DE102018103404A1

DE102018103404A1 - System und verfahren zur geräuschminderung in elektrifizierten fahrzeugantriebssträngen mit elektrischem mehrfachdreiphasenantrieb

Info

Publication number: DE102018103404A1
Application number: DE102018103404.0A
Authority: DE
Inventors: Jiyao Wang; Wei Xu
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2018-08-23
Also published as: US20180236882A1; CN108482142A; US10137790B2; CN108482142B

Abstract

Eine elektrische Maschine ist mit mindestens zwei Sätzen von Phasenwicklungen ausgelegt. Eine Vielzahl von Leistungsschaltern ist ausgelegt, wahlweise Spannungsanschlüsse mit jeder der Phasenwicklungen zu koppeln. Eine Steuerung ist programmiert, die Leistungsschalter entsprechend eines Schaltmusters für jeden der Sätze zu betreiben, die in Zeiträumen aktualisiert werden, die derartig durch eine Schaltfrequenz definiert sind, dass sich die Schaltmuster während jedem der Zeiträume unterscheiden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft im Allgemeinen ein Steuersystem für ein Mehrfachwechselrichtersystem zum Antreiben einer elektrischen Maschine in einem elektrifizierten Fahrzeug.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrifizierte Fahrzeuge, zu denen Hybridelektrofahrzeuge (HEV) und Batterieelektrofahrzeuge (BEV) gehören, nutzen eine Traktionsbatterie, um Leistung an einen Fahrmotor zum Antrieb bereitzustellen, und einen dazwischengeschalteten Leistungswechselrichter, um Gleichstrom-(DC-)Leistung in Wechselstrom-(AC-)Leistung umzuwandeln. Der typische AC-Traktionselektromotor ist ein Dreiphasenelektromotor, der durch drei sinusförmige Signale angetrieben werden kann, die jeweils mit einer Phasentrennung von 120 Grad angetrieben werden. Die Traktionsbatterie ist dazu ausgelegt, in einem bestimmten Spannungsbereich zu arbeiten und einen Spitzenstrom bereitzustellen. Die Traktionsbatterie wird alternativ als Hochspannungsbatterie bezeichnet. Eine verbesserte Leistung elektrischer Maschinen kann jedoch erreicht werden, indem in einem anderen Spannungsbereich betrieben wird, typischerweise bei Spannungen, die größer als die Traktionsbatterieanschlussspannung sind. Gleichermaßen werden die Stromanforderungen zum Antreiben einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs für gewöhnlich als Hochstrom bezeichnet.
Außerdem beinhalten viele elektrifizierte Fahrzeuge einen Gleichspannungswandler, der auch als variabler Spannungswandler (variable voltage converter - VVC) bezeichnet wird, um die Spannung der Traktionsbatterie in einen Betriebsspannungspegel der elektrischen Maschine umzuwandeln. Die elektrische Maschine, die einen Traktionselektromotor und einen Generator beinhalten kann, kann Hochspannung und Hochstrom erfordern. Aufgrund der Spannungs- und Stromanforderungen stehen ein Batteriemodul und ein Leistungselektronikmodul üblicherweise in kontinuierlicher Kommunikation. Das Batteriemodul stellt Informationen für die Fahrzeugsteueralgorithmen bereit, zu denen Batteriespannung, Batteriestrom und Ladezustand (state of charge - SOC) der Batterie gehören.
KURZDARSTELLUNG
Ein Fahrzeug beinhaltet eine elektrische Maschine, die mit mindestens zwei Sätzen von Phasenwicklungen ausgelegt ist. Das Fahrzeug beinhaltet ferner eine Vielzahl von Leistungsschaltern, die ausgelegt sind, wahlweise Spannungsanschlüsse mit jeder der Phasenwicklungen zu koppeln. Das Fahrzeug beinhaltet ferner eine Steuerung, die programmiert ist, die Leistungsschalter entsprechend eines Schaltmusters für jeden der Sätze zu betreiben, die in Zeiträumen aktualisiert werden, die derartig durch eine Schaltfrequenz definiert sind, dass sich die Schaltmuster während jedem der Zeiträume unterscheiden.
Ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, die mindestens zwei Sätze von Phasenwicklungen aufweist, beinhaltet Betreiben, durch eine Steuerung, einer Vielzahl von Leistungsschaltern, die dazu ausgelegt sind, Spannungsanschlüsse wahlweise mit jeder der Phasenwicklungen entsprechend eines Schaltmusters für jeden der Sätze zu koppeln, die in Zeiträumen aktualisiert werden, die derartig durch eine Schaltfrequenz definiert sind, dass sich die Schaltmuster während jedes Zeitraums unterscheiden.
Ein elektrifizierter Antriebsstrang beinhaltet eine elektrische Maschine, die mit mindestens zwei Sätzen von Phasenwicklungen ausgelegt ist. Der elektrifizierte Antriebsstrang beinhaltet ferner eine Vielzahl von Leistungsschaltern, die ausgelegt sind, wahlweise Spannungsanschlüsse mit jeder der Phasenwicklungen zu koppeln. Der elektrifizierte Antriebsstrang beinhaltet ferner eine Steuerung, die programmiert ist, die Leistungsschalter während eines Zeitraums entsprechend einer Sequenz von Raumvektormodulationszuständen für jeden der Sätze zu betreiben, die für jeden der Sätze während des Zeitraums ein anderes Nullvektormuster definiert.
Figurenliste

1 ist eine Abbildung einer sechsadrigen elektrischen Antriebsleistung durch Doppelleistungsumwandlungseinheiten und ein Energiespeichersystem.
2 ist eine Abbildung eines elektrifizierten Fahrzeugs, die typische Antriebsstrang- und Energiespeicherbestandteile veranschaulicht.
3 ist eine Abbildung eines Leistungswechselrichters eines Leistungselektronikmoduls.
4 ist eine Abbildung eines Hybridfahrzeugantriebsstrangs, der eine Traktionsbatterie und einen Gleichspannungswandler beinhaltet, der über einen Leistungswechselrichter mit einem Elektromotor gekoppelt ist.
5 ist eine Abbildung eines Hybridfahrzeugantriebsstrangs, der eine Traktionsbatterie beinhaltet, die mit einem 6-adrigen Elektromotor über Doppelleistungswechselrichter gekoppelt ist.
6 ist eine Abbildung eines Hybridfahrzeugtraktionselektromotors, der mit vier Leistungswechselrichtern gekoppelt ist.
7 ist eine Abbildung eines Vektorraums, der für die elektrische Maschinensteuerung verwendet wird.
8 ist eine Abbildung, die ein Beispiel zum Aufbau eines Referenzvektors unter Verwendung zweier angrenzender vorgegebener Vektoren zeigt.
9 ist ein beispielhaftes Zeitdiagramm für Schaltzustände zweier Wechselrichter, welches das Verwenden eines anderen Schaltmusters über einen Schaltzeitraum veranschaulicht.
10 ist ein beispielhaftes Zeitdiagramm für Schaltzustände zweier Wechselrichter, die das Verwenden einer anderen Anzahl von Nullvektoren über einen Schaltzeitraum veranschaulichen.
11 ist ein Ablaufdiagramm einer möglichen Sequenz von Vorgängen für das Steuern mehrerer Wechselrichter, um Geräusche zu verringern.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaften Charakters sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Basis, um den Fachmann die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für einen Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert sein können, welche in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, welche nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten dabei jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen gewünscht sein.
1 zeigt ein Fahrzeug, das einen elektrifizierten Antriebsstrang aufweist. Der elektrifizierte Antriebsstrang kann einen elektrischen Antrieb 8 beinhalten, der elektrisch von einer ersten Leistungsumwandlungseinheit 4 und einer zweiten Leistungsumwandlungseinheit 6 angetrieben wird, die elektrisch an eine Energiespeichereinheit 2 gekoppelt sind.
Ein Spannungspegel der Energiespeichereinheit 2 kann von einer Eingangsspannung für die Leistungsumwandlungseinheiten 4, 6 abweichen und ein Gleichspannungswandler, der auch als variabler Spannungswandler (VVC) bezeichnet werden kann, kann elektrisch zwischen den Leistungsumwandlungseinheiten 4, 6 und der Energiespeichereinheit 2 gekoppelt sein. Zum Beispiel wird eine Energiespeichereinheit 2, die eine Spannung von 200 V aufweist, und ein elektrischer Antrieb 8 in Betracht gezogen, der 120 kW Leistung erfordert, um Vortrieb bereitzustellen. Ein Leistungsumwandlungseinheitseingangsbus kann ausgelegt sein, 400 V bei 300 A oder 200 V bei 600 A bereitzustellen, um die erforderlichen 120 kW elektrischer Antriebsleistung zu erzeugen. Eine elektrische Antriebseinheit 8 kann ausgelegt sein, unterschiedliche Eingangsspannungen aufzunehmen, bei denen sie betrieben werden soll. Die Wahl, welche Eingangsspannung ausgewählt werden soll, kann jedoch durch Leistungselektronikvorrichtungen der Leistungsumwandlungseinheiten 4, 6 begrenzt sein. Wenn zum Beispiel eine Energiespeichereinheit 2 mit 200 V direkt mit einem DC-Bus mit 200 V/600 A verbunden ist, müssen die Leistungsschalter der Leistungsumwandlungseinheiten 4, 6 bei 200 V/600 A betrieben werden. Diese Kombination aus Spannung/Strom kann sehr kostspielig sein, da die Hochstromanforderung bei der geringeren Spannung nicht so ökonomisch sein kann, da die Leistungsschalter mit diesen Spezifikationen teuer sein können. Im Vergleich dazu können Leistungsschalter, die bei 400 V/300 A betrieben werden, kostengünstiger sein. Um die Eingangsspannung von 200 V und die gewünschte DC-Busspannung von 400 V anzupassen, kann ein Gleichspannungswandler (z. B. VVC) verwendet werden, um die Spannung von 200 V auf 400 V zu verstärken. Die Verwendung des VVC fügt dem elektrifizierten Antriebsstrang weitere Leistungsschalter und Induktoren hinzu, wodurch die Größe und die Kosten erhöht werden. Zusätzlich ist ein VVC typischerweise als kaskadierte Verbindung im Leistungskreis verbunden und somit wird zwei Mal Leistungsverlust erzeugt, sowohl während des Lade- als auch des Entladezyklus der Energiespeichereinheit. Dies bewirkt zusätzlichen Leistungsverlust und verringert die Fahrzeugkraftstoffeffizienz.
