DE102019115828A1

DE102019115828A1 - Teillastphasenabschaltung einer mehrphasigen elektrischen maschine

Info

Publication number: DE102019115828A1
Application number: DE102019115828.1A
Authority: DE
Inventors: Alireza Fatemi; Derek F. Lahr
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2020-05-20
Also published as: US20200162005A1; CN111200388A; CN111200389A

Abstract

Ein elektrisches System beinhaltet ein mehrstufiges Traktionswechselrichtermodul (TPIM), eine mehrphasige elektrische Maschine und eine Steuerung. DAS TPIM verfügt über mehrere Schaltungssätze, die gemeinsam betreibbar sind, um eine Gleichspannung auf einem Gleichspannungsbus in eine Wechselspannung auf einem Wechselspannungsbus umzuwandeln. Die elektrische Maschine hat m mehrere elektrische Phasen. Jede der m mehreren elektrischen Phasen ist mit einem der jeweiligen Schaltsätze des TPIM verbunden und wird von diesem gesteuert. Die Steuerung bestimmt, wann die elektrische Maschine in einen vorbestimmten Teillastbereich des Betriebs eintritt, und deaktiviert als Reaktion auf das Eintreten in den vorbestimmten Teillastbereich selektiv eine vorbestimmte Anzahl n der m mehreren elektrischen Phasen. Dies geschieht über Schaltzustandssignale an entsprechende der Schaltsätze, wobei n ≤ m - 2.

Description

EINFÜHRUNG
Elektrische Antriebsstränge, Kraftwerke und andere Systeme verwenden Hochspannungs-Elektriksysteme, deren Spannungspegel deutlich über 12-Volt-Hilfsspannungen liegen. Bei Verwendung als Teil eines elektrischen Antriebssystems kann beispielsweise ein Hochspannungsbus 60-300 Volt oder mehr an einen elektrischen Fahrmotor liefern. Eine Gleichstrom (DC)-Seite eines solchen Hochspannungsbusses könnte an ein Gleichrichtersystem oder an ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (engl. rechargeable energy storage system, RESS) angeschlossen werden, das ein Batteriepack mit einer anwendungsspezifischen Anzahl von Hochenergie-Batteriezellen zusammen mit der zugehörigen Wärmeleittechnik und anderer Leistungselektronik enthält.
Bei Verwendung einer mehrphasigen elektrischen Maschine als Teil eines elektrischen Systems, wird ein Wechselrichtermodul zwischen dem RESS und der elektrischen Maschine eingefügt. Mit Pulsweitenmodulation, Pulsdichtemodulation oder anderen gängigen Schaltsteuerungstechniken werden entsprechende Ein/Aus-Leitungszustände der einzelnen Halbleiterschalter des Wechselrichtermoduls hergestellt. Auf diese Weise werden die Phasenleitungen der elektrischen Maschine mit einer Wechselspannung (AC) versorgt, wenn die elektrische Maschine in ihrer Eigenschaft als Motor arbeitet. Das Wechselrichtermodul ist auch betreibbar zum Umwandeln einer Wechselspannung von der elektrischen Maschine, wenn diese als Generator arbeitet, in eine Gleichspannung, welche zum Laden der Batteriezellen der RESS geeignet ist. So wird typischerweise mehr oder weniger elektrischer Strom je nach Bedarf durch die Sammelphasenwicklungen gebracht, abhängig vom Motordrehmoment, das von der elektrischen Maschine angefordert wird.
BESCHREIBUNG
Hochspannungs-Elektroantriebssysteme mit mehrphasiger elektrischer Maschine und Wechselrichtermodulen des im Allgemeinen vorstehend genannten Typs weisen im Betrieb unter Teillastbedingungen im Vergleich zum Betrieb unter Volllastbedingungen tendenziell niedrigere Wirkungsgrade auf. „Teillastbedingungen“ können als der kollektive Satz von Drehmomentbetriebspunkten der elektrischen Maschine betrachtet werden, die wesentlich kleiner sind als die verfügbare Drehmomentkapazität der elektrischen Maschine. Somit können „Volllastbedingungen“ am elektrischen Äquivalent einer weit geöffneten Drosselklappe auftreten, d.h. wenn im Wesentlichen die gesamte verfügbare Drehmomentkapazität der elektrischen Maschine benötigt wird, um einen momentanen gewünschten Drehmomentbetriebspunkt zu erreichen. So kann beispielsweise ein elektrisches Fahrzeug unter Volllastbedingungen betrieben werden, wenn es aus dem Stillstand schnell beschleunigt oder ein anderes Fahrzeug auf einer Autobahn überholt.
Eine anschauliche Beispielanwendung ist die eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs, das unter normalen Fahrbedingungen arbeitet, zum Beispiel beim Pendeln oder Stopand-Go-Stadtfahren. Unter diesen Bedingungen kann das angeforderte Drehmoment nur einen kleinen Teil der Gesamtdrehmomentfähigkeit oder des Nenndrehmoments der elektrischen Maschine ausmachen. Meistens kann das angeforderte Drehmoment nur 20 Prozent oder weniger des Nenndrehmoments betragen. Der größte Teil der Lebensdauer der elektrischen Maschine entfällt daher auf den Betrieb in „verlustbehafteten“ Teillastbereichen. Die offenbarte Strategie kann daher zur Effizienzsteigerung unter diesen Teillastbetriebsbedingungen eingesetzt werden.
Insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf ein Verfahren zum selektiven Deaktivieren einiger der verfügbaren elektrischen Phasen einer mehrphasigen elektrischen Maschine, in Reaktion darauf, dass die elektrische Maschine in einen vorbestimmten Teillastbereich eintritt. Vorherrschende elektrische Verluste unter Teillastbedingungen sind (I) Kupfer- und Kernverluste innerhalb der jeweiligen Wicklungen und magnetischen Struktur der elektrischen Maschine selbst und (II) Schalt- und Leitungsverluste innerhalb der Schalt- und Schaltungskomponenten des Wechselrichtermoduls. Daher können Verhältnisse solcher Verluste für die elektrische Maschine offline als kalibrierter Satz von Teillastbereichen vorbestimmt werden, von denen jeder den entsprechenden Drehmoment-Drehzahl-Betriebspunkten der elektrischen Maschine zugeordnet ist. Als Reaktion auf eine Echtzeit-Bestimmung, dass die elektrische Maschine in einem der vordefinierten Teillastbereiche arbeitet, kann die Steuerung alle bis auf zwei der verfügbaren elektrischen Phasen der elektrischen Maschine deaktivieren.
In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet das elektrische System ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS), das an einen Hochspannungsbus angeschlossen ist. Das elektrische System beinhaltet ein Traktionswechselrichtermodul (engl. traction power inverter module, TPIM), eine mehrphasige elektrische Maschine und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um einige der verfügbaren Phasen der elektrischen Maschine selektiv zu deaktivieren, in Reaktion auf das Eintreten in einen vorbestimmten Teillastbereich. In einer zweistufigen Anordnung des TPIM enthält das TPIM mehrere Schaltsätze, z.B. IGBTs, MOSFETs oder andere Halbleiterschalter, wobei jeder Schaltsatz in einer exemplarischen zweistufigen Wechselrichtertopologie einen oberen Schalter und einen unteren Schalter aufweist. Wie in der Technik der Wechselrichter-Steuerung verstanden, sind die oberen und unteren Schalter eines bestimmten Schaltpaares miteinander und mit den jeweiligen positiven und negativen Busschienen des Hochspannungsbusses verbunden. Alternative mehrstufige TPIMs, wie z.B. neutralpunktgeklemmte (NPC) Wechselrichter, kaskadierte H-Brückenwechselrichter, fliegende Kondensatorwechselrichter oder andere Wechselrichterkonfigurationen, verfügen über mehr als zwei Schalter pro Phase. Solche Wechselrichtertopologien sind auch im Rahmen der vorliegenden Regelstrategie verwendbar, so dass der Begriff „Schaltpaar“ bei Bezugnahme auf ein exemplarisches zweistufiges TPIM austauschbar mit dem Begriff „Schalt-Satz“ verwendet wird, wobei „Schalt-Satz“ möglicherweise drei oder mehr Schalter umfasst.
Insbesondere für einen zweistufigen Wechselrichter entspricht ein verfügbares Phasenvielfaches (m) der elektrischen Maschine der Anzahl der Schaltpaare, wobei eine exemplarische und nicht einschränkende sechsphasige Ausführungsform (m = 6) zur Veranschaulichung der vorliegenden Regelstrategie verwendet wird. Die Steuerung in dieser Ausführungsform ist konfiguriert, um zu bestimmen, wann die elektrische Maschine in einen vorbestimmten Teillastbereich des Betriebs eintritt oder eingetreten ist, und um als Reaktion auf das Eintreten in den vorbestimmten Teillastbereich eine vorbestimmte Anzahl (n) der (m) elektrischen Phasen selektiv zu deaktivieren. Die Deaktivierung erfolgt durch Übertragung einzelner Schaltzustandssignale an entsprechende Schalter der (n) deaktivierten Schaltpaare, mit n ≤ m - 2.
In einigen Ausführungsformen, $n = \frac{m}{2},$
d.h. genau die Hälfte der (m) verfügbaren Phasen werden deaktiviert, wobei m eine gerade Zahl ist.
Die Steuerung kann mit einer Nachschlagetabelle der elektrischen Verluste programmiert sein, die mit einer entsprechenden Drehzahl und einem Drehmomentpunkt der elektrischen Maschine indiziert ist, und um zu bestimmen, wann die elektrische Maschine in den Teillastbereich des Betriebs eintritt, indem Daten aus der Nachschlagetabelle mit einem kalibrierten Schwellenwert verglichen werden. Optional können die elektrischen Verluste ein Verhältnis von Kernverlusten zu Kupferverlusten der elektrischen Maschine oder ein Verhältnis von Schaltverlusten zu Leitungsverlusten des TPIM sein.
In einer weiteren optionalen Konfiguration kann die Steuerung konfiguriert sein, um ein Modusauswahlsignal zu empfangen, das eine gewünschte Abschaltrampenrate anzeigt. Als Reaktion auf den Empfang des Modusauswahlsignals schaltet die Steuerung die (n) elektrischen Phasen mit der gewünschten Abschaltrampenrate ein.
Wenn $n \neq \frac{m}{2},$
kann die Steuerung automatisch einen Deaktivierungsplan referenzieren, um eine Reihenfolge der Deaktivierung der (n) elektrischen Phasen zu bestimmen, die eine deaktivierungsbedingte Drehmomentwelligkeit der elektrischen Maschine minimiert.
Die mehrphasige elektrische Maschine beinhaltet einen Rotor, der in bestimmten offenbarten Ausführungsformen mit einem Satz von Antriebsrädern eines Kraftfahrzeugs oder mit einer anderen angetriebenen Last gekoppelt ist.
