DE102014107093B4

DE102014107093B4 - System und Verfahren zum Implementieren eines elektrischen Kurzschlusses als Gegenmassnahme

Info

Publication number: DE102014107093B4
Application number: DE102014107093.3A
Authority: DE
Inventors: Steven E. Schulz
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: CN104242741B; US20140361717A1; DE102014107093A1; CN104242741A; US9088231B2

Abstract

System, das umfasst:einen elektrischen DC-Bus (28);einen elektrischen AC-Bus (18);eine synchrone elektrische Maschine (12, 14) mit Permanentmagneten mit einer Vielzahl von elektrischen Phasenwicklungen, die an dem elektrischen AC-Bus (18) angeordnet sind, wobei die elektrische Maschine (12, 14) betrieben werden kann, um aus einer Drehbewegung ein elektrisches AC-Signal zu erzeugen;ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM), das zwischen dem elektrischen DC-Bus (28) und dem elektrischen AC-Bus (18) elektrisch angeordnet ist, wobei das PIM zwischen einem offenen Zustand, einem Zustand mit steuerbarem Schalten und einem Zustand mit einem Mehrphasenkurzschluss wechseln kann; undeinen Controller (16) in Verbindung mit dem PIM, wobei der Controller (16) ausgestaltet ist, um:das PIM in den offenen Zustand zu befehlen;einen Phasenwinkel eines Stroms des erzeugten elektrischen AC-Signals zu ermitteln;das PIM in den Zustand mit steuerbarem Schalten zu befehlen;das PIM so zu steuern, dass eine Spannung an die elektrische Maschine (12, 14) angelegt wird, die zu dem ermittelten Phasenwinkel des erzeugten Stroms phasenversetzt ist;eine Größe der angelegten Spannung von einer Maximalspannung rampenförmig auf Null herunterzufahren; unddas PIM in den Zustand mit einem Mehrphasenkurzschluss zu befehlen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und ein System zum Implementieren eines elektrischen Kurzschlusses als Gegenmaßnahme.
HINTERGRUND
Synchronmaschinen mit innenliegenden Permanentmagneten (IPM-Synchronmaschinen) werden bei Hybridelektrofahrzeugen und Batterieelektrofahrzeugen häufig als elektrische Antriebsmotoren verwendet. IPM-Synchronmaschinen werden über eine DC-Stromquelle, typischerweise ein wiederaufladbares Batteriemodul, in Verbindung mit einem stromgesteuerten Spannungszwischenkreisumrichter mit Energie versorgt. Die in den Rotoren derartiger Maschinen verwendeten Permanentmagnete können jedoch die von einem Motorcontroller auf einen detektierten Fehler des Motors oder des Antriebssystems hin ergriffene Antwort verkomplizieren.
Beispielsweise können die rotierenden Magnete bei höheren Motordrehzahlen eine Spannung der elektromagnetischen Gegenkraft (EMK-Spannung) in den Statorwicklungen des Motors erzeugen. Wenn in Ansprechen auf einen detektierten Fehler das Schalten innerhalb des Spannungszwischenkreisumrichters temporär abgeschaltet wird, kann die EMK-Gegenspannung bewirken, dass Dioden innerhalb des Umrichters leiten, wodurch ermöglicht wird, dass elektrischer Strom zurück hin zum Batteriemodul fließt. Dieser Stromflusszustand wird häufig als „ungesteuerter Generatorzustand“ (UCG-Zustand) bezeichnet. Eigenschaften des UCG-Zustands können das Vorhandensein eines relativ großen Betrags eines regenerativen Bremsmoments, das auf die Maschine einwirkt, sowie das Leiten eines erheblichen elektrischen Stroms zurück an das Batteriemodul umfassen.
Zur Bekämpfung dieses Ergebnisses können Controller für Synchronmaschinen vom IPM-Typ als Gegenmaßnahme gegen die Fehlerbedingung jede Phase der mehrphasigen Maschine mit einer oder mehreren anderen Phasen kurzschließen, so dass ein elektrischer Strom von Phase zu Phase fließen kann, statt zurück zu dem Batteriemodul zu fließen. Bei einer dreiphasigen Maschine wird diese Gegenmaßnahme als „Dreiphasenkurzschluss“ bezeichnet. Bei höheren Motordrehzahlen ist das Bremsdrehmoment relativ niedrig, was für Antriebsfahranwendungen günstig ist. Die Maschinenimpedanz wird die Motorströme während eines Betriebs im Dreiphasenkurzschluss begrenzen. Zudem nähert sich der Statorstrom bei den meisten Motordrehzahlen dem charakteristischen Strom der Maschine.
Die Druckschrift DE 44 42 151 A1 offenbart eine geregelte Bremsung eines permanenterregten Synchronmotors, bei welchem die Strangspannung abhängig von der Drehzahl so eingestellt wird, dass sich ein maximales Abbremsmoment unter Einhaltung des maximalen Motorstroms ergibt. Die Abbremsung erfolgt ohne Wirkleistungsübertragung in den Zwischenkreis, und somit lediglich über die ohmschen Wicklungsverluste. Dabei soll der Übergang vom Normal- in den Grenzbetrieb ruckfrei erfolgen.
