DE102017202346B4

DE102017202346B4 - Ladesystem unter verwendung eines synchronmotors mit gewickeltem rotor

Info

Publication number: DE102017202346B4
Application number: DE102017202346.5A
Authority: DE
Inventors: Ho Joon Shin; Mu Shin Kwak; Sung Kyu Kim; Young Kook Lee; Jung Ik Ha; Yong Jae Lee; Yong Su HAN
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp; Seoul National University R&DB Foundation
Current assignee: Hyundai Motor Co; SNU R&DB Foundation; Kia Corp
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2024-07-18
Anticipated expiration: 2037-02-15
Also published as: KR101966501B1; DE102017202346A1; CN107985083A; KR20180045966A; CN107985083B; US20180115181A1; US10236707B2

Abstract

Ladesystem unter Verwendung eines Synchronmotors mit gewickeltem Rotor (wound rotor synchronous motor - WRSM) (30), aufweisend:einen Wechselrichter (20, 60), der eingerichtet ist, um eine Leistung einer Batterie (10) in Wechselstrom- (alternating current - AC) Leistungen mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Phasen umzuwandeln;einen WRSM (30) mit einer Mehrzahl von Statorspulen (31a, 31b, 31c), die jeweils eine AC-Leistung einer unterschiedlichen Phase empfangen, und eine Feldspule (32), die eine gegenseitige Induktivität mit der Mehrzahl von Statorspulen (31a, 31b, 31c) bildet und in einem Rotor angebracht ist, um einen magnetischen Fluss unter Verwendung der Leistung der Batterie (10) zu bilden;undeine Steuerung (50), die eingerichtet ist, um die Verbindung zwischen der Batterieseite und der Feldspulenseite zu steuern, so dass sie in einem Lademodus, in dem eine Netzleistung an die Feldspulenseite des WRSM (30) angelegt wird, voneinander isoliert sind,wobei die Steuerung (50) in dem Lademodus eingerichtet ist:einen Ladeleistungsreferenzwert zum Laden der Batterie (10) unter Bezugnahme auf eine Spannung der Batterie (10) abzuleiten,einen Eingangsleistungs-Referenzwert auf Basis eines Fehlers zwischen einer tatsächlich an die Batterie (10) zugeführten Versorgungsleistung und dem Leistungsreferenzwert abzuleiten,einen 3-Phasen-Spannungsreferenzwert anhand des Eingangsleistungs-Referenzwerts abzuleiten, undeinen EIN-/AUS-Betrieb eines Schaltelementes (Q1, ..., Q10) des Wechselrichters (20, 60) zu steuern, um den 3-Phasen-Spannungsreferenzwert auszugeben.

Description

HINTERGRUND
1. Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Ladesystem zum Laden von Batterien eines Fahrzeugs.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Da sich Themen wie die globale Erwärmung, die Umweltverschmutzung und dergleichen ergeben haben, ist die Forschung zur Entwicklung von umweltfreundlichen Fahrzeugen, in der Lage sind, die Umweltbelastung zu minimieren, in einem Automobil-Industriebereich aktiv durchgeführt worden und sein Markt hat sich allmählich erweitert. Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Plug-in-Hybridfahrzeuge sind als umweltfreundliche Fahrzeuge oder Ökofahrzeuge, die einen Motor verwenden, der eine Antriebskraft unter Verwendung von elektrischer Energie erzeugt, anstelle einer Brennkraftmaschine, die eine Antriebskraft durch Verbrennen vorhandener fossiler Brennstoffe erzeugt, weltweit abgesetzt worden. Umweltfreundliche Fahrzeugtechnologien unter Verwendung elektrischer Energie laden meistens eine darin vorgesehene Batterie aus einem Stromnetz, um die Batterie zum Antreiben eines Motors zu verwenden. Somit benötigen umweltfreundliche Fahrzeuge unter Verwendung elektrischer Energie eine bordinterne Ladeschaltung (On-Board-Ladeschaltung) zum Laden von elektrischer Energie, die von dem Stromnetz bereitgestellt wird, in die Batterie.
Eine On-Board-Ladeschaltung, eine unbedingt erforderliche Schaltung zum Laden einer Batterie eines umweltfreundlichen Fahrzeugs, kann unter Verwendung verschiedener Topologien realisiert/implementiert werden, aber die meisten On-Board-Ladeschaltungen sind durch einen Hochfrequenz-Transformator und -Filter für eine Isolation, eine Mehrzahl von Schaltelementen und ein Steuermodul realisiert. Somit, da das umweltfreundliche Fahrzeug ferner separat eine On-Board-Ladeschaltung umfasst, werden Kosten und ein Größe eines Fahrzeugs zwangsläufig erhöht. Insbesondere da ein in einer On-Board-Ladeschaltung vorgesehener Transformator einen Magnetkreis verwendet, wird eine Größe des Transformators entsprechend der Kapazität erhöht und der Transformator erfordert ein großes Gewicht und Volumen.
Somit sind verschiedene Forschung-und Entwicklungstätigkeiten erforderlich, um das Volumen, das Gewicht und die Kosten eines Fahrzeugs, die durch eine in einem umweltfreundlichen Fahrzeug im Stand der Technik vorgesehene On-Board-Ladeschaltung erhöht sind, zu reduzieren.
Aus der KR 10 2016 0 060 971 A ist ein Ladesystem unter Verwendung eines Synchronmotors mit gewickeltem Rotor (wound rotor synchronous motor - WRSM) bekannt, aufweisend: einen Wechselrichter, der eingerichtet ist, um eine Leistung einer Batterie in Wechselstrom- (alternating current - AC) Leistungen mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Phasen umzuwandeln; einen WRSM mit einer Mehrzahl von Statorspulen, die jeweils eine AC-Leistung einer unterschiedlichen Phase empfangen, und eine Feldspule, die eine gegenseitige Induktivität mit der Mehrzahl von Statorspulen bildet und in einem Rotor angebracht ist, um einen magnetischen Fluss unter Verwendung der Leistung der Batterie zu bilden; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um die Verbindung zwischen der Batterieseite und der Feldspulenseite zu steuern, so dass sie in einem Lademodus, in dem eine Netzleistung an die Feldspulenseite des WRSM angelegt wird, voneinander isoliert sind.
Die DE 10 2015 205 633 A1 offenbart überdies ein Energieversorgungsgerät umfassend eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung, welche einen Kondensator aufweist, und welche einen Leistungsfaktor einer Leistung korrigiert; einen Gleichspannungswandler, welcher ein Schaltelement aufweist, und welcher eine Aus-gangsspannung der Leistungsfaktorkorrekturschalter hochtransformiert oder heruntertransformiert; eine Steuereinheit; und eine Spannungsermittlungseinheit, welche eine Spannung einer Eingangsseite der Leistungsfaktorkorrekturschaltung ermittelt. Die Steuereinheit steuert das Schaltelement derart, dass eine Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers bei einer Beendigung eines Betriebs des Gleichspannungswandlers in einem Normalzustand, in dem die Spannungsermittlungseinheit keine Spannung, die niedriger als ein vorgegebener Wert ist, ermittelt, allmählich verringert wird. Wenn die Spannungsermittlungseinheit eine Spannung ermittelt, die niedriger als der vorgegebene Wert ist, schaltet die Steuereinheit das Schaltelement unverzüglich aus, um den Betrieb des Gleichspannungswandlers zu beenden.
