DE102018100381A1

DE102018100381A1 - Modulation von regelbaren spannungswandlern zum erhalten eines niedrigeren minimalen verstärkungsverhältnisses

Info

Publication number: DE102018100381A1
Application number: DE102018100381.1A
Authority: DE
Inventors: Jogendra S. Thongam; Shuitao Yang; Mohammed Khorshed Alam; Lihua Chen; Fan Xu; Yan Zhou
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2018-07-12
Also published as: CN108306488B; US10576828B2; CN108306488A; US20180198401A1

Abstract

Ein regelbarer Spannungswandler für ein elektrisches Ansteuerungssystem weist obere und untere Schaltvorrichtungen auf, die zwischen positiven und negativen Bussen in Reihe geschaltet sind. Eine Induktanz koppelt ein Anschlussstück zwischen den Schaltvorrichtungen mit einer DC-Batterie. Eine Steuerung ist dazu konfiguriert, die Schalter entsprechend den PWM-Gate-Signalen basierend auf einem erwarteten Verstärkungsverhältnis des Wandlers anzusteuern. Die PWM-Gate-Signale weisen eine nominelle Totzeiteinfügung für die obere und die untere Schaltvorrichtung auf, wenn das erwartete Verstärkungsverhältnis größer ist als ein vorgegebenes Verstärkungsverhältnis. Um während des Regenerationsbetriebs einen Bereich von erreichbaren Verstärkungsverhältnissen zu erweitern, weisen die PWM-Gate-Signale keine Totzeiteinfügung für die obere Schaltvorrichtung auf und die untere Schaltvorrichtung bleibt ständig ausgeschaltet, wenn das erwartete Verstärkungsverhältnis weniger als das vorgegebene Verstärkungsverhältnis beträgt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf regelbare Spannungswandler in elektrischen Ansteuerungssystemen für elektrifizierte Fahrzeuge, und spezifischer auf Modulation des Tastverhältnisses und Nutzung von auswählbarer Totzeiteinfügung für Leistungsschaltvorrichtungen in einem Wandler, um einen größeren Bereich von Verstärkungsverhältnissen beim Betrieb in einem Verstärkungsmodus zu erzielen.
Elektrische Fahrzeuge, wie z. B. hybridelektrische Fahrzeuge (HEVs), aufladbare Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) und batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) setzen durch Umrichter angesteuerte elektrische Maschinen ein, um Antriebsdrehmoment bereitzustellen. Ein typisches elektrisches Ansteuerungssystem kann eine Gleichstromquelle (wie z. B. ein Batteriepaket oder eine Brennstoffzelle) beinhalten, die durch Schützschalter an einen regelbaren Spannungswandler (VVC) gekoppelt ist, um eine Hauptbusspannung über einen Haupt-DC-Zwischenkreiskondensator zu regeln. Ein Dreiphasenmotor-Umrichter ist zwischen den Hauptbussen und einem Antriebsmotor angeschlossen, um die DC-Busleistung in eine AC-Spannung umzuwandeln, die mit den Motorwicklungen gekoppelt ist, um das Fahrzeug anzutreiben. Der Motor wird von den Fahrzeugrädern angesteuert und kann dazu verwendet werden, elektrische Leistung zum Laden der Batterie beim regenerativen Bremsen des Fahrzeugs zu liefern. Ein weiterer 3-Phasen-Umrichter verbindet einen Generator mit dem DC-Bus. Der Generator kann durch einen Verbrennungsmotor angesteuert werden, um die Batterie zu laden. Während des Ladens wandelt der VVC die Hauptbusspannung in eine Spannung um, die zum Laden des DC-Batteriepakets erforderlich ist.