In der Druckschrift JP 2008- 278 698 A ist eine Abbremsung eines Drehstrommotors gezeigt, indem ein Dreiphasenkurzschluss nach dem Prinzip einer Pulsweitenmodulation mit zunehmendem Tastgrad an die Motorwicklung angelegt wird, um einen ruckfreien Übergang von einem Freilaufbetriebsmodus in einen Bremsbetrieb zu gewährleisten.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Hybridfahrzeug kann einen elektrischen DC-Bus, einen elektrischen AC-Bus, eine synchrone elektrische Maschine (EM) mit Permanentmagneten und ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM) umfassen. Die elektrische Maschine kann eine Vielzahl von elektrischen Phasenwicklungen enthalten, die an dem elektrischen AC-Bus angeordnet sind, und sie kann betrieben werden, um ein elektrisches AC-Signal aus einer Drehbewegung zu erzeugen. Das PIM kann zwischen dem elektrischen DC-Bus und dem elektrischen AC-Bus elektrisch angeordnet sein und kann zwischen einem offenen Zustand, einem Zustand mit steuerbarem Schalten und einem Zustand mit einem mehrphasigen Kurzschluss wechseln.
Ein Controller kann in elektrischer Verbindung mit dem PIM stehen und ausgestaltet sein, um: das PIM in den offenen Zustand zu befehlen; einen Phasenwinkel eines Stroms des erzeugten elektrischen AC-Signals zu ermitteln; und das PIM in den Zustand mit steuerbarem Schalten befehlen. Sobald sich das PIM in dem Zustand mit steuerbarem Schalten befindet, kann der Controller das PIM so steuern, dass es eine Spannung an den Elektromotor anlegt, die zu dem ermittelten Phasenwinkel des erzeugten Stroms phasenverschoben ist, während eine Größe der angelegten Spannung von einer Maximalspannung rampenförmig auf Null heruntergefahren wird. Wenn sie auf Null ist, kann der Controller das PIM in den Zustand mit einem mehrphasigen Kurzschluss befehlen.
Das PIM kann eine Vielzahl von Halbleiterschaltern enthalten, die alle jeweils zwischen einem elektrisch offenen Zustand und einem elektrisch geschlossenen Zustand wechseln können. Der offene Zustand des PIM kann umfassen, dass alle Halbleiterschalter elektrisch offen sind. Der Zustand mit steuerbarem Schalten des PIM kann umfassen, dass die Halbleiterschalter gesteuert werden können, um ein elektrisches DC-Signal von dem elektrischen DC-Bus in ein elektrisches AC-Signal umzusetzen und um das elektrische AC-Signal an den elektrischen AC-Bus anzulegen; und der Zustand mit einem mehrphasigen Kurzschluss des PIM kann umfassen, dass die Hälfte der Halbleiterschalter geschlossen ist, so dass die Vielzahl von elektrischen Phasenwicklungen alle elektrisch miteinander gekoppelt sind.
Allgemein kann eine Phasendifferenz zwischen der angelegten phasenverschobenen Spannung und dem ermittelten Phasenwinkel des erzeugten Stroms gleich -180 Grad plus einer Spannungsvoreilung sein. Die Spannungsvoreilung kann eine Funktion einer Drehzahl des Elektromotors und/oder einer Abtastperiode des Controllers sein. Folglich kann der Controller ferner ausgestaltet sein, um die Drehzahl des Motors zu überwachen. Wenn ein Drehzahlwert nicht leicht verfügbar ist (z.B. von einem Sensor), kann der Controller ausgestaltet sein, um die Drehzahl des Elektromotors herzuleiten, indem er eine Ableitung des ermittelten Phasenwinkels des Stroms des erzeugten elektrischen AC-Signals berechnet.
Bei einer Ausgestaltung kann der Controller ausgestaltet sein, um eine Größe der angelegten Spannung innerhalb einer Zeitspanne, die zwischen dem Doppelten und dem Dreifachen der Grundperiode des Elektromotors liegt, von einer Maximalspannung auf Null rampenförmig herunterzufahren.
Analog umfasst ein Verfahren zum Implementieren eines Kurzschlusses als Gegenmaßnahme in einer rotierenden mehrphasigen elektrischen Maschine (EM), dass eine Fehlerbedingung detektiert wird; und dass anfänglich ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM) in einen elektrisch offenen Zustand befohlen wird. In einem offenen Zustand kann ein Controller einen Phasenwinkel eines Stroms, der durch die rotierende elektrische Maschine erzeugt wird, ermitteln und er kann das PIM steuern, um eine Spannung an die elektrische Maschine anzulegen, die zu dem ermittelten Phasenwinkel des erzeugten Stroms phasenverschoben ist.
Die Größe des angelegten Spannungssignals kann über eine Zeitspanne hinweg von einer ersten Spannung auf null rampenförmig heruntergefahren werden; anschließend kann dem PIM befohlen werden, alle elektrischen Wicklungen der elektrischen Maschine miteinander elektrisch zu koppeln.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Fahrzeugs mit einer mehrphasigen elektrischen Maschine, einem Gleichrichter/Wechselrichter-Modul und einem Controller, der einen mehrphasigen Kurzschlusszustand an Bord des Fahrzeugs wie hier offenbart implementiert.
2 ist ein schematischer elektrischer Schaltplan einer dreiphasigen elektrischen Maschine, eines Gleichrichter/Wechselrichter-Moduls und eines Batteriemoduls.
3 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, das eine erste Konfiguration eines Verfahrens zum Implementieren eines mehrphasigen Kurzschlusses als Gegenmaßnahme in einer elektrischen Maschine veranschaulicht.
4 ist eine Aufzeichnung einer Amplitude über der Zeit, die ein Stromüberschwingen als Funktion der Motorgrundperiode für eine Vielzahl von Motordrehzahlen beschreibt.
5 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, das eine zweite Konfiguration eines Verfahrens zum Implementieren eines mehrphasigen Kurzschlusses als Gegenmaßnahme in einer elektrischen Maschine veranschaulicht.

GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen ist in 1 ein beispielhaftes Fahrzeug 10 schematisch gezeigt. Das Fahrzeug 10 enthält erste und zweite Motor/Generator-Einheiten 12 und 14 (die hier nachstehend beide einfach als „Motor“ oder als „elektrische Maschine“ bezeichnet sind). Die beiden Motoren 12 und 14 sind mehrphasige elektrische Maschinen mit innenliegenden Permanentmagneten (IPM-Maschinen) in der Form von elektrischen Antriebsmotoren. In Abhängigkeit von der Ausführungsform können die Motoren 12, 14 für etwa 60 bis 180 VAC oder mehr klassifiziert sein. Die Motoren 12 und 14 werden über einen Motorcontroller 16 gesteuert, z.B. ein Hybridsteuerungsmodul oder ein Motorsteuerungsmodul, welcher selektiv einen Code ausführt, der ein Verfahren 100 verkörpert, wobei Beispiele für dieses in 3 und 5 gezeigt und nachstehend im Detail beschrieben sind.
Die Ausführung des Verfahrens 100 bewirkt, dass der Controller 16 selektiv einen Dreiphasenkurzschluss an einen AC-Bus 18 des Fahrzeugs 10 in Ansprechen auf einen detektierten elektrischen Fehler, Überdrehzahlfehler und/oder anderen Fehler im Antriebssystem anlegt. Obwohl zur Konsistenz der Darstellung hier nachstehend ein Dreiphasenkurzschluss beschrieben ist, ist die vorliegende Herangehensweise auf jede mehrphasige elektrische Maschine anwendbar, z.B. eine fünfphasige Maschine. Es gibt viele mögliche Arten von Fehlerbedingungen, die in dem Antriebssystem des Fahrzeugs 10 detektiert werden können, etwa Fehler bei Rotorpositionssensoren, Stromsensoren und/oder Spannungssensoren oder einen Verhaltensfehler wie etwa einen Überstrom oder eine Überdrehzahl, welche alle von dem Controller 16 überwacht werden können.
Bei der beispielhaften Ausführungsform ohne Einschränkung, die in 1 gezeigt ist, umfasst das Fahrzeug 10 außerdem eine Brennkraftmaschine 20 und ein Getriebe 22 mit mindestens einem Zahnradsatz 24. Ein DC-Batteriemodul 26 oder eine andere geeignete DC-Spannungsversorgung, z.B. eine Brennstoffzelle, ist mit dem ersten und zweiten Motor 12, 14 über den DC-Bus 28 und ein Antriebsgleichrichter/-wechselrichter-Modul (TPIM) 30 elektrisch verbunden. Eine optionale Dämpfungs/Eingabekupplung 32 kann verwendet werden, um die Kraftmaschine 20 selektiv vom Endantrieb zu trennen, beispielsweise bei einem Neustart der Kraftmaschine 20 nach einem Autostoppereignis.
Eine Ausgabewelle 34 der Kraftmaschine 20 ist mit dem ersten Motor 12 verbunden, so dass, wenn die Kraftmaschine 20 läuft, der erste Motor 12 mit Hilfe eines Kraftmaschinendrehmoments erregt wird und verwendet werden kann, um ein Motordrehmoment zu erzeugen, welches wiederum verwendet werden kann, um in Abhängigkeit von dem Getriebebetriebsmodus entweder das Fahrzeug 10 anzutreiben oder um das Batteriemodul 26 wieder aufzuladen. Der zweite Motor 14 kann verwendet werden, um das Fahrzeug 10 mit Leistung zu versorgen oder um das Batteriemodul 26 unabhängig vom Zustand der Kraftmaschine 20 aufzuladen. Es können andere Ausführungsformen des Fahrzeugs 10 mit nur einem Motor 12 oder 14, mit oder ohne die Kraftmaschine 20, in Betracht gezogen werden, ohne den beabsichtigten erfinderischen Umfang zu verlassen. Zur Konsistenz der Darstellung jedoch wird hier nachstehend nur die Konfiguration mit zwei Motoren von 1 beschrieben.
Der in der beispielhaften Ausführungsform von 1 gezeigte Planetenradsatz 24 kann erste, zweite und dritte Knoten 36, 38 und 40 enthalten. Wie in der Technik verstanden wird, können diese Knoten in Abhängigkeit von der Ausführungsform einem Hohlrad, einem Sonnenrad und einem Planetenrad, entweder in dieser oder in einer anderen Reihenfolge entsprechen. Eine Rotationskupplung 42 kann in einigen Betriebsarten selektiv eingerückt sein, um den ersten Motor 12 mit dem ersten Knoten 36 zu verbinden. Der zweite Motor 14 kann mit dem dritten Knoten 40 über ein Verbindungselement 44 direkt verbunden sein, wobei „direkt“ bedeutet, dass keine dazwischenliegenden Komponenten zwischen dem zweiten Motor 14 und dem dritten Knoten 40 positioniert sind. Bei dieser speziellen Ausführungsform kann ein Ausgabeelement 46 des Getriebes 22 ein Getriebeausgabedrehmoment an einen Satz von (nicht gezeigten) Antriebsrädern liefern, um das Fahrzeug 10 voranzutreiben.
