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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft hybridelektrische Antriebsstrangsysteme und zugehörige elektrische Architekturen.
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HINTERGRUND
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Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und bilden möglicherweise nicht den Stand der Technik.
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Hybridelektrische Antriebsstrangsysteme verwenden mehrphasige elektrische Maschinen in der Form von Generatoren und Motoren/Generatoren, um durch Operationen zum Erzeugen von elektrischer Leistung und zum regenerativen Bremsen in Ansprechen auf Bedienerbefehle elektrische Leistung zu erzeugen und in Antriebsleistung umzuwandeln, und um mechanisches Drehmoment, das von einer Brennkraftmaschine oder von einem Fahrzeugmoment stammt, in elektrische Leistung umzuwandeln.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Antriebsstrangsystem enthält ein elektrisches Leistungssystem mit Leistungsaufteilung und mehreren Kopplungen, das erste und zweite elektrische Maschinen enthält. Die erste elektrische Maschine ist mit einem Antriebsrad mechanisch drehbar gekoppelt und die zweite elektrische Maschine ist mit einer Brennkraftmaschine mechanisch drehbar gekoppelt. Die erste elektrische Maschine ist zwischen ersten und zweiten Umrichtern elektrisch in Reihe verbunden. Der erste Umrichter ist mit einem ersten elektrischen Hochspannungs-DC-Leistungsbus elektrisch verbunden und der zweite Umrichter ist mit einem zweiten elektrischen Hochspannungs-DC-Leistungskurs elektrisch verbunden. Die zweite elektrische Maschine ist mit einem dritten Umrichter elektrisch verbunden, der mit einem zweiten elektrischen Hochspannungs-DC-Leistungsbus elektrisch verbunden ist.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung einiger der besten Arten und anderer Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es werden nun eine oder mehrere Ausführungsformen anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 in Übereinstimmung mit der Offenbarung ein elektrisches Leistungssystem mit Leistungsaufteilung und mehreren Kopplungen (MLPS-System, MLPS von Multi-Link Power-Split) auf schematische Weise veranschaulicht, das mehrere Umrichtermodule und mehrere elektrische Maschinen enthält, welche eine erste elektrische Maschine, die zwischen erste und zweite Umrichter elektrisch in Reihe verbunden ist, und eine zweite elektrische Maschine umfassen, die mit einem dritten Umrichter elektrisch verbunden ist;
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2 ein erstes Antriebsstrangsystem in Übereinstimmung mit der Offenbarung schematisch veranschaulicht, das eine Ausführungsform des mit Bezug auf 1 beschriebenen MLPS-Systems umfasst, das mehrere Umrichtermodule und mehrere elektrische Maschinen, eine Brennkraftmaschine und ein Antriebsrad umfasst; und
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3 ein zweites Antriebsstrangsystem in Übereinstimmung mit der Offenbarung schematisch veranschaulicht, das eine Ausführungsform des mit Bezug auf 1 beschriebenen MLPS-Systems umfasst, das mehrere Umrichtermodule und mehrere elektrische Maschinen, eine Brennkraftmaschine und ein Antriebsrad umfasst.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen die Abbildungen nur zur Darstellung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Einschränken derselben gedacht sind, veranschaulicht 1 auf schematische Weise ein elektrisches Leistungssystem mit Leistungsaufteilung und mehreren Kopplungen (MLPS-System) 100, das mehrere Umrichtermodule und mehrere elektrische Maschinen enthält, die in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung angeordnet sind. Der Begriff „mehrere Kopplungen” bezeichnet die Verwendung von zwei elektrisch unabhängigen Hochspannungs-DC-Leistungskopplungen oder -Bussen, und der Begriff „Leistungsaufteilung” bezeichnet die Verwendung von zwei unabhängig gesteuerten elektrischen Maschinen zum Erzeugen von elektrischer Leistung und/oder Drehmoment. Wie gezeigt enthält das MLPS-System 100 ein erstes Umrichtermodul 10, ein zweites Umrichtermodul 20, ein drittes Umrichtermodul 30, eine erste elektrische Maschine 40 und eine zweite elektrische Maschine 50, deren Arbeitsweise von einem Controller 90 gesteuert wird. Das MLPS-System 100 wird bei verschiedenen Antriebsstrangsystemkonfigurationen verwendet, um Antriebsdrehmoment, regeneratives Bremsdrehmoment, die Erzeugung elektrischer Leistung und ähnliche Funktionen bereitzustellen.