Durch Verwendung der geeigneten Modulation für die Leistungsschalter kann ein VVC eine von der Batterie bereitgestellte Gleichstromspannung auf eine höhere Spannung verstärken, um den Motor mit einem verbesserten Grad der Fahrzeugleistung anzusteuern. Wenn der Wandler zum Verstärken einer Spannung von einer Eingangs- zu einer Ausgangsseite verwendet wird, wird der Wandler als Hochsetzsteller bezeichnet. Auf dem Gebiet von Hybridfahrzeugen ist es gängige Praxis, eine Batterie durch regeneratives Bremsen zu laden, wobei die mechanische Energie der Räder durch einen Generator oder durch einen Motor, der als Generator arbeitet, in elektrische Energie umgewandelt und der Batterie über den VVC bereitgestellt wird. Der VVC kann ebenfalls in einem Durchlassmodus arbeiten, in dem transienter Strom ohne Spannungsverstärkung von/zu der Batterieseite von/zu der Umrichterseite fließt.
Der VVC beinhaltet obere und untere Transistorschaltvorrichtungen (z. B. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate - IGBTs), die ein mit der Versorgungsbatterie über einen Induktor verbundenes Zwischenanschlussstück aufweisen. Die Schaltvorrichtungen sind zwischen dem positiven und dem negativen DC-Bus in Reihe geschaltet. Eine elektronische Steuerung stellt Schaltsignale (d. h. Gate-Signale) bereit, um die Schaltvorrichtungen entsprechend einem Modulationsschema, das den gewünschten VVC-Modus bereitstellt, ein- und auszuschalten. Typischerweise kommt Impulsbreitenmodulation zur Anwendung, um das Erhöhen einer Spannung durch den VVC zu steuern, wobei ein Tastverhältnis der Schaltsignale variiert werden kann, um die WC-Spannung auf eine gewünschte Größe zu regeln. Das „Verstärkungsverhältnis“ des VVC ist als Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung definiert. Im Durchlassmodus ist das Verstärkungsverhältnis eins. Andernfalls ist das Verstärkungsverhältnis größer als eins (d. h. die Spannung an der Umrichterseite des VVC ist höher als auf der Batterieseite des VVC).
Um einen Kurzschluss über den Zwischenkreis zu vermeiden, ist wichtig, dass die obere und die untere Vorrichtung nicht gleichzeitig leitend (d. h. eingeschaltet) sind. Ein kurzes Zeitintervall (als Totzeit bekannt) wird typischerweise an eventuellen Übergängen in den Schaltsignalen eingefügt, während der sowohl die obere als auch die untere Schaltvorrichtung ausgeschaltet sind, um derartiges Shoot-Through zu verhindern. Durch Einfügen von Totzeit wird jedoch das effektive Tastverhältnis der PWM-Schaltsignale verändert. Während des Regenerationsbetriebs kann beispielsweise die Totzeit das kleinste erreichbare Verstärkungsverhältnis erheblich über den Wert von 1,0 anheben (z. B. bis auf 1,25 bei einer hohen PWM-Schaltfrequenz von etwa 20 kHz). Die Nichtverfügbarkeit eines niedrigeren Verstärkungsverhältnisses kann zu einer höheren als der erwünschten Spannung am Haupt-DC-Bus oder zu einer erzwungenen Nutzung des Durchlassmodus führen, was dazu führt, dass der Motor aufgrund einer niedrigeren als der erwünschten Spannung am Haupt-DC-Bus ein niedrigeres Drehmoment erzeugt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt der Erfindung umfasst ein regelbarer Spannungswandler in einem elektrischen Ansteuerungssystem eine obere Schaltvorrichtung, die mit einer unteren Schaltvorrichtung zwischen einem positiven Bus und einem negativen Bus in Reihe geschaltet ist. Eine Induktanz koppelt ein Anschlussstück zwischen der oberen und unteren Schaltvorrichtung mit einer Gleichstromquelle. Eine Steuerung ist dazu konfiguriert, die Schalter entsprechend den PWM-Gate-Signalen basierend auf einem erwarteten Verstärkungsverhältnis des Wandlers anzusteuern. Die PWM-Gate-Signale weisen eine nominelle Totzeiteinfügung für die obere und untere Schaltvorrichtung auf, wenn das erwartete Verstärkungsverhältnis größer ist als ein vorgegebenes Verstärkungsverhältnis. Die PWM-Gate-Signale weisen keine Totzeiteinfügung für die obere Schaltvorrichtung auf und die untere Schaltvorrichtung bleibt ständig ausgeschaltet, wenn das erwartete Verstärkungsverhältnis weniger als das vorgegebene Verstärkungsverhältnis beträgt.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine elektrische Ansteuerung eines Hybrid-Elektrofahrzeugs zur praktischen Umsetzung der Erfindung darstellt.
