DE102010050383B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermeiden von elektrischen Resonanzen in einem Fahrzeug mit einem gemeinsam genutzten Hochspannungsbus - Google Patents

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Abstract

Verfahren (100) zum Vermeiden einer elektrischen Resonanz in einem Fahrzeug (10) mit einer HV-Motorgeneratoreinheit (MGU) (26) und einem Hochspannungs-Gleichstrom-Bus (HV-DC-Bus) (29), der von einer ersten (17) und einer zweiten (27) Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung gemeinsam genutzt wird, wobei das Verfahren (100) umfasst, dass: eine Impedanzkennline des HV-DC-Busses (29) ermittelt wird; ein Satz von Resonanzpunkten (62, 63, 64, 65) des HV-DC-Busses (29) unter Verwendung der Impedanzkennlinie definiert wird; eine Resonanztotzone (80) als eine Funktion des Satzes von Resonanzpunkten (62, 63, 64, 65) bestimmt und aufgezeichnet wird, wobei sowohl ein Drehmomentabtrieb (T1, T2) der MGU (26) als auch eine Drehzahl (ω) der MGU (26) aufgezeichnet werden und wobei die Resonanztotzone (80) eine obere (F2) und untere (F1) Schaltfrequenzgrenze aufweist; und ein Controller (11) verwendet wird, um einen Algorithmus auszuführen, der ein Schaltfrequenzprofil der zweiten Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung (27) automatisch derart modifiziert, dass die zweite Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung (27) am Arbeiten in einem Frequenzbereich gehindert wird, der durch die obere (F2) und untere Schaltfrequenzgrenze (F1) definiert ist, indem eine Schaltfrequenz der zweiten Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung (27) gleich der oberen (F2) oder der unteren (F1) Schaltfrequenzgrenze gesetzt wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsflusssteuerung an Bord eines durch Hochspannung angetriebenen Fahrzeugs und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermeiden von elektrischen Resonanzen in einem Fahrzeug mit einem Hochspannungsbus (HV-Bus), der von mehreren HV-Leistungselektronik-Umsetzereinrichtungen gemeinsam genutzt wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bei einigen durch Hochspannung angetriebenen Fahrzeugen, wie etwa Hybridelektrofahrzeugen (HEV), Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeugen (PHEV) und Elektrofahrzeugen (EV), stellt eine Leistungsversorgung mit einer relativen Hochspannung (HV), z. B. eine Batterie oder eine andere elektrochemische Energiespeichereinrichtung, eine Quelle für zumindest einen Teil der benötigten Antriebsleistung bereit. Wenn das Fahrzeug mit einer Maschine ausgestattet ist, kann diese selektiv ausgeschaltet werden, wenn es sich im Leerlauf befindet oder steht, um Kraftstoff zu sparen, und/oder das Fahrzeug kann in Abhängigkeit von der Fahrzeugkonstruktion vollständig mit elektrischer Leistung laufen, die von der HV-Leistungsversorgung bereitgestellt wird.
  • Die HV-Leistungsversorgung kann Energie mit einer relativ hohen Spannung speichern, typischerweise in der Größenordnung von 60 Volt bis zu 300 Volt oder mehr, um genügend elektrische Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs bereitzustellen sowie um verschiedene HV-Komponenten und Systeme an Bord des Fahrzeugs mit Energie zu versorgen. Geläufige HV-Fahrzeugkomponenten und Systeme können eine oder mehrere Elektromotor/Generatoreinheiten (MGU), einen Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichter (TPIM), ein Klimaanlagenkompressor-Gleichrichter/Wechselrichtermodul (ACCM) und/oder ein Hilfsleistungsmodul (APM) umfassen.
  • Die HV-Leistungsversorgung kann elektrischen HV-Strom über positiv und negativ geladene leitfähige Stromschienen eines HV-Gleichstrom-Busabschnitts (HV-DC-Busabschnitts) einer dedizierten elektrischen HV-Schaltung übertragen. Der HV-DC-Bus kann von mehreren Leistungselektronik-Umsetzereinrichtungen gemeinsam genutzt werden, z. B. den vorstehend erwähnten TPIM und ACCM. Jede dieser Leistungselektronik-Umsetzereinrichtungen kann DC-seitige Filterkomponenten enthalten, etwa interne Kondensatoren und/oder Spulen, um die vielfältigen Schaltungsanforderungen zu erfüllen, beispielsweise diejenigen bzgl. Spannungs- und Stromwelligkeiten. Die DC-seitigen Filterkomponenten können auch elektromagnetisch verträgliche Komponenten (EMC-Komponenten) enthalten, z. B. Gleichtakt-Drosselspulenkomponenten oder zusätzliche Kondensatoren. Außerdem weisen die DC-Kabel, welche die Leistungselektronikumwandler verbinden, äquivalente serielle Induktivitäten auf, welche diejenigen der DC-seitigen Filterkomponenten ergänzen können.
