DE102017220730A1

DE102017220730A1 - Verfahren zum schätzen eines leistungsverbrauchs eines motors in einem brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102017220730A1
Application number: DE102017220730.2A
Authority: DE
Inventors: Dong Hun Lee; Chang Seok You; Min Su Kang; Sung Do Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2018-06-14
Also published as: CN108614150A; KR20180068389A; US10768234B2; CN108614150B; US20180164380A1; KR101906011B1

Abstract

Ein Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors enthält die folgenden Schritte: Bestimmen einer Fehlerspannung für eine Klemmenspannung jeder Phase von mehreren Phasen des Motors, wobei die Klemmenspannung von einem Inverter zu dem Motor zugeführt wird; Erzeugen einer Kompensations-Klemmenspannung für jede Phase der mehreren Phasen des Motors durch Anwenden der Fehlerspannung auf einen Vorhersagewert der Klemmenspannung, die in einer im Voraus festgelegten Weise während des Betriebs des Motors abgeleitet wird; und Berechnen eines Leistungsverbrauchs des Motors unter Verwendung der Kompensations-Klemmenspannung und eines Stromwertes, der durch Erfassen eines Stroms erhalten wird, der in jeder Phase der mehreren Phasen des Motors fließt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors. Genauer betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors, wobei das Verfahren einen Fehler kompensiert, der auftritt, wenn ein Schaltelement eines Inverters betätigt wird, um eine Klemmenspannung jeder Phase abzuleiten, und dadurch den Leistungsverbrauch des Motors schätzt.
HINTERGRUND
Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug wird erwünscht, die Verteilung der von einer Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung an verschiedene Komponenten des Fahrzeugs zu steuern. Beim Steuern der Leistungsverteilung des Brennstoffzellenfahrzeugs ist es äußerst wichtig, die Leistung von Hilfssystemen zu schätzen, wie beispielsweise ein Luftkompressor zum Zuführen von Luft zu einer Kathode der Brennstoffzelle durch Betätigen eines Motors, eine Pumpe zum Zirkulieren von Kühlwasser, das den Brennstoffzellenstapel kühlt, ein Kühlerlüfter, eine Klimaanlage etc. Eine Leistung des Brennstoffzellenstapels und einer Hochspannungsbatterie kann jedoch unter Verwendung von Stromsensoren präzise geschätzt werden, die an jeweiligen Ausgangsenden vorgesehen sind. Ein Motor eines Antriebssystems, das mit Antriebsrädern eines Fahrzeugs verbunden ist, kann einen Leistungsverbrauch basierend auf einem Vorhersagewert des Drehmoments schätzen. Hingegen sind andere Hilfssysteme für ein Fahrzeug nicht mit jeweiligen Einzelsensoren versehen und folglich ist es nicht möglich, einen Leistungsverbrauch präzise zu schätzen.
Insbesondere verbraucht ein Luftkompressor, der einen Motor zum Zuführen von Luft zu der Brennstoffzelle enthält, in etwa 10% der Gesamtleistung des Brennstoffzellenstapels und folglich ist es wichtig, einen Leistungsverbrauch des Motors des Luftkompressors präzise zu schätzen, um eine Präzision der Leistungsverteilungssteuerung zu erhöhen. Eine präzise Schätzung des Leistungsverbrauchs ist jedoch schwierig. Insbesondere versorgt der Luftkompressor den Brennstoffzellenstapel mit Luft, die zur Reaktion mit dem Brennstoff erfordert wird, und folglich ist eine Drehzahlschwankung des Motors des Luftkompressors abhängig von einer Schwankung der Leistung des Brennstoffzellensystems groß. Aufgrund dessen verändert sich die Leistung des Motors des Luftkompressors in Abhängigkeit von der Antriebsgeschwindigkeit bzw. -drehzahl und ein Leistungsverbrauch unterscheidet sich in Abhängigkeit von Beschleunigungs-, Verzögerungs- und Konstantgeschwindigkeitszuständen bei der gleichen Drehzahl. Folglich ist es äußerst schwierig, den Leistungsverbrauch des Motors des Luftkompressors zu schätzen.
Bei dem Brennstoffzellenfahrzeug wird erwünscht, einen Leistungsverbrauch des oben beschriebenen Luftkompressors zur taktischen Steuerung der Leistung des Brennstoffzellenstapels und der Lade-/Entlademenge der Batterie präzise zu schätzen. Wenn ein Fahrer beispielsweise versucht, eine Beschleunigung bei Volllast (WOT; engl. wide open throttle) zu erzielen und die Schätzung des Leistungsverbrauchs des Luftkompressors inkorrekt ist, verbraucht der Motor so viel oder so wenig Energie der Brennstoffzelle oder der Hochspannungsbatterie wie der Schätzfehler des Leistungsverbrauchs des Luftkompressors. Bei mehr Energieverbrauch des Luftkompressors verbraucht die Brennstoffzelle oder die Batterie die Energie über einen akzeptablen maximalen Ausgang hinaus. Folglich können die Brennstoffzelle und die Batterie beschädigt werden. Bei weniger Energieverbrauch des Luftkompressors ist die Luftzufuhr zu der Brennstoffzelle unzureichend. Folglich ist es schwierig, das von dem Fahrzeug erforderte Leistungsverhalten zu liefern.
Herkömmlich wird ein Kennfeld, das einen Leistungsverbrauch auf eine Strömungsrate eines Luftkompressors oder Drehzahl eines Motors durch einen Test abbildet, zum Schätzen des Leistungsverbrauchs des Luftkompressors verwendet. Auf diese Weise unterscheidet sich jedoch, wie oben beschrieben wurde, der Leistungsverbrauch des Motors des Luftkompressors in Abhängigkeit von Antriebszuständen, wie beispielsweise Beschleunigung, Verzögerung und konstante Geschwindigkeit, und Niveaus der Beschleunigung und Verzögerung bei der gleichen Bedingung der Drehzahl (oder Strömungsrate der durch einen Luftkompressor zugeführten Luft). Folglich ist es schwierig, einen Leistungsverbrauch präzise zu schätzen.
Wie oben beschrieben wurde, erfordert das Brennstoffzellenfahrzeug eine Technologie zum akkuraten Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Luftkompressors, der Luft zu einer Brennstoffzelle zuführt, präziser, eines Leistungsverbrauchs eines Motors in dem Luftkompressor.
Vorangehendes soll lediglich beim Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung helfen und nicht bedeuten, dass die vorliegende Offenbarung innerhalb des Bereiches der verwandten Technik liegt, der jemandem mit Fähigkeiten in der Technik bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung erfolgte unter Berücksichtigung der oben erwähnten Probleme, die bei der verwandten Technik auftreten, und die vorliegende Offenbarung soll ein Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Luftkompressors in einem Brennstoffzellensystem vorschlagen, wobei das Verfahren einen Fehler kompensiert, der auftritt, wenn ein Schaltelement eines Inverters betätigt wird, und eine Klemmenspannung jeder Phase ableitet, die an einen Motor angelegt wird, und dadurch den Leistungsverbrauch des Motors akkurat schätzt.
