DE102013218634B4

DE102013218634B4 - Steuerstrategie für eine elektrische maschine eines fahrzeugs

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Publication number: DE102013218634B4
Application number: DE102013218634.7A
Authority: DE
Inventors: Yuan Zhang; Michael W. Degner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2022-09-15
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: US20140077737A1; CN103660996B; US9041329B2; DE102013218634A1; US20150231984A1; US10322640B2; CN103660996A

Abstract

Verfahren zur Steuerung von Spannung auf einem Bus (36), das Folgendes umfasst:Entladen des Busses (36) mit einer ersten Rate, bis eine Spannung auf dem Bus eine Schwellspannung erreicht, während eine Drehzahl einer mit dem Bus elektrisch verbundenen elektrischen Maschine (20, 22) eine Schwelldrehzahl übersteigt;als Reaktion darauf, dass die Spannung die Schwellspannung erreicht, Aufrechterhalten der Spannung auf der Schwellspannung, während die Drehzahl auf die Schwelldrehzahl abnimmt; undals Reaktion darauf, dass die Drehzahl die Schwelldrehzahl erreicht, Entladen des Busses (36) mit einer zweiten Rate, die kleiner ist als die erste Rate, so dass während der Busentladung abgeführte Energie größer ist als durch die elektrische Maschine (20, 22) während der Drehzahlreduzierung abgegebene Energie, um zu verhindern, dass die Spannung die Schwellspannung übersteigt.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft elektrische Fahrzeuge und Hybridelektrofahrzeuge und insbesondere das Entladen von Energie in einem Hochspannungsbus, der eine Hochspannungsbatterie mit einer elektrischen Maschine koppelt.
Batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs - BEV - battery electric vehicle) enthalten eine Traktionsbatterie, die von einer externen elektrischen Energiequelle wiederaufladbar ist und die elektrische Maschine versorgt. Hybridelektrofahrzeuge (HEVs - HEV - hybrid electric vehicle) enthalten eine Brennkraftmaschine, eine oder mehrere elektrische Maschinen und eine Traktionsbatterie, die die elektrische Maschine zumindest zum Teil versorgt. Plug-In-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs - PHEV - plug-in hybrid electric vehicle) ähneln HEVs, jedoch ist die Traktionsbatterie in einem PHEV dazu fähig, aus einer externen elektrischen Energiequelle wiederaufgeladen zu werden. Diese Fahrzeuge sind Beispiele für Fahrzeuge, die von einer elektrischen Maschine, die über einen Hochspannungs-DC-Bus an eine Traktionsbatterie gekoppelt ist, zumindest zum Teil angetrieben werden können.
In diesen Fahrzeugen erfordern bestimmte Ereignisse ein schnelles Entladen des DC-Busses, wie zum Beispiel Schlüssel-ausgeschaltet-Ereignisse, wobei eine Steuerung in dem Fahrzeug das Entladen des DC-Busses aktiviert. Das Entladen reduziert die DC-Busspannung auf eine Höhe, auf der Probleme vermieden werden. Deshalb ist es wünschenswert, dass das Entladen so schnell wie möglich startet und endet.
Aus der US 2012 / 0 161 679 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der BusSpannung einer Arbeitsmaschine bekannt, bei dieser die im Bus gespeicherte Energie abhängig vom aktuellen Maschinenzustand über einen zuschaltbaren Widerstand entladen werden kann. Aus der EP 2 548 757 A1 ist es bekannt, im Fehlerfall über einen zusätzlichen Thyristor einen Ankerkurzschluss des Motors zu bewirken, um dadurch ein zu hohes Bremsmoment des Elektromotors zu verhindern.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Steuerung der Spannung auf einem Bus Entladen des Busses mit einer ersten Rate, bis eine Spannung auf dem Bus eine Schwellspannung erreicht. Dieses Entladen des Busses erfolgt, während eine Drehzahl einer mit dem Bus elektrisch verbundenen elektrischen Maschine eine Schwelldrehzahl übersteigt. Als Reaktion darauf, dass die Spannung die Schwellspannung erreicht, wird die Spannung in dem Bus aufrechterhalten, während die Drehzahl auf die Schwelldrehzahl abnimmt. Als Reaktion darauf, dass die Drehzahl die Schwelldrehzahl erreicht, wird der Bus mit einer zweiten Rate entladen, die kleiner ist als die erste Rate, so dass während der Busentladung abgeführte Energie größer ist als durch die Wicklungen der elektrischen Maschine während der Drehzahlreduzierung abgegebene Energie. Dadurch wird die Spannung so gehalten, dass sie unter der Schwellspannung bleibt.
Bei einer anderen Ausführungsform enthält ein Fahrzeug eine elektrische Maschine, einen DC-Bus und mindestens eine Steuerung. Der DC-Bus ist mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden. Die Steuerung(en) ist (sind) dazu konfiguriert, als Reaktion auf eine Anforderung zur Entladung des DC-Busses, während eine elektromotorische Gegenkraft der elektrischen Maschine eine vorbestimmte Schwellspannung übersteigt, einen Strom an die elektrische Maschine anzulegen. Der Strom entlädt eine Spannung des DC-Busses auf ungefähr die vorbestimmte Schwellspannung. Die Entladung erfolgt, während die elektromotorische Gegenkraft der elektrischen Maschine die vorbestimmte Schwellspannung übersteigt. Als Reaktion darauf, dass die elektromotorische Gegenkraft unter der vorbestimmten Schwellspannung liegt, entlädt (entladen) die Steuerung(en) die Spannung des DC-Busses auf ungefähr null.
