DE102018103579A1

DE102018103579A1 - Hybridantriebssystem

Info

Publication number: DE102018103579A1
Application number: DE102018103579.9A
Authority: DE
Inventors: Baoming Ge; Lihua Chen; Yan Zhou; Shuitao Yang; Fan Xu
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2018-08-23
Also published as: CN108482102B; US10967743B2; US20180236877A1; CN108482102A

Abstract

Ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug beinhaltet eine elektrische Maschine, die an einen ersten Wechselrichter gekoppelt ist, eine Traktionsbatterie und einen zweiten Wechselrichter. Die Traktionsbatterie ist zwischen einem neutralen Anschluss der elektrischen Maschine und einem negativen Anschluss des ersten Wechselrichters gekoppelt. Der zweite Wechselrichter ist in Bezug auf einen Gleichstrom(Direct Current - DC)-Bus parallel zu dem ersten Wechselrichter gekoppelt und konfiguriert, um eine zweite elektrische Maschine anzutreiben.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft im Allgemeinen einen Hybridfahrzeugantriebsstrang, der duale Wechselrichter/elektrische Maschinen und eine Traktionsbatterie beinhaltet, die zwischen einem neutralen Anschluss von einer der elektrischen Maschinen und einem negativen der Wechselrichter gekoppelt ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrisch betriebene Fahrzeuge, darunter Hybridelektrofahrzeuge (Hybrid-Electric Vehicles - HEVs) und Batterieelektrofahrzeuge (Battery Electric Vehicles - BEVs), sind darauf angewiesen, dass eine Traktionsbatterie (oder Hochvoltbatterie) einem Traktionsmotor Leistung zum Antrieb bereitstellt und ein Leistungswechselrichter dazwischen Gleichstromleistung (Direct Current - DC) in Wechselstromleistung (Alternating Current - AC) umwandelt. Der übliche AC-Traktionsmotor ist ein 3-Phasen-Motor, der durch 3 sinusförmige Ströme mit Leistung versorgt werden kann, die jeweils mit einer Phasentrennung von 120 Grad angetrieben werden. Die Traktionsbatterie ist konfiguriert, um in einem bestimmten Spannungsbereich zu arbeiten und einen maximalen Strom bereitzustellen.
Außerdem beinhalten viele elektrisch betriebenen Fahrzeuge einen Gleichspannungswandler, der auch als Wandler für variable Spannungen (Varialbe Voltage Converter - VVC) bezeichnet wird, um die Spannung der Traktionsbatterie in einen Betriebsspannungspegel der elektrischen Maschine umzuwandeln. Die elektrische Maschine, die einen Traktionsmotor und einen Generator beinhalten kann, kann Hochspannung und Hochstrom erfordern. Aufgrund der Spannungs- und Stromanforderungen stehen ein Batteriemodul und ein Leistungselektronikmodul üblicherweise durchgehend miteinander in Verbindung. Das Batteriemodul stellt Informationen für die Fahrzeugsteueralgorithmen bereit, zu denen Batteriespannung, Batteriestrom und Ladezustand (State Of Charge - SOC) der Batterie gehören.
KURZDARSTELLUNG
Ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug beinhaltet eine elektrische Maschine, die an einen ersten Wechselrichter gekoppelt ist, eine Traktionsbatterie und einen zweiten Wechselrichter. Die Traktionsbatterie ist zwischen einem neutralen Anschluss der elektrischen Maschine und einem negativen Anschluss des ersten Wechselrichters gekoppelt. Der zweite Wechselrichter ist in Bezug auf einen Gleichstrom(Direct Current - DC)-Bus parallel zu dem ersten Wechselrichter gekoppelt und konfiguriert, um eine zweite elektrische Maschine anzutreiben.
Ein Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs durch eine Steuerung beinhaltet Modulieren von Schaltern und Verschieben der Phasensignale. Schalter eines ersten Wechselrichters werden moduliert, um Phasensignale für eine elektrische Maschine mit Sternschaltung zu erzeugen. Die Phasensignale werden um eine Gleichstrom(Direct Current - DC)-Vorspannung verschoben, die auf zumindest eine Phase der elektrischen Maschine angewendet wird, sodass ein der DC-Vorspannung zugeordnetes Drehmoment der elektrischen Maschine null ist.
Ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug beinhaltet eine elektrische Maschine mit Sternschaltung und eine zweite elektrische Maschine. Die elektrische Maschine mit Sternschaltung ist zwischen einem ersten Wechselrichter und einer Traktionsbatterie gekoppelt, wobei die Traktionsbatterie zwischen einem neutralen Anschluss der elektrischen Maschine und einem negativen Anschluss des ersten Wechselrichters gekoppelt ist. Die zweite elektrische Maschine ist an einen zweiten Wechselrichter gekoppelt, der in Bezug auf einen Gleichstrom(Direct Current - DC)-Bus parallel zu dem ersten Wechselrichter gekoppelt ist.
Figurenliste

1 ist ein Schema eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, das duale Wechselrichter/elektrische Maschinen und eine Traktionsbatterie aufweist, die zwischen einem neutralen Anschluss von einer der elektrischen Maschinen und einem negativen der Wechselrichter gekoppelt ist.
2 ist ein Schema eines Hybridfahrzeugs, das übliche Antriebsstrang- und Energiespeicherkomponenten veranschaulicht, darunter duale elektrische Maschinen.
3 ist eine schematische Ansicht eines Leistungswechselrichters eines Leistungselektronikmoduls.
4 ist eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Antriebsstrangs für duale elektrische Maschinen von Hybridfahrzeugen.
5 ist eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs für duale elektrische Maschinen von Hybridfahrzeugen, der eine Traktionsbatterie beinhaltet, die zwischen einem neutralen Anschluss von einer der elektrischen Maschinen und einem negativen Wechselrichteranschluss gekoppelt ist.
6 ist eine grafische Darstellung eines Modulierungsverfahrens, um einen Wechselrichter einer elektrischen Maschine zu steuern, die eine Traktionsbatterie aufweist, die zwischen einem neutralen Anschluss der elektrischen Maschine und einem negativen Wechselrichteranschluss gekoppelt ist.
7 ist eine grafische Darstellung von AC-Eigenschaften von dualen elektrischen Maschinen, wobei eine der elektrischen Maschinen eine Traktionsbatterie aufweist, die während eines Antriebsmodus zwischen einem neutralen Anschluss und einem negativen Wechselrichteranschluss gekoppelt ist.
8 ist eine grafische Darstellung von AC-Eigenschaften von dualen elektrischen Maschinen, wobei eine der elektrischen Maschinen eine Traktionsbatterie aufweist, die während eines Lademodus zwischen einem neutralen Anschluss und einem negativen Wechselrichteranschluss gekoppelt ist.
