DE102020124762A1

DE102020124762A1 - Optimierter betrieb eines elektrischen antriebssystems mitrekonfigurierbarer serien/parallel-spannungsquelle

Info

Publication number: DE102020124762A1
Application number: DE102020124762.1A
Authority: DE
Inventors: Alireza Fatemi; Thomas W. Nehl; Chandra S. Namuduri; Lei Hao; Norman K. Bucknor
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2021-04-22
Also published as: CN112769373B; CN112769373A; US10940771B1

Abstract

Ein elektrisches Antriebssystem umfasst eine mehrphasige rotierende elektrische Maschine, die ein Motordrehmoment auf eine Last überträgt, ein an die elektrische Maschine angeschlossenes Traktionsleistungs-Inverter-Modul („TPIM“), ein an das TPIM angeschlossenes rekonfigurierbares Energiespeichersystem („RESS“) und eine Steuerung. Das RESS verfügt über mehrere Batteriemodule und einen Schaltkreis. Die Batteriemodule können in einer Reihenschaltung („P-Verbindung“) auf einem ersten/niedrigen Batteriespannungsniveau und in einer Reihenschaltung („S-Verbindung“) auf einem zweiten/hohen Batteriespannungsniveau, das die erste Spannung übersteigt, angeschlossen werden. Die Steuerung bestimmt die Leistungsverluste des elektrischen Antriebssystems auf dem ersten und zweiten Batteriespannungsniveau, empfängt ein befohlenes Ausgangsdrehmoment und eine befohlene Ausgangsgeschwindigkeit der elektrischen Maschine und wählt die S-Verbund- oder P-Verbindungskonfiguration auf der Grundlage des vorbestimmten Leistungsverlustes und des befohlenen Ausgangsdrehmoments und der befohlenen Ausgangsgeschwindigkeit aus.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf elektrische Antriebssysteme für batterieelektrische Fahrzeuge, Hybrid-Elektrofahrzeuge und andere elektrisch angetriebene mobile Plattformen. Elektrische Antriebssysteme umfassen eine oder mehrere rotierende elektrische Hochspannungs-Polyphase/Wechselstrom („AC“) Maschinen. Die Phasenwicklungen solcher elektrischer Maschinen werden sequentiell über eine Bordspannungsquelle gespeist, typischerweise eine mehrzellige Hochspannungsbatterie, die über einen Wechselrichter eine Gleichstrom-Batteriespannung an die elektrische Maschine abgibt. Mobile Hochleistungsanwendungen mit hoher Leistung verwenden traditionell ein einzelnes Batteriepaket, um ein für die Anwendung geeignetes Batteriespannungsniveau bereitzustellen, wobei das Batteriepaket in einigen Konfigurationen selektiv wiederaufladbar ist, indem eine bordseitige AC- oder DC-Ladestation verwendet wird.
Im Vergleich zu dem oben erwähnten Einzelbatteriepack versuchen bestimmte neu entstehende rekonfigurierbare Batteriepack-Konfigurationen die Nutzung höherer Ladespannungen, z.B. von Gleichstrom-Schnellladestationen, zu verbessern. Beispielsweise kann ein rekonfigurierbarer Batteriesatz mit mehreren Batteriemodulen ausgestattet sein, die je nach Bedarf selektiv parallel oder in Reihe geschaltet werden. Wie zu begrüßen ist, erhöht eine in Reihe geschaltete („S-Schaltung“) Konfiguration die Batteriespannung im Vergleich zu einer parallel geschalteten („P-Schaltung“) Konfiguration. Während eines DC-Schnellladevorgangs können S-verbundene Batteriemodule eine höhere DC-Ladespannung im Vergleich zu P-verbundenen Batteriemodulen erhalten. Gleichermaßen kann das elektrische Antriebssystem, wenn es ordnungsgemäß für die in der S-Verbindungskonfiguration gelieferten Batteriespannungen ausgerüstet ist, in den Genuss leistungsstärkerer Antriebsmodi kommen.
BESCHREIBUNG
Hierin wird ein elektrisches Antriebssystem offengelegt, das ein wiederaufladbares und rekonfigurierbares Energiespeichersystem („RESS“) des oben allgemein erwähnten Typs, wie z.B. ein in Reihe oder parallel schaltbares Multimodul-Batteriepack, zusammen mit einer elektrischen Maschine und einer Steuerung umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie den Betrieb des elektrischen Antriebssystems gemäß des hier dargelegten Verfahrens optimiert. Die Steuerung ist mit der erforderlichen Steuerlogik/Software und zugehöriger Hardware für die Umschaltung zwischen ersten/niedrigen und zweiten/hohen Batteriespannungsniveaus für maximale Fahrzyklus-Effizienz oder Hochleistungsbetrieb ausgestattet, je nach Wunsch. Eine Standardbetriebsart kann plattformspezifisch sein und in Echtzeit auf der Grundlage festgestellter Fehler oder Einschränkungen, z.B. in der elektrischen und/oder thermischen Regelungsleistung, angepasst werden.
Das RESS in einer beispielhaften Ausführungsform umfasst mehrere Batteriemodule, die selektiv in einer parallelgeschalteten („P-verbundenen“) Konfiguration miteinander verbunden werden können, um das erste/niedrige Batteriespannungsniveau bereitzustellen, das hier mit „VL“ abgekürzt wird. Dieselben Batteriemodule werden selektiv in einer in Reihe geschalteten („S-verbundenen“) Konfiguration geschaltet, um das zweite/hohe Batteriespannungsniveau bereitzustellen, wobei das zweite Batteriespannungsniveau relativ zur ersten/niedrigen Batteriespannung hoch ist und hier mit „VH“ abgekürzt wird. Wie hier verwendet, sind „niedrig“ und „hoch“ relativ, wobei das zweite/hohe Batteriespannungsniveau VH mindestens doppelt so hoch ist wie das erste/niedrige Batteriespannungsniveau VL. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform beträgt das erste/niedrige Batteriespannungsniveau etwa 250V, z.B. in einem Bereich von mindestens 250V bis 350V, und das zweite/hohe Batteriespannungsniveau etwa 500V, z.B. mindestens 500V bis 700V, wobei in anderen Konfigurationen auch andere Spannungen oder Spannungsbereiche möglich sind.
Die Steuerung ist so konfiguriert, dass sie zwischen der S- oder P-Konfiguration auswählt und dadurch die S- oder P-Konfiguration herstellt, wobei diese Auswahl mit dem vorliegenden Verfahren unter Verwendung von vorgegebenen Leistungsverlusten, die in jeder der beiden Konfigurationen auftreten, erreicht wird. Die Verwendung des vorliegenden Verfahrens ermöglicht es der Steuerung, gleichzeitig die Effizienz und Leistung des Antriebszyklus im Vergleich zu einem Basisbetrieb des elektrischen Antriebsstrangsystems zu erhöhen, der ausschließlich auf dem ersten/niedrigen Spannungsniveau durchgeführt wird.