Die Offenbarung dieses Abschnitts soll einen Hintergrund der Erfindung schaffen. Die Anmelderin weist daraufhin, dass dieser Abschnitt Informationen enthalten kann, die vor dieser Anmeldung verfügbar waren. Jedoch erkennt die Anmelderin durch Bereitstellung dieses Abschnitts nicht an, dass in diesem Abschnitt enthaltene Informationen einen Stand der Technik begründen.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ladesystem unter Verwendung eines Synchronmotors mit gewickeltem Rotor/Läufer bereitzustellen, das in der Lage ist, ein Volumen bzw. Größe, Gewicht und Kosten eines Fahrzeugs, die aufgrund einer On-Board-Ladeschaltung erhöht sind, zu reduzieren und eine Batterie Ladekapazität zu erhöhen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ladesystem mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 9. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Ladesystem unter Verwendung eines Synchronmotors mit gewickeltem Rotor (wound rotor synchronous motor - WRSM) bereitgestellt, umfassend: Einen Wechselrichter (Inverter) der eine Leistung einer Batterie in Wechselstrom- (alternating current - AC) Leistungen mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Phasen umwandelt; einen WRSM mit einer Mehrzahl von Statorspulen, die jeweils eine AC-Leistung mit verschiedener Phase empfangen, und eine Feldspule, die eine gegenseitige Induktivität mit der Mehrzahl von Statorspulen bildet und in einem Rotor angebracht ist, um einen magnetischen Fluss unter Verwendung der Leistung der Batterie zu bilden; und eine Steuerung, die die Batterieseite und die Feldspulenseite steuert, um in einem Lademodus, in dem eine Netzleistung an die Feldspulenseite des WRSM angelegt wird, voneinander isoliert zu sein. Dabei ist die Steuerung in dem Lademodus eingerichtet, einen Ladeleistungsreferenzwert zum Laden der Batterie unter Bezugnahme auf eine Spannung der Batterie abzuleiten, einen Eingangsleistungs-Referenzwert auf Basis eines Fehlers zwischen einer tatsächlich an die Batterie zugeführten Versorgungsleistung und dem Leistungsreferenzwert abzuleiten, einen 3-Phasen-Spannungsreferenzwert anhand des Eingangsleistungs-Referenzwerts abzuleiten, und einen EIN-/AUS-Betrieb eines Schaltelementes des Wechselrichters zu steuern, um den 3-Phasen-Spannungsreferenzwert auszugeben.
Im Falle eines drehbaren Antreibens des WRSM, kann die Steuerung die Batterie und die Feldspule derart steuern, um elektrisch verbunden zu sein.
In dem Lademodus kann die Steuerung die Batterieseite und die Feldspulenseite derart steuern, um voneinander isoliert zu sein, um zu verhindern dass eine Ladeleistung an die Batterie durch die Feldspule zugeführt wird, und den Wechselrichter steuern/regeln, um zu ermöglichen, dass die Netzleistung von der Feldspule an die Mehrzahl von Statorspulen übertragen wird, um die Batterie zu laden.
In dem Lademodus kann die Steuerung ferner eine Sinuskomponente eines Eingangsstrom-Referenzwertes, der an die Feldspule eingegeben wird, durch Anwenden eines maximalen Netzspannungswertes auf den Eingangsleistungs-Referenzwert, eine Sinuskomponente eines d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite auf Basis eines Fehlers zwischen dem Eingangsstrom-Referenzwert und der Sinuskomponente des tatsächlich eingegebenen Stromes ableiten und eine Kosinuskomponente des d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite auf Basis eines Fehlers zwischen 0 und einer Kosinuskomponente eines in die Feldspule eingegebenen Stromes, einen d-Achsen-Strom-Referenzwert der Statorspulenseite auf Basis der Sinuskomponente und der Kosinuskomponente des d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite und eines Phasenwinkels der Netzleistung ableiten, einen d-Achsen-Spannungs-Referenzwert und einen q-Achsen-Spannungs-Referenzwert der Statorspulenseite auf Basis des d-Achsen-Strom-Referenzwertes und eines q-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite mit einem Wert 0 ableiten, und den 3-Phasen-Spannungsreferenzwert durch Umwandeln des d-Achsen-Spannungs-Referenzwertes und des q-Achsen-Spannungs-Referenzwertes ableiten.
In dem Lademodus kann die Steuerung ferner eine Sinuskomponente I*_dss und eine Kosinuskomponente I*_dsc des d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite unter Verwendung einer folgenden Gleichung berechnen, $I_{d s s} = - \frac{L'_{f} P_{i n}}{L_{m} {\frac{3}{2} \frac{1}{2} E_{f}}}, I_{d s c} = \frac{R'_{f} P_{i n} / {\frac{3}{2} \frac{1}{2} E_{f}} - E_{f}}{ω_{g} L_{m}}$
Wobei P_in ein Durchschnittswert der angeforderten Eingangsleistung ist, L_f'= (3/2)*(n_s/n_f)², n_s: Anzahl der Windungen der Feldspule, Lm: Gegenseitige Induktivität zwischen d-Achse des Stators und der Feldspule von der Statorseite ausgesehen, E_f: Umgewandelter Wert, der durch Umwandeln eines maximalen Spannungswertes des Netzes in der Statorklemme erhalten wird, und ω_g eine Winkelgeschwindigkeit der Netzleistung ist, einen d-Achsen-Strom-Referenzwert der Statorspulenseite auf Basis der Sinuskomponente und der Kosinuskomponente des d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite und des Phasenwinkels der Netzleistung ableiten, einen d-Achsen-Spannungs-Referenzwert und einen q-Achsen-Spannungs-Referenzwert der Statorspulenseite auf Basis des d-Achsen-Strom-Referenzwertes und des q-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite mit einem Wert 0 ableiten, den 3-Phasen-Spannungsreferenzwert V*_abcs durch Umwandeln des d-Achsen-Spannungs-Referenzwertes und des q-Achsen-Spannungs-Referenzwertes in eine 3-Phasen-Spannung ableiten.
Das Ladesystem kann ferner umfassen: Eine Gleichrichterschaltungseinheit, die die Netzleistung gleichrichtet, und eine Schaltkreiseinheit, die ein Ausgangssignal von der Gleichrichterschaltungseinheit in ein Wechselstrom-(alternating current - AC) Signal mit einer vorgegebenen Frequenz umwandelt und das umgewandelte AC-Signal an die Feldspule liefert.
Die Netzleistung kann direkt an beide Enden der Feldspule angelegt werden.
Das Ladesystem kann ferner umfassen: Eine Leistungsfaktor-Kompensationsschaltungseinheit, die einen Leistungsfaktor der Netzleistung kompensiert/ausgleicht; und eine Schaltkreiseinheit, die ein Ausgangssignal von der Leistungsfaktor-Kompensationsschaltungseinheit in ein AC-Signal mit einer vorgegebenen Frequenz umwandelt und das umgewandelte AC-Signal an die Feldspule liefert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Ladesystem unter Verwendung eines Synchronmotors mit gewickeltem Rotor/Läufer (wound rotor synchronous motor - WRSM) bereitgestellt, umfassend: Einen Wechselrichter/Inverter, der wahlweise betrieben wird, um die Leistung einer Batterie umzuwandeln, um eine Mehrzahl von Wechselstrom- (alternating - AC) Leistungen mit verschiedenen Phasen auszugeben, oder um eine Mehrzahl von AC-Leistungen umzuwandeln, um eine Leistung an die Batterie auszugeben; einen WRSM mit einer Mehrzahl von Statorspulen, die eine Mehrzahl von AC-Leistungen mit verschiedenen Phasen von dem Wechselrichter empfangen/aufnehmen, und eine Feldspule, die in einem Stator angebracht ist, um eine gegenseitige Induktivität mit der Mehrzahl von Statorspulen zu bilden; eine Schalteinheit, die wahlweise die Batterie und die Feldspule elektrisch verbindet oder trennt; und eine Steuerung (Regler), die einen EIN-/AUS-Zustand der Schalteinheit steuert/regelt, wobei in dem Fall eines Antreibens des WRSM die Steuerung die Schalteinheit in einen EIN-Zustand einstellt/versetzt, um den WRSM unter Verwendung eines magnetischen Flusses anzutreiben, der in der Feldspule durch Leistung von der Batterie erzeugt wird, und in dem Fall eines Ladens der Batterie durch Anlegen der Netzleistung an die Feldspule die Steuerung die Schalteinheit in einen AUS-Zustand einstellt/versetzt, um zu ermöglichen, dass die Netzleistung an die Statorspule von der Feldspule übertragen wird. Im Falle des Ladens der Batterie ist die Steuerung eingerichtet, einen Ladeleistungsreferenzwert zum Laden der Batterie unter Bezugnahme auf eine Spannung der Batterie abzuleiten, einen Eingangsleistungs-Referenzwert auf Basis eines Fehlers zwischen einer tatsächlich an die Batterie zugeführten Versorgungsleistung und dem Leistungsreferenzwert abzuleiten, einen 3-Phasen-Spannungsreferenzwert anhand des Eingangsleistungs-Referenzwerts abzuleiten, und einen EIN-/AUS-Betrieb eines Schaltelementes des Wechselrichters zu steuern, um den 3-Phasen-Spannungsreferenzwert auszugeben.