Um die Kosten zu verringern und die Konfektionierung für den elektrifizierten Antriebsstrang zu verbessern, ist es wünschenswert, den Gleichspannungswandler (z. B. VVC) zu beseitigen. Es wird jedoch eine praktische und ökonomische Art benötigt, um die Leistungsanforderung bereitzustellen, ohne die Kosten von Hochstromkomponenten aufzuweisen (z. B. Komponenten mit 200 V/600 A für einen Wechselrichter mit 120 kW). Eine Lösung ist es, eine parallele Leistungsumwandlungsmodulstruktur umzusetzen, welche die Energiespeichereinheitleistung in Teilstücke einer elektrischen Maschine unterteilt. Die Leistung fließt in Wicklungen um Statorzähne, um ein Feld innerhalb der Statorzähne zu induzieren. Diese elektrifizierte Antriebsstrangauslegung ist derartig gestaltet, dass jedes Leistungsumwandlungsmodul 4, 6 dazu verwendet wird, ein Feld in Statorzähnen zu konzentrieren, die sich ausschließlich in einem einzelnen Teilstück der elektrischen Maschine befinden. Zum Beispiel teilt ein Leistungsumwandlungsmodulsystem die Leistung auf ein erstes und ein zweites Leistungsumwandlungsmodul auf. Das erste Leistungsumwandlungsmodul 4 führt lediglich Wicklungen um Statorzähne in einem ersten Teilstück der elektrischen Maschine Leistung zu, während das zweite Leistungsumwandlungsmodul 6 lediglich Wicklungen um Statorzähne in einem zweiten Teilstück der elektrischen Maschine Leistung zuführt. Hier kann es sich bei dem ersten Teilstück der elektrischen Maschine um eine erste Hälfte der elektrischen Maschine handeln, und das zweite Teilstück der elektrischen Maschine kann eine zweite Hälfte der elektrischen Maschine sein. Die Teilstücke der elektrischen Maschine sind durch eine Ebene definiert, die mit einer Drehachse der elektrischen Maschine zusammenfällt.
2 zeigt ein elektrifiziertes Fahrzeug 112, das als Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) bezeichnet werden kann. Ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 114 umfassen, die mechanisch an ein Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die elektrischen Maschinen 114 können in der Lage sein, als Elektromotor oder Generator betrieben zu werden. Außerdem ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch an einen Motor 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 ist ferner mechanisch an eine Antriebswelle 120 gekoppelt, die mechanisch an die Räder 122 gekoppelt ist. Die elektrischen Maschinen 114 können Vortriebs- und Abbremsfähigkeit bereitstellen, wenn der Motor 118 an- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 114 können außerdem als Generatoren fungieren und können Kraftstoffeffizienzvorteile durch das Zurückgewinnen von Energie bereitstellen, die normalerweise in einem Reibungsbremssystem als Wärme verloren gehen würde. Die elektrischen Maschinen 114 können außerdem Fahrzeugemissionen verringern, indem dem Verbrennungsmotor 118 ermöglicht wird, mit effizienteren Drehzahlen betrieben zu werden, und dem Hybridelektrofahrzeug 112 ermöglicht wird, im Elektromodus betrieben zu werden, wobei der Verbrennungsmotor 118 unter bestimmten Bedingungen ausgeschaltet ist. Ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 kann außerdem ein Batterieelektrofahrzeug (BEV) sein. In einer BEV-Auslegung ist der Verbrennungsmotor 118 möglicherweise nicht vorhanden. In anderen Auslegungen kann das elektrifizierte Fahrzeug 112 ein Vollhybridelektrofahrzeug (full hybrid-electric vehicle - FHEV) ohne Plug-in-Fähigkeit sein.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 124 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 114 verwendet werden kann. Die Traktionsbatterie 124 kann einen Hochspannungsgleichstrom-(DC-)Ausgang bereitstellen. Die Traktionsbatterie 124 kann elektrisch an ein oder mehrere Leistungselektronikmodule 126 gekoppelt sein. Ein oder mehrere Schütze 142 können die Traktionsbatterie 124 von anderen Komponenten trennen, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 124 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 126 ist ferner elektrisch an die elektrischen Maschinen 114 gekoppelt und stellt die Fähigkeit bereit, Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 124 und den elektrischen Maschinen 114 zu übertragen. Beispielsweise kann eine Traktionsbatterie 124 eine DC-Spannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 114 mit einem Dreiphasenwechselstrom (AC) betrieben werden können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die DC-Spannung in einen Dreiphasen-AC-Strom umwandeln, um die elektrischen Maschinen 114 zu betreiben. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasen-AC-Strom von den elektrischen Maschinen 114, die als Generatoren fungieren, in die DC-Spannung umwandeln, die mit der Traktionsbatterie 124 kompatibel ist.
Das Fahrzeug 112 kann einen variablen Spannungswandler (VVC) 152 beinhalten, der elektrisch zwischen der Traktionsbatterie 124 und dem Leistungselektronikmodul 126 gekoppelt ist. Der VVC 152 kann ein Gleichspannungsaufwärtswandler sein, der zum Erhöhen oder Hochsetzen der von der Traktionsbatterie 124 bereitgestellten Spannung ausgelegt ist. Durch Erhöhen der Spannung können Stromanforderungen gesenkt werden, was zu einer Verringerung der Kabelgröße für das Leistungselektronikmodul 126 und die elektrischen Maschinen 114 führt. Ferner können die elektrischen Maschinen 114 mit besserer Effizienz und geringeren Verlusten betrieben werden.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Vortriebsenergie kann die Traktionsbatterie 124 Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Das Fahrzeug 112 kann ein Gleichspannungswandlermodul 128 beinhalten, das den Hochspannungs-DC-Ausgang der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungs-DC-Zufuhr umwandelt, die mit Niederspannungslasten des Fahrzeugs kompatibel ist. Eine Ausgabe des Gleichspannungswandlermoduls 128 kann elektrisch an eine Zusatzbatterie 130 (z. B. eine 12-V-Batterie) zum Laden der Zusatzbatterie 130 gekoppelt sein. Die Niederspannungssysteme können elektrisch an die Zusatzbatterie 130 gekoppelt sein. Eine oder mehrere elektrische Lasten 146 können an den Hochspannungsbus gekoppelt sein. Die elektrischen Lasten 146 können eine zugehörige Steuerung aufweisen, die die elektrischen Lasten 146 gegebenenfalls betreibt und steuert. Beispiele für elektrische Lasten 146 können ein Gebläse, ein elektrisches Heizelement und/oder ein Klimakompressor sein.
Das elektrifizierte Fahrzeug 112 kann dazu ausgelegt sein, die Traktionsbatterie 124 über eine externe Leistungsquelle 136 wieder aufzuladen. Die externe Leistungsquelle 136 kann eine Verbindung zu einer Steckdose sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann elektrisch an eine Ladevorrichtung oder eine Ladestation für Elektrofahrzeuge (electric vehicle supply equipment - EVSE) 138 gekoppelt sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann ein elektrisches Leistungsverteilungsnetzwerk oder -raster sein, wie es von einem Stromversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Das EVSE 138 kann eine Schaltung und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regeln und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 136 kann dem EVSE 138 elektrische Leistung als Gleichstrom oder Wechselstrom bereitstellen. Das EVSE 138 kann einen Ladestecker 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Der Ladeanschluss 134 kann jede Art von Anschluss sein, der dazu ausgelegt ist, Energie vom EVSE 138 an das Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeanschluss 134 kann elektrisch an eine Ladevorrichtung oder ein bordeigenes Leistungsumwandlungsmodul 132 gekoppelt sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann die vom EVSE 138 zugeführte Leistung konditionieren, um der Traktionsbatterie 124 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann mit dem EVSE 138 eine Schnittstelle bilden, um die Abgabe von Leistung an das Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 140 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlusses 134 zusammenpassen. Alternativ dazu können verschiedene Komponenten, die als elektrisch gekoppelt oder verbunden beschrieben sind, Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
Eine oder mehrere Radbremsen 144 können bereitgestellt sein, um das Fahrzeug 112 zu verlangsamen und eine Bewegung des Fahrzeugs 112 zu verhindern. Die Radbremsen 144 können hydraulisch betätigt, elektrisch betätigt oder eine Kombination davon sein. Die Radbremsen 144 können Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann weitere Komponenten beinhalten, um die Radbremsen 144 zu betreiben. Der Einfachheit halber zeigt die Figur eine einzige Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den weiteren Radbremsen 144 wird impliziert. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung beinhalten, um das Bremssystem 150 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 150 kann die Bremskomponenten überwachen und die Radbremsen 144 zum Verlangsamen des Fahrzeugs steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann außerdem autonom betrieben werden, um Funktionen wie etwa Stabilitätskontrolle umzusetzen. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Anwenden einer angeforderten Bremskraft umsetzen, wenn dies von einer weiteren Steuerung oder einer Unterfunktion angefordert wird.
Elektronische Module im Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann eine Vielzahl von Kommunikationskanälen beinhalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzwerks kann ein serieller Bus, wie etwa ein Controller Area Network (CAN), sein. Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernetnetzwerk laut der Definition durch die Normengruppe 802 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) beinhalten. Zusätzliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks können einzelne Verbindungen zwischen Modulen beinhalten und können Leistungssignale von der Zusatzbatterie 130 beinhalten. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks übertragen werden. Zum Beispiel können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuersignale über ein CAN oder diskrete Signale übertragen werden können. Das Fahrzeugnetzwerk kann beliebige Hardware- und Software-Komponenten beinhalten, die eine Übertragung von Signalen und Daten zwischen Modulen unterstützen. Das Fahrzeugnetzwerk ist nicht in 1 gezeigt, es kann jedoch impliziert sein, dass sich das Fahrzeugnetzwerk mit jedem elektronischen Modul verbinden kann, das im Fahrzeug 112 vorhanden ist. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (vehicle system controller - VSC) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
Der VVC 152 kann als Aufwärtswandler ausgelegt sein. Der VVC 152 kann Eingangsanschlüsse beinhalten, die über die Schütze 142 an Anschlüsse der Traktionsbatterie 124 gekoppelt sein können. Der VVC 152 kann Ausgangsanschlüsse beinhalten, die an Anschlüsse des Leistungselektronikmoduls 126 gekoppelt sind. Der VVC 152 kann so betrieben werden, dass veranlasst wird, dass eine Spannung an den Ausgangsanschlüssen höher ist als eine Spannung an den Eingangsanschlüssen. Das Fahrzeug 112 kann eine VVC-Steuerung beinhalten, die elektrische Parameter (z.B. Spannung und Strom) an verschiedenen Stellen innerhalb des VVC 152 überwacht und steuert. In einigen Auslegungen kann die VVC-Steuerung als Teil des VVC 152 beinhaltet sein. Die VVC-Steuerung kann eine Ausgangsspannungsreferenz $V_{d c}^{*} .$
bestimmen. Die VVC-Steuerung kann auf Grundlage der elektrischen Parameter und der Spannungsreferenz $V_{d c}^{*}$
ein Steuersignal bestimmen, das ausreicht, um zu veranlassen, dass der VVC 152 die gewünschte Ausgangsspannung erreicht. In einigen Auslegungen kann das Steuersignal als impulsbreitenmoduliertes (pulse-width modulated - PWM-) Signal umgesetzt sein, im ein Arbeitszyklus des PWM-Signals variiert wird. Das Steuersignal kann mit einer vorbestimmten Frequenz betrieben werden. Die VVC-Steuerung kann dem VVC 152 befehlen, die gewünschte Ausgangsspannung unter Verwendung des Steuersignals bereitzustellen. Das konkrete Steuersignal, bei dem der VVC 152 betrieben wird, kann direkt mit der Höhe der Spannungsverstärkung in Zusammenhang stehen, die vom VVC 152 bereitgestellt werden soll.