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Die erste elektrische Maschine 40 und die zweite elektrische Maschine 50 sind mehrphasige, mehrpolige, Elektromotoren/Generatoren, die jeweils einen Rotor und einen Stator enthalten und als Drehmomentmotoren zum Transformieren von elektrischer Leistung in mechanisches Drehmoment oder als Generatoren arbeiten, um mechanisches Drehmoment in elektrische Leistung zu transformieren. Der Rotor der ersten elektrischen Maschine 40 ist mit einem ersten Element 45 drehbar gekoppelt, um eine Drehmomentübertragung zu bewirken, und der Rotor der zweiten elektrischen Maschine 50 ist mit einem zweiten Element 55 drehbar gekoppelt, um eine Drehmomentübertragung zu bewirken. Die erste und zweite elektrische Maschine 40 und 50 sind in einer Ausführungsform wie gezeigt jeweils dreiphasige Vorrichtungen, obwohl andere mehrphasige Konfigurationen ohne Einschränkung verwendet werden können.
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Eine erste Hochspannungs-Leistungsversorgung 60 ist mit einem ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 61, der eine positive Stromschiene 62 und eine negative Stromschiene 64 enthält, elektrisch verbunden. In einer Ausführungsform ist die erste Hochspannungs-Leistungsversorgung 60 eine elektrochemische Speicherbatterie. In einer Ausführungsform ist ein externes Aufladesystem 80 mit der positiven Stromschiene 62 und der negativen Stromschiene 64 elektrisch verbunden, um die erste Hochspannungs-Leistungsversorgung 60 elektrisch aufzuladen. Bei einer Ausführungsform ist das externe Aufladesystem mit einer stationären Leistungsversorgung elektrisch verbunden, um unter speziellen Bedingungen ein Aufladen unter Verwendung von AC-Leistung zu bewirken. Eine zweite Hochspannungs-Leistungsversorgung 70 ist mit einem zweiten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 71, der eine positive Stromschiene 72 und eine negative Stromschiene 74 enthält, elektrisch verbunden. Die Größe des Spannungspotenzials über den ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 61 hinweg unterscheidet sich in einer Ausführungsform von der Größe des Spannungspotenzials über den zweiten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 71 hinweg.
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Jedes der ersten, zweiten und dritten Umrichtermodule 10, 20 und 30 enthält eine Vielzahl komplementärer gepaarter Schaltervorrichtungen, die zwischen den positiven und negativen Seiten des zugehörigen Hochspannungs-DC-Leistungsbusses elektrisch in Reihe verbunden sind, wobei jede der gepaarten Schaltervorrichtungen mit einer der Phasen der entsprechenden elektrischen Maschine verbunden ist. Wie gezeigt ist das erste Umrichtermodul 10 zwischen der positiven Stromschiene 62 und der negativen Stromschiene 64 des ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbusses 61 elektrisch verbunden, und das zweite und dritte Umrichtermodul 20, 30 sind zwischen der positiven Stromschiene 72 und der negativen Stromschiene 74 des zweiten Hochspannungs-DC-Leistungsbusses 71 elektrisch verbunden. Jede der gepaarten Schaltervorrichtungen ist ein geeigneter Hochspannungsschalter, zum Beispiel eine Halbleitervorrichtung, die effektiv eine niedrige Impedanz im eingeschalteten Zustand aufweist, welche für die mittleren Ströme durch den Schalter hindurch vorzugsweise in der Größenordnung von Milliohm liegt. In einer Ausführungsform sind die gepaarten Schaltervorrichtungen Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs). In einer Ausführungsform sind die gepaarten Schaltervorrichtungen Feldeffekttransistor-Vorrichtungen (FET-Vorrichtungen). In einer Ausführungsform können die FET-Vorrichtungen MOS-FET-Vorrichtungen sein. Die gepaarten Schaltervorrichtungen sind als Paare ausgestaltet, um einen elektrischen Leistungsfluss zwischen der positiven Seite des zugehörigen Hochspannungs-DC-Leistungsbusses und einem der elektrischen Kabel, das mit einer der Phasen der zugehörigen elektrischen Maschine verbunden und dieser zugeordnet ist, und der negativen Seite des zugehörigen Hochspannungs-DC-Leistungsbusses zu steuern. Das erste, zweite und dritte Umrichtermodul 10, 20 und 30 können jeweils auch andere elektrische Schaltungselemente enthalten, etwa Hochspannungs-DC-Koppelkondensatoren, Widerstände und aktive DC-Bus-Entladeschaltungen.
