DE102021100668A1

DE102021100668A1 - Verstärktes elektrisches antriebssystem für elektro-lkw und hochleistungsfahrzeuge

Info

Publication number: DE102021100668A1
Application number: DE102021100668.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas W. Nehl; Alireza Fatemi; Chandra S. Namuduri
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-02-05
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2021-08-05
Also published as: CN113224981A; US20210237587A1

Abstract

Ein modulares Antriebssystem umfasst einen ersten Motor und einen zweiten Motor. Der erste Motor erzeugt ein erstes Drehmoment über eine erste Drehmomentbandbreite und hat einen ersten Stator, einen ersten Rotor und eine erste Wicklung. Die erste Wicklung hat eine erste Anzahl von Windungen, einen ersten Leiterbereich und eine erste Isolierung, die für eine erste Spitzenspannung des ersten Motors geeignet ist. Der zweite Motor erzeugt das erste Drehmoment über eine zweite Drehmomentbandbreite und hat einen zweiten Stator, der zu dem ersten Stator passt, einen zweiten Rotor, der zu dem ersten Rotor passt, und eine zweite Wicklung. Die zweite Wicklung hat die erste Windungszahl, den ersten Leiterbereich und eine zweite Isolierung, die für eine zweite Spitzenspannung des zweiten Motors geeignet ist. Die zweite Spitzenspannung ist größer als die erste Spitzenspannung. Die zweite Drehmomentbandbreite ist größer als die erste Drehmomentbandbreite.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren für ein verstärktes elektrisches Antriebssystem für Elektro-LKW und Hochleistungsfahrzeuge.
Elektro-LKWs haben einen breiten Leistungsbedarf für den Pendelverkehr, den Transport und den Anhängerbetrieb. Zu den Konstruktionskriterien von leistungsstarken Elektrofahrzeugen gehören hohe Anforderungen an das Beschleunigungsverhalten und an die Geschwindigkeit. Bestehende elektrische Antriebssysteme haben einen Drehmoment-Leistungsbereich bis zu einer Grundgeschwindigkeit. Oberhalb der Grunddrehzahl haben die elektrischen Antriebssysteme einen annähernd konstanten Leistungsbereich. Der konstante Leistungsbereich bedeutet, dass ein einzelner großer Elektromotor oder mehrere kleinere Elektromotoren eingesetzt werden, um das vorgegebene Drehmoment zu erreichen. In der Praxis werden üblicherweise drei bis vier der kleineren Elektromotoren in Elektrofahrzeugkonstruktionen eingesetzt. Die Größe eines einzelnen großen Elektromotors oder die Implementierung mehrerer kleinerer Elektromotoren führt zu einer reduzierten Leistungsdichte, ist nicht effizient und führt zu Problemen beim Packaging. Gewünscht ist eine verstärkte elektrische Antriebstechnik für Elektro-LKW und Hochleistungsfahrzeuge.