Unter Bezugnahme auf 2 kann der VVC 152 das Spannungspotenzial der elektrischen Leistung, die von der Traktionsbatterie 124 bereitgestellt wird, hochsetzen oder „hochtransformieren“. Die Traktionsbatterie 124 kann Hochspannungs-(high-voltage - HV-)DC-Leistung bereitstellen. In einigen Auslegungen kann die Traktionsbatterie 124 eine Spannung zwischen 150 und 400 Volt bereitstellen. Das Schütz 142 kann elektrisch in Reihe zwischen der Traktionsbatterie 124 und dem VVC 152 gekoppelt sein. Wenn das Schütz 142 geschlossen ist, kann die HV-DC-Leistung von der Traktionsbatterie 124 zum VVC 152 übertragen werden. Ein Eingangskondensator kann elektrisch parallel an die Traktionsbatterie 124 gekoppelt sein. Der Eingangskondensator kann die Busspannung stabilisieren und jegliche Spannungs- und Stromwelligkeit verringern. Der VVC 152 kann die HV-DC-Leistung aufnehmen und das Spannungspotenzial der Eingangsspannung gemäß dem Arbeitszyklus hochsetzen oder „hochtransformieren“. Häufig ist ein Ausgangskondensator elektrisch zwischen den Ausgangsanschlüssen des VVC 152 und dem Eingang des Leistungselektronikmoduls 126 gekoppelt, um die Busspannung zu stabilisieren und Spannungs- und Stromwelligkeit am Ausgang des VVC 152 zu verringern.
Unter Bezugnahme auf 3 wird ein System 300 zum Steuern eines Leistungselektronikmoduls (power electronics module - PEM) 126 bereitgestellt. Das PEM 126 aus 3 beinhaltet der Darstellung nach eine Vielzahl von Schaltern 302 (z. B. IGBTs), die ausgelegt sind, um zusammen als Wechselrichter mit einem ersten, zweiten und dritten Phasenzweig 316, 318, 320 zu arbeiten. Während der Wechselrichter als Dreiphasenwandler dargestellt ist, kann der Wechselrichter zusätzliche Phasenzweige beinhalten. Der Wechselrichter kann zum Beispiel ein Vier-Phasen-Wandler, ein Fünf-Phasen-Wandler, ein Sechs-Phasen-Wandler usw. sein. Außerdem kann das PEM 126 mehrere Wandler enthalten, wobei jeder Wechselrichter im PEM 126 drei oder mehr Phasenzweige beinhaltet. Das System 300 kann zum Beispiel zwei oder mehr Wechselrichter im PEM 126 steuern. Das PEM 126 kann ferner einen Gleichspannungswandler beinhalten, der Hochleistungsschalter (z. B. IGBTs) aufweist, um eine Eingangsspannung des Leistungselektronikmoduls durch Hochsetzen, Tiefsetzen oder eine Kombination davon in eine Ausgangsspannung des Leistungselektronikmoduls umzuwandeln.
Wie in 3 gezeigt, kann der Wechselrichter ein DC/AC-Wandler sein. Im Betrieb nimmt der DC/AC-Wandler DC-Leistung aus einer DC-Leistungsverbindung 306 durch einen DC-Bus 304 auf und wandelt die DC-Leistung in AC-Leistung um. Der DC-Bus 304 kann einen positiven Leiter 304A und einen negativen oder Rücklaufleiter 304B beinhalten. Der DC-Bus 304 kann an Spannungsanschlüsse 322, 324 des PEM 126 gekoppelt sein. Die Spannungsanschlüsse 322, 324 können einen Verbindungspunkt zwischen dem DC-Bus 304 und dem PEM 126 bereitstellen. Der positive Leiter 304A kann an einen positiven Spannungsanschluss 322 gekoppelt sein. Der negative Leiter 304B kann an einen negativen Spannungsanschluss 324 gekoppelt sein. Die Spannungsanschlüsse 322, 324 können an Leiter innerhalb des PEM 126 gekoppelt sein, die den DC-Bus 304 innerhalb des PEM 126 verlängern. Die AC-Leistung wird über die Phasenströme ia, ib und ic übertragen, um eine AC-Maschine anzutreiben, die auch als elektrische Maschine 114 bezeichnet wird, wie etwa einen dreiphasigen permanenterregten Synchronmotor (permanent-magnet synchronous motor - PMSM) 114, wie in 3 gezeigt. In einem derartigen Beispiel kann die DC-Leistungsverbindung 306 an eine DC-Traktionsbatterie 124 gekoppelt sein, um dem DC-Bus 304 DC-Leistung bereitzustellen. In einem weiteren Beispiel kann der Wechselrichter als AC/DC-Wandler betrieben werden, der AC-Leistung aus der AC-Maschine 114 (z. B. dem Generator) in DC-Leistung umwandelt, die der DC-Bus 304 der DC-Leistungsverbindung 306 bereitstellen kann. Ferner kann das System 300 das PEM 126 in anderen Leistungselektroniktopologien steuern.
Unter weiterer Bezugnahme auf 3 beinhaltet jeder der Phasenzweige 316, 318, 320 im Wechselrichter Leistungsschalter 302, die durch verschiedene Arten von steuerbaren Schaltern umgesetzt sein können. Die Leistungsschalter 302 sind ausgelegt, wahlweise die Spannungsanschlüsse 322, 324 an jede der Phasenwicklungen der elektrischen Maschine zu koppeln. In einer Ausführungsform kann jeder Leistungsschalter 302 eine Diode und einen Transistor (z. B. einen Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode - IGBT (insulated-gate bipolar transistor)) beinhalten. Die Dioden aus 3 sind als D_a1, D_a2, D_b1, D_b2, D_c1 und D_c2 beschriftet, während die IGBTs aus 3 jeweils als S_a1, S_a2, S_b1, S_b2, S_c1 und S_c2 beschriftet sind. Die Leistungsschalter S_a1, S_a2, D_a1 und D_a2 sind Teil eines Phasenzweigs A des Dreiphasenwandlers, der in 3 als der erste Phasenzweig A 316 beschriftet ist. Gleichermaßen sind die Leistungsschalter S_b1, S_b2, D_b1 und D_b2 Teil eines Phasenzweigs B 318 und die Leistungsschalter S_c1, S_c2, D_c1 und D_c2 Teil eines Phasenzweigs C 320 des Dreiphasenwandlers. Der Wechselrichter kann in Abhängigkeit von der konkreten Auslegung des Wechselrichters eine beliebige Anzahl der Leistungsschalter 302 oder Schaltungselemente beinhalten. Die Dioden (D_xx) sind mit den IGBTs (S_xx) parallel verbunden, doch da die Polaritäten für den ordnungsgemäßen Betrieb umgekehrt sind, wird diese Auslegung häufig als antiparallel verbunden bezeichnet. Eine Diode in dieser antiparallelen Auslegung wird auch Freilaufdiode genannt.
Wie in 3 veranschaulicht, können Stromsensoren CS_a, CS_b und CS_c bereitgestellt werden, um Stromfluss in den jeweiligen Phasenzweigen 316, 318, 320 zu erfassen. 3 zeigt die Stromsensoren CS_a, CS_b und CS_c getrennt vom PEM 126. Die Stromsensoren CS_a, CS_b und CS_c können jedoch in Abhängigkeit von der Auslegung als Teil des PEM 126 integriert sein. Die Stromsensoren CS_a, CS_b und CS_c aus 3 sind in Reihe mit jedem der Phasenzweige A, B und C (d. h. der Phasenzweige 316, 318, 320 in 3) installiert und stellen die jeweiligen Rückkopplungssignale i_as, i_bs und i_cs (ebenfalls in 3 veranschaulicht) für das System 300 bereit. Die Rückkopplungssignale i_as, i_bs und i_cs können rohe Stromsignale sein, die von einer Logikvorrichtung (logic device - LD) 310 verarbeitet werden, oder können in Daten oder Informationen über den Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318, 320 eingebettet oder codiert sein. Außerdem können die Leistungsschalter 302 (z. B. IGBTs) eine Stromerfassungsfähigkeit beinhalten. Die Stromerfassungsfähigkeit kann beinhalten, dass sie mit einem Stromspiegelausgang ausgelegt ist, wodurch Daten/Signale bereitgestellt werden können, die für i_as, i_bs und i_cs repräsentativ sind. Die Daten/Signale können eine Richtung eines Stromflusses, eine Größe des Stromflusses oder sowohl die Richtung als auch die Größe des Stromflusses durch die jeweiligen Phasenzweige A, B und C angeben.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 beinhaltet das System 300 außerdem eine Logikvorrichtung (LD) oder Steuerung 310. Die Steuerung oder LD 310 kann durch verschiedene Arten oder Kombinationen von elektronischen Vorrichtungen und/oder mikroprozessorbasierten Computern oder Steuerungen umgesetzt sein. Um ein Verfahren zum Steuern des PEM 126 umzusetzen, kann die Steuerung 310 ein Computerprogramm oder einen Algorithmus ausführen, das/der im Verfahren eingebettet oder codiert ist und in einem flüchtigen und/oder dauerhaften Speicher 312 gespeichert ist. Alternativ kann Logik in diskreter Logik, einem Mikroprozessor, einem Mikrocontroller oder einer Logik- oder Gate-Anordnung, die auf einem oder mehreren integrierten Schaltungschips gespeichert ist, kodiert sein. Wie in der Ausführungsform aus 3 gezeigt, empfängt und verarbeitet die Steuerung 310 die Rückkopplungssignale i_as, i_bs und i_cs, um die Phasenströme i_a, i_b und i_c zu steuern, sodass die Phasenströme i_a, i_b und i_c gemäß verschiedenen Strom- oder Spannungsmustern durch die Phasenzweige 316, 318, 320 und in die jeweiligen Wicklungen der elektrischen Maschine 114 fließen. Die Strommuster können zum Beispiel Muster der Phasenströme i_a, i_b und i_c beinhalten, die in den und weg vom DC-Bus 304 oder einem DC-Bus-Kondensator 308 fließen. Der DC-Bus-Kondensator 308 aus 3 ist getrennt vom PEM 126 gezeigt. Der DC-Bus-Kondensator 308 kann jedoch als Teil des PEM 126 integriert sein.
