DE102017128177A1

DE102017128177A1 - Adaptive Verstärkerspannung für Hybridfahrzeugbetrieb

Info

Publication number: DE102017128177A1
Application number: DE102017128177.0A
Authority: DE
Inventors: Lihua Chen; Yan Zhou; Shuitao Yang; Mohammed Khorshed Alam; Fan Xu
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-06-07
Also published as: CN108134519B; US20180154787A1; US10500966B2; CN108134519A

Abstract

Ein Antriebsstrang enthält einen Gleichspannungswandler, eine elektrische Maschine und eine Steuerung. Der Gleichspannungswandler kann ausgelegt sein, eine Busspannung auszugeben. Die Steuerung kann ausgelegt sein, als Reaktion auf eine Drehmomentanforderung, die ein verfügbares Drehmoment der elektrischen Maschine übersteigt, dem Wandler zu befehlen, die Busspannung auf einen einzelnen Stufenwert zu verstärken, der aus einer vorbestimmten Anzahl von verfügbaren einzelnen Stufenwerten ausgewählt wird, der sich als Reaktion auf das Ändern eines ausgewählten Betriebsmodus des Antriebsstrangs ändert, um das verfügbare Drehmoment zu erhöhen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft im Allgemeinen einen Gleichspannungswandler, der ausgelegt ist, eine Verstärkerspannung auszuwählen und bei der Verstärkerspannung für eine vorbestimmte Zeit betrieben zu werden.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrifizierte Fahrzeuge, die Hybridelektrofahrzeuge (hybrid-electric vehicles - HEVs) und Batterieelektrofahrzeuge (battery electric vehicles - BEVs) beinhalten, sind davon abhängig, dass eine Antriebsbatterie einem Antriebsmotor Leistung zum Antrieb bereitstellt und ein Leistungswechselrichter dazwischen Gleichstromleistung (direct current - DC) in Wechselstromleistung (alternating current - AC) umwandelt. Der typische AC-Antriebsmotor ist ein 3-Phasen-Motor, der durch 3 sinusförmige Signale versorgt werden kann, die jeweils mit einer Phasenverschiebung von 120 Grad angetrieben werden. Die Antriebsbatterie ist dazu ausgelegt, in einem bestimmten Spannungsbereich betrieben zu werden und einen maximalen Strom bereitzustellen. Die Antriebsbatterie wird alternativ als Hochspannungsbatterie bezeichnet, wobei eine Klemmenspannung einer typischen Antriebsbatterie bei über 100 Volt DC liegt. Eine verbesserte Leistung elektrischer Maschinen kann jedoch durch das Betreiben in einem anderen Spannungsbereich erreicht werden, typischerweise bei Spannungen, die größer als die Klemmenspannung der Antriebsbatterie sind. Gleichermaßen werden die Stromanforderungen zum Antreiben einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs für gewöhnlich als Hochstrom bezeichnet.
Viele elektrifizierte Fahrzeuge beinhalten einen Gleichspannungswandler, der auch als variabler Spannungswandler (VVC) bezeichnet wird, um die Spannung der Antriebsbatterie in einen Betriebsspannungspegel der elektrischen Maschine umzuwandeln. Die elektrische Maschine, die einen Antriebsmotor beinhalten kann, kann Hochspannung und Hochstrom erfordern. Aufgrund der Spannungs-, Strom- und Schaltanforderungen wird typischerweise ein Halbleiterschalter, wie zum Beispiel ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (Insulated Gate Bipolar junction Transistor - IGBT) verwendet, um die Signale in dem Leistungswechselrichter und dem VVC zu erzeugen.
KURZDARSTELLUNG
Ein Antriebsstrang enthält einen Gleichspannungswandler, eine elektrische Maschine und eine Steuerung. Der Gleichspannungswandler kann ausgelegt sein, eine Busspannung auszugeben. Die Steuerung kann ausgelegt sein, als Reaktion auf eine Drehmomentanforderung, die ein verfügbares Drehmoment der elektrischen Maschine übersteigt, dem Wandler zu befehlen, die Busspannung auf einen einzelnen Stufenwert zu verstärken, der aus einer vorbestimmten Anzahl von verfügbaren einzelnen Stufenwerten ausgewählt wird, der sich als Reaktion auf das Ändern eines ausgewählten Betriebsmodus des Antriebsstrangs ändert, um das verfügbare Drehmoment zu erhöhen.
Ein Fahrzeug beinhaltet eine elektrische Maschine und eine Steuerung. Die elektrische Maschine kann zum Bereitstellen von Antriebskraft für das Fahrzeug bei einer Busspannung ausgelegt sein. Die Steuerung kann ausgelegt sein, einen Wandler zu veranlassen, die Busspannung bei einem einzelnen Stufenwert auszugeben, der aus einer vorbestimmten Anzahl von verfügbaren einzelnen Stufenwerten ausgewählt wird, und mindestens einige der verfügbaren einzelnen Stufenwerte als Reaktion auf ein Ändern eines Betriebsmodus der elektrischen Maschine zu ändern.
Ein Verfahren zum Steuern eines Gleichspannungswandlers beinhaltet als Reaktion auf eine Drehmomentanforderung an einen Elektromotor, der mit dem Wandler verbunden ist, die ein verfügbares Drehmoment übersteigt, ein Ausgeben einer Busspannung und ein Aktualisieren von Höhen von mindestens einigen der einzelnen Stufen. Das Ausgeben durch den Wandler für mindestens eine vorbestimmte Zeitdauer einer Busspannung bei einem einzelnen Stufenwert wird aus einer vorbestimmten Anzahl von verfügbaren einzelnen Stufenwerten ausgewählt. Das Aktualisieren von Höhen von mindestens einigen der einzelnen Stufenwerte kann auf Grundlage historischer Antriebsstrangbetriebsdaten erfolgen.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm eines Hybridfahrzeugs, das typische Komponenten zur Kraftübertragung und Energiespeicherung mit einem Wandler für variable Spannungen und einem Leistungswechselrichter dazwischen veranschaulicht.
2 ist ein schematisches Diagramm eines Wandlers für variable Spannungen in einem Fahrzeug.
3 ist ein schematisches Diagramm eines Wechselrichters für elektrische Maschinen eines Fahrzeugs.
4 ist ein schematisches Diagramm eines dualen Systems einer elektrischen Maschine und eines Wechselrichters, das eine Antriebsbatterie und einen Wandler für variable Spannungen dazwischen aufweist.
5A ist eine graphische Veranschaulichung von Leistungsgrenzen einer elektrischen Maschine bei einem Elektromotordrehmoment im Hinblick auf Winkelgeschwindigkeit und eine Busspannung.
5B ist eine graphische Veranschaulichung einer Busspannung für einen variablen Spannungswechselrichter, der dem Wechselrichter im Hinblick auf Zeit während eines Fahrzyklus eines Hybridfahrzeugs durchgehend unterschiedliche Spannung zuführt.
6A ist eine graphische Veranschaulichung von Leistungsgrenzen einer elektrischen Maschine bei einem Elektromotordrehmoment im Hinblick auf Winkelgeschwindigkeit und eine Busspannung.
6B ist eine graphische Veranschaulichung einer Busspannung für einen variablen Spannungswechselrichter, der dem Wechselrichter im Hinblick auf Zeit während eines Fahrzyklus eines Hybridfahrzeugs Stufenspannungen zuführt.
7 ist eine graphische Veranschaulichung von Leistungsgrenzen einer elektrischen Maschine bei einem Elektromotordrehmoment im Hinblick auf Winkelgeschwindigkeit und eine Busspannung, die ferner Betriebsregionen veranschaulichen.
8 ist eine graphische Veranschaulichung von Leistungsgrenzen einer elektrischen Maschine bei einem Elektromotordrehmoment im Hinblick auf Winkelgeschwindigkeit und eine Busspannung, die ferner Hysterese in begrenzten Betriebsregionen veranschaulichen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin 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 maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die hier offenbarten konkreten strukturellen und funktionellen Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für einen Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Halbleitervorrichtungen (solid state devices - SSD), wie etwa Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (Insulated Gate Bipolar junction Transistors - IGBTs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors - MOSFETs) oder Bipolartransistoren (Bipolar Junction Transistors - BJTs), werden häufig in einer Vielzahl von Automobil- und Industrieanwendungen verwendet, wie zum Beispiel Elektromotorantrieben, Leistungswechselrichtern, Gleichspannungswandlern und Leistungsmodulen. Der Betrieb eines IGBT und eines MOSFET ist spannungsgesteuert, wobei der Betrieb auf einer Spannung basiert, die an ein Gate des IGBT oder MOSFET angelegt wird, während der Betrieb eines BJT stromgesteuert ist, wobei der Betrieb auf einem Strom basiert, der an eine Basis des BJT angelegt wird. Hier wird die Verwendung eines IGBT besprochen, die Struktur und die Verfahren können jedoch auf andere SSDs angewendet werden. Der Betrieb eines IGBT wird durch eine Gatespannung, die durch einen Gateantrieb geliefert wird, gesteuert. Konventionelle Gateantriebe basieren typischerweise auf einer Spannung, die größer als eine Schwellenspannung ist, die an das IGBT-Gate mit einem strombegrenzenden Widerstand angelegt wird, der typischerweise aus einer schaltbaren Spannungsquelle und einem Gatewiderstand besteht. Ein geringer Gatewiderstand würde zu einer schnellen Schaltgeschwindigkeit und geringem Schaltverlust führen, kann aber auch höhere Belastungen der Halbleitervorrichtungen bewirken, z. B. übermäßige Spannungsbelastungen. Daher ist der Gatewiderstand ausgewählt, um einen Kompromiss zwischen Schaltverlust, Schaltverzögerung und Belastungen anzustreben. Wenn ein IGBT ausgeschaltet wird, verringert der Gatewiderstand den Strom, der vom Gate fließt, und erhöht dadurch eine Abschaltzeit des IGBT. Außerdem kann ein Gateantrieb unterschiedliche Gate-Widerstände zum An- und Ausschalten verwenden, um die Schaltgeschwindigkeit beim An- und Ausschalten getrennt zu steuern.