Ein AC-Bus 18 verbindet jeweils den ersten und zweiten Motor 12 und 14 mit dem TPIM 30. Wie in der Technik gut bekannt ist, enthält das TPIM 30 einen Satz von Halbleiterschaltern 48, z.B. IGBTs oder MOSFETs, die über eine Pulsbreitenmodulation (PWM) schnell geschaltet werden, um eine DC-Spannung in eine AC-Spannung zur Verwendung durch die jeweiligen ersten und/oder zweiten Motoren 12, 14 umzusetzen, und um die AC-Spannung von den Motoren 12, 14 zurück in eine DC-Spannung mit einem Pegel umzusetzen, der zum Speichern im Batteriemodul 26 geeignet ist. Andere Hochspannungsleistungskomponenten wie etwa ein DC/DC-Umsetzer (nicht gezeigt) können verwendet werden, um die invertierte Spannung auf Zubehörpegel hinunter zu transformieren, wie in der Technik gut bekannt ist.
Der in 1 gezeigte Controller 16 steht in Verbindung mit den verschiedenen Komponenten des Fahrzeugs 10, speziell mit dem TPIM 30, mit dem ersten und zweiten Motor 12, 14 und mit dem Batteriemodul 26, z.B. über einen Controllerbereichsnetzwerkbus (CAN-Bus). Zum Ausführen des vorliegenden Verfahrens 100 kann der Controller 16 über das Übertragen eines Satzes von Befehlssignalen (Pfeil 50 mit zwei Spitzen) in Ansprechen auf eine detektierte Fehlerbedingung selektiv den Mehrphasenkurzschluss implementieren. Der Controller 16 kann unter Verwendung des Prozessors 52, welcher auch beliebige benötigte Motorsteuerungsalgorithmen, z.B. eine Vektorsteuerung, ausführt, in den Mehrphasenkurzschluss wechseln. Der Prozessor 52 gibt Gatetreibersignale direkt an die Halbleiterschalter 48 des in 1 gezeigten TPIM 30 aus.
Die Implementierung des Zustands mit einem Mehrphasenkurzschluss stellt sicher, dass kein elektrischer Strom von dem TPIM 30 zurück an den DC-Bus 28 gespeist wird, und dass bei höheren Motordrehzahlen ein geringes Bremsmoment auf einen derartigen Fehler hin angewendet wird. Das Verhindern des Rückflusses von elektrischem Strom an den DC-Bus 28 trägt dazu bei, dass verhindert wird, dass das TPIM 30 den DC-Bus 28 auf Pegel auflädt, welche das Verhalten oder die strukturelle Integrität von empfindlichen elektrischen Komponenten beeinträchtigen könnte, z.B. Komponenten des TPIM 30 selbst und/oder andere empfindliche Komponenten wie etwa beliebige Zusatzstromversorgungen, Dioden, Relais und Umgehungskondensatoren. Es verhindert außerdem das Fließen eines ungesteuerten und potentiell schädlichen Aufladestroms in das Batteriemodul 26 hinein.
Obwohl das Anlegen eines Zustands mit einem gesteuerten Mehrphasenkurzschluss definierte Vorteile bei der Fehlerbehebung aufweist, kann es auch eine Anzahl potentieller Nachteile aufweisen. Wenn sich beispielsweise ein Motor vom IPM-Typ mit einer relativ hohen Drehzahlrate dreht, z.B. 1500 RPM, ohne Last und mit einem Nullstrom, kann das Anlegen eines unmittelbaren Mehrphasenkurzschlusses verursachen, dass die Phasenströme des Motors Spitzen erzeugen. Von dieser großen Spitze aus kann die Umhüllende der Phasenströme langsam abfallen, z.B. über mehrere zehn Millisekunden hinweg, auf den charakteristischen Strom des Motors, jedoch kann die kurzzeitige Spitze für die zukünftige Operation des Motors nachteilig sein. Die tatsächliche Abfallrate ist eine Funktion der Parameter der elektrischen Maschine, z.B. der Motoren 12, 14.
Immer noch mit Bezug auf 1 kann der Controller 16 als eine oder mehrere Hardwarevorrichtungen und zugehörige Software ausgeführt sein. Die Hardware/Software kann in einer einzigen physikalischen Vorrichtung wie etwa einer Trägermaschine enthalten sein oder sie kann über mehrere Controller des Fahrzeugs 10 hinweg verteilt sein. Zur Einfachheit der Veranschaulichung ist der Controller 16 als eine Vorrichtung gezeigt. Der Fachmann auf dem Gebiet der Hybridantriebsstränge wird jedoch erkennen, dass die Steuerungsfunktionalität häufig über verschiedene Hardware/Software-Module hinweg verteilt ist, z.B. auf einen Hybridcontroller auf oberster Ebene, auf einen Motorcontroller, der für die Motorvektorsteuerung und andere Motorsteuerungsfunktionalitäten verantwortlich ist, auf ein Batteriesteuerungsmodul, auf ein Klimaanlagensteuerungsmodul usw. Obwohl das TPIM 30 und der Controller 16 in 1 separat gezeigt sind, kann das TPIM 30 bei einer tatsächlichen Ausführungsform zudem eine integrierte Einheit sein, die einen DC-Kondensator, Stromschienen, IGBTs, Gatetreiber, Stromsensoren und eine oder mehrere Steuerungskarten aufweist. Daher können Aspekte der vorliegenden Herangehensweise mit Bezug auf die Steuerung des TPIM 30 bei der geeigneten Steuerungsebene innerhalb der Gesamtarchitektur des Controllers 16 stattfinden.
Der Controller 16 von 1 enthält mindestens einen Prozessor 52 und eine oder mehrere konkrete, nicht vorübergehende Speichervorrichtungen 54, in denen Anweisungen aufgezeichnet sind, die die verschiedenen Schritte des Verfahrens 100 verkörpern. Der Prozessor 52 kann mit der Speichervorrichtung 54 physikalisch gekoppelt sein. Das Ausführen der Anweisungen durch den Prozessor 52 bewirkt, dass der Controller 16 den Wechsel in eine Kurzschlussbedingung auf die hier offengelegte Weise implementiert.