Wie Fachleute zu schätzen wissen werden, ist der Betrieb einer rotierenden elektrischen Maschine mit breitem Drehmomentband durch die verfügbare Batteriespannung begrenzt. Dies gilt insbesondere für elektrische Traktionsmotoren mit Permanentmagneten („PM“), die häufig zur Erzeugung von Drehmoment für den Antrieb eines Fahrzeugs oder einer anderen mobilen Plattform mit hoher Leistung verwendet werden. Beispielsweise kann eine begrenzte Batteriespannung oder Gleichstrom-Busspannung die Notwendigkeit auslösen, aggressive Flussschwächungs- oder Feldschwächungsvorgänge durchzuführen. Solche Vorgänge führen jedoch tendenziell zu erhöhten elektrischen Verlusten, während gleichzeitig Leistungseinbußen entstehen. Andererseits kann der Betrieb bei einer konstant hohen Batteriespannung zu zusätzlichen Verlusten führen, insbesondere bei niedrigeren Maschinengeschwindigkeiten, oder elektrische Maschinenkomponenten, z.B. das Isolationssystem der Maschine oder die mechanische Baugruppe, belasten. Die Steuerung ist daher so konfiguriert, dass die Gesamtleistung durch die Steuerung des RESS optimiert wird, um sich an die plattformspezifischen Drehmoment- und Geschwindigkeitsanforderungen anzupassen und gleichzeitig die Antriebszyklusverluste zu minimieren.
Das hier beschriebene elektrische Antriebssystem umfasst auch ein Traktionsstromrichter-Modul („TPIM“). Ein Steuergerät, das mit vorgegebenen Grundleistungsverlusten des elektrischen Antriebssystems bei jedem des ersten/niedrigen und zweiten/hohen Batteriespannungsniveaus programmiert werden kann, wählt eine der S- oder P-gekoppelten Konfigurationen auf der Grundlage der Grundleistungsverluste, des befohlenen Ausgangsdrehmoments und der befohlenen Ausgangsgeschwindigkeit aus. Die Steuerung kann die S-Anschlusskonfiguration oder die P-Anschlusskonfiguration zumindest teilweise danach wählen, ob die Soll-Ausgangsdrehzahl eine kalibrierte Eckgeschwindigkeit überschreitet, d.h. eine Maschinendrehzahl, bei deren Überschreiten sich das tatsächliche Ausgangsdrehmoment der elektrischen Maschine in Richtung eines Mindestdrehmomentwerts verjüngt, wie es von gewöhnlichen Fachleuten auf diesem Gebiet geschätzt wird.
Die Steuerung kann die Konfiguration mit S-Anschluss wählen, wenn die Soll-Ausgangsdrehzahl die Eckgeschwindigkeit überschreitet und das Soll-Ausgangsdrehmoment kleiner als ein kalibriertes maximales Drehmoment auf dem zweiten/hohen Spannungsniveau ist. Die Steuerung kann die Konfiguration in P-Schaltung wählen, wenn die Soll-Ausgangsdrehzahl kleiner als die Eckgeschwindigkeit ist, das Soll-Ausgangsdrehmoment kleiner als das kalibrierte maximale Drehmoment auf dem ersten/niedrigen Spannungsniveau der Konfiguration in P-Schaltung ist und der Leistungsverlust auf dem ersten/niedrigen Spannungsniveau der Konfiguration in P-Schaltung kleiner als der Leistungsverlust auf dem zweiten/hohen Spannungsniveau der Konfiguration in S-Schaltung ist.
Wenn kein Kühlungs- und/oder elektrischer Fehler bzw. keine Begrenzung des elektrischen Antriebssystems vorliegt, kann die Steuerung die S-Verbindungskonfiguration gemäß einem drehzahlbasierten Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil wählen. Als Reaktion auf den erkannten Fehler oder die erkannte Begrenzung kann die Steuerung die Konfiguration mit S-Anschluss oder mit P-Anschluss gemäß mindestens einem zusätzlichen drehzahlbasierten Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil wählen. In einer solchen Ausführungsform umfasst das drehzahlbasierte Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil ein höheres Spitzenleistungsniveau und ein höheres Mindestdrehmomentniveau relativ zu dem mindestens einen zusätzlichen drehzahlbasierten Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil über einen vorbestimmten Drehzahlbereich der elektrischen Maschine.
Das elektrische Antriebssystem kann ein Kühlsystem umfassen, das so konfiguriert ist, dass es die Temperatur des RESS und der zugehörigen Leistungselektronik reguliert, einschließlich der Kühlung der Batteriezellen, des TPIM und/oder der elektrischen Maschine je nach Bedarf. In einer solchen Ausführungsform kann der Fehler oder die Begrenzung einen Fehler oder eine Begrenzung des Kühlsystems umfassen.
Das mindestens eine zusätzliche drehzahlbasierte Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil umfasst in einigen Konfigurationen ein erstes und ein zweites zusätzliches drehzahlbasiertes Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil. Das erste zusätzliche Profil hat ein höheres Spitzenleistungsniveau und ein höheres Mindestdrehmomentniveau als das zweite zusätzliche Profil. Die elektrische Maschine arbeitet als Reaktion auf einen Fehler oder eine Begrenzung des Kühlsystems gemäß dem ersten Zusatzprofil und als Reaktion auf einen Fehler oder eine Begrenzung des RESS und/oder des Kühlsystems gemäß dem zweiten Zusatzprofil.
Die Last kann optional auch Laufräder umfassen, die mit der elektrischen Maschine verbunden sind, zum Beispiel in einer Kraftfahrzeuganwendung.
Hier wird auch ein Verfahren zur Optimierung des Antriebsbetriebs des oben beschriebenen elektrischen Antriebssystems offengelegt. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass über die Steuerung ein befohlenes Ausgangsdrehmoment und eine befohlene Ausgangsgeschwindigkeit der elektrischen Maschine empfangen und danach ein entsprechender Leistungsverlust des elektrischen Antriebssystems bei jedem des ersten/niedrigen und zweiten/hohen Spannungsniveaus bestimmt wird. Das Verfahren umfasst die Auswahl der S-Verbund- oder P-Verbindungskonfiguration über die Steuerung des Schaltkreises, wobei die Steuerung entscheidet, welche der beiden Konfigurationen auf der Grundlage des Basisleistungsverlustes, des befohlenen Ausgangsdrehmoments und der befohlenen Ausgangsgeschwindigkeit festzulegen ist. Die Basis-Leistungsverluste können in Echtzeit auf der Grundlage sich ändernder Bedingungen, wie z.B. einer Temperatur, wie hier angegeben, skaliert werden.
Die obige Zusammenfassung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenlegung darstellen. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Zusammenfassung bestimmte neuartige Aspekte und Merkmale, wie sie hier dargelegt sind. Die oben genannten und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen und Modi zur Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich sein, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen genommen wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften mobilen Plattform mit einem elektrischen Antriebssystem und einer Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Optimierungsverfahren wie hier beschrieben ausführt.
2A und 2B sind schematische Darstellungen eines rekonfigurierbaren Energiespeichersystems („RESS“) in Form eines mehrzelligen Batteriepacks.
3 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens beschreibt.
4A-C sind beispielhafte Drehmomentspitzen-, Leistungs- und Stromkurven über der Geschwindigkeit für drei verschiedene Betriebsszenarien, die durch das vorliegende Verfahren ermöglicht werden.
5-7 sind beispielhafte optimale Leistungs- und Drehmomentkurven gegenüber der Geschwindigkeit für die drei illustrativen Szenarien, die in 4A-C dargestellt sind.