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Das erste Umrichtermodul 10 enthält einen ersten mehrphasigen AC-Leistungsbus 14, der mit einer ersten Leistungskopplungsvorrichtung 42 der ersten elektrischen Maschine 40 elektrisch verbunden ist, was umfasst, dass er mit einer ersten Seite jeder der Phasen derselben elektrisch verbunden ist. Das zweite Umrichtermodul 20 enthält einen zweiten mehrphasigen AC-Leistungsbus 24, der mit einer zweiten Leistungskopplungsvorrichtung 44 der ersten elektrischen Maschine 40 elektrisch verbunden ist, was umfasst, dass er mit einer zweiten Seite jeder der Phasen derselben elektrisch verbunden ist. Die serielle Verbindung zwischen dem ersten Umrichtermodul 10, der ersten elektrischen Maschine 40 und dem zweiten Umrichtermodul 20 ist in einer Ausführungsform auf diese Weise angeordnet. Wenn entweder das erste Umrichtermodul 10 oder das zweite Umrichtermodul 20 in eine Bedingung umgeschaltet wird, bei der alle Phasen hoch oder alle Phasen niedrig sind, sieht der andere Umrichter die erste elektrische Maschine in einer Stern-Konfiguration. Folglich führt eine Betriebsbedingung wie etwa das Auftreten eines Fehlers in einem der ersten und zweiten Umrichtermodule 10, 20 nicht zu einem erzwungenen Abschalten der ersten elektrischen Maschine 40. Das dritte Umrichtermodul 30 enthält einen dritten mehrphasigen AC-Leistungsbus 34, der mit einer ersten Leistungskopplungsvorrichtung 52 der zweiten elektrischen Maschine 50 elektrisch verbunden ist, was umfasst, dass er mit einer ersten Seite jeder der Phasen derselben elektrisch verbunden ist. Die zweiten Seiten der Phasen der zweiten elektrischen Maschine 50 sind wie gezeigt elektrisch so verbunden, dass sie eine Stern-Konfiguration bilden. Alternativ sind die zweiten Seiten der Phasen der zweiten elektrischen Maschine 50 durch die erste Leistungskopplungsvorrichtung 52 in einer Delta-Konfiguration (in 1 nicht gezeigt) elektrisch verbunden. Das erste, zweite und dritte Umrichtermodul 10, 20 und 30 sind vorzugsweise als Spannungszwischenkreisumrichter (VSI, VSI von voltage-source inverter) mit entweder einem impulsbreitenmodulierten (PWM) VSI-Modus oder einem VSI-Modus mit sechs Stufen ausgestaltet. Außerdem können das erste, zweite und dritte Umrichtermodul 10, 20, 30 bei einigen Betriebsbedingungen, etwa bei niedriger Last, in dem PWM-VSI-Modus arbeiten, und bei anderen Betriebsbedingungen, etwa bei hoher Last, in dem VSI-Modus mit sechs Stufen arbeiten. Alternativ können das erste, zweite und dritte Umrichtermodul 10, 20, 30 ohne Einschränkung auf andere Weise konfiguriert sein.
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Gate-Treibermodule 12, 22 bzw. 32 enthalten jeweils eine Vielzahl gepaarter Gate-Treiberschaltungen, die jeweils einzeln signaltechnisch mit einer der komplementär gepaarten Schaltervorrichtungen von einer der Phasen des jeweiligen der ersten, zweiten und dritten Umrichtermodule 10, 20 und 30 verbunden sind. Es gibt drei gepaarte Gate-Treiberschaltungen oder insgesamt sechs Gate-Treiberschaltungen in jedem der Gate-Treibermodule 12, 22 und 32, wenn die entsprechende elektrische Maschine eine dreiphasige Vorrichtung ist. Die Gate-Treibermodule 12, 22 und 32 empfangen Arbeitsbefehle von dem Controller 90 über einen Kommunikationsbus 95 und sie steuern eine Aktivierung und Deaktivierung jeder der Schaltervorrichtungen über die Gate-Treiberschaltungen, um in Ansprechen auf Arbeitsbefehle eine Motorantriebsfunktionalität oder eine elektrische Leistungserzeugungsfunktionalität bereitzustellen. Die Arbeitsbefehle können eine Fahrzeugbeschleunigung oder ein Fahrzeugbremsen umfassen, wenn das MLPS-System 100 in einem Fahrzeug als ein Element eines Antriebsstrangsystems verwendet wird, um Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Während des Betriebs erzeugt jedes der Gate-Treibermodule 12, 22 und 32 in Ansprechen auf ein Steuerungssignal, das von dem Controller 90 stammt, einen Impuls, welcher eine der Schaltervorrichtungen aktiviert und einen Stromfluss durch eine Halbphase des Stators der jeweiligen elektrischen Maschine hindurch induziert, um in Ansprechen auf die Arbeitsbefehle Drehmoment im Rotor zu erzeugen.