Ebenfalls offenbart ist ein Verfahren zur Verwendung mit dem oben genannten elektrischen System. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen, über die Steuerung, wann die elektrische Maschine in einen vorbestimmten Teillastbereich des Betriebs eintritt. Als Reaktion auf das Eintreten der elektrischen Maschine in den vorbestimmten Teillastbereich beinhaltet das Verfahren das selektive Deaktivieren einer vorbestimmten Anzahl (n) der (m) elektrischen Phasen durch Übertragen von Schaltzustandssignalen von der Steuerung zu entsprechenden der Schaltsätze, wobei n ≤ m - 2.
Die obige Zusammenfassung soll nicht jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darstellen. Vielmehr soll die vorstehende Zusammenfassung einige der hierin offenbarten neuen Aspekte und Merkmale veranschaulichen. Die vorgenannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen und Modalitäten für die Durchführung der vorliegenden Offenbarung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Fahrzeugs mit einem elektrischen System, in dem eine Steuerung selektiv (n) elektrische Phasen einer elektrischen Maschine mit einer Gesamtzahl (m) solcher elektrischen Phasen deaktiviert, wobei die Steuerung dies unter vorbestimmten Teillastbedingungen, wie hierin beschrieben, tut.
Die 2A und 2B sind schematische Darstellungen einer exemplarischen 6-phasigen Ausführungsform einer mehrphasigen elektrischen Maschine und eines Traktionswechselrichtermoduls, die als Teile des in 1 dargestellten exemplarischen elektrischen Systems verwendbar sind.
3 ist ein normiertes Diagramm der Maschinendrehzahl (horizontale Achse) gegenüber dem Maschinendrehmoment (vertikale Achse), das einen repräsentativen Verlustbereich darstellt, innerhalb dessen die Steuerung ausgewählte Phasen der in 1 dargestellten elektrischen Maschine deaktivieren kann.
4 ist ein normiertes Diagramm der Maschinendrehzahl (horizontale Achse) gegenüber dem Maschinendrehmoment (vertikale Achse), das einen weiteren repräsentativen Verlustbereich darstellt, innerhalb dessen die Steuerung ausgewählte Phasen der in 1 dargestellten elektrischen Maschine deaktivieren kann.
5 ist ein Flussdiagramm einer exemplarischen Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens.

Die vorliegende Offenbarung kann modifiziert werden oder alternative Formen aufweisen, wobei repräsentative Ausführungsformen beispielhaft in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden ausführlich beschrieben werden. Erfinderische Aspekte der Offenbarung sind nicht auf die hierin offenbarten besonderen Formen beschränkt. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung Änderungen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen abdecken, die in den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei sich ähnliche Bezugszeichen auf ähnliche Komponenten beziehen, stellt 1 ein exemplarisches Fahrzeug 10 mit einem elektrischen System 12 dar. Das elektrische System 12 beinhaltet ein Hochspannungs-Batteriepack (B_HV) 14, das über einen Hochspannungs-Gleichstrombus (DC-Bus) 20 elektrisch mit einem mehrstufigen Traktionswechselrichtermodul (TPIM) 16 verbunden ist. Das elektrische System 12 beinhaltet auch eine mehrphasige elektrische Maschine (M_E) 18, z.B. einen Fahrmotor oder eine Motor/Generator-Einheit, die über einen Hochspannungs-Wechselstrom-(AC)-Spannungsbus 22 elektrisch mit dem TPIM 16 verbunden ist. Ein separater Niederspannungs-Gleichstrombus 120 kann eine Hilfs-/12-Volt-Batterie (B_AUX) 29 in Form eines Gleichspannungswandlers mit einem Hilfsstrommodul (APM) 27 verbinden, wobei das APM 27 wiederum mit dem Hochspannungs-Gleichstrombus 20 verbunden und konfiguriert ist, um die Spannungspegel auf dem Hochspannungs-Gleichstrombus 20 auf Pegel zu reduzieren, die für die Versorgung von Niederspannungs-Hilfsfunktionen geeignet sind.
Das Fahrzeug 10 beinhaltet eine Steuerung 50, die, wie in 1 schematisch dargestellt, wahlweise als ein oder mehrere Niederspannungs-Digitalrechner mit einem Prozessor (P), z.B. Mikroprozessor oder Zentraleinheit, sowie als Speicher (M) in Form von Nur-Lese-Speicher, Direktzugriffsspeicher, elektrisch programmierbarem Nur-Lese-Speicher usw. ausgeführt sein kann. Ebenfalls in der Struktur der Steuerung 50 enthalten, aber nicht separat dargestellt, ist ein Hochgeschwindigkeitstaktgeber, eine Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltung, eine Ein-/Ausgabeschaltung und -vorrichtungen sowie eine geeignete Signalkonditionierungs- und Pufferschaltung.