Um die oben erwähnte Aufgabe zu erfüllen, enthält nach einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors die folgenden Schritte: Bestimmen einer Fehlerspannung für eine Klemmenspannung jeder Phase von mehreren Phasen des Motors, wobei die Klemmenspannung von einem Inverter zu dem Motor zugeführt wird; Erzeugen einer Kompensations-Klemmenspannung für jede Phase der mehreren Phasen des Motors durch Anwenden der Fehlerspannung auf einen Vorhersagewert der Klemmenspannung, die in einer im Voraus festgelegten Weise während des Betriebs des Motors abgeleitet wird; und Berechnen eines Leistungsverbrauchs des Motors unter Verwendung der Kompensations-Klemmenspannung und eines Stromwertes, der durch Erfassen eines Stroms erhalten wird, der in jeder Phase der mehreren Phasen des Motors fließt.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Schritt zum Bestimmen einer Fehlerspannung die folgenden Schritte enthalten: Zuführen eines Klemmenspannungsbefehls für jede Phase der mehreren Phasen des Motors zu dem Inverter; Erfassen des Stroms jeder Phase der mehreren Phasen des Motors in Abhängigkeit von einer Änderung des Klemmenspannungsbefehls; und Verlängern einer Linie eines Bereiches, in dem der Strom linear geändert wird, in einem Spannungs-Strom-Graphen, der ein Verhältnis zwischen dem Klemmenspannungsbefehl und dem erfassten Strom zeigt, und Bestimmen, dass ein Spannungswert eines Punktes, an dem die Linie auf eine Spannungsachse des Spannungs-Strom-Graphen trifft, die Fehlerspannung für jede Phase der mehreren Phasen ist.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Schritt zum Zuführen eines Klemmenspannungsbefehls Folgendes enthalten: Zuführen eines positiven Klemmenspannungsbefehls und eines negativen Klemmenspannungsbefehls zu jeder Phase der mehreren Phasen des Motors, und der Schritt zum Bestimmen einer Fehlerspannung kann ferner folgende Schritte enthalten: Bestimmen einer ersten Fehlerspannung für jede Phase der mehreren Phasen unter Verwendung eines positiven Stroms, der erfasst wird, wenn der positive Klemmenspannungsbefehl zugeführt wird; und Bestimmen einer zweiten Fehlerspannung für jede Phase der mehreren Phasen unter Verwendung eines negativen Stroms, der erfasst wird, wenn der negative Klemmenspannungsbefehl zugeführt wird.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Schritt zum Erzeugen einer Kompensations-Klemmenspannung Folgendes enthalten: Erzeugen der Kompensations-Klemmenspannung für jede Phase der mehreren Phasen durch Subtrahieren der Fehlerspannung von dem Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen ein positiver Wert während des Betriebs des Motors ist, und durch Addieren der Fehlerspannung zu dem Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen ein negativer Wert während des Betriebs des Motors ist.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Schritt zum Erzeugen einer Kompensations-Klemmenspannung Folgendes enthalten: Erzeugen der Kompensations-Klemmenspannung für jede Phase der mehreren Phasen durch Subtrahieren der ersten Fehlerspannung von dem Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen ein positiver Wert während des Betriebs des Motors ist, und durch Subtrahieren der zweiten Fehlerspannung von dem Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen ein negativer Wert während des Betriebs des Motors ist.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Schritt zum Erzeugen einer Kompensations-Klemmenspannung Folgendes enthalten: Subtrahieren der Fehlerspannung von dem Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen größer als ein im Voraus festgelegter Bezugsstrom α (positiver Wert) ist; Addieren der Fehlerspannung zu dem Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen kleiner als -α ist; und lineares Ändern der Fehlerspannung und Anwenden der geänderten Fehlerspannung auf den Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen ein Wert im Bereich von α bis -α ist.
Wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen ein Wert in einem Bereich von α bis -α ist, kann nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung die Fehlerspannung unter Verwendung der Formeln V_{n_Out_real}=V_n-V_Comp und $V_{C o m p} = V_{r e f} \times \frac{1}{α}$
(Vn_out_real: Kompensations-Klemmenspannung für jede Phase der mehreren Phasen; Vn: Vorhersagewert der Klemmenspannung für jede Phase der mehreren Phasen, Vref: Fehlerspannung, α: Bezugsstrom, I: erfasster Strom jeder Phase der mehreren Phasen) geändert und auf den Vorhersagewert der Klemmenspannung angewandt werden.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Vorhersagewert der Klemmenspannung ein Spannungswert sein, der basierend auf einem Tastverhältniswert bzw. Tastwert (duty value) eines PWM-Signals geschätzt wird, das an ein Gate eines Schaltelements des Inverters angelegt wird, oder ein Klemmenspannungsbefehlwert jeder Phase der mehreren Phasen sein, der durch Durchführen einer Koordinatentransformation an sowohl einem D-Achsen-Spannungsbefehl als auch einem Q-Achsen-Spannungsbefehl erzeugt wird, die in einer Stromsteuerung erzeugt werden, die in einer Motorsteuerung zum Steuern des Motors enthalten ist.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Schritt zum Berechnen eines Leistungsverbrauchs Folgendes enthalten: Umwandeln der Kompensations-Klemmenspannung in D-Achsen- und Q-Achsen-Spannungen eines stationären Bezugsrahmens und Umwandeln des Stromwertes, der durch Erfassen des Stroms erhalten wird, der in jeder Phase der mehreren Phasen des Motors fließt, in D-Achsen- und Q-Achsen-Ströme des stationären Bezugsrahmens; und Berechnen des Leistungsverbrauchs des Motors unter Verwendung der umgewandelten Spannungen und Ströme.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Schritt zum Berechnen eines Leistungsverbrauchs ferner Folgendes enthalten: Berechnen des Leistungsverbrauchs des Motors unter Verwendung der Formel P_mot =1,5 × (I_Dfix × V_{D_Out_real} + I_Qfix × V_{Q_Out_real}) (I_Dfix: D-Achsen-Strom des stationären Bezugsrahmens, der durch Umwandeln des Stromwertes erzeugt wird, I_Qfix: Q-Achsen-Strom des stationären Bezugsrahmens, der durch Umwandeln des Stromwertes erzeugt wird, V_{D_out_real}: D-Achsen-Spannung des stationären Bezugsrahmens, die durch Umwandeln der Kompensations-Klemmenspannung erzeugt wird, V_{Q_out_real}: Q-Achsen-Spannung des stationären Bezugsrahmens, die durch Umwandeln der Kompensations-Klemmenspannung erzeugt wird).
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann das Verfahren ferner einen folgenden Schritt enthalten: Berechnen einer Leistung des Inverters basierend auf sowohl dem berechneten Leistungsverbrauch des Motors, der beim Berechnen des Leistungsverbrauchs erhalten wird, als auch dem Wirkungsgrad des Inverters, der für den Inverter im Voraus festgelegt wird.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Schritt zum Berechnen einer Leistung des Inverters Folgendes enthalten: Berechnen der Leistung des Inverters unter Verwendung der Formel P_inv = P_mot × η_inv (P_inv: Leistung des Inverters, P_mot: berechneter Leistungsverbrauch des Motors, der beim Berechnen des Leistungsverbrauchs erhalten wird, η_inv: Wirkungsgrad des Inverters) in einem Fahrzustand, in dem der Inverter ein Drehmoment in Drehrichtung des Motors anlegt, und Berechnen der Leistung des Inverters unter Verwendung der Formel $P_{i n v} = \frac{P_{m o t}}{η_{i n v}}$
in einem Nutzbremszustand, in dem der Inverter ein Drehmoment entgegen der Drehrichtung des Motors anlegt.
