DE102018114740A1 - Elektrisches Antriebssystem unter Verwendung eines DC-DC Wandlers - Google Patents

Elektrisches Antriebssystem unter Verwendung eines DC-DC Wandlers Download PDF

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Chandra S. Namuduri
Suresh Gopalakrishnan
Thomas W. Nehl
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Abstract

Ein elektrisches Antriebssystem beinhaltet Busschienen, die eine Spannung, ein Energiespeichersystem (ESS) und einen Wechselrichter aufweisen. Das System beinhaltet einen Spannungswandler, der mit den Busschienen verbunden ist und das Folgende aufweist: eine Drosselspule, Halbleiterschalter, einen Bypass-Schalter, der mit einer positiven Schiene verbunden ist und einen Kondensator. Eine mehrphasige elektrische Maschine ist mit dem Wechselrichter elektrisch verbunden. Eine Steuerung führt ein Verfahren aus, in dem das Betreiben des Wandlers basierend auf Leistungs-, Drehmoment- und Drehzahlwerten der elektrischen Maschine geregelt ist. Der Wandler wird durch Schließen des Bypass-Schalters unter im Voraus bestimmten leistungs-/drehmomentstarken Bedingungen selektiv umgangen, wobei die Busspannung eingestellt wird, bis sie der Batterieausgabespannung gleicht. Die Bypass-Schaltung wird geöffnet und die Busspannung wird danach auf eine im Voraus bestimmte Spannung geregelt.

Description

  • EINLEITUNG
  • Eine elektrische Maschine ist in der Lage, Motordrehmoment bei Niveaus zu erzeugen, die zum Durchführen von Arbeit, zum Beispiel in einem elektrischen Antriebssystem, nützlich sind. Wenn das elektrische Antriebssystem Teil eines Antriebsstrangs eines Hybrid- oder Batterie-Elektrofahrzeugs ist, kann das erzeugte Motordrehmoment verwendet werden, um das Fahrzeug anzutreiben. Alternativ kann das von der elektrischen Maschine bereitgestellte Drehmoment verwendet werden, um Elektrizität zu erzeugen. Elektrizität, die zusätzlich zu den erforderlichen Mengen erzeugt wird, kann in einem Batterie-Pack zur späteren Verwendung gespeichert werden.
  • Die elektrische Maschine wird oft als eine mehrphasige/Wechselstromvorrichtung verkörpert, weswegen elektrische Antriebssysteme einen Wechselrichter beinhalten können. Eine Spannungsausgabe des Wechselrichters wird über das Übertragen elektronischer Gatesignale auf Sätze von Halbleiterschaltern des Wechselrichters, z. B. Pulsbreitenmodulation, gesteuert. Während stromerzeugenden Modi wandelt die Umschaltsteuerung des Wechselrichters die mehrphasige Spannung von der elektrischen Maschine in eine Gleichspannung, die sich zum Speichern im Batterie-Pack eignet. Auf ähnliche Weise ist die Umschaltsteuerung des Wechselrichters in der Lage, eine Gleichspannung in eine mehrphasige Spannung umzuwandeln, um die elektrische Maschine während Motormodi anzutreiben. Ein Aufwärtswandler kann ebenfalls verwendet werden, um eine Ausgabespannung des Batterie-Packs selektiv zu erhöhen, um somit die Spitzenleistungsanforderungen der elektrischen Maschine und der angeschlossenen elektrischen Komponenten zu erfüllen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ein elektrisches Antriebssystem und ein Umschaltsteuerungsverfahren werden hierin offenbart, wobei das Verfahren das Verbessern des Gesamtbetriebswirkungsgrads des elektrischen Antriebssystems unter Verwendung eines verkleinerten Gleichstrom/Gleichstrom-(DC-DC)-Wandlers beabsichtigt. Um eine Reaktionshandlung bei Spitzenleistung sicherzustellen, verwenden elektrische Antriebssysteme in der Regel einen DC-DC Wandler, der bemessen und eingestuft ist, um Spitzenleistungsanforderungen zu erfüllen, zum Beispiel eine 90 kW Leistung in einer exemplarischen Batterie einer Elektrofahrzeug-Anwendung. Es wird hier in jedoch anerkannt, dass das Bemessen des Wandlers einer Spitzenleistung zu unerwünschten elektrischen Verlusten innerhalb des Wandlers und sonstigen Komponenten des elektrischen Antriebssystems führen kann.
  • Zum Beispiel beinhalten DC-DC-Wandler eine relativ große und schwere Drosselspule, weswegen sie dazu neigen, größenproportionale elektrische Verluste innerhalb der Drosselspule aufzuweisen. In einem geringeren Umfang finden derartige Verluste auch in der Struktur und dem Betrieb der einzelnen Halbleiterschalter des Wandlers statt. Die vorliegende Offenbarung fährt mit der weiteren Erkenntnis fort, dass ein gegebenes elektrisches Antriebssystem über einen wesentlichen Abschnitt eines Antriebszyklus in einigen Anwendungen bei einem relativ geringen Drehmoment/Leistungsniveau betrieben werden wird. Der offenbarte Ansatz verwendet daher einen verkleinerten Wandler, z. B. einen Aufwärts-Abwärts-Wandler, oder einen reinen Aufwärts-Wandler in zwei möglichen Ausführungsformen, um auf eine annehmbare Drehmomentreaktionsmenge zugunsten der Verbesserung der gesamten Energieeffizienz zu verzichten.
  • Eine exemplarische Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems beinhaltet positive und negative Busschienen, die eine Busspannung, ein Energiespeichersystem oder ESS aufweisen, welches mit den Busschienen verbunden ist und einen Kondensator aufweisen, der parallel zu Batteriezellen angeordnet ist, um eine Batterieausgangsspannung einen Wechselrichter, einen DC-DC-Wandler, eine elektrische Maschine und eine Steuerung bereitzustellen. Der Wechselrichter weist eine erste Vielzahl von Halbleiterschaltern auf, die betreibbar sind, um die Busspannung von DC- in eine AC-Busspannung. zu invertieren. Der Wandler, der mit den Busschienen zwischen dem Kondensator und dem Wechselrichter verbunden ist, weist eine Drosselspule, eine zweite Vielzahl von Halbleiterschaltern, einen Bypass-Schalter, der mit der positiven Busschiene verbunden ist, und einen zusätzlichen Kondensator auf, der quer über den Busschienen angeordnet ist. Die elektrische Maschine weist Phasenwicklungen auf, die mit dem Wechselrichter elektrisch verbunden sind.