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Jedes der ersten und zweiten Gate-Treibermodule 12, 22 ist mit der Vielzahl komplementärer gepaarter Schaltervorrichtungen des zugehörigen ersten und zweiten Umrichtermoduls 10, 20 elektrisch verbunden und arbeitet so, dass die komplementären gepaarten Schaltervorrichtungen periodisch und wiederholt aktiviert werden, um elektrische Leistung zwischen entweder der positiven oder der negativen Seite des zugehörigen Hochspannungs-DC-Leistungsbusses und einer Vielzahl von Wicklungen, die mit einer der Phasen des Stators der ersten Drehmomentmaschine 40 verbunden sind, zu übertragen, um durch eine Welle 45, die mit dem jeweiligen Rotor mechanisch gekoppelt ist, elektrische Leistung in mechanisches Drehmoment zu transformieren und um mechanisches Drehmoment in elektrische Leistung zu transformieren. Analog ist das dritte Gate-Treibermodul 32 mit der Vielzahl der komplementären gepaarten Schaltervorrichtungen des dritten Umrichtermoduls 30 elektrisch verbunden, und es arbeitet so, dass die komplementären gepaarten Schaltervorrichtungen periodisch und wiederholt aktiviert werden, um elektrische Leistung zwischen entweder der positiven oder der negativen Seite des zweiten Hochspannung-DC-Leistungsbusses 71 und einer Vielzahl von Wicklungen, die mit einer der Phasen des Stators der zweiten Drehmomentmaschine 50 verbunden sind, zu übertragen, um durch eine Welle 55, die mit dem jeweiligen Rotor mechanisch gekoppelt ist, elektrische Leistung in mechanisches Drehmoment zu transformieren und um mechanisches Drehmoment in elektrische Leistung zu transformieren.
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Controller, Steuerungsmodul, Modul, Steuerung, Steuerungseinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bezeichnen eine beliebige oder verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) und zugehörigem Arbeitsspeicher und Massenspeicher (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme oder Routinen ausführen, kombinatorischen Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen, geeigneten Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen beliebige von einem Controller ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen enthalten. Der Controller weist einen Satz von Steuerungsroutinen auf, die ausgeführt werden, um gewünschte Funktionen bereitzustellen. Routinen werden etwa von einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und können betrieben werden, um Eingänge von Erfassungsvorrichtungen und anderen Netzwerksteuerungsmodulen zu überwachen und um Steuerungs- und Diagnoseroutinen zum Steuern der Arbeitsweise von Aktoren auszuführen. Der Kommunikationsbus 95 kann eine beliebige geeignete Kommunikationskonfiguration umfassen, welche als Beispiel Kommunikationen über eine Direktverdrahtung, über ein Controllerbereichsnetzwerk oder über ein drahtloses Netzwerk umfasst.
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2 veranschaulicht auf schematische Weise ein erstes Antriebsstrangsystem 200, das eine Ausführungsform des mit Bezug auf 1 beschriebenen MLPS-Systems 100 umfasst, welches mehrere Umrichtermodule und mehrere elektrische Maschinen, eine Brennkraftmaschine und ein Antriebsrad enthält. Wie gezeigt enthält das erste Antriebsstrangsystem 200 erstes Umrichtermodul 210, ein zweites Umrichtermodul 220, ein drittes Umrichtermodul 230, eine erste elektrische Maschine 240, ein oder eine Vielzahl von Antriebsrädern 248, eine zweite elektrische Maschine 250 und eine Brennkraftmaschine 290. Die Arbeitsweise wird von einem Controller 205 gesteuert. Die erste elektrische Maschine 240 und die zweite elektrische Maschine 250 sind mehrphasige, mehrpolige Elektromotoren/Generatoren, die jeweils einen Rotor und einen Stator enthalten und als Drehmomentmotoren, um elektrische Leistung in mechanisches Drehmoment zu transformieren und/oder als Generatoren betrieben werden, um mechanisches Drehmoment in elektrische Leistung zu transformieren. Der Rotor der ersten elektrischen Maschine 240 ist mit einem ersten Element 245 drehbar gekoppelt, das mit dem bzw. den Antriebsrädern 248 drehbar gekoppelt ist, um eine Drehmomentübertragung dorthin zu bewirken. Eine Drehmomentübertragung kann in der Form eines positiven Antriebsdrehmoments, um eine Fahrzeugbeschleunigung zu bewirken, oder in der Form eines negativen oder reaktiven Drehmoments stattfinden, um eine Fahrzeugverzögerung in einem Modus mit regenerativem Bremsen zu bewirken. Die Drehkopplung zwischen der ersten elektrischen Maschine 240, dem ersten Element 245 und dem bzw. den Antriebsrädern 248 kann ohne Einschränkung andere Übertragungselemente für mechanisches Drehmoment verwenden, etwa Planetenräder, Differenzialgetriebe, Drehmomentwandler, Kupplungen und dergleichen. Der Rotor der zweiten elektrischen Maschine 250 ist mit einem zweiten Element 255 drehbar gekoppelt, das mit der Brennkraftmaschine 290 drehbar