Das System kann außerdem einen Drehzahl- und/oder Stellungsrückmeldungssensor 326 beinhalten, der an die elektrische Maschine 114 gekoppelt ist. Zum Beispiel kann der Stellungsrückmeldungssensor 326 ein Drehmelder sein, der ein Signal ausgibt, das einen Drehwinkel anzeigt. Der Stellungsrückmeldungssensor 326 kann ein Signal ausgeben, dass von der Steuerung 310 empfangen wird. Die Steuerung 310 kann aus einem Rückmeldesignal einen Drehwinkel der elektrischen Maschine 114 und eine Drehgeschwindigkeit der elektrischen Maschine 114 bestimmen. Die Steuerung 310 kann Schnittstellenschaltungen beinhalten, um das Stellungsrückmeldesignal zu verarbeiten, umzuwandeln, zu skalieren und/oder zu filtern.
Wie in 3 gezeigt, kann ein Speichermedium 312 (nachfolgend „Speicher“), wie etwa ein computerlesbarer Speicher, das Computerprogramm oder den Algorithmus speichern, das/der im Verfahren eingebettet oder codiert ist. Außerdem kann der Speicher 312 Daten oder Informationen über die verschiedenen Betriebsbedingungen oder Komponenten im PEM 126 speichern. Der Speicher 312 kann zum Beispiel Daten oder Informationen über Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318, 320 speichern. Der Speicher 312 kann wie 3 gezeigt Teil der Steuerung 310 sein. Der Speicher 312 kann jedoch an jeder geeigneten Stelle positioniert werden, auf die durch die Steuerung 310 zugegriffen werden kann.
Wie 3 veranschaulicht, überträgt die Steuerung 310 mindestens ein Steuersignal 236 an das Leistungswandlersystem 126. Das Leistungswandlersystem 126 empfängt das Steuersignal 236, um das Schaltmuster des Wechselrichters 126 und somit den Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 316, 318 und 320 zu steuern. Das Schaltmuster ist ein Satz von Schaltzuständen der Leistungsschalter 302 im Wechselrichter. Im Allgemeinen bestimmt das Schaltmuster des Wechselrichters 126, wie der Wechselrichter Leistung zwischen der DC-Leistungsverbindung 306 und der elektrischen Maschine 114 umwandelt.
Um die Schaltauslegung des Wechselrichters 126 zu steuern, ändert der Wechselrichter 126 den Schaltzustand jedes Leistungsschalters 302 im Wechselrichter 126 auf Grundlage vom Steuersignal 236 entweder in einen EIN-Zustand oder einen AUS-Zustand. In der veranschaulichten Ausführungsform stellt die Steuerung/LD 310 jedem Leistungsschalter 302 die Gatespannung (Vg) bereit, um den Leistungsschalter 302 entweder in den EIN- oder AUS-Zustand zu schalten, und treibt daher den Schaltzustand jedes Leistungsschalters 302 an. Die Gate-Spannungen Vg_a1, Vg_a2, Vg_b1, Vg_b2, Vg_c1 und Vg_c2 (in 3 gezeigt) steuern den Schaltzustand und die Eigenschaften der jeweiligen Leistungsschalter 302. Während der Wechselrichter in 3 als spannungsgesteuerte Vorrichtung gezeigt ist, kann der Wechselrichter eine stromgesteuerte Vorrichtung sein oder durch andere Strategien gesteuert sein, die den Leistungsschalter 302 zwischen dem AN- und AUS-Zustand schalten. Die Steuerung 310 kann den Gateantrieb für jeden IGBT auf Grundlage der Drehzahl der elektrischen Maschine 114, des Spiegelstroms oder einer Temperatur des IGBT-Schalters ändern. Die Änderung des Gateantriebs kann aus einer Vielzahl von Gateantriebsströmen ausgewählt sein, bei denen die Änderung des Gateantriebsstroms proportional zu einer Änderung der IGBT-Schaltgeschwindigkeit ist.
Wie ebenfalls in 3 gezeigt, beinhaltet jeder Phasenzweig 316, 318 und 320 zwei Schalter 302. Es kann sich jedoch nur ein Schalter in jedem der Zweige 316, 318, 320 im EIN-Zustand befinden, ohne die DC-Leistungsverbindung 306 kurzzuschließen. Daher ist in jedem Phasenzweig der Schaltzustand des unteren Schalters üblicherweise dem Schaltzustand des entsprechenden oberen Schalters entgegengesetzt. Die oberen Schalter werden üblicherweise als High-Side-Schalter (d. h. 302A, 302B, 302C) bezeichnet und die unteren Schalter werden üblicherweise als Low-Side-Schalter (d. h. 302D, 302E, 302F) bezeichnet. Folglich bezieht sich ein HOHER Zustand eines Phasenzweigs darauf, dass sich der obere Schalter im Zweig im EIN-Zustand befindet, wobei sich der untere Schalter im AUS-Zustand befindet. Gleichermaßen bezieht sich ein NIEDRIGER Zustand des Phasenzweigs darauf, dass sich der obere Schalter im Zweig im AUS-Zustand befindet, wobei sich der untere Schalter im EIN-Zustand befindet. Infolgedessen können sich IGBTs mit Stromspiegelfähigkeit an allen IGBTs, einer Teilmenge der IGBTs (z. B. S_a1, S_b1, S_c1) oder einem einzigen IGBT befinden.
Zwei Situationen können während eines aktiven Zustands des beispielhaften Dreiphasenwandlers auftreten, der in 3 veranschaulicht ist: (1) zwei Phasenzweige befinden sich im HOHEN Zustand, während sich der dritte Phasenzweig im NIEDRIGEN Zustand befindet, oder (2) ein Phasenzweig befindet sich im HOHEN Zustand, während sich die beiden anderen Phasenzweige im NIEDRIGEN Zustand befinden. Daher befindet sich ein Phasenzweig im Dreiphasenwandler, der als die „Referenz“-Phase für einen bestimmten aktiven Zustand des Wechselrichters definiert sein kann, in einem Zustand, der den anderen beiden Phasenzweigen, oder „Nicht-Referenz“-Phasen, die denselben Zustand aufweisen, entgegengesetzt ist. Folglich befinden sich die Nicht-Referenz-Phasen während eines aktiven Zustands des Wechselrichters entweder beide im HOHEN Zustand oder beide im NIEDRIGEN Zustand.
Festkörpervorrichtungen (solid state devices - SSD), wie etwa Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (insulated gate bipolar junction transistors - IGBTs), Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (metal oxide semiconductor field effect transistors - MOSFETs) oder Bipolartransistoren (bipolar junction transistors - BJTs), werden häufig in einer Vielzahl von Automobil- und Industrieanwendungen verwendet, wie etwa Elektromotorantrieben, Leistungswechselrichtern, Gleichspannungswandlern und Leistungsmodulen. Der Betrieb eines IGBT und eines MOSFET ist spannungsgesteuert, wobei der Betrieb auf einer Spannung basiert, die an ein Gate des IGBT oder MOSFET angelegt wird, während der Betrieb eines BJT stromgesteuert ist, wobei der Betrieb auf einem Strom basiert, der an eine Basis des BJT angelegt wird. Hier kann die Verwendung von SSDs oder Hochleistungsrelais verwendet werden, um einen Strom zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs zu steuern, zu verändern oder zu modulieren.
4 ist eine Abbildung eines typischen Antriebsstrangs 400 eines Hybridfahrzeugs, der eine Traktionsbatterie 402 und einen Gleichspannungswandler 404 beinhaltet, der über einen Elektromotorwechselrichter 406 mit einem Elektromotor 408 gekoppelt ist. Der Traktionselektromotor 408 wird lediglich durch den Elektromotorwechselrichter 406 angetrieben. Der Traktionselektromotor 408 ist mit Zahnrädern 410 und Wellen gekoppelt, die dazu ausgelegt sind, den Antriebsrädern 412A, 412B Vortriebskraft bereitzustellen. Vortriebskraft wird außerdem durch einen Verbrennungsmotor 414 erzeugt, der mit Planetenrädern 416 und einem Generator 418 gekoppelt ist. Der Generator 418 kann dazu verwendet werden, Drehenergie in elektrische Energie, typischerweise AC-Leistung, umzuwandeln. Die AC-Leistung wird durch einen Generatorwechselrichter 420, der parallel mit dem Elektromotorwechselrichter 406 gekoppelt ist, in DC-Leistung umgewandelt. In diesem System beträgt die Wechselrichterleistung 120 kW bei 400 V/300 A. Der Leistungspfad beinhaltet zwei Verluste in Reihe, einen ersten Verlust des Gleichspannungswandlers (z. B. VVC) 404 und einen zweiten Verlust des Elektromotorwechselrichters 406.