Die Speichervorrichtung 54 kann ein beliebiges computerlesbares Medium sein, einschließlich optischer und/oder magnetischer Platten und eines anderen persistenten Speichers. Anweisungen, welche die Befehlssignale (Pfeil 50 mit zwei Spitzen) umfassen, welche beliebige benötigte Gatesignale umfassen, können an die verschiedenen Elemente des Fahrzeugs 10 durch Übertragungsleitungen wie etwa Koaxialkabel, Kupferdraht, Glasfasern und dergleichen übertragen werden.
2 veranschaulicht auf schematische Weise ein vereinfachtes elektrisches Diagramm eines Motors (z.B. des Motors 12), eines TPIM 30 und eines Batteriemoduls 26. Wie gezeigt ist der Motor 12 als dreiphasige ausgeglichene Last repräsentiert und das TPIM 30 ist durch einen Satz von Halbleiterschaltern 48 und Freilaufdioden 60 repräsentiert. Für eine Dreiphasenunterbrechung werden alle Schalter 48 auf aus befohlen (d.h. elektrisch geöffnet). Bei niedrigen Motordrehzahlen ist bei einem geöffneten Zustand die gleichgerichtete Gegen-EMK des Motors 12 niedriger als die DC-Koppelspannung und es fließt kein Strom. Über einer bestimmten kritischen Drehzahl überschreitet die Gegen-EMK die angelegte DC-Koppelspannung und ein Strom fließt durch die Freilaufdioden 60 zurück zu dem Batteriemodul 26 (z.B. der UCG-Modus). Die kritische Drehzahl, bei der der UCG-Modus beginnt, ist eine Funktion der DC-Busspannung und des Magnetflusses.
Sobald das System in den UCG-Modus eintritt, ist die Spannung, die von der dreiphasigen Maschine erzeugt wird, typischerweise um 150 - 210 Grad zu dem erzeugten Strom phasenverschoben (d.h. 180 Grad +/- 30 Grad). Insbesondere kann die Phasendifferenz zwischen den erzeugten Spannungs- und Stromsignalen einer Sägezahnwelle ähneln, die linear zwischen den Extremen wechselt, mit einer Unstetigkeit alle 60 Grad. Wenn sich die erzeugte DC-Spannungskomponente zudem im UCG-Modus Null nähert (oder wenn sich die Motorwinkelgeschwindigkeit unendlich nähert), nähert sich der UCG-Strom einem Wert, der als der charakteristische Strom der Maschine bekannt ist (der einem Zustand mit Mehrphasenkurzschluss ähnelt).
Emulierter UCG beim Übergang in Kurzschluss
Um die große transiente Stromspitze während eines abrupten Übergangs in den Kurzschluss zu vermeiden, kann der Controller 16 das TPIM 30 anweisen, den UCG-Modus zu emulieren, während das angelegte Spannungssignal von einer sechsstufigen Spannung (d.h. der maximalen Spannung, die von dem TPIM 30 geliefert werden kann) rampenförmig auf Null heruntergefahren wird. Der UCG-Modus kann allgemein emuliert werden, indem das TPIM 30 so gesteuert wird, dass es ein Spannungssignal liefert, das zu dem UCG-Strom um 180 Grad phasenverschoben ist.
Wie in 3 schematisch veranschaulicht ist, beginnt eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens 100 bei 102, wenn der Controller 16 alle Schalter 48 öffnet, um den Motor vorübergehend in einen UCG-Zustand zu versetzen. Sobald er in diesen Zustand versetzt ist, kann der Controller 16 (bei 104) eine anfängliche Schätzung der Größe und des Phasenwinkels des Stroms, der zu dem Batteriemodul 26 fließt, durchführen.
Bei Schritt 106 kann der Controller 16 eine gewünschte Spannungsphase für ein anzulegendes Spannungssignal gemäß der folgenden Gleichung berechnen: $∠ V = ∠ I - 180^{\circ} + θ_{a d v}$
wobei: $θ_{a d v} = 1.5 * T_{s a m p} * ω_{e}$
und wobei T_samp die Abtastperiode ist, die der Prozessor verwendet, um das Stromsignal abzutasten, und ω_e die Drehzahl des Motors ist.
Wie vorstehend dargestellt wurde, kann die berechnete Spannungsphase zu der überwachten Stromphase um 180 Grad plus einem Spannungsvoreilungsausdruck θ_adv phasenverschoben sein. Der Spannungsvoreilungsausdruck kann Verzögerungen beim Abtasten und bei der rechentechnischen Verarbeitung kompensieren, die bewirken können, dass das Signal dem tatsächlichen Versatz von 180 Grad ein wenig nacheilt. Anders ausgedrückt wird in der Zeit, die Controller 16 zum Abtasten des Stroms, zum Berechnen der nächsten Spannungsphase und zum Ausgeben eines aktualisierten Spannungssignals benötigt, das Stromsignal vorausgeeilt sein (proportional zu der Drehzahl des Motors). Das 1 ,5-fache kann umfasst sein, wenn das befohlene Spannungssignal ein im Mittelpunkt gewichteter Durchschnittswert des PWM-Spannungssignals über den gesamten Zeitschritt hinweg ist, wohingegen der Stromabtastwert typischerweise am Beginn des Zeitschritts erfasst wird. Auf diese Weise kann die Phase des Spannungssignals au den Mittelpunkt der Periode vorgestellt werden, wo es ausgegeben wird.