9 ist eine grafische Darstellung von AC-Eigenschaften von dualen elektrischen Maschinen, wobei eine der elektrischen Maschinen eine Traktionsbatterie aufweist, die während eines Antriebsmodus zwischen einem neutralen Anschluss und einem negativen Wechselrichteranschluss gekoppelt ist.

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 zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hierin offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf jegliche 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 übliche Anwendungen bereit. Unterschiedliche Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Ein Einphasenwechselstrom(AC)-Ladegerät für Elektrofahrzeuge gibt üblicherweise AC-Restwelligkeit bei verschiedenen Frequenzen ab. Üblicherweise handelt es sich bei der Komponente bei doppelter Netz- oder Zeilenfrequenz um die am deutlichsten erkennbare Frequenzkomponente, wobei die Netzeingangsleistung eine Pulsform mit einer DC-Verschiebung (Pin_dc), eine große AC-Komponente bei doppelter Linienfrequenz und einen Spitze-zu-Spitze-Wert von 2(Pin_dc) aufweist. Die Leistungsrestwelligkeit sorgt für eine Stromrestwelligkeit bei doppelter Netzfrequenz auf Batterieseite, sodass eine zusätzliche Schaltung erforderlich sein könnte, um die Batterie zu schützen. Außerdem liegen Stromrestwelligkeiten bei anderen Frequenzen vor, wie etwa andere Ordnungen von Harmonischen aufgrund von Netzverzerrung und der Schaltfrequenz der Halbleiterschalter des Ladegeräts. Um diese Restwelligkeiten zu filtern, ist ein großer DC-Zwischenkreiskondensator in dem Ladegerät erforderlich. Durch diesen Stützkondensator erhöhen sich die Kosten, das Volumen und Gewicht des Ladegeräts.
1 stellt ein Hybridelektrofahrzeug dar, dass einen Antriebsstrang aufweist, der eine Traktionsbatterie beinhaltet, die zwischen einem neutralen Anschluss einer elektrischen Maschine mit Sternschaltung und einem negativen Anschluss des Wechselrichters der elektrischen Maschine gekoppelt ist. Hier ist die elektrische Maschine ein Generator (G) und der Wechselrichter der elektrischen Maschine der Generatorwechselrichter. Der Generatorwechselrichter kann konfiguriert sein, um einen DC-Strom mit der Batterie (pBat) fließen zu lassen, einen AC-Strom von dem Generator (pG) in eine DC-Bus-Spannung (Vdc) umzuwandeln oder um eine DC-Batteriespannung (Vd) auf die DC-Busspannung (Vdc) zu verstärken. Hier fließt der DC-Strom, der zu der/von der Batterie durch den Generator fließt, gleichmäßig in alle drei Phasen des Generators G, sodass kein Drehmoment auf Grundlage des DC-Stroms erzeugt wird. Dies ermöglicht es, dass der DC-Strom durch den Generatorwechselrichter zu dem Antriebsmotorwechselrichter fließt, zu welchem Zeitpunkt dieser von DC in AC umgewandelt wird, sodass die Energie dann verwendet werden kann, um eine Antriebskraft von dem Antriebsmotor (M) zu erzeugen. Außerdem kann der Antriebsmotor (M) konfiguriert sein, um eine Drehkraft in eine elektrische AC-Leistung umzuwandeln, die dann in DC-Leistung umgewandelt wird, die durch den Generatorwechselrichter, dann gleichmäßig durch die 3-Phasen-Wicklung des Generators (G) und zu der Traktionsbatterie strömt.
2 ist ein Schema eines Hybridfahrzeugs 216, das übliche Antriebsstrang- und Energiespeicherkomponenten veranschaulicht, darunter duale elektrische Maschinen, und allgemein als ein Fahrzeug 216 bezeichnet wird. Das Fahrzeug 216 beinhaltet ein Getriebe 212 und wird von zumindest einer elektrischen Maschine 218 mit selektiver Unterstützung von einem Verbrennungsmotor 220 angetrieben. Die elektrische Maschine 218 kann ein Wechselstrom(Alternating Current - AC)-Elektromotor sein, der als „Antriebsmotor“ 218 dargestellt ist. Die elektrische Maschine 218 erhält elektrische Leistung und stellt ein Drehmoment für den Fahrzeugantrieb bereit. Die elektrische Maschine 218 dient außerdem als Generator zum Umwandeln mechanischer Leistung in elektrische Leistung durch Nutzbremsung.
Das Getriebe 212 kann eine Konfiguration mit Leistungsverzweigung sein. Das Getriebe 212 beinhaltet die erste elektrische Maschine 218 und eine zweite elektrische Maschine 224. Die zweite elektrische Maschine 224 kann ein AC-Elektromotor sein, der als „Generator“ 224 dargestellt ist. Wie die erste elektrische Maschine 218 erhält die zweite elektrische Maschine 224 elektrische Leistung und stellt ein Ausgangsdrehmoment bereit. Die zweite elektrische Maschine 224 dient außerdem als Generator zum Umwandeln mechanischer Leistung in elektrische Leistung und zum Optimieren des Leistungsflusses durch das Getriebe 212. In anderen Ausführungsformen weist das Getriebe keine Konfiguration mit Leistungsverzweigung auf.
Das Getriebe 212 kann eine Planetengetriebeeinheit 226 beinhalten, die ein Sonnenrad 228, einen Planetenträger 230 und ein Hohlrad 232 beinhaltet. Das Sonnenrad 228 ist zum Empfangen von Generatordrehmoment mit einer Ausgangswelle der zweiten elektrischen Maschine 224 verbunden. Der Planetenträger 230 ist zum Empfangen von Motordrehmoment mit einer Ausgangswelle des Motors 220 verbunden. Die Planetengetriebeeinheit 226 kombiniert das Generatordrehmoment mit dem Motordrehmoment und stellt ein kombiniertes Ausgangsdrehmoment um das Hohlrad 232 bereit. Die Planetengetriebeeinheit 226 dient als stufenlos verstellbares Getriebe ohne festgesetzte oder „Stufen-“Verhältnisse.
Das Getriebe 212 kann außerdem eine Freilaufkupplung (One-Way Clutch - O.W.C.) und eine Generatorbremse 233 beinhalten. Die O.W.C. ist an die Ausgangswelle des Motors 220 gekoppelt, damit sich die Ausgangswelle nur in eine Richtung drehen kann. Die O.W.C. verhindert, dass das Getriebe 212 den Motor 220 rückwärts antreibt. Die Generatorbremse 233 ist an die Ausgangswelle der zweiten elektrischen Maschine 224 gekoppelt. Die Generatorbremse 233 kann aktiviert werden, um die Drehung der Ausgangswelle der zweiten elektrischen Maschine 224 und des Sonnenrads 228 „zu bremsen“ oder zu verhindern. Alternativ können die O.W.C. und die Generatorbremse 233 entfernt und durch Steuerstrategien für den Motor 220 und die zweite elektrische Maschine 224 ersetzt werden.