Die vorliegende Offenlegung ist anfällig für Änderungen und alternative Formen, wobei in den Zeichnungen repräsentative Ausführungsformen beispielhaft gezeigt und im Folgenden ausführlich beschrieben werden. Erfinderische Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die besonderen Formen der Offenbarung beschränkt. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen umfassen, die in den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Figuren beziehen, wird hier ein elektrisches Antriebssystem 10 offengelegt, das ein rekonfigurierbares Energiespeichersystem („RESS“) 11 und eine rotierende elektrische Maschine („M_E“) 12 umfasst. Das elektrische Antriebssystem 10 kann als Teil einer mobilen Plattform 13, z.B. eines batterie-elektrischen Kraftfahrzeugs oder eines Roboters, verwendet werden. Das RESS 11, wie unten mit Bezug auf 2A und 2B beschrieben, ist selektiv in einer parallelgeschalteten („P-geschalteten“) oder in einer seriell geschalteten („S-geschalteten“) Konfiguration konfigurierbar, um eine niedrige bzw. hohe Batteriespannung über die positiven und negativen Busschienen 17⁺ und 17^- bereitzustellen, wobei das Batteriespannungsniveau in 2A und 2B mit „V_B“ abgekürzt wird.
Eine Steuerung (C) 50 bildet einen integralen Bestandteil des elektrischen Antriebssystems 10. Wie im Folgenden mit besonderem Bezug auf die 3-7 im Detail beschrieben, ist die Steuerung 50 so konfiguriert, dass er bei der Auswahl einer der Konfigurationen des RESS 11 mit S- oder P-Anschluss Anweisungen ausführt, die ein Verfahren 100 auf der Basis von Basis- oder skalierten Basis-Leistungsverlusten verkörpern. Die Modusauswahl nach dem Verfahren 100 soll den Gesamtwirkungsgrad und die Gesamtleistung durch Minimierung der Leistungsverluste und durch Berücksichtigung möglicher Fehlermodi im Zusammenhang mit der Kühlung und/oder dem elektrischen Betrieb des RESS 11 und anderer Leistungselektronik optimieren.
Die Steuerung 50 umfasst einen Prozessor („Pr“) und Speicher (M). Der Speicher (M) umfasst einen greifbaren, nicht vorübergehenden Speicher, z.B. einen Nur-Lese-Speicher, sei es optisch, magnetisch, als Flash-Speicher oder anderweitig. Die Steuerung 50 umfasst auch anwendungsgerechte Mengen an Speicher mit wahlfreiem Zugriff, elektrisch löschbaren, programmierbaren Festwertspeicher und dergleichen, sowie einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltkreise und Ein-/Ausgabeschaltkreise und Vorrichtungen sowie geeignete Signalkonditionierungs- und Pufferschaltkreise.
Bei der Ausführung des Verfahrens 100 empfängt die Steuerung 50 Eingangssignale (Pfeil CCI), die ein vom Bediener angefordertes oder autonom angefordertes oder befohlenes Ausgangsdrehmoment und eine Drehzahl der elektrischen Maschine 12 sowie vorgegebene Leistungsverluste, ein kalibriertes maximales Drehmoment, eine aktuelle Drehzahl und eine Eckgeschwindigkeit der elektrischen Maschine 12, wie hier beschrieben, anzeigen. Die Eingangssignale (Pfeil CCI) können Fehler- und/oder Begrenzungsbedingungen in Bezug auf das Wärmemanagement und den elektrischen Zustand der RESS 11 und anderer Leistungselektronik enthalten. Als Reaktion auf die Eingangssignale (Pfeil CCI) gibt die Steuerung 50 Steuersignale (Pfeil CCO) an einen schaltenden Schaltkreis 15 (siehe 2A und 2B) aus, um zwischen der S- und der P-Konfiguration des RESS 11 zu wählen, wobei dieser Regelvorgang auf der Grundlage vorgegebener Leistungsverluste und des befohlenen Ausgangsdrehmoments und der Drehzahl der elektrischen Maschine 12 erfolgt.
Das in 1 gezeigte RESS 11 umfasst ein Kühlsystem 11C, das zur Temperaturregelung des RESS 11 und der zugehörigen Leistungselektronik betrieben werden kann. Das Kühlsystem 11C ist zwar der Einfachheit halber schematisch dargestellt, kann aber zur Veranschaulichung auch Kühlmittelkanäle und/oder -leitungen, wärmeabstrahlende Kühlrippen und/oder -platten sowie andere Strukturen umfassen, die sich für die Leitung von Kühlmittel (Pfeil F) von einer Kühlmittelzufuhr 21 durch das RESS 11 und andere Komponenten eignen, wie hier angegeben. Zum Beispiel kann eine Kühlmittelpumpe (P) 19 verwendet werden, um das Kühlmittel (Pfeil F) durch oder um die Batteriezellen (nicht abgebildet) des RESS 11 zu zirkulieren. Ein solches Kühlsystem 11C kann sich auch auf andere elektronische Komponenten in 1 erstrecken, z.B. als Kühlsystem 11C*, wie z.B. eine rotierende elektrische Maschine 12, ein Traktionsstrom-Inverter-Modul („TPIM“) 18 und einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 20, und daher können die Grenzen des Kühlsystems 11C über den Bereich des RESS 11 hinausgehen, wie dies von denjenigen mit gewöhnlichem handwerklichem Geschick geschätzt wird. Ebenso kann der Begriff „Kühlsystem 11C“ mehrere miteinander verbundene oder getrennte Kühlsubsysteme oder -kreisläufe umfassen, z.B. einen für das RESS 11, das TPIM 18, die elektrische Maschine 12, den Wandler 20 usw.
Die elektrische Maschine 12 ist mechanisch mit einem Getriebe („T“) 14 verbunden, das seinerseits mit einem Satz von Laufrädern 16 verbunden sein kann. Das Motordrehmoment (Pfeil T_M) von der elektrischen Maschine 12 wird über das Getriebe 14 auf die Laufräder 16 übertragen, um die Laufräder 16 anzutreiben und dadurch die mobile Plattform 13 anzutreiben. Die gezeigte elektrische Maschine 12 ist als Mehrphasen-Wechselstromvorrichtung („AC“) ausgeführt, deren Phasenleitungen an eine AC-Seite des TPIM 18 angeschlossen sind, so dass das TPIM 18 eine Wechselspannung („VAC“) an die Phasenleitungen der elektrischen Maschine 12 abgibt. Wie zu schätzen ist, umfassen Leistungswandlermodule wie das TPIM 18 interne IGBTs, MOSFETs oder andere geeignete Halbleiterschalter, die jeweils einen entsprechenden EIN/AUS-Zustand haben, der über Pulsweitenmodulation („PWM“), Pulsdichtemodulation („PDM“) oder eine andere Schaltsteuerungstechnik gesteuert wird.