Die 2A, 2B und 2C sind Wellenformdiagramme für einen PWM-Träger, PWM-Gate-Signale ohne Totzeit bzw. PWM-Gate-Signale mit Totzeiteinfügung.
3 ist ein Graph, der Verstärkungsverhältnisse zeigt, die mittels konventioneller Totzeiteinfügung erhalten werden können.
4 ist ein Wellenformdiagramm, das ein PWM-Gate-Signalmuster der Erfindung zeigt, um in einem Regenerationsmodus des regelbaren Spannungswandlers einen größeren Bereich von Verstärkungsverhältnissen zu erreichen.
5 ist ein Graph, der die zusätzlichen Verstärkungsverhältnisse zeigt, die mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden können.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezogen auf 1 beinhaltet ein Ansteuerungssystem für ein Elektrofahrzeug 10 eine Gleichstromquelle 11 (wie z. B. ein Batteriepaket oder eine Brennstoffzelle), die durch die Schützschalter 12 und 13 mit einem Eingangskondensator 14 gekoppelt sind. Die Schütze 12 und 13 sind vorzugsweise mechanische Schalter, die einen offenen Zustand und einen geschlossenen Zustand aufweisen, um die Batterie 11 selektiv nach einem Ansteuerungsmodus des Ansteuerungssystems 10 mit dem Eingangskondensator 14 zu koppeln.
Ein regelbarer Spannungswandler (VVC) 15 koppelt den Eingangskondensator 14 mit einem Hauptkondensator 16, der als Verbindungskondensator z. B. für die Umrichter 17 und 19 fungiert. Jeder Umrichter beinhaltet eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen in einer Brückenkonfiguration. Die Schalter in Umrichter 17 werden auf eine gewünschte Weise geschaltet, um einen Motor 18 anzusteuern. Der Umrichter 19 wird geschaltet, um Energie von einem Generator 20 zum Hauptkondensator 16 zu regenerieren. In einem Motorbetrieb des VVC 15 fließt elektrische Leistung von der Gleichstromquelle 11 durch den VVC 15 zum Umrichter 17 (z. B. für den Fahrzeugantrieb). In einem Regenerationsbetrieb des VVC 15 fließt elektrische Leistung vom Umrichter 19 durch den VVC 15 zur Gleichstromquelle 11 (z. B. zum Nachladen eines Batteriepakets mittels Energie, die beim regenerativen Bremsen zurückgewonnen wurde).
Jede der Phasen-Schaltvorrichtungen in den Umrichtern 17 und 19 besteht vorzugsweise aus einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT). Jeder IGBT beinhaltet vorzugsweise eine antiparallele Diode. Ein erster Zweig 21 des Umrichters 17 ist z. B. mit einem Phasenschalter 22 dargestellt. Jeder IGBT weist jeweils einen Steuer- (d. h. Gate-) Anschluss auf, der mit einer Steuerung 30 gekoppelt ist, die die Schalter entsprechend verschiedener Betriebsarten der Umrichter über ein in der Technik bekanntes PWM-Signal steuert.
Der VVC 15 weist eine bekannte Konfiguration einschließlich einer oberen Schaltvorrichtung 23, einer unteren Schaltvorrichtung 24 und den Freilaufdioden 25 und 26 auf. Die Schalter 23 und 24 sind zwischen einem positiven Bus 31 und einem negativen Bus 32 in Reihe geschaltet. Ein Anschlussstück zwischen den Schaltern 24 und 25 ist mit dem Eingangskondensator 14 durch eine Induktanz 27 gekoppelt. Der VVC 15 kann bilateral Ladung zwischen den Kondensatoren 14 und 16, wie in der Technik bekannt, entweder in einem Motorbetrieb (z. B. durch Umwandeln der Batteriespannung V_B am Eingangskondensator 14 in eine höhere Zwischenkreisspannung V_DC über den Kondensator 16 zu Zwecken der Ansteuerung des Motors 18) oder einem Regenerationsbetrieb (z. B. zum Umwandeln einer Spannung vom Generator 20 und Umrichter 19 am Kondensator 16 in eine Spannung über den Kondensator 14 zum Nachladen der Batterie 11), übertragen.