In dem Fall eines Ladens der Batterie kann die Steuerung eine Mehrzahl von in dem Wechselrichter umfassten Schaltelementen steuern/regeln, um eine Leistung an die Batterie zu liefern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt ein Schaltbild, das ein Ladesystem unter Verwendung eines Synchronmotors mit gewickeltem Rotor (WRSM) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 und 3 zeigen Schaltbilder, die ein Ladesystem unter Verwendung eines WRSM gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen;
4 und 5 zeigen Schaltbilder, die Schaltungen darstellen, die einen bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendeten WRSM auf ein d-q-Modell modellieren/ abbilden;
6 ein Schaltbild, das Symbole darstellt, die verwendet werden, um einen Steuerbetrieb eines Ladesystems unter Verwendung eines WRSM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben;
7 und 8 zeigen Steuerblockdiagramme, die einen Steuerbetrieb eines Ladesystems unter Verwendung eines WRSM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen; und
9 zeigt ein Schaltbild, das ein Ladesystem unter Verwendung eines WRSM gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei insbesondere eine Struktur dargestellt wird, in der eine gewöhnliche Ladeschaltung parallel zu dir in 1 dargestellten Ausführungsform geschaltet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird ein Ladesystem unter Verwendung eines Synchronmotors mit gewickeltem Rotor/Läufer (WRSM) gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt ein Schaltbild, das ein Ladesystem unter Verwendung eines Synchronmotors mit gewickeltem Rotor (WRSM) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Unter Bezugnahme auf 1 kann ein Ladesystem unter Verwendung eines WRSM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere Batterien 10, einen Wechselrichter/Inverter 20, einen WRSM 30, eine Schalteinheit 40 und eine Steuerung 50 umfassen.
Die Batterie stellt eine Energiespeichervorrichtung dar, die elektrische Energie zum Antreiben eines Motors in einem Elektrofahrzeug (oder einem umweltfreundlichen Fahrzeug) zugeführt, das den Motor aufweist, der eine Antriebskraft zum Drehen der Räder eines Elektrofahrzeugs, eines Plug-in-Hybridfahrzeugs der gleichen erzeugt. Die bei einem Fahrzeug angewendete Batterie 10 wird entladen, wenn der Motor angetrieben wird, und wird beim Empfangen/Aufnehmen von elektrischer Energie von einem externen System geladen.
Der Wechselrichter oder der Schaltkreis 20 ist ein Zweiwege-Wechselrichter, der wahlweise betrieben wird, um elektrische Energie von der Batterie 10 umzuwandeln, um eine Mehrzahl von AC-Leistungen unterschiedliche Phasen auszugeben, oder um eine Mehrzahl von AC-Leistungen umzuwandeln, um elektrische Energie an die Batterie 10 auszugeben.
Der Wechselrichter 20 kann einen ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss 21, der mit der Batterie 10 verbunden ist, und zweite Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 22a, 22b und 22c, die mit dem Motor 30 verbunden sind, aufweisen. Im Fall eines Antreibens des Motors 30, empfängt der Wechselrichter 20 Energie von der Batterie 10 durch den ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss 21, wandelt die empfangene Energie in eine AC-Leistung mit einer Mehrzahl von Phasen unter Verwendung von Schaltelementen Q1 bis Q6 um und gibt die umgewandelte AC-Leistung an jeden der Mehrzahl der zweiten Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 22a, 22b und 22c aus. Im Allgemeinen wird eine Technik zum Antreiben eines Motors unter Verwendung einer 3-Phasen-Leistung mit einer Phasendifferenz von 120° zueinander angewendet, und somit werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf Basis des Wechselrichters 30, der eine 3-Phasen-Leistungsumwandlung durchführt, und eines 3-Phasen-Motors beschrieben.
Der WRSM 30 kann aufweisen einen Motor mit einer Mehrzahl von Statorspulen 31a, 31b und 31c, die eine Mehrzahl von AC-Leistungen mit unterschiedlichen Phasen von dem Inverter 20 empfangen, und eine Feldspule 32, die eine gegenseitige Induktivität mit der Mehrzahl von Statorspulen 31a, 31b und 31c bildet, um magnetisch daran gekoppelt zu sein.
Der WRSM 30 steuert direkt den magnetischen Fluss durch Anlegen der Feldspule 32. Durch Steuern des magnetischen Flusses kann der WRSM 30 eine hohe Drehmomentabgabe in einem mittleren/niedrigen Geschwindigkeitsbereich eines Fahrzeugs wie ein Permanentmagnet-Synchronmotor aufweisen, und da der WRSM 30 eine für einen Hochgeschwindigkeitsbetreib aufweisende Charakteristik/Eigenschaft wie ein Induktionsmotor aufweisen kann, ist er als ein Motor geeignet, der bei einem Elektrofahrzeug eine Anwendung findet.
Der WRSM 30 weist einen Arm auf, der in der Lage ist, Leistung/Energie von der Batterie 10 an die Feldspule 32 zu liefern, um den magnetischen Fluss der Feldspule 32 zu steuern.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weisen eine Schalteinheit oder einen Schaltkreis 40 auf, die/der wahlweise die Batterie 10 und die Feldspule 32 elektrisch verbindet oder trennt, um den WRSM 30 auch zum Laden der Batterie 10 zu verwenden.
Ein EIN-/AUS-Zustand (oder geschlossener/offener Zustand) der Schalteinheit 40 kann durch die Steuerung 50 gesteuert werden. In Ausführungsformen stellt im Falle eines Antreibens des WRSM 30 zum Antreiben eines Fahrzeugs die Steuerung die Schalteinheit 40 auf einen EIN-Zustand (oder geschlossenen Zustand) ein, um den WRSM 30 unter Verwendung eines magnetischen Flusses anzutreiben, der in der Feldspule 32 durch Leistung von der Batterie 10 erzeugt wird, und im Falle eines Ladens der Batterie 10 durch Anlegen einer Netzleistung an die Feldspule 32 stellt die Steuerung 50 die Schalteinheit 40 auf einen AUS-Zustand ein, um zu ermöglichen, dass die Netzleistung von der Feldspule 32 an die Statorspulen 31a, 31b und 31c durch gegenseitige Induktivität übertragen wird, um somit die Batterie 10 zu laden. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden ein Antreiben des Motors und Laden der Batterie voneinander unterschieden, und im Falle eines Antreibens des Motors kann die Schalteinheit 40 bewirken, dass die Feldspule 32 einen magnetischen Fluss zum Antreiben des Motors bildet, und im Falle eines Ladens der Batterie 10 durch Verbinden mit einem Netz dient die Schalteinheit 40 dazu, um die Batterie und das Netz elektrisch zu trennen.
In 1 bezeichnet das Bezugszeichen „60“ eine Art eines Einphasen-Ausgangs-Wechselrichters zum Bereitstellen einer AC-Leistung an die Feldspule 32, der durch eine Mehrzahl von Schaltelementen Q7 bis Q10 implementiert/realisiert werden kann. Auch bezeichnet das Bezugszeichen „70“ eine Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten der Netzleistung.
In 1 können die in dem Wechselrichter 20 vorgesehenen Schaltelemente Q1 bis Q10 und eine Vollbrückenschaltung oder eine Inverterschaltung 60 gesteuert werden, um entsprechend ein- oder ausgeschaltet zu werden, um den WRSM 30 anzutreiben oder die Batterie 10 zu laden, und hierbei können die Schaltelemente Q1 bis Q10 durch die in 1 dargestellte Steuerung 50 gesteuert werden.
Die in 1 dargestellte Steuerung 50 kann als ein umfassendes Element verstanden werden, das verschiedene Berechnungen durchführt, die zum Steuern/Regeln eines Betriebs des WRSM 30 erforderlich sind, und ein Befehlssignal gemäß den Berechnungsergebnissen an ein Element, das gesteuert/geregelt werden soll, bereitstellt, sowie die Schalteinheit 40 steuert.
In einer in 1 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung steuert im Falle eines Ladens der Batterie 10 die Steuerung 50 zunächst die Schalteinheit 40, so dass sie offen ist, und verbindet das Netz. Dann wird eine durch die Gleichrichterschaltung 70 gleichgerichtete Spannung an den Wechselrichter 60 neben der Feldspule 32 angelegt. Hierbei wird, wenn ein Kondensator mit einer ausreichenden kleinen Kapazität als ein Zwischenkreis-Kondensator C1 angewendet wird, eine Spannung (die eine Frequenz aufweist, die die doppelte Frequenz einer Netzspannung ist), die die gleiche ist wie eine Spannung, die durch einen Absolutwert der Netzspannung erhalten wird, an den Wechselrichter 60 neben der Feldspule 32 angelegt. Um einen Leistungsfaktor-Zustand des Netzes zu erfüllen, sollte ein Strom mit der gleichen Frequenz wie der des Netzes in der Feldspule 32 fließen, und hierbei kann eine gewünschte Frequenz durch geeignetes Steuern der Schaltelemente Q7 bis Q10 des Wechselrichters 60 neben der Feldspule 32 erzeugt werden.