Die Steuerung 50 ist programmiert, um ein Verfahren 100 als Reaktion auf einen Satz von Eingangssignalen (CC_I ) auszuführen. Ein Beispiel für das Verfahren 100 ist in 5 dargestellt und wird im Folgenden mit weiterem Bezug auf die 3 und 4 beschrieben. Die Ausführung von Anweisungen, die das Verfahren 100 umsetzen, bewirkt, dass die Steuerung 50 einige der verfügbaren elektrischen Phasen der elektrischen Maschine 18 selektiv deaktiviert. Die Steuerung 50 tut dies, indem sie Schaltsteuersignale (Pfeil CCo) an das TPIM 16 sendet. Wie im Folgenden mit Bezug auf die 2A und 2B ausführlich beschrieben, reagiert das TPIM 16 auf solche Schaltsteuersignale (Pfeil CCo), indem er einige und bis hin zu allen bis auf zwei der verfügbaren elektrischen Phasen im Teillastbetrieb der elektrischen Maschine 18 deaktiviert. Dadurch werden die unter solchen Bedingungen üblicherweise auftretenden elektrischen Verluste reduziert und damit der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs verbessert. Eine externe Vorrichtung 13, z.B. ein Touchscreen-Display oder eine manuelle Auswahlvorrichtung mit entsprechenden elektronischen oder mechanischen Moduseinstellungen 13B, kann optional ein Triggersignal in Form eines Modusauswahlsignals (Pfeil M/S) erzeugen, wie nachfolgend in Bezug auf 5 erläutert. Die Steuerung 50 kann konfiguriert sein, um ein solches Modusauswahlsignal zu empfangen, möglicherweise als Teil der Steuersignale von 1 oder als separates Signal, mit dem Modus.
Wenn die elektrische Maschine 18 als Teil des exemplarischen Fahrzeugs 10 verwendet wird, um beispielsweise ein Motordrehmoment (Pfeil T_M ) zu erzeugen und an ein Eingangselement 23 eines Getriebes (T) 24 zum Antrieb des Fahrzeugs 10 zu liefern, kann der Spannungspegel auf dem Hochspannungs-DC-Bus 20 und dem Wechselspannungs-Bus 22 60 Volt überschreiten und je nach Konfiguration des Fahrzeugs 10 über 300 Volt betragen. Der hier verwendete Begriff „Hochspannung“ ist daher anwendungsspezifisch, erstreckt sich aber im Allgemeinen auf Spannungsebenen über 12-Volt-Hilfsspannungen auf dem DC-Bus 120. Optional kann das Fahrzeug 10 einen Verbrennungsmotor (E) 15 beinhalten, der selektiv über eine Kupplung 17 mit dem Eingangselement 23 des Getriebes 24 gekoppelt ist, z.B. eine Reibungskupplung oder eine hydrodynamische Drehmomentwandleranordnung. Der Motor 15 und/oder die elektrische Maschine 18 können je nach Betriebsart ein Eingangsdrehmoment (Pfeil T_I ) erzeugen und an das Getriebe 24 abgeben. Das Getriebe 24 liefert das Abtriebsdrehmoment (Pfeil To) an ein Abtriebselement 25.
Wenn das Fahrzeug 10 ein Kraftfahrzeug wie dargestellt ist, kann ein Satz von Antriebsachsen 26 mit einer angetriebenen Last in Form eines Satzes von Antriebsrädern 28 gekoppelt sein, von denen jedes in Rollreibungskontakt mit einer Straßenoberfläche steht (nicht dargestellt). In anderen Fahrzeugausführungsformen kann die angetriebene Last ein Rad eines Schienenfahrzeugs oder eine Propellerwelle eines Flugzeugs oder Schiffes sein. Ebenso können nicht fahrzeuggebundene Ausführungsformen wie Kraftwerke oder zum Antreiben von Pumpen oder Hebezeugen, z.B. zur Unterstützung der Wasserentnahme oder der Lodenextraktion im Bergbau, und daher können solche Ausführungsformen ebenfalls von den vorliegenden Lehren profitieren. Somit soll das Fahrzeug 10 von 1 eine Art von System veranschaulichen, das ohne Einschränkung von dem Verfahren 100 profitieren kann.
Das in 1 dargestellte TPIM 16 ist in den 2A und 2B näher dargestellt. 2A zeigt das TPIM 16 in einem ersten Zustand, in dem alle verfügbaren elektrischen Phasen der elektrischen Maschine 18 aktiv sind. 2B veranschaulicht das TPIM 16 in einem zweiten Zustand, in dem die Hälfte der verfügbaren elektrischen Phasen deaktiviert ist, wobei die Signale CCo von 2A zu Signalen CCo* modifiziert wurden. Zusätzlich wird die elektrische Maschine 18 in einer nicht einschränkenden exemplarischen Ausführungsform mit sechs Phasen dargestellt, von denen jede 60° phasenverschoben gegenüber einer nächsten benachbarten Phase ist. Andere mehrphasige Ausführungsformen können jedoch im Rahmen der Offenbarung verwendet werden, wie beispielsweise dreiphasig, vierphasig, fünfphasig usw., und mit mehr als den sechs veranschaulichten Phasen der 2A und 2B, die in anderen Ausführungsformen verwendet werden.
Unabhängig von der Gesamtzahl der verfügbaren elektrischen Phasen der elektrischen Maschine 18 kann der vorliegende Ansatz neben z.B. der Steuerung des Phasenwinkels und der Strom- oder Spannungsamplitude auch einen anderen Freiheitsgrad der Steuerung bieten. Das Verfahren 100 kann vorteilhaft auf elektrische Maschinen 18 mit unterschiedlichen Wicklungstechnologien oder Rotortypen angewendet werden. Besondere Vorteile ergeben sich bei Maschinenkonfigurationen ohne Rotorfeld oder mit steuerbarem Rotorfeld, wie beispielsweise Schalterreluktanzmaschinen, Wickelfeldsynchronmaschinen und Synchronreluktanzmaschinen. Ebenso wird die elektrische Maschine 18 idealerweise magnetisch isolierte Wicklungen aufweisen, so dass die beschriebene Phasenabschaltung nach dem Verfahren 100 zu nicht erregten Kernsegmenten führt, wie von Fachleuten gewürdigt wird.