1 stellt ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 dar, das als Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) bezeichnet werden kann. Ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 114 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 116 verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 114 können dazu in der Lage sein, als Elektromotor oder Generator zu arbeiten. Außerdem ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch mit einem Verbrennungsmotor 118 verbunden. Das Hybridgetriebe 116 ist zudem mechanisch mit einer Antriebswelle 120 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 122 verbunden ist. Die elektrischen Maschinen 114 können Antriebs- und Verlangsamungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 118 an- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 114 können zudem als Generatoren fungieren und können Kraftstoffeffizienzvorteile bereitstellen, indem Energie zurückgewonnen wird, die normalerweise in einem Reibungsbremssystem als Wärme verloren gehen würde. Die elektrischen Maschinen 114 können zudem Fahrzeugemissionen verringern, indem ermöglicht wird, dass der Verbrennungsmotor 118 mit effizienteren Drehzahlen arbeitet, und ermöglicht wird, dass das Hybridelektrofahrzeug 112 im Elektromodus betrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor 118 unter bestimmten Bedingungen ausgeschaltet ist. Ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 kann zudem ein Batterieelektrofahrzeug (BEV) sein. In einer BEV-Konfiguration ist der Verbrennungsmotor 118 möglicherweise nicht vorhanden. In anderen Konfigurationen kann das elektrifizierte Fahrzeug 112 ein Vollhybridelektrofahrzeug (full hybrid-electric vehicle - FHEV) ohne Plug-in-Fähigkeit sein.
Eine Antriebsbatterie oder ein Batteriepack 124 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 114 verwendet werden kann. Das Fahrzeugbatteriepack 124 kann einen Hochspannungsgleichstrom(DC)-Ausgang bereitstellen. Die Antriebsbatterie 124 kann elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 126 verbunden sein. Ein oder mehrere Schütze 142 können die Antriebsbatterie 124 von anderen Komponenten isolieren, wenn sie geöffnet sind, und die Antriebsbatterie 124 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 126 ist zudem elektrisch mit den elektrischen Maschinen 114 verbunden und stellt die Fähigkeit bereit, Energie bidirektional zwischen der Antriebsbatterie 124 und den elektrischen Maschinen 114 zu übertragen. Zum Beispiel kann eine Antriebsbatterie 124 eine DC-Sannun bereitstellen während die elektrischen Maschinen 114 mit einem Dreiphasenwechselstrom (AC) arbeiten können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die DC-Spannung in einen Dreiphasenwechselstrom (AC) umwandeln, um die elektrischen Maschinen 114 zu betreiben. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasenwechselstrom (AC) von den elektrischen Maschinen 114, die als Generatoren fungieren, in die DC-Spannung umwandeln, die mit der Antriebsbatterie 124 kompatibel ist.
Das Fahrzeug 112 kann einen Wandler für variable Spannungen (variable-voltage converter - VVC) 152 beinhalten, der elektrisch zwischen der Antriebsbatterie 124 und dem Leistungselektronikmodul 126 verbunden ist. Der VVC 152 kann ein Gleichspannungsaufwärtswandler sein, der dazu ausgelegt ist, die durch die Antriebsbatterie 124 bereitgestellte Spannung zu erhöhen oder zu verstärken. Durch Erhöhen der Spannung können Stromanforderungen gesenkt werden, was zu einer Verringerung der Kabelgröße für das Leistungselektronikmodul 126 und die elektrischen Maschinen 114 führt. Ferner können die elektrischen Maschinen 114 mit besserer Effizienz und geringeren Verlusten betrieben werden.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Antriebsenergie kann die Antriebsbatterie 124 Energie für weitere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Das Fahrzeug 112 kann ein Gleichspannungswandlermodul 128 beinhalten, das den Hochspannungs-DC-Ausgang der Antriebsbatterie 124 in eine Niederspannungs-DC-Zufuhr umwandelt, die mit Niederspannungslasten des Fahrzeugs kompatibel ist. Ein Ausgang des Gleichspannungswandlermoduls 128 kann elektrisch mit einer Hilfsbatterie 130 (z. B. einer 12 V-Batterie) verbunden sein, um die Hilfsbatterie 130 zu laden. Die Niederspannungssysteme können elektrisch mit der Hilfsbatterie 130 verbunden sein. Eine oder mehrere elektrische Lasten 146 können mit dem Hochspannungsbus verbunden sein. Die elektrischen Lasten 146 können eine zugeordnete Steuerung aufweisen, welche die elektrischen Lasten 146 gegebenenfalls betreibt und steuert. Bespiele für elektrische Lasten 146 können ein Gebläse, ein elektrisches Heizelement und/oder ein Klimakompressor sein.
Das elektrifizierte Fahrzeug 112 kann dazu ausgelegt sein, die Antriebsbatterie 124 von einer externen Leistungsquelle 136 wiederaufzuladen. Die externe Leistungsquelle 136 kann eine Verbindung zu einer Steckdose sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder Elektrofahrzeugversorgungsgerät (electric vehicle supply equipment - EVSE) 138 verbunden sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann ein elektrisches Stromversorgungsnetz sein, wie es von einem Stromversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Das EVSE 138 kann eine Schaltung und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regeln und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 136 kann dem EVSE 138 elektrische Leistung als DC oder AC bereitstellen. Das EVSE 138 kann einen Ladestecker 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Der Ladeanschluss 134 kann jede Art von Anschluss sein, der dazu ausgelegt ist, Energie von dem EVSE 138 an das Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeanschluss 134 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem fahrzeugseitigen Leistungsumwandlungsmodul 132 verbunden sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann die Leistung bedingen, die von dem EVSE 138 zugeführt wird, um der Antriebsbatterie 124 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann mit dem EVSE 138 eine Schnittstelle bilden, um die Abgabe von Leistung an das Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 140 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlusses 134 zusammenpassen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch verbunden oder gekoppelt beschrieben sind, Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Verbindung übertragen.
Eine oder mehrere Radbremsen 144 können bereitgestellt sein, um das Fahrzeug 112 zu verlangsamen und eine Bewegung des Fahrzeugs 112 zu verhindern. Die Radbremsen 144 können hydraulisch betätigt, elektrisch betätigt oder eine Kombination davon sein. Die Radbremsen 144 können Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann weitere Komponenten beinhalten, um die Radbremsen 144 zu betreiben. Der Einfachheit halber zeigt die Figur eine einzige Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den weiteren Radbremsen 144 wird impliziert. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung beinhalten, um das Bremssystem 150 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 150 kann die Bremskomponenten überwachen und die Radbremsen 144 zum Verlangsamen des Fahrzeugs steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann zudem autonom arbeiten, um Funktionen wie etwa Stabilitätskontrolle umzusetzen. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Anwenden einer angeforderten Bremskraft umsetzen, wenn dies von einer weiteren Steuerung oder einer Unterfunktion angefordert wird.
Elektronische Module in dem Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann eine Vielzahl von Kommunikationskanälen beinhalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzwerks kann ein serieller Bus, wie etwa ein Controller Area Network (CAN), sein. Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernetnetzwerk laut der Definition durch die Normengruppe 802 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) beinhalten. Zusätzliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks können einzelne Verbindungen zwischen Modulen beinhalten und können Leistungssignale von der Hilfsbatterie 130 beinhalten. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks übertragen werden. Zum Beispiel können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuersignale über ein CAN oder einzelne Signale übertragen werden können. Das Fahrzeugnetzwerk kann beliebige Hardware- und Software-Komponenten beinhalten, die eine Übertragung von Signalen und Daten zwischen Modulen unterstützen. Das Fahrzeugnetzwerk ist in 1 nicht gezeigt, es kann jedoch impliziert sein, dass das Fahrzeugnetzwerk mit jedem elektronischen Modul verbunden sein kann, das in dem Fahrzeug 112 vorhanden ist. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (vehicle system controller - VSC) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
2 stellt ein Diagramm eines VVC 152 dar, der als Aufwärtswandler ausgelegt ist. Der VVC 152 kann Eingangsanschlüsse beinhalten, die durch die Schütze 142 mit Anschlüssen der Antriebsbatterie 124 verbunden sein können. Der VVC 152 kann Ausgangsanschlüsse beinhalten, die mit Anschlüssen des Leistungselektronikmoduls 126 verbunden sind. Der VVC 152 kann so betrieben werden, dass veranlasst wird, dass eine Spannung an den Ausgangsanschlüssen höher ist als eine Spannung an den Eingangsanschlüssen. Das Fahrzeug 112 kann eine VVC-Steuerung 200 beinhalten, die elektrische Parameter (z. B. Spannung und Strom) an verschiedenen Stellen innerhalb des VVC 152 überwacht und steuert. In einigen Anordnungen kann die VVC-Steuerung 200 als Teil des VVC 152 enthalten sein. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Ausgangsspannungsreferenz bestimmen: $V_{d c}^{*} .$
Die VVC-Steuerung 200 kann auf Grundlage der elektrischen Parameter und der Spannungsreferenz $V_{d c}^{*}$
ein Steuersignal bestimmen, das ausreicht, um zu veranlassen, dass der VVC 152 die gewünschte Ausgangsspannung erreicht. In einigen Anordnungen kann das Steuersignal als pulsweitenmoduliertes (PWM-) Signal umgesetzt sein, in dem ein Arbeitszyklus des PWM-Signals variiert ist. Das Steuersignal kann mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz betrieben werden. Die VVC-Steuerung 200 kann dem VVC 152 befehlen, die gewünschte Ausgangsspannung unter Verwendung des Steuersignals bereitzustellen. Das bestimmte Steuersignal, bei dem der VVC 152 betrieben wird, kann direkt mit dem Ausmaß an Spannungsverstärkung in Zusammenhang stehen, die von dem VVC 152 bereitzustellen ist.
Die Ausgangsspannung des VVC 152 kann gesteuert werden, um eine gewünschte Referenzspannung zu erreichen. In einigen Anordnungen kann der VVC 152 ein Aufwärtswandler sein. In einer Aufwärtswandleranordnung, in der die VVC-Steuerung 200 den Arbeitszyklus steuert, kann die ideale Beziehung zwischen der Eingangsspannung V_in und der Ausgangsspannung V_out und dem Arbeitszyklus D unter Verwendung der folgenden Gleichung veranschaulicht werden: $V_{o u t} = \frac{V_{i n}}{(1 - D)}$
Der gewünschte Arbeitszyklus D kann bestimmt werden, indem die Eingangsspannung (z. B. Antriebsbatteriespannung) gemessen wird und die Ausgangsspannung auf die Referenzspannung eingestellt wird. Der VVC 152 kann ein Abwärtswandler sein, der die Spannung vom Eingang zum Ausgang verringert. In einer Abwärtswandlungsanordnung kann ein anderer Ausdruck abgeleitet werden, der die Eingangs- und die Ausgangsspannung mit dem Arbeitszyklus in Beziehung stellt. In einigen Anordnungen kann der VVC 152 ein Abwärts-Aufwärts-Wandler sein, der die Eingangsspannung erhöhen oder absenken kann. Die hier beschriebene Steuerstrategie ist nicht auf eine bestimmte Topologie von Wandlern für variable Spannungen beschränkt.