Das Getriebe 212 kann ferner eine Vorgelegewelle mit Zwischenzahnrädern beinhalten, zu denen ein erstes Zahnrad 234, ein zweites Zahnrad 236 und ein drittes Zahnrad 238 gehören. Ein Planetenausgangszahnrad 240 ist mit dem Hohlrad 232 verbunden. Das Planetenausgangsrad 240 greift in das erste Zahnrad 234 ein, um Drehmoment zwischen der Planetengetriebeeinheit 226 und der Vorgelegewelle zu übertragen. Ein Ausgangszahnrad 242 ist mit einer Ausgangswelle der ersten elektrischen Maschine 218 verbunden. Das Ausgangszahnrad 242 greift in das zweite Zahnrad 236 ein, um Drehmoment zwischen der ersten elektrischen Maschine 218 und der Vorgelegewelle zu übertragen. Ein Getriebeausgangszahnrad 244 ist mit einer Antriebswelle 246 verbunden. Die Antriebswelle 246 ist über ein Differential 250 an ein Paar von angetriebenen Rädern 248 gekoppelt. Das Getriebeausgangszahnrad 244 greift in das dritte Zahnrad 238 ein, um Drehmoment zwischen dem Getriebe 212 und den angetriebenen Rädern 248 zu übertragen.
Das Fahrzeug 216 beinhaltet eine Energiespeichervorrichtung, wie etwa eine Traktionsbatterie 252, zum Speichern elektrischer Energie. Bei der Batterie 252 handelt es sich um eine Hochspannungsbatterie, die in der Lage ist, elektrische Leistung abzugeben, um die erste elektrische Maschine 218 und die zweite elektrische Maschine 224 zu betreiben. Die Batterie 252 erhält außerdem elektrische Leistung von der ersten elektrischen Maschine 218 und der zweiten elektrischen Maschine 224, wenn diese als Generatoren betrieben werden. Die Batterie 252 ist ein Batteriepack, das aus mehreren (nicht gezeigten) Batteriemodulen besteht, wobei jedes Batteriemodul eine Vielzahl von Batteriezellen (nicht gezeigt) enthält. In anderen Ausführungsformen des Fahrzeugs 216 sind andere Arten von Energiespeichervorrichtungen vorgesehen, wie etwa Kondensatoren und Brennstoffzellen (nicht gezeigt), welche die Batterie 252 ergänzen oder ersetzen. Ein Hochspannungsbus verbindet die Batterie 252 elektrisch mit der ersten elektrischen Maschine 218 und mit der zweiten elektrischen Maschine 224.
Das Fahrzeug beinhaltet ein Batterieenergiesteuermodul (Battery Energy Control Module - BECM) 254 zum Steuern der Batterie 252. Das BECM 254 erhält Eingaben, die auf Fahrzeugbedingungen und Batteriebedingungen hinweisen, wie etwa die Batterietemperatur, - spannung und den Batteriestrom. Das BECM 254 berechnet und schätzt Batterieparameter, wie etwa den Batterieladezustand und die Batterieleistungskapazität. Das BECM 254 stellt anderen Fahrzeugsystemen und -steuerungen Ausgaben (BSOC, Pcap) bereit, die auf einen Batterieladezustand (Battery State of Charge - BSOC) und eine Batterieleistungskapazität (P_cap) hinweisen.
Das Fahrzeug 216 beinhaltet einen Wechselstromwandler oder Wandler für variable Spannung (Variable Voltage Converter - VVC) 210 und einen Wechselrichter 256. Der VVC 210 und der Wechselrichter 256 sind elektrisch zwischen der Traktionsbatterie 252 und der ersten elektrischen Maschine 218 und zwischen der Batterie 252 und der zweiten elektrischen Maschine 224 verbunden. Der VVC 210 „verstärkt“ das Spannungspotenzial der elektrischen Leistung, die von der Batterie 252 bereitgestellt wird, oder erhöht dieses. Außerdem „schwächt“ der VVC 210 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen das Spannungspotenzial der elektrischen Leistung „ab“, die von der Batterie 252 bereitgestellt wird, oder verringert dieses. Der Wechselrichter 256 wandelt die DC-Leistung, die durch die Batterie 252 (über den VVC 210) zugeführt wird, zum Betrieben der elektrischen Maschinen 218, 224 in AC-Leistung um. Außerdem richtet der Wechselrichter 256 AC-Leistung, die durch die elektrischen Maschinen 218, 224 bereitgestellt wird, in DC gleich, um die Traktionsbatterie 252 aufzuladen. Andere Ausführungsformen des Getriebes 212 beinhalten mehrere Wechselrichter (nicht gezeigt), wie etwa einen Wechselrichter, der jeder elektrischen Maschine 218, 224 zugeordnet ist. Der VVC 210 beinhaltet eine Induktorbaugruppe 214.
Das Getriebe 212 beinhaltet ein Getriebesteuermodul (Transmission Control Module - TCM) 258 zum Steuern der elektrischen Maschinen 218, 224, des VVC 210 und des Wechselrichters 256. Das TCM 258 ist unter anderem konfiguriert, um die Stellung, Drehzahl und den Leistungsverbrauch der elektrischen Maschinen 218, 224 zu überwachen. Das TCM 258 überwacht außerdem elektrische Parameter (z. B. Spannung und Strom) an unterschiedlichen Stellen innerhalb des VVC 210 und des Wechselrichters 256. Das TCM 258 stellt anderen Fahrzeugsystemen Ausgangssignale bereit, welche diesen Informationen entsprechen.
Das Fahrzeug 216 beinhaltet eine Fahrzeugsystemsteuerung (Vehicle System Controller - VSC) 260, die mit anderen Fahrzeugsystemen und Steuerungen in Verbindung steht, um deren Funktion zu koordinieren. Obwohl sie als einzelne Steuerung gezeigt ist, kann die VSC 260 mehrere Steuerungen beinhalten, die zum Steuern mehrerer Fahrzeugsysteme gemäß einer Fahrzeuggesamtsteuerlogik oder Software verwendet werden können.
Die Fahrzeugsteuerungen, einschließlich der VSC 260 und des TCM 258, beinhalten im Allgemeinen eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, ASIC, IC, Speichern (z. B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und/oder EEPROM) und Softwarecode, um miteinander zusammenzuwirken, um eine Reihe von Vorgängen auszuführen. Die Steuerungen beinhalten außerdem vorbestimmte Daten oder „Nachschlagetabellen“, die auf Berechnungen und Testdaten basieren und in dem Speicher gespeichert sind. Die VSC 260 steht über eine oder mehrere drahtgebundene oder drahtlose Fahrzeugverbindungen unter Verwendung üblicher Busprotokolle (z. B. CAN und LIN) mit anderen Fahrzeugsystemen und -steuerungen (z. B. dem BECM 254 und dem TCM 258) in Verbindung. Die VSC 260 erhält eine Eingabe (PRND), die eine aktuelle Stellung des Getriebes 212 (z. B. parken, rückwärts, neutral oder fahren) darstellt. Die VSC 260 erhält außerdem eine Eingabe (APP), die eine Stellung des Gaspedals darstellt. Die VSC 260 stellt dem TCM 258 eine Ausgabe, die ein erwünschtes Raddrehmoment, eine erwünschte Motordrehzahl, und einen Generatorbremsbefehl darstellt, und dem BECM 254 eine Schützsteuerung bereit.