  • Die Spulen und Kondensatoren bilden eine Schaltung mit einer elektrischen Resonanzfrequenz, d. h. einem speziellen Wechselstrom (AC) mit hoher Amplitude, der in der Schaltung schwingt, wenn sich eine äquivalente serielle Impedanz zwischen einem Schaltungseingang und -ausgang bei einem Minimum befindet. Wenn irgendein Leistungselektronikumsetzer im Hochspannungssystem Frequenzkomponenten auf dem gemeinsam genutzten DC-Bus erzeugt, die in den Resonanzfrequenzbereich fallen, wird der DC-Bus erregt werden und es wird sich eine elektrische Resonanz ergeben. Bei einigen DC-Bussteuerungsalgorithmen kann bewirkt werden, dass ein Pulsbreitenmodulations-Schaltfrequenzprofil (PWM-Schaltfrequenzprofil) mit der Motordrehzahl und dem Motordrehmoment variiert. Beispielsweise kann die. PWM-Schaltfrequenz bei einer gegebenen Motordrehzahl mit einem zunehmenden Drehmoment abnehmen und sie kann bei einem gegebenen Motordrehmoment mit zunehmender Drehzahl zunehmen.
  • Die DE 10 2008 025 446 A1 offenbart ein Verfahren und System zum Betreiben eines Motors in einem Elektrofahrzeug in geräuschreduzierender Weise, bei denen eine Schaltfrequenz eines Wechselrichters als Funktion der Motordrehzahl so gesteuert wird, dass zumindest ein Teil eines Resonanzfrequenzbereichs eines elektrischen Busses von der Schaltfrequenz schnell durchlaufen wird, um die Wahrscheinlichkeit zum Erregen von Resonanzen zu minimieren.
  • In der DE 10 2005 050 842 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Umrichters offenbart, bei dem System- bzw. Resonanzfrequenzen ungleich dem ungeraden Vielfachen einer Umrichterfrequenz eingestellt werden und/oder eine Phasenverschiebung der Umrichterfrequenz relativ zur Resonanzfrequenz eingeführt wird, um Resonanzen zu vermeiden.
  • Die US 6 870 347 B2 offenbart ein Ansteuerungssystem für einen Permanentmagnet-Synchronmotor und ein Testverfahren, bei denen ein den Synchronmotor ansteuernder Umrichter mit einer Frequenz betrieben wird, die ungleich einer Resonanzfrequenz ist und auch nicht in deren Nähe liegt.
  • In der JP H03-145 995 A ist ein Verfahren zum Steuern eines Umrichters offenbart, bei dem auf das Detektieren einer Resonanz in einem Motorstrom hin die Umrichterfrequenz schrittweise verringert wird, bis die Resonanz endet.
  • Die DE 10 2009 046 524 A1 offenbart Systeme und Verfahren zum Detektieren einer Resonanz auf einem Gleichstrom-Spannungsbus, bei denen zur Detektion einer Resonanz ein erstes Signal mit einer ersten Frequenz bis zu einer zweiten Frequenz auf dem Bus erzeugt und ein zweites Signal vom Bus erfasst wird. Daraus wird eine Resonanzfrequenz bestimmt und ein Wechselrichter wird so angesteuert, dass die Resonanzfrequenz nicht als Wechselrichter-Schaltfrequenz verwendet wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Entsprechend wird ein Verfahren zum Vermeiden einer elektrischen Resonanz in einem Fahrzeug bereitgestellt, das einen gemeinsam genutzten Hochspannungsgleichstrombus (HV-DC-Bus) wie vorstehend beschrieben aufweist. Eine derartige Resonanz kann eine Spannungsschwingung verursachen, die eine Wechselstromschwankung erzeugen kann, welche möglicherweise die Lebenserwartung einer oder mehrer Schaltungseinrichtungen beeinflussen kann. Es können auch akustische Geräusche auftreten, wenn die elektrische Resonanz mit der Eigenfrequenz einer mechanischen Struktur an Bord des Fahrzeugs übereinstimmt.
  • Bei einer Schaltung mit zwei Gleichrichtern/Wechselrichtern kann eine Resonanzfrequenz berechnet werden über die Gleichung: 1/2π√LC, wobei C die Kapazität in Farad (F) und L die Induktivität in Henry (H) ist. Die bei dieser speziellen Gleichung für die Kapazität und Induktivität verwendeten Werte werden aufgrund von Toleranzen von Teil zu Teil, Schaltungstemperaturschwankungen und Layoutunterschieden von Fahrzeug zu Fahrzeug variieren. Als Folge gibt es statt einer einzigen Resonanzfrequenz einen Resonanzfrequenzbereich für die hier beschriebene HV-Schaltung.
  • Eine derartige HV-Schaltung kann einen Leistungselektronikumsetzer in der Gestalt eines Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichtermoduls (TPIM) enthalten. Das TPIM kann als eine pulsbreitenmodulierte Gleichrichter/Wechselrichtereinrichtung (PWM-Gleichrichter/Wechselrichtereinrichtung) ausgestaltet sein, wobei eine PWM-Schaltfrequenz einem Profil folgt, das zwischen einem niedrigen Wert und einem hohen Wert variiert, bei einer Ausführungsform beispielsweise in einem Bereich von etwa 2 kHz bis etwa 12 kHz. Diese Variation kann als eine Funktion der Motorbetriebsdrehzahl und des Motordrehmoments auftreten, um einige Leistungsvorgaben zu erreichen, wie etwa verringerte Geräusche beim Maschinenankurbeln, einen verbesserten Gleichrichter/Wechselrichter-Wirkungsgrad und eine niedrigere thermische Belastung, ohne aber darauf beschränkt zu sein.
