenkel (DPWM₁) zeigt, sind bei 0° und 360° die Phasenschenkel 120, 122, 124 des ersten Satzes alle im gleichen Zustand. Dies ist konsistent mit herkömmlicher diskontinuierlicher PWM-Modulation, wo alle Wechselrichter-Phasenschenkel eines Satzes sich zu Beginn (0°) und am Ende (360°) der Schaltperiode im gleichen Zustand befinden. Würde das PWM-Signal für den zweiten Satz Phasenschenkel (DPWM₂) unter Verwendung desselben Trägers erzeugt wie für den ersten Satz Phasenschenkel (z. B. TRÄGER 1), würde der Kondensator 112 während der Schaltperiode bei 0° und 360° effektiv vom Motor 108 isoliert oder getrennt. Die Motorströme fließen alle durch die Phasenschenkel im Wechselrichter 106 und würden einen Welligkeitsstrom oder Einschaltstoßstrom hervorrufen, wenn den Motorströmen erlaubt wird, durch den Kondensator 112 zu fließen. Demzufolge wird, da diskontinuierliche PWM-Modulation symmetrisch bezüglich 360° (oder π/2 im Bogenmaß) oder der vollen Trägerperiode ist, eine Phasenverschiebung von 180° gewählt, um die Auslöschung des vom Motor 108 hervorgerufenen Welligkeitsstrom zu maximieren und so den Welligkeitsstrom zu verringern, der durch den Kondensator 112 fließen muss.
Mit Bezug noch auf 2 bis 5 transportiert, resultierend aus den phasenverschobenen Trägersignalen, jeder Phasenschenkel 120, 121, 122, 134, 124, 125 des Wechselrichtermoduls 106 eine Hälfte des für die betreffende Phase des Motors 108 benötigten Stroms. Beispielsweise transportiert der erste Phase-A-Schenkel 120 eine Hälfte des befohlenen Phase-A-Stroms, der durch die erste Phase-A-Wicklung 114 fließt, und der zweite Phase-A-Schenkel 121 transportiert eine Hälfte des befohlenen Phase-A-Stroms, der durch die zweite Phase-A-Wicklung 115 fließt. Der von der Phase A des Motors 108 gesehene Effektivstrom ist die Summe der durch die Phase-A-Wicklungen 114, 115 fließenden Ströme und damit gleich dem befohlenen Phase-A-Strom.
Mit Bezug nun auf 6 kann, indem auf diese Weise phasenverschobene Träger verwendet werden, der Spitzenwert des vom Kondensator 112 gesehenen effektiven Welligkeitsstrom gegenüber einem herkömmlichen dreiphasigen Wechselrichtersystem um einen Faktor zwei verringert werden. Zum Beispiel wird, wie in 6 für einen beispielhaften Fall gezeigt, der Spitzenwert bzw. ungünstigste auftretende Wert von K_C, dem Verhältnis des Kondensatorstroms zum gesamten an den Motor abgegebenen Strom, durch das phasenverschobene Träger verwendende System um einen Faktor zwei verringert, verglichen mit einem herkömmlichen System. Infolgedessen ist die vom Kondensator 112 abgeführte Maximalleistung um einen Fak tor vier verringert. Außerdem ist die Frequenz des Welligkeitsstroms gegenüber dem herkömmlichen dreiphasigen Wechselrichtersystem verdoppelt. Daher können die Kapazität des Kondensators 112 und das Volumen des Kondensators 112 bis zu einem Faktor vier gegenüber herkömmlichen Systemen verringert werden. Darüber hinaus verdoppelt die Verwendung phasenverschobener Träger die vom Motorfluss gesehenen Oberschwingungen der Schaltfrequenz, was einen sinusförmigeren Motorfluss bewirkt.
Um kurz zusammenzufassen, eröffnen die oben beschriebenen Systeme und/oder Verfahren einen Weg zur Verringerung des Spitzenwerts des vom Gleichstromgliedkondensator gesehenen effektiven Welligkeitsstroms und damit zur Verringerung des Volumens und Gewichts des Wechselrichtermoduls. Um eine maximale Auslöschung von Welligkeitsstrom durch das Invertermodul zu erzielen, werden phasenverschobene Träger zur Erzeugung von PWM-Signalen für getrennte dreiphasige Gruppen innerhalb des Motors eingesetzt. Wie oben beschrieben, wird die Leistungsfähigkeit des Motors nicht beeinträchtigt, und das befohlene Drehmoment kann nach wie vor innerhalb des Motors erzeugt werden.