Nachdem bei Schritt 106 die Spannungsphase berechnet wurde, kann der Controller 16 das TPIM 30 (über Befehlssignale 50) anweisen, ein PWM-Spannungssignal mit einer Spannungsgröße der sechsstufigen Spannung mit der vorstehend berechneten Phase auszugeben (Schritt 108). Der Controller 16 kann das bereitgestellte PWM-Spannungssignal kontinuierlich aktualisieren, während die Größe des Signals von der sechsstufigen Spannung rampenförmig auf Null heruntergefahren wird. Sobald die Größe der Spannung Null erreicht, kann der Controller 16 dem TPIM 30 befehlen, den Mehrphasenkurzschluss einzuleiten.
Bestimmung der optimalen Übergangszeit
4 veranschaulicht auf schematische Weise ein prozentuales Überschwingen 70 (% OS) des Motorstroms für drei Motordrehzahlen 72, 74 und 76 als Funktion der Übergangszeit 78 von dem emulierten sechsstufigen UCG auf den UCG mit Null Volt. Wie gezeigt, repräsentiert das prozentuale Überschwingen 70 allgemein den D-Achsen-Spitzenstrom mit Bezug auf einen stationären Kurzschlussstrom, während die Übergangszeit 78 für jede Motordrehzahl 72, 74 und 76 auf die Motorgrundperiode T_e normiert ist (d.h. eine Funktion der Motordrehzahl). Wie gezeigt kann die optimale Übergangszeit, die hier so definiert ist, dass sie die schnellste verfügbare Übergangszeit ist, die ein noch akzeptables Stromüberschwingen aufweist, als Funktion der elektrischen Periode des Motors ausgedrückt werden, welche wiederum proportional zu der Motordrehzahl ist.
4 veranschaulicht die Tatsache, dass das Spitzenüberschwingen des Motorstroms auf unter etwa 10 % begrenzt werden kann, wenn die Übergangszeit auf etwa das 2 - 3-fache der elektrischen Grundperiode des Motors gesetzt wird. Daher kann der Controller 16 von 1 beim Ausführen des Verfahrens 100 die gemessene Motordrehzahl verwenden, wenn derartige Daten verfügbar sind, um die optimale Übergangszeit zu bestimmen, und er kann die Übergangszeit auf den gewünschten Wert einstellen, um einen speziellen Überschwingwert zu erreichen.
Beispielsweise kann eine Anstiegszeit (t_r) auf 300 % der elektrischen Grundperiode eingestellt werden, um ein Überschwingen von etwa 10 % der Stromtransienten während des Übergangs in den Kurzschlusszustand aufrecht zu erhalten. Bei niedrigen Motordrehzahlen wird die Grundperiode viel zu lang. Unter diesen Bedingungen jedoch werden Motordynamiken besser gedämpft und daher wird das Stromüberschwingen ein geringeres Problem. Daher kann die Übergangszeit auf einen Maximalwert, beispielsweise 50 ms begrenzt werden, um einen längeren Übergang zu vermeiden, während akzeptable Pegel des Stromüberschwingens beibehalten werden.
Drehzahlschätzung bei einer Bedingung mit ausgefallenem Drehzahlsensor
In einigen Fällen ist die Motordrehzahl nicht verfügbar. In diesem Fall kann der Controller 16 die Motordrehzahl schätzen. Zu diesem Zweck werden mindestens zwei funktionsfähige Phasenstromsensoren benötigt. Bei einem Motor mit Y-Schaltung mit nicht verbundenem Neutralpunkt kann der dritte Phasenstrom als das Negative der Summe der anderen beiden berechnet werden, d.h. i_c = -i_a - i_b, wie in der Technik gut bekannt ist.
Die Ströme des stationären ABC-Bezugsrahmens für den Motor, der gesteuert wird, z.B. der zweite Motor 14, können von dem Controller 16 von 1 wie folgt in die äquivalenten Größen des stationären aß-Bezugsrahmens transformiert werden: $[\begin{matrix} α \\ β \end{matrix}] = \frac{2}{3} [\begin{array}{l} 1 & - \frac{1}{2} & - \frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & - \frac{\sqrt{3}}{2} \end{array}] [\begin{matrix} a \\ b \\ c \end{matrix}]$
Bei einem ausgeglichenen System ist a + b + c = 0 und daher: $α = 2 a / 3$
$β = \frac{b - c}{\sqrt{3}}$
Die zeitliche Ableitung des Winkels des resultierenden Stromvektors kann verwendet werden, um die Motordrehzahl zu schätzen. Da der Ableitungsausdruck naturgegeben rauschbehaftet ist, kann das Signal über eine geeignete Zeitspanne hinweg gemittelt werden, z.B. 3 ms. Die resultierende Berechnung der geschätzten Drehzahl liefert eine für das vorgeschlagene Verfahren 100 ausreichende Genauigkeit. Diese Schätzungsvorgehensweise wird von dem Controller 16 nur verwendet, wenn der Drehzahlsensor fehlerbehaftet ist und Strom in dem gesteuerten Motor fließt.
Die αβ-Ströme in der vorstehenden Gleichung sind sinusförmige Größen mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad. Der Winkel des Statorstromvektors γ kann wie folgt berechnet werden: $γ = t a n^{- 1} (\frac{β}{α})$
Die augenblickliche Motorwinkelgeschwindigkeit ω_r kann dann als die zeitliche Ableitung der Statorstromposition γ berechnet werden, welche als die Veränderung der Position über aufeinanderfolgende Schaltperioden hinweg berechnet werden kann: $ω_{r} = \dot{γ} = \frac{γ [k] - γ [k - 1]}{T_{S W}}$
wobei y[k] der Stromvektorwinkel während der letzten Abtastperiode ist und γ[k-1] der Stromvektorwinkel während der vorherigen Abtastperiode ist. Da die Berechnung der augenblicklichen Motorwinkelgeschwindigkeit anfällig für Rauschen ist, kann das Ergebnis durch ein Filter mit gleitendem Mittelwert geleitet werden, um das Ergebnis zu glätten und eine akzeptable Genauigkeit mit minimalem Berechnungsüberhang bereitzustellen.