Bei noch einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Steuerung von Spannung in einem Hochspannungs-DC-Bus eines Fahrzeugs bereitgestellt. Die Spannung in einen DC-Bus wird mit einer ersten Entladungsrate entladen, bis die Spannung auf einen Spannungssicherheitsschwellwert abnimmt. Die Spannung wird so lange auf allgemein dem Spannungssicherheitsschwellwert gehalten, bis Drehzahlen jeder von mindestens zwei elektrischen Maschinen auf jeweilige Drehzahlschwellwerte abnehmen. Als Reaktion darauf, dass die Drehzahlender elektrischen Maschinen ihre jeweiligen Drehzahlschwellwerte erreichen, wird die Spannung im DC-Bus mit einer zweiten Entladungsrate, die kleiner ist als die erste Entladungsrate, entladen.

1 ist eine schematische Darstellung eines leistungsverzweigten Hybridelektrofahrzeugs;
2 ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Maschinenantriebs, der elektrische Maschinen, einen Hochspannungs-DC-Bus und eine Traktionsbatterie enthält;
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Algorithmus zum Entladen von Spannung in dem Hochspannungs-DC-Bus darstellt;
4A - 4B sind graphische Darstellungen, die die Hochspannungs-DC-Bus-Entladungsrate als Funktion einer Drehzahl einer elektrischen Maschine zeigen;
5A - 5B sind graphische Darstellung, die die Hochspannungs-DC-Bus-Entladungsraten als Funktion von Drehzahlen von zwei elektrischen Maschinen zeigen; und
6A - 6D sind graphische Darstellungen, die verschiedene Endentladungsstromprofile zeigen.

Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hierin offenbart werden, sollen deshalb nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einzusetzen ist. Für einen Durchschnittsfachmann liegt auf der Hand, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen liefern Ausführungsbeispiele für typische Anwendungen.
Auf 1 Bezug nehmend wird ein Fahrzeug 10 mit einem leistungsverzweigten Antriebsstrang dargestellt. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC - vehicle system controller) 12 wird bereitgestellt und kann allgemein als Steuerung bezeichnet werden. Die VSC 12 steuert die Leistungsverteilung im Antriebsstrang oder Triebstrang des Fahrzeugs 10. Die VSC 12 steuert eine Brennkraftmaschine (ICE - internal combustion engine) oder Kraftmaschine 14, die dem Getriebe 16 mechanisches Drehmoment zuführt.
Weiterhin steuert die VSC 12 eine Traktionsbatterie oder Batterie 18. Die Batterie 18 weist eine elektrische Zweiwegeverbindung auf, so dass sie einem elektrischen Traktionsmotor 20 und einem Generator 22 Energie zuführt und Energie von ihnen empfängt. Der Motor 20 kann durch Übertragung von Drehmoment auf die Räder 23 des Fahrzeugs als Motor betrieben werden. Als Alternative dazu kann der Motor 20 durch Umwandlung von Drehmoment von den Rädern 23, zum Beispiel in in der Batterie 18 zu speichernde elektrische Energie durch Nutzbremsung als Generator betrieben werden.
Ähnlich wie beim Motor 20 kann der Generator 22 durch Umwandlung von Drehmoment zum Beispiel von der Kraftmaschine 14 oder den Rädern 23 in in der Batterie 18 zu speichernde elektrische Energie als Generator betrieben werden. Als Alternative dazu kann der Generator 22 durch Übertragung von Drehmoment durch das Getriebe und zurück in die Kraftmaschine 14 zum Beispiel zum Starten der Kraftmaschine als Motor betrieben werden.
Der Motor 20 und der Generator 22 können austauschbar entweder als Motor oder als Generator betrieben werden, und deshalb können beide Vorrichtungen allgemein als elektrische Maschinen bezeichnet werden. Beide elektrischen Maschinen 20, 22 können Drehmoment und Ausgangsdrehmoment in anderen bekannten Verfahren erzeugen. Es sei darauf hingewiesen, dass bei anderen Fahrzeugkonfigurationen eine geringere oder größere Anzahl von elektrischen Maschinen eingesetzt werden kann.
Obgleich das Steuersystem des Fahrzeugs 10 mit einer VSC 12 (VSC - vehicle system controller/Fahrzeugsystemsteuerung) dargestellt ist, kann solch ein Steuersystem nach Wunsch mehr als eine Steuerung enthalten. Zum Beispiel kann ein getrenntes Batteriesteuermodul die Batterie 18 direkt steuern. Des Weiteren kann ein getrenntes Motorsteuermodul mit dem Motor 20 und den anderen Steuerungen im Fahrzeug 10 direkt verbunden sein. Es sei darauf hingewiesen, dass alle in Betracht kommenden Steuerungen im Fahrzeug 10 als eine „Steuerung“ bezeichnet werden können und die VSC 12 nicht unbedingt auf eine einzige Steuerung beschränkt ist.