Unter Bezugnahme auf 2 kann der VVC 152 das Spannungspotenzial der elektrischen Leistung, die von der Antriebsbatterie 124 bereitgestellt wird, verstärken oder „hochfahren“. Die Antriebsbatterie 124 kann Hochspannungs-(high voltage - HV-)DC-Leistung bereitstellen. In einigen Anordnungen kann die Antriebsbatterie 124 eine Spannung zwischen 150 und 400 Volt bereitstellen. Das Schütz 142 kann elektrisch in Reihe zwischen der Antriebsbatterie 124 und dem VVC 152 verbunden sein. Wenn das Schütz 142 geschlossen ist, kann die HV-DC-Leistung von der Antriebsbatterie 124 zum VVC 152 übertragen werden. Ein Eingangskondensator 202 kann elektrisch parallel mit der Antriebsbatterie 124 verbunden sein. Der Eingangskondensator 202 kann die Busspannung stabilisieren und Spannungs- und Stromwelligkeit verringern. Der VVC 152 kann die HV-DC-Leistung aufnehmen und das Spannungspotenzial der Eingangsspannung gemäß dem Arbeitszyklus verstärken oder „hochfahren“.
Ein Ausgangskondensator 204 kann elektrisch zwischen den Ausgangsanschlüssen des VVC 152 verbunden sein. Der Ausgangskondensator 204 kann die Busspannung stabilisieren und Spannungs- und Stromwelligkeit am Ausgang des VVC 152 verringern.
Ferner unter Bezugnahme auf 2 kann der VVC 152 eine erste Schaltvorrichtung 206 und eine zweite Schaltvorrichtung 208 beinhalten, um eine Eingangsspannung zu verstärken, um die verstärkte Ausgangsspannung bereitzustellen. Die Schaltvorrichtungen 206, 208 können dazu ausgelegt sein, selektiv einen Strom zu einer elektrischen Last (z. B. dem Leistungselektronikmodul 126 und den elektrische Maschinen 114) fließen zu lassen. Jede Schaltvorrichtung 206, 208 kann einzeln durch eine Gate-Treiberschaltung (nicht gezeigt) der VVC-Steuerung 200 gesteuert werden und kann jede Art eines steuerbaren Schalters beinhalten (z. B. einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder Feldeffekttransistor (FET)). Die Gate-Treiberschaltung kann jeder der Schaltvorrichtungen 206, 208 elektrische Signale bereitstellen, die auf dem Steuersignal basieren (z. B. Arbeitszyklus des PWM-Steuersignals). Eine Diode kann über jede der Schaltvorrichtungen 206, 208 verbunden sein. Die Schaltvorrichtungen 206, 208 können jeweils einen zugehörigen Schaltverlust aufweisen. Die Schaltverluste sind diejenigen Leistungsverluste, die während Zustandsänderungen der Schaltvorrichtung auftreten (z. B. An-/Aus- und Aus-/An-Übergänge). Die Schaltverluste können durch den hindurchfließenden Strom und die Spannung an der Schaltvorrichtung 206, 208 während des Übergangs quantifiziert werden. Die Schaltvorrichtungen können zudem zugehörige Leitungsverluste aufweisen, die auftreten, wenn die Vorrichtung angeschaltet wird.
Das Fahrzeugsystem kann Sensoren zum Messen elektrischer Parameter des VVC 152 beinhalten. Ein erster Spannungssensor 210 kann dazu ausgelegt sein, die Eingangsspannung zu messen (z. B. Spannung der Batterie 124), und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Eingangssignal (V_bat) bereitstellen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der erste Spannungssensor 210 die Spannung an dem Eingangskondensator 202 messen, die der Batteriespannung entspricht. Ein zweiter Spannungssensor 212 kann die Ausgangsspannung des VVC 152 messen und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Eingangssignal (V_dc) bereitstellen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der zweite Spannungssensor 212 die Spannung an dem Ausgangskondensator 204 messen, die der DC-Bus-Spannung entspricht. Der erste Spannungssensor 210 und der zweite Spannungssensor 212 können eine Schaltung beinhalten, um die Spannungen auf ein Niveau zu skalieren, das für die VVC-Steuerung 200 angemessen ist. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Schaltung beinhalten, um die Signale von dem ersten Spannungssensor 210 und dem zweiten Spannungssensor 212 zu filtern und zu digitalisieren.
Ein Eingangsinduktor 214 kann elektrisch in Reihe zwischen der Antriebsbatterie 124 und den Schaltvorrichtungen 206, 208 verbunden sein. Der Eingangsinduktor 214 kann zwischen dem Speichern und Freisetzen von Energie in dem VVC 152 wechseln, um das Bereitstellen der variablen Spannungen und Ströme als Ausgang des VVC 152 und das Erreichen der gewünschten Spannungsverstärkung zu ermöglichen. Ein Stromsensor 216 kann den Eingangsstrom durch den Eingangsinduktor 214 messen und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Stromsignal (I_L) bereitstellen. Der Eingangsstrom durch den Eingangsinduktor 214 kann ein Ergebnis der Spannungsdifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung des VVC 152, der Leitzeit der Schaltvorrichtungen 206, 208 und der Induktivität L des Eingangsinduktors 214 sein. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Schaltung enthalten, um das Signal von dem Stromsensor 216 zu skalieren, zu filtern und zu digitalisieren.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Ausgangsspannung des VVC 152 zu steuern. Die VVC-Steuerung 200 kann Eingaben von dem VVC 152 und anderen Steuerungen über das Fahrzeugnetzwerk empfangen und die Steuersignale bestimmen. Die VVC-Steuerung 200 kann die Eingangssignale $(V_{b a t}, V_{d c}, I_{L}, V_{d c}^{*})$
überwachen, um die Steuersignale zu bestimmen. Zum Beispiel kann die VVC-Steuerung 200 der Gate-Treiberschaltung Steuersignale bereitstellen, die einem Arbeitszyklusbefehl entsprechen. Die Gate-Treiberschaltung kann dann jede Schaltvorrichtung 206, 208 auf Grundlage des Arbeitszyklusbefehls steuern.
Die Steuersignale zu dem VVC 152 können dazu ausgelegt sein, die Schaltvorrichtungen 206, 208 mit einer bestimmten Schaltfrequenz anzutreiben. Innerhalb jedes Zyklus der Schaltfrequenz können die Schaltvorrichtungen 206, 208 mit dem angegebenen Arbeitszyklus betrieben werden. Der Arbeitszyklus definiert die Zeitspanne, in der sich die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem angeschalteten Zustand und einem ausgeschalteten Zustand befinden. Zum Beispiel kann ein Arbeitszyklus von 100 % die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem kontinuierlich angeschalteten Zustand ohne Ausschalten betreiben. Ein Arbeitszyklus von 0 % kann die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem kontinuierlich ausgeschalteten Zustand ohne Anschalten betreiben. Ein Arbeitszyklus von 50 % kann die Schaltvorrichtungen 206, 208 für den halben Zyklus in einem angeschalteten Zustand und für den halben Zyklus in einem ausgeschalteten Zustand betreiben. Die Steuersignale für die zwei Schalter 206, 208 können komplementär sein. Das heißt, dass das Steuersignal, das zu einer der Schaltvorrichtungen (z. B. 206) gesendet wird, eine invertierte Version des Steuersignals sein kann, das zu der anderen Schaltvorrichtung (z. B. 208) gesendet wird. Die Verwendung einer komplementären Steuerung der Schaltvorrichtungen 206, 208 ist wünschenswert, um einen Durchschusszustand zu vermeiden, bei dem Strom direkt durch eine High-Side-Schaltvorrichtung 206 und eine Low-Side-Schaltvorrichtung 208 fließt. Die High-Side-Schaltvorrichtung 206 wird auch als Durchlassvorrichtung 206 bezeichnet und die Low-Side-Schaltvorrichtung 208 wird auch als Ladevorrichtung 208 bezeichnet.
Der Strom, der von den Schaltvorrichtungen 206, 208 gesteuert wird, kann eine Welligkeitskomponente beinhalten, die eine Höhe aufweist, die mit einer Höhe des Stroms und dem Arbeitszyklus und der Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 variiert. In Bezug auf den Eingangsstrom tritt die Worst-Case-Welligkeitsstromgröße unter relativ hohen Eingangsstrombedingungen auf. Wenn der Arbeitszyklus fest ist, verursacht ein Anstieg des Induktorstroms einen Anstieg der Höhe des Welligkeitsstroms, wie in 4 veranschaulicht. Die Höhe des Welligkeitsstroms steht auch mit dem Arbeitszyklus in Verbindung. Die höchste Welligkeitsstromgröße tritt auf, wenn der Arbeitszyklus gleich 50 % ist. Die allgemeine Beziehung zwischen der Höhe des Induktorwelligkeitsstroms und dem Arbeitszyklus kann wie in 5 gezeigt sein. Auf Grundlage dieser Tatsachen kann es von Vorteil sein, Maßnahmen umzusetzen, um die Welligkeitsstromgröße unter Bedingungen mit Hochstrom und mittleren Arbeitszyklen zu verringern.