Eine Gleichstromseite des TPIM 18 ist ebenfalls über die positive und negative Busschiene 17⁺ bzw. 17^- mit dem RESS 11 verbunden, so dass eine Gleichspannung („VDC“) an den Busschienen 17⁺ und 17^- anliegt, wobei die an den Ausgangsklemmen (nicht abgebildet) des RESS 11 gemessene Spannung im Folgenden als Batteriespannung bezeichnet wird, d.h. V_B in 2A und 2B. Der Gleichspannungswandler 20, der in der Fachsprache auch als Hilfsspannungsmodul bezeichnet wird, kann zur selektiven Reduzierung der Zwischenkreisspannung auf Hilfsspannungsniveau („V_AUX“), typischerweise 12-15V, eingesetzt werden. Eine Hilfsbatterie („B_AUX“) 22, z.B. eine Bleibatterie, kann an den Gleichspannungswandler 20 angeschlossen und zur Versorgung von Hilfs- oder Niederspannungszubehör (nicht abgebildet) an Bord der mobilen Plattform 13 verwendet werden.
Wie zu schätzen ist, erzeugt ein Batteriepack mit einer relativ hohen C-Rate, d. h. der besonderen Rate, mit der das Batteriepack geladen oder entladen wird, mehr Energie pro Batteriezelle im Vergleich zu einem Batteriepack mit einer relativ niedrigen C-Rate, wobei das Konzept der C-Rate in etwa der Amperestunden-Rate des Batteriepacks entspricht. Wenn das RESS 11 mit einer hohen C-Rate konfiguriert ist, kann es gelegentlich zu Störungen oder Belastungen des Kühlsystems 11C und/oder der Batteriezellen und anderer elektronischer Hardwarekomponenten des RESS 11 kommen.
Zum Beispiel kann das in 1 schematisch dargestellte Kühlsystem 11C möglicherweise nicht in der Lage sein, die volle thermische Belastung des TPIM 18, der elektrischen Maschine 12 und des RESS 11 zu bewältigen, wie z.B. während des Dauerbetriebs des elektrischen Antriebssystems 10 bei heißem Umgebungswetter, wenn die Belastung hoch ist, usw. Überhitzung kann ebenfalls die C-Rate der RESS 11 verschlechtern. Die Steuerung 50 ist daher so programmiert, dass sie solche Fehler und Bedingungen des Kühlsystems 11C oder der Hardware des RESS 11 bei der Auswahl zwischen den verfügbaren Konfigurationen mit P- und S-Anschluss berücksichtigt, wobei die Steuerung 50 die Auswahl der Konfiguration auf der Grundlage der Leistungsverluste und der Maschinengeschwindigkeit wie unten beschrieben vornimmt.
Unter kurzer Bezugnahme auf 2A und 2B umfasst das RESS 11 mehrere Batteriemodule 11A und 11B, wobei ein Paar solcher Batteriemodule 11A und 11B zur Veranschaulichung der Einfachheit dargestellt ist. Die einzelnen Batteriezellen (nicht abgebildet) der Batteriemodule 11A und 11B können aus Lithium-Ionen-, Zink-Luft-, Nickel-Metallhydrid- oder einer anderen geeigneten Hochenergiebatteriechemie bestehen. Der RESS 11 wird durch den Betrieb des Reglers 50 selektiv umkonfiguriert, um eine Batteriespannung („V_B“) auf dem Gleichspannungsbus, d.h. über die positiven und negativen Busschienen 17⁺ und 17^-, bereitzustellen. Der Schaltkreis 15 des RESS 11 ist so konfiguriert, dass er als Reaktion auf die Steuersignale des Reglers 50 die P-Verbindungskonfiguration von 2A oder die S-Verbindungskonfiguration von 2B auf optimale Weise nach dem vorliegenden Verfahren 100 herstellt.
Der schaltende Schaltkreis 15 wird der Übersichtlichkeit halber in vereinfachter Form dargestellt und umfasst mehrere binäre (ein/leitende und aus/nicht leitende) Schalter S1, S2 und S3. Der Schalter S1 ist zwischen dem Minuspol (-) des Batteriemoduls 11A und der Minus-Sammelschiene 17^- angeschlossen. Der Schalter S2 ist zwischen dem Pluspol (+) des Batteriemoduls 11B und der Plus-Sammelschiene 17⁺ angeschlossen. Der Schalter S3 ist zwischen dem Minuspol (-) des Batteriemoduls 11A und dem Pluspol (+) des Batteriemoduls 11B angeschlossen. Um die P-verbundene Konfiguration von 2A herzustellen, befiehlt die Steuerung 50, die Schalter S1 und S2 zu schließen und den Schalter S3 zu öffnen, was wiederum bewirkt, dass die Batteriespannung v_B gleich der Modulspannung V_m ist. Wenn eine Erhöhung der Batteriespannung _VB erforderlich ist, schließt die Steuerung 50 den Schalter S3 und öffnet die Schalter S1 und S2, um dadurch die S-Verbindungskonfiguration von 2B herzustellen. Mit zwei Batteriemodulen 11A und 11B, die in der vereinfachten Darstellung von 2A und 2B dargestellt sind, liefert die S-Verbindungskonfiguration von 2B eine Batteriespannung V_B, die doppelt so hoch ist wie die Modulspannung Vm.
Als Teil des vorliegenden Verfahrens 100 wird die Steuerung 50 von 1 mit vorgegebenen oder kalibrierten Basisverlusten des elektrischen Antriebs, im Folgenden als Leistungsverluste („P_L“) bezeichnet, für das elektrische Antriebssystem 10 für die Konfigurationen mit S- und P-Anschluss programmiert. Die Basis-Leistungsverluste können offline ermittelt und im Speicher (M) des Steuergeräts 50 für jede der in 2A und 2B gezeigten Konfigurationen als kalibrierte Werte gespeichert werden. Die Basisverluste können aus dem Speicher extrahiert und danach in Echtzeit durch die Steuerung 50 eingestellt oder skaliert werden. Zum Beispiel könnte ein Verlustskalierungsfaktor vom Regler 50 auf der Grundlage verschiedener Systemrückkopplungswerte, z.B. der Temperatur, berechnet werden. Ebenso können Basis-Spitzendrehmomentkurven, wie hier beschrieben, in Echtzeit auf der Grundlage solcher Berechnungen skaliert werden, um unterschiedliche Betriebsbedingungen angemessen zu berücksichtigen.
Der Übersichtlichkeit halber wird die S-Verbindungskonfiguration von 2A mit VH und die P-Verbindungskonfiguration von 2B mit VL abgekürzt, um die relativ hohen („H“) bzw. niedrigen („L“) Spannungsniveaus der Batteriespannung _VB darzustellen. Die Nachschlagetabelle kann verschiedene Basisleistungsverluste auflisten, die innerhalb der elektrischen Maschine 12, des TPIM 18 und des RESS 11 und anderer Leistungselektronik unter Nennbedingungen bei jedem der möglichen Spannungsniveaus VH und VL auftreten. Solche Leistungsverluste können auf Faktoren wie einen Widerstandsabfall der in der RESS 11 untergebrachten Batteriezellen (nicht abgebildet), Schalt- und Leitungsverluste in der TPIM 18 und Kern- und Kupferverluste in der elektrischen Maschine 12 zurückzuführen sein. Da einige Verluste temperaturabhängig sein können, kann die Nachschlagetabelle zur Verbesserung der Genauigkeit optional auf verschiedene Betriebstemperaturen indexiert werden, wobei die Steuerung 50 möglicherweise die kalibrierten Basiswerte in Echtzeit skaliert, wie oben erwähnt.