5 ist eine Abbildung eines Antriebsstrangs 500 eines elektrifizierten Fahrzeugs, der eine Traktionsbatterie 502 beinhaltet, die über duale Leistungswechselrichter 506A, 506B mit einem 6-adrigen Elektromotor 508 gekoppelt ist. Hier werden die Elektromotorwechselrichter 506A, 506B verwendet, unabhängig einen einzelnen Traktionselektromotor 508 anzutreiben. Ein erster 300A Wechselrichter 506A treibt einen ersten Satz von Phasenwicklungen 522 an. Ein zweiter 300A Wechselrichter 506B treibt einen zweiten Satz von Phasenwicklungen 524 an. Der Traktionselektromotor 508 ist mit Zahnrädern 510 und Wellen gekoppelt, die dazu ausgelegt sind, den Antriebsrädern 512A, 512B Vortriebskraft bereitzustellen. Vortriebskraft wird außerdem durch einen Verbrennungsmotor 514 erzeugt, der mit Planetenrädern 516 und einem Generator 518 gekoppelt ist. Der Generator 518 kann dazu verwendet werden, Drehenergie in elektrische Energie, typischerweise AC-Leistung, umzuwandeln. Die AC-Leistung wird durch einen Generatorwechselrichter 520, der parallel mit dem Elektromotorwechselrichter 506A, 506B gekoppelt ist, in DC-Leistung umgewandelt. Dieses System kann mit 120 kW oder (200 V/300 A) + (200 V/300 A) bewertet werden, wobei es sich um die Summe der Leistung jedes Elektromotorwechselrichters 506A, 506B handelt. Da jedoch kein Gleichspannungswandler vorhanden ist, gibt es keinen Leistungsverlust an einem Gleichspannungswandler. Ferner ist der Leistungsverlust des Elektromotorwechselrichters 406 aus 4 im Wesentlichen gleich dem Leistungsverlust der Elektromotorwechselrichter 506A, 506B und in einigen Fällen aufgrund des geringeren Stroms, der durch die Wechselrichter fließt, geringer.
6 ist ein Diagramm eines Hybridfahrzeugsystems 600, das einen Traktionselektromotor 602 aufweist, der mit vier Leistungswechselrichtern 604A, 604B, 604C, 604D gekoppelt ist. Ein erster 150A Wechselrichter 604A treibt einen ersten Satz von Phasenwicklungen 606 an. Ein zweiter 150A Wechselrichter 604B treibt einen zweiten Satz von Phasenwicklungen 608 an. Ein dritter 150A Wechselrichter 604C treibt einen dritten Satz von Phasenwicklungen 612 an. Ein vierter 150A Wechselrichter 604D treibt einen vierten Satz von Phasenwicklungen 610 an. Hier kann die verfügbare Leistung zum Antreiben der elektrischen Maschine erhöht werden, indem eine Anzahl von Wechselrichtern erhöht wird, die zum Antreiben des Traktionselektromotors verwendet werden. In diesem System beträgt die Gesamtleistung 120 kW oder (200 V/150 A) + (200 V/150 A) + (200 V/150 A) + (200 V/150 A), wobei es sich um die Summe der Leistung jedes Elektromotorwechselrichters 604A, 604B, 604C, 604D handelt, falls jedoch Elektromotorwechselrichter verwendet würden, die den Elektromotorwechselrichtern 506A, 506B ähneln, würde die Gesamtleistung 240 kW oder 4*(200 V/300 A) betragen.
Die Steuerung 310 für den Wechselrichter 126 kann programmiert sein, eine Schaltsteuerstrategie für die Leistungsschalter 302 umzusetzen. Es sind unterschiedliche Schaltsteuerstrategien zum Betreiben der Leistungsschalter 302 verfügbar. Die Verfahren können als PWM-Schaltmuster und Nicht-PWM-Schaltmuster gekennzeichnet werden. PWM-Schaltmuster verwenden ein PWM-Signal an den Gateantrieben der Leistungsschalter 302. Beispiele der PWM-Schaltmuster beinhalten Raumvektor-PWM (space vector PWM - SVPWM) und unterbrochene PWM (discontinuous PWM - DPWM). Beispiele der Nicht-PWM-Schaltmuster beinhalten sechsstufige Steuerung und ausgewählte harmonische Beseitigung (selected harmonic elimination - SHE). Die Schaltstrategien weisen unterschiedliche Eigenschaften im Hinblick auf Geräusche und Schaltverluste auf. Zusätzlich kann die Schaltfrequenz der Steuersignale durch einige Schaltstrategien beschränkt sein. SVPWM kann durch leise Geräusche aber große Verluste gekennzeichnet sein. DPWM-Schaltstrategien können durch mittlere Geräusche und Verlustpegel gekennzeichnet sein. Sechsstufige Schaltstrategien können durch laute Geräusche und geringe Verluste gekennzeichnet sein. SHE-Schaltstrategien können durch geringe Verluste und mittlere Verlustpegel gekennzeichnet sein. Ein typisches Ausgestaltungsziel für einen Wechselrichter ist es, sowohl die Geräusche als auch die Verluste so weit wie möglich zu minimieren. Die Auswahl der Schaltstrategie definiert im Allgemeinen die Geräusch- und Verlusteigenschaften, die erreicht werden.
In einem Mehrfachdreiphasen-(multi-three-phase - MTP-)System, das mehrere Wechselrichter verwendet, um eine einzelne elektrische Maschine zu steuern, kann es eine Flexibilität bei der Auswahl der Schaltstrategie für jeden der Wechselrichter geben. Wie erläutert, stellen die Schaltsteuerstrategien verschiedene Kompromissstufen zwischen Geräusch- und Verlustpegeln bereit. Im Fall des MTP-Systems wird mehr als ein Wechselrichter betrieben, um die zusätzlichen Phasenzweige der elektrischen Maschine zu steuern. Eine Option ist es, jeden Satz der Phasenzweige mit derselben Steuerstrategie zu steuern. Das heißt, dass dasselbe Schaltmuster für jeden der Sätze von Phasenzweigen erzeugt wird. In diesem Fall wird jedes erzeugte elektromagnetische Geräusch für jeden der Sätze von Phasenzweigen dasselbe sein. Um die Geräuscheigenschaften zu ändern, können die Sätze der Phasenzweige gesteuert werden, um denselben Referenzspannungsvektor zu erreichen, es kann aber ein anderes Schaltmuster angewendet werden. Zum Beispiel kann die Reihenfolge der Anwendung der Schaltzustände für einen der Wechselrichter umgekehrt werden. Das Ergebnis ist, dass dieselbe Spannung erreicht werden kann, aber auf eine etwas andere Weise. Die Änderungsraten des Stroms und der Spannung innerhalb jedes Zeitraums können sich zwischen den Wechselrichtern unterscheiden. Dies kann zu einem Unterschied der Geräuscheigenschaften zwischen allen Wechselrichtern führen. Die Verwendung einer gemeinsamen Schaltstrategie für die Wechselrichter beschränkt das System darauf, die Beschränkungen anzunehmen, die der ausgewählten Strategie eigen sind. Durch das Betreiben jedes Wechselrichters mit einer anderen Schaltsteuerstrategie kann das System jedoch Verbesserungen bei hörbaren Geräuschen, Stromwelligkeit und Schwingung erreichen.
Steuerstrategien, die jeden der Wechselrichter auf eine andere Weise betreiben, können Geräuschsignaturen verringern. In einigen Auslegungen kann jeder der Wechselrichter eine SVPWM-Strategie verwenden, bei der jeder Wechselrichter bei einer anderen Schaltfrequenz betrieben wird. In einigen Auslegungen, kann einer der Wechselrichter unter Verwendung einer sechsstufigen Steuerstrategie gesteuert werden, während ein weiterer Wechselrichter unter Verwendung der SVPWM-Strategie gesteuert werden kann. In einigen Auslegungen kann der durch SVPWM gesteuerte Wechselrichter modifiziert werden, um eine Geräuschkompensationswellenform zu erzeugen, um Geräusche zu kompensieren, die durch den sechsstufig gesteuerten Wechselrichter erzeugt wurden. In einigen Auslegungen können die Wechselrichter unter Verwendung von PWM-Strategien gesteuert werden, die bei derselben Schaltfrequenz betrieben werden. Zum Beispiel kann ein Wechselrichter unter Verwendung der SVPWM-Strategie betrieben werden, während ein weiterer unter Verwendung der DPWM-Strategie betrieben wird. Das Ergebnis ist, dass jeder Wechselrichter eine andere Geräuschsignatur erzeugt, die über das Frequenzspektrum bei einer geringeren Amplitude verteilt sein kann.
Eine dreiphasige elektrische AC-Maschine wird durch Anwenden eines dreiphasigen Wechselstroms auf die Phasenwicklungen betrieben. Unter Bezugnahme auf FIG. 2 können die Phasenzweige einer elektrischen Maschine als a, b und c bezeichnet werden. Die Phasenströme, die auf jeden der Phasenzweige angewendet wurden, können durch einen Phasenwinkelunterschied von 120 Grad getrennt sein. Zum Beispiel kann jeder der Wechselphasenströme dieselbe Amplitude aufweisen, aber einen Phasenwinkel aufweisen, der um plus oder minus 120 Grad von den anderen Phasenzweigen versetzt ist.
Aus einer Steuerungsperspektive ist das Bearbeiten der dreiphasigen Mengen zu Steuerungszwecken umständlich. Um diesen Umstand zu verbessern, wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um Steuerstrategien zu vereinfachen. Vektorsteuerstrategien basieren auf dem Umformen der alternierenden Dreiphasensignale in zweidimensionale DC-Signale unter Verwendung von Koordinatenumformungen. Eine erste Umformung kann verwendet werden, um die Dreiphasensignale in einen zweidimensionalen Raum umzuformen. In dem zweidimensionalen Koordinatensystem können Steuerungsvorgänge durchgeführt werden. Eine zweite Umformung kann verwendet werden, um die Steuersignale in ein dreidimensionales Koordinatensystem auszugeben. Ein Referenzvektor für Spannung oder Strom für die elektrische Maschine kann als zweidimensionaler Vektor dargestellt werden, der eine α-Achse 702 und eine β-Achse 704 aufweist. Die beiden Achsen definieren den Vektorraum.
Typische Steuerstrategien für elektrische Maschinen beinhalten Raumvektormodulationsstrategien. Raumvektormodulationsstrategien können durch Bestimmen eines Referenzvektors der Spannung oder des Stroms im zweidimensionalen Vektorraum betrieben werden. Der Referenzvektor kann auf Grundlage eines gewünschten Drehmoments und einer gewünschten Drehzahl der elektrischen Maschine berechnet werden. Die Raumvektormodulationsstrategie kann durch Definieren von Schaltmustern oder Vektoren auf Grundlage von Kombinationen von Zuständen der Leistungsschalter 302 betrieben werden. Innerhalb des zweidimensionalen Raums können bestimmte Vektoren definiert werden, die verschiedenen Kombinationen von Schaltzuständen der Leistungsschalter 302 entsprechen.