Jede der Schaltvorrichtungen im VVC 15 besteht ebenfalls vorzugsweise aus einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT). Jeder IGBT weist jeweils einen Steuer- (d. h. Basis-) Anschluss auf, der mit der Steuerung 30 gekoppelt ist, die die Schalter entsprechend verschiedener Betriebsarten der Wandler und Umrichter steuert. Die Steuerung 30 kann aus einer Motorgenerator-Steuereinheit (MGCU) eines im Handel erhältlichen Typs bestehen, und wie im U.S.-Patent 9,106,162 , erteilt am 11. August 2015, beschrieben, das in diesem Schriftstück als Ganzes durch Bezugnahme enthalten ist.
Um ein erwünschtes Verstärkungsverhältnis über VVC 15 zu erhalten, wird typischerweise ein bekanntes Impulsbreitenmodulations-(PWM)-Verfahren verwendet, um Gate-Signale für die IGBTs 23 und 24 zu generieren. Ein Spannungsverstärkungsverhältnis über VVC 15 (d. h. von der Batteriespannung V_B zur Haupt-Zwischenkreisspannung V_DC) ist definiert als $\frac{V_{D C}}{V_{B}}$
Unter Verwendung der in 1 dargestellten Topologie von VVC 15 wird das Spannungsverstärkungsverhältnis durch ein Einschaltzeit-Tastverhältnis D der oberen Schaltvorrichtung 23 als $\frac{V_{D C}}{V_{B}} = \frac{1}{D}$
V_B bestimmt.
Ein Verfahren zur Impulsbreitenmodulation (PWM) zum Einfügen einer nominellen Totzeit T_d ist in den 2A-2C dargestellt. 2A zeigt ein PWM-Trägersignal 35, das als eine Dreieckswellenform z. B. bei einer Frequenz von ungefähr 10 kHz generiert wird. Ein PWM-Modulationssignal 36 wird vom MGCU oder einer anderen Steuerung entsprechend den Leistungsanforderungen (z. B. Spannungsverstärkungsanforderung) für den VVC im aktuellen Zustand der elektrischen Ansteuerungseinheit identifiziert. Die zu überwachenden Bedingungen und der Steuerungsprozess zum Bestimmen eines erwarteten vom VVC zu liefernden Verstärkungsverhältnisses sind in der Technik bekannt. Das Modulationssignal 36 wird mit dem PWM-Trägersignal 35 verglichen, um Original-PWM-Gate-Signale Si für den oberen Transistor und S₂ für den unteren Transistor zu generieren, wie in 2B vor der Totzeiteinfügung dargestellt. In diesem Beispiel hat das Gate-Signal Si einen hohen logischen Pegel, wenn das Trägersignal 35 größer ist als das Tastverhältnissignal 36 und das Gate-Signal S₂ die Umkehrung von Si darstellt. T_S ist die Trägerperiode (z. B. eine Periode von 100 µS bei einer Trägerfrequenz von 10 kHz), und To ist die Einschaltzeit (d. h. der Anteil mit hohem logischen Pegel) des oberen Transistors während einer Trägerperiode. Das Einschaltzeit-Tastverhältnis Do vor der Totzeiteinfügung ist $\frac{T_{O}}{T_{S}} .$
Wie in 2C gezeigt, wird eine Totzeit T_D bei jedem Übergang des PWM-Gate-Signals Si eingefügt, so dass gleich welches der beiden Signale Si und S₂, das einen hohen logischen Pegel aufweist, auf einen niedrigen (OFF) logischen Pegel zurückgesetzt wird. Die Dauer der Totzeit hat einen nominellen Wert, der entsprechend den charakteristischen Schaltzeiten der verwendeten Transistoren bestimmt wird. In einem typischen Beispiel kann T_D eine Dauer von ca. 5 µS haben. Die Totzeit T_D bleibt typischerweise während des Fahrzeugbetriebs konstant. Die Totzeit vermeidet Shoot-Through, der auftreten könnte, wenn der obere und der untere Transistor gleichzeitig in einem Zustand EIN oder teilweise in einem Zustand EIN wären. Die eingefügte Totzeit beeinflusst jedoch auch das effektive Tastverhältnis des VVC, da die Einschaltzeit des oberen Transistors verändert ist.