  • Im Umfang der vorliegenden Erfindung ist ein Klimaanlagenkompressor-Gleichrichter/Wechselrichtermodul (ACCM) wie vorstehend erwähnt eine weitere PWM-Gleichrichter/Wechselrichtereinrichtung, die den HV-DC-Bus mit dem TPIM gemeinsam nutzen kann. Das ACCM muss einen erheblichen Betrag an Leistungsfluss führen und arbeitet daher mit einer relativ hohen PWM-Schaltfrequenz, bei einer Ausführungsform beispielsweise etwa 10 kHz oder mehr. Diese PWM-Schaltfrequenz kann thermische Belastungen an den verschiedenen Leistungsschaltern des ACCM erzeugen. Um Anforderungen an die HV-DC-Spannungs- und Stromwelligkeit zu erfüllen, können folglich einige Kondensator- und/oder Spulen-Filterkomponenten für das ACCM derart entworfen oder gewählt sein, dass ein elektrischer Resonanzfrequenzbereich derselben in den PWM-Schaltbereich des TPIM fällt.
  • Eine Möglichkeit zum Vermeiden einer derartigen elektrischen Resonanz besteht darin, die ACCM-Filterkomponenten so zu entwerfen, dass eine Resonanzfrequenz erzeugt wird, die entweder niedriger oder höher als die untere Bereichsgrenze des TPIM ist, bei der vorstehend erwähnten Ausführungsform beispielsweise niedriger als etwa 2 kHz oder höher als etwa 12 kHz. Um bei diesem Beispiel eine Resonanzfrequenz zu erzeugen, die niedriger als 2 kHz ist, kann es sein, dass die Filterkomponenten zu groß sind, als dass sie effektiv hinsichtlich der Verpackungsgröße und der Kosten implementiert werden können. Um bei der gleichen Ausführungsform auf ähnliche Weise eine Resonanzfrequenz zu erzeugen, die höher als 12 kHz ist, kann es sein, dass die Filterkomponenten zu klein sein müssen, um Welligkeitsanforderungen erfüllen und damit eine optimale Steuerungsstabilität sicherstellen zu können.
  • Entsprechend stellt das Verfahren der vorliegenden Erfindung, das in der Form eines Algorithmus ausgeführt sein kann und von einem Controller an Bord des Fahrzeugs automatisch ausgeführt werden kann, eine auf Software basierende Lösung zur Festlegung eines optimalen PWM-Schaltfrequenzprofils bereit. Dieses Profil vermeidet einen Resonanzfrequenzbereich zwischen gemeinsam genutzten Leistungselektronik-Umsetzereinrichtungen, z. B. einem TPIM und einem ACCM.
  • Das Verfahren vermeidet insbesondere eine elektrische Resonanz in einem Fahrzeug mit einem Hochspannungs-Gleichstrombus (HV-DC-Bus), der von einer ersten und einer zweiten Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung gemeinsam genutzt wird, z. B. einem Klimaanlagenkompressormodul (ACCM) bzw. einem Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichtermodul (TPIM). Das Verfahren umfasst, dass eine Impedanzkennlinie des gemeinsam genutzten DC-Busses ermittelt wird, welche die Resonanzpunkte desselben definiert. Für die Schaltfrequenzen der zweiten Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung werden untere und obere Frequenzgrenzen derart gewählt, dass die zweite Einrichtung die Resonanz im DC-Bus nicht erregt. Das Verfahren verhindert dann, dass die Schaltfrequenz der zweiten Einrichtung in dem Bereich (F1, F2) arbeitet, um dadurch eine elektrische Resonanz im HV-DC-Bus zu vermeiden.
  • Ein durch Hochspannung angetriebenes Fahrzeug enthält erste und zweite Leistungselektronik-Umsetzereinrichtungen, einen HV-DC-Bus, der von der ersten und zweiten Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung gemeinsam genutzt wird, und einen Controller. Der Controller weist einen Algorithmus auf, der ausgelegt ist, um eine elektrische Resonanz im HV-DC-Bus zu vermeiden, wobei der Algorithmus ausgelegt ist, um die Impedanzkennlinien des HV-DC-Busses zu ermitteln, um dadurch einen Satz von Resonanzpunkten zu definieren. Der Algorithmus ist ferner ausgelegt, um obere und untere Grenzen der Schaltfrequenz für die zweite Einrichtung so zu bestimmen, dass die zweite Einrichtung die Resonanz im HV-DC-Bus nicht erregt. Schließlich verhindert der Algorithmus, dass die zweite Einrichtung in dem Bereich (F1, F2) arbeitet, wie hier offengelegt wird.
  • Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines durch Hochspannung (HV) angetriebenen Fahrzeugs mit einem HV-Gleichstrombus (HV-DC-Bus), der von mehreren HV-Leistungselektronik-Umsetzereinrichtungen gemeinsam genutzt wird;
  • 2 ist ein schematischer elektrischer Schaltplan für einen gemeinsam genutzten HV-DC-Bus, der ein Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichtermodul (TPIM) und ein Klimaanlagenkompressormodul (ACCM) an Bord des in 1 gezeigten Fahrzeugs verbindet;
  • 3A ist die Aufzeichnung eines Bodediagramms der elektrischen Resonanz für die in 2 gezeigte Schaltung;
  • 3B ist eine Aufzeichnung eines modifizierten TPIM-PWM-Schaltprofils gemäß der Erfindung; und
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren oder den Algorithmus der vorliegenden Erfindung beschreibt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, zeigt 1 ein durch Hochspannung (HV) angetriebenes Fahrzeug 10. Das Fahrzeug 10, das bei einer Ausführungsform wie gezeigt als ein Hybridelektrofahrzeug (HEV) ausgestaltet sein kann, enthält einen Controller (C) 11 mit einem Algorithmus 100, der ausgelegt ist, um eine elektrische Resonanz in einem gemeinsam genutzten HV-Gleichstrom-Bus (HV-DC-Bus) 29 zu vermeiden, wie nachstehend erläutert wird.