BESCHREIBUNG
Hier wird ein modulares Antriebssystem bereitgestellt. Das modulare Antriebssystem umfasst einen ersten Motor und einen zweiten Motor. Der erste Motor ist so konfiguriert, dass er ein erstes Drehmoment über eine erste Drehmomentbandbreite erzeugt, und hat einen ersten Stator, einen ersten Rotor und eine erste Wicklung auf dem ersten Stator. Die erste Wicklung hat eine erste Anzahl von Windungen, einen ersten Leiterbereich und eine erste Isolierung, die für eine erste Spitzenspannung des ersten Motors geeignet ist. Der zweite Motor ist so konfiguriert, dass er das erste Drehmoment über eine zweite Drehmomentbandbreite erzeugt, und hat einen zweiten Stator, der zu dem ersten Stator passt, einen zweiten Rotor, der zu dem ersten Rotor passt, und eine zweite Wicklung auf dem zweiten Stator. Die zweite Wicklung hat die erste Windungszahl, den ersten Leiterbereich und eine zweite Isolierung, die für eine zweite Spitzenspannung des zweiten Motors geeignet ist. Die zweite Spitzenspannung des zweiten Motors ist größer als die erste Spitzenspannung des ersten Motors. Die zweite Drehmomentbandbreite des zweiten Motors ist größer als die erste Drehmomentbandbreite des ersten Motors.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das modulare Antriebssystem ferner einen ersten Wechselrichter, der so konfiguriert ist, dass er dem ersten Motor eine erste elektrische Leistung bei der ersten Spitzenspannung bereitstellt, und der ein erstes Gehäusevolumen und ein Kondensatorvolumen aufweist; und einen zweiten Wechselrichter, der so konfiguriert ist, dass er dem zweiten Motor eine zweite elektrische Leistung bei der zweiten Spitzenspannung bereitstellt, und der das erste Gehäusevolumen und das Kondensatorvolumen aufweist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das modulare Antriebssystem ferner eine erste Steuerung, die mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie eine Feldschwächung befiehlt, während sich der erste Motor oberhalb einer ersten Eckdrehzahl dreht; und eine zweite Steuerung, die mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie die Feldschwächung befiehlt, während sich der zweite Motor oberhalb einer zweiten Eckdrehzahl dreht. Die zweite Eckdrehzahl ist schneller als die erste Eckdrehzahl.
In einer oder mehreren Ausführungsformen des modularen Antriebssystems ist die erste Steuerung so konfiguriert, dass sie den ersten Motor in einem ersten Modus betreibt, und die zweite Steuerung ist so konfiguriert, dass sie den zweiten Motor alternativ im ersten Modus und in einem zweiten Modus betreibt.
In einer oder mehreren Ausführungsformen des modularen Antriebssystems reduziert der erste Modus ein erstes zulässiges Spitzendrehmoment, während sich der erste Motor schneller als die erste Eckdrehzahl dreht, und der zweite Modus reduziert ein zweites zulässiges Spitzendrehmoment, während sich der zweite Motor schneller als die zweite Eckdrehzahl dreht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen des modularen Antriebssystems ist die zweite Steuerung ferner so konfiguriert, dass sie den zweiten Motor in einem Zwischenmodus betreibt, während der zweite Motor schneller dreht als die erste Eckdrehzahl.
In einer oder mehreren Ausführungsformen des modularen Antriebssystems wird der zweite Motor anstelle des ersten Motors und der zweite Wechselrichter anstelle des ersten Wechselrichters innerhalb eines Fahrzeugs eingesetzt.
In einer oder mehreren Ausführungsformen des modularen Antriebssystems arbeitet der erste Wechselrichter mit einer ersten Pulsweitenmodulationsfrequenz, der zweite Wechselrichter arbeitet mit einer zweiten Pulsweitenmodulationsfrequenz, und die zweite Pulsweitenmodulationsfrequenz ist größer als die erste Pulsweitenmodulationsfrequenz.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das modulare Antriebssystem außerdem ein eingängiges Getriebe, das mit dem ersten Motor gekoppelt ist, und ein mehrgängiges Getriebe, das mit dem zweiten Motor gekoppelt ist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines modularen Antriebssystems wird hierin bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Herstellen eines ersten Motors und das Erzeugen eines zweiten Motors. Der erste Motor ist so konfiguriert, dass er ein erstes Drehmoment über eine erste Drehmomentbandbreite erzeugt, und hat einen ersten Stator, einen ersten Rotor und eine erste Wicklung auf dem ersten Stator. Die erste Wicklung hat eine erste Anzahl von Windungen, einen ersten Leiterbereich und eine erste Isolierung, die für eine erste Spitzenspannung des ersten Motors geeignet ist. Der zweite Motor ist so konfiguriert, dass er das erste Drehmoment über eine zweite Drehmomentbandbreite erzeugt, und hat einen zweiten Stator, der zu dem ersten Stator passt, einen zweiten Rotor, der zu dem ersten Rotor passt, und eine zweite Wicklung auf dem zweiten Stator. Die zweite Wicklung hat die erste Windungszahl, den ersten Leiterbereich und eine zweite Isolierung, die für eine zweite Spitzenspannung des zweiten Motors geeignet ist. Die zweite Spitzenspannung des zweiten Motors ist größer als die erste Spitzenspannung des ersten Motors. Die zweite Drehmomentbandbreite des zweiten Motors ist größer als die erste Drehmomentbandbreite des ersten Motors.