Bei der Konzeption des VVC 152 können die Schaltfrequenz und der Induktivitätswert des Induktors 214 ausgewählt werden, um eine maximal zulässige Welligkeitsstromgröße zu erfüllen. Die Welligkeitskomponente kann eine periodische Variation sein, die an einem DC-Signal auftritt. Die Welligkeitskomponente kann durch eine Welligkeitskomponentengröße und eine Welligkeitskomponentenfrequenz definiert sein. Die Welligkeitskomponente kann Harmonische aufweisen, die in einem hörbaren Frequenzbereich liegen, der zur Geräuschsignatur des Fahrzeugs beitragen kann. Ferner kann die Welligkeitskomponente Schwierigkeiten mit dem genauen Steuern von Vorrichtungen verursachen, die von der Quelle versorgt werden. Während Schaltübergängen können die Schaltvorrichtungen 206, 208 bei dem maximalen Induktorstrom (DC-Strom plus Welligkeitsstrom) ausgeschaltet werden, was an den Schaltvorrichtungen 206, 208 eine große Spannungsspitze verursachen kann. Aufgrund der Größen- und Kosteneinschränkungen kann der Induktivitätswert auf Grundlage des geleiteten Stroms ausgewählt werden. Im Allgemeinen kann die Induktivität aufgrund von Sättigung sinken, wenn der Strom steigt.
Die Schaltfrequenz kann so ausgewählt werden, dass eine Höhe der Welligkeitsstromkomponente in Worst-Case-Szenarien begrenzt wird (z. B. Bedingungen mit höchstem Eingangsstrom und/oder Arbeitszyklus nahe 50 %). Die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 kann so ausgewählt sein, dass sie eine Frequenz (z. B. 10 kHz) ist, die größer ist als eine Schaltfrequenz des Elektromotor/Generator-Wechselrichters (z. B. 5 kHz), der mit einem Ausgang des VVC 152 verbunden ist. In einigen Anwendungen kann die Schaltfrequenz des VVC 152 so ausgewählt sein, dass sie eine vorbestimmte feste Frequenz ist. Die vorbestimmte feste Frequenz ist im Allgemeinen dazu ausgewählt, Spezifikationen bezüglich Geräuschen und Welligkeitsstrom zu erfüllen. Die Auswahl der vorbestimmten festen Frequenz stellt jedoch womöglich nicht die beste Leistung über alle Betriebsregionen des VVC 152 bereit. Die vorbestimmte feste Frequenz kann beste Ergebnisse bei einer bestimmten Reihe von Betriebsbedingungen bereitstellen, kann aber bei anderen Betriebsbedingungen ein Kompromiss sein.
Das Erhöhen der Schaltfrequenz kann die Welligkeitsstromgröße verringern und Spannungsbelastungen an den Schaltvorrichtungen 206, 208 senken, kann aber zu höheren Schaltverlusten führen. Während die Schaltfrequenz für Worst-Case-Welligkeitsbedingungen ausgewählt sein kann, kann der VVC 152 nur für einen kleinen prozentualen Anteil der gesamten Betriebszeit unter den Worst-Case-Welligkeitsbedingungen arbeiten. Dies kann zu unnötig hohen Schaltverlusten führen, die die Kraftstoffeffizienz senken könnten. Außerdem kann die feste Schaltfrequenz das Geräuschspektrum in einem sehr engen Bereich konzentrieren. Die erhöhte Geräuschdichte in diesem engen Bereich kann zu spürbaren Problemen mit Geräuschen, Schwingungen und Rauigkeit (noise, vibration, and harshness - NVH) führen.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 auf Grundlage des Arbeitszyklus und des Eingangsstroms zu variieren. Die Variation der Schaltfrequenz kann die Kraftstoffeffizienz verbessern, indem Schaltverluste verringert werden und Probleme mit NVH verringert werden, während unter Worst-Case-Betriebsbedingungen Welligkeitsstromziele eingehalten werden.
Unter relativ hohen Strombedingungen können die Schaltvorrichtungen 206, 208 eine erhöhte Spannungsbelastung erleben. Bei einem maximalen Betriebsstrom des VVC 152 kann es gewünscht sein, eine relativ hohe Schaltfrequenz auszuwählen, die die Welligkeitskomponentengröße bei einem angemessenen Niveau von Schaltverlusten verringert. Die Schaltfrequenz kann derart auf Grundlage der Eingangsstromgröße ausgewählt sein, dass die Schaltfrequenz steigt, wenn die Eingangsstromgröße steigt. Die Schaltfrequenz kann bis zu einer vorbestimmten maximalen Schaltfrequenz erhöht werden. Die vorbestimmte maximale Schaltfrequenz kann auf einem Niveau sein, das einen Kompromiss zwischen niedrigeren Welligkeitskomponentengrößen und höheren Schaltverlusten bereitstellt. Die Schaltfrequenz kann in einzelnen Stufen oder kontinuierlich in dem Betriebsstrombereich geändert werden.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz als Reaktion darauf zu verringern, dass der Stromeingang geringer ist als ein vorbestimmter maximaler Strom. Der vorbestimmte maximale Strom kann ein maximaler Betriebsstrom des VVC 152 sein. Die Veränderung der Schaltfrequenz kann auf der Höhe des Stromeingangs zu den Schaltvorrichtungen 206, 208 basieren. Wenn der Strom größer ist als der vorbestimmte maximale Strom, kann die Schaltfrequenz auf eine vorbestimmte maximale Schaltfrequenz eingestellt werden. Wenn der Strom sinkt, sinkt die Höhe der Welligkeitskomponente. Durch Betrieb bei niedrigeren Schaltfrequenzen, werden Schaltverluste verringert, wenn der Strom sinkt. Die Schaltfrequenz kann auf Grundlage des Leistungseingangs zu den Schaltvorrichtungen variiert werden. Wenn die Eingangsleistung eine Funktion des Eingangsstroms und der Batteriespannung ist, können die Eingangsleistung und der Eingangsstrom auf eine ähnliche Weise verwendet werden.
Da der Welligkeitsstrom auch von dem Arbeitszyklus beeinflusst wird, kann die Schaltfrequenz auf Grundlage des Arbeitszyklus variiert werden. Der Arbeitszyklus kann auf Grundlage eines Verhältnisses der Eingangsspannung zu der Ausgangsspannung bestimmt werden. Demnach kann die Schaltfrequenz ebenfalls auf Grundlage des Verhältnisses zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung variiert werden. Wenn der Arbeitszyklus nahe 50 % ist, ist die vorhergesagte Welligkeitsstromgröße ein maximaler Wert, und die Schaltfrequenz kann auf die vorbestimmte maximale Frequenz eingestellt werden. Die vorbestimmte maximale Frequenz kann ein maximaler Schaltfrequenzwert sein, der so ausgewählt ist, dass die Welligkeitsstromgröße minimiert wird. Die Schaltfrequenz kann in einzelnen Stufen oder kontinuierlich in dem Arbeitszyklusbereich geändert werden.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz von der vorbestimmten maximalen Frequenz als Reaktion auf eine Höhe eines Unterschieds zwischen dem Arbeitszyklus und dem Arbeitszykluswert (z. B. 50 %), bei dem die vorhergesagte Welligkeitskomponentengröße ein Maximum ist, zu verringern. Wenn die Höhe des Unterschieds geringer ist als ein Schwellenwert, kann die Schaltfrequenz auf die vorbestimmte Frequenz eingestellt werden. Wenn die Höhe des Unterschieds sinkt, kann die Schaltfrequenz in Richtung der vorbestimmten maximalen Frequenz erhöht werden, um die Welligkeitskomponentengröße zu verringern. Wenn die Höhe des Unterschieds geringer ist als ein Schwellenwert, kann die Schaltfrequenz auf die vorbestimmte maximale Frequenz eingestellt werden.
Die Schaltfrequenz kann darauf beschränkt werden, zwischen der vorbestimmten maximalen Frequenz und einer vorbestimmten minimalen Frequenz zu sein. Die vorbestimmte minimale Frequenz kann ein Frequenzniveau sein, das höher ist als eine vorbestimmte Schaltfrequenz des Leistungselektronikmoduls 126, das mit einem Ausgang des Wandlers für variable Spannungen 152 verbunden ist. Die Schaltfrequenz kann zudem auf parasitärer Induktivität im Zusammenhang mit dem Gate des IGBT basieren.
In Bezug auf 3 wird ein System 300 zum Steuern eines elektronischen Leistungsmoduls (PEM) 126 bereitgestellt. Das PEM 126 aus 3 beinhaltet der Darstellung nach eine Vielzahl von Schaltern 302 (z. B. IGBTs), die dazu ausgelegt sind, kollektiv als ein Wechselrichter mit einem ersten, zweiten und dritten Phasenzweig 316, 318, 320 zu arbeiten. Während der Wechselrichter als Drei-Phasen-Wandler gezeigt ist, kann der Wechselrichter zusätzliche Phasenzweige beinhalten. Der Wechselrichter kann zum Beispiel ein Vier-Phasen-Wandler, ein Fünf-Phasen-Wandler, ein Sechs-Phasen-Wandler usw. sein. Außerdem kann das PEM 126 mehrere Umwandler enthalten, wobei jeder Umrichter in dem PEM 126 drei oder mehr Phasenzweige enthält. Das System 300 kann zum Beispiel zwei oder mehr Wechselrichter in dem PEM 126 steuern. Das PEM 126 kann ferner einen Gleichspannungswandler beinhalten, der Hochleistungsschalter (z. B. IGBTs) aufweist, um eine Eingangsspannung des Leistungselektronikmoduls durch Aufwärtswandlung, Abwärtswandlung oder eine Kombination davon in eine Ausgangsspannung des Leistungselektronikmoduls umzuwandeln.
Wie in 3 gezeigt, kann der Wechselrichter ein Wandler sein. Im Betrieb nimmt der DC/AC-Wandler DC-Leistung aus einer DC-Stromverbindung 306 durch einen DC-Bus 304 auf und wandelt die DC-Leistung in AC-Leistung um. Die AC-Leistung wird über die Phasenströme ia, ib und ic übertragen, um eine AC-Maschine anzutreiben, die auch als elektrische Maschine 114 bezeichnet wird, wie etwa einen dreiphasigen permanenterregten Synchronmotor (permanent-magnet synchronous motor - PMSM), wie in 3 dargestellt. In einem derartigen Beispiel kann die DC-Stromverbindung 306 eine DC-Speicherbatterie beinhalten, um dem DC-Bus 304 DC-Leistung bereitzustellen. In einem weiteren Beispiel kann der Wechselrichter als AC/DC-Wandler arbeiten, der AC-Leistung aus der AC-Maschine 114 (z. B. dem Generator) in DC-Leistung umwandelt, die der DC-Bus 304 der DC-Stromverbindung 306 bereitstellen kann. Ferner kann das System 300 das PEM 126 in anderen Leistungselektroniktopologien steuern.