Vektoren, die konkrete Schaltzustände darstellen, können im Vektorraum 700, wie in 7 gezeigt, dargestellt werden. Zum Beispiel kann ein erster Vektor u₁ 712 entlang der α-Achse 702 dargestellt sein. Der erste Vektor 712 kann ferner durch einen Schaltzustand dargestellt sein, der als (100) bezeichnet wird. Die drei Koordinaten in Klammern identifizieren einen zugeordneten Zustand der Leistungsschalter 302 für jeden Phasenzweig. Jede der Koordinaten entspricht einem anderen Phasenzweig. Die erste Koordinate entspricht dem ersten Phasenzweig („a“) und zeigt einen Zustand der Leistungsschalter 302A und 302D an. Die zweite Koordinate entspricht dem zweiten Phasenzweig („b“) und zeigt einen Zustand der Leistungsschalter 302B und 302E an. Die dritte Koordinate entspricht dem dritten Phasenzweig („c“) und zeigt einen Zustand der Leistungsschalter 302C und 302F an. Ein Koordinatenwert von „1“ zeigt an, dass die Leistungsschalter betrieben werden, um den zugeordneten Phasenzweig mit dem positiven Spannungsanschluss 322 zu verbinden, der an den DC-Bus 304 gekoppelt ist. Zum Beispiel kann der Leistungsschalter 302A für den ersten Phasenzweig („a“) im EIN-Zustand betrieben werden und der Leistungsschalter 302D kann im AUS-Zustand betrieben werden. Ein Koordinatenwert von „0“ zeigt an, dass die Leistungsschalter betrieben werden, um den zugeordneten Phasenzweig mit dem negativen Spannungsanschluss 324 zu verbinden, der an den DC-Bus 304 gekoppelt ist. Zum Beispiel kann der Leistungsschalter 302A für den ersten Phasenzweig („a“) im AUS-Zustand betrieben werden und der Leistungsschalter 302D kann im EIN-Zustand betrieben werden. Die Zustände werden für die anderen Phasenzweige („b“ und „c“) gleichermaßen definiert. Tabelle 1 zeigt die Schalterzustände für jede der möglichen Koordinaten. Tabelle 1.

Zustand/Schalter	302A	302B	302C	302D	302E	302F
(100)	an	aus	aus	aus	an	an
(110)	an	an	aus	aus	aus	an
(010)	aus	an	aus	an	aus	an
(011)	aus	an	an	an	aus	aus
(001)	aus	aus	an	an	an	aus
(101)	an	aus	an	aus	an	aus
(000)	aus	aus	aus	an	an	an
(111)	an	an	an	aus	aus	aus

Ein zweiter Vektor u₂ 714 kann als einen Schaltzustand von (110) aufweisend definiert werden. Ein dritter Vektor u₃ 716 kann als einen Schaltzustand von (010) aufweisend definiert werden. Ein vierter Vektor u₄ 718 kann entlang der Negativseite der α-Achse 702 als einen Schaltzustand von (011) aufweisend definiert werden. Der fünfte Vektor u₅ 720 kann als einen Schaltzustand von (001) aufweisend definiert werden. Der sechste Vektor u₆, 722 kann als einen Schaltzustand von (101) aufweisend definiert werden. Die Vektoren u₁ bis u₆ können als aktive Vektoren bezeichnet werden. Ein erster Nullvektor u₀ 724 kann als einen Schaltzustand von (000) aufweisend definiert werden. Ein zweiter Nullvektor u₇ 726 kann als einen Schaltzustand von (111) aufweisend definiert werden. Der erste Nullvektor 724 und der zweite Nullvektor 726 weisen alle Phasenzweige/-wicklungen auf, die an einen gemeinsamen DC-Busleiter gekoppelt sind.
Der Referenzstrom/die Referenzspannung kann im Vektorraum als eine beliebige Kombination der vorstehend definierten Vektoren dargestellt sein. Die Referenz kann als Vektor dargestellt sein, der eine Größe und einen Winkel (relativ zu einer α-Achse 702) im Vektorraum aufweist. Der Referenzvektor kann im Vektorraum in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der elektrischen Maschine drehen. Der Referenzvektor kann eine Funktion des Drehwinkels der elektrischen Maschine sein. Die Größe des Vektors kann von einer Drehmomentgröße abhängen. Der Referenzvektor kann aus einer Kombination der vorstehend definierten Vektoren gebildet sein. Die Kenntnis der Größe und des Winkels des Vektors ermöglicht das Bestimmen einer Kombination der vorstehend definierten Vektoren. 8 zeigt ein Beispiel eines Referenzvektors V 750. Der Vektor V 750 kann aus einer Kombination des ersten aktiven Vektors u₁ 712 und des zweiten aktiven Vektors u₂ 714 aufgebaut sein. Ein Vektor v₁ 752 kann entlang des ersten aktiven Vektors 712 definiert sein und ein Vektor v₂ 754 kann entlang des zweiten aktiven Vektors 714 definiert sein. Die Vektoraddition des Vektors v₁ 752 und des Vektors v₂ 754 ergibt den Vektor V 750. Es ist zu beachten, dass, wenn sich der Referenzvektor im Vektorraum dreht, der Vektor zwischen zwei unterschiedlichen Raumvektoren liegen kann.
Die Raumvektormodulationsstrategie kann die beiden dem Referenzvektor am nächsten befindlichen aktiven Vektoren auswählen. Zusätzlich wird der Zeitraum bestimmt, den jeder der aktiven Vektoren angewendet wird. Die beiden nächsten aktiven Vektoren können die aktiven Vektoren sein, zwischen denen der Referenzvektor V 750 liegt. Wenn sich der Referenzvektor 750 im Vektorraum dreht, wird ein anderes Paar von aktiven Vektoren im Verlauf einer vollständigen Drehung verwendet werden. Die Anwendungszeit für jeden der angewendeten Vektoren kann relativ zu einem Zeitraum sein, der durch die Schaltfrequenz definiert wird (z. B. Zeitraum, der durch eine vorbestimmte Frequenz definiert wird). Die Schaltfrequenz definiert die Rate, bei der sich die Zustände der Leistungsschalter 302 ändern. Ein Schaltzeitraum kann als der Kehrwert der Schaltfrequenz definiert sein. Die Steuerung 310 kann den Anteil des Schaltzeitraums berechnen, der jedem der aktiven Vektoren und Nullvektoren zugewiesen ist. Der Anteil des Schaltzeitraums, der jedem der aktiven Vektoren zugewiesen ist, hängt von den Größen des Referenzvektors V 750 und den Größen der Komponentenvektoren v₁ 752 und v₂ 754 ab. Der Anteil des Schaltzeitraums, der jedem der aktiven Vektoren zugewiesen ist, hängt ebenfalls vom relativen Winkel des Referenzvektors V 750 innerhalb des Vektorraums ab (z. B. dem Winkel zwischen V 750 und der α-Achse 702).
Sobald die Anwendungsdauer für jeden der aktiven Vektoren berechnet wurde, kann jeglicher verbleibende Zeitraum innerhalb des Zeitraums durch Anwendung einer oder beider der Nullvektoren für den verbleibenden Zeitraum innerhalb des Schaltzeitraums gefüllt werden. Als Ergebnis können die Leistungsschalter 302 für jeden Zweig der elektrischen Maschine für einen Zeitraum eingeschaltet werden, der durch die Raumvektormodulationsstrategie definiert ist.
Der Zustand der Leistungsschalter kann bei jedem Schaltzeitraum ausgegeben werden. Um Vektoren verschiedener Größen zu erhalten, wird eine Kombination aktiver Vektoren und Nullvektoren über jeden der Schaltzeiträume angewendet. Wenn die Größe des Referenzvektors V 750 sinkt, können größere Anteile des Schaltzeitraums den Nullvektoren zugewiesen werden. Die Schaltfrequenz kann die Rate definieren, bei der das Schaltmuster durch den Wechselrichter ausgegeben wird. Das Schaltmuster kann in der Schaltfrequenz aktualisiert werden. In einigen Auslegungen kann das Schaltmuster in einem ganzzahligen Mehrfachen des Schaltzeitraums aktualisiert werden (z. B. Kehrwert der Schaltfrequenz). In einem derartigen Fall kann das Schaltmuster am ganzzahligen Mehrfachen geändert werden und dann über das nächste Mehrfache der Schaltzeiträume ausgegeben werden.
Für jeden der Zeiträume werden zwei oder mehr aktive Zustände für die zugeordneten Anwendungszeiträume in Abhängigkeit davon angewendet, zwischen welchen Vektoren (u_x, vorstehend definiert) der Referenzvektor V 750 liegt. Die aktiven Zustände und Nullzustände können in beliebiger Reihenfolge angewendet werden, damit die entsprechenden Anwendungszeiträume den Referenzspannungsvektor 750 erreichen. In einigen Anwendungen kann das Muster von aktiven und Nullvektoren derartig angeordnet werden, dass sich lediglich einer der Leistungsschalter 302 bei jedem Übergang ändert. Eine derartige Auswahl kann dabei helfen, Schaltverluste zu verringern.
Im MTP-System wird mehr als ein Wechselrichter betrieben, um den zusätzlichen Phasenzweig der elektrischen Maschine zu steuern. Zum Beispiel wird unter Bezugnahme auf 5 der Traktionselektromotor 508 durch die Wechselrichter 506A und 506B gesteuert. Eine mögliche Steueroption ist es, jeden Satz von Phasenwicklungen (die Sätze 522 und 524) mit derselben Steuerstrategie zu steuern. Das heißt, dass dasselbe Schaltmuster für jeden der Sätze von Phasenwicklungen erzeugt wird. In diesem Fall wird jedes erzeugte Geräusch für jeden der Sätze von Phasenwicklungen dasselbe sein. Um die Geräuscheigenschaften zu ändern, können die Sätze der Phasenwicklungen gesteuert werden, um denselben Referenzspannungsvektor zu erreichen, es kann aber ein anderes Schaltmuster auf jeden Satz von Phasenwicklungen angewendet werden. Zum Beispiel kann die Reihenfolge der Anwendung der Schaltzustände für einen der Wechselrichter umgekehrt werden. Das Ergebnis ist, dass dieselbe Spannung erreicht werden kann, aber auf eine etwas andere Weise. Die Änderungsraten des Stroms und der Spannung innerhalb jedes Zeitraums können sich zwischen den Wechselrichtern geringfügig unterscheiden. Dies kann zu einem Unterschied der Geräuscheigenschaften zwischen allen Wechselrichtern führen.