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Herstellen eines ersten Wechselrichters und das Erzeugen eines zweiten Wechselrichters. Der erste Wechselrichter ist so konfiguriert, dass er eine erste elektrische Leistung an den ersten Motor bei der ersten Spitzenspannung liefert, und hat ein erstes Gehäusevolumen und ein Kondensatorvolumen. Der zweite Wechselrichter ist so konfiguriert, dass er eine zweite elektrische Leistung für den zweiten Motor bei der zweiten Spitzenspannung bereitstellt, und hat das erste Gehäusevolumen und das Kondensatorvolumen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Herstellen einer ersten Steuerung, die mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie eine Feldschwächung befiehlt, während sich der erste Motor oberhalb einer ersten Eckdrehzahl dreht; und das Herstellen einer zweiten Steuerung, die mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie die Feldschwächung befiehlt, während sich der zweite Motor oberhalb einer zweiten Eckdrehzahl dreht. Die zweite Eckdrehzahl ist schneller als die erste Eckdrehzahl.
In einer oder mehreren Ausführungsformen des Verfahrens ist die erste Steuerung so konfiguriert, dass sie den ersten Motor in einem ersten Modus betreibt, und die zweite Steuerung ist so konfiguriert, dass sie den zweiten Motor abwechselnd in dem ersten Modus und in einem zweiten Modus betreibt.
In einer oder mehreren Ausführungsformen des Verfahrens reduziert der erste Modus ein erstes zulässiges Spitzendrehmoment, während sich der erste Motor schneller als die erste Eckdrehzahl dreht, und der zweite Modus reduziert ein zweites zulässiges Spitzendrehmoment, während sich der zweite Motor schneller als die zweite Eckdrehzahl dreht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen des Verfahrens ist die zweite Steuerung ferner so konfiguriert, dass sie den zweiten Motor in einem Zwischenmodus betreibt, während der zweite Motor schneller dreht als die erste Eckgeschwindigkeit.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner die Implementierung des zweiten Motors anstelle des ersten Motors in einem Fahrzeug und die Implementierung des zweiten Wechselrichters anstelle des ersten Wechselrichters in dem Fahrzeug.
Hier wird ein modulares Antriebssystem bereitgestellt. Das modulare Antriebssystem umfasst einen ersten Motor und einen zweiten Motor. Der erste Motor ist so konfiguriert, dass er ein erstes Drehmoment über eine erste Drehmomentbandbreite erzeugt, und hat einen ersten Stator, einen ersten Rotor und eine erste Wicklung auf dem ersten Stator. Die erste Wicklung hat eine erste Anzahl von Windungen, einen ersten Leiterbereich und eine erste Isolierung, die für einen ersten Spitzenstrom des ersten Motors geeignet ist. Der zweite Motor ist so konfiguriert, dass er das erste Drehmoment über eine zweite Drehmomentbandbreite erzeugt, und hat einen zweiten Stator, der zu dem ersten Stator passt, einen zweiten Rotor, der zu dem ersten Rotor passt, und eine zweite Wicklung auf dem zweiten Rotor. Die zweite Wicklung hat eine zweite Windungszahl, einen zweiten Leiterbereich und die erste Isolierung ist für einen zweiten Spitzenstrom des zweiten stromverstärkten Motors geeignet. Der zweite Spitzenstrom des zweiten Motors ist größer als der erste Spitzenstrom des ersten Motors. Die zweite Drehmomentbandbreite des zweiten Motors ist größer als die erste Drehmomentbandbreite des ersten Motors.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das modulare Antriebssystem ferner einen ersten Wechselrichter, der so konfiguriert ist, dass er dem ersten Motor eine erste elektrische Leistung bei dem ersten Spitzenstrom bereitstellt, und der ein erstes Gehäusevolumen und ein Kondensatorvolumen aufweist; und einen zweiten Wechselrichter, der so konfiguriert ist, dass er dem zweiten Motor eine zweite elektrische Leistung bei dem zweiten Spitzenstrom bereitstellt, und der ein zweites Gehäusevolumen aufweist, das größer als das erste Gehäusevolumen ist, und ein weiteres Kondensatorvolumen, das größer als das Kondensatorvolumen ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das modulare Antriebssystem ferner eine erste Steuerung, die mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie eine Feldschwächung befiehlt, während sich der erste Motor oberhalb einer ersten Eckdrehzahl dreht; und eine zweite Steuerung, die mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie die Feldschwächung befiehlt, während sich der zweite Motor oberhalb einer zweiten Eckdrehzahl dreht. Die zweite Eckdrehzahl ist schneller als die erste Eckdrehzahl.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das modulare Antriebssystem außerdem ein eingängiges Getriebe, das mit dem ersten Motor gekoppelt ist, und ein mehrgängiges Getriebe, das mit dem zweiten Motor gekoppelt ist.
Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform zur Ausführung der Offenbarung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Figuren gesetzt werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines modularen Antriebssystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
2 ist ein Diagramm des Spitzendrehmoments als Funktion der Drehzahl gemäß einer Beispielsausführungsform des modularen Antriebssystems.
3 ist ein Diagramm der Spitzenleistung als Funktion der Drehzahl gemäß einer Beispielsausführungsform des modularen Antriebssystems.
4 ist ein Flussdiagramm eines Kalibrierungsverfahrens in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems.
5 ist ein Diagramm eines resultierenden Betriebs unter Verwendung einer Kalibrierungsabbildung in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems.
6 ist ein Flussdiagramm eines Steuerungsverfahrens in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems.
7 ist ein Diagramm von Drehmoment/Leistung in Abhängigkeit von der Drehzahl gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems.
8 ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugs mit vier Motoren und eines Fahrzeugs mit zwei Motoren, das eine 2-fache Spannungserhöhung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems verwendet.
9 ist ein schematisches Diagramm des Vier-Motoren-Fahrzeugs und eines Zwei-Motoren-Fahrzeugs mit einer 2X-Stromverstärkung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems.
10 ist eine schematische Darstellung eines dreimotorigen Fahrzeugs und des zweimotorigen Fahrzeugs, das die 2X-Spannungserhöhung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems verwendet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der Offenbarung können ein modulares Antriebssystem bereitstellen, das für die Implementierung in elektrischen Lastkraftwagen und/oder Hochleistungsfahrzeugen mit einem breiten Spektrum von Betriebsregimen geeignet ist. Einstellbare Eckdrehzahlen und Drehmomentbandbreiten ermöglichen es im Allgemeinen, dass eine einzige Maschine sowohl für Mainstream- als auch für Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden kann. Die Ausführungsformen stellen im Allgemeinen eine modulare Antriebstechnologie/Architektur zur Verfügung, die effiziente elektrische Hochleistungs-Antriebssysteme unter Verwendung einer reduzierten Anzahl der vorhandenen elektrischen Maschinen mit geringerer Leistung ermöglicht, bei denen ein Drehmoment-Betriebsband verbreitert wird. Der modulare Antriebsansatz kann die Schaffung von zwei oder mehr austauschbaren Typen von Motoren, Wechselrichtern, Getrieben, Batterien, Kühlsystemen und/oder Steuerungen umfassen. Das Erstellen kann das Entwerfen, Herstellen, Fertigen und/oder Installieren der verschiedenen Komponenten in zwei oder mehr Fahrzeugtypen umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen können ein oder mehrere spannungs- oder stromverstärkte Permanentmagnetmotoren geschaffen werden, um eine Drehmomentbandbreite und/oder eine Leistungsdichte in den Fahrzeugen zu erhöhen. In Kombination mit einem mehrstufigen Getriebe können die verstärkten Motoren die Anforderungen an das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen erfüllen. Die Spannungsverstärkung oder Stromverstärkung kann die Feldschwächung reduzieren und so den Hochgeschwindigkeitswirkungsgrad und die Leistung verbessern.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften modularen Antriebssystems 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. Das modulare Antriebssystem 10 umfasst im Allgemeinen ein erstes Antriebssystem 40 und ein zweites Antriebssystem 100. Das erste Antriebssystem 40 kann mehrere erste Wechselrichter 42a-42b, mehrere erste Motoren 44a-44b, mehrere erste Getriebe 46-46b, eine erste Batterie 54, ein erstes Kühlsystem 56 und eine erste Steuerung 58 umfassen. Die ersten Motoren 44a-44b können mehrere erste Rotoren 48a-48b, mehrere erste Statoren 50a-50b und mehrere erste Wicklungen 52a-52b umfassen.