Nach dem Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs des Motors ist es möglich, eine Präzision bei sowohl der Leistungsverteilungssteuerung eines Brennstoffzellenfahrzeugs als auch der Beschränkung des Ausgangs bzw. der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle durch akkurates Schätzen des Leistungsverbrauchs des Motors zu erhöhen, der auf den Luftkompressor des Brennstoffzellenfahrzeugs angewandt wird.
Zudem ist es nach dem Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs des Motors durch die Verbesserung der Präzision der Beschränkung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle möglich, eine dauerhafte Beschädigung einer Brennstoffzelle zu verhindern, die durch eine übermäßige Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle verursacht wird, wodurch es möglich ist, eine Fahrstabilität eines Fahrzeugs durch die Brennstoffzellen-Ausgangsleistungsbeschränkung zu verbessern.
Nach dem Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs des Motors ist es zudem möglich, einen Leistungsverbrauch des Luftkompressors für das Brennstoffzellenfahrzeug ohne Gleichstromsensor akkurat zu schätzen und Ansprech- und Präzisionsniveaus auf den gleichen Niveaus sicherzustellen, wie wenn ein Gleichstromsensor vorgesehen ist.
Figurenliste
Die oben erwähnten und andere Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen eindeutiger verständlich, in denen:

1 ein Blockdiagramm ist, das ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems, auf das ein Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors angewandt werden kann, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kurz zeigt;
2 ein Blockdiagramm ist, das ein System, auf das ein Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors angewandt wird, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 ein Ablaufplan ist, der ein Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
4 ein Schaltplan ist, der einen allgemeinen Inverter und Motor zum Unterstützen des Verständnisses eines Verfahrens zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 ein Ablaufplan ist, der das Bestimmen einer Fehlerspannung in einem Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung detailliert zeigt; und
6 ein Spannungs-Strom-Verhältnis-Graph ist, der beim Bestimmen einer Fehlerspannung in einem Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs des Motors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung abgeleitet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird ein Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Luftkompressors in einem Brennstoffzellensystem nach beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben werden.
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems, auf das ein Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors angewandt werden kann, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kurz zeigt.
Wie in 1 gezeigt, kann das Brennstoffzellensystem Folgendes enthalten: einen Brennstoffzellenstapel 100, der Brennstoffzellen enthält, die Leistung durch Oxidation/Reduktion durch Empfangen von Wasserstoff und Luft, die der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel sind, erzeugen; und einen Luftkompressor 10, der eine Kathode des Brennstoffzellenstapels 100 mit Druckluft versorgt; und eine Befeuchtungseinrichtung 200, die die Druckluft des Luftkompressors 10 mit Feuchtigkeit versorgt und dieselbe dem Brennstoffzellenstapel 100 bereitstellt. Hier empfängt die Befeuchtungseinrichtung 200 sehr feuchte, nicht reaktive Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel 100 abgeführt wird, und führt Feuchtigkeit der Luft zu, die dem Brennstoffzellenstapel 100 zugeführt wird.
Um den Luftkompressor 10 zu steuern, kann das Brennstoffzellensystem eine Steuerung 20 zum Steuern des Luftkompressors 10, genauer, zum Steuern eines in dem Luftkompressor 10 enthaltenen Motors enthalten. Die Steuerung 20 kann eine allgemeine Motorsteuerung 21 zum Steuern des Motors des Luftkompressors 10 gemäß einem Drehzahlbefehl oder einem Drehmomentbefehl enthalten. Nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können Elemente zum Umsetzen eines Verfahrens zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors in der Steuerung 20 vorgesehen sein. Abgesehen von der Steuerung 20 kann alternativ eine zusätzliche Steuerung oder eine Berechnungseinrichtung zum Umsetzen eines Verfahrens zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors vorgesehen sein.
Die Steuerung 20 oder die allgemeine Motorsteuerung 21 ist ein elektrischer Schaltkreis, der Anweisungen einer Software ausführt, die dadurch verschiedene Funktionen durchführt, die nachstehend beschrieben sind.
Zudem sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Beispiele, auf die das Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs des Motors des Luftkompressors 10 in dem Brennstoffzellensystem angewandt wird. Beschreibungen der Beispiele beschränken die vorliegende Offenbarung jedoch nicht auf einen Luftkompressor eines Brennstoffzellensystems. Neben den Gebieten der Brennstoffzelle kann die vorliegende Offenbarung folglich auf verschiedene Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors angewandt werden, die auf andere technische Gebiete angewandt werden.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein System zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
In Bezug auf 2 kann nach der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung das System 30 zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors Folgendes enthalten: ein Modul 31 zum Messen einer Fehlerspannung; ein Modul 32 zum Berechnen einer Klemmenspannung; und ein Modul 33 zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs.
Ein Prozessor führt verschiedene Funktionen der folgenden Module 31, 32 und 33 durch. Die Module 31, 32 und 33, die unten beschrieben sind, werden mit Softwareanweisungen implementiert, die auf dem Prozessor ausgeführt werden.
Nach der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schätzt das System 30 zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors einen Leistungsverbrauch eines Motors 11 unter Verwendung von Werten, die in der allgemeinen Motorsteuerung 21 erzeugt werden, die einen Motor steuert, eines Ausgangsstromwertes eines Inverters 40, der Dreiphasen-Klemmenspannungen erzeugt, die einem Motor 11 bereitgestellt werden, etc.
Nach der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann das System zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors, das das Modul 31 zum Messen einer Fehlerspannung, das Modul 32 zum Berechnen einer Klemmenspannung und das Modul 33 zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs enthält, als Steuerung vorgesehen werden, wie oben beschrieben wurde. Die Steuerung kann sowohl einen Prozessor, der Operationen zum Umsetzen von im Voraus programmierten Algorithmen durchführt, als auch einen Speicher zum Speichern verschiedener Arten von Informationen enthalten, die für Betriebsprozesse erfordert werden. Wie oben beschrieben wurde, kann zudem nach der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung die Steuerung zum Umsetzen des Systems 30 zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors als Hardware vorgesehen werden, die mit der allgemeinen Motorsteuerung zum Steuern des Motors 11 integriert ist, oder eigenständig vorgesehen werden.
Das Modul 31 zum Messen einer Fehlerspannung misst eine Fehlerspannung zum Kompensieren eines Vorhersagewertes, der in einer im Voraus festgelegten Weise abgeleitet wird, einer Klemmenspannung für jede Phase eines Inverters.
Das Modul 32 zum Berechnen einer Klemmenspannung berechnet eine Kompensations-Klemmenspannung durch Anwenden der Fehlerspannung.
Zudem berechnet das Modul 33 zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs einen Leistungsverbrauch des Motors unter Verwendung der Kompensations-Klemmenspannung.
Indessen kann die in 2 als Bezugsnummer ‚21‘ bezeichnete allgemeine Motorsteuerung Folgendes enthalten: eine Drehzahlsteuerung (Drehmomentsteuerung) 211; eine Stromsteuerung 212; und ein Koordinatentransformationsmodul 213.