  • In dieser exemplarischen Ausführungsform reguliert die Steuerung den Betrieb des DC-DC-Wandlers basierend auf dem Drehmoment/der Leistung und den Drehzahlwerten der elektrischen Maschine. Die Steuerung ist auch konfiguriert, um die Busspannung einzustellen, bis die Busspannung der Batterieausgangsspannung gleicht und um danach den Wandler unter im Voraus bestimmten Hochleistungs-/drehmomentstarken Betriebsbedingungen der elektrischen Maschine selektiv zu umgehen. Dies wird über ein befohlenes Schließen des Bypass-Schalters erreicht. Die Steuerung ist auch konfiguriert, um die Busspannung anzupassen, bis die Busspannung der Batterieausgabespannung gleicht, und um danach den Bypass-Schalter selektiv zu öffnen und die Busspannung auf einen im Voraus bestimmten Wert zu regulieren.
  • Die Steuerung kann ferner konfiguriert sein, um den Betrieb des DC-DC-Wandlers unter Verwendung einer kalibrierten Leistungskarte, z. B. einer Nachschlagetabelle oder einem Diagramm, zu regulieren, die durch die vorstehend erwähnten Drehmoment-/Strom- und Geschwindigkeitswerte indexiert oder referenziert sind.
  • Der DC-DC-Wandler kann als der Aufwärts-Wandler verkörpert werden und der Bypass-Schalter kann gegebenenfalls ein Paar bidirektionaler oder rückwärts blockierender IGBTs beinhalten. Der Wandler kann alternativ als ein Abwärts/Aufwärts-Wandler verkörpert sein.
  • Der DC-DC-Wandler kann in einigen Ausführungsformen auf weniger als 50 Prozent der Spitzenleistungsanforderungen der elektrischen Maschine, z. B. 30 - 45 kW in einer exemplarischen 90 kW Leistungsanwendung, eingestuft werden.
  • Die Steuerung kann einen Ein-/Aus-Zustand der designierten niederseitigen (negative Schienen verbundene) Schalter der ersten Vielzahl von Halbleiterschaltern nach dem Schließen des Bypass-Schalters steuern, sodass die in der Drosselspule des Wandlers gespeicherte Energie abgeleitet wird und um den Wandler danach vorübergehend zu deaktivieren, sobald die Energie abgeleitet worden ist.
  • Die Steuerung kann auch eine Verstärkung der Steuerung einstellen und d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle an die elektrische Maschine, nach einer Modusänderung des DC-DC Wandlers, und einer Ausgabe der eingestellten d-Achsen- und q-Achsen- Strombefehle an die elektrische Maschine trennen.
  • In einer anderen Ausführungsform kann das elektrische Antriebssystem den Spannungsbus, das ESS und einen Wechselrichter, die vorstehend erwähnt werden, zusammen mit einem Abwärts-Aufwärts-Wandler, der mit dem Spannungsbus zwischen dem Kondensator des ESS und dem Wechselrichter verbunden ist, beinhalten. Eine mehrphasige elektrische Maschine, die als Teil des elektrischen Antriebssystems verwendet wird, weist Phasenentwicklungen auf, die mit dem Wechselrichter verbunden sind, wobei der Abwärts-Aufwärts-Wandler in dieser Ausführungsform über weniger als 50 Prozent der Leistungsanforderung an die elektrische Maschine eingestuft wird.
  • Die Steuerung kann programmiert sein, um den Betrieb des DC-DC-Wandlers unter Verwendung einer im Voraus definierten Leistungskarte zu regulieren. Eine derartige Karte ist durch einen Drehzahlwert und Drehmoment- bzw. Stromwerte indiziert bzw. referenziert. Die Steuerung stellt die Busspannung ein, bis Spannung der Batterieausgangsspannung gleicht, wobei sie den Wandler selektiv durch Schließen des Bypass-Schalters unter im Voraus bestimmten leistungsstarken/drehmomentstarken Bedingungen der elektrischen Maschine umgeht und Energie durch die Steuerung der ersten Vielzahl der Halbleiterschalter ableitet.
  • Ein Umschaltsteuerverfahren wird auch für ein elektrisches Antriebssystem offenbart. Das Verfahren kann das Erhalten den eines Drehzahlwerts und eines abgeschätzten Drehmoments einer mehrphasigen elektrischen Maschine des elektrischen Antriebs über eine Steuerung beinhalten. Das Verfahren beinhaltet das Verwenden der empfangenen Drehzahl- und Drehmomentwerte, um unter Verwendung einer im Voraus definierten Leistungskarte zu ermitteln, ob eine Änderung des Betriebsmodus des Wandlers erforderlich ist. Zusätzlich beinhaltet das Verfahren das Regulieren des Betriebs des Wandlers als Reaktion auf das Ermitteln, dass die Änderung des Betriebsmodus erforderlich ist, einschließlich des Einstellens einer DC-Busspannung zwischen positiven und negativen Spannungsbusschienen des elektrischen Antriebssystems bis die Busspannung einer Batterieausgangsspannung eines ESS gleicht. Danach beinhaltet das Verfahren das Schließen eines Bypass-Schalters des Wandlers zwischen dem ESS und einem Wechselrichter über die Steuerung, wenn die Busspannung der Batterieausgangspannung gleicht, um einen Abwärts-Modus oder einen Aufwärts-Modus des Wandlers zu verlassen.
  • Die vorstehend genannten sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen Weisen zur Umsetzung der Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen leicht erkennbar.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Veranschaulichung eines exemplarischen Fahrzeugs, das ein elektrisches Antriebssystem mit einem Abwärts-Aufwärts-Wandler aufweist, der wie hierin dargelegt konfiguriert und gesteuert wird.
    • 2 ist eine schematische Veranschaulichung eines alternativen elektrischen Antriebssystems unter Verwendung eines reinen Aufwärts-Wandlers anstelle des Abwärts-Aufwärts-Wandlers aus 1.
    • 3 ist ein Leistungsdiagramm, welches drei Zonen des Betriebs zum Steuern des exemplarischen Abwärts-Aufwärts-Wandlers aus 1 abbildet.
    • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren zum Steuern des Abwärts-Aufwärts-Wandlers aus 1 oder den reinen Aufwärts-Wandler aus 2 beschreibt.
  • Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt sind. Vielmehr umfasst die Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Permutationen, Kombinationen, Teilkombinationen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin gleiche Referenznummern in mehreren Ansichten auf gleiche Komponenten verweisen, bildet 1 ein schematisches exemplarisches Fahrzeug 10, mit einer Karosserie 11 und einem elektrischen Antriebssystem 15. Das Fahrzeug 10 kann, wie dargestellt, als ein Kraftfahrzeug konfiguriert sein, und kann demnach mit Rädern 12 ausgestattet sein, die sich mit einer Straßenoberfläche 14 in Rollkontakt befinden. Während das Fahrzeug 10 aus 1 ein Beispiel für eine Art von System ist, welches von der Nutzung des vorliegenden Antriebssystems 15 profitiert, können andere Anwendungen für das Antriebssystem 15 leicht vorstellbar sein, einschließlich aber nicht beschränkt auf stationäre Kraftwerke, mobile Plattformen und sonstige Arten von Land-, Luft-, oder Marinefahrzeugen.
  • Das elektrische Antriebssystem 15 kann eine mehrphasige elektrische Maschine 16 beinhalten, die eine drehbare Abtriebswelle 18 aufweist. Wenn eine elektrische Maschine 16 über eine Anwendung von Wechselstrom (AC)-Mehrphasenspannung (VAC) auf einzelne Phasenentwicklungen 48 der elektrischen Maschine 16 mit Strom versorgt wird, wird Motordrehmoment (Pfeil TO) erzeugt und an eine gekoppelte Last, wie die Straßenräder 12 in der veranschaulichten Fahrzeuganwendung, geliefert. Die elektrische Maschine 16 kann als ein dreiphasiger/mehrphasiger Motor oder eine Motor-/Generatoreinheit verkörpert werden, wobei jede der Phasenentwicklungen 48 einen entsprechenden Phasenstrom aufweist. In verschiedenen exemplarischen Ausführungsformen kann die elektrische Maschine 16 als eine Induktionsmaschine oder eine Synchronmaschine mit oder ohne Dauermagnete innerhalb deren Rotors konstruiert sein.
  • Das elektrische Antriebssystem 15 aus 1 kann auch ein Energiespeichersystem (ESS) 20, einen Gleichstrom/Gleichstrom (DC-DC) Wandler 30 und einen Wechselrichter 40 beinhalten. Das ESS 20 kann eine Vielzahl von Batteriezellen 22, z. B. wiederaufladbare Lithiumionenbatteriezellen, die in einem Stapel angeordnet sind, und einen Kondensator 24, der parallel zu den Batteriezellen 22 angeordnet ist, beinhalten. Die Anzahl und Anordnung der Batteriezellen 22 kann je nach Verwendungszweck, zum Beispiel mit 96 oder mehr derartiger Batteriezellen 22, die in bestimmten Hochspannungsanwendungen angewendet werden, variieren. Eine Batterieausgangsspannung (Vbat+, Vbat -) wird an die entsprechende positive und negative Spannungsschiene 19+, 19-, mit einer DC-Busspannung (Vdc+ und Vdc-), die an den Spannungsbusschienen 19+, 19-, stromabwärts von der Ausgabeseite des DC-DC Wandlers 30, wie dargestellt, vorliegt, geliefert.
  • Innerhalb des elektrischen Antriebssystems 15 wird der Wechselrichter 40 mit den Phasenentwicklungen 48 der elektrischen Maschine 16 elektrisch verbunden und beinhaltet eine erste Vielzahl von Halbleiterschaltern 44 und einen weiteren Kondensator 41. Die Halbleiterschalter 44 werden wie dargestellt, in oberen und unteren Sätzen angeordnet, wobei die Begriffe „obere“ und „untere“ sich auf die Halbleiterschalter 44 beziehen, die jeweils an die positiven und negativen Busschienen 19+ und 19-, angeschlossen sind. Die Halbleiterschalter 44 können als spannungsgesteuerte bipolare Schaltvorrichtungen in der Form von isolierten Gate-Bipolartransistoren (IGBTs), Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) Breitband-GaN-Vorrichtungen (WBG) oder sonstigen geeigneten Schaltern verkörpert werden, die ein entsprechendes Gate (G) aufweisen, auf das ein Gatesignal (Pfeil GC) angewendet wird, um den Ein-/Aus-Zustand eines gegebenen Halbleiter-Schalters 44 zu ändern.
  • Unter weiterer Bezugnahme auf 1 kann der DC-DC Wandler 30 in der veranschaulichten Ausführungsform gegebenenfalls als ein Abwärts-Aufwärts-Wandler konfiguriert werden, der einen anderen Satz von Halbleiter-Schaltern 34 aufweist, wobei der Begriff „Abwärts“ sich auf einen Spannung reduzierenden Betriebsmodus bezieht und „Aufwärts“ sich auf einen Spannung erhöhenden Betriebsmodus bezieht. Wie bei den Halbleiterschaltern 44 innerhalb des Wechselrichters 40, können die Halbleiterschalter 34 des Wandlers 30 aus hocheffizienten Schaltern, wie Galliumnitrid mit weitem Abstand (GaN), oder Siliziumkarbid (SiC) MOSFETs, IGBTs, oder sonstigen geeigneten Schaltvorrichtungen, die in oberen und unteren Schaltsätzen angeordnet sind, konstruiert sein, wobei jeder der oberen Halbleiterschalter 34 an einen entsprechenden der unteren Halbleiterschalter 34 über einen entsprechenden Spannungsschenkel 37A oder 37B angeschlossen ist. Ferner erstreckt sich eine Drosselspule 36 innerhalb des Wandlers 30 zwischen den Spannungsschenkeln 37A und 37B.
  • Der DC-DC-Wandler 30 aus 1 beinhaltet darüber hinaus einen Bypass-Schalter 32, der auch S0 gekennzeichnet ist. Der Bypass-Schalter 32 wird als Reaktion auf die Schaltsteuersignale (Pfeil CC), die durch eine Steuerung (C) 50 übermittelt werden, selektiv geöffnet oder geschlossen. Der Bypass-Schalter 32 kann aus einem elektromechanischen Relais konstruiert sein, wenn die Reaktionszeit nicht entscheidend ist, oder der Bypass-Schalter 32 kann, wie in 2 dargestellt, aus schnell-agierenden Halbleitervorrichtungen, wie wirksame bidirektionale Festkörper-IGBT-Schalter oder rückwärts blockierende IGBTs, konstruiert sein. Wie im Falle der Drosselspule 36, ist der Bypass-Schalter 32 zwischen den Spannungsschenkeln 37A und 37B angeordnet und ist auf der positiven Spannungsbusschiene 19+ angeordnet. Demnach veranlasst das Schließen des Bypass-Schalters 32 als Reaktion auf die Schaltsteuersignale (Pfeil CC) den DC-DC-Wandler 30 dazu, umgangen zu werden, wobei die besonderen Bedingungen dazu führen können, dass der Bypass-Schalter 32, wie nachstehend mit Bezug auf 4 aufgeführt wird, geschlossen wird und die resultierende Umgehung des Wandlers 30 durch die Steuerung 50 in Echtzeit ermittelt wird.