Das zweite Antriebssystem 100 umfasst im Allgemeinen einen zweiten Wechselrichter 102, einen zweiten Motor 104, ein zweites Getriebe 106, eine zweite Batterie 114, ein zweites Kühlsystem 116 und eine zweite Steuerung 118. Der zweite Motor 104 kann einen zweiten Rotor 108, einen zweiten Stator 110 und eine zweite Wicklung 112 umfassen.
Das erste Antriebssystem 40 und das zweite Antriebssystem 100 können in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Das Fahrzeug kann als Elektrofahrzeug implementiert sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Elektrofahrzeug umfassen, ist aber nicht beschränkt auf, ein Personenfahrzeug, ein LKW, ein autonomes Fahrzeug, ein Hybridfahrzeug, ein Motorrad, ein Boot, ein Zug und/oder ein Flugzeug. Andere Arten von Elektrofahrzeugen können implementiert werden, um die Konstruktionskriterien einer bestimmten Anwendung zu erfüllen.
Das erste Antriebssystem 40 kann als Basisantriebssystem bezeichnet werden. Das erste Antriebssystem 40 ist im Allgemeinen betriebsbereit, um eine variable Leistung, ein variables Drehmoment und eine variable Geschwindigkeit an ein Antriebsrad des Fahrzeugs zu liefern. Das erste Antriebssystem 40 kann so konfiguriert sein, dass es eine normierte eine Leistungseinheit (1PU) Spitzenleistung/Drehmoment über eine normierte eine Leistungseinheit Drehmoment-Bandbreite erzeugt.
Die ersten Wechselrichter 42a-42b können mehrphasige Wechselrichterschaltungen implementieren. Die ersten Wechselrichter 42a-42b wandeln im Allgemeinen eine erste elektrische Gleichstromleistung in eine erste mehrphasige elektrische Leistung um, die geeignet ist, das erste Antriebssystem 40 zu versorgen. Die erste elektrische DC-Leistung kann in einem Bereich von 250 bis 400 Volt DC (Gleichstrom) liegen.
Die ersten Motoren 44a-44b können Permanentmagnet-Elektromotoren (oder Maschinen) sein. Die ersten Motoren 44a-44b sind im Allgemeinen in Betrieb, um eine erste Leistung/Drehmoment aus der ersten mehrphasigen elektrischen Leistung zu erzeugen, die von den ersten Wechselrichtern 42a-42b empfangen wird. In verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Motor 44a mit dem ersten Wechselrichter 42a gekoppelt sein. Der zweite Motor 44b kann mit dem zweiten Wechselrichter 42b gekoppelt sein. Andere Typen von Elektromotoren, wie z. B. Induktionsmotoren, können implementiert werden, um die Konstruktionskriterien einer bestimmten Anwendung zu erfüllen.
Die ersten Getriebe 46-46b können als Ein-Gang-Getriebe ausgeführt sein. Die ersten Getriebe 46a-46b können dazu dienen, die von den ersten Motoren 44a-44b empfangene erste Leistung/Drehmoment auf die Antriebsräder des ersten Antriebssystems 40 zu übertragen. Um die Konstruktionskriterien einer bestimmten Anwendung zu erfüllen, können mehrgängige Getriebe implementiert werden.