  • Das Fahrzeug 10 kann eine Brennkraftmaschine (E) 12 mit einem (nicht gezeigten) Antriebselement und einem Abtriebselement 15 enthalten, wenn es wie gezeigt als ein HEV ausgestaltet ist. Das Fahrzeug 10 enthält ein Getriebe (T) 14 mit einem Antriebselement 22 und einem Abtriebselement 24. Das Abtriebselement 15 der Maschine 12 kann über einen Drehmomentübertragungsmechanismus 18 selektiv mit dem Antriebselement 22 des Getriebes 14 verbunden sein. Das Getriebe 14 kann als ein elektrisch variables Getriebe (EVT) oder als ein beliebiges anderes geeignetes Getriebe ausgestaltet sein, das zur Übertragung von Antriebsdrehmoment an einen Satz von Straßenrädern 16 über das Abtriebselement 24 des Getriebes in der Lage ist. In Ansprechen auf eine Abtriebsdrehzahlanforderung, die letztendlich von dem Controller 11 auf der Grundlage eines Satzes von Fahrereingaben oder Befehlen bestimmt wird, dreht sich das Abtriebselement 24 mit einer Abtriebsdrehzahl (NO).
  • Das Fahrzeug 10 kann eine HV-Elektromotor/Generatoreinheit (MGU) 26 enthalten, in Abhängigkeit von der Fahrzeugkonstruktion etwa eine mehrphasige elektrische Maschine mit etwa 60 Volt bis etwa 300 Volt oder mehr. Die MGU 26 ist über ein Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichtermodul (TPIM) 27, einen HV-Wechselstrombus (HV-AC-Bus) 29A zum Leiten eines mehrphasigen Stroms an die MGU und den HV-DC-Bus 29 mit einem HV-Energiespeichersystem (ESS) 25, z. B. einer wiederaufladbaren Batterie, elektrisch verbunden. Bei einem Normalbetrieb des Fahrzeugs 10 kann die MGU 26 verwendet werden, um einen Riemen 23 der Maschine 12 oder einen anderen geeigneten Teil derselben selektiv zu drehen, wodurch die Maschine bei einem Neustartereignis angekurbelt wird. Das ESS 25 kann unter Verwendung der MGU 26 selektiv wieder aufgeladen werden, wenn die MGU in ihrer Eigenschaft als Generator arbeitet, z. B. durch Auffangen von Energie bei einem regenerativen Bremsereignis.
  • Der HV-DC-Bus 29 wird von mehreren Leistungselektronikumsetzern gemeinsam genutzt, etwa dem TPIM 27, einem Klimaanlagenkompressor-Gleichrichter/Wechselrichtermodul (ACCM) 17 und einem Hilfsleistungsmodul (APM) 28, z. B. einem DC/DC-Wandler, ohne aber unbedingt darauf begrenzt zu sein. Das APM 28 kann über einen Niederspannungsbus (LV-Bus) 19 mit einer Hilfsbatterie (AUX) 41, z. B. einer 12-Volt DC-Batterie, elektrisch verbunden sein und zum Versorgen eines oder mehrerer Hilfssysteme 45 an Bord des Fahrzeugs 10 mit Energie ausgelegt sein.
  • Immer noch mit Bezug auf 1 kann der Controller 11 als eine einzige oder eine verteilte Steuerungseinrichtung ausgestaltet sein, die über Steuerungskanäle 51, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind, mit der Maschine 12, dem ESS 25, der MGU 26, dem TPIM 27, dem APM 28 und der Hilfsbatterie 41 elektrisch verbunden ist oder auf eine andere Weise in einer drahtgebundenen oder drahtlosen Kommunikation mit diesen steht. Die Steuerungskanäle 51 können beliebige benötigte Übertragungsleitungen umfassen, z. B. eine oder mehrere drahtgebundene oder drahtlose Steuerungskopplungen oder Pfade, die zum Übertragen und Empfangen der notwendigen elektrischen Steuerungssignale für eine korrekte Leistungsflusssteuerung und Koordination an Bord des Fahrzeugs 10 geeignet sind. Der Controller 11 kann Steuerungsmodule und Fähigkeiten derart enthalten, wie sie notwendig sind, um die gesamte benötigte Leistungsflusssteuerungsfunktionalität an Bord des Fahrzeugs 10 auf die gewünschte Weise auszuführen.
  • Der Controller 11 kann als eine oder mehrere digitale Computereinrichtungen ausgestaltet sein, die allgemein einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog/Digital-(A/D)- und Digital/Analog-(D/A)-Schaltungen und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und Einrichtungen (I/O) sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen umfassen. Beliebige Algorithmen, die im Controller 11 enthalten sind oder für diesen zugänglich sind, welche den erfindungsgemäßen Optimierungsalgorithmus 100 zum Autostopp/Autostart bei wechselnder Frequenz wie nachstehend beschrieben umfassen, können im ROM gespeichert sein und ausgeführt werden, um die jeweilige Funktionalität bereitzustellen. Der Controller 11 enthält oder hat Zugriff auf den Algorithmus 100, der vorstehend erwähnt und nachstehend mit Bezug auf 4 beschrieben ist, und ist ausgelegt, um den Algorithmus 100 zum Vermeiden einer elektrischen Resonanz in dem gemeinsam genutzten HV-DC-Bus 29 auszuführen.