Unter Bezugnahme auf 3 beginnt das Verfahren 100 nach einer möglichen Ausführungsform im Block B102, wobei die Steuerung 50 aus 1 die Basisleistungsverluste („_PL“) bestimmt, die bei den oben genannten ersten/niedrigen und zweiten/hohen Spannungsniveaus VL bzw. VH auftreten. Block B102 kann das Extrahieren aufgezeichneter Informationen aus der oben beschriebenen Nachschlagetabelle umfassen. Die Steuerung 50 kann als Teil des Blocks B102 danach die Basis-Leistungsverluste skalieren, z.B. basierend auf der Umgebungs- oder Maschinentemperatur, wie oben erwähnt. In einer nicht einschränkenden illustrativen Ausführungsform, in der die beiden beispielhaften Batteriemodule 11A und 11B aus 2A und 2B verwendet werden, liegt das erste/niedrige Spannungsniveau VL beim Betrieb in der P-verbundenen Konfiguration aus 2B in einem Bereich von mindestens 250V bis 400V. In derselben Ausführungsform liegt das zweite/hohe Spannungsniveau VH in der S-Verbindungskonfiguration von 2A in einem Bereich von mindestens 500 V bis 800 V. Das zweite/hohe Spannungsniveau VH liegt in der S-Verbindungskonfiguration von 2A in einem Bereich von mindestens 500 V bis 800 V. Solche Spannungsniveaus können bei neu entstehenden Gleichstrom-Schnellladestationen und Ausführungsformen des elektrischen Antriebssystems 10, die in 1 gezeigt sind, mit höherer Leistung nützlich sein. Das Verfahren 100 geht zum Block B104 über, sobald die Steuerung 50 die Leistungsverluste bei den möglichen Batteriespannungsniveaus bestimmt hat.
Der Block B104 umfasst den Empfang eines befohlenen Ausgangsdrehmoments („_TC“), das ein vom Bediener angefordertes oder autonom angefordertes Ausgangsdrehmomentniveau von der elektrischen Maschine 12 anzeigt. Wie zu schätzen ist, wird das Maschinendrehmoment oft mit Hilfe von Eingabegeräten wie Gaspedalen angefordert, und/oder das Maschinendrehmoment kann in fahrerlosen oder fahrerunterstützten Anwendungen autonom oder halbautonom in Echtzeit durch den Regler 50 berechnet werden. Das Verfahren 100 geht zum Block B106 über, wenn das befohlene Drehmoment empfangen oder anderweitig durch die Steuerung 50 bestimmt wird.
Im Satz B106 empfängt die Steuerung 50 eine befohlene Ausgangsgeschwindigkeit („N12“) der in 1 gezeigten elektrischen Maschine 12 und vergleicht diesen Geschwindigkeitswert dann mit einer vorgegebenen Eckgeschwindigkeit („_NC“) der elektrischen Maschine 12. Wie von Kennern des allgemeinen Fachwissens geschätzt wird, bezieht sich der Begriff „Eckgeschwindigkeit“ auf die Drehzahl der elektrischen Maschine 12, d.h. einer Rotornabe und Welle (nicht dargestellt), oberhalb derer ein von der elektrischen Maschine 12 verfügbares maximales Drehmoment abzunehmen beginnt, d.h. in Richtung eines kalibrierten minimalen Drehmomentwertes abnimmt. Eine Erhöhung der Drehzahl der elektrischen Maschine 12 über die Eckdrehzahl hinaus erzeugt also kein zusätzliches Drehmoment. Das Verfahren 100 geht zum Satz B108 über, wenn die Drehzahl kleiner als die Eckgeschwindigkeit ist, und zum Satz B110, wenn die Drehzahl die Eckgeschwindigkeit übersteigt („N12 > NC“).
Block B108 des Verfahrens 100 umfasst den Vergleich von Leistungsverlusten, die auf dem ersten/niedrigen Spannungsniveau VL erwartet werden, mit skalierten Leistungsverlusten, die auf dem zweiten/hohen Spannungsniveau VH erwartet werden, um festzustellen, ob die Leistungsverluste, die auf dem ersten/niedrigen Spannungsniveau VL auftreten, die Leistungsverluste auf dem zweiten/hohen Spannungsniveau VH übersteigen, d.h. „_PL @ VL > PL @ VH_“). Block B108 kann die Feststellung einschließen, ob für den Dauerbetrieb auf dem zweiten/hohen Spannungsniveau VH eine begrenzte Batterieleistung vorhanden ist, z.B. aufgrund der Feststellung eines Batteriefehlers oder eines anderen Fehlers oder einer Begrenzung, wobei der Betrieb in einem solchen Zustand im folgenden als Szenario 1 bezeichnet wird. Das Verfahren 100 geht zum Block B114 über, wenn die auf dem ersten/niedrigen Spannungsniveau VL auftretenden Leistungsverluste die Leistungsverluste auf dem zweiten/hohen Spannungsniveau VH nicht übersteigen, d.h. wenn ein P-Verbindungsbetrieb im Hinblick auf Fehler/Begrenzungen oder aktuelle Betriebsbedingungen die effizientere Option wäre. Das Verfahren 100 führt alternativ zum Block B116.
Im Block B110 bestimmt die Steuerung 50, ob das befohlene Ausgangsdrehmoment von Block B104 ein kalibriertes maximales Drehmoment auf dem ersten/niedrigsten Spannungsniveau VL überschreitet, das der P-Verbindungskonfiguration von 2B entspricht, d.h. „_TC > TCmax _@ VL“. Das Verfahren 100 fährt mit Block B108 fort, wenn das kalibrierte maximale Drehmoment das befohlene Ausgangsdrehmoment auf dem ersten/niedrigen Spannungsniveau VL überschreitet, und fährt alternativ zu Block B112 fort.
Im Block B112 bestimmt die Steuerung 50 als nächstes, ob das befohlene Drehmoment aus Block B104 kleiner ist als das kalibrierte maximale Drehmoment der elektrischen Maschine 12 auf dem zweiten/hohen Spannungsniveau VH („_TC < TCmax _@VH (Sc2, 3)“, wobei Sc2 und Sc3 die Szenarien 2 und 3 darstellen, wie unten mit Bezug auf 4A-7 beschrieben. Das Verfahren 100 geht zum Block B116 über, wenn eine solche Bedingung wahr ist. Das Verfahren 100 fährt alternativ zu Block B113 fort, wenn das befohlene Ausgangsdrehmoment das maximale Drehmoment auf dem zweiten/hohen Spannungsniveau übersteigt. Durch die Ausführung von Block B112 kann die Steuerung 50 effektiv entscheiden, ob er in dem, was unten als Szenario 3 bezeichnet wird, d.h. in einem Modus mit maximaler/unbegrenzter Leistung, oder in dem begrenzteren Leistungsmodus von Szenario 2 arbeitet, wobei Szenario 2 möglicherweise auftritt, wenn eine begrenzte thermische Kapazität oder ein Fehler oder eine andere Begrenzung des Kühlsystems 11C auftritt.
Im Block B113 wird das befohlene Ausgangsdrehmoment von Block B104 gleich dem kalibrierten maximalen Drehmoment _TCmax gesetzt, d.h. TC = _TCmax, und dann mit Block B116 fortgefahren.