Das TPIM 16 der 2A und 2B weist, wenn es als zweistufiges TPIM konfiguriert ist, wie es für die Verwendung mit der exemplarischen sechsphasigen Ausführungsform der elektrischen Maschine 18 dargestellt ist, sechs Schaltpaare P1, P2, P3, P4, P5 und P6 auf, die gemeinsam betreibbar sind, um eine Gleichspannung auf dem Gleichspannungs-Bus 20 in eine Wechselspannung auf dem Wechselspannungs-Bus 22 und umgekehrt über die Schaltsteuersignale (Pfeil CCo) zu invertieren. Das heißt, jedes Schaltpaar beinhaltet identische Schalter 35, die als repräsentative Halbleiterschalter S1 bzw. S2 dargestellt sind, z.B. IGBTs wie abgebildet, MOSFETs oder andere geeignete Halbleiter- oder Halbleiterschalter.
In ihren verschiedenen Konfigurationen weist die elektrische Maschine 18 eine Vielzahl (m) von verfügbaren elektrischen Phasen auf, wobei m = 6 in den 2A und 2B. Jede der (m) verfügbaren elektrischen Phasen ist strukturell als einzelne Phasenleitungen 22L entsprechend dem Wechselspannungsbus 22 von 1 dargestellt, wobei die Phasenleitungen 22L entsprechende Statorwicklungen 30 der elektrischen Maschine 18 versorgen. Somit wird jede der Phasenleitungen 22L durch einen entsprechenden Schaltsatz, in diesem Fall ein Schaltpaar P1, P2, P3, P4, P5 oder P6 des beispielhaften zweigestuften oder zweistufigen TPIM 16, elektrisch verbunden/angetrieben. Wenn eine der (m) verfügbaren elektrischen Phasen unter Spannung steht oder wenn mehrere Phasen gemäß einer bestimmten Steuersequenz unter Spannung gesetzt werden, kann eine gewünschte Drehung einer Rotorwelle 11 realisiert werden.
Bei der Ausführung des Verfahrens 100 bestimmt die in 1 dargestellte Steuerung 50, wann die elektrische Maschine 18 in einen vorbestimmten Teillastbereich eingetreten ist oder bald eintreten wird. Im Folgenden werden die exemplarischen Bereiche 42 und 142 mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben. Als Reaktion auf das Eintreten in den vorbestimmten Teillastbereich deaktiviert die Steuerung 50 selektiv eine vorbestimmte Anzahl (n) der (m) verfügbaren elektrischen Phasen der elektrischen Maschine 18. Eine solche Steueraktion erfolgt durch Übertragung der Schaltzustandssignale (Pfeil CCo) an entsprechende der Schalter 35 der Schaltpaare P1, P2, P3, P4, P5 und/oder P6. Aus praktischen Gründen ist die Anzahl der deaktivierten Phasen (n) kleiner oder gleich der Gesamtzahl der Phasen (m) minus zwei, d.h. n ≤ m-2.
Die Deaktivierung von genau der Hälfte der (m) verfügbaren Phasen kann hinsichtlich der resultierenden Drehmomentqualität von Vorteil sein. Das heißt, wenn eine gerade Anzahl von elektrischen Phasen dargestellt wird, d.h. m = 4, 6, 8, 10, etc., kann eine Reduzierung der wahrgenommenen Drehmomentwelligkeit oder anderer Geräusche, Vibrationen und Rauheitseffekten wahrgenommen werden, wenn $n = \frac{m}{2} .$
Andere Werte von (n) können jedoch verwendet werden, um Effizienzgewinne unter Teillastbedingungen zu erzielen, wobei m gerade oder ungerade ohne Einschränkung ist. Selbst eine einzelne deaktivierte Phase, d.h. n = 1, kann daher in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen. Die Reihenfolge der Deaktivierung sollte die räumliche Verteilung der Statorwicklungen 30 der elektrischen Maschine 18 berücksichtigen, wobei die Qualität des resultierenden Drehmoments um den Rotor 11 eine Funktion des Zeitpunkts der Phasendeaktivierung und der Identität/relativen Position der (n) deaktivierten Phasen ist.
Elektromagnetische Leistungsverluste in der elektrischen Maschine 18 bestehen aus Kernverlusten (P_fe ) und Kupferverlusten (P_cu ), d.h. P₁₈ = P_fe + P_cu . Die Leistungsverluste im TPIM 16 (P₁₆ ) bestehen hauptsächlich aus Schaltverlusten (P_sw ) und Leitungsverlusten (P_cond ), d.h. P₁₆ = P_sw + P_cond. Diese vier vorherrschenden Kategorien von Leistungsverlusten können offline quantifiziert und im Speicher (M) der Steuerung 50 aufgezeichnet werden und danach als Nachschlagetabelle oder Leistungskurve beim Erkennen von Teillastbereichen 42 oder 142 verwendet werden, in denen einige der verfügbaren Phasen selektiv deaktiviert werden können.
Die 3 und 4 veranschaulichen jeweils zwei exemplarische Verlustbereiche 40 und 140 während des Betriebs der elektrischen Maschine 18 von 1-2B, wobei die Drehzahl (U/min, RPM) der elektrischen Maschine 18 auf der horizontalen Achse und das Drehmoment, T (Nm), auf der vertikalen Achse dargestellt sind. Zur Veranschaulichung wurde die Skala der 3 und 4 auf einen Bereich von 0 bis 1 normiert. In einer beispielhaften Antriebsausführungsform der elektrischen Maschine 18 kann jedoch die Drehzahl auf einer Skala von Null bis mehreren tausend U/min und das Drehmoment auf einer Skala von Null bis mehreren hundert Nm liegen, während andere Anwendungen entsprechende Skalen aufweisen.