  • Das TPIM 27 kann als eine pulsbreitenmodulierte (PWM) Gleichrichter-/Wechselrichtereinrichtung ausgestaltet sein, wobei die PWM-Schaltfrequenz derselben einem Profil folgt, das zwischen kalibrierten niedrigen und hohen Werten variiert, bei einer Ausführungsform beispielsweise von etwa 2 kHz bis etwa 12 kHz. Diese Frequenzvariation tritt als eine Funktion der Motorbetriebsdrehzahl und des Motordrehmoments, d. h. der Abtriebsdrehzahl und des Drehmoments der MGU 26 auf, um einige Leistungsvorgaben zu erreichen. Derartige Vorgaben können umfassen, sind aber nicht unbedingt begrenzt auf ein stilles Ankurbeln des Fahrzeugs, einen verbesserten oder optimierten Gleichrichter-/Wechselrichter-Wirkungsgrad und niedrigere thermische Belastungen.
  • Das ACCM 17 nutzt den HV-DC-Bus 29 gemeinsam mit dem TPIM 27 und führt einen erheblichen Leistungsfluss. Das ACCM 17 kann gemäß einer Ausführungsform eine PWM-Schaltfrequenz von etwa 10 kHz aufweisen und kann thermische Belastungen an seinen internen Leistungsschaltern enthalten. Folglich und um Anforderungen der HV-DC-Spannungs- und Stromwelligkeit einzuhalten, d. h. die Differenz zwischen der Spitzenspannung und der Minimalspannung, die durch eine AC-Leistungsversorgung bereitgestellt wird, können Filterkomponenten, wie etwa Spulen und Kondensatoren derart gewählt sein, dass es eine elektrische Resonanzfrequenz gibt, wie hier vorstehend in dem Hintergrundabschnitt erwähnt ist, die in die Grenzen des PWM-Schaltbereichs des TPIM 27 fällt.
  • Eine Möglichkeit zum Vermeiden einer elektrischen Resonanz besteht darin, die Filterkomponenten des ACCM 17 so zu entwerfen oder zu wählen, dass die Resonanzfrequenz unter das untere Ende des vorbestimmten TPIM-Schaltbereichs verringert wird, bei der hier vorstehend erwähnten Ausführungsform beispielsweise unter etwa 2 kHz, oder über das hohe Ende des Schaltbereichs hinaus, bei dem vorstehend offengelegten Beispiel beispielsweise über 12 kHz. Um eine Resonanzfrequenz zu schaffen, die beispielsweise niedriger als 2 kHz ist, kann es sein, dass die Filterkomponenten sowohl hinsichtlich der Verpackungsgröße als auch hinsichtlich der Kosten für eine Implementierung zu groß werden müssen. Auf ähnliche Weise kann es sein, dass die Filterkomponenten, um die Resonanzfrequenz höher als 12 kHz zu machen, zu klein sind, um Welligkeitsanforderungen zu erfüllen und um eine Steuerungsstabilität und Stromregelung für das ACCM 17 sicherzustellen. Der Controller 11 ist daher ausgelegt, um eine auf Software basierende Lösung in der Gestalt des Algorithmus 100 bereitzustellen, wie hier offengelegt wird, der ein optimales PWM-Schaltfrequenzprofil bereitstellt, wenn er durch den Controller ausgeführt wird, d. h. ein Profil, das den Resonanzfrequenzbereich zwischen dem TPIM 27 und dem ACCM 17 auf dem gemeinsam genutzten HV-DC-Bus 29 vermeidet.
  • Mit Bezug auf 2 zeigt ein Schaltplan einer HV-Schaltung 30 den HV-DC-Bus 29, das ACCM 17 und das TPIM 27, wobei das ACCM und das TPIM ein repräsentatives Paar von Leistungselektronik-Umsetzereinrichtungen wie vorstehend beschrieben darstellen. Im TPIM 27 können integrierte Schaltungskomponenten einen Kondensator 34A und eine äquivalente serielle Induktivitätseinrichtung 32A enthalten, beispielsweise eine Stromschiene, Spulen, eine Gleichtakt-Drosselspuleneinrichtung usw. Auf ähnliche Weise enthält das ACCM 17, das den DC-Bus 29 gemeinsam mit dem TPIM 27 nutzt, mit einem Kondensator 34B und einer äquivalenten seriellen Induktivitätseinrichtung 32B ähnliche integrierte Schaltungskomponenten. Zur Verbindung des ACCM 17 und des TPM werden HV-Kabel 36 verwendet, wodurch die HV-Schaltung 30 vervollständigt wird.
  • Für eine Schaltung mit zwei Gleichrichtern/Wechselrichtern kann eine Resonanzfrequenz wie gezeigt über die Gleichung berechnet werden: FR = 1/2π√LC, wobei C die Kapazität in Farad (F) und L die Induktivität in Henry (H) wie oben angemerkt ist. Die bei dieser speziellen Gleichung verwendeten Werte für die Kapazität und Induktivität werden aufgrund von Toleranzen von Teil zu Teil, Schwankungen der Schaltungstemperatur und Layoutunterschieden von Fahrzeug zu Fahrzeug variieren, und die resultierende Resonanzfrequenz (FR) liegt, größtenteils aufgrund der Toleranzen von Teil zu Teil und der Temperaturvariation der verschiedenen Komponenten in der HV-Schaltung 30, in der Gestalt eines Frequenzbereichs statt als eine diskrete Frequenz vor.