Die ersten Rotoren 48a-48b können als Permanentmagnet-Rotoren ausgeführt sein. Die ersten Rotoren 48a-48b sind im Allgemeinen betriebsbereit, um die erste Leistung/das erste Drehmoment aus elektromagnetischen Feldern zu erzeugen, die innerhalb der ersten Motoren 44a-44b durch die ersten Wicklungen 52a-52b erzeugt werden.
Die ersten Statoren 50a-50b können elektromagnetische Statoren darstellen. Die ersten Statoren 50a-50b sind im Allgemeinen in Betrieb, um die ersten Wicklungen 52a-52b zu tragen, die die ersten Rotoren 48a-48b umgeben. Jeder erste Stator 50a-50b besteht im Allgemeinen aus einer Reihe von Stahllamellen, die ein Statorpaket bilden.
Die ersten Wicklungen 52a-52b können mehrere leitende Wicklungen realisieren. Die ersten Wicklungen 52a-52b sind in den ersten Statoren 50a-50b angeordnet. Die ersten Wicklungen 52a-52b können so betrieben werden, dass sie die elektromagnetischen Felder erzeugen, die zum Drehen der ersten Rotoren 48a-48b aus dem ersten mehrphasigen elektrischen Strom verwendet werden.
Die ersten Wicklungen 52a-52b können mit einem ersten Isolator beschichtet sein, um ein erstes Niveau der elektrischen Isolierung zwischen den verschiedenen Wicklungen und den Statorstapeln zu schaffen. Das erste Niveau der elektrischen Isolierung kann geeignet sein, um bis zu einer ersten Spitzenspannung (z. B. 400 Volt DC) zu isolieren, die in der ersten mehrphasigen elektrischen Leistung vorhanden ist.
Die erste Batterie 54 kann in Betrieb sein, um die erste elektrische DC-Leistung an die ersten Wechselrichter 42a-42b zu liefern. Die erste elektrische DC-Leistung kann in einem Bereich von 250 Volt DC bis 400 Volt DC liegen. Die erste Batterie 54 hat im Allgemeinen eine erste Batterieleistung.
Das erste Kühlsystem 56 kann in Betrieb sein, um die ersten Motoren 44a-44b und die ersten Wechselrichter 42a-42b zu kühlen. Das erste Kühlsystem 56 hat im Allgemeinen eine erste Kühlleistung.
Die erste Steuerung 58 kann eine elektrische Antriebssteuerungsschaltung (oder -vorrichtung) implementieren. Die erste Steuerung 58 ist im Allgemeinen betriebsbereit, um den Betrieb der ersten Motoren 44a-44b durch die Steuerung der ersten Wechselrichter 42a-42b zu kontrollieren. Die erste Steuerung 58 kann in Hardware und/oder Software implementiert sein, die auf der Hardware ausgeführt wird.
Das zweite Antriebssystem 100 kann als Wide Torque Band (WTB) Antriebssystem bezeichnet werden. Das zweite Antriebssystem 100 ist im Allgemeinen in der Lage, eine variable Leistung, ein variables Drehmoment und eine variable Drehzahl an ein Antriebsrad des Fahrzeugs zu liefern. Das zweite Antriebssystem 100 kann so konfiguriert sein, dass es eine normierte Spitzenleistung/ein normiertes Spitzendrehmoment von einer Leistungseinheit zu mehreren (z. B. zwei) Leistungseinheiten über eine normierte breite Drehmomentbandbreite von einer Leistungseinheit zu mehreren (z. B. zwei) Leistungseinheiten erzeugt.
Der zweite Wechselrichter 102 kann eine mehrphasige Wechselrichterschaltung implementieren. Der zweite Wechselrichter 102 dient im Allgemeinen dazu, eine zweite elektrische Gleichspannung in eine zweite mehrphasige elektrische Leistung umzuwandeln, die für den Betrieb des zweiten Antriebssystems 100 geeignet ist. Die zweite elektrische DC-Leistung kann in einem Bereich von 250 Volt DC bis 1.000 Volt DC (z. B. 800 Vdc) liegen.