Wenn eine AC-Leistung an die Feldspule 32 angelegt wird, wird ein Strom in die Statorspulen 31a bis 31c, die eine gegenseitige Induktivität mit der Feldspule 32 bilden, induziert, und die induzierte Leistung wird durch geeignetes Steuern der Schaltelemente Q1 bis Q6 des Wechselrichters 20 umgewandelt und an die Batterie 10 bereitgestellt, um die Batterie 10 zu laden.
2 und 3 zeigen Schaltbilder, die ein Ladesystem unter Verwendung eines WRSM gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die in 2 dargestellt ist, weist eine Struktur auf, in der ein Netz direkt mit der Feldspule 32 des WRSM 30 verbunden ist, ohne eine Gleichrichterschaltung zu durchlaufen. Diese Ausführungsform kann implementiert werden, wenn eine gegenseitige Induktivität zwischen der Feldspule 32 unter den Statorspulen 31a bis 31c ausreichend Ist. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die in 2 dargestellt ist, können eine Gleichrichterschaltung, ein Kondensator und dergleichen entfernt werden, und somit können Systemkomponenten weiter reduziert werden, um die Herstellungskosten im Vergleich zu der Ausführungsform von 1 zu reduzieren.
In den Ausführungsformen von 1 und 2 wird die Netzspannung in gleicher Form an den Rotor/Läufer eingegeben, und somit sollte, um eine Netzregulierung (Leistungsfaktor) zu erfüllen, eine Leistungspulsation einer doppelten Frequenz des Netzes an die Batterie übertragen werden. Dies liegt daran, dass eine Funktion einer Filterschaltung (Kondensator), die eine Pulsation in einem Prozess zum Übertragen von Leistung/Energie von dem Netz an die Batterie 10 unterdrückt, so ausgelegt ist, dass sie klein ist.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die in 3 dargestellt ist, weist eine Struktur auf, in der ein Kondensator C2 mit einer relativ großen Kapazität und eine Leistungsfaktor-Kompensationsschaltung 80 zwischen der Feldspule und dem Netz vorgesehen sind.
In den Ausführungsformen von 3, da eine Pulsation der Netzleistung an der vorderen Stufe der Feldspule 32 unter Verwendung des Kondensators C2 mit einer relativ großen Kapazität und der Leistungsfaktor-Kompensationsschaltung 80 gefiltert wird, umfasst die an die Batterie 10 durch die Feldspule 32 übertragene Leistung keine Pulsation. Da ferner eine an die Feldspule 32 angelegte Frequenz durch Steuern des Wechselrichters 60 neben der Feldspule 32 wie gewünscht eingestellt wird, kann die Struktur im Hinblick auf System Auslegung vorteilhaft sein.
4 und 5 zeigen Schaltbilder, die Schaltungen darstellen, die ein bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendeten WRSM auf ein d-q-Modell modulieren/ abbilden.
Wie in 4 dargestellt, können in einem bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendeten WRSM drei Phasen an der Statorklemme auf ein d-q-Modell modelliert werden, und eine Feldspule an der Rotorklemme kann auf eine Form zur gemeinsamen Benutzung einer gegenseitige Induktivität mit einer Spule einer d-Achse des d-q-modellierten Stators modelliert werden.
Der WRSM, der wie in 4 dargestellt modelliert wird, kann wie in 5 dargestellt, in ein Ersatzschaltbild umgewandelt werden. Wenn die modellierte Schaltung von 4 in die in 5 dargestellte Schaltung umgewandelt wird, werden mehrere umgewandelt Parameter unter Verwendung einer Markierung/Kennzeichnung " ' " dargestellt, und ein Wert davon kann durch die nachstehende Gleichung 1 gemäß einem Abwicklungsverhältnis ausgedrückt werden. $I'_{f} = \frac{2}{3} (\frac{n_{f}}{n_{s}}) I_{f}, L'_{m f} = \frac{3}{2} {(\frac{n_{s}}{n_{f}})}^{2} L_{m f}, L'_{l f} = \frac{3}{2} {(\frac{n_{s}}{n_{f}})}^{2} L_{l f}, R'_{f} = \frac{3}{2} {(\frac{n_{s}}{n_{f}})}^{2} R_{f}, V'_{f} = (\frac{n_{s}}{n_{f}}) V_{f}$
Die in 4 und 5 und Gleichung 1 ausgedrückten Parameter sind wie folgt.

V_ds: d-Achsen-Spannung an der Statorklemme
V_qs: q-Achsen-Spannung an der Statorklemme
I_ds: d-Achsen-Strom an der Statorklemme
I_qs: q-Achsen-Strom an der Statorklemme
n_s: Anzahl der Windungen der Spule an der Statorklemme
n_f: Anzahl der Windungen der Spule an der Feldklemme
R_s: d-Achsen- und q-Achsen-Widerstand an der Statorklemme
L_md: Gegenseitige Induktivität der d-Achsen-Spule an der
Statorklemme
L_mq: Gegenseitige Induktivität der q-Achsen-Spule an der Statorklemme
L_ls: d-Achsen- und q-Achsen-Leckinduktivität an der Statorklemme
V_f: Eingangsspannung an der Feldspulenseite
I_f: In der Feldspule fließender Strom
n_f: Anzahl von Windungen der Feldspule
R_f: Widerstand an der Feldspulenseite
L_lf: Leckinduktivität an der Feldspulenseite
L_mf: Gegenseitige Induktivität der Feldspule
L_m (= L_md = L_mf'): Gegenseitige Induktivität zwischen d-Achse des Stators und der Feldspule

Die Netzspannung wird an die Feldspule 32 durch die mit der Feldspule 32 verbundene Vollbrückenschaltung 60 angelegt. Die angelegte Netzspannung wird in ein in 5 dargestelltes Ersatzschaltbild umgewandelt und somit kann eine Größe/Magnitude derselben gemäß einem Wicklungsverhältnis eingestellt werden. Die umgewandelte Netzspannung V_f' kann durch die nachstehende Gleichung 2 ausgedrückt werden. $V'_{f} = E_{f} sin (ω_{g} t) = E_{g} \frac{n_{p}}{n_{s}} sin (ω_{g} t)$
In Gleichung 2 stellt E_g einen Maximalwert einer tatsächlichen Netzspannung dar, E_f gibt einen Wert an, der durch Umwandeln von E_g durch eine Statorklemme erhalten wird, und ω_g ist eine Winkelgeschwindigkeit einer Spannung der Feldspule 32, d.h., die Netzspannung. Hierbei können die Spannungen und die Ströme an der Statorklemme und der Feldspule als eine Sinuskomponente und eine Kosinuskomponente ausgedrückt werden, wie dies durch die nachstehende Gleichung 3 ausgedrückt wird. $\begin{array}{l} I'_{f} = I_{f s} sin (ω_{g} t) + I_{f c} (ω_{g} t) \\ V_{d s} = E_{s s} sin (ω_{g} t) + E_{s c} cos (ω_{g} t), I_{d s} = I_{d s s} sin (ω_{g} t) + I_{d s c} cos (ω_{g} t) \\ V_{q s} = 0, I_{q s} = 0 \end{array}$
Die Parameter der Gleichung 3 sind wie folgt.