  • Die Steuerung 50, die mit der elektrischen Maschine 16 über ein Controller Area Network oder einen anderen Kommunikationsbus verbunden ist, kann als eine einzelne Vorrichtung oder als eine verteilte Steuerungsvorrichtung konfiguriert werden. Obwohl die Verbindung der Steuerung 50 zum elektrischen Antriebssystem 15 aus 1 weggelassen wurde, kann sie Übertragungsleiter und/oder drahtlose Steuerungsverbindungen oder Pfade beinhalten, die sich zum Übermitteln und Empfangen der Schalsteuersignale (Pfeil CC) eignen. Die Steuerung 50 kann einen Prozessor (P) und eine greifbaren nicht-flüchtigen Speicher (M), einschließlich eines Nur-Lesespeichers in der Form eines optischen, magnetischen oder Flashspeichers beinhalten. Die Steuereinheit 50 kann zudem einen ausreichenden Direktzugriffsspeicher und elektrisch löschbaren, programmierbaren Lesespeicher, sowie eine Hochgeschwindigkeitsuhr, Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltungen und Eingabe-/Ausgabeschaltungen und -geräte, sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen umfassen. Computerlesbare Anweisungen werden im Speicher (M) aufgezeichnet, der ein Verfahren 100 verkörpert, wobei das Ausführen einer derartigen Logik durch den Prozessor (P) die Steuerung 50 veranlasst, den Fluss des elektrischen Stroms innerhalb des elektrischen Antriebsystems 15 zu verwalten.
  • Im vorliegenden Verfahren 100 ist die Steuerung 50 programmiert, um ein berichtetes Motordrehmoment (Pfeil T16) z. B. ein abgeschätzter oder berechneter Wert, der sich dem Motorausgangsdrehmoment (Pfeil TO) annähert, zu empfangen. Ein derartiger Wert kann von einem Motorsteuerungsprozessor (nicht dargestellt) der elektrischen Maschine 16 bezogen werden, zum Beispiel unter Verwendung einer Nachschlagetabelle, die durch die berechnete Leistung und den gemessenen oder berichteten Drehzahlwert (Pfeil N16) der elektrischen Maschine 16 indiziert oder referenziert sein kann. Die Steuerung 50 verwendet den berichteten Motordrehmomentwert (Pfeil T16) und den Geschwindigkeitswert (Pfeil N16), um genau zu ermitteln, wann die Bypass-Schaltung 32, oder eine Bypass-Schaltung 32A eines alternativen DC-DC-Wandlers 30A im alternativen elektrischen Antriebssystem 15A, der in 2 dargestellt wird, zu öffnen oder zu schließen ist.
  • Unter kurzer Bezugnahme auf 2 kann der in 1 dargestellte Abwärts-Aufwärts-DC-DC Wandler 30, alternativ als ein DC-DC-Wandler 30A in der Form eines reinen Aufwärts-Wandlers verkörpert sein und somit keinen Aufwärts-/spannungsreduzierten Modus aufweisen. In dieser Ausführungsform kann ein alternativer Bypass-Schalter 32A anstelle des in 1 dargestellten Bypass-Schalters 32 verwendet werden, zum Beispiel als ein Paar von IGBTs konfiguriert, die, wie gezeigt, Rücken an Rücken angeordnet sind, um eine rückwärts blockierende IGBT-Konfiguration auszubilden. Die Halbleiter-Schalter 34 aus 1 können hingegen mit einer geringeren Anzahl an Halbleiterschaltern 35 ersetzt werden, die hier als repräsentative erste (obere) und zweite (untere) Schalter S1 und S2 gezeigt werden, wobei jeder davon ein entsprechendes Gate (G) aufweist. Während die Konfiguration aus 2 den Betrieb im Abwärts-Modus nicht erlaubt, kann das Verfahren 100 leicht angepasst werden, um das elektrische Antriebssystem 15A zu verwenden, wenn ein reiner Aufwärts-DC-DC-Wandler 30A verwendet wird.
  • 3 ist ein Beispiel einer kalibrierten oder im Voraus definierten Leistungskarte 70, die das Verwenden einer exemplarischen elektrischen Maschine 16 und des Abwärts-Aufwärts-Wandlers 30 aus 1 abbildet, wobei die Leistungskarte 70 basierend auf Strom und Geschwindigkeit bei unterschiedlichen Betriebspunkten ermittelt wird. Eine ähnliche Karte kann mit dem Aufwärts-Wandler 30A aus 2 verwendet werden, wenn dieser angepasst wird, um keine entsprechende Abwärtsmoduszone zu beinhalten. Zum Beispiel kann die Leistungskarte 70 durch den Motorausgangsdrehmoment (TO) in Newtonmeter (Nm) auf der vertikalen Achse und Motordrehzahl (N16) auf der horizontalen Achse indiziert oder referenziert werden. Die Leistungskarte 70 kann ferner auch durch Drehmoment- oder Leistungsanforderungen, z. B. auf einer anderen vertikalen Achse (nicht dargestellt) indiziert werden. Die Steuerung 50 kann mit Daten programmiert werden, die die Leistungskarte 70 verkörpern, wobei die Steuerung 50 derartige Daten aus der Leistungskarte 70 aus dem Speicher (M) während des laufenden Betriebs des Fahrzeugs 10 extrahiert.
  • Die Leistungskarte 70 aus 3 kann jeweils eine erste, zweite, und dritte Betriebszone Z1, Z2, und Z3 beinhalten. Die erste Betriebszone Z1 entspricht dem Betrieb der elektrischen Maschine 16, mit einer relativ geringen Geschwindigkeit und einem kleinen Drehmoment. Zum Beispiel kann der Drehzahlbereich, der die erste Betriebszone Z1 definiert, bei einer maximalen Drehzahl (NMAX) von etwa 12.000 Umdrehungen pro Minute (U/Min) von 0 U/Min bis zu eine unteren Drehzahlpunkt N1 von etwa 2000 U/Min, oder in der Alternative von 0 U/Min bis etwa 15-20 Prozent der maximalen Drehzahl (NMAX) betragen. Das entsprechende Motorausgangsdrehmoment (TO) in Newtonmeter (Nm) reicht von 0 Nm zu einem ersten maximalen Drehmoment T1 z. B. etwa 175 Nm in einer exemplarischen Ausführungsform, in der die Spitzendrehmomentanforderung (TMAX bei einem Drehmomentpunkt 72 von etwa 350 Nm liegt oder etwa 200 Prozent der Spitzendrehmomentanforderung (TMAX) beträgt.