Der zweite Motor 104 kann ein Permanentmagnet-Elektromotor (oder eine Maschine) sein. Der zweite Motor 104 dient im Allgemeinen zur Erzeugung einer zweiten Leistung/eines zweiten Drehmoments aus der zweiten mehrphasigen elektrischen Leistung, die vom zweiten Wechselrichter 102 empfangen wird. In verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Motor 104 mit dem zweiten Wechselrichter 102 gekoppelt sein. Andere Typen von Elektromotoren, wie z. B. Induktionsmotoren, können implementiert werden, um die Konstruktionskriterien einer bestimmten Anwendung zu erfüllen.
Der zweite Motor 104 kann eine größere Drehmomentbandbreite als die ersten Motoren 44a-44b aufweisen, indem die im zweiten Motor 104 verwendete Spannung und/oder der Strom relativ zu den ersten Motoren 44a-44b erhöht wird. In einigen Ausführungsformen kann der zweite Motor 104 mit einer höheren zweiten Spannung des zweiten elektrischen Gleichstroms relativ zu der ersten Spannung des ersten elektrischen Gleichstroms betrieben werden. Zum Beispiel kann die zweite Spannung, die vom zweiten Wechselrichter 102 und dem zweiten Motor 104 verwendet wird, ein Vielfaches (z. B. das Doppelte) der ersten Spannung sein, die von den ersten Wechselrichtern 42a-42b und den ersten Motoren 44a-44b verwendet wird.
In anderen Ausführungsformen kann der zweite Motor 104 einen höheren zweiten Strom der zweiten elektrischen DC-Leistung relativ zu einem ersten Strom der ersten elektrischen DC-Leistung verbrauchen. Beispielsweise kann der zweite Strom, der von dem zweiten Wechselrichter 102 und dem zweiten Motor 104 verwendet wird, ein Vielfaches (z. B. das Doppelte) des ersten Stroms sein, der von den ersten Wechselrichtern 42a-42b und den ersten Motoren 44a-44b verwendet wird.
Das zweite Getriebe 106 kann ein mehrgängiges (z. B. zweistufiges) Getriebe sein. Das zweite Getriebe 106 kann dazu dienen, die vom zweiten Motor 104 erhaltene zweite Leistung/das zweite Drehmoment auf ein Antriebsrad des zweiten Antriebssystems 100 zu übertragen. Andere mehrgängige Getriebe können implementiert werden, um die Konstruktionskriterien einer bestimmten Anwendung zu erfüllen.
Der zweite Rotor 108 kann einen Permanentmagnet-Rotor darstellen. Der zweite Rotor 108 dient im Allgemeinen dazu, die zweite Leistung/das zweite Drehmoment aus elektromagnetischen Feldern zu erzeugen, die innerhalb des zweiten Motors 104 durch die zweiten Wicklungen 112 erzeugt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Struktur des zweiten Rotors 108 einer Struktur der ersten Rotoren 48a-48b entsprechen.
Der zweite Stator 110 kann einen elektromagnetischen Stator realisieren. Der zweite Stator 110 dient im Allgemeinen dazu, die zweite Wicklung 112 zu tragen, die den zweiten Rotor 108 umgibt. Der zweite Stator 110 umfasst im Allgemeinen die Reihe von Stahllamellen, die das Statorpaket bilden. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Struktur des zweiten Stators 110 mit einer Struktur der ersten Statoren 50a-50b übereinstimmen.
Die zweite Wicklung 112 kann mehrere leitende Wicklungen realisieren. Die zweite Wicklung 112 ist in dem zweiten Stator 110 angeordnet. Die zweite Wicklung 112 kann dazu dienen, die elektromagnetischen Felder zu erzeugen, die zum Drehen des zweiten Rotors 108 aus der zweiten mehrphasigen elektrischen Leistung verwendet werden.
Die zweite Wicklung 112 kann mit einem zweiten Isolator beschichtet sein, um eine zweite Ebene der elektrischen Isolierung zwischen den verschiedenen Wicklungen und dem Statorpaket zu schaffen. Die zweite Ebene der elektrischen Isolierung kann geeignet sein, um bis zu einer zweiten Spitzenspannung (z. B. 1.000 Volt DC) zu isolieren, die in der zweiten mehrphasigen elektrischen Leistung vorhanden ist.