I_fs: Größe der Sinuskomponente des in der Feldspule fließenden Stromes
I_fc: Größe der Kosinuskomponente des in der Feldspule fließenden Stromes
E_ss: Größe der Sinuskomponente der an die Feldspule angelegten Spannung
E_sc: Größe der Kosinuskomponente der an die feldspule angelegten Spannung
I_dss: Größe der Sinuskomponente des Stromes der d-Achse der Statorklemme
I_dsc: Größe der Kosinuskomponente des Stromes der q-Achse der Statorklemme

Hierbei sollte, um einen Leistungsfaktor der Feldspule von „1“ zu bilden, die Kosinuskomponente I_fc des Stromes 0 sein und die nachstehende Gleichung 4 sollte durch das in 8 dargestellte Ersatzschaltbild erfüllt werden. $\begin{array}{l} V_{d s} = R_{s} I_{d s} + p (I_{l s} I_{d s} + L_{m} (I_{d s} + I'_{f})) \\ V'_{f} = R'_{f} I'_{f} + p (K'_{l f} I'_{f} + L_{m} (I_{d s} + I'_{f})) \end{array}$
In Gleichung 4 sollte, da eine der Feldspule entsprechende Spannung durch Gleichung 2 bestimmt wird, die nachstehende Gleichung 5 in einem Normalzustand sein. $\begin{array}{l} V'_{f} = R'_{f} I'_{f} + p (L'_{l f} I'_{f} + L_{m} (I_{d s} + I'_{f})) \\ = R'_{f} {I_{f g} sin (ω_{g} t) + I_{f c} cos (ω_{g} t)} + ω_{g} (L'_{l f} + L_{m}) (I_{f s} cos (ω_{g} t) - I_{f c} sin (ω_{g} t)) + ω_{g} L_{m} {I_{d s s} cos (ω_{g} t) - I_{d s c} sin (ω_{g} t)} \\ = sin (ω_{g} t) {R'_{f} I_{f s} - ω_{g} L_{m} I_{d s c} - ω_{g} (L'_{i f} + L_{m}) I_{f c}} + cos (ω_{g} t) {R'_{f} I_{f c} + ω_{g} (L'_{i f} + L_{m}) I_{f s} + ω_{g} L_{m} I_{d s s}} \\ = E_{f} sin (ω_{g} t) \end{array}$
Um Gleichung 5 zu erfüllen, sollten zwei Bedingungen, die durch Gleichung 6 um Gleichung 7 ausgedrückt werden, erfüllt sein, und demzufolge kann ein Starterstrom erhalten werden. $\begin{array}{l} R'_{f} I_{f c} + ω_{g} (L'_{l f} + L_{m}) I_{f s} + ω_{g} L_{m} I_{d s s} = 0 \\ I_{d s s} = - \frac{R'_{f} I_{f c} + I_{f s} ω_{g} L'_{f}}{ω_{g} L_{m}} \approx - \frac{L'_{f}}{L_{m}} I_{f s} \end{array}$
$\begin{array}{l} R'_{f} I_{f s} - ω_{g} L_{m} I_{d s c} - ω_{g} (L'_{l f} + L_{m}) I_{f c} = E_{f} \\ I_{d s c} = \frac{R'_{f} I_{f s} - ω_{g} L'_{f} L_{f c} - E_{f}}{ω_{g} L_{m}} \approx \frac{R'_{f} I_{f s} - E_{f}}{ω_{g} L_{m}} \end{array}$
Eine Sinuskomponente und eine Kosinuskomponente der d-Achse des Statorstromes, die in Gleichung 6 und Gleichung 7 bestimmt werden, werden durch die Tatsache, dass eine Kosinuskomponente der Feldspule 0 sein sollte (I_fs≈0), geschätzt.
Die Sinuskomponente der d-Achse des Stromes der Statorklemme kann gemäß eines Sinuskomponente eine Stromes der Feldspule bestimmt werden, d.h., ein Strom für die Wirkleistung, wie in Gleichung 6 ausgedrückt. Die angeforderte Eingangsleistung kann, wie durch die nachfolgende Gleichung 8 ausgedrückt, bestimmt werden. $P_{i n} = \frac{3}{2} \frac{1}{2} (E_{f} I_{f s}) = \frac{3}{2} \frac{1}{2} (E_{g} I_{f s} \frac{N_{p}}{N_{s}}) \Rightarrow I_{f s} = P_{i n} / {\frac{3}{2} \frac{1}{2} E_{f}}$
In Gleichung 8 gibt P_in einen Mittelwert der angeforderten Eingangsleistung an.
Basierend auf Gleichung 6 um Gleichung 8 kann die Sinuskomponente der d-Achse des Stromes der Statorklemme bestimmt werden, wie durch die nachfolgende Gleichung 9 ausgedrückt. $I_{d s s} = - \frac{L'_{f} P_{i n}}{L_{m} {\frac{3}{2} \frac{1}{2} E_{f}}}$
Auch kann basierend auf Gleichung 7 und Gleichung 8 eine Kosinuskomponente des d-Achsen-Stromes des Stators wie durch Gleichung 6 ausgedrückt, bestimmt werden $I_{d s c} = \frac{R'_{f} P_{i n} / {\frac{3}{2} \frac{1}{2} E_{f}} - E_{f}}{ω_{g} L_{m}}$
Basierend auf Gleichung 8 bis Gleichung 10 kann ein Ladesystem für ein Fahrzeug unter Verwendung eines WRSM gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen unter Bezugnahme auf 6 bis 8 beschriebenen Steuerbetrieb/Regelbetrieb durchführen.
6 zeigt ein Schaltbild, das Symbole darstellt, die verwendet werden, um einen Steuerbetrieb eines Ladesystems unter Verwendung eines WRSM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. 7 und 8 zeigen Steuerblockdiagramme, die einen Steuerbetrieb eines Ladesystems unter Verwendung eines WRSM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
Wie in 6 dargestellt, können Parameter, die zum Steuern/Regeln des Ladesystems unter Verwendung eines WRSM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erforderlich sind, durch einen Spannungssensor, einen Stromsensor oder dergleichen erhalten werden, die bei einer tatsächlich umgesetzten Schaltung eine Anwendung finden. In Ausführungsformen ist, so in 6, um eine Netzspannung V_g, ein an die Feldspule 32 bereitgestellt Strom I_f, eine Spannung V_dc der Batterie 10 und dergleichen zu erfassen, ein Spannungssensor oder ein Stromsensor in einer geeigneten Position bzw. Stelle einer Schaltung angebracht und ein Steuern/Regeln durch Werte, die von dem Spannungssensor dem Stromsensor erhalten werden, kann durchgeführt werden.
Ein nachstehend beschriebenes Kontrollschema kann durch die beschriebene Steuerung 50 durchgeführt werden, um die Schalteinheit 40 in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu steuern/regeln. Die Steuerung 50 kann durch Hardware in einer Form mit einem Prozessor und einem Speicher implementiert/realisiert sein und kann je nach Bedarf mehrere Parameter in dem Speicher speichern, und der Prozessor kann eine Berechnung gemäß einem zuvor programmierten Algorithmus unter Verwendung von mehreren Parametern, die in einem externen Sensor oder in dem Speicher gespeichert werden, durchführen.
Zuerst wird ein in 7 dargestelltes Steuerverfahren beschrieben.
Wie oben beschrieben, werden zum Steuern erforderliche Parameter erfasst und andere Parameter können aus einigen der erfassten Werte berechnet werden. Beispielsweise können ein Phasenwinkel θ_g und eine Winkelgeschwindigkeit ω_g der Netzleistung aus einer Netzspannung V_g abgeleitet werden, die unter Verwendung einer PLL- (phase loop lock) Schaltung erfasst wird, und ein Maximalwert E_g der Netzspannung V_g kann abgeleitet werden, und der Maximalwert E_g der Netzspannung V_g kann in „E_f“ durch eine Ersatzschaltbild-Umwandlung wie in 5 dargestellt umgewandelt werden und der Wert davon kann abgeleitet werden.
Auch können eine Sinuskomponente I_fs und eine Kosinuskomponente I_fc eines Eingangsstromes aus dem Eingangsstrom I_f und der Winkelgeschwindigkeit ω_g berechnet werden, die in die Feldspule eingegeben werden, indem ein Heterodyning-Verfahren angewendet wird.
Wenn ein Batterie-Management-System (BMS) oder ein Zwischenkreis-Spannungsregler (DC-Link-Spannungsregler) eines Fahrzeugs die Spannung V_dc der Batterie 10 empfängt und einen Ladeleistung-Referenzwert P*_dc zum Laden der Batterie 10 ausgibt, kann ein Fehler mit Bezug auf eine tatsächliche Versorgungsleistung P_dc an der Batterie 10, die durch eine Größe einer/eines tatsächlich an die Batterie 10 bereitgestellten Spannung/Stromes berechnet werden kann, berechnet werden und eine Eingangsleistungsreferenz P*i_n von einem Netz, die in der Lage ist, den Fehler zu beseitigen, kann nachfolgend durch ein Steuerverfahren wie beispielsweise eine Proportional-Integral-Regelung oder dergleichen berechnet werden.