Andere Ausführungsformen können ein System und Verfahren wie oben beschrieben in unterschiedlichen Typen von Kraftfahrzeugen, anderen Verkehrsmitteln (z. B. Wasserfahrzeugen und Flugzeugen) oder in ganz anderen elektrischen Systemen nutzen, gleich wie sie auch in jeder Lage zur Anwendung gebracht werden können, in der es wünschenswert ist, den von einem Leistungsmodul erzeugten Welligkeitsstrom zu verringern. Des Weiteren können der Motor und die Wechselrichter unterschiedliche Phasenanzahlen aufweisen, wobei die hier beschriebenen Systeme nicht als auf eine dreiphasige Konstruktion beschränkt ausgelegt werden sollten. Wie der Fachmann verstehen wird, lassen sich die hier erörterten Grundprinzipien auf Mehrphasensysteme höherer Ordnung erweitern.
In der vorstehenden ausführlichen Beschreibung wurde zumindest eine beispielhafte Ausführungsform vorgestellt; es sollte jedoch zur Kenntnis genommen werden, dass eine Vielzahl von Abwandlungen existiert. Es sollte auch zur Kenntnis genommen werden, dass die hier beschriebene beispielhafte Ausführungsform bzw. Ausführungsformen nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung des beanspruchten Gegenstandes in irgendeiner Weise einzuschränken. Vielmehr wird die vorstehende ausführliche Beschreibung Fachleuten einen brauchbaren Leitfaden zur Umsetzung der beschriebenen Ausführungsform oder Ausführungsformen an die Hand geben. Es sollte begreiflich sein, dass an der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem durch die Ansprüche definierten Umfang abzuweichen, welcher bekannte äquivalente und zum Anmeldezeitpunkt dieser Patentanmeldung vorhersehbare Äquivalente einschließt.

Claims

Elektrisches System zur Verwendung in einem Fahrzeug, wobei das elektrische System aufweist: eine Energiequelle; einen Motor mit einem ersten Satz Wicklungen und einem zweiten Satz Wicklungen, wobei der erste Satz elektrisch isoliert vom zweiten Satz Wicklungen ist; ein zwischen die Energiequelle und den Motor gekoppeltes Invertermodul mit: einem ersten Satz Phasenschenkel, welcher an den ersten Satz Wicklungen gekoppelt ist; und einen zweiten Satz Phasenschenkel, welcher an den zweiten Satz Wicklungen gekoppelt ist; und einen an das Invertermodul gekoppelten Controller, welche ausgebildet ist, einen gewünschten Leistungsfluss zwischen der Energiequelle und dem Motor zu erzielen durch: Modulieren des ersten Satzes Phasenschenkel unter Verwendung eines ersten Trägersignals; und Modulieren des zweiten Satzes Phasenschenkel unter Verwendung eines zweiten Trägersignals, wobei das zweite Trägersignal phasenverschoben gegenüber dem ersten Trägersignal ist.
Elektrisches System nach Anspruch 1, mit einem an das Invertermodul und die Energiequelle gekoppelten Kondensator, welcher elektrisch parallel zur Energiequelle geschaltet ist.
Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist zum: Bestimmen einer Modulationsbetriebsart für das Invertermodul; und Ermitteln des zweiten Trägersignals durch Beaufschlagen des ersten Trägersignals mit einer Phasenverschiebung, welche auf der Modulationsbetriebsart beruht.
Elektrisches System nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, das zweite Trägersignal durch Beaufschlagen des ersten Trägersignals mit einer Phasenverschiebung von 90° zu ermitteln, wenn die Modulationsbetriebsart eine kontinuierliche Modulationsbetriebsart ist.
Elektrisches System nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, das zweite Trägersignal durch Beaufschlagen des ersten Trägersignals mit einer Phasenverschiebung von 180° zu ermitteln, wenn die Modulationsbetriebsart eine diskontinuierliche Modulationsbetriebsart ist.
Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei: der erste Satz Wicklungen einen ersten dreiphasigen Satz Wicklungen umfasst; und der zweite Satz Wicklungen einen zweiten dreiphasigen Satz Wicklungen umfasst, wobei der erste dreiphasige Satz Wicklungen und der zweite dreiphasige Satz Wicklungen eine gleich Wicklungsstruktur aufweisen.
Elektrisches System nach Anspruch 6, wobei: der erste Satz Phasenschenkel drei Phasenschenkel umfasst, von denen jeder an eine zugehörige Phase des ersten dreiphasigen Satzes Wicklungen angeschlossen ist; und der zweite Satz Phasenschenkel drei Phasenschenkel umfasst, von denen jeder an eine zugehörige Phase des zweiten dreiphasigen Satzes Wicklungen angeschlossen ist.