  • Mit Bezug auf 3A und 3B ist eine Aufzeichnung 40 der Frequenzantwort (3A) relativ zu einer Aufzeichnung 50 der Schaltfrequenz (3B) gezeigt. In 3A sind die Fälle einer minimalen Resonanzfrequenz 53, einer typischen Resonanzfrequenz 54 und einer maximalen Resonanzfrequenz 55 für das ACCM 17 von 1 zusammen mit einer Resonanzzone 57, die unter Bezugnahme auf diese Werte erzeugt wurde, aufgezeichnet. Ein Maximalstrom oder ACCM-Gipfelstrom 44 unterteilt die Resonanzzone 57 wie gezeigt. Eine Lösung zur Vermeidung einer elektrischen Resonanz in der HV-Schaltung 30 von 2 soll alle diese Kombinationen berücksichtigen, wobei die äußere Hüllkurve abgedeckt wird, d. h. bei der in 3A gezeigten Ausführungsform von etwa 2 kHz bei Punkt 70 bis etwa 12 kHz bei Punkt 72. 3A zeigt, dass der Resonanzstrom (Ires) mit Bezug auf die Resonanzfrequenz variiert.
  • Für ein beispielhaftes maximales Drehmoment beim Fahren (englisch: motoring torque) von 370 Nm bei einer Motordrehzahl von etwa 600 U/min kann über Linien 47 und 48, die Frequenzen F1 bzw. F2 von 3B entsprechen, ein Maximalstrom 44 von etwa 120 Ampere ermittelt werden. Daraus lässt sich feststellen, dass ein Resonanzstrom (Ires) im schlimmsten Fall ermittelt werden kann, der durch alle in 2 gezeigten Filterkomponenten fließt, wie vorstehend beschrieben ist. Von diesen kann der Kondenstor 34B im ACCM 17 die schwächste Komponente hinsichtlich ihrer Fähigkeit zum Aushalten einer Resonanzstromschwingung sein.
  • Bei dem vorstehend erwähnten beispielhaften Datensatz sollte der Spitzenstrom oder ACCM-Gipfelstrom 44 von etwa 120 Ampere vermieden werden. Die zum Vermeiden dieses Stroms 44 vorgeschlagene Modifikation am TPIM-Schaltfrequenzprofil ist durch die Schaltfrequenzaufzeichnung 50 von 3B gezeigt. Für ein Motordrehmoment von weniger als 175 Nm, d. h. Punkt 65, ist der Resonanzstrom (Ires) kleiner als 120 Ampere, wie ersichtlich ist, wenn man der Linie 48 zwischen 3A und 3B folgt. Für diesen speziellen Drehmomentbereich wird keine Modifikation des PWM-Schaltprofils benötigt.
  • Jedoch kann durch die Eckpunkte 62, 63, 64, 65 eine Resonanztotzone 80 definiert werden, die in Hinblick auf die zugehörige Schaltfrequenz (F1 und F2), das zugehörige Motordrehmoment (T1 und T2) und die zugehörigen Motordrehzahlen (ω1, ω2, ω3 und ω4) vermieden werden sollte. Diese Eckpunkte der Frequenz, des Drehmoments und der Drehzahl können auf der Grundlage der gewünschten Fahrzeugsteuerungsstrategie kalibriert sein. Für verschiedene Fahrzeuge kann die Totzone 80 unterschiedlich sein. Darüber hinaus kann die Strategie für verschiedene Motoren in einem Fahrzeug auf der Grundlage der Leistungskompromisse unterschiedlich sein.
  • Die Strategie zum Wählen einer TPIM-Schaltfrequenz kann bestimmt werden, indem die folgenden leistungsbezogenen Kompromisse in Betracht gezogen werden: (a) TPIM-Wirkungsgrad und maximale Veränderungen der Verbindungstemperatur, (b) Steuerungsdynamiken, Stromreglerbandbreite und Totzeiteffekte; (c) Qualität des AC-Phasenstroms und Veränderungen bei der Drehmomentwelligkeit; (d) Welligkeit von DC-Strom/Spannung und quadratischer Mittelwert (RMS) des Stroms durch den Filterkondensator; (e) Hysterese bei der Implementierung der Schaltfrequenz und (f) Fahrzeugleistung.
  • Mit Bezug auf 4 kann der Controller 11 zur Veränderung einer vorberechneten TPIM-PWM-Schaltfrequenz (Fsw) auf der Grundlage ihrer Beziehung zu den Parametern der Totzone 80 ausgestaltet sein. Eine derartige Ermittlung kann während einer Kalibrierung des Fahrzeugs 10 von 1 auf der Grundlage der vorstehend angedeuteten leistungsbezogenen Kompromisse durchgeführt werden. Es können mindestens drei Optionen, d. h. Option I, II und III im implementiert werden, wie nachstehend mit Bezug auf Schritt 106 erwähnt wird.