Danach wird, da ein Wert, der Dreiviertel (3/4) des Spannungsmaximalwertes E_f entspricht, durch die Eingangsleistungsreferenz P*i_n geteilt wird, eine Sinuskomponente I*_fs eines Referenzwertes bezüglich eines an die Feldspule 32 eingegebenen Stromes abgeleitet.
Ein Fehler zwischen der Sinuskomponente I*_fs eines Referenzwertes bezüglich eines an die Feldspule 32 eingegebenen Stromes und einer tatsächlich an die Feldspule 32 eingegebenen Sinuskomponente I_fs wird berechnet und eine Sinuskomponente I*_dss eines d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorklemme, die in der Lage ist, den Fehler durch einen Steuerverfahren/Regelverfahren wie beispielsweise eine Proportional-Integral- (PI) Regelung oder dergleichen zu beseitigen, kann durch Gleichung 6 abgeleitet werden.
Da eine Kosinuskomponente I*_fc des Referenzwertes bezüglich eines an die Feldspule 32 eingegebenen Stromes 0 sein sollte, nachdem ein Fehler der Kosinuskomponente I_fc eines an die Feldspule eingegebenen Stromes berechnet wird, kann eine Kosinuskomponente I*_dsc des d-Achsen-Strom-Referenzwertes, die in der Lage ist, den Fehler durch das Regelverfahren wie beispielsweise eine PI-Regelung oder dergleichen zu beseitigen, durch Gleichung 7 abgeleitet werden.
Ein d-Achsen-Strom-Referenzwert I*_ds der Statorklemme wird durch Gleichung 3 durch Anwenden einer Sinuskomponente und einer Kosinuskomponente des d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorklemme abgeleitet und ein d-Achsen-Spannungs-Referenzwert V*_ds und ein q-Achsen-Spannungsreferenzwert V*_qs der Statorklemme können durch Anwenden eines Verfahrens wie beispielsweise eine Proportional-Resonanz-Regelung oder dergleichen auf den abgeleiteten d-Achsen-Strom-Referenzwert I*_ds und den q-Achsen-Strom-Referenzwert I*_qs mit einem Wert 0 der Statorklemme abgeleitet werden.
Danach kann, wenn der d-Achsen-Spannungsreferenzwert V*_ds und der q-Achsen-Spannungsreferenzwert V*q_s der Statorklemme unter Verwendung des von einem in dem WRSM vorgesehenen Resolver 33 erfassten Rotorwinkels in eine 3-Phasen-Spannung umgewandelt werden, kann schließlich ein 3-Phasen-Spannungsreferenzwert V*_abcs abgeleitet werden.
Auf diese Weise kann durch Steuern eines EIN-/AUS-Betriebs eines jeden der Schaltelemente Q1 bis Q6, die innerhalb des Wechselrichters 20 vorgesehen sind, um den abgeleiteten 3-Phasen-Spannungsreferenzwert V*_abcs auszugeben, eine gewünschte Batterieladeleistung gesteuert/geregelt werden, um an die Batterie zugeführt zu werden.
Als nächstes wird ein in 8 dargestellte Steuerverfahren beschrieben.
In dem in 8 dargestellten Steuerverfahren kann, nachdem eine Eingangsleistungsreferenz P*i_n aus einem Netz in der gleichen Weise berechnet wird wie die, die oben unter Bezugnahme auf 7 beschrieben wird, eine Sinuskomponente I*_dss und eine Kosinuskomponente I*_dsc eines d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorklemme berechnet werden, indem Gleichungen 9 und Gleichung 10 direkt auf die Eingangsleistungsreferenz P*i_n angewendet werden, ohne ein PI-Regelverfahren anzuwenden.
Nachdem die Sinuskomponente I*_dss und die Kosinuskomponente I*_dsc des d-Achsen-Strom-Referenzwertes berechnet sind, wird ein 3-Phasen-Spannungsreferenzwert V*_abcs in der gleichen Weise wie der des Verfahrens von 7 abgeleitet, um die Schaltelemente Q1 bis Q6 des Wechselrichters 20 zu steuern/regeln.
Wie oben beschrieben, wird in den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wenn der in einem Fahrzeug vorgesehene WRSM drehbar angetrieben wird, die Feldspule durch Verbinden eines Schaltkreises (Inverterschaltung) zum Ansteuern der Feldspule mit der Batterie wie in einem Fall angesteuert, in dem ein gewöhnlicher Motor angetrieben wird. Unterdessen kann in einem Lademodus zum Laden der Batterie die mit der Statorspule verbundene Batterie ohne Leistung/Energie von dem Netz durch die Feldspule durch Steuern/Regeln der Schalteinheit (Relais) zu einem AUS-Zustand geladen werden. Da die Feldspule als eine Spule betrachtet wird, die eine gegenseitige Induktivität mit einer Spule eines Stators bildet, um einen Transformator in einem Motor-Stopp-Zustand zu bilden, wenn eine Treiberschaltung der Feldspule von der Batterie unter Verwendung einer Schaltung wie ein Relais oder dergleichen getrennt wird, können Isolationseigenschaften erhalten werden. Dies entspricht den Anforderungen eines Bordladegeräts, das bevorzugt Isolationseigenschaften gegenüber einem Stromnetz zum Zweck der Sicherheit aufweist.
Auf diese Weise kann in den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, da die Bordladegerätschaltung und die für den WRSM einschließlich der Feldspule erforderliche Schaltung, die getrennt verwendet worden sind, integriert werden, das System auf einfache Weise konfiguriert/gebildet werden.
Somit können verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Bordladegerät in einem Plug-in-Hybridfahrzeug unter Verwendung des WRSM mit geringen Kosten und durch eine einfache Konfiguration/Anordnung umsetzen.
9 zeigt ein Schaltbild, das ein Ladesystem unter Verwendung eines WRSM gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei insbesondere eine Struktur dargestellt wird, in der eine gewöhnliche Ladeschaltung parallel zu dir in 1 dargestellten Ausführungsform geschaltet ist.
Wie in 9 dargestellt, ist in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine allgemeine/gewöhnliche Bordladeschaltung bzw. On-Board-Ladeschaltung parallel zwischen einem Netz des Ladesystems unter Verwendung eines solchen WRSM, wie die, der oben unter Bezugnahme auf 1 bis 8 beschrieben wird, und der Batterie 10 hinzugefügt. In Ausführungsformen können die Bordladeschaltung 90 mit einer Leistungsfaktor-Kompensationsschaltungseinheit 91, die mit einer mit dem Netz verbundenen Gleichrichtereinheit 70 verbunden ist, eine Brückenschaltungseinheit 92, die einen Ausgang bzw. ein Ausgangssignal von der Leistungsfaktor-Kompensationsschaltungseinheit 91 in eine AC-Leistung einer hohen Frequenz umwandelt, eine Transformatoreinheit 93, die einen Ausgang bzw. ein Ausgangssignal von der Brückenschaltungseinheit 92 umwandelt und eine Eingangs-/Ausgangsklemme isoliert, eine Gleichrichterschaltung 94, die eine von der Transformatoreinheit 93 umgewandelte und ausgegebene AC-Leistung in eine DC-Leistung umwandelt, und eine Filtereinheit 95, die einen umgewandelten Ausgang bzw. Ausgangssignal von der Gleichrichterschaltungseinheit 94 filtert und dasselbe an die Batterie liefert, zwischen der Batterie 10 und dem Netz parallel geschaltet sein.
In dieser Ausführungsform steuert im Falle eines Antreibens/Fahrens eines Fahrzeugs die Steuerung 50 die Schalteinheit 40 auf einen EIN-Zustand (Verbindungszustand), so dass der WRSM 30 eine Spannung von der Batterie 10 empfangen kann und alle Statoren 31a, 31b und 31c und die Feldspule 32 angesteuert werden können. Auch steuert im Falle eines Ladens der Batterie 10 die Steuerung 50 die Schalteinheit 40 zu einem AUS-Zustand (Offen Zustand), um zu bewirken, dass die Feldspule 32 von der Batterie 10 isoliert ist, um so zu verhindern, dass eine Ladeleistung an die Batterie durch die Feldspule zugeführt wird. Auch kann, wenn das Netz verbunden ist, der WRSM 30 zu einem Lademodus zum Laden der Batterie 10 gesteuert werden, und die Batterie 10 kann ebenfalls durch die zusätzliche Bordladeschaltung 90, die parallel geschaltet ist, geladen werden. Hierbei kann die Steuerung 50 die von dem WRSM 30 an die Batterie 10 gelieferte Ladeleistung und die durch die Bordladeschaltung 90 an die Batterie 10 gelieferte Ladeleistung flexibel steuern/regeln.