Die Drehzahlsteuerung (Drehmomentsteuerung) 211 empfängt einen Drehzahlbefehl oder einen Drehmomentbefehl zum Steuern der Drehzahl oder des Drehmoments des Motors von einer übergeordneten Steuerung (nicht gezeigt), um Strombefehlwerte (Id*, Iq*) zu erzeugen und auszugeben. Hier kann die übergeordnete Steuerung eine Steuerung zum Steuern des Brennstoffzellensystems oder eine Fahrzeugsteuerung zum Steuern eines Fahrzeugs sein, auf das das Brennstoffzellensystem angewandt wird. Die übergeordnete Steuerung kann eine Leistung des Brennstoffzellenstapels 100 basierend auf einer Geschwindigkeit und einem Steigwinkel eines Fahrzeugs, einer Öffnungsrate eines Gaspedals, das durch einen Fahrer betätigt wird, etc. bestimmen. Zudem kann die übergeordnete Steuerung eine Drehzahl oder ein Drehmoment des Motors des Luftkompressors 10 basierend auf einer Ausgangsleistung und Temperatur etc. des Brennstoffzellenstapels 100 bestimmen. Die übergeordnete Steuerung stellt die bestimmte Drehzahl oder das bestimmte Drehmoment des Motors als Drehzahlbefehlwert oder Drehmomentbefehlwert der Drehzahlsteuerung (Drehmomentsteuerung) 211 bereit. Die Drehzahlsteuerung (Drehmomentsteuerung) 211 vergleicht den empfangenen Drehzahlbefehlwert oder Drehmomentbefehlwert mit einer Ist-Drehzahl des Motors, um die Strombefehlwerte (Id*, Iq*) zum Schätzen eines Drehzahlbefehlwertes unter Verwendung der Drehzahl des Motors zu erzeugen und auszugeben.
Hier sind die Strombefehlwerte (Id*, Iq*) Befehlwerte für einen Ansteuerstrom des Motors 11. Ein Drehmoment des Motors 11 wird basierend auf dem Niveau des Ansteuerstroms bestimmt, der dem Motor 11 zugeführt wird. Folglich kann ein Drehmoment des Motors 11 als gleich dem Ansteuerstrom des Motors 11 betrachtet werden. Insbesondere können die Strombefehlwerte (Id*, Iq*), die von der Drehzahlsteuerung (Drehmomentsteuerung) 211 ausgegeben werden, D-Achsen- und Q-Achsen-Strombefehlwerte (Id*, Iq*) in einem synchronen Bezugsrahmen des Motors sein.
Ähnlich einem allgemeinen Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) bzw. einer allgemeinen Proportional-Integral-Steuerung (PI-Steuerung) kann die Drehzahlsteuerung (Drehmomentsteuerung) 211 eine Regelungs- bzw. Steuerungstechnik zum Integrieren von Fehlern zwischen Befehlwerten und gemessenen Werten durch die Operation der Integration und Anwenden des Ergebnisses auf Steuerebenen verwenden. Das heißt, die Drehzahlsteuerung (Drehmomentsteuerung) 211 kann eine Steuerungstechnik zum Integrieren von Fehlern zwischen einem Drehzahlbefehl oder einem Drehmomentbefehl und der Ist-Drehzahl oder dem Ist-Drehmoment des Motors 11 und Anwenden des Ergebnisses verwenden. Neben der PI-Steuerungstechnik kann die Drehzahlsteuerung (Drehmomentsteuerung) 211 eine Proportional-Integral-Differential-Steuerungstechnik (PID-Steuerungstechnik), eine Integral-Proportional-Steuerungstechnik (IP-Steuerungstechnik), eine IP-PI-Kombinations-Steuerungstechnik etc. verwenden.
Die Stromsteuerung 212 steuert Ströme, die von dem Inverter 40 zu dem Motor 11 zugeführt werden, gemäß Strombefehlwerten (Id*, Iq*) und gibt D-Achsen- und Q-Achsen-Spannungsbefehlwerte (Vd*, Vq*) eines synchronen Bezugsrahmens aus. Die Stromsteuerung 212 empfängt eine Rückmeldung bzw. Rückkopplung über Ist-Ströme, die D-Achsen- und Q-Achsen-Ströme sind, die durch Erfassen und Umwandeln eines Teils der Ströme oder aller Ströme jeder Phase erhalten werden, die von dem Inverter 40 zugeführt werden. Als Nächstes steuert die Stromsteuerung 212 die Ist-Ströme gemäß Strombefehlwerten, das heißt, D-Achsen- und Q-Achsen-Strombefehlwerten (Id*, Iq*).
Ähnlich der Drehzahlsteuerung 211 kann die Stromsteuerung 212 eine Steuerungstechnik verwenden, die die Operation einer Integration zum Integrieren von Fehlern zwischen den Strombefehlwerten (Id*, Iq*) und Ist-Strömen enthält, die von dem Inverter 40 zu dem Motor zugeführt werden, wie beispielsweise die PI-Steuerungstechnik, die PID-Steuerungstechnik, die IP-Steuerungstechnik, die IP-PI-Kombinations-Steuerungstechnik etc.
Das Koordinatentransformationsmodul 213 wandelt die D-Achsen- und Q-Achsen-Spannungsbefehlwerte (Vd*, Vq*) in Spannungsbefehlwerte der drei Phasen durch Koordinatentransformation (DQ <-> drei Phasen (abc)) um. Das Koordinatentransformationsmodul kann ein PWM-Schaltsignal zum Ansteuern eines Schaltelementes in dem Inverter 40 durch Pulsweitenmodulation basierend auf den Spannungsbefehlwerten der drei Phasen erzeugen und das PWM-Schaltsignal dem Inverter 40 bereitstellen. Das PWM-Schaltsignal wird an ein Gate eines Schaltelementes in dem Inverter 40 angelegt und folglich werden Schaltelemente gesteuert, wodurch der Inverter 40 einen Dreiphasenstrom zum Ansteuern des Motors 11 ausgibt.
Indessen kann das Koordinatentransformationsmodul 213 die gemessenen Werte der Dreiphasen-Ansteuerströme des Inverters 40, die eine Rückkopplung für die Regelung bzw. Steuerung der Stromsteuerung 212 sind, in DQ-Ströme umwandeln, um die DQ-Ströme der Stromsteuerung 212 bereitzustellen.
Das heißt, um eine Klemmenspannung zu erzeugen, die an einen Motor angelegt wird, kann das Koordinatentransformationsmodul 213 D-Achsen- und Q-Achsen-Spannungsbefehlwerte eines synchronen Bezugsrahmens in D-Achsen- und Q-Achsen-Spannungen eines stationären Bezugsrahmens umwandeln und die D-Achsen- und Q-Achsen-Spannungen in Dreiphasen- (A-Phasen-, B-Phasen-, C-Phasen-) Spannungen umwandeln. Auch kann das Koordinatentransformationsmodul Dreiphasenströme, die zur Rückkopplungssteuerung erfasst werden, in Ströme eines stationären Bezugsrahmens umwandeln und die Ströme in einen Strom eines synchronen Bezugsrahmens umwandeln. Hier sind detaillierte Verfahren der Koordinatentransformation in der Technik allgemein bekannt und folglich werden Beschreibungen derselben weggelassen werden, um eine Verwirrung in einem technischen Hauptgedanken der vorliegenden Offenbarung zu verhindern.