Eine erste Technik zum Anwenden eines anderen Schaltmusters für jeden der Sätze von Wicklungen ist das Ändern der Reihenfolge der Schaltzustände zwischen den Wechselrichtern. Um denselben Referenzvektor zu erreichen, können dieselben Vektoren und Anwendungszeiträume ausgewählt werden. Die Schaltzustände können für jeden der Wechselrichter über jeden Schaltzeitraum anders angewendet werden. Zum Beispiel kann die Reihenfolge der Schaltzustände in einer umgekehrten Reihenfolge zu einer anderen angewendet werden. Der Endeffekt ist das Erreichen desselben Referenzvektors bei unterschiedlichen Schaltmustern. Demnach werden sich die hörbaren Geräuscheigenschaften jeder Maschine unterscheiden. Wenn dasselbe Schaltmuster verwendet wird, wären die hörbaren Geräuscheigenschaften dieselben und der Effekt könnte sich akkumulieren. Das heißt, dass mehr hörbare Geräusche wahrgenommen werden können, wenn dasselbe Schaltmuster verwendet wird. Durch die Verwendung unterschiedlicher Schaltmuster kann das Geräuschspektrum ausgeweitet werden, was zu einer geringeren Geräuschamplitude führt.
9 zeigt eine mögliche Sequenz von Schaltzuständen innerhalb eines Schaltzeitraums, in dem die Sequenz der Schaltzustände zwischen zwei Wechselrichtern umgekehrt wird, die eine elektrische Maschine mit zwei Sätzen von Phasenwicklungen steuern (z. B. Traktionselektromotor 508 aus 5). Ein erstes Schaltmuster 800 kann für den ersten Satz von Wicklungen definiert sein (z. B. 522 aus 5). Für dieses Beispiel wird eine Spannungsreferenz analog zu V 750 aus 8 angenommen. Die Schaltzustände zum Erzeugen des Referenzvektors V 750 beinhalten eine Kombination eines ersten aktiven Vektors, der durch u₁ 712 definiert wird, und eines zweiten Vektors, der durch u₂ 714 definiert wird. Zusätzlich kann eine beliebige Kombination der Nullvektoren u₀ 724 und u₇ 726 verwendet werden. Über den Schaltzeitraum 812 kann das erste Schaltmuster 800 eine Anzahl von Zuständen beinhalten, die den aktiven und den Nullvektoren entsprechen. Im Beispiel wird ein erster Nullzustand 804 durch Anwenden von u₀ 724 für eine Zeitdauer T₁ 822 erreicht. Das erste Schaltmuster 800 ändert sich dann für eine Zeitdauer von T₂ 824 zu einem ersten aktiven Zustand 806 (erreicht durch Anwenden des Vektors u₁ 712). Das erste Schaltmuster 800 ändert sich dann für eine Zeitdauer von T₃ 826 zu einem zweiten aktiven Zustand 808 (erreicht durch Anwenden des Vektors u₂ 714). Das erste Schaltmuster 800 ändert sich dann für eine Zeitdauer von T₄ 828 zu einem zweiten Nullzustand 810, der durch Anwenden des Vektors u₇ 712 erreicht wird. Es ist zu beachten, dass die Summe von T₁ 822, T₂ 824, T₃ 826 und T₄ 828 gleich dem Schaltzeitraum 812 ist.
Ein zweites Schaltmuster 802 kann für den zweiten Satz von Wicklungen definiert sein (z. B. 524 aus 5). Über den Schaltzeitraum 812 beinhaltet das zweite Schaltmuster 802 ebenfalls eine Anzahl von Zuständen, die den aktiven und den Nullvektoren entsprechen. Im Beispiel wird ein erster Nullzustand 814 durch Anwenden des Vektors u₇ 726 für die Zeitdauer T₁ 822 erreicht. Das zweite Schaltmuster 802 ändert sich dann zu einem ersten aktiven Zustand 816 (erreicht durch Anwenden des Vektors u₂ 714), der für eine Zeitdauer von T₅ 828 angewendet wird. Die Zeitdauer T₅ 828 ist dieselbe wie die Zeitdauer T₃ 826. Das zweite Schaltmuster 802 ändert sich dann zu einem zweiten aktiven Zustand 818 (erreicht durch Anwenden von u₁ 712) für die Zeitdauer von T₆ 830. Die Zeitdauer T₆ 830 ist dieselbe wie die Zeitdauer T₂ 824. Das zweite Schaltmuster 802 ändert sich dann zu einem zweiten Nullzustand 820, der durch Anwenden des Nullvektors u₀ erreicht wird, für die Zeitdauer von T₄ 828.
Ein Unterschied zwischen dem ersten Schaltmuster 800 und dem zweiten Schaltmuster 802 ist, dass die Nullvektoren zwischen den Mustern anders angewendet werden. Sobald die Nullvektorzeitdauer für einen Schaltzeitraum berechnet wurde, muss die Steuerung bestimmen, wie die Nullvektorzeitdauer zwischen den Nullvektoren zugewiesen werden soll. Typische Zuweisungen sind das Aufteilen der Nullvektorzeitdauer in einen ersten Zeitraum zu Beginn des Schaltzeitraums und einen zweiten Zeitraum am Ende des Schaltzeitraums. Einige Steuerstrategien (z. B. DPWM) können die gesamte Nullvektorzeitdauer einem der Nullvektoren zuweisen.
10 zeigt ein weiteres Beispiel möglicher Schaltmuster über einen Schaltzeitraum für eine elektrische Maschine mit zwei Sätzen von Phasenwicklungen (z. B. Traktionselektromotor 508 aus 5). Ein erstes Schaltmuster 850 kann für den ersten Satz von Wicklungen definiert sein (z. B. 522 aus 5). Über den Schaltzeitraum 812 kann das erste Schaltmuster 850 eine Anzahl von Zuständen beinhalten, die den aktiven und den Nullvektoren entsprechen. Im Beispiel wird ein erster Nullzustand 854 durch Anwenden von u₀ 724 für eine Zeitdauer T₇ 862 erreicht. Das erste Schaltmuster 850 ändert sich dann für eine Zeitdauer von T₈ 856 zu einem ersten aktiven Zustand 856 (erreicht durch Anwenden des Vektors u₁ 712). Das erste Schaltmuster 850 ändert sich dann für eine Zeitdauer von T₉ 866 zu einem zweiten aktiven Zustand 858 (erreicht durch Anwenden des Vektors u₂ 714). Das erste Schaltmuster 850 ändert sich dann für eine Zeitdauer von T₁₀ 868 zu einem zweiten Nullzustand 860, der durch Anwenden des Vektors u₇ erreicht wird. Es ist zu beachten, dass sich die Summe von T₇ 862, T₈ 864, T₉ 866 und T₁₀ 868 zum Schaltzeitraum 812 summiert.
Ein zweites Schaltmuster 852 kann für den zweiten Satz von Wicklungen definiert sein (z. B. 524 aus 5). Über den Schaltzeitraum 812 beinhaltet das zweite Schaltmuster 852 ebenfalls eine Anzahl von Zuständen, die den aktiven und den Nullvektoren entsprechen. Im Beispiel wird ein erster Nullzustand 8870 durch Anwenden des Vektors u₇ 726 für die Zeitdauer T₁₁ 876 erreicht. Das zweite Schaltmuster 852 ändert sich dann für eine Zeitdauer von T₁₂ 878 zu einem ersten aktiven Zustand 872 (erreicht durch Anwenden vou u₂ 714). Die Zeitdauer T₁₂ 878 ist dieselbe wie die Zeitdauer T₉ 866. Das zweite Schaltmuster 852 ändert sich dann zu einem zweiten aktiven Zustand 874 (erreicht durch Anwenden von u₁ 712) für die Zeitdauer von T₁₃ 880. Die Zeitdauer T₁₃ 880 ist dieselbe wie die Zeitdauer T₈ 864. Das zweite Schaltmuster 852 weist keinen zweiten Nullvektorzustand auf.
Ein Unterschied zwischen dem ersten Schaltmuster 850 und dem zweiten Schaltmuster 852 ist, dass jedes der Muster eine andere Anzahl von Nullvektoren innerhalb jedem der Schaltzeiträume 812 verwendet. Zum Beispiel kann das erste Schaltmuster 850 aus einer SVPWM-Strategie abgeleitet sein und das zweite Schaltmuster 852 kann aus einer DPWM-Strategie abgeleitet sein. Beide Muster erreichen denselben Referenzvektor, aber die Leistungsschalter 302 werden unter Verwendung einer anderen Sequenz geschaltet. Das Ergebnis ist, dass sich die Geräuscheigenschaften jedes Satzes von Phasenwicklungen unterscheiden. Ein derartiger Betrieb führt zu einer anderen hörbaren Geräuscheigenschaft im Vergleich zum Schalten von Sätzen von Phasenwicklungen mit demselben Schaltmuster.
Es ist zu beachten, dass nachfolgende Schaltzeiträume auf eine ähnliche Weise verarbeitet werden. Der Referenzvektor 750 wird sich im Vektorraum drehen. Wenn sich der Referenzvektor 750 dreht, werden unterschiedliche Paare aktiver Vektoren ausgewählt. In nachfolgenden Zeiträumen können sich die Schaltzustände und entsprechenden Zeitdauern ändern, wenn sich der Referenzvektor dreht.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm für eine mögliche Sequenz von Vorgängen zum Steuern der elektrischen Maschine, die mehrere Sätze von Phasenwicklungen aufweist. Bei Vorgang 1000 kann der Referenzvektor berechnet werden. Der Referenzvektor kann auf Grundlage eines gewünschten Antriebsstrangdrehmoments und der Winkelstellung der elektrischen Maschine berechnet werden. Bei Vorgang 1002 können die Schaltzustände während des nächsten Schaltzeitraums auf Grundlage des Standorts des Referenzvektors im Vektorraum bestimmt werden. Die Schaltzustände können derartig ausgewählt werden, dass der Referenzvektor zwischen den ausgewählten Schaltzuständen liegt. Bei Vorgang 1004 können die Zeitdauern für jeden der Schaltzustände bestimmt werden. Die Zeitdauern können auf der Größe und dem Winkel des Referenzvektors sowie der Größe der Komponenten entlang der ausgewählten Vektoren basieren. Bei Vorgang 1006 können die Nullvektorzustände ausgewählt werden. Die Nullvektorauswahl kann von der konkreten Strategie abhängen, die umgesetzt wird. Zum Beispiel kann einer der Sätze unter Verwendung nur eines der Nullvektoren in jedem Zeitraum gesteuert werden, während ein anderer der Sätze unter Verwendung beider Nullvektoren gesteuert werden kann. Die Zeitdauer der Nullvektoren kann ebenfalls berechnet werden. Bei Vorgang 1008 kann für jeden der Sätze von Phasenwicklungen ein anderes Schaltmuster erzeugt werden. Das heißt, dass für jeden der Wechselrichter, welche die Sätze von Phasenwicklungen steuern, ein anderes Schaltmuster erzeugt wird. Bei Vorgang 1010 wird das Schaltmuster über den Zeitraum ausgegeben. Die Leistungsschalter 302 werden gemäß der Sequenz und der Zeitsteuerung von Zuständen gesteuert, die in den Schaltmustern erzeugt werden. Der Prozess kann in jedem Zeitraum wiederholt werden.