Im Betrieb führt die Kraftmaschine 14 einer Drehmomenteingangswelle 26, die mit einem Planetenradsatz 28 verbunden ist, über eine (nicht gezeigte) Freilaufkupplung Energie zu. Die Eingangswelle 26 treibt den Planetenradsatz 28 an. Der Planetenradsatz 28 enthält ein Hohlrad 30, ein Sonnenrad 32 und eine Planetenträgeranordnung 34. Die Eingangswelle 26 ist mit der Trägeranordnung 34, die, wenn sie angetrieben wird, das Hohlrad 30 und/oder das Sonnenrad 32 drehen kann, antriebsverbunden. Das Sonnenrad 32 ist mit dem Generator 24 antriebsverbunden. Der Generator 22 kann mit dem Sonnenrad 32 in Eingriff gebracht werden, so dass sich der Generator 22 entweder mit dem Sonnenrad 32 drehen kann oder nicht mit dem drehen kann.
Wenn die Kraftmaschine 14 mit dem Planetenradsatz 28 antriebsgekoppelt ist, erzeugt der Generator 22 Energie als ein Reaktionselement auf den Betrieb des Planetenradsatzes 28. Von dem Generator 22 erzeugte elektrische Energie wird durch einen Hochspannungs-DC-Bus 36 zur Batterie 18 übertragen. Weiterhin empfängt die Batterie 18 auch elektrische Energie durch Nutzbremsung und speichert diese auf bekannte Weise. Die Batterie 18 führt dem Motor 20 zum Betrieb die gespeicherte elektrische Energie durch den DC-Bus 36 zu. Der Teil der dem Generator 22 von der Kraftmaschine 14 zugeführten Energie kann auch direkt durch den DC-Bus 36 zum Motor 20 übertragen werden. Die Batterie 18, der Motor 20 und der Generator 22 sind jeweils in einem elektrischen Zweiwege-Flussweg durch den DC-Bus 36 miteinander verbunden. Die VSC 12 steuert die Komponenten im Antriebsstrang zur Bereitstellung einer ordnungsgemäßen Drehmomentverteilung zu den Rädern 23.
Das Fahrzeug kann durch die Kraftmaschine 14 alleine, durch die Batterie 18 und den Motor 20 alleine oder durch eine Kombination aus der Kraftmaschine 14 mit der Batterie 18 und dem Motor 20 angetrieben werden.
In einem mechanischen Antriebsmodus oder einem ersten Betriebsmodus wird die Kraftmaschine 14 aktiviert, um Drehmoment durch den Planetenradsatz 28 zu liefern. Das Hohlrad 30 verteilt Drehmoment zu Stufenrädern 38, die kämmende Zahnradelemente 40, 42, 44 und 46 umfassen. Die Zahnräder 42, 44 und 46 sind auf einer Vorgelegewelle angebracht, und das Zahnrad 46 verteilt Drehmoment zum Zahnrad 48. Dann verteilt das Zahnrad 48 Drehmoment zu einer Drehmomentabgabewelle 50. Im mechanischen Antriebsmodus kann der Motor 20 auch aktiviert werden, um die Kraftmaschine 14 beim Antrieb des Getriebes 16 zu unterstützen. Wenn der Motor 20 bei der Unterstützung aktiv ist, verteilt das Zahnrad 52 Drehmoment zum Zahnrad 44 und zur Vorgelegewelle.
In einem elektrischen Antriebsmodus (EV-Modus) oder einem zweiten Betriebsmodus ist die Kraftmaschine 14 deaktiviert oder wird auf andere Weise daran gehindert, Drehmoment zu der Drehmomentabgabewelle 50 zu verteilen. Im EV-Modus treibt die Batterie 18 den Motor 20 an, um Drehmoment durch die Stufenräder 38 und zu der Drehmomentabgabewelle 50 zu verteilen. Die Drehmomentabgabewelle 50 ist mit einem Differenzial- und Achsmechanismus 56 verbunden, der Drehmoment zu den Rädern 23 verteilt. Die VSC 12 steuert jeweils die Kraftmaschine 14, die Batterie 18, den Motor 20 und den Generator 22 zur Verteilung von Drehmoment zu den Rädern 23 entweder im mechanischen Antriebsmodus oder im EV-Modus gemäß Fahrerdrehmomentanforderungen.
Es sei darauf hingewiesen, dass der leistungsverzweigte Antriebsstrang zwar im Fahrzeug 10 dargestellt ist, das Fahrzeug 10 aber viele andere Antriebsstrangkonfigurationen enthalten kann. Somit kommt in Betracht, dass sich einzelne Komponenten des Antriebsstrangs unterscheiden können, um verschiedenen besonderen Anwendungen gerecht zu werden. Zum Beispiel kann bei einer anderen Konfiguration, die keinen Planetenradsatz 28 enthält, eine elektrische Maschine vorgesehen sein, um durch den gezielten Empfang von Drehmoment von der Kraftmaschine über eine Kupplung als Generator zu arbeiten, während die gleiche elektrische Maschine durch Empfang von Energie von der Traktionsbatterie und Bereitstellung von Drehmoment durch das Getriebe auch als Motor arbeiten kann, wobei die Kraftmaschine deaktiviert und die Kupplung geöffnet ist. Andere Fahrzeugkonfigurationen von Fahrzeugantriebssträngen und Implementierungen von elektrischen Maschinen kommen auch in Betracht und werden deshalb als im Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung liegend betrachtet.