Der Block B114 umfasst die Auswahl der parallelgeschalteten („P-CONN“) Konfiguration von 2A und den Übergang von RESS 11 aus 1 zu einer solchen Konfiguration, wobei eine solche Steuerung über den Regler 50 und den Betrieb des schaltenden Schaltkreises 15 erfolgt. Der Betrieb des elektrischen Antriebssystems 10 erfolgt danach auf dem ersten/niedrigsten Spannungsniveau VL, um die Leistungsverluste unter den angegebenen Bedingungen zu minimieren.
Block B116 umfasst den Übergang von RESS 11 aus 1 zu der in Reihe geschalteten („S-CONN“) Konfiguration aus 2B. Wie bei Block B114 erfolgt ein solcher Regelvorgang über den Betrieb des Reglers 50 und des schaltenden Schaltkreises 15. Der Betrieb des elektrischen Antriebssystems 10 erfolgt danach auf dem zweiten/hohen Spannungsniveau VH, z.B. mindestens 500V bis 800V im oben genannten nichtbegrenzenden Beispiel, um die Leistungsverluste unter den genannten Bedingungen zu minimieren, wobei die elektrische Maschine 12 aus 1 den Satz der Laufräder 16 als Teil des Verfahrens 100 antreibt.
Die Vorteile der Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens 100 zur Steuerung des elektrischen Antriebssystems 10 von 1 sind in den repräsentativen Geschwindigkeitsdiagrammen 55, 57 und 59 von 4A, 4B und 4C dargestellt. Die Umdrehungsgeschwindigkeit („N12“) der elektrischen Maschine 12 ist in Umdrehungen pro Minute („RPM“) auf der horizontalen Achse dargestellt. 4A stellt das Spitzendrehmoment („Tpk“) in Newtonmeter („Nm“) auf der vertikalen Achse dar, wobei die vertikalen Achsen von 4B und 4C die Spitzenleistung („Ppk“) in kW bzw. den Spitzeneffektivstrom („Ipk“) in Effektivampere darstellen. Die relative Leistung wird für drei verschiedene Szenarien dargestellt. In Bezug auf solche Szenarien betrachtet Szenario 1 (Kurve Sc1) die optimale Verlustreduzierung für eine gegebene Drehmoment-Drehzahl-Hüllkurve. Szenario 2 (Kurve Sc2) betrachtet die Leistung bei höheren Geschwindigkeiten für eine gegebene Verlusthüllkurve. Szenario 3 (Kurve Sc3) betrachtet Hochgeschwindigkeitsleistung ohne Verlust oder Drehmomentbeschränkungen, wobei Szenario 3 die optimale Antriebsleistung der drei Szenarien in Bezug auf Drehmoment und Leistung bietet.
4A stellt die relative Drehmoment-Drehzahl-Leistung der drei Szenarien bei Betrieb mit der zweiten/hohen Spannung VH dar, die durch die S-Verbindungskonfiguration von 2B ermöglicht wird. Szenario 3 (Kurve Sc3) bietet einen Modus mit maximaler Antriebsleistung. Szenario 3 kann in einigen Ausführungsformen ein Standardmodus sein und soll ein Spitzendrehmoment von annähernd 350Nm in dem nicht begrenzenden illustrativen Beispiel liefern, in dem VH = 700V. Dieses Spitzendrehmomentniveau wird bis zu einer Drehzahl von etwa 10.000-12.000 U/min beibehalten. Danach nimmt das Spitzendrehmoment zum obersten Ende des Drehzahlbereichs hin ab, z.B. auf etwa 220Nm bei 16.000 U/min. Szenario 3 (Kurve Sc3) kann vom Block B112 von 3 aus erreicht werden und kann einer Abwesenheit von Fehlern oder Einschränkungen im RESS 11 oder dem Kühlsystem 11C von 1 entsprechen.
Szenario 2 (Kurve Sc2) kann anstelle von Szenario 3 (Kurve Sc3) als Reaktion auf Fehler oder Einschränkungen im Kühlsystem 11C verwendet werden, z.B. aufgrund von thermischer Belastung oder Anforderung oder aufgrund der Dimensionierung des Kühlsystems 11C, so dass ein optimalerer Drehmomentbetrag für die Hochgeschwindigkeitsleistung auf einem Niveau verfügbar bleibt, das unter dem liegt, das im maximalen Leistungsmodus von Szenario 3 (Kurve Sc3) verfügbar ist. Szenario 2 ermöglicht somit immer noch eine relativ hohe Drehmoment-/Drehzahl-Leistung über eine gegebene Verlusthüllkurve, wenn auch die Trajektorie des Spitzendrehmoments am Punkt _TX abfällt, z.B. bei etwa 6.000 U/min gegenüber etwa 11.000 U/min bei Szenario 3. Am obersten Ende des Drehzahlbereichs, d.h. bei 16.000 U/min, erreicht das Spitzendrehmoment in diesem speziellen Beispiel etwa 200 Nm, d.h. etwa 90% des in Szenario 3 erreichten Niveaus. Die Leistungsverluste werden jedoch im Vergleich zum Betrieb in Szenario 3 um etwa 30-35 Prozent reduziert, zum Beispiel von 29 kW in Szenario 3 auf 18,5 kW in Szenario 2. In dem zwischen den Kurveen 3 und 2 definierten Betriebsbereich kann die Steuerung 50 die S-Verbindungskonfiguration von 2B wählen.
Szenario 1 (Kurve 1) bietet von den drei betrachteten Szenarien 1, 2 und 3 die geringste Verlustleistung und kann daher als hocheffizienter Modus angesehen werden. Unterhalb von Leiterbahn 1 kann die Steuerung 50 entweder in der P-Verbindungskonfiguration von 2A oder in der S-Verbindungskonfiguration von 2B arbeiten, abhängig von der im Block B108 durchgeführten Verlustbestimmung. Wenn zum Beispiel aufgrund eines Fehlers und/oder einer Konstruktion mit niedriger C-Rate der RESS 11 eine begrenzte Batterieleistung hat, kann die Steuerung 50 den Betrieb gemäß Szenario 1 steuern. Wie bei Szenario 2 beginnt das Spitzendrehmoment am Punkt _TX abzufallen und weicht danach schnell von den Fähigkeiten der Szenarien 2 und 3 ab, um ein Spitzendrehmoment bei 16.000 U/min von etwa 95Nm oder weniger als die Hälfte der Spitzendrehmomente der Szenarien 2 und 3 zu liefern. Szenario 1 kann z.B. vom Block B108 von 3 aktiviert werden, wenn die Leistungsverluste auf dem ersten/niedrigen Spannungsniveau VL der in 2A gezeigten P-Verbindungskonfiguration geringer sind als die Leistungsverluste auf dem zweiten/hohen Spannungsniveau VH von 2B der S-Verbindungskonfiguration.
4B und 4C zeigen die gleichen Szenarien 1, 2 und 3 in Bezug auf Spitzenleistung (4B) und Spitzeneffektivstrom (4C). In 4B zum Beispiel beträgt die Spitzenleistung von Szenario 1 (Kurve Sc1) am Punkt PX etwa 195 kW und tritt bei etwa 5.500 U/min auf, wobei die Leistung danach allmählich auf etwa 150 kW in diesem nicht-begrenzenden Beispiel abnimmt. Die Spitzenleistung für Szenario 2 (Kurve Sc2) ist viel höher, d.h. etwa 340 kW, und tritt bei einer höheren Geschwindigkeit von etwa 12.000 U/min auf. Die Spitzenleistung von Szenario 3 (Kurve Sc3), bei dem es sich um die oben erwähnte Betriebsart mit maximaler Leistung handelt, ist etwas höher als die von Szenario 2, d.h. etwa 380 kW bei einer etwas niedrigeren Drehzahl von etwa 11.000 U/min.