Das Fahrzeug 216 beinhaltet ein Motorsteuermodul (Engine Control Module - ECM) 264 zum Steuern des Motors 220. Die VSC 260 stellt dem ECM 264 eine Ausgabe (erwünschtes Motordrehmoment) bereit, die auf einer Reihe von Eingangssignalen, einschließlich der APP, basiert und einem Bedarf an Fahrzeugantrieb des Fahrers entspricht.
Die Batterie 252 kann in regelmäßigen Abständen AC-Energie von einer externen Leistungsversorgung oder einem externen Leistungsnetz über einen Ladeanschluss 266 erhalten, wenn das Fahrzeug 216 ein PHEV ist. Das Fahrzeug 216 beinhaltet außerdem ein bordeigenes Ladegerät 268, das AC-Energie aus dem Ladeanschluss 266 erhält. Bei dem Ladegerät 268 handelt es sich um einen AC/DC-Wandler, welcher die erhaltene AC-Energie in DC-Energie umwandelt, die zum Aufladen der Batterie 252 geeignet ist. Das Ladegerät 268 führt wiederum der Batterie 252 während des Aufladens die DC-Energie zu. Zwar wird der Wechselrichter 256 im Zusammenhang mit einem PHEV 216 veranschaulicht und beschrieben, es versteht sich jedoch, dass dieser auch in anderen Arten von Elektrofahrzeugen umgesetzt werden kann, wie etwa einem HEV oder einem BEV.
Unter Bezugnahme auf 3 wird ein System 300 zum Steuern eines Leistungselektronikmoduls (Power Electronics Module - PEM) 256 bereitgestellt. Das PEM 256 aus 3 beinhaltet der Darstellung nach eine Vielzahl von Schaltern 302 (z. B. IGBTs), die konfiguriert sind, um zusammen als ein Wechselrichter mit einem ersten, zweiten und dritten Phasenzweig 216, 218, 220 zu arbeiten. Während der Wechselrichter als Drei-Phasen-Wandler gezeigt ist, kann der Wechselrichter zusätzliche Phasenzweige beinhalten. Der Wechselrichter kann zum Beispiel ein Vier-Phasen-Wandler, ein Fünf-Phasen-Wandler, ein Sechs-Phasen-Wandler usw. sein. Des Weiteren kann das PEM 256 mehrere Wechselrichter beinhalten, wobei jeder Wechselrichter in dem PEM 256 drei oder mehr Phasenzweige beinhaltet. Das System 300 kann zum Beispiel zwei oder mehr Wechselrichter in dem PEM 256 steuern. Das PEM 256 kann ferner einen Gleichstromwandler beinhalten, der Hochleistungsschalter (z. B. IGBTs) aufweist, um eine Eingangsspannung des Leistungselektronikmoduls durch Aufwärtswandlung, Abwärtswandlung oder eine Kombination davon in eine Ausgangsspannung des Leistungselektronikmoduls umzuwandeln.
Wie in 3 gezeigt, kann der Wechselrichter ein DC/AC-Wandler sein. Im Betrieb erhält der DC/AC-Wandler durch einen DC-Bus 304 DC-Leistung aus einer DC-Leistungsverbindung 306 und wandelt die DC-Leistung in AC-Leistung um. Die AC-Leistung wird über die Phasenströme ia, ib und ic übertragen, um eine AC-Maschine anzutreiben, die auch als elektrische Maschine 314 bezeichnet wird, wie etwa einen dreiphasigen permanenterregten Synchronmotor (Permanent-Magnet Synchronous Motor - PMSM), wie in 3 dargestellt. In einem derartigen Beispiel kann die DC-Leistungsverbindung 306 eine DC-Speicherbatterie beinhalten, 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 314 (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 256 in anderen Leistungselektroniktopologien steuern.
Unter weiterer Bezugnahme auf 3 beinhaltet jeder der Phasenzweige 216, 218, 220 in dem Wechselrichter Leistungsschalter 302, die durch verschiedene Arten von steuerbaren Schaltern umgesetzt sein können. In einer Ausführungsform kann jeder Leistungsschalter 302 eine Diode und einen Transistor (z. B. einen IGBT) beinhalten. Die Dioden aus 3 sind mit D_a1, D_a2, D_b1, D_b2, D_c1 und D_c2 beschriftet, während die IGBTs aus 3 jeweils mit S_a1, S_a2, S_b1, Sb₂, S_c1 und S_c2 beschriftet sind. Die Leistungsschalter S_a1, S_a2, D_a1 und D_a2 sind Teil eines Phasenzweigs A des Drei-Phasen-Wandlers, der in 3 als der erste Phasenzweig mit A 216 beschriftet ist. Gleichermaßen sind die Leistungsschalter S_b1, S_b2, D_b1 und D_b2 Teil eines Phasenzweigs B 218 und die Leistungsschalter S_c1, S_c2, D_c1 und D_c2 Teil eines Phasenzweigs C 220 des Drei-Phasen-Wandlers. Der Wechselrichter kann in Abhängigkeit von der konkreten Konfiguration des Wechselrichters eine beliebige Anzahl der Leistungsschalter 302 oder Schaltungselemente beinhalten. Die Dioden (D_xx) sind mit den IGBTs (S_xx) parallelgeschaltet, da die Polaritäten für den ordnungsgemäßen Betrieb jedoch umgekehrt sind, wird diese Konfiguration häufig als antiparallelgeschaltet bezeichnet. Eine Diode in dieser antiparallelen Konfiguration wird auch als eine Freilaufdiode bezeichnet.