  • Die zweite Betriebszone Z2 entspricht einem Betrieb der elektrischen Maschine 16 mit einer relativ hohen Geschwindigkeit und geringen Leistung. Das bedeutet, dass die Drehzahl N16 der elektrischen Maschine 16 in der zweiten Betriebszone Z2 die Drehzahl der elektrischen Maschine 16 überschreitet, während sie in der ersten Betriebszone Z1 betrieben wird und so hoch wie die maximale Drehzahl ((NMAX) sein kann. Die zweite Betriebszone Z2 weist ein zweites maximales Drehmoment (T2) auf, das geringer als das erste maximale Drehmoment (T1) der ersten Leistungszone Z1 ist, wobei das zweite maximale Drehmoment (T2) in der exemplarischen Ausführungsform etwa 125 Nm beträgt, in der die Spitendrehmomentanforderung (TMAX) etwa 350 Nn beträgt. In dieser oder anderen Ausführungsformen kann das zweite maximale Drehmoment (T2) etwa 30-40 Prozent der Spitzendrehmomentanforderung (TMAX) betragen.
  • Die dritte Betriebszone Z3 aus 3 entspricht dem Rest des Diagramms 70, d. h. Betrieb mit geringer Drehzahl/hohem Drehmoment oder hoher Drehzahl/hoher Leistung. Das bedeutet, dass wenn die elektrische Maschine 16 aus 1 in der ersten oder zweiten Betriebszone Z1 oder Z2 nicht betrieben wird, der Standardmodus den Betrieb in der dritten Leistungszone Z3 beinhalten kann. Demnach definiert Spur 74 das entsprechende maximal zulässige Ausgangsdrehmoment der elektrischen Maschine 16 für eine gegebene Drehzahl (N16). Die tatsächlichen Drehmoment-, Drehzahl-, und Leistungswerte, die Spur 74 zugeordnet werden, und jeder der Betriebszonen Z1, Z2, und Z3, kann je nach beabsichtigtem Verwendungszweck variieren.
  • Wie nachfolgend mit Bezug auf 4 erläutert werden wird, ist die Steuerung 50 aus 1 über die Programmier- und Hardwareausrüstung konfiguriert, um Leistungsparameter der elektrischen Maschine 16 zu überwachen und als Reaktion auf derartige überwachte Leistungsparameter, den DC-DC-Wandler 30 in einer der drei beschriebenen Betriebszonen Z1, Z2, oder Z3 oder den DC-DC-Wandler 30A in der Betriebszone Z2 oder einer Kombination von Z1 und Z3 selektiv zu betreiben. Das bedeutet, dass Konfigurationszonen Z1 und Z3 in einem reinen Aufwärtswandler kombiniert werden, während der Aufwärtswandler 30A umgangen wird. Bei der Durchführung des Verfahrens 100 ist die erste Betriebszone Z1 als eine „Abwärtszone“ bezeichnet, in der der Bypass-Schalter S0 auf Befehl, gefolgt von der Schaltsteuerung des DC-DC-Wandlers 30 im (Spannung reduzierenden) Abwärtsmodus geöffnet wird, um das Spannungsniveau in den Wechselrichter 40 zu verringern.
  • Die zweite Betriebszone Z2 ist hierin als eine „Aufwärtszone“ bezeichnet, in der die Bypass-Schaltung S0 durch einen Befehl geöffnet wird, gefolgt von der Schaltsteuerung des DC-DC Wandlers 30 oder 30A im (Spannung erhöhenden) Aufwärtsmodus, um das Spannungsniveau des Wechselrichters 40 anzuheben. In der dritten Betriebszone Z3 wird die Bypass-Schaltung S0 durch einen Befehl geschlossen, um den DC-DC Wandler 30 oder 30A vollständig zu umgehen. Wie vorstehend erwähnt, kann das Verfahren 100 für Ausführungsformen, die den DC-DC-Wandler 30A verwenden, welcher nicht in der Lage ist, im Aufwärtsmodus betrieben zu werden, immer noch für die Betriebszonen Z2 und (Z1+Z3) befolgt werden.
  • Das Verfahren 100 wird gemäß einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt, um sicherzustellen, dass die Energie, die in der Drosselspule 36 der 1 und 2 gespeichert wird, vor dem Aktivieren des Bypass-Schalters 32 oder 32A effektiv abgeleitet wird, um somit einen wirksamen Betrieb des DC-DC-Wandlers 30 oder 30A sicherzustellen. Während des Abwärtsmodus oder des Aufwärtsmodus kann die DC-Spannung am Eingang des Wechselrichters 40 auf einen feststehenden im Voraus definierten Wert eingestellt werden, um die Kosten zu reduzieren und die Steuerung zu vereinfachen, sowie um den größten Teil des zur Verfügung stehenden Kraftstoffeinsparung in Anspruch zu nehmen oder der DC-DC-Wandler 30 oder 30A kann auf eine auf ein optimales Niveau gesteuert werden, um Systemverluste zu verringern, wobei die Spannung als eine Funktion der Geschwindigkeit, des Arbeitszyklus, und/oder des Stromverbrauchs der elektrischen Maschine 16 gesteuert wird. Hysterese wird hinzugefügt, wenn von einem Modus des DC-DC-Wandlers 30 oder 30A in einen anderen umgeschaltet wird, z. B. aus dem Abwärtsmodus in den Aufwärtsmodus, oder umgekehrt. Beim Schließen des Bypass-Schalters 32 oder 32A der entsprechenden 1 und 2 wird das Verfahren 100 ausgeführt, sodass die Spannung entlang des Bypass-Schalters 32 oder 32A bei oder in der Nähe von null gehalten wird. Dies vermeidet wiederum unerwünschte Spannungstransienten. Die Bypass-Schaltung 32 oder 32A wird dann durch Betrieb der Steuerung 50 geschlossen, wenn die Busspannung (Vdc+, Vdc-) fast gleich mit der Batterie-Ausgangsspannung (Vbat+, Vbat-). ist.
  • Nachdem der DC-DC-Wandler 30 oder 30A durch Betrieb des Bypass-Schalters 32 oder 32A auf effektive Art und Weise umgangen wird, wird die in der Drosselspule 36 gespeicherte Energie abgeleitet. Das Ableiten der Energie kann durch Steuern des offenen/geschlossenen Zustands der Halbleiterschaltungen 34 aus 1 oder des oberen Halbleiterschalters 35 aus 2 auf eine Weise erzielt werden, in der die Drosselspule 36 kurzgeschlossen wird, während der elektrische Strom, der durch den Bypass-Schalter 32 oder 32A fließt, auf ein Niveau gesteuert wird, das kleiner als ein eingestufter Strom für die Schalter 34 oder 35 ist.