Mindestens ein Schütz 60, das mindestens einen Schalter enthält, ist zwischen der Batterie 18 und dem Hochspannungs-DC-Bus 36 vorgesehen. Die VSC 12 steuert den Betrieb des Schützes 60, wobei die VSC 12 das Schütz zum Öffnen oder Schließen ansteuert. Das Schütz 60 aktiviert und deaktiviert gezielt elektrischen Fluss zwischen der Batterie 18 und den elektrischen Maschinen 20, 22, wenn das Schütz geschlossen bzw. geöffnet wird.
Ein variabler Spannungswandler (WC - variable voltage converter) 62 kann auch zwischen der Batterie 18 und den elektrischen Maschinen 20, 22 angeordnet sein. Der WC 62 empfängt Hochspannungs-Gleichstrom von der Batterie 18 und verstärkt das in die elektrischen Maschinen 20, 22 und ihre jeweiligen Wechselrichter gelangende Spannungspotenzial.
Auf die 1 und 2 Bezug nehmend, stellt ein Blockdiagramm eine Konfiguration elektrischer Antriebskomponenten dar, bei der zwischen der Batterie 18 und den elektrischen Maschinen 20, 22 ein elektrischer Energiefluss erfolgen kann. Wie oben beschrieben, verstärkt der WC 62 das Spannungspotenzial von der Batterie 18. Die verstärkte Spannung gelangt in einen Motor-Wechselrichter 66 und einen Generator-Wechselrichter 68. Die Wechselrichter 66, 68 wandeln den Hochspannungs-Gleichstrom in Wechselstrom um, um die jeweiligen elektrischen Maschinen 20, 22 anzutreiben. Bevor der Gleichstrom in die Wechselrichter 66, 68 gelangt, stabilisiert ein Kondensator 70 die Spannung im DC-Bus 36 und wirkt zum Glätten jeglicher Spannungswelligkeiten oder -spitzen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Wechselrichter 66, 68 zwar als getrennt dargestellt werden, sie aber ein gemeinsamer Wechselrichter zum Umwandeln sämtlichen Gleichstroms in eine Wechselstromausgabe sein können. Des Weiteren werden die Batterie 18, die elektrischen Maschinen 20, 22, die Schütze 60, der WC 62 und die Wechselrichter 66, 68 jeweils durch die VSC 12 oder eine oder mehrere andere Steuerungen gesteuert. Die VSC 12 oder andere Steuerungen steuern den gezielten Betrieb jeder dieser Komponenten dahingehend an, Energie ordnungsgemäß entlang dem DC-Bus 36 zu übertragen, um gewünschte Drehmoment- und Energieanforderungen, wie durch den Fahrer des Fahrzeugs 10 vorgegeben, zu erfüllen.
Bestimmte Fahrzeugereignisse, wie zum Beispiel ein Schlüssel-ausgeschaltet, erfordern ein Entladen der sich im DC-Bus 36 befindenden Spannung. Dazu steuert die VSC den Schalter oder das Schütz 60 zum Öffnen an und steuert einen Entladungsalgorithmus an, um die Spannung im DC-Bus 36 unter einen Spannungssicherheitsschwellwert zu entladen. Der Spannungssicherheitsschwellwert kann zum Beispiel ca. 50 Volt betragen. Daher ist es erforderlich, dass der DC-Bus 36 so schnell wie möglich entlädt.
Wenn das Schlüssel-ausgeschaltet-Ereignis oder ein anderes Auslöseereignis eintritt, während die elektrischen Maschinen 20, 22 laufen, kann die Entladung verzögert werden und startet möglicherweise erst, wenn die Drehzahlen der elektrischen Maschinen unter eine Schwellhöhe fallen. Dies liegt an der durch die elektrischen Maschinen 20, 22 erzeugten elektromotorischen Gegenkraft (Gegen-EMK). Da jedoch ein schnelles Entladen des DC-Busses 36 wünschenswert ist, sollte der die Entladung steuernde Steueralgorithmus die Gegen-EMK berücksichtigen und die Spannung im DC-Bus 36 schnell entladen, ohne darauf zu warten, dass die Drehzahlen der elektrischen Maschinen unter einen Schwellwert fallen. Solch ein Algorithmus wird in 3 dargestellt.
Auf 3 Bezug nehmend, wird ein Algorithmus 100 zum Implementieren einer schnellen Entladung des DC-Busses 36 gezeigt. Eine Steuerung (wie zum Beispiel die VSC 12) implementiert den Algorithmus 100 zum schnellen Reduzieren und/oder Entfernen der Spannung im DC-Bus 36 zwecks Reduzierung potenzieller Gefahren.