Wie in 3 veranschaulicht, sind Stromsensoren CS_a, CSb und CSc bereitgestellt, um Stromfluss in den jeweiligen Phasenzweigen 216, 218, 220 zu erfassen. 3 zeigt die Stromsensoren CS_a, CSb und CSc separat zu dem PEM 256. Die Stromsensoren CS_a, CSb und CSc können jedoch in Abhängigkeit von deren Konfiguration als Teil des PEM 256 integriert sein. Die Stromsensoren CS_a, CSb und CSc aus 3 sind in Reihe mit jedem der Phasenzweige A, B und C (d. h. der Phasenzweige 216, 218, 220 aus 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 216, 218, 220 eingebettet oder codiert sein. Außerdem können die Leistungsschalter 302 (z. B. IGBTs) eine Stromerfassungsfähigkeit beinhalten. Die Stromerfassungsfähigkeit kann beinhalten, dass sie mit einem Stromspiegelausgang konfiguriert 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 Menge des Stromflusses oder sowohl die Richtung als auch die Menge des Stromflusses durch die jeweiligen Phasenzweige A, B und C angeben.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 beinhaltet das System 300 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 256 umzusetzen, kann die Steuerung 310 ein Computerprogramm oder einen Algorithmus ausführen, das/der in dem Verfahren eingebettet oder codiert ist und in einem flüchtigen und/oder dauerhaften Speicher 312 gespeichert ist. Alternativ kann Logik in 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 216, 218, 220 und in die jeweiligen Wicklungen der elektrischen Maschine 314 fließen. Die Strommuster können zum Beispiel Muster der Phasenströme i_a, i_b und i_c beinhalten, die in den und weg von dem DC-Bus 304 oder einem DC-Bus-Kondensator 308 fließen. Der DC-Bus-Kondensator 308 aus 3 ist separat zu dem PEM 256 gezeigt. Der DC-Bus-Kondensator 308 kann jedoch als Teil des PEM 256 integriert sein.
Wie in 3 gezeigt, kann ein Speichermedium 312 (nachfolgend „Speicher“), wie etwa ein computerlesbarer Speicher, das Computerprogramm oder den Algorithmus speichern, das/der in dem Verfahren eingebettet oder codiert ist. Des Weiteren kann der Speicher 312 Daten oder Informationen über die verschiedenen Betriebsbedingungen oder Komponenten in dem PEM 256 speichern. Der Speicher 312 kann zum Beispiel Daten oder Informationen über Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 216, 218, 220 speichern. Der Speicher 312 kann wie in 3 gezeigt Teil der Steuerung 310 sein. Der Speicher 312 kann jedoch an jeder geeigneten Stelle positioniert sein, auf die durch die Steuerung 310 zugegriffen werden kann.
Wie 3 veranschaulicht, überträgt die Steuerung 310 zumindest ein Steuersignal 322 an das Leistungswandlersystem 256. Das Leistungswandlersystem 256 empfängt das Steuersignal 322, um die Schaltkonfiguration des Wechselrichters und somit den Stromfluss durch die jeweiligen Phasenzweige 216, 218 und 220 zu steuern. Die Schaltkonfiguration ist ein Satz von Schaltzuständen der Leistungsschalter 302 in dem Wechselrichter. Im Allgemeinen bestimmt die Schaltkonfiguration des Wechselrichters, wie der Wechselrichter Leistung zwischen der DC-Leistungsverbindung 306 und der elektrischen Maschine 314 umwandelt.
Um die Schaltkonfiguration des Wechselrichters zu steuern, ändert der Wechselrichter den Schaltzustand jedes Leistungsschalters 302 in dem Wechselrichter auf Grundlage von dem Steuersignal 322 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 somit den Schaltzustand jedes Leistungsschalters 302 an. Die Gate-Spannungen V_ga1, V_ga2, V_gb1, V_gb2, V_gc1 und _Vgc2 (in 3 gezeigt) steuern den Schaltzustand und die Eigenschaften der jeweiligen Leistungsschalter 302. Während der Wechselrichter in 3 als eine spannungsgesteuerte Vorrichtung gezeigt ist, kann der Wechselrichter eine stromgesteuerte Vorrichtung 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 314, 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 216, 218 und 220 zwei Schalter 302. Es kann sich jedoch nur ein Schalter in jedem der Zweige 216, 218, 220 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 in dem 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 in dem 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 Drei-Phasen-Wandlers 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 in dem Drei-Phasen-Wandler, der als die „Referenz“-Phase für einen bestimmten aktiven Zustand des Wechselrichters definiert sein kann, in einem Zustand, der den anderen beiden Phasenzweigen, oder „Nicht-Referenz“-Phasen, die denselben Zustand aufweisen, entgegengesetzt ist. Folglich befinden sich die Nicht-Referenz-Phasen während eines aktiven Zustands des Wechselrichters entweder beide 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, Gleichstromwandlern 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 schematische Ansicht eines herkömmlichen Antriebsstrangs 400 für duale elektrische Maschinen von Hybridfahrzeugen. Dieses übliche Antriebssystem 400 für Hybridelektrofahrzeuge (Hybrid Electric Vehicle - HEV) beinhaltet zwei elektrische Maschinen (eine erste elektrische Maschine, die als ein Traktionsmotor 218 konfiguriert ist, und eine zweite elektrische Maschine, die als ein Generator 224 konfiguriert ist), einen Wandler für variable Spannung (Variable Voltage Converter - VVC) 210 und eine Traktionsbatterie 252. Die elektrischen Maschinen (z. B. der Antriebsmotor 218 und/oder der Generator 224) können unter Umständen in der Lage sein, sowohl in einem Antriebs- als auch einem Erzeugungsmodus zu arbeiten, wobei in ersterem Betriebsmodus Leistung/Energie verbraucht wird und in letzterem Betriebsmodus Leistung/Energie erzeugt wird. Diese drei Teile sind über einen DC-Bus-Kondensator gekoppelt, wobei eine Spannung der Traktionsbatterie 252 üblicherweise durch den VVC 210 auf eine DC-Busspannung verstärkt wird, die verwendet wird, um die elektrischen Maschinen 218, 224 anzutreiben.
Der VVC 210 verwaltet die Leistung und Energie der Traktionsbatterie 252, um eine erwünschte konstante DC-Busspannung unabhängig von der Antriebsmotor-/Generatorleistung zu gewährleisten. Der VVC 210 beinhaltet üblicherweise zwei IGBTs und einen Induktor, woraus die folgenden Nachteile entstehen. Erstens kann der VVC 210 aufgrund seiner physischen Größe schwierig verpackt und an einem Fahrzeug angebracht werden. Zweitens führen hohe Leistungsverluste des Induktors und der zwei IGBTs zu einer geringen Effizienz des Elektroantriebssystems. Drittens führt die Fähigkeit, den Induktor abzukühlen, wenn sich der Induktor erhitzt, zu einer zusätzlichen Komplexität. Viertens führt der VVC aufgrund der zusätzlichen Komponenten üblicherweise zu Mehrkosten und einem höheren Gewicht des Systems und Fahrzeugs. Schließlich kann die Leistung aufgrund des üblicherweise temperaturempfindlichen Magnetkerns des Induktors instabil sein, wenn hohe Temperaturen und Temperaturschwankungen während des Betriebs auf den Kern einwirken, was zu einer Sättigung führen kann.