gekoppelt ist, um eine Drehmomentübertragung in einem Generatormodus für elektrische Leistung zu bewirken. Die erste und zweite elektrische Maschine 240 und 250 sind in einer Ausführungsform und wie gezeigt beide dreiphasige Vorrichtungen, obwohl andere mehrphasige Konfigurationen ohne Einschränkung verwendet werden können. Das erste Antriebsstrangsystem 200 ist analog zu einem seriellen Hybridelektrofahrzeug, bei dem die gesamte Leistung, die von der Brennkraftmaschine 290 erzeugt wird, in elektrische Leistung umgewandelt wird, die von der ersten elektrischen Maschine 240 zum Erzeugen von Drehmoment verwendet wird oder als elektrische Leistung gespeichert wird. Das erste Antriebsstrangsystem 200 ist nicht in der Lage, die Brennkraftmaschine 290 mit dem bzw. den Antriebsrädern 248 direkt mechanisch zu koppeln, d. h., dass das bzw. die Antriebsräder 248 von der Brennkraftmaschine 290 permanent mechanisch entkoppelt ist bzw. sind.
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In dieser Ausführungsform ist eine erste Hochspannungs-Leistungsversorgung 260 mit einem ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 261 elektrisch verbunden. In einigen Ausführungsformen ist die erste Hochspannungs-Leistungsversorgung 260 eine elektrochemische Speicherbatterie mit genügend Leistung, um ein (nicht gezeigtes) Fahrzeug voranzutreiben. In einer Ausführungsform ist ein externes Aufladesystem 280 mit dem ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 261 elektrisch verbunden, um die erste Hochspannungs-Leistungsversorgung 260 unter speziellen Bedingungen extern aufzuladen. In einer Ausführungsform ist eine zweite Hochspannungs-Leistungsversorgung 270 mit einem zweiten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 271 elektrisch verbunden. In einer Ausführungsform ist die zweite Hochspannungs-Leistungsversorgung 270 ein elektrischer Kondensator. In einer Ausführungsform unterscheidet sich die Größe des Spannungspotenzials über den ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 261 hinweg von der Größe des Spannungspotenzials über den zweiten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 271 hinweg. In einer Ausführungsform verändert sich das Spannungspotenzial über den zweiten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 271 hinweg über einen größeren Bereich als das Spannungspotenzial über den ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 261 hinweg.
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Jedes der ersten, zweiten und dritten Umrichtermodule 210, 220 und 230 ist auf eine Weise, die analog zu den ersten, zweiten und dritten Umrichtermodulen 10, 20 und 30 ist, welche mit Bezug auf 1 beschrieben sind aufgebaut und wird entsprechend gesteuert. Wie gezeigt ist das erste Umrichtermodul 210 mit dem ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 261 elektrisch verbunden und das zweite und dritte Umrichtermodul 220, 230 sind mit dem zweiten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 271 elektrisch verbunden. Das erste Umrichtermodul 210 enthält einen ersten mehrphasigen AC-Leistungsbus, der mit der ersten elektrischen Maschine 240 elektrisch verbunden ist, was umfasst, dass er mit einer ersten Seite jeder der Phasen derselben elektrisch verbunden ist. Das zweite Umrichtermodul 220 enthält einen zweiten mehrphasigen AC-Leistungsbus, der mit der ersten elektrischen Maschine 240 elektrisch verbunden ist, was umfasst, dass er mit einer zweiten Seite jeder der Phasen derselben elektrisch verbunden ist. Die serielle Verbindung zwischen dem ersten Umrichtermodul 210, der ersten elektrischen Maschine 240 und dem zweiten Umrichtermodul 220 ist in einer Ausführungsform auf diese Weise konfiguriert. Das dritte Umrichtermodul 230 enthält einen dritten mehrphasigen AC-Leistungsbus, der mit der zweiten elektrischen Maschine 250 elektrisch verbunden ist, was umfasst, dass er mit einer ersten Seite jeder der Phasen derselben elektrisch verbunden ist. Die zweiten Seiten der Phasen der zweiten elektrischen Maschine 250 sind elektrisch verbunden, um eine Delta-Konfiguration zu bilden. Alternativ sind die zweiten Seiten der Phasen der zweiten elektrischen Maschine 250 verbunden, um eine Stemkonfiguration zu bilden (in 2 nicht gezeigt). Es werden Gate-Treibermodule analog zu den Gate-Treibermodulen 12, 22 und 32, die mit Bezug auf 1 beschrieben sind, verwendet, um periodisch und wiederholt die komplementären gepaarten Schaltervorrichtungen zu aktivieren, um elektrische Leistung zwischen entweder der positiven oder der negativen Seite des zugehörigen Hochspannungs-DC-Leistungsbusses und einer Vielzahl von Wicklungen, die mit einer der Phasen der jeweiligen ersten Drehmomentmaschine 240 oder der zweiten Drehmomentmaschine 250 verbunden sind, zu übertragen, um elektrische Leistung in mechanisches Drehmoment zu transformieren und um mechanisches Drehmoment in elektrische Leistung zu transformieren.