Bei Operation 102 empfängt die Steuerung einen Befehl zum Entladen der sich im DC-Bus 36 befindenden Spannung. Die oben beschriebenen Ereignisse, wie zum Beispiel, dass der Fahrer den Schlüssel in die AUS-Stellung dreht, um das Fahrzeug herunterzufahren, veranlassen, dass die Steuerung den Entladungsbefehl erhält.
Bei Operation 104 bestimmt die Steuerung, ob die Spannung im Hochspannungs-DC-Bus 36 unter einem Spannungssicherheitsschwellwert liegt. Der Sicherheitsschwellwert kann ein vorbestimmter Wert, wie zum Beispiel 50 Volt, sein. Bei einer anderen Ausführungsform liegt der Sicherheitsschwellwert zwischen 0 Volt und 50 Volt. Der Sicherheitsschwellwert kann für einen beliebigen vorbestimmten Wert eingestellt sein und kann zwischen verschiedenen Fahrzeugen variieren. Über den gesamten DC-Bus 36 hinweg platzierte Sensoren informieren die Steuerung über die Spannung.
Wenn die Spannung im DC-Bus 36 nicht unter dem Sicherheitsschwellwert liegt, steuert die Steuerung bei Operation 106 eine aggressive Entladung an. An die elektrischen Maschinen 20, 22 wird ein großer Strom angelegt. Die Spannung im DC-Bus 36 wird mit einer ersten Entladungsrate gesenkt, die aufgrund von Verlusten in den elektrischen Maschinen und dem Wechselrichter eine hohe Entladungsrate ist. Der an die elektrischen Maschinen 20, 22 angelegte Strom ist von einer Art, die kein durch die elektrischen Maschinen 20, 22 abzugebendes Drehmoment erzeugt. Die aggressive Entladung geht bei Operation 106 weiter, bis die Spannung im DC-Bus 36 unter den Spannungssicherheitsschwellwert fällt.
Wenn die Spannung unter dem Spannungssicherheitsschwellwert liegt, analysiert die Steuerung die Drehzahl der elektrischen Maschinen bei Operation 108. Die Steuerung bestimmt, ob die Drehzahl des Motors 20 und/oder des Generators 22 über einem Drehzahlschwellwert liegt. Die Drehzahl in den elektrischen Maschinen 20, 22 ist proportional zu der Größe der Gegen-EMK, die in den elektrischen Maschinen 20, 22 vorliegt. Der Drehzahlschwellwert kann eine beliebige vorbestimmte Drehzahl sein. Es kann zwei verschiedene Drehzahlschwellwerte für den Motor 20 und den Generator 22 geben.
Wenn bei Operation 108 die Steuerung bestimmt, dass die Drehzahlen der elektrischen Maschinen nicht unter ihren jeweiligen Schwellwerten liegen, regelt die Steuerung die Spannung im DC-Bus 36 mit der Busspannungsregelung bei Operation 110. Zunächst wird ein Strom (d-Achsen-Strom) zu einer der elektrischen Maschinen 20, 22 gemäß der nachfolgenden Gleichung 1 gesendet: $i_{d i s c h_c m d} = \frac{V_{d c}}{ω_{r e}} K_{1} - K_{2}$
wobei i_{disch_cmd} der angesteuerte Strom zum Entladen oder Verwalten der Spannung im DC-Bus 36 ist, V_ac die Spannung im DC-Bus 36 ist, ω_re die Winkelgeschwindigkeit des Rotors in der elektrischen Maschine 20, 22 ist und K₁ und K₂ voreingestellte Konstanten sind. Die Steuerung kann auch den d-Achsen-Strom-Befehl durch Verwenden eines Fehlers in dem angesteuerten Modulationsindex und dem Ist-Modulationsindex erzeugen. Der d-Achsen-Strom gewährleistet, dass die elektrischen Maschinen 20, 22 innerhalb ihrer Spannungsgrenze arbeiten. Dieser Strom liefert keine wirkliche Energie zu den elektrischen Maschinen 20, 22.
Nach dem Anlegen des d-Achsen-Stroms an die elektrischen Maschinen erzeugt die Steuerung dann einen Befehl für wirklichen Strom (q-Achsen-Strom) zum Regeln der Spannung im DC-Bus 36. Die Steuerung kann den Befehl für wirklichen Strom durch Verwenden eines Fehlers bei dem Vergleich der angesteuerten DC-Busspannung und der Ist-Spannung erzeugen. Der erzeugte Befehl für wirklichen Strom regelt die Spannung im DC-Bus 36 durch Zuführen von wirklichem Strom vom DC-Bus 36 zu den elektrischen Maschinen 20, 22.