5 ist eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs 500 für duale elektrische Maschinen von Hybridfahrzeugen. Der Antriebsstrang beinhaltet eine elektrische Maschine mit Sternschaltung 502, eine Traktionsbatterie 504 mit einem Batteriestützkondensator, der auch als Glättungskondensator 506 bezeichnet wird, einen ersten Wechselrichter 508, der an die elektrische Maschine mit Sternschaltung 502 gekoppelt ist, und einen zweiten Wechselrichter 510, der an eine zweite elektrische Maschine 512 gekoppelt ist. Beide Wechselrichter sind parallel zu einem DC-Bus-Kondensator 514 gekoppelt. Die Traktionsbatterie 504 ist zwischen einem neutralen Anschluss der elektrischen Maschine mit Sternschaltung 502 und einem negativen Wechselrichteranschluss (z. B. des ersten Wechselrichters 508 oder des zweiten Wechselrichters 510) gekoppelt.
Dieses neue Antriebsstrangsystem oder Elektroantriebssystem betreibt duale elektrische Maschinen, ohne dass ein Gleichspannungswandler erforderlich ist, der auch als ein Wandler für variable Spannung (Variable Voltage Converter - VVC) bezeichnet wird, wodurch Nachteile in Bezug auf den VVC verringert oder vollständig vermieden werden. Hier wird die als ein Antriebsmotor (M) konfigurierte elektrische Maschine 512 durch den Motorwechselrichter 510 gesteuert, der konfiguriert sein kann, um auf eine herkömmliche Weise betrieben zu werden, um einen Leistungsstrom in zwei Richtungen zu gewährleisten. Die als ein Generator (G) konfigurierte elektrische Maschine 502 und die Batterie werden durch den Generatorwechselrichter 508 gesteuert, um Leistungsströme in zwei Richtungen zu erzielen. Somit verwalten die zwei Wechselrichter (508, 510) drei Quellen (die elektrische Maschine 502, die elektrische Maschine 512 und die Batterie 504), sodass alle drei Quellen Leistungsströme in zwei Richtungen umsetzen können.
In einer weiteren Ausführungsform kann es sich bei der elektrischen Maschine (G) 502 und dem Generatorwechselrichter 508 um eine elektrische 6-Phasen-Maschine mit Sternschaltung handeln. Eine elektrische 6-Phasen-Maschine/ein 6-Phasen-Wechselrichter kann mit einer Phasentrennung von 60 Grad konfiguriert sein. Ähnlich wie bei dem Betrieb einer elektrischen 3-Phasen-Maschine kann eine elektrische 6-Phasen-Maschine/ein 6-Phasen-Wechselrichter konfiguriert sein, um einen Strom gleichmäßig in alle 6 Phasen der elektrischen Maschine fließen zu lassen. Die elektrische 6-Phasen-Maschine/der 6-Phasen-Wechselrichter kann jedoch auch konfiguriert sein, um einen Strom gleichmäßig in einen Teilsatz von Phasen fließen zu lassen, wie etwa in 3 Phasen und nicht alle 6 Phasen der elektrischen Maschine. Dies kann erzielt werden, wenn die 3 Phasen gleichermaßen voneinander getrennt sind (d. h. um 120 Grad getrennt).
In noch einer weiteren Ausführungsform kann es sich bei der elektrischen Maschine (G) 502 und dem Generatorwechselrichter 508 um eine elektrische 9-Phasen-Maschine mit Sternschaltung handeln. Eine elektrische 9-Phasen-Maschine/ein 9-Phasen-Wechselrichter kann mit einer Phasentrennung von 30 Grad konfiguriert sein. Ähnlich wie bei dem Betrieb einer elektrischen 3-Phasen-Maschine kann eine elektrische 9-Phasen-Maschine/ein 9-Phasen-Wechselrichter konfiguriert sein, um einen Strom gleichmäßig in alle 9 Phasen der elektrischen Maschine fließen zu lassen. Die elektrische 9-Phasen-Maschine/der 9-Phasen-Wechselrichter kann jedoch auch konfiguriert sein, um einen Strom gleichmäßig in einen Teilsatz von Phasen fließen zu lassen, wie etwa in 3 Phasen oder 6 Phasen und nicht alle 9 Phasen der elektrischen Maschine. Dies kann erzielt werden, wenn die 3 oder 6 Phasen gleichermaßen voneinander getrennt sind (d. h. um 120 Grad getrennt).
6 ist eine grafische Darstellung eines Modulierungsverfahrens 600 in Bezug auf eine Zeit 604, um einen Wechselrichter einer elektrischen Maschine zu steuern, die eine Traktionsbatterie aufweist, die zwischen einem neutralen Anschluss der elektrischen Maschine und einem negativen Wechselrichteranschluss (z. B. des Generatorwechselrichters 508 aus 5) gekoppelt ist. In diesem Graph ist eine normierte Amplitude 602 der dargestellten Signale in Bezug auf die Zeit 604 gezeigt. Ein Trägersignal 606 ist als eine Referenz mit drei Modulationssignalen ma 608, mb 612 und mc 610 gezeigt, die durch Dbat verschoben sind und verwendet werden, um den Generator 502 zu steuern. Der Arbeitszyklus Dbat verwaltet die Batterie zum Aufladen oder Entladen. Die kombinierten Modulationssignale ma 608, mb 612 und mc 610, die durch Dbat verschoben sind, steuern sowohl einen Generator (z. B. 502) als auch eine Batterie (z. B. 504) durch Schalten von sechs Schaltern eines Generatorwechselrichters (z. B. 508). Die DC-Busspannung (z. B. Vdc über den Kondensator 514) wird durch den Arbeitszyklus Dbat gesteuert, um im Wesentlichen konstant zu sein. Hier tragen Statorwicklungen des Generators (z. B. 502) Ströme, die aus zwei Komponenten bestehen (d. h. einer AC-Komponente und einer DC-Komponente). Erstens der AC-Komponente, die sinusförmige Ströme beinhaltet, die ein Drehmoment erzeugen oder in Anwesenheit eines Drehmoments in dem Generator (z. B. 502) generiert werden. Zweitens die DC-Komponente, die einen Stromfluss mit der Traktionsbatterie darstellt, sodass ein Drittel des Batteriestroms durch jede Phasenwicklung des Generators (z. B. 502) fließt. Wenn die DC-Komponente gleichmäßig in jede Phase strömt, übt die DC-Komponente kein Drehmoment auf den Generatorrotor aus, wirkt sich also nicht auf den Erzeugungs-/Antriebsbetrieb des Generators (z. B. 502) aus.
7 ist eine grafische Darstellung von elektrischen Eigenschaften 700 von dualen elektrischen Maschinen in Bezug auf eine Zeit 702 während des Antriebsmodus. Hier verfügt eine der elektrischen Maschinen über eine Sternschaltung und weist eine Traktionsbatterie auf, die zwischen einem neutralen Anschluss der Sternschaltung und einem negativen Wechselrichteranschluss gekoppelt ist. Die elektrischen Eigenschaften beinhalten eine DC-Busspannung 712 an einem Bus-Kondensator (z. B. 514), eine Batteriespannung 714 (beide in Volt 704 gemessen), einen Batteriestrom 716, der in Ampere 706 gemessen ist, Phasenströme ia 722, ib 720, ic 718, die in Ampere 708 gemessen sind, und eine Motorleistung 728, eine Generatorleistung 726 und eine Batterieleistung 724, die alle in Watt 710 gemessen sind.