  • Bei Schritt 101 und mit Bezug auf 2 ermittelt der Algorithmus 100 zuerst die Impedanzkennlinien des gemeinsam genutzten HV-DC-Busses 29, um letztlich einen Satz von Resonanzpunkten zu ermitteln. Beispielsweise kann die äquivalente Impedanz der Schaltung 30 von 2 berechnet werden. Schritt 101 kann für einen Bereich von Parameterwerten ausgeführt werden, d. h. die Impedanz- und Kapazitätswerte können in der Schaltung von 2 variieren, was zu verschiedenen Frequenzantwortaufzeichnungen führt, wie in 3A gezeigt ist. Sobald die Impedanzkennlinien des gemeinsam genutzten HV-DC-Busses 29 ermittelt sind, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 102 weiter.
  • Bei Schritt 102 und mit Bezug auf 3A definiert der Algorithmus 100 die Resonanzzone 57 von 3A für die HV-Schaltung 30 von 2 mit dem letztendlichen Ziel, diese Resonanzzone während des Betriebs des Fahrzeugs 10 zu vermeiden. Sobald die Resonanzzone 57 ermittelt ist, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 104 weiter.
  • Bei Schritt 104 und mit Bezug auf 3B werden die Punkte 62, 63, 64 und 65, welche die Totzone 80 definieren und aufzeichnen, unter Verwendung der in 3A gezeigten Resonanzzone 57 bestimmt. Das heißt, dass die Totzone 80 mit Hilfe der Schaltfrequenz (F1 und F2), welche die unteren und oberen Frequenzgrenzen der Totzone über die Linien 47 bzw. 48 definiert; des Motordrehmoments (T1 und T2) der in 1 gezeigten MGU 26 und der Motordrehzahl (ω1, ω2, ω3 und ω4) definiert wird. Schritt 102 wählt die unteren und oberen Frequenzgrenzen, d. h. F1 und F2, für die Schaltfrequenz für das TPIM 27 von 1 derart, dass das TPIM die Resonanz im gemeinsam genutzten HV-DC-Bus 29 nicht erregt. Sobald die Totzone 80 definiert ist, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 106 weiter.
  • Bei Schritt 106 führt der Algorithmus 100 eine von mehreren vorbestimmten Steuerungsmaßnahmen aus, um zu verhindern, dass das TPIM 27 innerhalb des Bereichs (F1, F2) arbeitet und um die Resonanz in dem gemeinsam genutzten HV-DC-Bus 29 zu vermeiden. Zum Beispiel kann der Controller 11 unter Verwendung von Option I die folgende Ermittlung durchführen: wenn die vorberechnete TPIM-Schaltfrequenz (Fsw) >= F1 ist und (Fsw) <= F2 ist, dann kann der Algorithmus die TPIM-Schaltfrequenz derart modifizieren, dass (Fsw)* = F1, wobei (Fsw)* die modifizierte TPIM-PWM-Schaltfrequenz, welche die Resonanz vermeidet, darstellt, und wobei F1 und F2 die Frequenzen bezeichnen, die den unteren und oberen Grenzen der Totzone 80 entsprechen.
  • Bei Option II kann der Algorithmus 100 dann, wenn Fsw >= F1 und Fsw <= F2 ist, die TPIM-Schaltfrequenz derart modifizieren, dass Fsw* = F2.
  • Bei Option III kann der Algorithmus 100 dann, wenn Fsw >= F1 und Fsw <= (F1 + F2)/2 die TPIM-Schaltfrequenz derart modifizieren, dass Fsw* = F1 oder andernfalls dann, wenn Fsw >= (F1 + F2)/2 und Fsw <= F2 ist, Fsw* = F2.
  • Zusammen mit den Optionen I–III kann auch eine zeitbasierte Hysterese implementiert werden. Wenn die vorberechnete TPIM-Schaltfrequenz (Fsw) bei dieser Ausführungsform in die Totzone 80 fällt, kann der Algorithmus 100 automatisch die obere oder untere Grenze der Totzone fest einstellen, d. h. entweder F1 oder F2. Wenn die TPIM-Schaltfrequenz (Fsw) länger als eine kalibrierte Zeitspanne lang niedriger als die Untergrenze (F1 von 3B) ist, kann mit dem Verwenden der berechneten TPIM-Schaltfrequenz (Fsw) fortgefahren werden, wobei der Algorithmus 100 andernfalls den oberen oder unteren Rand oder die obere oder untere Grenze oder die Linien 47 bzw. 48 von 3A fest einstellt.
  • Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.

Claims (6)

  1. Verfahren (100) zum Vermeiden einer elektrischen Resonanz in einem Fahrzeug (10) mit einer HV-Motorgeneratoreinheit (MGU) (26) und einem Hochspannungs-Gleichstrom-Bus (HV-DC-Bus) (29), der von einer ersten (17) und einer zweiten (27) Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung gemeinsam genutzt wird, wobei das Verfahren (100) umfasst, dass: eine Impedanzkennline des HV-DC-Busses (29) ermittelt wird; ein Satz von Resonanzpunkten (62, 63, 64, 65) des HV-DC-Busses (29) unter Verwendung der Impedanzkennlinie definiert wird; eine Resonanztotzone (80) als eine Funktion des Satzes von Resonanzpunkten (62, 63, 64, 65) bestimmt und aufgezeichnet wird, wobei sowohl ein Drehmomentabtrieb (T1, T2) der MGU (26) als auch eine Drehzahl (ω) der MGU (26) aufgezeichnet werden und wobei die Resonanztotzone (80) eine obere (F2) und untere (F1) Schaltfrequenzgrenze aufweist; und ein Controller (11) verwendet wird, um einen Algorithmus auszuführen, der ein Schaltfrequenzprofil der zweiten Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung (27) automatisch derart modifiziert, dass die zweite Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung (27) am Arbeiten in einem Frequenzbereich gehindert wird, der durch die obere (F2) und untere Schaltfrequenzgrenze (F1) definiert ist, indem eine Schaltfrequenz der zweiten Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung (27) gleich der oberen (F2) oder der unteren (F1) Schaltfrequenzgrenze gesetzt wird.