Ein Zweiwegefluss elektrischer Energie besteht zwischen den elektrischen Maschinen 20, 22 und dem DC-Bus 36. Während der Busregelung in Operation 110 bestimmt die VSC 12 die Spannung im DC-Bus 36 und in den elektrischen Maschinen 20, 22. Basierend auf dem Vergleich der Spannungen regelt die VSC 12 die Spannung im DC-Bus 36 derart, dass sie allgemein konstant auf ungefähr einer vorbestimmten Schwellspannung liegt. Wenn die Spannung im DC-Bus 36 zum Beispiel unter einen Regelschwellwert fällt, steuert die VSC 12 mindestens eine der elektrischen Maschinen 20, 22 dahingehend an, dem DC-Bus 36, insbesondere dem Kondensator 70, Energie zuzuführen, wodurch die Spannung im DC-Bus 36 erhöht wird. Wenn die Spannungsspitzen im DC-Bus 36 während der Spannungsregelung über dem Regelschwellwert liegen, steuert die VSC 12 als Alternative dazu den DC-Bus 36 dahingehend an, einen wirklichen Strom vom Kondensator 70 an die elektrischen Maschinen 20, 22 anzulegen, um die Spannung im DC-Bus 36 auszugleichen und zu regeln. Die DC-Busspannungsregelung verhindert, dass sich die Spannung im DC-Bus 36 auf eine sehr niedrige Höhe verringert und verursacht, dass eine der elektrischen Maschinen 20, 22 eine Stromverstärkung empfängt, bevor die Drehzahl der elektrischen Maschinen 20, 22 unter den Drehzahlschwellwert gefallen ist.
Die Busspannungsregelung bei 110 geht weiter, während sich die Drehzahl der elektrischen Maschinen 20, 22 verringert. Wenn sich die Drehzahl der elektrischen Maschinen 20, 22 bei Operation 108 unter den Drehzahlschwellwert verringert hat, steuert die Steuerung den an die elektrischen Maschinen 20, 22 angelegten d-Achsen-Strom i_{disch_cmd} zur Reduzierung auf null an, so dass die Spannung im DC-Bus 36 nicht zunimmt, und der wirkliche Strom wird analog dazu angelegt, um sich zwecks Entladung der Spannung im DC-Bus 36 auf null auf null zu reduzieren. Die Entladungsrate wird mit einer zweiten Rate erreicht, die langsamer ist als die erste aggressive Entladungsrate. Diese Entladungsrate bei Operation 112 kann verschiedene Entladungsprofile ausweisen, wie unter Bezugnahme auf die nachfolgenden 6A - 6D besprochen wird.
Nachdem sich die Drehzahlen der elektrischen Maschinen 20, 22 unter den Drehzahlschwellwert verringert haben, gewährleistet die Entladung bei Operation 112, dass die Verluste, die durch den Entladestrom verbraucht werden (Wechselrichterverlust, Maschinenwicklungsverlust, DC-Bus-Verlust), höher sind als die durch die Kupferwicklungen in den elektrischen Maschinen 20, 22 abgegebene Energie. Dadurch wird verhindert, dass sich die DC-Bus-36-Spannung nach Beendigung der Entladung erhöht. Die Steuerung beendet die Entladung mit der zweiten Entladungsrate bei Operation 114. Ein Ableitwiderstand kann mit dem DC-Bus 36 verbunden sein, um jegliche Restenergie im Kondensator 70 selbst nach Beendigung der Entladung durch die Steuerung zu verbrauchen.
Auf die 4A - 4B Bezug nehmend, wird die Beziehung zwischen der Entladungsspannung im DC-Bus 36 (die Spannung im DC-Bus 36, während Strom entladen wird) und die Drehzahl einer elektrischen Maschine 20, 22 als Funktion der Zeit dargestellt. Die 4A und 4B beziehen sich zwar auf die Drehzahl des Generators 22, es versteht sich jedoch, dass die Darstellungen auch für die Drehzahl des Motors 20 gelten können.
Auf die 3 und 4A Bezug nehmend, wird ein Diagramm dargestellt, das ein Beispiel für die Entladungsspannung als Funktion der Zeit gemäß dem Algorithmus 100 zeigt. Ein Entladungsbefehl (zum Beispiel Schlüssel-ausgeschaltet) wird empfangen (Operation 102), während die Drehzahl des Generators 22 den Generatordrehzahlschwellwert übersteigt und die Spannung im DC-Bus 36 die Sicherheitsschwellspannung übersteigt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Generatordrehzahl aufgrund der relativen Drehrichtung des Generators 22 im Vergleich zu der relativen Drehrichtung des Motors 20 als negativ dargestellt wird.
Unmittelbar nach dem Entladungsbefehl wird die Spannung aggressiv entladen (Operation 106), bis der Spannungssicherheitsschwellwert erreicht wird (Operation 104). Wenn sich die Spannung auf einer sicheren Höhe befindet, hält die Busspannungsregelung (Operation 110) die Spannung im DC-Bus 36 aufrecht, bis die Drehzahl des Generators 22 einen Drehzahlschwellwert erreicht hat (Operation 108).
Wenn sich die Drehzahl des Generators 22 unter den Drehzahlschwellwert verringert hat, reduziert die Steuerung den Entladestrom auf null (Operation 112) gemäß den unter Bezugnahme auf die nachfolgenden 6A - 6D beschriebenen Profilen. Die Spannung im DC-Bus reduziert sich entsprechend. Die Entladung endet (Operation 114), nachdem die Spannung ungefähr null Volt erreicht hat.