Unter weiterer Bezugnahme auf 3 beinhaltet jeder der Phasenzweige 316, 318, 320 in dem Wechselrichter Leistungsschalter 302, die durch verschiedene Arten von steuerbaren Schaltern umgesetzt werden können. In einer Ausführungsform kann jeder Leistungsschalter 302 eine Diode und einen Transistor (z. B. einen IGBT) enthalten. Die Dioden aus 3 sind als D_a1, D_a2, D_b1, D_b2, D_c1 und D_c2 beschriftet, während die IGBTs aus 3 jeweils als S_a1, S_a2, S_b1, S_b2, S_c1 und S_c2 beschriftet sind. Die Leistungsschalter S_a1, S_a2, D_a1 und D_a2 sind Teil eines Phasenzweigs A des Drei-Phasen-Wandlers, der in 3 als der erste Phasenzweig A 316 gekennzeichnet ist. Gleichermaßen sind die Leistungsschalter S_b1, S_b2, D_b1 und D_b2 Teil eines Phasenzweigs B 318 und die Leistungsschalter S_c1, S_c2, D_c1 und D_c2 Teil eines Phasenzweigs C 320 des Drei-Phasen-Wandlers. Der Wechselrichter kann in Abhängigkeit von der konkreten Anordnung des Wechselrichters eine beliebige Anzahl der Leistungsschalter 302 oder Schaltungselemente beinhalten. Die Dioden (D_xx) sind mit den IGBTs (S_xx) parallel verbunden, doch da die Polaritäten für den ordnungsgemäßen Betrieb umgekehrt sind, wird diese Konfiguration häufig als antiparallel verbunden bezeichnet. Eine Diode in dieser antiparallelen Konfiguration wird auch eine Freilaufdiode genannt. Jeder Phasenzweig kann als zwei Schalter angesehen werden, die in einer Halbbrückenkonfiguration konfiguriert sind und ein typischer Dreiphasenleistungsumrichter schließt drei Halbbrücken ein.
Wie in 3 gezeigt, werden Stromsensoren CSa, CSb und CS_c bereitgestellt, um Stromfluss in den jeweiligen Phasenzweigen 316, 318, 320 zu erfassen. 3 zeigt die aktuellen Sensoren CSa, CSb und CS_c separat von dem PEM 126. Die Stromsensoren CSa, CSb und CS_c können jedoch in Abhängigkeit von seiner Konfiguration als Teil des PEM 126 integriert sein. Die Stromsensoren CSa, CSb und CS_c aus 3 sind in Reihe mit jedem der Phasenzweige A, B und C (d. h. der Phasenzweige 316, 318, 320 in 3) installiert und stellen die jeweiligen Rückkopplungssignale i_as, i_bs und i_cs (ebenfalls in 3 veranschaulicht) für das System 300 bereit. Die Rückkopplungssignale i_as, i_bs und i_cs können rohe Stromsignale sein, die von einer Logikvorrichtung (logic device - LD) 310 verarbeitet werden, oder können in Daten oder Informationen über den Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318, 320 eingebettet oder codiert sein. Zudem können die Leistungsschalter 302 (z. B. IGBTs) eine Stromerfassungsfähigkeit beinhalten. Die Stromerfassungsfähigkeit kann beinhalten, dass sie mit einem Stromspiegelausgang ausgelegt ist, wodurch Daten/Signale bereitgestellt werden können, die für i_as, i_bs und i_cs repräsentativ sind. Die Daten/Signale können eine Richtung eines Stromflusses, eine Höhe des Stromflusses oder sowohl die Richtung als auch die Höhe des Stromflusses durch die jeweiligen Phasenzweige A, B und C angeben.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 beinhaltet das System 300 zudem eine Logikvorrichtung (LD) oder Steuerung 310. Die Steuerung oder LD 310 kann durch verschiedene Arten oder Kombinationen von elektronischen Vorrichtungen und/oder mikroprozessorbasierten Computern oder Steuerungen umgesetzt sein. Um ein Verfahren zum Steuern des PEM 126 umzusetzen, kann die Steuerung 310 ein Computerprogramm oder einen Algorithmus ausführen, das/der in dem Verfahren eingebettet oder codiert ist und in einem flüchtigen und/oder dauerhaften Speicher 312 gespeichert ist. Alternativ kann Logik in einzelner Logik, einem Mikroprozessor, einem Mikrocontroller oder einer Logik- oder Gate-Anordnung, die auf einem oder mehreren integrierten Schaltungschips gespeichert ist, kodiert sein. Wie in der Ausführungsform aus 3 gezeigt, empfängt und verarbeitet die Steuerung 310 die Rückkopplungssignale i_as, i_bs und i_cs, um die Phasenströme i_a, i_b und i_c zu steuern, sodass die Phasenströme i_a, i_b und i_c gemäß verschiedenen Strom- oder Spannungsmustern durch die Phasenzweige 316, 318, 320 und in die jeweiligen Wicklungen der elektrischen Maschine 114 fließen. Die Strommuster können zum Beispiel Muster der Phasenströme i_a, i_b und i_c beinhalten, die in den und weg von dem DC-Bus 304 oder einem DC-Bus-Kondensator 308 fließen. Der DC-Bus-Kondensator 308 aus 3 ist separat zu dem PEM 126 gezeigt. Der DC-Bus-Kondensator 308 kann jedoch als Teil des PEM 126 integriert sein.
Wie in 3 gezeigt, kann ein Speichermedium 312 (nachfolgend „Speicher“), wie etwa ein computerlesbarer Speicher, das Computerprogramm oder den Algorithmus speichern, das/der in dem Verfahren eingebettet oder codiert ist. Außerdem kann der Speicher 312 Daten oder Informationen über die verschiedenen Betriebsbedingungen oder Komponenten in dem PEM 126 speichern. Der Speicher 312 kann zum Beispiel Daten oder Informationen über Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318, 320 speichern. Der Speicher 312 kann wie 3 gezeigt Teil der Steuerung 310 sein. Der Speicher 312 kann jedoch an jeder geeigneten Stelle positioniert werden, auf die durch die Steuerung 310 zugegriffen werden kann.
Wie in 3 gezeigt, überträgt die Steuerung 310 mindestens ein Steuerungssignal 236 an das Leistungswandlersystem 126. Das Leistungswandlersystem 126 empfängt das Steuersignal 322, um die Schaltanordnung des Wechselrichters und daher den Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318 und 320 zu steuern. Die Schaltanordnung ist ein Satz von Schaltzuständen der Leistungsschalter 302 in dem Wechselrichter. Im Allgemeinen bestimmt die Schaltanordnung des Wechselrichters, wie der Wechselrichter Leistung zwischen der DC-Stromverbindung 306 und der elektrischen Maschine 114 umwandelt.
Um die Schaltanordnung des Wechselrichters zu steuern, ändert der Wechselrichter den Schaltzustand jedes Leistungsschalters 302 im Wechselrichter auf Grundlage des Steuersignals 322 entweder in einen AN-Zustand oder einen AUS-Zustand. In der veranschaulichten Ausführungsform stellt die Steuerung/LD 310 jedem Leistungsschalter 302 die Gatespannung (Vg) bereit, um den Leistungsschalter 302 entweder in den AN- oder AUS-Zustand zu schalten, und treibt daher den Schaltzustand jedes Leistungsschalters 302 an. Die Gatespannungen Vg_a1, Vg_a2, Vg_b1, Vg_b2, Vg_c1 und Vg_c2 (in 3 gezeigt) steuern den Schaltzustand und Eigenschaften der jeweiligen Leistungsschalter 302. Während der Wechselrichter in 3 als eine spannungsgesteuerte Vorrichtung gezeigt ist, kann der Wechselrichter eine stromgesteuerte Vorrichtung sein oder durch andere Strategien gesteuert sein, die den Leistungsschalter 302 zwischen AN- und AUS-Zuständen schalten. Die Steuerung 310 kann den Gate-Treiber für jeden IGBT auf Grundlage der Drehzahl der elektrischen Maschine 114, des Spiegelstroms oder einer Temperatur des IGBT-Schalters ändern. Die Änderung des Gate-Treibers kann aus einer Vielzahl von Gate-Treiberströmen ausgewählt sein, bei denen die Änderung des Gate-Treiberstroms proportional zu einer Änderung der IGBT-Schaltgeschwindigkeit ist.
Wie ebenfalls in 3 gezeigt, beinhaltet jeder Phasenzweig 316, 318 und 320 zwei Schalter 302. Es kann sich jedoch nur ein Schalter in jedem der Zweige 316, 318, 320 in dem AN-Zustand befinden, ohne die DC-Stromverbindung 306 kurzzuschließen. Daher ist in jedem Phasenzweig der Schaltzustand des unteren Schalters typischerweise dem Schaltzustand des entsprechenden oberen Schalters entgegengesetzt. Die oberen Schalter werden üblicherweise als High-Side-Schalter (d. h. 302A, 302B, 302C) bezeichnet und die unteren Schalter werden üblicherweise als Low-Side-Schalter (d. h. 302D, 302E, 302F) bezeichnet. Folglich bezieht sich ein HOHER Zustand eines Phasenzweigs darauf, dass sich der obere Schalter in dem Zweig im AN-Zustand befindet, wobei sich der untere Schalter im AUS-Zustand befindet. Gleichermaßen bezieht sich ein NIEDRIGER Zustand des Phasenzweigs darauf, dass sich der obere Schalter in dem Zweig im AUS-Zustand befindet, wobei sich der untere Schalter im AN-Zustand befindet. Infolgedessen können sich IGBTs mit Stromspiegelfähigkeit an allen IGBTs, einer Teilmenge der IGBTs (z. B. S_a1, S_b1, S_c1) oder einem einzigen IGBT befinden.
Zwei Situationen können während eines aktiven Zustands des beispielhaften Drei-Phasen-Wandlers auftreten, der in 2 veranschaulicht ist: (1) Zwei Phasenzweige befinden sich in dem HOHEN Zustand, während sich der dritte Phasenzweig in dem NIEDRIGEN Zustand befindet, oder (2) ein Phasenzweig befindet sich in dem HOHEN Zustand, während sich die beiden anderen Phasenzweige in dem NIEDRIGEN Zustand befinden. Daher befindet sich ein Phasenzweig in dem Drei-Phasen-Wandler, der als die „Referenz“-Phase für einen bestimmten aktiven Zustand des Wechselrichters definiert sein kann, in einem Zustand, der den anderen beiden Phasenzweigen, oder „Nicht-Referenz“-Phasen, die denselben Zustand aufweisen, entgegengesetzt ist. Folglich befinden sich die Nicht-Referenz-Phasen während eines aktiven Zustands des Wechselrichters entweder beide in dem HOHEN Zustand oder beide in dem NIEDRIGEN Zustand.