Die Steuerung 310 kann programmiert sein, die Leistungsschalter 302 für jeden der Sätze gemäß einem Schaltmuster zu betreiben, das für jeden der Sätze wie beschrieben abgeleitet wurde. Das Schaltmuster kann nach Zeiträumen aktualisiert werden, die durch die Schaltfrequenz definiert werden. Um Geräusche zu verringern, kann die Steuerung 310 programmiert sein, für jeden Satz von Leistungsschaltern 302 Schaltmuster auszuwählen, die sich voneinander unterscheiden. Das heißt, dass die Leistungsschalter, die jedem Satz von Phasenwicklungen zugeordnet sind, über jeden der Zeiträume mit unterschiedlichen Schaltmustern gesteuert werden. Das Schaltmuster wird als unterschiedlich angesehen, wenn die Schaltmuster während eines Zeitraums, der durch die Schaltfrequenz definiert wurde, eine andere Sequenz verwenden. Die Schaltmuster werden als nicht unterschiedlich angesehen, wenn dieselbe Sequenz zeitlich verschoben wird (z. B. Phasenverschiebung eines Musters relativ zu einem anderen).
Das Schaltmuster definiert eine Sequenz von Betriebszuständen für jeden der Leistungsschalter, die einem der Sätze entsprechen. Das Schaltmuster definiert außerdem Zeitdauern für jeden der Betriebszustände. Die Schaltmuster können ausgewählt werden, um denselben Durchschnittsstrom oder dieselbe Durchschnittsspannung über den Zeitraum in jedem von dem Satz von Phasenwicklungen zu erreichen. Die Schaltmusterzustände und - zeitdauern werden verwendet, um die Gateantriebe zu den Leistungsschaltern zu steuern, um die Spannung und den Strom von jedem der Sätze von Phasenwicklungen zu steuern.
Die Steuerung 310 kann programmiert sein, die Schaltmuster auf Grundlage der Auswahl der Nullvektoren in jedem der Zeiträume zu unterscheiden. Die Nullvektoren entsprechen den Schaltzuständen, in denen alle Leistungsschalter betrieben werden, um alle Phasenwicklungen, die einem Satz zugeordnet sind, für eine Zeitdauer an einen gemeinsamen Spannungsanschluss zu koppeln. Eine Möglichkeit, um die Schaltmuster zu unterscheiden, ist das Verwenden eines anderen Nullvektors für jeden der Sätze innerhalb eines Zeitraums. Zusätzlich kann eine andere Sequenz von Nullvektoren verwendet werden. Zum Beispiel können die Nullvektoren derartig angewendet werden, dass kein Satz denselben Nullvektor zum selben Zeitpunkt ausgibt. Eine weitere Möglichkeit, um die Schaltmuster zu unterscheiden, ist das Verwenden einer anderen Anzahl von Nullvektoren für jeden der Sätze von Phasenwicklungen. Zum Beispiel kann ein Satz einen Nullvektor verwenden, während ein anderer Satz beide Nullvektoren während desselben Zeitraums verwenden kann.
Ein Ziel der Betriebsstrategie des Wechselrichters und der elektrischen Maschine ist das Minimieren einer Größe von hörbaren Geräuschen, die durch den Antriebsstrang erzeugt wird. Die hörbaren Geräusche, die durch den elektrifizierten Antriebsstrang emittiert werden, können durch die Betriebsfrequenz des Wechselrichters beeinflusst werden. Das bezieht sich auf die Frequenz, auf der die PWM-Signale betrieben werden. Zusätzlich können die Schaltmuster innerhalb der Zeiträume, die durch den Kehrwert der Frequenz definiert werden, ebenfalls die hörbaren Geräusche beeinflussen. Zum Beispiel kann das Betreiben von zwei Wechselrichtern unter Verwendung des genau gleichen Schaltmusters einen kumulativen Effekt im Hinblick auf die hörbaren Geräusche verursachen. Beide Wechselrichter können dasselbe Muster von hörbaren Geräuschen erzeugen. Das Betreiben der Wechselrichter mit unterschiedlichen Schaltmustern innerhalb der Zeiträume kann Unterschiede in den Mustern hörbarer Geräusche verursachen, die durch die Wechselrichter erzeugt werden. Durch das Erzeugen unterschiedlicher hörbarer Geräuschmuster kann die sich ergebende Summierung der hörbaren Geräusche weniger ausgeprägt sein oder sich über ein breiteres Spektrum bei geringerer Amplitude verteilen.
Die hierin offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zuführbar sein/davon umgesetzt werden, die bzw. der jede bereits bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder dedizierte elektronische Steuereinheit beinhalten kann. Gleichermaßen können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert sein, die durch eine Steuerung oder einen Computer in vielen Formen ausgeführt werden können, darunter unter anderem Informationen, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Festwertspeicher(read only memory - ROM)-Vorrichtungen, gespeichert sind, und Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Disketten, Magnetbändern, Compact Discs (CDs), Direktzugriffsspeicher-(random access memory - RAM)-Vorrichtungen und weiteren magnetischen und optischen Medien, gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren und Algorithmen können auch in einem von Software ausführbaren Objekt umgesetzt sein. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten wie zum Beispiel anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (application specific integrated circuits - ASICs), feldprogrammierbarer Gate-Auslegungen (field-programmable gate arrays - FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderer Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten ausgeführt sein.
Während vorstehend Ausführungsbeispiele beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen eingeschlossen sind. Bei den in der Beschreibung verwendeten Ausdrücken handelt es sich um beschreibende, nicht um einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie vorangehend beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben worden sein könnten, dass sie gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen auf dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften Vorteile bereitstellen oder bevorzugt sind, wird ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erreichen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Diese Attribute können unter anderem Folgendes beinhalten: Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, bequeme Montage usw. Daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen auf dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Fahrzeug, umfassend: eine elektrische Maschine, die mit mindestens zwei Sätzen von Phasenwicklungen ausgelegt ist; eine Vielzahl von Leistungsschaltern, die ausgelegt sind, wahlweise Spannungsanschlüsse mit jeder der Phasenwicklungen zu koppeln; und eine Steuerung, die programmiert ist, die Leistungsschalter entsprechend eines Schaltmusters für jeden der Sätze zu betreiben, die in Zeiträumen aktualisiert werden, die derartig durch eine Schaltfrequenz definiert sind, dass sich die Schaltmuster während jedem der Zeiträume unterscheiden.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Schaltmuster eine Sequenz von Betriebszuständen für jeden der Leistungsschalter definiert, die einem der Sätze entsprechen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Schaltmuster einen oder mehrere Nullzustände definiert, die Betriebszustände sind, für welche die Leistungsschalter, die einem der Sätze entsprechen, betrieben werden, um alle der Phasenwicklungen des einen der Sätze für eine Zeitdauer mit einem gemeinsamen Spannungsanschluss zu koppeln.
Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei die Schaltmuster während jedem der Zeiträume unterschiedliche Nullzustände definieren.
Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei die Schaltmuster während jedem der Zeiträume eine andere Anzahl von Nullzuständen definieren.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Zeiträume durch ein ganzzahliges Mehrfaches einer Zeitspanne definiert werden, die durch die Schaltfrequenz definiert wird.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, die mindestens zwei Sätze von Phasenwicklungen aufweist, umfassend: Betreiben, durch eine Steuerung, einer Vielzahl von Leistungsschaltern, die programmiert sind, Spannungsanschlüsse wahlweise mit jeder der Phasenwicklungen entsprechend eines Schaltmusters für jeden der Sätze zu koppeln, die in Zeiträumen aktualisiert werden, die derartig durch eine Schaltfrequenz definiert sind, dass sich die Schaltmuster während jedes Zeitraums unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Schaltmuster einen oder mehrere Nullzustände definiert, die Betriebszustände sind, während derer die Leistungsschalter, die einem der Sätze entsprechen, betrieben werden, um alle der Phasenwicklungen des einen der Sätze für eine Zeitdauer mit einem gemeinsamen Spannungsanschluss zu koppeln.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend Aktualisieren, durch die Steuerung, der Schaltmuster durch ein ganzzahliges Mehrfaches einer Zeitspanne, die durch die Schaltfrequenz definiert wird.
Elektrifizierter Antriebsstrang, umfassend; eine elektrische Maschine, die mit mindestens zwei Sätzen von Phasenwicklungen ausgelegt ist; eine Vielzahl von Leistungsschaltern, die ausgelegt sind, wahlweise Spannungsanschlüsse mit jeder der Phasenwicklungen zu koppeln; und eine Steuerung, die programmiert ist, die Leistungsschalter während eines Zeitraums entsprechend einer Sequenz von Raumvektormodulationszuständen für jeden der Sätze zu betreiben, die ein anderes Nullvektormuster für jeden der Sätze während des Zeitraums definiert.
Elektrifizierter Antriebsstrang nach Anspruch 10, wobei das Nullvektormuster einen oder mehrere Nullvektoren definiert, in denen alle der Leistungsschalter, die einem der Sätze zugeordnet sind, betrieben werden, um alle zugeordneten Phasenwicklungen an einen gemeinsamen der Spannungsanschlüsse zu koppeln.
Elektrifizierter Antriebsstrang nach Anspruch 10, wobei die Steuerung ferner programmiert ist, das Nullvektormuster derartig für jede der Sequenzen zu erzeugen, dass jede der Sequenzen während des Zeitraums eine andere Anzahl von Nullvektoren definiert.
Elektrifizierter Antriebsstrang nach Anspruch 10, wobei die Steuerung ferner programmiert ist, das Nullvektormuster derartig für jede der Sequenzen zu erzeugen, dass keine zwei der Sequenzen ein Nullvektormuster erzeugen, das zum selben Zeitpunkt während des Zeitraums denselben Nullvektor ausgibt.
Elektrifizierter Antriebsstrang nach Anspruch 10, wobei der Zeitraum einer Zeitspanne entspricht, die einer Schaltfrequenz der Leistungsschalter zugeordnet ist.
Elektrifizierter Antriebsstrang nach Anspruch 10, wobei die Steuerung ferner programmiert ist, die Sequenzen zu erzeugen, um über den Zeitraum einen gleichen Durchschnittsstrom zu erreichen.