Auf die 3 und 4B Bezug nehmend, wird ein anderes Diagramm gezeigt, das ein Beispiel für Entladungsspannung zeigt. In diesem Beispiel ist die Drehzahl des Generators 22 bereits geringer als der Drehzahlschwellwert, wenn die Entladungsanforderung empfangen wird (Operation 102). Die Steuerung steuert eine sofortige aggressive Entladung an (Operation 106), bis die Spannung die Sicherheitsschwellspannung erreicht. Da die Drehzahl des Generators 22 unmittelbar nach der aggressiven Entladung unter dem Drehzahlschwellwert liegt, reduziert die Steuerung den Entladestrom auf null (Operation 112) gemäß den unten beschriebenen Profilen.
Auf die 5A - 5B Bezug nehmend, wird die Beziehung zwischen der Entladung der Spannung im DC-Bus 36 und der Drehzahl beider elektrischen Maschinen 20, 22 als Funktion der Zeit dargestellt. In diesen Figuren werden die Drehzahlen des Motors 20 und des Generators 22 getrennt gezeigt, um zu veranschaulichen, dass sich die Drehzahlen und ihre jeweiligen Schwellwerte zwischen den elektrischen Maschinen 20, 22 unterscheiden können, während die Steuerung den Entladungsalgorithmus 100 von 3 ansteuert.
Auf die 3 und 5A Bezug nehmend, übersteigen die Drehzahlen des Motors 20 und des Generators 22 ihre jeweiligen Schwellwerte, und die DC-Busspannung übersteigt die Sicherheitsschwellspannung, während die Entladungsanforderung empfangen wird (Operation 102).
Nach Anforderung der Entladung wird die Spannung im DC-Bus 36 aggressiv entladen (Operation 106), indem ein Strom an eine oder beide der elektrischen Maschinen 20, 22 angelegt wird. Die Spannung im DC-Bus 36 verringert sich schnell unter den Sicherheitsschwellwert, woraufhin die Spannung geregelt wird (Operation 110).
Nachdem die Drehzahlen beider elektrischer Maschinen 20, 22 unter die Drehzahlschwellwerte gefallen sind, steuert die Steuerung den Entladestrom im DC-Bus 36 gemäß den unter Bezugnahme auf die nachfolgenden 6A - 6D beschriebenen Profilen (Operation 112). Die Spannung auf dem DC-Bus 36 reduziert sich entsprechend. Die Entladung endet, wenn die Spannung auf dem DC-Bus 36 null Volt erreicht hat.
Auf die 3 und 5B Bezug nehmend, wird wieder ein Diagramm gezeigt, in dem beide Drehzahlen der elektrischen Maschinen dargestellt sind. In diesem Beispiel liegt die Drehzahl des Motors 20 über dem Drehzahlschwellwert, während die Drehzahl des Generators 22 unter dem Drehzahlschwellwert liegt. In solch einem Szenarium regelt die Steuerung nach einer aggressiven Entladung der Spannung (Operation 106) die Spannung im DC-Bus 36, bis die Drehzahl des Motors 20 unter dem Drehzahlschwellwert liegt (Operation 110). Nachdem die Drehzahlen sowohl des Motors 20 als auch des Generators 22 unter ihren jeweiligen Schwellwerten liegen, wird der Entladestrom gemäß den unten beschriebenen Profilen auf null reduziert (Operation 112).
Auf die 3 - 5 Bezug nehmend, kann die Gegen-EMK in den elektrischen Maschinen 20, 22 nach der Entladungsanforderung direkt proportional zur Drehzahl der elektrischen Maschinen 20, 22 sein. Obgleich Drehzahlen und Drehzahlschwellwerte oben beschrieben werden, versteht sich deshalb, dass diese Drehzahlen als Gegen-EMK-Kraft oder eine Spannung ausgedrückt werden können. Drehzahl ist nur eine Methode der Messung einer Gegen-EMK-Kraft in den elektrischen Maschinen 20, 22.
Auf die 6A - 6D Bezug nehmend, werden verschiedene Entladungsprofile dargestellt. Diese Diagramme stellen die „Entladung auf null“-Funktion in dem Entladungsalgorithmus, wie oben als Operation 112 beschrieben, dar. Wenn sich die Spannung auf dem DC-Bus 36 unter dem Spannungssicherheitsschwellwert befindet und sich die Drehzahlen der elektrischen Maschinen 20, 22 unter den Drehzahlschwellwerten befinden, steuert die Steuerung den verbleibenden Strom im DC-Bus 36 zur Entladung gemäß verschiedenen Profilen an.
Die Entladungsrate kann zum Beispiel eine konstante lineare Rate sein, wie in 5A gezeigt. Die Entladungsrate kann auch eine exponentielle Rate mit verschiedenen Neigungsratenänderungen sein. 6B und 6C zeigen exponentielle Entladungsraten, wobei der Strom, der zu den elektrischen Maschinen 20, 22 gesandt wird, in 6B schneller abnimmt als der in 6C. Die Entladungsrate kann auch ein polynomes Profil aufweisen, bei dem die Entladungsrate variiert, während der Strom über die Zeit reduziert wird, wie in 6D dargestellt.
Die Stromentladung vom DC-Bus 36 zu den elektrischen Maschinen 20, 22 und deshalb die Energieentladung aus dem DC-Bus 36 wird deshalb gemäß den Entladungsprofilen der 6A - 6D behutsam erreicht. Die verschiedenen Entladungsraten verlaufen allmählich, so dass Verluste bei der Entladung über die Zeit höher sind als die von den Wicklungen in den elektrischen Maschinen 20, 22 abgegebene Energie. Somit erhöht sich die DC-Busspannung nicht auf eine Spannung, die über dem Spannungssicherheitsschwellwert liegt, wenn die Entladung beendet ist.