Der Einfluss auf das effektive Tastverhältnis ist unterschiedlich, je nachdem, ob der VVC sich im Motorbetrieb oder im Regenerationsbetrieb befindet. Um den Effekt der Totzeit auf das effektive Tastverhältnis einzubeziehen, wird das Verstärkungsverhältnis des VVC zu: $\frac{V_{D C}}{V_{B}} = \frac{1}{(D_{O} + D_{d})}$
für Motorbetrieb, und $\frac{V_{D C}}{V_{B}} = \frac{1}{(D_{O} - D_{d})}$
für Regenerationsbetrieb,
wobei Do das ursprüngliche Tastverhältnis vor dem Einfügen der Totzeit (d. h. Do = T_O/T_s), und D_d das Tastverhältnis mit eingefügter Totzeit (d. h. D_d = T_d/T_s) darstellt. Um eine ausreichende Totzeit zu gewährleisten, wurde durch Design und Konfiguration eines Ansteuerungssystems mit einem VVC gewährleistet, dass To weniger als T_s - T_d. Ebenso ist das maximal effektive Tastverhältnis nicht größer als 1 - D_d. Bei Motorbetrieb ist das minimal erreichbare Verstärkungsverhältnis eins, da sich der Wert von Do + D_d eins annähert. Für den Regenerationsbetrieb ist jedoch das minimale Verstärkungsverhältnis unter Verwendung des konventionellen PWM-Schaltmusters größer als eins (da Do - D_d immer kleiner als eins ist, was bedeutet, dass sein Reziprokwert stets größer als eins ist).
3 zeigt den Verstärkungsverhältnisbereich für ein Beispiel eines VVC. Eine Kurve 40 zeigt einen Verstärkungsverhältnisbereich für Motorbetrieb, der beim maximalen Tastverhältnis bis ganz nach unten zu eins reicht. Die Kurve 41 zeigt einen Verstärkungsverhältnisbereich für Regenerationsbetrieb, der sogar beim maximalen Tastverhältnis größer als eins ist. Für einen VVC im Regenerationsbetrieb ist ein minimal mögliches Verstärkungsverhältnis gegeben durch $G_{m i n} = \frac{1}{(1 - 2 D_{d})} .$
Mittels einer PWM-Trägerfrequenz von 10 kHz (d. h. T_S = 100 µS) und einer nominellen Totzeit T_d von 5 µS wird ein minimales Verstärkungsverhältnis von 1,11 erhalten. Bei höheren Trägerfrequenzen ist die Erhöhung des minimalen Verstärkungsverhältnisses, das erhalten werden kann, noch größer. So steigt z. B. durch Erhöhen der Trägerfrequenz auf 20 kHz das minimale Verstärkungsverhältnis auf 1,25 an. Falls der VVC im Regenerationsbetrieb während einer Zeit betrieben wurde, in der ein Soll-Verstärkungsverhältnis (d. h. das Verhältnis, das eine hohe Gleichspannung vom Generator in eine bevorzugte Spannung zum Laden der Batterie herunterkonvertieren würde) nicht erhalten werden kann, da es weniger als G_min beträgt, würde ein Overboost eintreten. Unter diesen Umständen kann es erforderlich sein, den VVC in einen Durchlassmodus zu bringen (d. h. Schalten des oberen Transistors auf kontinuierlich EIN und den unteren Transistor auf kontinuierlich AUS, so dass V_B gleich V_DC) ist, um das Anliegen von unzulässig hohen Spannungen an der Batterie oder anderen Komponenten oder Verdrahtung, die dem Eingang des VVC zugeordnet ist, zu verhindern. Allerdings würde kein optimales Laden erreicht und Verluste würden erhöht.