In Bezug auf den in 4C dargestellten Spitzen-Effektivstrom zeigt eine Basis-Stromkurve BL eine typische Stromgeschwindigkeitsleistung auf dem ersten/niedrigsten Spannungsniveau VL ohne Konfiguration und Kalibrierung des Reglers 50 mit dem Verfahren 100. Die Kurven Sc1, Sc2 und Sc3, wie in 4A und 4B, stellen die Szenarien 1, 2 und 3 dar. In Bezug auf die Basiskurve BL zeigt Szenario 1 (Kurve Sc1) eine erhebliche Abnahme des Spitzenstroms, während die Szenarien 2 und 3 eine entsprechende Zunahme des Spitzenstroms in Bezug auf die Basiskurve BL darstellen, wobei in Szenario 2 (Kurve Sc2) effektiv die gleichen maximalen Verluste auftreten wie in der Basiskurve BL. Daher kann die verlustbasierte Bestimmung des Zeitpunkts des Übergangs von dem ersten/niedrigen Spannungsniveau VL auf das zweite/hohe Spannungsniveau VH beim Betrieb des RESS 11 Effizienz- und Leistungsvorteile im Vergleich zum Dauerbetrieb auf dem ersten/niedrigen Spannungsniveau VL bieten.
Die Steuerung 50 wählt und implementiert die S-Verbindungskonfiguration gemäß einem bestimmten drehzahlbasierten Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil und wählt möglicherweise die S-Verbindungskonfiguration von 2B gemäß mindestens einem zusätzlichen drehzahlbasierten Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil als Reaktion auf einen festgestellten Fehler oder eine Begrenzung des elektrischen Antriebssystems 10 aus 1. In einer solchen Ausführungsform umfasst das Standardbetriebsprofil für drehzahlbasiertes Drehmoment und Leistung, z.B. 5, ein höheres Spitzenleistungsniveau und ein höheres Mindestdrehmomentniveau als das mindestens eine zusätzliche drehzahlbasierte Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil, wofür Beispiele in 6 oder 7 gezeigt sind, was über einen vorbestimmten Drehzahlbereich der elektrischen Maschine 12 gilt. 6 und 7 können ebenfalls einem Paar solcher zusätzlichen Betriebsprofile entsprechen, wobei 6 ein höheres Spitzenleistungsniveau und ein höheres minimales Drehmomentniveau darstellt als 7.
Die Szenarien 1, 2 und 3 können auch unter Bezugnahme auf die Drehmoment-Leistungs-Drehzahl-Kurven 60, 70 und 80 der jeweiligen 5, 6 und 7 verstanden werden. In den Drehmoment-Leistungs-Drehzahl-Kurven 60 von 5 sind die Kurven T_BL und P_BL entsprechende Basis-Drehmoment- und Leistungs-Kurven für eine repräsentative P-gekoppelte Konfiguration (2A), die das erste/niedrigste Spannungsniveau VL liefert, der in diesem exemplarischen Fall etwa 350 V beträgt. Die Basisleistung ist auch in den Drehmoment-Leistungs-Drehzahl-Kurven 80 von 7 dargestellt, d.h. in Szenario 1, in dem die Drehmoment- und Leistungsleistung auf dem zweiten/hohen Spannungsniveau VH, z.B. etwa 700 V, nominell ähnlich der Basisleistung auf einem nominellen Spannungsniveau von 350 V ist, aber aufgrund des Effekts der Verringerung der Flussschwächungsverluste effizienter läuft. Der Spitzenstrom (nicht dargestellt), der bei niedrigen Drehzahlen der elektrischen Maschine 12 zur Verfügung gestellt wird, ist für die Szenarien 1, 2 und 3 und die Basisleistung im Wesentlichen gleich.
Die S-Verbindungskonfiguration von 2B, die in der vorliegenden illustrativen Ausführung nominell 700 V beträgt, bietet Drehmoment- und Leistungssteigerungsmöglichkeiten bei höheren Drehzahlen der elektrischen Maschine 12. Die Szenarien 3 und 2 sind in 5 bzw. 6 unter Verwendung der Drehmomentkurven T3 und T2 und der Leistungskurven P3 undP2 dargestellt. Wie von einem gewöhnlichen Fachmann im Hinblick auf die vorliegende Offenlegung geschätzt wird, könnten die drei Betriebsszenarien der vorliegenden Lehre in drei verschiedenen Hardware-Plattformen implementiert werden.
Beispielsweise könnte das elektrische Antriebssystem 10 aus 1 in der Konfiguration VH des zweiten/hohen Spannungsniveaus das Szenario 1 verwenden, das in den Leistungs-Drehzahl-Verläufen 80 aus 7 dargestellt ist, in denen die RESS 11 auf der Grundlage des optimalen Drehmoments bei niedriger Drehzahl dimensioniert ist, um einen verbesserten Wirkungsgrad und geringere Leistungsverluste bei höheren Maschinengeschwindigkeiten zu erreichen. Eine solche Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 10 wäre in der Lage, etwa das gleiche Spitzendrehmoment wie das 350V-Basissystem zu erzeugen, wie aus dem Vergleich von 5 und 7 ersichtlich ist.
Beispielsweise könnte unter Szenario 2 von 6 eine repräsentative 700V-Variante des RESS 11 (d.h. VH = 700V) unter Verwendung von verbesserten Batteriezellen, d.h. Batteriezellen mit hoher C-Rate, hergestellt werden, um Operationen mit höherer Geschwindigkeit/hohem Drehmoment mit verbesserten Wirkungsgraden im Vergleich zur Grundlinie und mit höherem Drehmoment und höherer Leistung zu unterstützen. Der schattierte Betriebsbereich 75 stellt eine solche Leistung dar. Ebenso könnte Szenario 3 von 5 in der gleichen nominalen 700V-Beispielkonfiguration mit verbesserten Batteriezellen und einem ordnungsgemäß funktionierenden/großen Kühlsystem 11C implementiert werden, wobei die Größe des RESS 11 auf niedrigsten Spitzen-Hochgeschwindigkeitsverlusten basiert und/oder so gesteuert wird, dass ein optimaler Wirkungsgrad mit höherem Drehmoment und höherer Leistung im Vergleich zum 350V-Basissystem erreicht wird.
In einer möglichen Ausführungsform könnte das elektrische Antriebssystem 10 aus 1 optional für eines der drei offengelegten Szenarien konfiguriert werden, wobei der Speicher (M) der Steuerung 50 mit einer bestimmten Ausführungsform des Verfahrens 100 entsprechend der implementierten Hardwarelösung geflasht wird. Beispielsweise könnte eine Fahrzeug-Ausführungsform, die eine Hochleistungskonfiguration des elektrischen Antriebssystems 10 verwendet, die Steuerung 50 so programmieren, dass sie das Szenario 3 von 5 implementiert, was eine optimale Drehmoment- und Leistungsleistung bei hoher Geschwindigkeit im Betriebsbereich 65 ermöglichen würde. Ebenso kann ein Fahrzeug, das eine hocheffiziente Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 10 verwendet, eine optimale Drehmoment- und Leistungsleistung bei niedrigen Geschwindigkeiten bevorzugen, wobei die Steuerung 50 eines solchen Fahrzeugs möglicherweise so programmiert ist, dass sie gemäß Szenario 1 von 7 oder Szenario 2 von 6 arbeitet. Somit würde die verlustbasierte Entscheidung darüber, ob und wann zwischen den Modi von 2A und 2B übergegangen werden soll, in einer solchen Ausführungsform gemäß einer der Drehmoment-Leistungs-Geschwindigkeits-Kurven 60, 70 oder 80 erfolgen.