Nachstehend wird ein Verfahren, das durch das System zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umgesetzt wird, zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors detailliert beschrieben werden. Durch die Beschreibung des Verfahrens zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Betrieb und Effekt des Systems zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors eindeutig verstanden werden.
3 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Wie in 3 gezeigt, enthält nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung das Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors Folgendes: Bestimmen einer Fehlerspannung im Schritt S10; Erzeugen einer Kompensations-Klemmenspannung durch Anwenden der Fehlerspannung im Schritt S20; und Berechnen eines Leistungsverbrauchs des Motors unter Verwendung der Kompensations-Klemmenspannung im Schritt S30.
Beim Bestimmen der Fehlerspannung im Schritt S10 misst das Modul 31 zum Messen einer Fehlerspannung die in einem Vorhersagewert einer Klemmenspannung enthaltene Fehlerspannung, um eine Ist-Klemmenspannung jeder Phase zu berechnen, die von dem Inverter 40 an den Motor 11 ausgegeben wird.
Im Allgemeinen kann ein Leistungsverbrauch eines Motors unter Verwendung der folgenden Formel 1 berechnet werden. $P_{m o t} = 1,5 \times (Ι_{D f i x} \times V_{D f i x} + Ι_{Q f i x} \times V_{Q f i x})$
In der Formel 1 wird ein Leistungsverbrauch eines Motors als Pmot bezeichnet, eine D-Achse eines stationären Bezugsrahmens des Motors als Subskript Dfix bezeichnet und eine Q-Achse eines stationären Bezugsrahmens des Motors als Subskript Qfix bezeichnet. Daher wird ein einem Motor zugeführter D-Achsen-Strom als I_Dfix, eine einem Motor zugeführte D-Achsen-Spannung als V_Dfix, ein einem Motor zugeführter Q-Achsen-Strom als I_Qfix und eine einem Motor zugeführte Q-Achsen-Spannung als V_Qfix bezeichnet.
Im Allgemeinen wird ein Strom jeder Phase, der von dem Inverter 40 an den Motor 11 ausgegeben wird, durch einen Stromsensor erfasst. Beispielsweise werden zumindest zwei Ströme der a-, b- und c-Phasen-Ströme, die von dem Inverter 40 an den Motor 11 ausgegeben werden, durch einen Stromsensor (nicht gezeigt) zur Stromsteuerung erfasst. Daher können Ströme in der Formel 1 als zuverlässige Werte durch Durchführen einer Koordinatentransformation an den erfassten Stromwerten der Phasen abgeleitet werden. Spannungen in der Formel 1 zur herkömmlichen Schätzung eines Motor-Leistungsverbrauchs basieren jedoch nicht auf Werten, die durch einen Einzelsensor etc. abgeleitet werden. Die Spannungen können jedoch Spannungswerte sein, die basierend auf einem Tastwert eines Pulweitenmodulationssignals (PWM-Signal), das an ein Gate eines Schaltelements des Inverters 40 angelegt wird, der als Vollbrückenschaltung zum Anlegen einer Wechselspannung an drei Phasen eines Motors basierend auf einer Eingangsspannung umgesetzt wird, oder basierend auf Dreiphasen-Klemmenspannungsbefehlen geschätzt werden, die durch Durchführen einer Koordinatentransformation an sowohl einem D-Achsen-Spannungsbefehl als auch einem Q-Achsen-Spannungsbefehl erzeugt werden, die in der in der Motorsteuerung 21 enthaltenen Stromsteuerung 212 erzeugt werden.
Wie oben beschrieben wurde, besteht ein Fehler zwischen geschätzten Dreiphasen-Klemmenspannungen durch eine herkömmliche Technik und Ist-Dreiphasen-Klemmenspannungen, die an den Motor angelegt werden, und folglich besteht ein Fehler in dem geschätzten Wert des Leistungsverbrauchs eines Motors, der unter Verwendung der Formel 1 berechnet wird. Beispielsweise wird erwünscht, dass ein berechneter Leistungsverbrauchswert eines Motors kleiner als ein Inverter-Ausgangswert ist, da ein Wirkungsgrad des Inverters kleiner als 100% ist. Manchmal ist der berechnete Leistungsverbrauchswert jedoch größer als der Ausgang des Inverters.
4 ist ein Schaltplan, der einen allgemeinen Inverter und Motor zum Unterstützen des Verständnisses eines Verfahrens zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Wie in 4 gezeigt, kann der Inverter 40 eine Vollbrückenschaltung aufweisen, bei der zwei Schaltelemente als ein Paar miteinander in Reihe geschaltet sind und drei Paare mit gegenüberliegenden Enden einer Batterie 50 parallel geschaltet sind. Jedes Paar Schaltelemente legt eine Spannung und einen Strom einer Phase an den Motor 11 an. Eine Klemmenspannung jeder Phase ist eine Spannung jedes Verbindungsknotens (Na, Nb, Nc) eines Paars Schaltelemente, die eine Ausgabe von dem Inverter an jede Phase in 4 durchführen.
Beispielsweise legen ein Schaltelement Sa und ein Schaltelement Sa^bar eine a-Phasen-Leistung an den Motor 11 an. Wenn das Schaltelement Sa eingeschaltet ist und das Schaltelement Sa^bar ausgeschaltet ist, ist eine a-Phasen-Spannung und ein a-Phasen-Strom, die dem Motor 11 zugeführt werden, ein positiver Wert. Wenn hingegen das Schaltelement Sa ausgeschaltet ist und das Schaltelement Sa^bar eingeschaltet ist, ist eine a-Phasen-Spannung und ein a-Phasen-Strom, die dem Motor 11 zugeführt werden, ein negativer Wert. Infolgedessen wird eine a-Phasen-Wechselspannung an den Motor angelegt. Wechselspannungen einer anderen Phase werden in gleicher Weise, wie oben beschrieben wurde, erzeugt und an den Motor angelegt.
Um einen Motor mit einer erwünschten Drehzahl und einem erwünschten Drehmoment anzusteuern, berechnet die Motorsteuerung 21 der 2 einen Klemmenspannungsbefehl, der jeder Phase zugeführt wird, bestimmt einen Tastwert eines Gatesignals, das an Gates der in dem Inverter 40 enthaltenen Schaltelemente angelegt wird, und wendet den Tastwert auf ein Gate des Inverters an, um den berechneten Klemmenspannungsbefehl an den Motor anzulegen.
Um einen Leistungsverbrauch des Motors 11 präzise zu schätzen, wird erwünscht, einen Ist-Wert einer Klemmenspannung für jede Phase des Inverters 40 präzise zu erhalten. Wie oben beschrieben wurde, wird jedoch bei einer herkömmlichen Schätzung eines Motor-Leistungsverbrauchs ein Vorhersagewert einer Klemmenspannung anstatt eines Ist-Wertes einer Klemmenspannung verwendet. Folglich nimmt eine Genauigkeit bei einer Schätzung eines Motor-Leistungsverbrauchs aufgrund eines Fehlers zwischen dem Ist-Wert einer Klemmenspannung und dem Vorhersagewert einer Klemmenspannung ab.