Während des Antriebs führt die Batterie etwa -100A zu, wie durch Element 716 gezeigt, und weisen die Phasenströme ia 722, ib 720, ic 718 einen ungefähren Spitze-zu-Spitze-Strom von ca. 600 Ampere mit einer sinusförmigen Stromverschiebung von einem Drittel von Ibat 716 auf. Dies stellt dem Antriebsmotor (z. B. 512) eine Motorleistung 728 von über 50kW bereit, während die Leistung sowohl von dem Generator (z. B. 502) als auch der Batterie (z. B. 504) bezogen wird.
8 ist eine grafische Darstellung von elektrischen Eigenschaften 800 von dualen elektrischen Maschinen in Bezug auf eine Zeit 802 während des Lademodus. Hier verfügt eine der elektrischen Maschinen über eine Sternschaltung und weist eine Traktionsbatterie auf, die zwischen einem neutralen Anschluss der Sternschaltung und einem negativen Wechselrichteranschluss gekoppelt ist. Die elektrischen Eigenschaften beinhalten eine DC-Busspannung 812 an einem Bus-Kondensator (z. B. 514), eine Batteriespannung 814 (beide in Volt 804 gemessen), einen Batteriestrom 816, der in Ampere 806 gemessen ist, Phasenströme ia 822, ib 820, ic 818, die in Ampere 808 gemessen sind, und eine Motorleistung 828, eine Generatorleistung 826 und eine Batterieleistung 824, die alle in Watt 810 gemessen sind.
Während des Ladens kann die Batterie etwa 100A zuführen, wie durch Element 816 gezeigt, und weisen die Phasenströme ia 822, ib 820, ic 818 einen ungefähren Spitze-zu-Spitze-Strom von ca. 300 Ampere mit einer sinusförmigen Stromverschiebung von einem Drittel von Ibat 816 auf. Dies führt der Batterie (z. B. 504) eine Motorleistung 828 von dem Antriebsmotor (z. B. 512) und eine Generatorleistung 826 von dem Generator (z. B. 502) zu. Hier erzeugen sowohl der Antriebsmotor (z.B. 512) als auch der Generator (z.B. 502) Leistung aus Drehenergie (d. h. eine Drehzahl * ein Drehmoment), um eine Batterieleistung 824 zuzuführen, die zu der Batterie (z. B. 504) strömt.
9 ist eine grafische Darstellung von elektrischen Eigenschaften 900 von dualen elektrischen Maschinen in Bezug auf eine Zeit 902 während des Antriebsmodus. Hier verfügt eine der elektrischen Maschinen über eine Sternschaltung und weist eine Traktionsbatterie auf, die zwischen einem neutralen Anschluss der Sternschaltung und einem negativen Wechselrichteranschluss gekoppelt ist. Die elektrischen Eigenschaften beinhalten eine DC-Busspannung 912 an einem Bus-Kondensator (z. B. 514), eine Batteriespannung 914 (beide in Volt 904 gemessen), einen Batteriestrom 916, der in Ampere 906 gemessen ist, Phasenströme ia 922, ib 920, ic 918, die in Ampere 908 gemessen sind, und eine Motorleistung 928, eine Generatorleistung 926 und eine Batterieleistung 924, die alle in Watt 910 gemessen sind.
Während des Antriebs in dieser Konfiguration führt die Batterie etwa -100A zu, wie durch Element 916 gezeigt, und weisen die Phasenströme ia 922, ib 920, ic 918 einen ungefähren Spitze-zu-Spitze-Strom von ca. 300 Ampere mit einer sinusförmigen Stromverschiebung von einem Drittel von Ibat 916 auf. Dies stellt dem Antriebsmotor (z. B. 512) eine Motorleistung 928 und dem Generator (z. B. 502) eine Generatorleistung 926 von der Batterie (z. B. 504) bereit. Hier stellen sowohl der Antriebsmotor (z. B. 512) als auch der Generator (z. B. 502) eine Antriebskraft von einer Batterieleistung 924 bereit, die von der Batterie (z. B. 504) strömt (d. h. üben ein Drehmoment aus).
In 7 und 9 wird eine Traktionsbatterie verwendet, um eine Antriebskraft auf Grundlage eines Bedarfs bereitzustellen; wenn der Bedarf unter einem ersten Anfrageschwellenwert liegt, kann eine Steuerung die Wechselrichter betreiben, um die Antriebskraft unter Verwendung von sowohl dem Generator (z. B. 502) als auch der Batterie (z. B. 504) lediglich von dem Antriebsmotor (z. B. 512) zu erzeugen, um die Leistung zuzuführen, um die Drehkraft von dem Antriebsmotor zu erzeugen, wie in 7 gezeigt. Wenn der Bedarf jedoch den ersten Anfrageschwellenwert überschreitet, kann die Steuerung die Wechselrichter betreiben, um die Antriebskraft unter Verwendung von lediglich der Batterie (z. B. 504) von sowohl dem Antriebsmotor (z. B. 512) als auch dem Generator (z. B. 502) zu erzeugen, um die Leistung zuzuführen, um die Drehkraft von dem Antriebsmotor und Generator zu erzeugen, wie in 9 gezeigt.
Gleichermaßen kann das Laden der Traktionsbatterie auf Grundlage eines Leistungsbedarfs und eines Batterieladezustands (State Of Charge - SOC) von einem oder beiden von dem Antriebsmotor (z. B. 512) und dem Generator (z. B. 502) durchgeführt werden; wenn der Leistungsbedarf einen zweiten Schwellenwert überschreitet, kann eine Steuerung die Wechselrichter betreiben, um Leistung lediglich unter Verwendung des Generators (z. B. 502) zu erzeugen, wodurch ermöglicht wird, dass der Antriebsmotor (z. B. 512) auf einem niedrigen Niveau betrieben wird. Wenn der Bedarf jedoch unter dem zweiten Schwellenwert liegt, kann die Steuerung die Wechselrichter betreiben, um Leistung von sowohl dem Antriebsmotor (z. B. 512) als auch dem Generator (z. B. 502) zu erzeugen, wodurch der Batterie (z. B. 504) eine maximale Ladung bereitgestellt wird, wie in 8 gezeigt.