In einem weiteren Beispiel kann im Falle eines allgemeinen langsamen Ladens der Batterie 10 die Steuerung die Schalteinheit 40 zu einem AUS-Zustand steuern, um einen isolierten Zustand zwischen der Batterie 10 und dem Netz beizubehalten, den WRSM 30 derart steuern, dass er nicht in einem Lademodus arbeitet, und bewirken, dass die Batterie 10 durch die allgemeine Bordladeschaltung 90 geladen wird. Da die Bordladeschaltung 90 als eine hocheffiziente Schaltung ausgelegt werden kann, die zum Laden einer Batterie optimiert ist, kann sie ein Laden mit hoher Effizienz im Vergleich zu einem Fall durchführen, in dem der WRSM in dem Lademodus arbeitet. Unterdessen kann in einem Fall, in dem ein schnelles Laden während eines langsamen Ladens erforderlich ist, die Steuerung 50 den AUS-Zustand der Schalteinheit 40 beibehalten und den Wechselrichter 20 und den Wechselrichter 60 neben der Feldspule 32 entsprechend steuern/regeln, um zusätzlich eine Leistung an die Batterie 10 auch durch den WRSM 30 zu übertragen.
Auf diese Weise wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, da die allgemeine Bordladeschaltung 90 zu dem Batterieladesystem unter Verwendung des WRSM 30 hinzugefügt wird, ein effizientes Laden durch die Ladeschaltung 90 in dem Fall eines allgemeinen Aufladens durchgeführt, und wenn ein schnelles Laden erforderlich ist, wird der WRSM 30 zu einem Lademodus gesteuert, um eine Ladekapazität ohne irgendeine zusätzliche Schaltung zu erweitern, und eine durch den WRSM 30 bereitgestellte Ladeleistung und eine durch die Bordladeschaltung 90 bereitgestellte Ladeleistung können wahlweise/selektiv gesteuert/werden.
Wie oben beschrieben, ist in dem Ladesystem unter Verwendung des WRSM im Falle eines drehbaren Antreibens des in einem Fahrzeug vorgesehenen WRSM der Schaltkreis (Inverterschaltung) zum Ansteuern der Feldspule mit der Batterie verbunden, um die Feldspule wie in allgemeinen Antreiben eines Motors anzusteuern, und in einem Lademodus zum Laden der Batterie wird die Schalteinheit (Relais) zu einem AUS-Zustand gesteuert, um Leistung/Energie von dem Netz in die Batterie zu laden, die mit der Statorspulenseite durch die Feldspule verbunden ist, wodurch die Notwendigkeit beseitigt wird, eine separate Bordladeschaltung vorzuhalten, und somit kann eine Batterie eines Plug-in-Hybridfahrzeugs unter Verwendung des WRSM bei geringen Kosten und mit einer einfachen Konfiguration/Anordnung geladen werden.
Auch kann in dem Ladesystem unter Verwendung des WRSM durch Hinzufügen einer Bordladeschaltung zu dem Ladesystem unter Verwendung des WRSM eine Ladekapazität erhöht werden. Auch wird in dem Ladesystem unter Verwendung eines WRSM im Falle eines allgemeinen Ladens ein hocheffizientes Laden durch die Ladeschaltung durchgeführt, und im Falle, dass ein schnelles Laden erforderlich ist, wird der WRSM zu einem Lademodus gesteuert, wodurch eine Ladekapazität erweitert wird, ohne eine zusätzliche Schaltung zu verwenden.
In Ausführungsformen umfasst ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug eine Batterie 10 und einen Synchronmotor mit gewickeltem Rotor (wound rotor synchronous motor - WRSM) 30 für den Antrieb. Wenn der WRSM 30 nicht für den Antrieb verwendet wird, verwendet das Fahrzeug den WRSM 30 zum Laden der Batterie 10. Das Fahrzeug umfasst ein Batterielade-System oder Batterieladegerät mit dem WRSM 30. Der WRSM umfasst Statorspulen 31a, 31b und 31c und eine Rotor-Feldspule 32. Das Batterieladesystem umfasst ferner eine erste Inverterschaltung 20, die mit der Batterie 10 und den Statorspulen 31a, 31b und 31c verbunden ist, und eine zweite Inverterschaltung 60, die mit der Rotor-Feldspule 32 verbunden ist.
Das Batterieladesystem umfasst einen Schaltkreis, der eingerichtet ist, um wahlweise die zweite Inverterschaltung entweder mit der Batterie 10 oder einem elektrischen Stromnetz oder elektrische Netz zu verbinden. Hierzu umfasst der Schaltkreis einen oder mehrere Schalter 40 zwischen der Batterie 10 und der zweiten Inverterschaltung 60. Der Schaltkreis umfasst ferner einen Schalter zum Steuern einer Verbindung zwischen der zweiten Inverterschaltung 60 und dem Netz.
In Ausführungsformen, wenn die zweite Inverterschaltung 60 mit der Batterie 10 verbunden ist, empfängt der WRSM 30 elektrische Energie von der Batterie 10 und arbeitet für den Antrieb des Fahrzeugs. Wenn die zweite Inverterschaltung 60 mit dem Netz verbunden ist, wird die elektrische Energie von dem Netz zu der Batterie 10 durch die zweite Inverterschaltung 60, die Rotor-Feldspule 32, die Statorspulen 31a, 31b und 31c und die erste Inverterschaltung 20 zum Laden der Batterie 10 übertragen. Beim Laden der Batterie 10 bilden die Rotor-Feldspule 32 und die Statorspulen des WRSM 30 eine gegenseitige Induktivität für eine Übertragung elektrische Leistung.
In Ausführungsformen steuert eine Steuerung 50 die Schalteinheit. In einer Ausführungsform, wenn die Steuerung 50 ein Signal erfasst empfängt, das anzeigt, dass das Batterieladesystem des Fahrzeugs mit dem Netz verbunden ist, bewirkt die Steuerung 50, dass die Schalter 40 die Verbindung zwischen der Batterie und der zweiten Inverterschaltung unterbrechen, so dass der WRSM 30 nicht für den Antrieb des Fahrzeugs arbeitet. Ferner verbindet in einer Ausführungsform, nur wenn die Steuerung 50 ein Signal erfasst oder empfängt, das anzeigt, dass das Batterieladesystem des Fahrzeugs von dem Netz getrennt ist, die Steuerung 50 die Schalter 40 zum Betreiben des Motors 20 für den Antrieb des Fahrzeugs.