Die Ausführung des Verfahrens 100 durch den in 1 gezeigten Controller 16 weist mehrere mögliche Vorteile auf. Einer der gegenwärtig verwendeten Magnete mit höchster Leistung ist der Selten-Erde-Magnet vom NeFeB-Typ. Es werden mehrere Additive verwendet, um die Eigenschaften dieses Magnets zu verbessern, wobei eine davon Dysprosium ist. Ein Verringern des großen transienten negativen d-Achsenstroms durch das Verfahren 100 kann die Verringerung des Dysprosium-Gehalts ohne Entmagnetisierung ermöglichen, wodurch die Motorkosten verringert werden. Ähnliche Ergebnisse sind bei kostengünstigeren Ferritmagneten möglich.
5 veranschaulicht allgemein ein Verfahren 120 zum Implementieren eines Kurzschlusses als Gegenmaßnahme in einer mehrphasigen elektrischen Maschine, das dem vorstehend beschriebenen Verfahren 100, das in 3 bereitgestellt ist, ähnlich sein kann (und anstelle dessen verwendet werden kann). Das Verfahren 120 beginnt bei Schritt 122, wenn ein Fehler im Controller, im Motor oder an anderer Stelle detektiert wird, der es erfordern kann, dass Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Bei Schritt 124 kann der Controller 16 einen Satz von Befehlssignalen 50 an das TPIM 30 übertragen, um zu befehlen, dass sich alle Halbleiterschalter 48 öffnen. Dadurch kann der Controller 52 das System in einen UCG-Modus versetzen, bei dem der einzige Stromfluss aus dem Motor stammen kann.
Bei Schritt 126 kann der Controller 16 I_α und I_β beispielsweise von einem oder mehreren Stromsensoren in Verbindung mit der a-, b- und/oder c-Phase der dreiphasigen elektrischen Maschine berechnen. Diese berechneten Werte können ein Vektorausdruck für die Leistung sein, die von der elektrischen Maschine gerade erzeugt wird. Bei Schritt 128 kann der Controller 16 den Phasenwinkel und die absolute Größe des erzeugten Stroms berechnen.
Sobald der erzeugte Strom vollständig quantifiziert und verstanden ist, kann der Controller 16 bei Schritt 130 untersuchen, ob ein gültiger Motordrehzahlmesswert bekannt ist. Wenn der Drehzahlmesswert nicht verfügbar ist oder für unzuverlässig gehalten wird, kann der Controller 16 bei Schritt 132 die Motordrehzahl unter Verwendung einer gefilterten Ableitung des Phasenwinkels des Stroms, der bei Schritt 128 berechnet wurde, berechnen. Wenn der Drehzahlmesswert verfügbar und vertrauenswürdig ist, dann kann das Verfahren 120 Schritt 132 überspringen.
Das Verfahren 120 kann dann zu Schritt 134 weitergehen, bei dem die absolute Größe des erzeugten Stroms mit einem Schwellenwert verglichen wird. Wenn der Strom niedriger als der Schwellenwert ist, kann der Controller 16 folgern, dass ein mehrphasiger Kurzschluss nicht benötigt wird und er kann mit dem Überwachen fortfahren. Wenn der Strom den Schwellenwert jedoch überschreitet, kann der Controller 16 bei Schritt 136 fortfahren, indem er eine Spannungsvoreilung θ_adv berechnet, wie vorstehend beschrieben ist.
Bei Schritt 138 kann der Controller 16 ein PWM-Steuerungssignal einleiten und bei Schritt 140 unmittelbar in einen emulierten UCG-Modus eintreten. Im emulierten UCG-Modus kann der Controller 16 das TPIM 30 so steuern, dass ein Spannungssignal mit einer Phase ausgegeben wird, die zu der Stromphase, die bei Schritt 128 berechnet wurde, um 180 Grad plus der Spannungsvoreilung, die bei Schritt 136 berechnet wurde, versetzt ist. Die Größe des erzeugten Spannungssignals kann bei einer sechsstufigen Spannung beginnen und kann über eine Zeitperiode hinweg auf Null Volt übergehen, welche von der Drehzahl des Motors abhängt. Bei einer Ausgestaltung kann die Übergangszeit beispielsweise zwischen dem Zweifachen und dem Dreifachen der Grundperiode des Motors liegen.
Sobald bei Schritt 140 die emulierte UCG-Spannung rampenförmig auf null Volt heruntergefahren wurde, kann der Controller 16 einen mehrphasigen Kurzschluss befehlen, der alle jeweiligen Phasen des Motors mit allen anderen Phasen elektrisch koppelt. Bei Schritt 142 kann der Controller 16 den an jeder Phase des Motors erzeugten Strom überwachen und die Stromgröße mit einem Schwellenwert vergleichen (Schritt 144). Wenn der erzeugte Strom den Schwellenwert überschreitet, kann das TPIM 30 im Kurzschluss bleiben. Wenn der erzeugte Strom unter den Schwellenwert abfällt, kann das TPIM 30 zurück in den vollständig geöffneten Zustand wechseln.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.