  • Unter Bezugnahme auf 4 beginnt eine exemplarische Ausführungsform des Verfahrens 100 mit Schritt S102, wobei die Steuerung 50 aus 1 und 2 eine gegenwärtige Geschwindigkeit, ein befohlenes Drehmoment und ein abgeschätztes Drehmoment der elektrischen Maschine 16, sowie Fehlercodes, die dem Betrieb des Wandlers 30 oder 30A und des Wechselrichters 40 angehören, liest oder empfängt. Die vorliegende Drehzahl kann berichtet oder gemessen werden, zum Beispiel über einen Drehzahlsensor, der mit der Abtriebswelle 18 verbunden ist. Das befohlene Drehmoment ist ein Wert von der Logik der Steuerung 50, der zum Beispiel als Reaktion auf die dynamischen Eingaben, wie Brems- und Gaspedalstellung und Getriebezustand oder Antriebsstrang-Betriebsmodus, ermittelt wird. Das abgeschätzte Drehmoment betrifft eine berechnete oder modellierte Schätzung des Ist-Drehmoments, das durch die elektrische Maschine 16 bereitgestellt wird. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S104 über, sobald die vorstehend beschriebene Drehzahl, Drehmomente und Fehlercodes ermittelt worden sind.
  • Schritt S104 beinhaltet das Ermitteln, wenn die die bei Schritt S102 gelesenen Fehlercodes zurückgesetzt worden sind, d. h. wenn derartige Fehlercodes aktuell nicht aktiv sind, wodurch angezeigt wird, dass der Wechselrichter 40 und der DC-DC Wandler 30 oder 30A sachgemäß betrieben werden. Das Verfahren 100 geht zu Schritt S105 über, wenn die Fehlercodes aktiv sind und zu Schritt S106 über, wenn die Fehlercodes zurückgesetzt worden sind.
  • Schritt S105 beinhaltet das Deaktivieren eines Inverter-Gate-Signals an den Wechselrichter 40, und dann Umgehen des Wandlers 30 oder 30A, z. B. über den Betrieb der Bypass-Schaltung 32 oder 32A. Wie vorstehend erwähnt, wird der Wechselrichter 40 über Pulsweitenmodulations-(PWM)-Signale oder sonstige Schaltsignale gesteuert, um eine Gleichspannung in eine Wechselspannung oder umgekehrt zu invertieren, wobei der Ein-/Aus-Zustand der einzelnen Halbleiterschalter 44 innerhalb des Wechselrichters 40 auf Inverter-Gate-Signale reagieren. Auf ähnliche Weise ist die Steuerung 50 konfiguriert, um den Bypass-Schalter 32 oder 32A selektiv zu schließen, um den Wandler 30 oder 30A zu umgehen. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S107 über.
  • Der Schritt S106 beinhaltet das Berechnen der Leistungsanforderungen an die elektrische Maschine 16 und das Ermitteln des entsprechenden Betriebsmodus des elektrischen Antriebssystems 15 oder 15A, basierend auf den erforderlichen Drehmomentleistungen und der Drehzahl der elektrischen Maschine 16. In der Logik der Steuerung 50 kann zum Beispiel jedem Betriebsmodus ein entsprechender ganzzahliger Wert zugeordnet werden, z. B. wobei der normale/umgangene Modus (die dritte Betriebszone Z3) „3“ entspricht, der Abwärtsmodus (erste Betriebszone Z1) „1“ entspricht, wenn der Abwärts-Aufwärts-Wandler 30 verwendet wird, und der Aufwärtsmodus (zweite Betriebszone Z2) „2“ entspricht. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S108 über.
  • In Schritt S107 wartet die Steuerung 50 auf ein Zurücksetzen der Fehler der Fehlercodes und wiederholt Schritt S102.
  • In Schritt S108 ermittelt die Steuerung 50, basierend auf den Ergebnissen von Schritt S106 als Nächstes, ob eine Modusänderung des DC-DC Wandlers 30 oder 30A aktiv ist oder bevorsteht. Der Begriff „Modusänderung“ ist relativ zu einem Betriebsmodus des DC-DC-Wandlers 30 oder 30A mit einer vorherigen Iteration des Verfahrens 100 aufzufassen. Wenn eine derartige Änderung aktiv ist oder bevorsteht, geht das Verfahren 100 zu Schritt S110 über. Das Verfahren 100 geht stattdessen zu Schritt S163 über, wenn eine Modusänderung nicht aktiv ist oder bevorsteht.
  • Schritt S110 beinhaltet das Ermitteln, ob eine Betriebsmodusänderung von Modus 3 zu Modus 1 bevorsteht d.h. von dem normalen/umgangenen Modus (dritte Betriebszone Z3) zur ersten Betriebszone Z1 (Abwärtsmodus). Da Schritt S110-S114 eine Abwärtsmodussteuerung betrifft, ist das System 15A aus 2 mit den Schritten S110-114 nicht verwendbar und kann außer Acht gelassen werden, wenn der Wandler 30A aus 2 verwendet wird. Das Verfahren 100 geht zu Schritt S111 über, wenn eine derartige Änderung bevorsteht, und in der Alternative zu Schritt S120, wenn die Änderung von Modus 3 zu Modus 1 nicht bevorsteht.
  • Schritt S111 beinhaltet das Aktivieren des DC-DC-Wandlers 30 aus 1 im Abwärtsmodus und das Übergehen zu Schritt S113. Da Schritt S111 die Abwärtsmodussteuerung betrifft, ist das elektrische Antriebssystem 15A aus 2 mit den Schritten S111-114 nicht verwendbar und daher können diese Schritte außer Acht gelassen werden, wenn der DC-DC-Wandler 30A aus 2 verwendet wird.
  • In Schritt S113 öffnet die Steuerung 50 die Bypass-Schaltung 32 aus 1 während der Vorbereitung auf den aktivierten Abwärtsmodus. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S114 über.
  • In Schritt S114 fährt die Steuerung 50 die DC-Busspannung herunter, d. h. (Vdc+, Vdc-) im Abwärtsmodus bis die DC-Busspannung einen im Voraus bestimmten optimalen Wert erreicht, während sie auch das Drehmoment auf der erforderlichen Höhe aufrechterhält. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S162 über.
  • In Schritt S120 ermittelt die Steuerung 50, ob eine Änderung von Modus 2 zu Modus 3 bevorsteht, d. h. aus dem normalen/umgangenen Modus (dritter Betriebsmodus Z3), zum zweiten Betriebsmodus Z2 (Aufwärtsmodus). Das Verfahren 100 geht zu Schritt S121 über, wenn eine derartige Änderung bevorsteht und in der Alternative zu Schritt S130, wenn die Änderung von Modus 3 zu Modus 2 nicht bevorsteht.