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3 veranschaulicht auf schematische Weise ein zweites Antriebsstrangsystem 300, das eine Ausführungsform des mit Bezug auf 1 beschriebenen MLPS-Systems 100 beinhaltet, welches mehrere Umrichtermodule und mehrere elektrische Maschinen, eine Brennkraftmaschine und ein Antriebsrad enthält. Wie gezeigt enthält das zweite Antriebsstrangsystem 300 ein erstes Umrichtermodul 310, ein zweites Umrichtermodul 320, ein drittes Umrichtermodul 330, eine erste elektrische Maschine 340, ein Antriebsrad 348, eine zweite elektrische Maschine 350, eine Brennkraftmaschine 390 und eine Drehmomentkopplungsvorrichtung 395. Die Arbeitsweise wird von einem Controller 305 gesteuert. Die erste elektrische Maschine 340 und die zweite elektrische Maschine 350 sind mehrphasige, mehrpolige Elektromotoren/Generatoren, die jeweils einen Rotor und einen Stator enthalten und als Drehmomentmotoren zum Transformieren von elektrischer Leistung in mechanisches Drehmoment und/oder als Generatoren arbeiten, um mechanisches Drehmoment in elektrische Leistung zu transformieren. Der Rotor der ersten elektrischen Maschine 340 ist mit einem ersten Element 347 drehbar gekoppelt, das mit der Drehmomentkopplungsvorrichtung 395 drehbar gekoppelt ist, um eine Drehmomentübertragung dorthin zu bewirken. Die Drehmomentkopplungsvorrichtung 395 ist mit einem dritten Element 345 drehbar gekoppelt, das mit dem Antriebsrad 348 drehbar gekoppelt ist, um eine Drehmomentübertragung dorthin zu bewirken. In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich ein Abschnitt des dritten Elements 345 konzentrisch durch das erste Element 347 hindurch. Die Kopplungen zwischen der ersten elektrischen Maschine 340, dem ersten Element 347, der Drehmomentkopplungsvorrichtung 395, dem dritten Element 345 und dem Antriebsrad 348 können ohne Einschränkung andere Übertragungselemente für mechanisches Drehmoment verwenden, etwa Planetenräder, Differenzialgetriebe, Kupplungen und dergleichen. Der Rotor der zweiten elektrischen Maschine 350 ist mit einem zweiten Element 357 drehbar gekoppelt, das mit der Drehmomentkopplungsvorrichtung 395 drehbar gekoppelt ist, um eine Drehmomentübertragung von dort aus zu bewirken. Die Drehmomentkopplungsvorrichtung 395 ist mit einem vierten Element 355 drehbar gekoppelt, das mit der Brennkraftmaschine 390 drehbar gekoppelt ist, um eine Drehmomentübertragung von dort aus zu bewirken. In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich ein Abschnitt des vierten Elements 355 konzentrisch durch das zweite Element 357 hindurch. Die drehbare Kopplung zwischen der zweiten elektrischen Maschine 350, dem zweiten Element 357, der Drehmomentkopplungsvorrichtung 395, dem vierten Element 355 und der Brennkraftmaschine 390 kann ohne Einschränkung andere Übertragungselemente für mechanisches Drehmoment verwenden, etwa Planetenräder, Differenzialgetriebe, Kupplungen und dergleichen. Die erste und zweite elektrische Maschine 340 und 350 sind in einer Ausführungsform und wie gezeigt beide dreiphasige Vorrichtungen, obwohl andere mehrphasige Konfigurationen ohne Einschränkung verwendet werden können. Die Drehmomentkopplungsvorrichtung 395 ist mit dem ersten Element 347 und dem zweiten Element 357 mechanisch gekoppelt und kann eines von oder eine Kombination aus einem Planetenradsatz oder einem anderen Zahnradsatz, einem Riemenantrieb, einer