4 ist ein schematisches Diagramm eines dualen Systems einer elektrischen Maschine und eines Wechselrichters 400, das eine Antriebsbatterie 402 und einen Wandler für variable Spannungen 410 dazwischen aufweist. Das System 400 ist ausgelegt, zwei elektrische Maschinen 404, 406 durch zwei unabhängige DC/AC-Leistungswechselrichter 412 bzw. 414 anzutreiben. Den beiden unabhängigen DC/AC-Leistungswechselrichtern 412 und 414 wird Leistung durch den variablen Spannungswandler 410 zugeführt, der mit der Batterie 402 verbunden ist.
5A ist eine graphische Veranschaulichung von Leistungsgrenzen 500 einer elektrischen Maschine bei einem Elektromotordrehmoment 502 im Hinblick auf Winkelgeschwindigkeit 504 und eine Busspannung. Ein Wechselrichtersystem, wie zum Beispiel das Wechselrichtersystem 400 aus 4, das den Gleichspannungswandler 410 (VVC) beinhaltet, der ausgelegt ist, um entweder Leistung von der Batterie an die Wechselrichter 412, 414 zu übertragen oder die Leistung umzuwandeln. Die Leistung wird durch Öffnen des Low-Side-Schalters und Schließen des High-Side-Schalters übertragen, so dass die Leistung zwischen der Batterie 402 und den Wechselrichtern 412, 414 bei Batteriespannung strömt. Leistung wird durch modulieren des High-Side-Schalters und Low-Side-Schalters unter Verwendung des Induktionsfeldes übertragen, dass im Induktor L erzeugt wird, um die Eingangs- und die Ausgangsspannung zu ändern. Wenn der VVC in einem Durchgangsmodus betrieben wird, wird Leistung, die in der Lage ist, von der elektrischen Maschine bereitgestellt zu werden, im nicht verstärkenden Bereich 506 gezeigt. Der nicht verstärkende Bereich 506 ändert sich auf Grundlage von Drehmoment 502 und Winkelgeschwindigkeit, die auch als Drehzahl 504 bezeichnet wird. Wenn der Leistungsbedarf größer als die verfügbare Leistung im nicht verstärkenden Bereich 506 ist, kann der VVC die Ausgangsspannung erhöhen, so dass das System in einem Verstärkungsbereich 508 betrieben werden kann. Im Allgemeinen ist die elektrische Maschine ausgelegt, ein maximales Drehmoment ungeachtet der Drehzahl 504 bereitzustellen, bei vielen Drehzahlen ist das maximale Drehmoment jedoch nur im Verstärkungsbereich 508 verfügbar. Ferner erfordern viele Betriebspunkte (d. h. Drehmoment 502 bei einer gegebenen Drehzahl 504), in Abhängigkeit von der Systemanordnung, dass der VVC die Spannung verstärkt, um im Verstärkungsbereich 508 betrieben zu werden. Häufig sind Gleichspannungswandlersysteme (z. B. VVC und Wechselrichter) ausgelegt, um die Spannung durchgehend zu verstärken und die Spannung zu variieren, um den Leistungsbedarf derartig zu erfüllen, dass sich die Leistung zu den Wechselrichtern 412, 414 durchgehend ändert.
5B ist eine graphische Veranschaulichung 510 einer Busspannung 512 für einen variablen Spannungswechselrichter, der dem Wechselrichter im Hinblick auf Zeit 514 währende eines Fahrzyklus eines Hybridfahrzeugs durchgehend unterschiedliche Spannung zuführt. Hier wird das Spannungsprofil 516 der Busspannung 512 im Hinblick auf die Zeit 514 gezeigt. In dieser graphischen Veranschaulichung 510 ist zu beachten, dass bei Zeit 0 (d. h. der Beginn des Spannungsprofils 516) die DC-Busspannung 512 ebenso Batteriespannung ist und dass der VVC sich im Durchgangsmodus befindet, wonach der gesamte Betrieb das Verstärken der Batteriespannung derartig erfordert, dass sich der Betrieb im Verstärkungsbereich 508 befindet. Dies würde durchgängiges Ändern des Arbeitszyklus des Aufwärtswandlers erfordern und deshalb regelmäßige DC-Busspannungsschwankungen vermeiden.
6A ist eine graphische Veranschaulichung 600 von Leistungsgrenzen einer elektrischen Maschine bei einem Elektromotordrehmoment 602 im Hinblick auf Winkelgeschwindigkeit 604 und eine Busspannung. Wenn der VVC in einem Durchgangsmodus betrieben wird, wird Leistung, die in der Lage ist, von der elektrischen Maschine bereitgestellt zu werden, im nicht verstärkenden Bereich 606 gezeigt. Nachdem die Busspannung in Stufen erhöht wurde, ist die erste Stufe Leistung, die einer ersten DC-Busspannung V₁ 608 zugeordnet wird, die zweite Stufe ist Leistung, die einer zweiten DC-Busspannung V₂ 610 zugeordnet wird, die dritte Stufe ist Leistung, die einer dritten DC-Busspannung V₃ 612 zugeordnet wird und die vierte Stufe ist Leistung, die einer vierten DC-Busspannung V₄ 614 zugeordnet wird. Ein Stufenpegel ist eine Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden DC-Busspannungspegeln. Ein Stufenintervall ist eine Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden Stufen (608, 610, 612, 614). Zum Beispiel kann ein erstes Stufenintervall bei 0 beginnen und den nicht verstärkenden Bereich 606 beinhalten, ein zweiter Stufenintervall kann beim nicht verstärkenden Bereich 606 beginnen und die erste DC-Busspannung V₁ 608 beinhalten, und so weiter. Hier können die Stufen einem Prozentsatz der Zeit zugeordnet werden, bei der die elektrische Maschine innerhalb eines Bereiches betrieben wird (d. h. Elektromotorbetrieb), der auf Drehmoment, Drehzahl und Leistung basiert. Der Prozentsatz kann ein Zehntel der Gesamtbetriebszeit (d. h. 10 %, 20 % etc.), gleichermaßen ein Viertel der Gesamtbetriebszeit (d. h. 25 %, 50 % etc.) oder eine andere symmetrische oder asymmetrische Aufteilung des Elektromotorbetriebs sein. Zum Beispiel kann eine Steuerung die erste DC-Busspannung V₁ 608 auf eine Spannung einstellen, die dem Elektromotorbetrieb zwischen 100 % und 75 % der Zeit zugeordnet ist, die Verstärken erfordert. Gleichermaßen kann die Steuerung die DC-Busspannung V₂ 610 auf die Spannung einstellen, die dem Elektromotorbetrieb zwischen 75 % und 50 % der Zeit zugeordnet ist, die DC-Busspannung V₃ 612 auf die Spannung einstellen, die dem Elektromotorbetrieb zwischen 50 % und 25 % der Zeit zugeordnet ist, und kann die DC-Busspannung V₄ 614 auf die Spannung einstellen, die dem Elektromotorbetrieb zwischen 25 % und 0 % der Zeit zugeordnet ist. Die Betriebspunkte können auf einen vorbestimmten Spannungssatz kalibriert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Steuerung jede DC-Busspannung (V₁ 608, V₂ 610, V₃ 612 und V₄ 614) dynamisch auf Grundlage historischen Fahrens, Gelände und Bedingungen angepasst werden. In noch einer weiteren Ausführungsform können die DC-Busspannungen (V₁ 608, V₂ 610, V₃ 612 und V₄ 614) auf Grundlage eines Fahrmodus vorbestimmt sein. Zum Beispiel kann der Gleichspannungswandler darauf begrenzt sein, bei bestimmten Spannungen auf Grundlage einer Fahrerauswahl betrieben zu werden. Es sind Benutzerauswahlen zu beachten, wie zum Beispiel Sparsam, die den Betrieb auf nicht verstärkend und V₁ 608 begrenzen kann; während der Normal-Betrieb auf nicht verstärkend, V₁ 608 und V₂ 610 begrenzt werden kann; der Sport-Modus auf nicht verstärkend, V₁ 608, V₂ 610 und V₃ 612 begrenzt werden kann; und der Leistungsmodus alle Verstärkungsfähigkeiten ermöglichen kann, darunter nicht verstärkend, V₁ 608, V₂ 610, V₃ 612 und V₄ 614. Die Steuerung kann ebenfalls ausgelegt sein, in einer Kombination betrieben zu werden, wie zum Beispiel der vorstehend beschriebene Fahrmodus und zusätzlich dynamisches Anpassen der Spannungsgrenzen auf Grundlage von historischem Fahren, Gelände und Bedingungen. Einige der Bedingungen können Fahrzeuggewicht aufgrund von Zuladung oder Insassen und Straßenbedingungen beinhalten, wie zum Beispiel Schnee oder Gelände (Schlamm, Sand). Der Prozentsatz der Betriebszeit kann auf derartiger historischer Verwendung basieren, dass zwei Fahrzeuge, die verschiedene Fahrer aufweisen, sich an den Fahrstil jedes unabhängigen Fahrers anpassen. Zum Beispiel kann die Stufenhöhe eines Prozentsatzes der Betriebszeit für einen Fahrer mit „einem Bleifuß“ höher sein als derselbe Prozentsatz der Betriebszeit für einen Fahrer mit „einem leichten Fuß“.