Hauptursachen der Fehler zwischen Vorhersagewerten der Dreiphasen-Klemmenspannungen und Ist-Werten der Dreiphasen-Klemmenspannungen enthalten: einen Spannungsabfall, der durch einen Leitungsverlust zwischen einem Kollektor und einem Emitter eines in einem Inverter enthaltenen Schaltelementes verursacht wird, und einen Spannungsfehler, der durch einen Totzeiteffekt zwischen Einschaltzeiten von zwei Schaltelementen verursacht wird. Der Totzeiteffekt wird zum Vermeiden eines Kurzschlusses verwendet, der auftritt, wenn zwei Schaltelemente (obere Phase und untere Phase), die zum Erzeugen einer Einphasen-Spannung miteinander in Reihe geschaltet sind, gleichzeitig eingeschaltet werden.
Im Allgemeinen verwendet die Stromsteuerung 212 der Steuerung 21 zum Steuern des Motors einen Algorithmus zum theoretischen Kompensieren des Totzeiteffektes der Schaltelemente beim Berechnen eines PWM-Tastverhältnisses des Dreiphasen-Ausgangs basierend auf Dreiphasen-Klemmenspannungsbefehlen. Es besteht jedoch ein Fehler zwischen einem Spannungskompensationswert, der durch den Algorithmus berechnet wird, und einem Ist-Spannungswert. Das Niveau des Fehlers variiert abhängig von einer Art und Charakteristiken eines Schaltelementes, das verwendet wird, und von einem Spannungskompensations-Steueralgorithmus, der angewandt wird.
Beim Bestimmen der Fehlerspannung im Schritt S20 in dem Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung misst daher das Modul 31 zum Messen einer Fehlerspannung die Fehlerspannung, um den Fehler der Klemmenspannung zu kompensieren.
5 ist ein Ablaufplan, der das Bestimmen der Fehlerspannung in einem Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung detailliert zeigt.
Zunächst ermöglicht das Modul 31 zum Messen einer Fehlerspannung der Motorsteuerung 21, einen Klemmenspannungsbefehl, der konsistent zu- oder abnimmt, an eine Phase der mehreren Phasen des Motors 11 im Schritt S11 auszugeben, und misst den Strom der Phase, um eine Stromänderung in Abhängigkeit von einer Spannungsänderung zu erfassen, wie in 5 im Schritt S12 gezeigt. Als Nächstes erstellt das Modul 31 zum Messen einer Fehlerspannung einen Graphen, der ein Verhältnis zwischen einem Klemmenspannungsbefehl und einem Strom in Abhängigkeit von dem Klemmenspannungsbefehl zeigt, verlängert eine Linie eines Bereiches, in dem der Strom in Abhängigkeit von einer Änderung einer Spannung linear geändert wird, und bestimmt einen Spannungswert eines Punktes, an dem die Linie auf eine Spannungsachse des Spannungs-Strom-Graphen trifft, als Fehlerspannung Vref im Schritt S13. Der im Schritt S13 verwendete Spannungs-Strom-Graph wird in 6 gezeigt.
6 ist ein Spannungs-Strom-Verhältnis-Graph, der abgeleitet wird, wenn eine Fehlerspannung in einem Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs des Motors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bestimmt wird. Das Bestimmen der Fehlerspannung im Schritt S11 enthält Folgendes: Verlängern einer Linie eines Bereiches, in dem ein Strom in Abhängigkeit von einer Änderung einer Spannung linear geändert wird, und Bestimmen eines Spannungswertes eines Punktes, an dem die Linie auf eine Spannungsachse des Spannungs-Strom-Graphen trifft, als Fehlerspannung Vref.
Ein Wicklungswiderstand eines Stators des Motors 11 ist eine Konstante und folglich nimmt ein in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung fließender Strom linear zu. Daher kann der Spannungswert eines Punktes, an dem eine Spannungsachse des Spannungs-Strom-Graphen auf eine Linie trifft, die sich von der Linie des Bereiches erstreckt, in dem der Strom in Abhängigkeit von der Änderung der Spannung linear geändert wird, ein Wert für den Spannungsabfall zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Schaltelementes sein. Der Spannungswert kann als Fehlerspannung zwischen einem Vorhersagewert einer Dreiphasen-Klemmenspannung und einer Ist-Spannung verwendet werden, die an den Motor angelegt ist. Die Fehlerspannung Vref kann für jede Phase abgeleitet werden.
Beim Erzeugen der Kompensations-Klemmenspannung im Schritt S20 berechnet das Modul 32 zum Berechnen einer Klemmenspannung als Nächstes eine Kompensations-Klemmenspannung, in der die Fehlerspannung Vref durch Anwenden der Fehlerspannung Vref auf einen Vorhersagewert einer Klemmenspannung kompensiert wird. Der Vorhersagewert der Klemmenspannung kann ein Spannungswert sein, der basierend auf einem Tastwert eines Pulsweitenmodulationssignals (PWM-Signal) geschätzt wird, das an ein Gate eines Schaltelementes des Inverters 40 angelegt wird, oder ist ein Dreiphasen-Klemmenspannungsbefehl, der durch Durchführen einer Koordinatentransformation an sowohl einem D-Achsen-Spannungsbefehl als auch einem Q-Achsen-Spannungsbefehl erzeugt wird, die in der in der Motorsteuerung 21 enthaltenen Stromsteuerung 212 erzeugt werden.
Beim Berechnen der Kompensations-Klemmenspannung im Schritt S20 kann das Modul 32 zum Berechnen einer Klemmenspannung die Fehlerspannung Vref auf unterschiedliche Weise abhängig davon anwenden, ob der Strom jeder Phase ein positiver Wert oder ein negativer Wert während des Betriebs des Motors 11 ist.
Wenn der a-Phasen-Strom beispielsweise ein positiver Wert während des Betriebs des Motors ist, kann ein Ist-Wert der Klemmenspannung der a-Phase (Kompensations-Klemmenspannungswert) durch Subtrahieren der Fehlerspannung Vref von einem Vorhersagewert der Klemmenspannung abgeleitet werden, wie in der Formel 2 gezeigt. $V_{A n_O u t_r e a l} = V_{A n} - V_{r e f}$
In der Formel 2 ist eine Kompensations-Klemmenspannung der a-Phase als V_{An_out_real} bezeichnet und ein Vorhersagewert einer Klemmenspannung der a-Phase als V_An bezeichnet.
Während des Betriebs des Motors kann zudem, wenn der a-Phasen-Strom des Motors ein negativer Wert ist, der a-Phasen-Klemmenspannungswert (Kompensations-Spannungswert) durch Addieren der Fehlerspannung Vref zu dem Vorhersagewert der Klemmenspannung abgeleitet werden, wie in Formel 3 gezeigt. $V_{A n_O u t_r e a l} = V_{A n} + V_{r e f}$
Die Formeln 2 und 3 verwenden ein Verfahren zum Ableiten einer Fehlerspannung Vref durch Anwenden eines positiven Wertes auf einen Klemmenspannungsbefehl, um dem Inverter zu ermöglichen, einen Phasenstrom an jede Phase des Motors in positiver Richtung auszugeben. Der Fehler der Klemmenspannung kann jedoch in Abhängigkeit von der Richtung des Phasenstroms variieren. Um dem Inverter zu ermöglichen, einen Phasenstrom an jede Phase des Motors in negativer Richtung auszugeben, wird der Inverter folglich mit einem negativen Klemmenspannungsbefehl versorgt und der Strom einer relevanten Phase gemessen. Durch Identifizieren eines Spannungswertes eines Punktes, an dem eine Spannungsachse auf eine Linie trifft, die sich von der Linie des Bereiches erstreckt, in dem der Strom in Abhängigkeit von der Änderung der Spannung linear geändert wird, wird ein Spannungsfehler-Kompensationswert, wenn ein negativer Strom fließt, berechnet und angewandt.