  2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass; ermittelt wird, ob eine vorberechnete Schaltfrequenz (FSW) der zweiten Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung (27) mindestens eine kalibrierte Zeitspanne lang kleiner als die untere Schaltfrequenzgrenze (F1) ist; und eine Schaltfrequenz der zweiten Leistungselektronik-Umsetzereinrichtung (27) nur solange gleich der oberen (F2) oder der unteren (F1) Schaltfrequenzgrenze gesetzt wird, bis die vorberechnete Schaltfrequenz (FSW) mindestens die kalibrierte Zeitspanne lang niedriger als die untere Schaltfrequenzgrenze (F1) ist.
  3. Verfahren (100) zum Vermeiden einer elektrischen Resonanz in einem Hybridelektrofahrzeug (HEV) (10) mit einem Hochspannungs-Gleichstrom-Bus (HV-DC-Bus) (29), der von einem HV-Klimaanlagenkompressor-Gleichrichter/Wechselrichtermodul (ACCM) (17) und einem HV-Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichtermodul (TPIM) (27) gemeinsam genutzt wird, wobei das Verfahren (100) umfasst, dass: eine Impedanzkennlinie des HV-DC-Busses (29) ermittelt wird; ein Satz von Resonanzpunkten (62, 63, 64, 65) des HV-DC-Busses (29) unter Verwendung der Impedanzkennlinie definiert wird; eine untere Schaltfrequenzgrenze (F1) und eine obere Schaltfrequenzgrenze (F2) einer Resonanztotzone (80) für das TPIM (27) als eine Funktion der Resonanzpunkte (62, 63, 64, 65) gewählt wird; und ein Controller (11) verwendet wird, um zu verhindern, dass das TPIM (27) bei einer Schaltfrequenz zwischen der unteren Schaltfrequenzgrenze (F1) und der oberen Schaltfrequenzgrenze (F2) arbeitet, um dadurch die elektrische Resonanz zu vermeiden, indem eine Schaltfrequenz der des TPIM (27) gleich der oberen (F2) oder der unteren (F1) Schaltfrequenzgrenze gesetzt wird; ermittelt wird, ob eine vorberechnete Schaltfrequenz (FSW) des TPIM (27) mindestens eine kalibrierte Zeitspanne lang niedriger als die untere Schaltfrequenzgrenze (F1) ist; und die Schaltfrequenz des TPIM (27) nur solange gleich entweder der unteren Schaltfrequenzgrenze (F1) oder der oberen Schaltfrequenzgrenze (F2) gesetzt wird, bis die vorberechnete Schaltfrequenz (FSW) mindestens die kalibrierte Zeitspanne lang niedriger als die untere Schaltfrequenzgrenze (F1) ist.
  4. Verfahren (100) nach Anspruch 3, wobei das ACCM (17) und das TPIM (27) jeweils als eine pulsbreitenmodulierte Einrichtung (PWM-Einrichtung) ausgestaltet sind.
  5. Verfahren (100) nach Anspruch 3, wobei das HEV (10) zum Antrieb über eine HV-Motorgeneratoreinheit (MGU) (26) ausgelegt ist und die Resonanztotzone (80) ferner sowohl durch einen Drehmomentabtrieb (T1, T2) der MGU (26) als auch eine Drehzahl (ω) der MGU (26) definiert wird.
  6. Durch Hochspannung angetriebenes Fahrzeug (10), das umfasst: ein HV-Klimaanlagenkompressor-Gleichrichter/Wechselrichtermodul (ACCM) (17); ein HV-Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichtermodul (TPIM) (27); einen Hochspannungs-Gleichstrom-Bus (HV-DC-Bus) (29), der von dem ACCM (17) und dem TPIM (27) gemeinsam genutzt wird; und einen Controller (11) mit einem Algorithmus, der zur Vermeidung einer elektrischen Resonanz in dem HV-DC-Bus (29) ausgelegt ist, wobei der Algorithmus ausgelegt ist, um: eine Impedanzkennlinie des HV-DC-Busses (29) zu ermitteln; einen Satz von Resonanzpunkten (62, 63, 64, 65) des HV-DC-Busses (29) unter Verwendung der Impedanzkennlinie zu definieren; eine Resonanztotzone (80) als eine Funktion des Satzes von Resonanzpunkten (62, 63, 64, 65) zu bestimmen und aufzuzeichnen, wobei die Resonanztotzone (80) eine obere (F2) und eine untere (F1) Schaltfrequenzgrenze aufweist; und ein Schaltfrequenzprofil des TPIM automatisch derart zu modifizieren, dass das TPIM (27) am Arbeiten in einem Frequenzbereich gehindert wird, der durch die obere (F2) und untere (F1) Schaltfrequenzgrenze definiert ist, indem die Schaltfrequenz des TPIM (27) gleich entweder der unteren Schaltfrequenzgrenze (F1) oder der oberen Schaltfrequenzgrenze (F2) gesetzt wird.
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