  • Der Schritt S121 beinhaltet das Aktivieren des DC-DC-Wandlers 30 oder 30A im Aufwärtsmodus und ein Übergehen zu Schritt S123.
  • In Schritt S123 öffnet die Steuerung 50 als nächstes den Bypass-Schalter 32 oder 32A, d. h. über die Übertragung eines Schaltsignals als Teil der Schallsteuersignale (Pfeil CC). Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S124 über.
  • In Schritt S124 fährt die Steuerung 50 die DC-Busspannung (Vdc+, Vdc-) in den Aufwärtsmodus hoch, um eine im Voraus bestimmte optimale Spannung zu erreichen, während die elektrische Maschine 16 das Drehmoment zur selben Zeit auf einer erwünschten Höhe aufrechterhält. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S162 über.
  • Schritt S130 beinhaltet das Ermitteln, ob eine Änderung von Modus 1 zu Modus 2 bevorsteht, d. h. von der ersten Betriebszone Z1 (Abwärtsmodus) zur zweiten Betriebszone Z2 (Aufwärtsmodus). Da Schritt S130 und S131 teilweise die Steuerung des Abwärtsmodus betrifft, ist das System 15A aus 2 mit den Schritten S130 und S131 nicht anwendbar, und daher können diese zwei Schritte außer Acht gelassen werden, wenn der DC-DC Wandler 30A aus 2 verwendet wird.
  • Das Verfahren 100 geht zu Schritt S131 über, wenn eine derartige Änderung bevorsteht und in der Alternative zu Schritt S140, wenn die Änderung von Modus 1 zu Modus 2 nicht bevorsteht.
  • Schritt S131 beinhaltet das Hochfahren der DC-Busspannung auf einen im Voraus bestimmten optimalen Wert, während das Drehmoment auf einer erforderlichen Höhe aufrechterhalten wird. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S162 über.
  • In Schritt S140 beinhaltet das Verfahren 100 das Ermitteln, ob eine Änderung von Modus 1 zu Modus 3 bevorsteht, d. h. aus dem Abwärtsmodus (erste Betriebszone Z1) zur normalen/umgangenem Betriebszone Z3. Da die Schritten S140-S 144 teilweise die Steuerung des Abwärtsmodus betreffen, ist das System 15A aus 2 mit den Schritten S140-144 nicht verwendbar, und daher können diese Schritte außer Acht gelassen werden, wenn der optionale DC-DC-Wandler 30A aus 2 verwendet wird.
  • Das Verfahren 100 geht zu Schritt S141 über, wenn eine derartige Änderung bevorsteht und in der Alternative zu Schritt S150, wenn die Änderung von Modus 1 zu Modus 3 nicht bevorsteht.
  • Der Schritt S141 beinhaltet das Steuern des DC-DC Wandlers 30, um die DC-Busspannung (Vdc+, Vdc-) hochzufahren, bis die DC Busspannung der Batteriespannung (Vbat+, Vbat-) gleicht, und geht dann zu Schritt S142 über.
  • In Schritt S142 schließt die Steuerung 50 den Bypass-Schalter 32 und geht dann zu Schritt S143 über.
  • In Schritt S143 steuert die Steuerung 50 eine der unteren Halbleiterschalter des DC-DC Wandlers 30, um die Drosselspule 36 kurzzuschließen, wodurch die darin gespeicherte Energie abgeleitet wird. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S144 über.
  • Schritt S144 umfasst das Deaktivieren des DC-DC-Wandlers 30 bevor er zu Schritt S162 übergeht.
  • Schritt S150 beinhaltet das Ermitteln, ob eine Änderung aus dem Betriebsmodus 2 zu Modus 3 bevorsteht, d. h. aus dem Aufwärtsmodus (zweite Betriebszone Z2) zum normalen/umgangenen Betriebsmodus (dritte Betriebszone Z3). Das Verfahren 100 geht zu Schritt S151 über, wenn eine derartige Änderung bevorsteht und in der Alternative zu Schritt S160, wenn die Änderung von Modus 1 zu Modus 2 nicht bevorsteht.
  • Der Schritt S151 beinhaltet das Steuern des DC-DC Wandlers 30 oder 30A, um die DC-Busspannung (Vdc+, Vdc-) herunterzufahren, bis die DC Busspannung der Batteriespannung (Vbat+, Vbat-) gleicht, und geht dann zu Schritt S152 über.
  • In Schritt S152 schließt die Steuerung 50 den Bypass-Schalter 32 oder 32A über Schaltsteuersignale (Pfeil CC) und geht zu Schritt S153 über.
  • In Schritt S153 steuert die Steuerung 50 einen der unteren Halbleiter-Schalter 34 oder 35 des entsprechenden DC-DC-Wandlers 30 oder 30A, um die Drosselspule 36 kurzzuschließen und dadurch darin gespeicherte Energie abzuleiten. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S154 über.
  • Schritt S154 umfasst das vorübergehende Deaktivieren des DC-DC-Wandlers 30 oder 30A, wie über das Ändern eines logischen Bits, bevor er zu Schritt S162 übergeht.
  • Der Schritt S160 beinhaltet das Ermitteln, ob eine Änderung von Betriebsmodus 2 auf Betriebsmodus 1 bevorsteht, d. h. vom Aufwärtsmodus (zweite Betriebszone Z2) zum Abwärtsmodus (erste Betriebszone Z1). Da Schritt S160 und S161 teilweise die Steuerung des Abwärtsmodus betrifft, ist das System 15A aus 2 mit den Schritten S160 und S161 nicht anwendbar, und kann außer Acht gelassen werden, wenn der DC-DC Wandler 30A aus 2 verwendet wird.
  • Das Verfahren 100 geht zu Schritt S161 über, wenn eine derartige Änderung bevorsteht, und wiederholt in der Alternative Schritt S108, wenn die Änderung von Modus 2 zu Modus 1 nicht bevorsteht.
  • In Schritt es 161 reguliert die Steuerung 50 die Busspannung, wie durch Herunterfahren der Busspannung auf einen im Voraus bestimmten optimalen Spannungswert, während das Ausgangsdrehmoment der elektrischen Maschine 16 immer noch auf einem erwünschten Wert aufrechterhalten wird. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S162 über.