Wenn der a-Phasen-Strom hingegen einen Kompensationswert durch Addieren oder Subtrahieren der Fehlerspannung Vref basierend auf 0 A (null Ampere) anwendet, kann eine Nichtlinearität auftreten. Um die nichtlinearen Charakteristiken zu beseitigen, subtrahiert das Modul 32 zum Berechnen einer Klemmenspannung die Fehlerspannung Vref, wenn der a-Phasen-Strom größer als ein im Voraus festgelegter Bezugsstrom α (positiver Wert) ist, und addiert die Fehlerspannung Vref, wenn der a-Phasen-Strom kleiner als -α ist. Wenn der a-Phasen-Strom ein Wert im Bereich von α bis -α ist, wird erwünscht, die Fehlerspannung linear zu ändern und die geänderte Fehlerspannung anzuwenden, wie in der folgenden Formel 4 gezeigt. $\begin{array}{l} V_{A n_O u t_r e a l} = V_{A n} - V_{C o m p} \\ V_{C o m p} = V_{r e f} \times \frac{Ι_{A}}{α} \end{array}$
Hier kann der Bezugsstrom α als ein Wert experimentell festgelegt werden, der kleiner als ein maximaler Dreiphasenstrom des Motors ist. Der Bezugsstrom α kann unter Verwendung verschiedener Verfahren festgelegt werden. Beispielsweise wird α durch Vergleichen eines Motor-Ausgangswertes, der durch einen Einzelsensor gemessen wird, mit einem Leistungsverbrauch eines Motors abgestimmt, der durch Anwenden der Fehlerspannung Vref durch die Formeln 2 und 3 beim Ansteuern mit geringer Leistung eines Motors während des Änderns des Bezugsstroms α berechnet wird, um den Fehler zu minimieren. Alternativ kann der Bezugsstrom α durch Minimieren eines Rauschens des Leistungsverbrauchs eines Motors festgelegt werden, das durch Anwenden der Fehlerspannung Vref durch die Formeln 2 und 3 berechnet wird, wobei das Rauschen durch eine Nichtlinearität verursacht wird, die auftritt, wenn der Dreiphasenstrom ungefähr null A beträgt.
Beim Erzeugen der Kompensations-Klemmenspannung im Schritt S20 kann das Modul 32 zum Berechnen einer Klemmenspannung die Kompensations-Klemmenspannung durch die Formeln 2 bis 4 für jede Phase erzeugen und eine D-Achsen-Spannung und eine Q-Achsen-Spannung in einem stationären Bezugsrahmen durch Durchführen einer Koordinatentransformation an der Kompensations-Klemmenspannung ableiten, wie in der folgenden Formel 5 gezeigt. $[\begin{array}{l} V_{D_O u t_r e a l} \\ V_{Q_O u t_r e a l} \end{array}] = [\begin{array}{l} \frac{2}{3} & - \frac{1}{3} & - \frac{1}{3} \\ 0 & \frac{1}{\sqrt{3}} & - \frac{1}{\sqrt{3}} \end{array}] [\begin{array}{l} V_{A n_O u t_r e a l} \\ V_{B n_O u t_r e a l} \\ V_{C n_O u t_r e a l} \end{array}]$
Beim Berechnen des Leistungsverbrauchs im Schritt S30 berechnet das Modul 33 zum Berechnen eines Leistungsverbrauchs als Nächstes den Leistungsverbrauch des Motors 11 unter Verwendung der Kompensations-Klemmenspannung, in der die Fehlerspannung Vref kompensiert wird, wie in der Formel 6 gezeigt. $P_{m o t} = 1,5 \times (Ι_{D f i x} \times V_{D_O u t_r e a l} + Ι_{Q f i x} \times V_{Q_O u t_r e a l})$
Beim Verwenden des Verfahrens zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs des Motors nach den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, einen Leistungsverbrauch (Ausgang) des Inverters 40 zu berechnen, der Leistung an den Motor 11 ausgibt.
Der Leistungsverbrauch des Inverters 40 kann in einem Fahrzustand abgeleitet werden, in dem der Inverter 40 ein Drehmoment in Drehrichtung des Motors anlegt, wie in der Formel 7 gezeigt, und kann in einem Nutzbremszustand abgeleitet werden, in dem der Inverter ein Drehmoment entgegen der Drehrichtung des Motors anlegt, wie in der Formel 8 gezeigt. $P_{i n v} = P_{m o t} \times η_{i n v}$
$P_{i n v} = \frac{P_{m o t}}{η_{i n v}}$
In den Formeln 7 und 8 wird ein Leistungsverbrauch (Ausgang) des Inverters als P_inv bezeichnet, ein Leistungsverbrauch eines Motors, der unter Verwendung der Formel 6 berechnet wird, als P_mot bezeichnet und ein Wirkungsgrad des Inverters als η_inv bezeichnet.
Der Wirkungsgrad des Inverters kann unter Verwendung verschiedener Verfahren im Voraus abgeleitet werden. Beispielsweise ist es möglich, Kennfelddaten zu verwenden, die in Abhängigkeit von Antriebsbedingungen (Drehzahl und Drehmomentwert eines Motors) experimentell berechnet werden.
Nach den oben beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs des Motors ist es möglich, eine Präzision bei sowohl der Leistungsverteilungssteuerung eines Brennstoffzellenfahrzeugs als auch einer Brennstoffzellen-Ausgangsleistungsbeschränkung durch akkurates Schätzen des Leistungsverbrauchs des Motors zu erhöhen, der auf den Luftkompressor des Brennstoffzellenfahrzeugs angewandt wird.
Nach dem Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs des Motors ist es zudem durch die Verbesserung der Präzision der Brennstoffzellen-Ausgangsleistungsbeschränkung möglich, eine dauerhafte Beschädigung einer Brennstoffzelle zu verhindern, die durch eine übermäßige Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle verursacht wird, wodurch es möglich ist, eine Fahrstabilität eines Fahrzeugs durch die Brennstoffzellen-Ausgangsleistungsbeschränkung zu verbessern.
Nach dem Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs des Motors ist es zudem möglich, einen Leistungsverbrauch des Luftkompressors für das Brennstoffzellenfahrzeug ohne einen Gleichstromsensor akkurat zu schätzen und Ansprech- und Präzisionsniveaus auf den gleichen Niveaus sicherzustellen, wie wenn der Sensor vorgesehen ist.
Zwar wurde eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu veranschaulichenden Zwecken beschrieben, aber jemand mit Fähigkeiten in der Technik wird einsehen, dass verschiedene Modifikationen, Ergänzungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Bereich und Wesen der Erfindung abzuweichen, die in den beiliegenden Ansprüchen offenbart sind.