Claims

System, das umfasst: einen elektrischen DC-Bus (28); einen elektrischen AC-Bus (18); eine synchrone elektrische Maschine (12, 14) mit Permanentmagneten mit einer Vielzahl von elektrischen Phasenwicklungen, die an dem elektrischen AC-Bus (18) angeordnet sind, wobei die elektrische Maschine (12, 14) betrieben werden kann, um aus einer Drehbewegung ein elektrisches AC-Signal zu erzeugen; ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM), das zwischen dem elektrischen DC-Bus (28) und dem elektrischen AC-Bus (18) elektrisch angeordnet ist, wobei das PIM zwischen einem offenen Zustand, einem Zustand mit steuerbarem Schalten und einem Zustand mit einem Mehrphasenkurzschluss wechseln kann; und einen Controller (16) in Verbindung mit dem PIM, wobei der Controller (16) ausgestaltet ist, um: das PIM in den offenen Zustand zu befehlen; einen Phasenwinkel eines Stroms des erzeugten elektrischen AC-Signals zu ermitteln; das PIM in den Zustand mit steuerbarem Schalten zu befehlen; das PIM so zu steuern, dass eine Spannung an die elektrische Maschine (12, 14) angelegt wird, die zu dem ermittelten Phasenwinkel des erzeugten Stroms phasenversetzt ist; eine Größe der angelegten Spannung von einer Maximalspannung rampenförmig auf Null herunterzufahren; und das PIM in den Zustand mit einem Mehrphasenkurzschluss zu befehlen.
System nach Anspruch 1, wobei das PIM eine Vielzahl von Halbleiterschaltern (48) umfasst, die alle jeweils zwischen einem elektrisch offenen Zustand und einem elektrisch geschlossenen Zustand wechseln können; wobei der offene Zustand umfasst, dass alle Halbleiterschalter (48) elektrisch geöffnet sind; wobei der Zustand mit steuerbarem Schalten umfasst, dass die Halbleiterschalter (48) gesteuert werden können, um ein elektrisches DC-Signal von dem elektrischen DC-Bus (28) in ein elektrisches AC-Signal umzusetzen und um das elektrische AC-Signal an den elektrischen AC-Bus (18) anzulegen; und wobei der Zustand mit einem Mehrphasenkurzschluss umfasst, dass die Hälfte der Halbleiterschalter (48) geschlossen ist, so dass alle der Vielzahl von elektrischen Phasenwicklungen elektrisch miteinander gekoppelt sind.
System nach Anspruch 1, wobei eine Phasendifferenz zwischen der angelegten phasenverschobenen Spannung und dem ermittelten Phasenwinkel des erzeugten Stroms gleich -180 Grad plus einer Spannungsvoreilung ist; und wobei die Spannungsvoreilung eine Funktion einer Drehzahl der elektrischen Maschine (12, 14) ist.
System nach Anspruch 3, wobei die Spannungsvoreilung zusätzlich eine Funktion einer Abtastperiode des Controllers (16) ist.
System nach Anspruch 3, wobei der Controller (16) ausgestaltet ist, um die Drehzahl des Motors (12, 14) zu überwachen.
System nach Anspruch 3, wobei der Controller (16) ausgestaltet ist, um die Drehzahl der elektrischen Maschine (12, 14) herzuleiten, indem er eine Ableitung des ermittelten Phasenwinkels des Stroms des erzeugten elektrischen AC-Signals berechnet.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller (16) ausgestaltet ist, um eine Größe der angelegten Spannung von einer maximalen Spannung innerhalb einer Zeitspanne rampenförmig auf null herunterzufahren, die zwischen dem Zweifachen und Dreifachen der Grundperiode der elektrischen Maschine (12, 14) liegt.
System nach Anspruch 1, wobei die elektrische Maschine (12, 14) drei elektrische Phasenwicklungen enthält; und wobei die maximale Spannung eine sechsstufige Spannung ist.
Verfahren (100) zum Implementieren eines Kurzschlusses als Gegenmaßnahme in einer rotierenden mehrphasigen elektrischen Maschine (12, 14) in Ansprechen auf eine Fehlerbedingung, wobei das Verfahren (100) umfasst, dass: eine Fehlerbedingung detektiert wird; ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM) in einen elektrisch offenen Zustand befohlen wird; ein Phasenwinkel eines Stroms, der von der rotierenden elektrischen Maschine (12, 14) erzeugt wird, ermittelt wird; das PIM so gesteuert wird, dass eine Spannung an die elektrische Maschine (12, 14) angelegt wird, die zu dem ermittelten Phasenwinkel des erzeugten Stroms phasenverschoben ist; eine Größe der angelegten Spannung von einer ersten Spannung über eine Zeitspanne hinweg rampenförmig auf Null heruntergefahren wird; dem PIM befohlen wird, alle Wicklungen einer Vielzahl von elektrischen Wicklungen der elektrischen Maschine (12, 14) elektrisch miteinander zu koppeln.
Verfahren (100) nach Anspruch 9, wobei das Steuern des PIM derart, dass eine Spannung an die elektrische Maschine (12, 14) angelegt wird, die zu dem ermittelten Phasenwinkel des erzeugten Stroms phasenverschoben ist, umfasst, dass: eine Spannungsvoreilung unter Verwendung einer Abtastfrequenz und einer Drehzahl der elektrischen Maschine (12, 14) bestimmt wird; ein Phasenwinkel für die angelegte Spannung derart berechnet wird, dass die Phasendifferenz zwischen der angelegten Spannung und dem erzeugten Strom 180 Grad plus die ermittelte Spannungsvoreilung beträgt.