Die dargestellten Verlustbereiche I, II, III und IV sind ein Indikator für sinkende Leistungsverluste in Form einer vordefinierten Verlustquote, d.h, $\frac{P_{fe}}{P_{cu}}$
in 3 und $\frac{P_{sw}}{P_{cond}}$
in 4. Die Teillastbereiche 42 und 142 können ebenfalls vordefiniert werden, z.B. in einer Nachschlagetabelle gespeichert und von der Steuerung 50 in Echtzeit basierend auf dem tatsächlichen Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Maschine 18 verwendet werden, um genau zu bestimmen, wann elektrische Phasen nach dem Verfahren 100 deaktiviert werden sollen.
Wie anerkannt werden wird, tritt die überwiegende Mehrheit der Drehmoment-Geschwindigkeit-Betriebspunkte der elektrischen Maschine 18 bei deutlich weniger als dem Nenndrehmoment der elektrischen Maschine 18 auf, wie beispielsweise 20 Prozent oder weniger des Nenndrehmoments. Infolgedessen können Teillastbetriebsbedingungen über 95 Prozent der elektromagnetischen Verluste in der elektrischen Maschine 18 und Wechselrichterverluste in der TPIM 16 ausmachen, wobei die Leistungsverluste in der elektrischen Maschine 18 im Allgemeinen mindestens doppelt so hoch sind wie die Wechselrichterverluste in der TPIM 16. Kernverluste sind um ein Vielfaches höher als Kupferverluste über einen Großteil der Betriebspunkte, wie in 3 im Vergleich zu 4 zu sehen ist. Das Verfahren 100 kann daher Bereiche identifizieren, in denen die Kernverluste viel höher sind als die Kupferverluste, z.B. 10 mal höher, wie in 3 dargestellt, und danach entsprechende Drehmoment-Geschwindigkeit-Punkte verwenden, um zu erkennen, ob die elektrische Maschine 18 derzeit in einer solchen Zone arbeitet oder unmittelbar in eine solche Zone eintritt.
Als Beispiel für die Reduzierung der Verlustleistung, die durch die vorliegende Offenbarung ermöglicht wird, sei eine exemplarischer m-Phasen-Dauermagnetmotor als elektrische Maschine 18 in Fall (1) und die Deaktivierung von (n) Phasen in Fall (2) betrachtet. Angenommen T ≈ kI: $P_{1} = P_{f e,1} + P_{c u,1} + P_{s w,1} + P_{c o n d,1}$
$P_{2} = P_{f e,2} + P 2 + P_{s w,2} + P_{c o n d,2}$
Vereinfachte Wechselrichter-Leitungsverluste und Motorkupferverluste erhöhen sich um den Faktor von $\frac{m}{(m - n)} .$
Vereinfachte Wechselrichter-Schaltverluste bei kleinen Strömen (I) bleiben unverändert. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass die Motoreisenverluste (P_fe ) ebenfalls um den Faktor k abnehmen, wenn n Phasen deaktiviert werden: $P_{2} = k P_{f e,1} + P_{s w,1} + \frac{m}{(m - n)} (P_{c u,1} + P_{c o n d,1})$
Die Verluste durch den Ausdruck kP_fe,1 + P_sw,1 sind bei Teillasten höher, während die Verluste, die dargestellt werden durch die Summe (P_cu,1 + P_cond,1) bei Volllast höher sind. So hat die Deaktivierung von (n) Phasen zum Teil einen Kompromiss in Form von erhöhten Kupferverlusten zur Folge. Da jedoch der größte Verlust unter einer Teillast im Kern auftritt, d.h. P_fe, , wird die Reduzierung solcher Kernverluste unter Teillastbedingungen durch die Reduzierung der Anzahl der aktiven Phasen in einem solchen Bereich erreicht.
Die Verlustdisparität lässt sich wie folgt veranschaulichen. Angenommen P_fe,1= 10P cu_,1, und dass Psw_,1 = 10P cond_,1 bei Teillast, kann die Steuerung 50 n = 3 Phasen in einer exemplarischen sechsphasigen Ausführungsform der elektrischen Maschine 18 mit m = 6 deaktivieren. In einer solchen Ausführungsform gilt: $P_{1} = P_{fe,1} + P_{cu,1} + P_{sw,1} + P_{cond,1} = 11 P_{cu,1} + 11 P_{cond,1}$
$\begin{array}{r} P_{2} = P_{fe,2} + P_{cu,2} + P_{sw,2} + P_{cond,2} = {kP}_{fe,1} + 2 P_{cu,1} + P_{sw} \\ \to P_{2} = (10 k + 2) P_{c u,1} + 12 P_{c o n d,1} \end{array}$
Bei k = 0,5 ist beispielsweise eine 36%ige Verlustleistungsreduzierung in der elektrischen Maschine 18 möglich, bei einer 9%igen Erhöhung der Verluste für das TPIM 16. Unter der Annahme, dass die gesamten Motorverluste 2X oder 200% der Wechselrichterverluste betragen, führt dies zu einer Reduzierung der Systemverluste um 21%. Die Vermeidung solcher Verluste kann durch die Ausführung des Verfahrens 100 ermöglicht werden.