Die hier offenbarten Prozesse, Methoden oder Algorithmen können zu einer Verarbeitungseinrichtung, einer Steuerung oder einem Computer, die eine beliebige existierende programmierbare elektronische Steuereinheit oder dedizierte elektronische Steuereinheit umfassen können, lieferbar sein oder durch sie implementiert werden. Ebenso können die Prozesse, Methoden oder Algorithmen als Daten und Anweisungen, die durch eine Steuerung oder einen Computer ausführbar sind, in vielen Formen gespeichert werden, darunter, aber nicht darauf beschränkt, Informationen, die auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie etwa ROM-Einrichtungen, permanent gespeichert sind, und Informationen, die auf beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Einrichtungen und anderen magnetischen und optischen Medien, veränderbar gespeichert sind. Die Prozesse, Methoden oder Algorithmen können auch in einem durch Software ausführbaren Objekt implementiert werden. Als Alternative können die Prozesse, Methoden oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung von geeigneten Hardwarekomponenten, wie etwa ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen), FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays), Zustandsautomaten, Steuerungen oder anderen Hardwarekomponenten oder -einrichtungen oder einer Kombination von Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten, realisiert werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung von Spannung auf einem Bus (36), das Folgendes umfasst: Entladen des Busses (36) mit einer ersten Rate, bis eine Spannung auf dem Bus eine Schwellspannung erreicht, während eine Drehzahl einer mit dem Bus elektrisch verbundenen elektrischen Maschine (20, 22) eine Schwelldrehzahl übersteigt; als Reaktion darauf, dass die Spannung die Schwellspannung erreicht, Aufrechterhalten der Spannung auf der Schwellspannung, während die Drehzahl auf die Schwelldrehzahl abnimmt; und als Reaktion darauf, dass die Drehzahl die Schwelldrehzahl erreicht, Entladen des Busses (36) mit einer zweiten Rate, die kleiner ist als die erste Rate, so dass während der Busentladung abgeführte Energie größer ist als durch die elektrische Maschine (20, 22) während der Drehzahlreduzierung abgegebene Energie, um zu verhindern, dass die Spannung die Schwellspannung übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halten der Spannung auf der Schwellspannung, während die Drehzahl auf die Schwelldrehzahl abnimmt, Zuführen von Energie von der elektrischen Maschine (20, 22) zum Bus (36) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Halten der Spannung auf der Schwellspannung, während die Drehzahl auf die Schwelldrehzahl abnimmt, Zuführen von Energie vom Bus (36) zu der elektrischen Maschine (20, 22) umfasst.
Fahrzeug (10), das Folgendes umfasst: eine elektrische Maschine (20, 22); einen mit der elektrischen Maschine (20, 22) elektrisch verbundenen Bus (36); und mindestens eine Steuerung (12), die dazu konfiguriert ist, als Reaktion auf eine Anforderung zur Entladung des Busses (36), wenn eine elektromotorische Gegenkraft (Gegen-EMK) der elektrischen Maschine (20, 22) eine vorbestimmte Schwellspannung übersteigt, einen Strom an die elektrische Maschine (20, 22) anzulegen, um eine Spannung auf dem Bus (36) auf ungefähr die vorbestimmte Schwellspannung zu entladen, während die Gegen-EMK die vorbestimmte Schwellspannung übersteigt, dadurch gekennzeichnet, die mindestens eine Steuerung (12) ferner dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass die Gegen-EMK unter die vorbestimmte Schwellspannung fällt, die Spannung auf dem Bus (36) auf ungefähr null zu entladen.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine Steuerung (12) ferner dazu konfiguriert ist, einen wirklichen Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine (20, 22) und dem Bus (36) zwecks Regulierung der Spannung auf dem Bus (36) zu steuern, während die Gegen-EMK der elektrischen Maschine (20, 22) die vorbestimmte Schwellspannung übersteigt.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine Steuerung (12) ferner dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass die Spannung auf dem Bus (36) einen Regelschwellwert übersteigt, wenn die Gegen-EMK der elektrischen Maschine (20, 22) die vorbestimmte Schwellspannung übersteigt, Energie von dem Bus (36) der elektrischen Maschine (20, 22) zuzuführen, um die Spannung auf dem Bus (36) zu verringern.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine Steuerung (12) ferner dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass die Spannung des Busses (36) unter einen Regelschwellwert fällt, wenn die Gegen-EMK der elektrischen Maschine (20, 22) die vorbestimmte Schwellspannung übersteigt, Energie von der elektrischen Maschine (20, 22) dem Bus (36) zuzuführen, um die Spannung auf dem Bus (36) zu erhöhen.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine Steuerung (12) ferner dazu konfiguriert ist, einen Entladestrom gemäß einem vorbestimmten Profil auf ungefähr null zu verringern, um die Spannung auf dem Bus (36) auf ungefähr null zu entladen.