Die vorliegende Erfindung bedient sich eines modifizierten PWM-Gate-Signalmusters 42, wie in 4 dargestellt, während der Zeiten, in denen ein gewünschtes Verstärkungsverhältnis, das in einen Bereich von 1 bis zum minimalen Verstärkungsverhältnis G_min fällt, andernfalls nicht erreicht werden könnte. Im modifizierten Muster 42 sind die PWM-Gate-Signale ohne Totzeiteinfügung für die obere Schaltvorrichtung und die untere Schaltvorrichtung bleibt kontinuierlich AUS. Im Wesentlichen arbeitet die untere Schaltvorrichtung so, wie sie dies in einem Durchlassmodus tun würde (Gate-Signal S₂ ist ein niedriger logischer Pegel), während die obere Schaltvorrichtung weiterhin so arbeitet, wie sie dies im Verstärkungsmodus tun würde (Gate-Signal S₁ wird durch Vergleich des Trägersignals 35 mit dem Modulationssignal 36 bestimmt). Da nur eine einzige Vorrichtung einschaltet, wird die Totzeit nicht mehr benötigt. Folglich wird das Tastverhältnis der oberen Schaltvorrichtung nicht durch eine Totzeit modifiziert (d. h. das Verstärkungsverhältnis wird in diesem Fall zu 1/D_O. Der resultierende Induktorstrom ist im Wesentlichen Gleichstrom und wird robust gesteuert, um dem Batteriepaket eine gewünschte Ladespannung bereitzustellen.
5 zeigt den vollen Bereich des Verstärkungsverhältnisses, der durch die vorliegende Erfindung erreicht werden kann. Ein Segment 45 zeigt die Verstärkungsverhältnisse, die unter Verwendung von PWM-Gate-Signalen erhalten werden können, die eine Totzeiteinfügung sowohl für den oberen als auch für den unteren Transistor aufweisen, wobei sich der Bereich des verfügbaren Verstärkungsverhältnisses von einem maximalen Verhältnis (bei kleinstem Tastverhältnis) zu einem minimalen Verhältnis G_min erstreckt. Der Bereich von Verstärkungsverhältnissen von G_min hinunter zu 1 entlang eines Segments 46 wird erreicht mittels der modifizierten PWM-Gate-Signalmuster ohne Totzeiteinfügung.
6 zeigt ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung, das dazu dient, eine geeignete Auswahl des PWM-Gate-Signalmusters für den Einsatz durch den VVC entsprechend dem Betriebsmodus mit elektrischer Ansteuerung und der Größenordnung des Soll-Verstärkungsverhältnisses aufrechtzuerhalten. Der Prozess wird regelmäßig während des Fahrzeugbetriebs in Schritt 50 gemäß einer vorgegebenen Sampling- und Steuerungsperiode aufgerufen. In Schritt 51 identifiziert die Motor-Generator-Steuereinheit die Betriebsart des VVC und bestimmt ein erwartetes Verstärkungsverhältnis, das vom VVC auf bekannte Weise zu erzeugen ist. In Schritt 52 erfolgt eine Bestimmung, ob der VVC in einem Regenerationsbetrieb ist. Wenn nicht, steuert der MGCU das Schalten der VVC-Transistoren mittels des PWM-Gate-Signalmusters mit Totzeiteinfügung in Schritt 53. Andernfalls wird in Schritt 54 eine Überprüfung ausgeführt, um zu bestimmen, ob das erwartete Verstärkungsverhältnis kleiner als das minimale Verstärkungsverhältnis G_min ist. Wenn nicht, steuert der MGCU das Schalten der VVC-Transistoren mittels des PWM-Gate-Signalmusters mit Totzeiteinfügung in Schritt 53. Andernfalls steuert der MGCU das Schalten der VVC-Transistoren mittels des PWM-Gate-Signalmusters ohne Totzeiteinfügung in Schritt 55.