Claims

Ladesystem unter Verwendung eines Synchronmotors mit gewickeltem Rotor (wound rotor synchronous motor - WRSM) (30), aufweisend: einen Wechselrichter (20, 60), der eingerichtet ist, um eine Leistung einer Batterie (10) in Wechselstrom- (alternating current - AC) Leistungen mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Phasen umzuwandeln; einen WRSM (30) mit einer Mehrzahl von Statorspulen (31a, 31b, 31c), die jeweils eine AC-Leistung einer unterschiedlichen Phase empfangen, und eine Feldspule (32), die eine gegenseitige Induktivität mit der Mehrzahl von Statorspulen (31a, 31b, 31c) bildet und in einem Rotor angebracht ist, um einen magnetischen Fluss unter Verwendung der Leistung der Batterie (10) zu bilden; und eine Steuerung (50), die eingerichtet ist, um die Verbindung zwischen der Batterieseite und der Feldspulenseite zu steuern, so dass sie in einem Lademodus, in dem eine Netzleistung an die Feldspulenseite des WRSM (30) angelegt wird, voneinander isoliert sind, wobei die Steuerung (50) in dem Lademodus eingerichtet ist: einen Ladeleistungsreferenzwert zum Laden der Batterie (10) unter Bezugnahme auf eine Spannung der Batterie (10) abzuleiten, einen Eingangsleistungs-Referenzwert auf Basis eines Fehlers zwischen einer tatsächlich an die Batterie (10) zugeführten Versorgungsleistung und dem Leistungsreferenzwert abzuleiten, einen 3-Phasen-Spannungsreferenzwert anhand des Eingangsleistungs-Referenzwerts abzuleiten, und einen EIN-/AUS-Betrieb eines Schaltelementes (Q1, ..., Q10) des Wechselrichters (20, 60) zu steuern, um den 3-Phasen-Spannungsreferenzwert auszugeben.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei, im Falle eines drehbaren Antreibens des WRSM (30), die Steuerung (50) eingerichtet ist, um die Batterie (10) und die Feldspule (32) derart zu steuern, dass sie elektrisch verbunden sind.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei, in dem Lademodus die Steuerung (50) eingerichtet ist, um die Batterieseite und die Feldspulenseite derart zu steuern, so dass sie voneinander isoliert sind, um zu verhindern, dass eine Ladeleistung an die Batterie (10) durch die Feldspule (32) zugeführt wird, und ferner eingerichtet ist, um den Wechselrichter (20, 60) zu steuern, um zu ermöglichen, dass die Netzleistung von der Feldspule (32) an die Mehrzahl von Statorspulen (31a, 31b, 31c) übertragen wird, um die Batterie (10) zu laden.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei, in dem Lademodus, die Steuerung (50) ferner eingerichtet ist, um: eine Sinuskomponente eines Eingangsstrom-Referenzwertes, der an die Feldspule (32) eingegeben wird, durch Anwenden eines maximalen Netzspannungswertes auf den Eingangsleistungs-Referenzwert abzuleiten, eine Sinuskomponente eines d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite auf Basis eines Fehlers zwischen dem Eingangsstrom-Referenzwert und der Sinuskomponente des tatsächlich eingegebenen Stromes abzuleiten und eine Kosinuskomponente des d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite auf Basis eines Fehlers zwischen 0 und einer Kosinuskomponente eines in die Feldspule (32) eingegebenen Stromes abzuleiten, einen d-Achsen-Strom-Referenzwert der Statorspulenseite auf Basis der Sinuskomponente und der Kosinuskomponente des d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite und eines Phasenwinkels der Netzleistung abzuleiten, einen d-Achsen-Spannungs-Referenzwert und einen q-Achsen-Spannungs-Referenzwert der Statorspulenseite auf Basis des d-Achsen-Strom-Referenzwertes und eines q-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite mit einem Wert 0 abzuleiten, und den 3-Phasen-Spannungsreferenzwert durch Umwandeln des d-Achsen-Spannungs-Referenzwertes und des q-Achsen-Spannungs-Referenzwertes abzuleiten.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei, in dem Lademodus, die Steuerung (50) ferner eingerichtet ist, um: eine Sinuskomponente I*_dss und eine Kosinuskomponente I*_dsc des d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite unter Verwendung einer folgenden Gleichung zu berechnen, $I_{d s s} = - \frac{L'_{f} P_{i n}}{L_{m} {\frac{3}{2} \frac{1}{2} E_{f}}}, I_{d s c} = \frac{R'_{f} P_{i n} / {\frac{3}{2} \frac{1}{2} E_{f}} - E_{f}}{ω_{g} L_{m}}$
Wobei P_in ein Durchschnittswert der angeforderten Eingangsleistung ist, L_f'= (3/2) * (n_s/n_f)², n_s: Anzahl der Windungen der Feldspule (32), Lm: Gegenseitige Induktivität zwischen d-Achse des Stators und der Feldspule (32) von der Statorseite ausgesehen, E_f: Umgewandelter Wert, der durch Umwandeln eines maximalen Spannungswertes des Netzes in der Statorklemme erhalten wird, und ω_g eine Winkelgeschwindigkeit der Netzleistung ist, einen d-Achsen-Strom-Referenzwert der Statorspulenseite auf Basis der Sinuskomponente und der Kosinuskomponente des d-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite und des Phasenwinkels der Netzleistung abzuleiten, einen d-Achsen-Spannungs-Referenzwert und einen q-Achsen-Spannungs-Referenzwert der Statorspulenseite auf Basis des d-Achsen-Strom-Referenzwertes und des q-Achsen-Strom-Referenzwertes der Statorspulenseite mit einem Wert 0 abzuleiten, den 3-Phasen-Spannungsreferenzwert durch Umwandeln des d-Achsen-Spannungs-Referenzwertes und des q-Achsen-Spannungs-Referenzwertes in eine 3-Phasen-Spannung abzuleiten.
Ladesystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Gleichrichterschaltungseinheit (70), die eingerichtet ist, um die Netzleistung gleichzurichten, und eine Schaltkreiseinheit, die eingerichtet ist, um ein Ausgangssignal von der Gleichrichterschaltungseinheit (70) in ein Wechselstrom-(alternating current - AC) Signal mit einer vorgegebenen Frequenz umzuwandeln und das umgewandelte AC-Signal an die Feldspule (32) liefert.
Ladesystem nach Anspruch 1, wobei die Netzleistung direkt an beide Enden der Feldspule (32) angelegt wird.
Ladesystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Leistungsfaktor-Kompensationsschaltungseinheit (80, 91), die eingerichtet ist, um einen Leistungsfaktor der Netzleistung auszugleichen; und eine Schaltkreiseinheit, die eingerichtet ist, um ein Ausgangssignal von der Leistungsfaktor-Kompensationsschaltungseinheit (80, 91) in ein AC-Signal mit einer vorgegebenen Frequenz umzuwandeln und das umgewandelte AC-Signal an die Feldspule (32) liefert.
Ladesystem unter Verwendung eines Synchronmotors mit gewickeltem Rotor/Läufer (wound rotor synchronous motor - WRSM) (30), aufweisend: einen Wechselrichter (20, 60), der wahlweise betrieben wird, um die Leistung einer Batterie (10) umzuwandeln, um eine Mehrzahl von Wechselstrom-(alternating - AC) Leistungen mit verschiedenen Phasen auszugeben, oder um eine Mehrzahl von AC-Leistungen umzuwandeln, um eine Leistung an die Batterie (10) auszugeben; einen WRSM (30) mit einer Mehrzahl von Statorspulen (31a, 31b, 31c), die eingerichtet sind, um eine Mehrzahl von AC-Leistungen mit verschiedenen Phasen von dem Wechselrichter (20, 60) zu empfangen, und eine Feldspule (32), die in einem Rotor angebracht ist, um eine gegenseitige Induktivität mit der Mehrzahl von Statorspulen (31a, 31b, 31c) zu bilden; eine Schalteinheit (40), die eingerichtet ist, um wahlweise die Batterie (10) und die Feldspule (32) elektrisch zu verbinden oder zu trennen; und eine Steuerung (50), die eingerichtet ist, um einen EIN-/AUS-Zustand der Schalteinheit (40) zu steuern, wobei in dem Fall eines Antreibens des WRSM (30) die Steuerung (50) eingerichtet ist, um die Schalteinheit (40) in einen EIN-Zustand einzustellen, um den WRSM (30) unter Verwendung eines magnetischen Flusses anzutreiben, der in der Feldspule (32) durch Leistung von der Batterie (10) erzeugt wird, und in dem Fall eines Ladens der Batterie (10) durch Anlegen der Netzleistung an die Feldspule (32) die Steuerung (50) eingerichtet ist, um die Schalteinheit (40) in einen AUS-Zustand einzustellen, um zu ermöglichen, dass die Netzleistung an die Statorspule (31a, 31b, 31c) von der Feldspule (32) übertragen wird, wobei im Falle des Ladens der Batterie (10) die Steuerung (50) eingerichtet ist: einen Ladeleistungsreferenzwert zum Laden der Batterie (10) unter Bezugnahme auf eine Spannung der Batterie (10) abzuleiten, einen Eingangsleistungs-Referenzwert auf Basis eines Fehlers zwischen einer tatsächlich an die Batterie (10) zugeführten Versorgungsleistung und dem Leistungsreferenzwert abzuleiten, einen 3-Phasen-Spannungsreferenzwert anhand des Eingangsleistungs-Referenzwerts abzuleiten, und einen EIN-/AUS-Betrieb eines Schaltelementes (Q1, ..., Q10) des Wechselrichters (20, 60) zu steuern, um den 3-Phasen-Spannungsreferenzwert auszugeben.
Ladesystem nach Anspruch 9, wobei in dem Fall eines Ladens der Batterie (10) die Steuerung (50) eingerichtet ist, um eine Mehrzahl von in dem Wechselrichter (20, 60) umfassten Schaltelementen (Q1, ..., Q10) zu steuern, um eine Leistung an die Batterie (10) zu liefern.