Alternativ kann das elektrische Antriebssystem 10 aus 1 so konfiguriert werden, dass es in Szenario 3 aus 5 als Standardmodus arbeitet, wobei die Steuerung 50 selektiv die Szenarien 2 oder 1 als Reaktion auf die Erkennung einer Betriebslast oder einer störungsbedingten Leistungsbegrenzung des RESS 11 und/oder des Kühlsystems 11C implementiert. Beispielsweise kann die Steuerung 50 das Szenario 2 allein angesichts eines festgestellten Fehlers oder einer Begrenzung im Kühlsystem 11C implementieren und das Szenario 1 als Reaktion auf einen festgestellten Fehler oder eine Begrenzung im RESS 11 implementieren. In einer solchen Ausführungsform würde die Steuerung 50 das Hochgeschwindigkeits-Drehmoment und die Leistung des elektrischen Antriebsstrangs 10 nach Bedarf als Reaktion auf die oben genannten Fehler oder Begrenzungen progressiv begrenzen. Die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen erfordern die Konstruktion von Hardware-Komponenten, die für das Hochspannungsniveau VH ausgelegt sind, wobei die Gesamtsteuerung des Schaltvorgangs des RESS 11 und des Betriebs der elektrischen Maschine 12 während der Übergänge zwischen den Konfigurationen mit P- und S-Anschluss beibehalten wird, um Störungen des Antriebsstrangs und Stromübergänge zu minimieren.
Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen für die Ausübung der in den beigefügten Ansprüchen definierten gegenwärtigen Lehren. Diejenigen, die sich in der Kunst auskennen, werden erkennen, dass Änderungen an den offengelegten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus schließen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale ein. Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, wobei der Geltungsbereich der vorliegenden Lehren allein durch die Ansprüche definiert wird.

Claims

Elektrisches Antriebssystem, aufweisend: eine mehrphasige elektrische Rotationsmaschine, die so konfiguriert ist, dass sie ein Drehmoment auf eine Last überträgt; ein an die elektrische Maschine angeschlossenes Traktionsstromwandler-Modul („TPIM“); ein rekonfigurierbares Energiespeichersystem („RESS“), das mit dem TPIM verbunden ist und mehrere Batteriemodule und einen Schaltkreis aufweist, wobei die Batteriemodule über den Betrieb des Schaltkreises selektiv in einer parallelgeschalteten („P-verbundenen“) Konfiguration bei einem ersten/niedrigen Batteriespannungsniveau und einer in Reihe geschalteten („S-verbundenen“) Konfiguration bei einem zweiten/hohen Batteriespannungsniveau, das das erste/niedrige Batteriespannungsniveau übersteigt, über den Betrieb des Schaltkreises verbindbar sind; und eine Steuerung, die mit einem vorbestimmten Leistungsverlust des elektrischen Antriebssystems auf dem ersten/niedrigen Batteriespannungsniveau bzw. dem zweiten/hohen Batteriespannungsniveau programmiert ist, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie ein befohlenes Ausgangsdrehmoment und eine befohlene Ausgangsgeschwindigkeit der elektrischen Maschine empfängt und die S-Verbindungskonfiguration oder die P-Verbindungskonfiguration auf der Grundlage des vorbestimmten Leistungsverlustes, des befohlenen Ausgangsdrehmoments und der befohlenen Ausgangsgeschwindigkeit auswählt.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, bei dem die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie die S-Verbindungskonfiguration oder die P-Verbindungskonfiguration zumindest teilweise darauf basiert, ob die befohlene Ausgangsdrehzahl eine kalibrierte Basisgeschwindigkeit überschreitet, über der ein tatsächliches Ausgangsdrehmoment der elektrischen Maschine in Richtung auf einen minimalen Drehmomentwert abnimmt.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 2, bei dem die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie die Konfiguration mit S-Anschluss auswählt, wenn die Soll-Ausgangsdrehzahl die Grundgeschwindigkeit überschreitet und das Soll-Ausgangsdrehmoment kleiner als ein kalibriertes maximales Drehmoment auf dem zweiten/Hochspannungsniveau ist.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 3, bei dem die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie die P-Verbindungskonfiguration auswählt, wenn die Basisgeschwindigkeit die befohlene Ausgangsgeschwindigkeit überschreitet, das kalibrierte maximale Drehmoment das befohlene Ausgangsdrehmoment überschreitet und der vorbestimmte Leistungsverlust auf dem ersten/niedrigen Spannungsniveau der P-Verbindungskonfiguration geringer ist als der vorbestimmte Leistungsverlust auf dem zweiten/hohen Spannungsniveau der S-Verbindungskonfiguration.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, bei dem die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie ohne einen Fehler oder eine Begrenzung des elektrischen Antriebssystems die S-Verbindungskonfiguration gemäß einem drehzahlbasierten Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil auswählt.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 5, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie als Reaktion auf den Fehler oder die Begrenzung des elektrischen Antriebssystems die S-Verbindungskonfiguration gemäß mindestens einem zusätzlichen drehzahlbasierten Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil auswählt, und wobei das voreingestellte drehzahlbasierte Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil über einen vorbestimmten Drehzahlbereich der elektrischen Maschine ein höheres Spitzenleistungsniveau und ein höheres minimales Drehmomentniveau als das mindestens eine zusätzliche drehzahlbasierte Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil aufweist.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 5, ferner umfassend: ein Kühlsystem, das so konfiguriert ist, dass es die Temperatur der elektrischen Maschine und der zugehörigen Leistungselektronik reguliert, wobei der Fehler oder die Begrenzung des elektrischen Antriebssystems einen Fehler oder eine Begrenzung des Kühlsystems einschließt.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine zusätzliche drehzahlbasierte Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil ein erstes und ein zweites zusätzliches drehzahlbasiertes Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil umfasst, wobei das erste zusätzliche drehzahlbasierte Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil ein höheres Spitzenleistungsniveau und ein höheres minimales Drehmomentniveau als das zweite zusätzliche drehzahlbasierte Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil aufweist, und wobei die elektrische Maschine in Reaktion auf einen Fehler oder eine Begrenzung des Kühlsystems gemäß dem ersten zusätzlichen drehzahlbasierten Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil und in Reaktion auf einen Fehler oder eine Begrenzung des RESS gemäß dem zweiten zusätzlichen drehzahlbasierten Drehmoment- und Leistungsbetriebsprofil arbeitet.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei das erste/niedrige Spannungsniveau mindestens 250 V bis 400 V und das zweite/hohe Spannungsniveau mindestens 500 V bis 800 V beträgt.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, bei dem die Last einen Satz von Laufrädern umfasst, die mit der elektrischen Maschine verbunden sind.