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung können wie folgt veranschaulicht werden: Angenommen beispielsweise, dass ein typischer Maximalwert für die Hauptbusspannung V_DC als 500V vorgegeben ist und ein minimales Verstärkungsverhältnis mit nomineller Totzeit G_min 1,25 beträgt, dann wäre Regenerationsbetrieb des VVC nur verfügbar, wenn die Batteriespannung kleiner als 400V (d. h. 500V/1,25) ist. Wenn eine Batteriespannung darüber liegt, ist der Regenerationsbetrieb nicht verfügbar, da er zu Overboost führen wurde, und der V_DC-Ausgang des VVC den Maximalwert von 500V überschreiten würde. Wenn dagegen die Verwendung des modifizierten PWM-Gate-Signalmusters mit dem konventionellen Muster kombiniert wird, dann stehen Verstärkungs- und Durchlassmodi nach Bedarf für alle Batteriespannungen bis 500V zur Verfügung. Auf diese Weise kann der VVC eine gewünschte Spannung in einem erweiterten Batteriespannungsbereich ausgeben und somit eine höhere Drehmomentkapazität für den Umrichter/Motor bereitstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9106162 [0011]

Claims

Regelbarer Spannungswandler in einem elektrischen Ansteuerungssystem, umfassend; eine obere Schaltvorrichtung, die mit einer unteren Schaltvorrichtung zwischen einem positiven Bus und einem negativen Bus in Reihe geschaltet ist; eine Induktanz zum Koppeln eines Anschlussstücks zwischen der oberen und der unteren Schaltvorrichtung mit einer Gleichstromquelle; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, die Schalter nach PWM-Gate-Signalen basierend auf einem erwarteten Verstärkungsverhältnis des Wandlers anzusteuern, wobei die PWM-Gate-Signale über eine nominelle Totzeiteinfügung für sowohl die obere als auch die untere Schaltvorrichtung verfügen, wenn das erwartete Verstärkungsverhältnis größer ist als ein vorgegebenes Verstärkungsverhältnis, und wobei die PWM-Gate-Signale für die obere Schaltvorrichtung ohne Totzeiteinfügung sind und die untere Schaltvorrichtung kontinuierlich ausgeschaltet bleibt, wenn das erwartete Verstärkungsverhältnis kleiner als das vorgegebene Verstärkungsverhältnis ist.
Wandler nach Anspruch 1, wobei der Wandler einen Motorbetrieb aufweist, in dem elektrische Leistung von der Gleichstromquelle durch den Wandler fließt, und einen Regenerationsbetrieb aufweist, in dem elektrische Leistung vom Wandler zur Gleichstromquelle fließt, und wobei die PWM-Gate-Signale ohne Totzeiteinfügung für die obere Schaltvorrichtung dazu verwendet werden, die Schalter nur während des Regenerationsmodus anzusteuern.
Wandler nach Anspruch 1, wobei die PWM-Gate-Signale für die obere Schaltvorrichtung ein variables Tastverhältnis als Reaktion auf das erwartete Verstärkungsverhältnis aufweisen.
Wandler nach Anspruch 1, wobei das vorgegebene Verstärkungsverhältnis ein Verstärkungsverhältnis mit minimaler Totzeit G_min ist, entsprechend: $G_{m i n} = \frac{1}{(1 - 2 D_{d})}$
wobei D_d ein Tastverhältnis-Äquivalent der nominellen Totzeit basierend auf einer Trägerfrequenz der PWM-Gate-Signale ist.
Konverter nach Anspruch 1, wobei die Schaltvorrichtungen aus Bipolartransistoren mit isoliertem Gate bestehen und wobei jeweils eine entsprechende Freilaufdiode mit jedem Transistor parallel geschaltet ist.