Claims

Verfahren zum Schätzen eines Leistungsverbrauchs eines Motors, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen einer Fehlerspannung für eine Klemmenspannung jeder Phase von mehreren Phasen des Motors, wobei die Klemmenspannung von einem Inverter zu dem Motor zugeführt wird; Erzeugen einer Kompensations-Klemmenspannung für jede Phase der mehreren Phasen des Motors durch Anwenden der Fehlerspannung auf einen Vorhersagewert der Klemmenspannung, die in einer im Voraus festgelegten Weise während des Betriebs des Motors abgeleitet wird; und Berechnen eines Leistungsverbrauchs des Motors unter Verwendung der Kompensations-Klemmenspannung und eines Stromwertes, der durch Erfassen eines Stroms erhalten wird, der in jeder Phase der mehreren Phasen des Motors fließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Bestimmen einer Fehlerspannung die Folgenden Schritte aufweist: Zuführen eines Klemmenspannungsbefehls für jede Phase der mehreren Phasen des Motors zu dem Inverter; Erfassen des Stroms jeder Phase der mehreren Phasen des Motors in Abhängigkeit von einer Änderung des Klemmenspannungsbefehls; und Verlängern einer Linie eines Bereiches, in dem der Strom linear geändert wird, in einem Spannungs-Strom-Graphen, der ein Verhältnis zwischen dem Klemmenspannungsbefehl und dem erfassten Strom zeigt, und Bestimmen, dass ein Spannungswert eines Punktes, an dem die Linie auf eine Spannungsachse des Spannungs-Strom-Graphen trifft, die Fehlerspannung für jede Phase der mehreren Phasen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: der Schritt zum Zuführen eines Klemmenspannungsbefehls Folgendes aufweist: Zuführen eines positiven Klemmenspannungsbefehls und eines negativen Klemmenspannungsbefehls zu jeder Phase der mehreren Phasen des Motors, und der Schritt zum Bestimmen einer Fehlerspannung ferner die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen einer ersten Fehlerspannung für jede Phase der mehreren Phasen unter Verwendung eines positiven Stroms, der erfasst wird, wenn der positive Klemmenspannungsbefehl zugeführt wird; und Bestimmen einer zweiten Fehlerspannung für jede Phase der mehreren Phasen unter Verwendung eines negativen Stroms, der erfasst wird, wenn der negative Klemmenspannungsbefehl zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt zum Erzeugen einer Kompensations-Klemmenspannung Folgendes aufweist: Erzeugen der Kompensations-Klemmenspannung für jede Phase der mehreren Phasen durch Subtrahieren der Fehlerspannung von dem Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen ein positiver Wert während des Betriebs des Motors ist, und durch Addieren der Fehlerspannung zu dem Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen ein negativer Wert während des Betriebs des Motors ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt zum Erzeugen einer Kompensations-Klemmenspannung Folgendes aufweist: Erzeugen der Kompensations-Klemmenspannung für jede Phase der mehreren Phasen durch Subtrahieren der ersten Fehlerspannung von dem Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen ein positiver Wert während des Betriebs des Motors ist, und durch Subtrahieren der zweiten Fehlerspannung von dem Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen ein negativer Wert während des Betriebs des Motors ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt zum Erzeugen einer Kompensations-Klemmenspannung Folgendes aufweist: Subtrahieren der Fehlerspannung von dem Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen größer als ein im Voraus festgelegter Bezugsstrom α (positiver Wert) ist; Addieren der Fehlerspannung zu dem Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen kleiner als -α ist; und lineares Ändern der Fehlerspannung und Anwenden der geänderten Fehlerspannung auf den Vorhersagewert der Klemmenspannung, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen ein Wert im Bereich von α bis -α ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei, wenn der Strom jeder Phase der mehreren Phasen ein Wert in einem Bereich von α bis -α ist, die Fehlerspannung unter Verwendung der Formeln V_{n_Out_real} =V_n-V_Comp und $V_{C o m p} = V_{r e f} \times \frac{Ι}{α}$
(Vn_out_real: Kompensations-Klemmenspannung für jede Phase der mehreren Phasen, Vn: Vorhersagewert der Klemmenspannung für jede Phase der mehreren Phasen, Vref: Fehlerspannung, α: Bezugsstrom, I: erfasster Strom jeder Phase der mehreren Phasen) geändert und auf den Vorhersagewert der Klemmenspannung angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorhersagewert der Klemmenspannung ein Spannungswert ist, der basierend auf einem Tastwert eines PWM-Signals geschätzt wird, das an ein Gate eines Schaltelements des Inverters angelegt wird, oder ein Klemmenspannungsbefehlwert jeder Phase der mehreren Phasen ist, der durch Durchführen einer Koordinatentransformation an sowohl einem D-Achsen-Spannungsbefehl als auch einem Q-Achsen-Spannungsbefehl erzeugt wird, die in einer Stromsteuerung erzeugt werden, die in einer Motorsteuerung zum Steuern des Motors enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Berechnen eines Leistungsverbrauchs Folgendes aufweist: Umwandeln der Kompensations-Klemmenspannung in D-Achsen- und Q-Achsen-Spannungen eines stationären Bezugsrahmens und Umwandeln des Stromwertes, der durch Erfassen des Stroms erhalten wird, der in jeder Phase der mehreren Phasen des Motors fließt, in D-Achsen- und Q-Achsen-Ströme des stationären Bezugsrahmens; und Berechnen des Leistungsverbrauchs des Motors unter Verwendung der umgewandelten Spannungen und Ströme.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt zum Berechnen eines Leistungsverbrauchs ferner Folgendes aufweist: Berechnen des Leistungsverbrauchs des Motors unter Verwendung der Formel P_mot =1,5 × (I_Dfix × V_{D_Out_real} + I_Qfix × V_{Q_Out_real)} (IDfix: D-Achsen-Strom des stationären Bezugsrahmens, der durch Umwandeln des Stromwertes erzeugt wird, IQfix: Q-Achsen-Strom des stationären Bezugsrahmens, der durch Umwandeln des Stromwertes erzeugt wird, VD_out_real: D-Achsen-Spannung des stationären Bezugsrahmens, die durch Umwandeln der Kompensations-Klemmenspannung erzeugt wird, VQ_out_real: Q-Achsen-Spannung des stationären Bezugsrahmens, die durch Umwandeln der Kompensations-Klemmenspannung erzeugt wird).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner einen folgenden Schritt aufweisend: Berechnen einer Leistung des Inverters basierend auf sowohl dem berechneten Leistungsverbrauch des Motors, der beim Berechnen des Leistungsverbrauchs erhalten wird, als auch dem Wirkungsgrad des Inverters, der für den Inverter im Voraus festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt zum Berechnen einer Leistung des Inverters Folgendes aufweist: Berechnen der Leistung des Inverters unter Verwendung der Formel P_inv = P_mot × η_inv (Pinv: Leistung des Inverters, Pmot: berechneter Leistungsverbrauch des Motors, der beim Berechnen des Leistungsverbrauchs erhalten wird, η_inv: Wirkungsgrad des Inverters) in einem Fahrzustand, in dem der Inverter ein Drehmoment in Drehrichtung des Motors anlegt, und Berechnen der Leistung des Inverters unter Verwendung der Formel $P_{i n v} = \frac{P_{m o t}}{η_{i n v}}$
in einem Nutzbremszustand, in dem der Inverter ein Drehmoment entgegen der Drehrichtung des Motors anlegt.