Kraftfahrzeugantrieb, aufweisend: eine Energiequelle, einen Elektromotor mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung elektrisch isoliert sind und die erste Wicklung und die zweite Wicklung jeweils zu einer ersten Phase des Elektromotors gehören; ein an die Energiequelle gekoppeltes Invertermodul mit: einem an die erste Wicklung gekoppelten ersten Phasenschenkel; und einem an die zweite Wicklung gekoppelten zweiten Phasenschenkel; und eine an das Invertermodul gekoppelte Steuereinheit, welche ausgebildet ist zum: Modulieren des ersten Phasenschenkels unter Verwendung eines ersten Trägers; und Modulieren des zweiten Phasenschenkels unter Verwendung eines zweiten Trägers, wobei der zweite Träger phasenverschoben gegenüber dem ersten Träger ist.
Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 8, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung eine gleiche Wicklungsstruktur aufweisen.
Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 8, wobei die Kontrolleinheit ausgebildet ist zum: Bestimmen einer Modulationsbetriebsart für das Invertermodul; und Ermitteln des zweiten Trägers basierend auf der Modulationsbetriebsart.
Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 10, wobei die Steuereinheit den zweiten Träger durch Beaufschlagen des ersten Trägers mit einer Phasenverschiebung von 90° ermittelt, wenn die Modulationsbetriebsart eine kontinuierliche Modulationsbetriebsart ist.
Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 10, wobei die Steuereinheit den zweiten Träger durch Beaufschlagen des ersten Träger mit einer Phasenverschiebung von 180° ermittelt, wenn die Modulationsbetriebsart eine diskontinuierliche Modulationsbetriebsart ist.
Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 10, wobei: der Elektromotor weiterhin eine dritte Wicklung und eine vierte Wicklung aufweist, welche elektrisch isoliert sind; die dritte Wicklung und die vierte Wicklung jeweils zu einer zweiten Phase des Elektromotors gehören; das Invertermodul weiterhin aufweist: einen an die dritte Wicklung gekoppelten dritten Phasenschenkel; und einen an die vierte Wicklung gekoppelten vierten Phasenschenkel; und die Kontrolleinheit ausgebildet ist zum: Modulieren des dritten Phasenschenkels unter Verwendung des ersten Trägers; und Modulieren des vierten Phasenschenkels unter Verwendung des zweiten Trägers.
Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 13, wobei: der Elektromotor weiterhin eine fünfte Wicklung und eine sechste Wicklung aufweist, welche elektrisch isoliert sind; die fünfte Wicklung und die sechste Wicklung jeweils zu einer dritten Phase des Elektromotors gehören; das Invertermodul weiterhin aufweist: einen an die fünfte Wicklung gekoppelten fünften Phasenschenkel; und einen an die sechste Wicklung gekoppelten sechsten Phasenschenkel; und die Kontrolleinheit ausgebildet ist zum: Modulieren des fünften Phasenschenkels unter Verwendung des ersten Trägers; und Modulieren des sechsten Phasenschenkels unter Verwendung des zweiten Trägers.
Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 8, mit einem an das Invertermodul und die Energiequelle gekoppelten Kondensator, welcher elektrisch parallel zur Energiequelle ist.
Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 8, wobei die Energiequelle aus der aus einer Batterie, einer Brennstoffzelle, einem Superkondensator und einem Generatorausgang bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichtermoduls für einen Elektromotor, wobei der Elektromotor einen an einen ersten Satz Phasenschenkel des Wechselrichtermoduls gekoppelten ersten Satz Wicklungen und einen an einen zweiten Satz Phasenschenkel des Wechselrichtermoduls gekoppelten zweiten Satz Wicklungen aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Modulieren des ersten Satzes Phasenschenkel unter Verwendung eines ersten Trägersignals; und Modulieren des zweiten Satzes Phasenschenkel unter Verwendung eines zweiten Trägersignals, wobei das zweite Trägersignal eine Phasenverschiebung gegenüber dem ersten Trägersignal aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend: Bestimmen einer Modulationsbetriebsart für das Invertermodul; und Ermitteln des zweiten Trägersignals basierend auf der Modulationsbetriebsart.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Ermitteln des zweiten Trägersignals ein Beaufschlagen des ersten Trägersignals einer Phasenverschiebung von 90° umfasst, wenn die Modulationsbetriebsart eine kontinuierliche Modulationsbetriebsart ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Ermitteln des zweiten Trägersignals ein Beaufschlagen des ersten Trägersignals mit einer Phasenverschiebung von 180° umfasst, wenn die Modulationsbetriebsart eine diskontinuierliche Modulationsbetriebsart ist.