Eine exemplarische Ausführungsform des Verfahrens 100 ist in 5 dargestellt. Ab Schritt S102 empfängt die Steuerung 50 den oben mit Bezug auf 1 genannten Satz von Eingangssignalen (CC_I ). Die Eingangssignale (CC_I ) können beispielsweise eine gemessene oder berechnete tatsächliche und gewünschte Drehzahl und ein Drehmoment der elektrischen Maschine 18 beinhalten. Diese Werte können von der Steuerung 50 in Echtzeit aus dem vom Fahrer angeforderten Drehmoment abgeleitet werden, z.B. durch Werte wie Gaspedalweg/Drosselklappe, Bremsstufen, Lenkeingabe usw. In einer optionalen Ausführungsform eines Hybrid-Elektrofahrzeugs kann das angeforderte Drehmoment logisch zwischen dem Motordrehmoment des Motors 15 und dem Motordrehmoment (Pfeil T_M ) der elektrischen Maschine 18 aufgeteilt werden. Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt S104 fort.
Bei Schritt S104 bestimmt die Steuerung 50 einen entsprechenden Drehmoment-Betriebsbereich der elektrischen Maschine 18. Als Teil von Schritt S104 kann die Steuerung 50 Drehmoment- und Drehzahlpunktwerte aus Schritt S102 verwenden, um zu bestimmen, ob die elektrische Maschine 18 in einem zulässigen Bereich ihres kalibrierten maximalen Nenndrehmoments für diese bestimmte Drehzahl und Betriebstemperatur arbeitet. Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt S106 fort.
Schritt S106 beinhaltet das Vergleichen des Drehmoments oder der Last an der elektrischen Maschine 18 aus Schritt S104 mit einem kalibrierten Schwellenwert, der die Teillastbedingungen anzeigt. Wie vorstehend erwähnt, können Drehmoment- und Drehzahlpunkte mit einem Verlustverhältnis von elektromagnetischen Verlusten, wie beispielsweise Eisen-/Kern-KupferVerlusten, wie in 3 dargestellt, verknüpft sein. Der kalibrierte Schwellenwert kann als ein Betriebsbereich mit mehreren Betriebspunkten definiert sein, z.B. Zonen 42 oder 142 der 3 und 4. Das Verfahren 100 fährt mit Schritt S108 fort, wenn die elektrische Maschine 18 unter Volllastbedingungen arbeitet oder in Kürze arbeiten wird, d.h. oberhalb des Schwellenwerts oder außerhalb einer vordefinierten Teillastbetriebszone 42 oder 142, und alternativ mit Schritt S110, wenn die Steuerung 50 stattdessen bestimmt, dass die elektrische Maschine 18 unter Teillastbedingungen arbeitet.
Schritt S108 des Verfahrens 100, wie in 5 dargestellt, beinhaltet das Befehlen der vollen Anzahl (m) der verfügbaren elektrischen Phasen des TPIM 16 aus den 1, 2A und 2B, sich einzuschalten oder in einem ein-/leitenden Zustand zu bleiben. Pulsweitenmodulation, Pulsdichtemodulation oder andere geeignete Schaltsignale werden weiterhin an die Schalter 35 von 2A übertragen, was dazu führt, dass digitale Impulse unterschiedlicher Größe oder Dauer von der Steuerung 50 eng koordiniert werden, um die gewünschte Drehung der elektrischen Maschine 18 sicherzustellen. Das heißt, der Zustand der in 2A als aktiv dargestellten (m) elektrischen Phasen schließt eine Ein-/Ausschaltsteuerung zum Variieren der Ausgangsspannung des TPIM 16 nicht aus, so dass die verschiedenen Schalter 35 des TPIM 16 zu einem bestimmten Zeitpunkt leiten können oder auch nicht, während sie im Schaltkreis von 2A „verfügbare Phasen“ bleiben. Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt S112 fort.
Schritt S110 hingegen deaktiviert (n) der verfügbaren (m) Phasen und fährt dann mit Schritt S112 fort. Nach dem Deaktivieren sind die Schalter 35 für die deaktivierten (n) Phasen im Schaltregelkreis nicht mehr verfügbar, ähnlich einem dauerhaften binären 0/Aus-Signal an die Schalter 35. PWM- oder andere Schaltsteuersignale, die zum Variieren der Ausgangsspannung des TPIM 16 in 2B verwendet werden, sind daher auf eine Echtzeit-Schaltsteuerung mit den (m-n) aktiven elektrischen Phasen beschränkt, wobei die (n) deaktivierten Phasen aus Sicht der elektrischen Maschine 18 praktisch nicht vorhanden sind. In Bezug auf Ansätze, die die Menge des durch die (m) verfügbaren elektrischen Phasen fließenden Stroms gleichmäßig reduzieren, um das Motordrehmoment oder die Drehzahl zu ändern, muss das vorliegende Verfahren 100 den Stromfluss durch die (m-n) aktiven Phasen nicht reduzieren.
Bei Schritt S112 steuert die Steuerung 50 das Abtriebsdrehmoment oder die Drehzahl der elektrischen Maschine 18 über N Phasen, mit N = m, wenn Schritt S112 aus Schritt S108 erreicht wird, und N = (m-n), wenn Schritt S112 stattdessen aus Schritt S110 erreicht wird.
Optional kann das Verfahren 100 den Schritt S114 beinhalten, um die Verwendung eines Triggersignals in Form eines Modusauswahlsignals (M/S) zu ermöglichen. Das Modusauswahlsignal (M/S) kann von der externen Vorrichtung 13 von 1 übertragen werden, z.B. einem berührungsempfindlichen Bildschirm oder einer mechanischen Drucktaste, einem Drehknopf oder einem anderen mechanischen oder elektromechanischen Modusauswahlverfahren des Fahrzeugs 10 von 1. Die Steuerung 50 kann konfiguriert sein, um ein solches Modusauswahlsignal (M/S) zu empfangen, möglicherweise als Teil der Steuersignale von 1 oder als separates Signal, wobei das Modusauswahlsignal (M/S) eine gewünschte Deaktivierungsrampenrate anzeigt.