Verfahren zum Steuern eines regelbaren Spannungswandlers, welches die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen eines erwarteten Verstärkungsverhältnisses, das vom Wandler zu erzeugen ist; Identifizieren, ob der Wandler in einem Regenerationsbetrieb ist; wenn der Wandler nicht im Regenerationsbetrieb ist, Ansteuern der oberen und der unteren Schaltvorrichtung des Wandlers mittels PWM-Gate-Signalen, die eine nominelle Totzeiteinfügung für sowohl die obere als auch die untere Schaltvorrichtung aufweisen; wenn der Wandler im Regenerationsbetrieb ist und das erwartete Verstärkungsverhältnis größer ist als ein vorgegebenes Verstärkungsverhältnis, Ansteuern der oberen und der unteren Schaltvorrichtung mittels PWM-Gate-Signalen, die die nominelle Totzeiteinfügung für sowohl die obere als auch die untere Schaltvorrichtung aufweisen; und wenn der Wandler im Regenerationsbetrieb ist und das erwartete Verstärkungsverhältnis kleiner ist als das vorgegebene Verstärkungsverhältnis, Ansteuern der oberen und der unteren Schaltvorrichtung mittels PWM-Gate-Signalen ohne Totzeiteinfügung, wobei die untere Schaltvorrichtung kontinuierlich ausgeschaltet bleibt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das vorgegebene Verstärkungsverhältnis ein Verstärkungsverhältnis mit minimaler Totzeit G_min ist, entsprechend: $G_{m i n} = \frac{1}{(1 - 2 D_{d})}$
wobei D_d ein Tastverhältnis-Äquivalent der nominellen Totzeit basierend auf einer Trägerfrequenz der PWM-Gate-Signale ist.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend den Schritt des Variierens eines Tastverhältnisses der PWM-Gate-Signale für die obere Schaltvorrichtung als Reaktion auf das erwartete Verstärkungsverhältnis.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der regelbare Spannungswandler eine obere Schaltvorrichtung beinhaltet, die mit einer unteren Schaltvorrichtung zwischen einem positiven Bus und einem negativen Bus in Reihe geschaltet ist, und eine Induktanz zum Koppeln eines Anschlussstücks zwischen der oberen und der unteren Schaltvorrichtung mit einer Gleichstromquelle, und wobei der Schritt des Identifizierens, ob der Wandler in einem Regenerationsbetrieb ist, aus dem Erkennen eines von einem Motorbetrieb, in dem elektrische Leistung von einer Gleichstromquelle durch den Wandler fließt oder einem Regenerationsbetrieb, in dem elektrische Leistung vom Wandler zur Gleichstromquelle fließt, besteht.
Regelbarer Spannungswandler für ein elektrisches Fahrzeug, umfassend; einen oberen Transistor, der mit einem unteren Transistor in Reihe geschaltet ist; eine Induktanz zum Koppeln der Transistoren mit einer Batterie, und eine Steuerung, die die Transistoren mit PWM-Gate-Signalen entsprechend einem erwarteten Verstärkungsverhältnis ansteuert, wobei die PWM-Gate-Signale Totzeiteinfügung beinhalten, wenn das erwartete Verstärkungsverhältnis über einem bestimmten Schwellenwert liegt, und keine Totzeiteinfügung aufweisen, wenn das erwartete Verstärkungsverhältnis unter dem Schwellenwert liegt.
Wandler nach Anspruch 10, wobei das PWM-Gate-Signal für den unteren Transistor kontinuierlich ausgeschaltet ist, wenn das entsprechende Verstärkungsverhältnis unter dem Schwellenwert liegt.
Wandler nach Anspruch 10, wobei der Wandler einen Motorbetrieb aufweist, in dem elektrische Leistung von der Batterie durch den Wandler fließt, und einen Regenerationsbetrieb aufweist, in dem elektrische Leistung vom Wandler zur Batterie fließt, und wobei die PWM-Gate-Signale, die keine Totzeiteinfügung aufweisen, dazu verwendet werden, die Transistoren nur während des Regenerationsmodus anzusteuern.
Wandler nach Anspruch 10, wobei die PWM-Gate-Signale für den oberen Transistor ein variables Tastverhältnis als Reaktion auf das erwartete Verstärkungsverhältnis aufweisen.
Wandler nach Anspruch 10, wobei der Schwellenwert ein Verstärkungsverhältnis mit minimaler Totzeit G_min ist, entsprechend: $G_{m i n} = \frac{1}{(1 - 2 D_{d})}$
wobei D_d ein Tastverhältnis-Äquivalent einer nominellen Totzeit basierend auf einer Trägerfrequenz der PWM-Gate-Signale ist.
Wandler nach Anspruch 10, wobei die Transistoren aus Bipolartransistoren mit isoliertem Gate bestehen und wobei jeweils eine entsprechende Freilaufdiode mit jedem Transistor parallel geschaltet ist.