Kupplung, einem Drehmomentwandler und einer oder mehreren anderen Vorrichtungen ohne Einschränkung enthalten. Die Drehmomentkopplungsvorrichtung 395 ist mit dem bzw. den Antriebsrädern 348 und der Kraftmaschine 390 mechanisch gekoppelt, um eine Drehmomentübertragung dazwischen zu bewirken, wobei die mechanische Kopplung permanent oder in einer unter Verwendung eines steuerbaren Elements wie etwa einer Kupplung selektiv aktivierbaren Anordnung angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen enthält die Drehmomentkopplungsvorrichtung 395 ein miteinander verbundenes Paar von Planetenradsätzen, bei welchen die Drehzahlen des ersten Elements 347, des zweiten Elements 357, des dritten Elements 345 und des vierten Elements 355 eine lineare Kombination untereinander mit zwei unabhängigen Drehzahlen sind. In einer Ausführungsform kann die Drehzahl des ersten Elements 347 ein Vielfaches der Drehzahl des dritten Elements 345 sein und die Drehzahl des vierten Elements 355 ist ein gewichtete Mittelwert aus den Drehzahlen des zweiten Elements 357 und des dritten Elements 345. Das zweite Antriebsstrangsystem 300 kann ein Antriebsstrangsystem mit Leistungsaufteilung und mehreren Modi sein, das in einem Zustand mit fester Übersetzung, einem Zustand mit kontinuierlich variabler Übersetzung oder einem Elektrofahrzeug-Zustand betrieben werden kann, wobei mechanische Leistung, die von der Brennkraftmaschine 390 erzeugt wird, selektiv verwendet wird, um Antriebsdrehmoment zum Antreiben des bzw. der Räder 348 bereitzustellen und/oder in elektrische Leistung umgewandelt wird, die von der ersten elektrischen Maschine 340 verwendet wird, um Drehmoment zu erzeugen oder um als elektrische Leistung gespeichert zu werden. Das zweite Antriebsstrangsystem 300 umfasst das direkte mechanische Koppeln der Brennkraftmaschine 290 mit dem bzw. den Antriebsrädern 248 durch die Drehmomentkopplungsvorrichtung 395.
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In dieser Ausführungsform ist eine erste Hochspannungs-Leistungsversorgung 360 mit einem ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 361 elektrisch verbunden. In einigen Ausführungsformen ist die erste Hochspannungs-Leistungsversorgung 360 eine elektrochemische Speicherbatterie mit genügend Leistung zum Vorantreiben eines (nicht gezeigten) Fahrzeugs. In einer Ausführungsform ist ein externes Aufladesystem 380 mit dem ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 361 elektrisch verbunden, um die erste Hochspannungs-Leistungsversorgung 360 unter speziellen Bedingungen extern aufzuladen. In einer Ausführungsform ist eine zweite Hochspannungs-Leistungsversorgung 370 mit einem zweiten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 371 elektrisch verbunden. In einer Ausführungsform ist die zweite Hochspannungs-Leistungsversorgung 370 ein elektrischer Kondensator. Die Größe des Spannungspotenzials über den ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 361 hinweg unterscheidet sich in einer Ausführungsform von der Größe des Spannungspotenzials über den zweiten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 371 hinweg. In einer Ausführungsform schwankt das Spannungspotenzial über den zweiten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 371 hinweg über einen größeren Bereich hinweg als das Spannungspotenzial über den ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 361 hinweg.