Die Steuerlogik oder die von der Steuerung ausgeführten Funktionen können in einer oder mehreren Figuren durch Ablaufdiagramme oder ähnliche Diagramme dargestellt sein. Diese Figuren stellen repräsentative Steuerstrategien und/oder -logik bereit, die unter Verwendung von einer oder mehreren Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, umgesetzt werden können/kann. Demnach können verschiedene veranschaulichte Schritte oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel durchgeführt oder in manchen Fällen weggelassen werden. Wenngleich dies nicht immer ausdrücklich veranschaulicht ist, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass eine(r) oder mehrere der veranschaulichten Schritte oder Funktionen in Abhängigkeit von der konkreten verwendeten Verarbeitungsstrategie wiederholt ausgeführt werden können. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht notwendigerweise erforderlich, um die hierin beschriebenen Merkmale und Vorteile zu erreichen, sondern soll die Veranschaulichung und Beschreibung erleichtern. Die Steuerlogik kann hauptsächlich in Software umgesetzt sein, die durch eine mikroprozessorbasierte Fahrzeug-, Motor- und/oder Antriebsstrangsteuerung, wie etwa die Steuerung, ausgeführt wird.
Selbstverständlich kann die Steuerlogik in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung in Software, Hardware oder einer Kombination aus Software und Hardware in einer oder mehreren Steuerungen umgesetzt sein. Bei einer Umsetzung in Software kann die Steuerlogik in einer bzw. einem oder mehreren computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien bereitgestellt sein, auf denen Daten gespeichert sind, die Code oder Anweisungen darstellen, der bzw. die durch einen Computer zum Steuern des Fahrzeugs oder seiner Teilsysteme ausgeführt wird bzw. werden. Zu den computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien können eine oder mehrere einer Reihe von bekannten physischen Vorrichtungen gehören, die ausführbare Anweisungen und zugehörige Kalibrierungsinformationen, Betriebsvariablen und dergleichen elektronisch, magnetisch und/oder optisch speichern.
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 etwa anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits - ASICs), feldprogrammierbarer Gate-Anordnungen (Field-Programmable Gate Arrays - FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder sonstiger Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen, oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten ausgeführt sein.
Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Patentansprüche eingeschlossen sind. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie 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. Zu diesen Attributen können unter anderem Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, bequeme Montage usw. gehören. Demnach liegen Ausführungsformen, die hinsichtlich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen auf dem Stand der Technik beschrieben sind, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Antriebsstrang für ein Fahrzeug, umfassend: eine elektrische Maschine, die an einen ersten Wechselrichter gekoppelt ist; eine Traktionsbatterie, die zwischen einem neutralen Anschluss der elektrischen Maschine und einem negativen Anschluss des ersten Wechselrichters gekoppelt ist; und einen zweiten Wechselrichter, der in Bezug auf einen Gleichstrom(Direct Current - DC)-Bus parallel zu dem ersten Wechselrichter gekoppelt und konfiguriert ist, um eine zweite elektrische Maschine anzutreiben.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Bus-Kondensator, der zwischen dem negativen Anschluss und einem positiven Anschluss des ersten Wechselrichters gekoppelt ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die elektrische Maschine eine elektrische 3-Phasen-Maschine mit Sternschaltung ist, wobei der erste Wechselrichter konfiguriert ist, um einen DC-Batteriestrom gleichmäßig durch jede Phase der elektrischen Maschine fließen zu lassen.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die elektrische Maschine eine elektrische 9-Phasen-Maschine mit Sternschaltung ist und wobei der erste Wechselrichter konfiguriert ist, um einen DC-Batteriestrom gleichmäßig durch jede Phase der elektrischen Maschine fließen zu lassen.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die elektrische Maschine eine elektrische 9-Phasen-Maschine mit Sternschaltung ist und wobei der erste Wechselrichter konfiguriert ist, um einen DC-Batteriestrom durch 3 Phasen der elektrischen Maschine fließen zu lassen, wobei jede von den 3 Phasen von den anderen zwei Phasen um 120 Grad getrennt ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die elektrische Maschine eine elektrische Mehrphasen-Maschine mit Sternschaltung ist und der erste Wechselrichter konfiguriert ist, um einen DC-Batteriestrom gleichmäßig durch jede Phase der elektrischen Maschine fließen zu lassen.
Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs, umfassend: durch eine Steuerung, Modulieren von Schaltern eines ersten Wechselrichters, um Phasensignale für eine elektrische Maschine mit Sternschaltung zu erzeugen; und Verschieben der Phasensignale um eine Gleichstrom(Direct Current - DC)-Vorspannung, die auf zumindest eine Phase der elektrischen Maschine angewendet wird, sodass ein der DC-Vorspannung zugeordnetes Drehmoment der elektrischen Maschine null ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die DC-Vorspannung durch eine Traktionsbatterie angewendet wird, die zwischen einem neutralen Anschluss der elektrischen Maschine und einem negativen Anschluss des ersten Wechselrichters gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend Modulierend von Signalen eines zweiten Wechselrichters, der parallel zu dem ersten Wechselrichter gekoppelt ist, um eine zweite elektrische Maschine mit Leistung von der Traktionsbatterie anzutreiben.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die elektrische Maschine eine elektrische 3-Phasen-Maschine mit Sternschaltung ist und der erste Wechselrichter die Schalter moduliert, um einen DC-Batteriestrom gleichmäßig durch jede Phase der elektrischen Maschine fließen zu lassen.
Antriebsstrang für ein Fahrzeug, umfassend: eine elektrische Maschine mit Sternschaltung, die zwischen einem ersten Wechselrichter und einer Traktionsbatterie gekoppelt ist, wobei die Traktionsbatterie zwischen einem neutralen Anschluss der elektrischen Maschine und einem negativen Anschluss des ersten Wechselrichters gekoppelt ist; und eine zweite elektrische Maschine, die an einen zweiten Wechselrichter gekoppelt ist, der in Bezug auf einen Gleichstrom(Direct Current - DC)-Bus parallel zu dem ersten Wechselrichter gekoppelt ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 11, wobei die elektrische Maschine eine elektrische 3-Phasen-Maschine mit Sternschaltung ist, wobei der erste Wechselrichter konfiguriert ist, um einen DC-Batteriestrom gleichmäßig durch jede Phase der elektrischen Maschine fließen zu lassen.
Antriebsstrang nach Anspruch 11, wobei die elektrische Maschine eine elektrische 6-Phasen-Maschine mit Sternschaltung ist und wobei der erste Wechselrichter konfiguriert ist, um einen DC-Batteriestrom gleichmäßig durch jede Phase der elektrischen Maschine fließen zu lassen.
Antriebsstrang nach Anspruch 11, wobei die elektrische Maschine eine elektrische 6-Phasen-Maschine mit Sternschaltung ist und wobei der erste Wechselrichter konfiguriert ist, um einen DC-Batteriestrom durch 3 Phasen der elektrischen Maschine fließen zu lassen, wobei jede von den 3 Phasen von den anderen zwei Phasen um 120 Grad getrennt ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 11, ferner umfassend einen Bus-Kondensator, der zwischen dem negativen Anschluss und einem positiven Anschluss des ersten Wechselrichters gekoppelt ist.