  • Der Schritt S162 beinhaltet das Einstellen der d- und q-Achsenstrombefehle an die elektrische Maschine 16 und die Steuerparameter der Steuerung 50, je nach Bedarf, wie proportionale Zunahmen (P-Zunahmen) und integrale Zunamen (I-Zunahmen) für eine proportional-integrale (PI) Ausführungsform der Steuerung, basierend auf dem aktuellen befohlenen Drehmoment und dem aktuellen Betriebsmodus von Schritt S106. Wie auf dem Stand der Technik verwendet, bezeichnet der Begriff „d-Achsenstrom“ den flusserzeugenden Strombefehl von der Steuerung 50, während der Begriff „q-Achsenstrom“ den drehmomenterzeugenden Strom bezeichnet. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S163 über.
  • In Schritt 163 gibt die Steuerung 50 die d-Achsen- und q-Achsenstrombefehle an die elektrische Maschine 16, basierend auf der aktuellen Drehzahl, dem befohlenen Drehmoment und dem aktuellen Betriebsmodus der elektrischen Maschine 16 aus. Das Verfahren 100 kehrt danach zu Schritt S102 zurück.
  • Das vorstehend beschriebene Verfahren 100, wie mit dem elektrischen Antriebssystem 15 oder 15A der 1 oder 2 verwendet, soll unter Teillastbedingungen relativ den vorhandenen Ansätzen eine verbesserte Leistung und einen verbesserten Wirkungsgrad bereitstellen. Da die Drosselspule 36 aus den 1 und 2 eine signifikante Größe und Masse zum elektrischen Antriebsystem 15 oder 15A hinzufügt, ermöglicht der kleinere DC-DC-Wandler 30 oder 30A, der durch diese Offenbarung aktiviert wird, zum Beispiel durch das Reduzieren einer 90 kW Spitzenleistung auf eine 30 kW Spitzenleistung, das Verwenden von Drosselspule 36, da er entsprechend geringe Stromwerte aufweist, z. B. etwa 150 Ampere für verkleinerte Drosselspule 36 von 450 Ampere für typische 90 kW Systeme, sowie das Reduzieren der erforderlichen Größe des Wechselrichters 41 und der Halbleiterschalter 34 und 35. Diese und andere Vorteile werden durch gewöhnliche Fachleute auf dem Gebiet der Offenbarung leicht erkannt werden.
  • Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass viele Änderungen an denselben vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht beschränkt auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung; Modifikationen, Änderungen und/oder Variationen, ersichtlich aus den vorangehenden Beschreibungen, liegen innerhalb des Umfangs der Offenbarung, wie in den hinzugefügten Ansprüchen definiert. Darüber hinaus können die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und/oder Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale beinhalten.

Claims (9)

  1. Elektrisches Antriebssystem, umfassend: positive und negative Busschienen, die eine Gleichstrom-(DC)-Busspannung führen; ein Energiespeichersystem (ESS), das mit der positiven oder negativen Busschiene verbunden ist und Batteriezellen und einen Kondensator aufweist, die parallel zu den Batteriezellen angeordnet sind, um eine Batterieausgabespannung bereitzustellen; einen Wechselrichter, der eine Vielzahl von Halbleiterschaltern aufweist, die zum Invertieren der DC-Busspannung in eine Wechselstrom-(AC)-Busspannung betreibbar sind; einen DC-DC-Wandler, der zwischen dem Kondensator und dem Wechselrichter mit der positiven und der negativen Busschiene verbunden ist und das Folgende aufweist: eine Drosselspule, eine zweite Vielzahl von Halbleiter-Schaltern, einen Bypass-Schalter, der mit der positiven Busschiene verbunden ist, und einen zusätzlichen Kondensator, der entlang der positiven oder negativen Busschiene angeordnet ist; eine elektrische Maschine, die Phasenentwicklungen aufweist, die elektrisch mit dem Wechselrichter verbunden sind; und eine Steuerung, die dazu programmiert ist, den Betrieb des DC-DC-Wandlers basierend auf Leistungs-, Drehmoment-, und Drehzahlwerten der elektrischen Maschine zu regulieren, um die DC-Busspannung einzustellen, bis die DC-Busspannung der Batterieausgangsspannung gleicht, um den DC-DC-Wandler selektiv durch Schließen des Bypass-Schalters unter im Voraus bestimmten leistungs-/drehmomentstarken Betriebsbedingungen der elektrischen Maschine umgehen, wenn die DC-Busspannung der Batterieausgangsspannung gleicht, und um den Bypass-Schalter selektiv zu öffnen und danach die DC-Busspannung auf eine im Voraus bestimmte Spannung zu regulieren.
  2. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, worin die Steuerung konfiguriert ist, um den Betrieb des DC-DC-Wandlers basierend auf Leistungs-, Drehmoment- und Drehzahlwerten der elektrischen Maschine unter Verwendung einer kalibrierten Leistungskarte zu regulieren, die durch Leistungs-, Drehmoment-, und Drehzahlwerte indiziert oder referenziert ist.
  3. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 2, worin der DC-DC-Wandler ein Aufwärtswandler ist und die Bypass-Schaltung ein Paar bidirektionale oder rückwärts blockierende IGBTs beinhaltet.
  4. Elektrisches System nach Anspruch 2, worin der DC-DC-Wandler ein Abwärts-Aufwärts-Wandler ist.
  5. Elektrisches System nach Anspruch 1, worin der DC-DC-Wandler für weniger als 50 Prozent einer Spizenleistungsanforderung der elektrischen Maschine eingestuft ist.
  6. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, worin die Steuerung dazu programmiert ist, einen eingeschalteten/ausgeschalteten Zustand der bezeichneten niederseitigen Schalter der ersten Vielzahl der Halbleiter-Schalter nach dem Schließen des Bypass-Schalters zu steuern, sodass die in der Drosselspule gespeicherte Energie abgeleitet wird, und um danach den DC-DC-Wandler zu deaktivieren, sobald die Energie abgeleitet worden ist.
  7. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, worin die Steuerung dazu programmiert ist, den eingeschalteten/ausgeschalteten Zustand der ersten Vielzahl von Halbleiter-Schaltern nach dem Öffnen des Bypass-Schalters zu steuern und die DC-Busspannung auf einen im Voraus bestimmten Wert hochzufahren, während eine abgeschätzte Drehmomentausgabe der elektrischen Maschine aufrechterhalten wird.
  8. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, worin die Steuerung konfiguriert ist, eine Steuerung-Zunahme und d-Achsen- und q-Achsenstrombefehle der elektrischen Maschine nach der Modusänderung einzustellen und die eingestellten d-Achsen und q-Achsenstrombefehle an die elektrische Maschine auszugeben.
  9. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, worin die elektrische Maschine mit den Straßenrädern eines Fahrzeugs verbunden ist.
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