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Jedes der ersten, zweiten und dritten Umrichtermodule 310, 320 und 330 ist auf eine Weise, die analog zu dem ersten, zweiten und dritten Umrichtermodul 10, 20 und 30 ist, die mit Bezug auf Figur eins beschrieben sind, konstruiert und wird entsprechend gesteuert. Wie gezeigt ist das erste Umrichtermodul 310 mit dem ersten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 361 elektrisch verbunden und das zweite und dritte Umrichtermodul 320, 330 sind mit dem zweiten Hochspannungs-DC-Leistungsbus 371 elektrisch verbunden. Das erste Umrichtermodul 310 enthält einen ersten mehrphasigen AC-Leistungsbus 314, der mit der ersten elektrischen Maschine 340 elektrisch verbunden ist, was umfasst, dass er mit einer ersten Seite jeder der Phasen derselben elektrisch verbunden ist. Das zweite Umrichtermodul 320 enthält einen zweiten mehrphasigen AC-Leistungsbus 324, der mit der ersten elektrischen Maschine 340 elektrisch verbunden ist, was umfasst, dass er mit einer zweiten Seite jeder der Phasen derselben elektrisch verbunden ist. Die serielle Verbindung zwischen dem ersten Umrichtermodul 310, der ersten elektrischen Maschine 340 und dem zweiten Umrichtermodul 320 ist in einer Ausführungsform auf diese Weise ausgestaltet. Das dritte Umrichtermodul 330 enthält einen dritten mehrphasige AC-Leistungsbus 334, der mit der zweiten elektrischen Maschine 350 elektrisch verbunden ist, was umfasst, dass er mit einer ersten Seite jeder der Phasen derselben elektrisch verbunden ist. Die zweiten Seiten der Phasen der zweiten elektrischen Maschine 350 sind elektrisch verbunden, um eine Sternkonfiguration zu bilden. Es werden Gate-Treibermodule verwendet, die analog zu den Gate-Treibermodulen 12, 22 und 32 sind, die mit Bezug auf 1 beschrieben sind, um periodisch und wiederholt die komplementären gepaarten Schaltervorrichtungen zu aktivieren, um elektrische Leistung zwischen entweder der positiven oder der negativen Seite des zugehörigen Hochspannungs-DC-Leistungsbusses und einer Vielzahl von Wicklungen zu übertragen, die mit einer der Phasen der jeweiligen ersten Drehmomentmaschine 340 oder zweiten Drehmomentmaschine 350 verbunden sind, um elektrische Leistung in mechanisches Drehmoment zu transformieren und um mechanisches Drehmoment in elektrische Leistung zu transformieren.
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Antriebsstrangsysteme, die eine Ausführungsform des MLPS-Systems 100 beinhalten, das mit Bezug auf 1 beschrieben ist, sind auf eine Weise ausgestaltet, die ermöglicht, dass die erste elektrische Maschine, die mit dem bzw. den Antriebsrädern drehbar gekoppelt ist, direkten Zugriff auf elektrische Leistung hat, die von der ersten Hochspannungs-Leistungsversorgung stammt, und auf elektrische Leistung, die von der zweiten elektrischen Maschine stammt, während diese in einem Generatormodus arbeitet, was umfasst, dass mit zwei verschiedenen DC-Spannungsniveaus gearbeitet wird. Die erste elektrische Maschine, die mit dem bzw. den Antriebsrädern drehbar gekoppelt ist, kann von der ersten Hochspannungs-Leistungsversorgung für einen Elektrofahrzeugbetrieb direkt angetrieben werden, und elektrische Leistung von der ersten elektrischen Maschine kann während eines regenerativen Bremsens direkt in der ersten Hochspannungs-Leistungsversorgung gespeichert werden. Außerdem kann die erste elektrische Maschine direkt von der zweiten elektrischen Maschine, die in einem Generatormodus arbeitet, angetrieben werden, für den Betrieb eines Getriebes mit Leistungsaufteilung. Auch können zwei verschiedene Busspannungsniveaus in einem Hybriden mit Leistungsaufteilung ohne die Verwendung einer separaten Induktivität für einen DC/DC-Wandler kombiniert werden. Die Spannung des Leistungsbusses, der die erste und zweite elektrische Maschine verbindet, kann gesteuert werden, um den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung zwischen diesen zu optimieren, während die Spannung des Leistungsbusses, der die erste elektrische Maschine mit der Hochspannungs-Leistungsversorgung verbindet, gesteuert werden kann, um das Aufladen oder Entladen derselben zu steuern. Darüber hinaus erleidet Leistung an die und von der zweiten Hochspannungs-Leistungsversorgung nur die Leitungsverluste der zwei Schalter, die in den Sternpunkt der zweiten elektrischen Maschine bilden, ohne zusätzliche Schalt- oder Induktionsverluste, wodurch Leitungsverluste des elektrischen Stroms minimiert werden.
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Die genaue Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die vorliegenden Lehren, aber der Umfang der vorliegenden Lehren wird nur durch die Ansprüche definiert. Obwohl einige der besten Arten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Lehren im Detail beschrieben worden sind, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen, um die vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, in die Praxis umzusetzen.