Als Reaktion auf den Empfang des Modusauswahlsignals kann die Steuerung 50 die Deaktivierung der (n) elektrischen Phasen mit der gewünschten Deaktivierungsrampenrate beschleunigen. Ein solcher Ansatz kann es einem Betreiber des Fahrzeugs 10 ermöglichen, das Drehmomentverhalten beim Deaktivieren der (n)-Phasen anzupassen, beispielsweise als Economy (energieeffizient), Sport (schnelleres Drehmomentverhalten) oder normaler Betriebsmodus, mit normalem, möglicherweise ausgleichendem Drehmomentverhalten mit Energieeffizienz, z.B. über eine Kostenfunktion. Oder die Steuerung 50 kann automatisch auf einen Phasenabschaltplan verweisen, um eine Reihenfolge der Abschaltung der (n) Phasen zu bestimmen, insbesondere wenn $n \neq \frac{m}{2},$
um eine deaktivierungsbedingte Drehmomentwelligkeit entlang eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs 10 zu minimieren, die durch eine solche Phasenabschaltung verursacht wird.
Daher bietet das vorstehend beschriebene Verfahren 100 eine Strategie zur Reduzierung von Verlusten bei mehrphasigen elektrischen Maschinen, wie beispielsweise die elektrische Maschine 18 aus 1. Die Verlustreduzierung wird durch die Steuerung der Anzahl der aktiven Phasen erreicht, die die Ankerwicklungen der Maschine versorgen. Wie begrüßt wird, kann eine gezielte Phasenabschaltung den Ausgleich von Kupfer- und Kernverlusten in der elektrischen Maschine 18 mit Schalt- und Leitungsverlusten in der TPIM 16 ermöglichen. Da das Motordrehmoment (Pfeil T_M von 1) proportional zur Anzahl der aktiven Phasen ist, kann die Verwendung des Verfahrens 100 unter Teillastbedingungen bei richtiger Reihenfolge zu Effizienzgewinnen führen, ohne die Drehmomentqualität zu beeinträchtigen. Diese und andere Vorteile werden von den Fachleuten angesichts der vorangehenden Offenbarung begrüßt.
Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen für die Praxis der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind. Die Fachleute werden erkennen, dass Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Teilkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale. Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen sind unterstützend und beschreibend für die vorliegende Lehre, wobei der Umfang der vorliegenden Lehre ausschließlich durch die Ansprüche definiert ist.

Claims

WAS BEANSPRUCHT WIRD, IST:
Elektrisches System, umfassend: einen Wechselspannungsbus; einen Gleichspannungsbus; ein mehrstufiges Traktionswechselrichtermodul, TPIM, das mit dem Gleichspannungsbus verbunden ist und mehrere Schaltsätze aufweist, die gemeinsam betreibbar sind, um eine Gleichspannung auf dem Gleichspannungsbus in eine Wechselspannung auf dem Wechselspannungsbus, und umgekehrt, umzuwandeln; eine mehrphasige elektrische Maschine mit m mehreren elektrischen Phasen, wobei jede der m mehreren elektrischen Phasen mit einem entsprechenden der mehreren Schaltsätze verbunden ist und von diesem angesteuert wird; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um zu bestimmen, wann die elektrische Maschine in einen vorbestimmten Teillastbereich des Betriebs eintritt, und, als Reaktion auf das Eintreten in den vorbestimmten Teillastbereich, um eine vorbestimmte Anzahl n der m mehreren elektrischen Phasen über Schaltzustandssignale an einen entsprechenden Schaltsatz der mehreren Schaltsätze selektiv zu deaktivieren, wobei n ≤ m - 2.
Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei $n = \frac{m}{2} .$
Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei m ≥ 4.
Elektrisches System nach Anspruch 3, wobei m = 6.
Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei einzelne Schalter, die jeden der mehreren Schaltsätze umfassen, Halbleiterschalter sind.
Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung mit einer Nachschlagetabelle von elektrischen Verlusten programmiert ist, die durch eine Drehzahl und ein Drehmoment der elektrischen Maschine indiziert ist, und um zu bestimmen, wann die elektrische Maschine in den Teillastbereich des Betriebs eintritt, indem Daten aus der Nachschlagetabelle mit einem kalibrierten Schwellenwert verglichen werden.
Elektrisches System nach Anspruch 6, wobei die elektrischen Verluste in der Nachschlagetabelle der elektrischen Verluste ein Verhältnis von Kernverlusten zu Kupferverlusten der elektrischen Maschine sind.
Elektrisches System nach Anspruch 6, wobei die elektrischen Verluste in der Nachschlagetabelle der elektrischen Verluste ein Verhältnis von Schaltverlusten zu Leitungsverlusten des mehrstufigen TPIM sind.
Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um ein Modusauswahlsignal zu empfangen, das eine angeforderte Deaktivierungsrampenrate anzeigt, und konfiguriert ist, um in Reaktion auf das Modusauswahlsignal bis zur Hälfte der mehreren elektrischen Phasen mit der angeforderten Deaktivierungsrampenrate zu deaktivieren.
Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung konfiguriert ist, wenn $n \neq \frac{m}{2} .$
um automatisch einen Deaktivierungsplan zu referenzieren, um eine Reihenfolge der Deaktivierung der n Phasen zu bestimmen, die die deaktivierungsbedingte Drehmomentwelligkeit der elektrischen Maschine minimiert.