Ein Gleichspannungswandler kann häufig in der Lage sein, eine Spannung bei einer Anzahl von Spannungen auszugeben. Zum Beispiel kann ein Gleichspannungswandler ausgelegt sein, eine Spannung auf Grundlage einer Auflösung eines PWM-Timers (z. B. kann ein 8-Bit-Timer in der Lage sein, 256 Pegel zu lösen, ein 10-Bit-Timer kann in der Lage sein, 1024 Pegel zu lösen, und ein 16-Bit-Timer kann in der Lage sein, 65.536 Pegel zu lösen) auszugeben, und deshalb kann der Gleichspannungswandler in der Lage sein, 256 Pegel auf Grundlage des 8-Bit-Timers oder 1024 Pegel auf Grundlage des 10-Bit-Timers auszugeben. Hier sind die Ausgabespannungen auf einen Bruchteil der Gesamtanzahl der möglichen Pegel begrenzt. Zum Beispiel kann ein Gleichspannungswandler mit einem 8-Bit-Timer, der in der Lage ist, 256 Pegel zu lösen, ausgelegt sein, nur 16 Pegel auszugeben, wodurch der Schaltverlust verringert wird. Ferner können die 16 Pegel auf Grundlage eines Betriebsmodus (Leistung, Sport, Normal oder Sparsam) vorbestimmt werden oder können auf Grundlage eines vorhergesagten Prozentsatzes des Betriebs vorbestimmt werden, der während der Kalibrierung bestimmt wird.
6B ist eine graphische Veranschaulichung 620 einer Busspannung 622 für einen variablen Spannungswechselrichter, der dem Wechselrichter im Hinblick auf Zeit 624 während eines Fahrzyklus eines Hybridfahrzeugs abgestufte Spannungen zuführt. Hier kann eine Steuerung ausgelegt sein, einen Gleichspannungswandler zu modulieren, um eine DC-Busspannung 622 anzupassen, um die benötigte Leistung bei einer gegebenen Drehmomentanforderung und Winkelgeschwindigkeit bereitzustellen. Im Gegensatz zum durchgehenden Profil 626 wird jedoch bei Verwendung eines abgestuften Profils 630 die DC-Busspannung 622 ein einer begrenzten Anzahl von Stufen ausgegeben. Die begrenzte Anzahl von Stufen kann eine vorbestimmte Anzahl von Stufen sein, zum Beispiel kann die vorbestimmte Anzahl 5, 10, 256, 1024 oder eine andere ganze Zahl sein. Jede der begrenzten Anzahl von Stufen kann von einem Satz vorbestimmter Stufen wie vorstehend beschrieben ausgewählt werden oder kann dynamisch auf Grundlage historischen Betriebs, von Fahrereingabe, Gelände, Standort oder Straßenbedingungen berechnet werden. Hier werden insgesamt 5 Stufen gezeigt; wenn der VVC sich in einem Durchgangsmodus befindet, ist die Spannung eine nicht verstärkende Spannung 630A, die in einem nicht verstärkendem Bereich 606 betrieben würde. Eine erste Verstärkungsspannung V₁ 630B würde im nicht verstärkenden Bereich 606 und einem V₁-Bereich 608 betrieben werden. Eine zweite Verstärkungsspannung V₂ 630C würde im nicht verstärkenden Bereich 606, dem V₁-Bereich 608 und einem V₂-Bereich 610 betrieben werden. Eine dritte Verstärkungsspannung V₃ 630D würde im nicht verstärkenden Bereich 606, dem V₁-Bereich 608, dem V₂-Bereich 610 und einem V₃-Bereich 612 betrieben werden. Die letzte Verstärkungsspannung V₄ 630E würde im nicht verstärkenden Bereich 606, dem V₁-Bereich 608, dem V₂-Bereich 610, dem V₃-Bereich 612 und einem V₄-Bereich 614 betrieben werden. Hier wird gezeigt, wie die Spannungsstufen variieren oder sich die Spannung zwischen jeder Stufe ändert. In anderen Ausführungsformen kann die Änderung der Spannung zwischen Stufen gleich oder eine Kombination aus gleich und ungleich sein. Es gibt, ebenfalls wie gezeigt, Punkte, an denen die abgestufte Spannung zusätzliche Leistung bei gegebenem Drehmoment und gegebener Drehzahl bereitstellt, und gleichermaßen gibt es Punkte, bei denen es einen Mangel an geforderter Leistung bei einem gegebenen Drehmoment und einer gegebenen Drehzahl im Hinblick auf die abgestuften Profile 628 gibt. Dies kann erfolgen, um die Spannungspegelschalt- und zugeordneten Verluste zu verringern.
Ferner kann dieses abgestufte Profil 628 die Spannung auf einem konkreten Spannungspegel halten, wenn es erfasst, dass der elektrische Antriebsstrang bei einer erhöhten oder abgesenkten Spannungsstufe betrieben werden kann, um weniger zu schalten. Wenn bestimmt wird, dass der elektrische Antriebsstrang in einer erhöhten oder abgesenkten Spannungsstufe betrieben werden kann, kann die Steuerung den derzeitigen Spannungspegel halten, wenn die Steuerung bestimmt, dass die erhöhte oder abgesenkte Spannungsstufe dahingehend zeitweilig ist, dass die Zeit, die der erhöhten oder abgesenkten Spannungsstufe zugeordnet wird, geringer als eine vorbestimmte Zeitspanne ist. Diese vorbestimmte Zeitspanne kann Leistungsübertragungsverlusten zugeordnet werden und eine Änderungsrate der DC-Busspannung des Gleichspannungswandlers ist in der Lage, ein gegebenes Drehmoment und eine gegebene Drehzahl zu erzeugen.
Hier beginnt das Fahrzeug mit einem ersten Verstärkungspegel 630A und bei Erreichen eines ersten Zeitpunkts t₁ 632 erhöht die Steuerung auf Grundlage einer Änderungsrate des Leistungsbedarfs bei einem gegebenen Drehmoment und einer gegebenen Drehzahl die Verstärkungsspannung 622 auf einen dritten Verstärkungspegel V₃ 630D. Wenn die Steuerung dem betriebenen Gleichspannungswandler befiehlt, den ersten Verstärkungspegel V₁ 630B auf einen dritten Verstärkungspegel V₃ 630D zu erhöhen, erzeugt der Gleichspannungswandler den zweiten Verstärkungspegel V₂ 630C lediglich als Übergang beim Erhöhen von dem ersten auf den dritten. Die Steuerung hält dann den Verstärkungspegel vom ersten Zeitpunkt t₁ 632 bis zum zweiten Zeitpunkt t₂ 634 wenn der Leistungsbedarf unter der maximal verfügbaren Leistung bei dieser DC-Busspannung 622 gehalten wird (z. B. der dritte Verstärkungspegel V₃ 630D). Mit abnehmendem Leistungsbedarf befiehlt die Steuerung dem Gleichspannungswandler beim zweiten Zeitpunkt t₂ 634, auf dem zweiten Verstärkungspegel V₂ 630C betrieben zu werden. Zwischen dem zweiten Zeitpunkt t₂ 634 und dem dritten Zeitpunkt t₃ 636 schwankt der Leistungsbedarf und fällt zeitweise unter den ersten Verstärkungspegel V₁ 630B, die Steuerung kann jedoch ausgelegt sein, den Verstärkungspegel auf dem zweiten Verstärkungspegel V₂ 630C auf Grundlage einer vorhergesagten zukünftigen Arbeit zu halten. Die vorhergesagte zukünftige Arbeit kann auf Navigationsdaten basieren, die Verbindung mit der Steuerung stehen, wobei die Navigationsdaten Änderungen im Gelände, im Neigungswinkel, der Straßenbedingungen und des Verkehrs entlang einer Strecke beinhalten, die durch ein Navigationssystem kartiert wurde. Wenn der Leistungsbedarf geringer als die verfügbare Leistung bei der derzeitigen Verstärkungsspannung ist, aber dies nur für einen kurzen Zeitraum gilt, kann die Steuerung die Spannung auf dem derzeitigen Pegel halten, um Umlaufverluste zu verringern.
Gleichermaßen kann die Steuerung, wenn der Leistungsbedarf größer als die verfügbare Leistung bei der derzeitigen Verstärkungsspannung ist, aber dies nur für einen kurzen Zeitraum gilt, die Spannung auf dem derzeitigen Pegel halten, um Schaltverluste zu verringern, obwohl dies zu einer leichten Verminderung der aktuellen Leistung führen kann. Die Steuerung kann die Verstärkerspannung 622 wie gezeigt stufenweise erhöhen oder absenken, wenn die abgestufte Spannung 628 vom Zeitpunkt t₃ 636 zu t4 638 und von Zeitpunkt t₅ 640 zu Zeitpunkt t₆ 642 fortschreitet. Analog zur Arbeit zwischen den Zeitpunkten t₂ 634 und t₃ 636, wird der Leistungsbedarf bei der Arbeit zwischen den Zeitpunkten t₆ 642 und t₇ 644 bei einer DC-Busspannung 622 (d. h. Verstärkungspegel 630C) gehalten, selbst wenn der Leistungsbedarf aktuell über die verfügbare Leistung beim Verstärkungspegel 630C erhöht wird oder wenn der Leistungspegel unter den nächsttieferen Verstärkungspegel (d. h. Verstärkungspegel 630B) fällt.
In einigen Fällen kann der Gleichspannungswandler ausgelegt sein, die DC-Busspannung 622 zu begrenzen, zum Beispiel, wenn ein Fahrzeug in einem Leistungsmodus betrieben würde, wären alle DC-Busspannungspegel 630 (Stufenspannungen) verfügbar, wenn ein Fahrzeugführer jedoch einen darunterliegenden Modus auswählen würde, wie zum Beispiel einen Sportmodus, dann könnte der DC-Busspannungspegel auf einen Sportpegel 630D begrenzt sein, bei dem jeder Leistungsbedarf, der größer ist, als hinsichtlich Drehmoment, Drehzahl und Busspannung verfügbar ist, die Leistung zum Antriebsstrang begrenzt.
7 ist eine graphische Veranschaulichung 700 von Leistungsgrenzen einer elektrischen Maschine bei einem Elektromotordrehmoment 702 im Hinblick auf Winkelgeschwindigkeit 704 und eine Busspannung, die ferner Betriebsregionen veranschaulichen. Analog zu vorherigen graphischen Veranschaulichungen ist die Leistung, die bei einem gegebenen Drehmoment 702 und einer gegebenen Winkelgeschwindigkeit 704 bei einer Busspannung, bei der die Batteriespannung durch den Gleichspannungswandler geleitet wird, verfügbar ist, ein nicht verstärkender Bereich 706 und eine maximale Leistung ist bei einem gegebenen Drehmoment 702 und einer Winkelgeschwindigkeit 704 verfügbar, wenn der Gleichspannungswandler die Batteriespannung innerhalb eines maximalen Verstärkungsbereiches 712 verstärkt. Innerhalb des maximalen Verstärkungsbereiches befinden sich Betriebsregionen, wie zum Beispiel eine Stadtregion 708 und eine Autobahnregion 710. Grundsätzlich wird das Fahrzeug, wenn das Fahrzeug auf Stadtstraßen betrieben wird, für einen Großteil der Zeit in der Stadtregion 708 betrieben. Der Großteil der Zeit kann ein konkreter Prozentsatz der Zeit sein, die Verstärkung erfordert, wie zum Beispiel 70 %, 80 % oder 90 %. Demnach kann die Steuerung ausgelegt sein, bei einer DC-Busspannung betrieben zu werden, um die Leistung bereitzustellen, die notwendig ist, um in der Stadtregion 708 betrieben zu werden. Der Steuerungsbetrieb kann auf einer Benutzereingabeauswahl (z. B. Fahrer wählt einen Stadtmodus) oder Navigationsdaten basieren, die Fahren in der Stadt anzeigen. Gleichermaßen kann die Steuerung ausgelegt sein, bei einer DC-Busspannung betrieben zu werden, um die Leistung bereitzustellen, die notwendig ist, um in der Autobahnregion 710 betrieben zu werden. Der Steuerungsbetrieb kann auf einer Benutzereingabeauswahl (z. B. Fahrer wählt einen Autobahnmodus) oder Navigationsdaten basieren, die aktuelles Bewegen auf einer Autobahn oder zukünftiges Fahren auf einer Autobahn anzeigen.
8 ist eine graphische Veranschaulichung 800 von Leistungsgrenzen einer elektrischen Maschine bei einem Elektromotordrehmoment 802 im Hinblick auf Winkelgeschwindigkeit 804 und eine Busspannung, die ferner Hysterese in begrenzten Betriebsregionen veranschaulichen. Die Leistung, die bei einem gegebenen Drehmoment 802 und einer gegebenen Winkelgeschwindigkeit 804 bei einer Busspannung, bei der die Batteriespannung durch den Gleichspannungswandler geleitet wird, verfügbar ist, ist ein nicht verstärkender Bereich 806 und eine maximale Leistung ist bei einem gegebenen Drehmoment 802 und einer Winkelgeschwindigkeit 804 verfügbar, wenn der Gleichspannungswandler die Batteriespannung innerhalb eines maximalen Verstärkungsbereiches verstärkt. Innerhalb des maximalen Verstärkungsbereiches befindet sich eine Betriebsregion 810, die einen konkreten Punkt aufweist, bei dem der Leistungsbedarf ein konkrete/s Drehmoment 802, Drehzahl 804 und Busspannung erfordert. In dieser Betriebsregion 810 (z. B. verfügbare Leistung bei einer gegebenen DC-Busspannung und Reichweite des Drehmoments 802 und der Drehzahl 804) kann die Steuerung die DC-Busspannung halten, so dass die Leistung verfügbar ist, die größer als die Leistungsbedarfe ist. Die Steuerung kann beim Betreiben in der Region 810 ausgelegt sein, Hysterese zu verwenden, damit die Steuerung die DC-Busspannung halten kann. Wenn ein Leistungsbedarf 814 jedoch außerhalb des Umfangs der Betriebsregion 810 liegt, kann die Steuerung die DC-Busspannung erhöhen, um eine Übertragen 816 auf den Leistungsbedarf 814 zu ermöglichen.
Die Steuerlogik oder die von der Steuerung ausgeführten Funktionen können in einer oder mehreren Figuren durch Ablaufdiagramme oder ähnliche Diagramme dargestellt sein. Diese Figuren stellen repräsentative Steuerstrategien und/oder eine repräsentative Steuerlogik bereit, die unter Verwendung einer oder mehrerer Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, umgesetzt werden können bzw. kann. Demnach können verschiedene veranschaulichte Stufen oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel durchgeführt oder in manchen Fällen weggelassen werden. Wenngleich sie nicht immer ausdrücklich veranschaulicht sind, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass eine(r) oder mehrere der veranschaulichten Stufen oder Funktionen in Abhängigkeit von der bestimmten verwendeten Verarbeitungsstrategie wiederholt ausgeführt werden können. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht notwendigerweise erforderlich, um die hier beschriebenen Merkmale und Vorteile zu erreichen, sondern soll die Veranschaulichung und Beschreibung erleichtern. Die Steuerlogik kann hauptsächlich in Software umgesetzt sein, die durch eine mikroprozessorbasierte Fahrzeug-, Verbrennungsmotor- und/oder Antriebsstrangsteuerung, wie etwa die Steuerung, ausgeführt wird. Selbstverständlich kann die Steuerlogik in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung in Software, Hardware oder einer Kombination aus Software und Hardware in einer oder mehreren Steuerungen umgesetzt sein. Bei einer Umsetzung in Software kann die Steuerlogik in einer bzw. einem oder mehreren computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien bereitgestellt sein, auf denen Daten gespeichert sind, die Code oder Anweisungen darstellen, der bzw. die durch einen Computer zum Steuern des Fahrzeugs oder seiner Teilsysteme ausgeführt wird bzw. werden. Zu den computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien können eine oder mehrere einer Reihe von bekannten physikalischen Vorrichtungen gehören, die ausführbare Anweisungen und zugehörige Kalibrierungsinformationen, Betriebsvariablen und dergleichen elektronisch, magnetisch und/oder optisch speichern.
Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zuführbar sein/davon umgesetzt werden, die/der eine bereits bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit beinhalten kann. Gleichermaßen können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert sein, die durch eine Steuerung oder einen Computer in vielen Formen ausgeführt werden können, darunter unter anderem Informationen, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien wie Nur-Lese-Speicher-(ROM-)Vorrichtungen gespeichert sind, und Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien wie etwa Disketten, Magnetbändern, Compact Discs (CDs), Direktzugriffsspeicher-(RAM-)Vorrichtungen und weiteren magnetischen und optischen Medien gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren und Algorithmen können auch in einem von Software ausführbaren Objekt umgesetzt sein. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten wie etwa anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits - ASICs), feldprogrammierbarer Gate-Anordnungen (Field-Programmable Gate Arrays - FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder sonstiger Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten ausgeführt sein.
Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Patentansprüche eingeschlossen werden. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen eventuell so beschrieben wurden, dass sie gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen aus dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften Vorteile bereitstellen oder bevorzugt werden, wird der Durchschnittsfachmann doch erkennen, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erreichen, die sich nach der spezifischen Anwendung und Umsetzung richten. Diese Attribute können unter anderem Folgendes einschließen: Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, bequeme Montage usw. Daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen auf dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Antriebsstrang, umfassend: einen Gleichspannungswandler, der ausgelegt ist, eine Busspannung auszugeben; eine elektrische Maschine; und eine Steuerung, die ausgelegt ist, als Reaktion auf eine Drehmomentanforderung, die ein verfügbares Drehmoment der elektrischen Maschine übersteigt, dem Wandler zu befehlen, die Busspannung auf einen einzelnen Stufenwert zu verstärken, der aus einer vorbestimmten Anzahl von verfügbaren einzelnen Stufenwerten ausgewählt wird, der sich als Reaktion auf das Ändern eines ausgewählten Betriebsmodus des Antriebsstrangs ändert, um das verfügbare Drehmoment zu erhöhen.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei eine Höhe von jedem der verfügbaren einzelnen Stufenwerten auf dem ausgewählten Betriebsmodus basiert.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei Höhen von mindestens einigen der verfügbaren einzelnen Stufenwerte auf einem Prozentsatz der Fahrzykluszeit basieren, bei welcher der Antriebsstrang mit bestimmten Drehmomenten, Drehzahlen und Leistungen betrieben wird.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner ausgelegt ist, Höhen von mindestens einigen der verfügbaren einzelnen Stufenwerte auf Grundlage historischer Betriebsdaten des Antriebsstrangs zu aktualisieren.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner ausgelegt ist, den einzelnen Stufenwert für mindestens eine vorbestimmte Zeitdauer zu halten.
Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte Zeitdauer durch den ausgewählten Betriebsmodus definiert wird.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei der ausgewählte Betriebsmodus durch einen Benutzer ausgewählt wird.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei der ausgewählte Betriebsmodus Leistung, Sport, Normal oder Sparsam ist.
Fahrzeug, umfassend: eine elektrische Maschine, die zum Bereitstellen von Antriebskraft für das Fahrzeug bei einer Busspannung ausgelegt ist; und eine Steuerung, die ausgelegt ist, einen Wandler zu veranlassen, die Busspannung bei einem einzelnen Stufenwert auszugeben, der aus einer vorbestimmten Anzahl von verfügbaren einzelnen Stufenwerten ausgewählt wird, und mindestens einige der verfügbaren einzelnen Stufenwerte als Reaktion auf ein Ändern eines Betriebsmodus der elektrischen Maschine zu ändern.
Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei die Steuerung ferner ausgelegt ist, die vorbestimmte Anzahl als Reaktion auf das Ändern des Betriebsmodus der elektrischen Maschine zu ändern.
Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei die Steuerung ferner ausgelegt ist, Höhen von mindestens einigen der verfügbaren einzelnen Stufenwerte auf Grundlage historischer Betriebsdaten des Antriebsstrangs zu aktualisieren, der die elektrische Maschine beinhaltet.
Verfahren zum Steuern eines Gleichspannungswandlers, umfassend: als Reaktion auf eine Drehmomentanforderung an einen Elektromotor, der mit dem Wandler verbunden ist, die ein verfügbares Drehmoment übersteigt, ein Ausgeben durch den Wandler für mindestens eine vorbestimmte Zeitdauer einer Busspannung bei einem einzelnen Stufenwert, der aus einer vorbestimmten Anzahl von verfügbaren einzelnen Stufenwerten ausgewählt wurde, und ein Aktualisieren von Höhen von mindestens einigen der einzelnen Stufenwerte auf Grundlage historischer Antriebsstrangbetriebsdaten.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend ein Ändern der vorbestimmten Anzahl als Reaktion auf ein Ändern eines ausgewählten Antriebsstrangbetriebsmodus.
Verfahren Anspruch 13, wobei die vorbestimmte Zeitdauer auf dem ausgewählten Betriebsmodus basiert.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Höhen auf einem ausgewählten Betriebsmodus basieren.