Die zweite Batterie 114 kann betriebsbereit sein, um den zweiten Wechselrichter 102 mit der zweiten elektrischen Gleichspannung zu versorgen. Die zweite elektrische DC-Leistung kann in einem Bereich von 250 Volt DC bis 1.000 Volt DC liegen. Die zweite Batterie 114 ist im Allgemeinen betriebsbereit, um eine zweite Batterieleistung für den zweiten Wechselrichter 102 bereitzustellen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Batterieleistung der zweiten Batterie 114 größer sein als die erste Batterieleistung der ersten Batterie 54.
Das zweite Kühlsystem 116 kann in Betrieb sein, um den zweiten Motor 104 und den zweiten Wechselrichter 102 zu kühlen. Das zweite Kühlsystem 116 hat im Allgemeinen eine zweite Kühlleistung. In verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Kühlleistung des zweiten Kühlsystems 116 größer sein als die erste Kühlleistung des ersten Kühlsystems 56.
Die zweite Steuerung 118 kann eine elektrische Antriebssteuerungsschaltung (oder -vorrichtung) implementieren. Die zweite Steuerung 118 ist im Allgemeinen betriebsbereit, um den Betrieb des zweiten Motors 104 durch die Steuerung des zweiten Wechselrichters 102 zu kontrollieren. Die zweite Steuerung 118 kann in Hardware und/oder Software implementiert sein, die auf der Hardware ausgeführt wird.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das modulare Antriebssystem 10 so implementiert werden, dass der zweite Motor 104 die doppelte Spannung oder den doppelten Strom wie die ersten Motoren 44a-44b verwendet. Die doppelte Spannung oder der doppelte Strom kann als „2X“-Verstärkung bezeichnet werden. Wenn die spannungsbasierte WTB-Technik implementiert wird, gibt es keine Änderungen zwischen den ersten Motoren 44a-44b und dem zweiten Motor 104, außer der Isolationsleistung. Wenn die strombasierte WTB-Technik implementiert ist, kann die zweite Wicklung 112 mit der Hälfte der Windungen relativ zu den ersten Wicklungen 52a-52b neu gewickelt werden.
Eine Verdopplung der vom zweiten Motor 104 aufgenommenen elektrischen Leistung führt im Allgemeinen zu einer Verdopplung der Nennleistung des zweiten Wechselrichters 102 im Vergleich zu den einzelnen ersten Wechselrichtern 42a-42b. Für die spannungsbasierte WTB kann der zweite Wechselrichter 102 mit einer 2-fachen Spannungsleistung und einer gleichen (1-fachen) Stromleistung wie jeder der ersten Wechselrichter 42a-42b implementiert werden. Für den strombasierten WTB kann der zweite Wechselrichter 102 mit einer 2X-Strombemessung und einer gleichen (1X) Spannungsbemessung wie jeder der ersten Wechselrichter 42a-42b implementiert werden.
Um die 2X-Anhebung zu implementieren, kann die Hardware des zweiten Wechselrichters 102 im Vergleich zu den ersten Wechselrichtern 42a-42b geändert werden. Für die spannungsbasierte WTB-Technik kann der zweite Wechselrichter mit einer doppelten (2X) Spannungsleistung und einer gleichen (1X) Stromleistung implementiert werden. Die höhere Nennspannung kann erreicht werden, indem die in den ersten Wechselrichtern 42a-42b verwendeten Leistungstransistoren auf Siliziumbasis (Si) durch Leistungstransistoren auf Siliziumkarbidbasis (SiC) ersetzt werden. Die Siliziumkarbid-Leistungstransistoren führen im Allgemeinen zu einem kleineren zweiten Inverter 102, während die relativ größere Die-Fläche der Siliziumtransistoren implementiert wird, um höhere „Ein“-Widerstände zu kompensieren. Der zweite Wechselrichter 102 kann auch eine doppelte Pulsweitenmodulationsfrequenz im Vergleich zu den ersten Wechselrichtern 42a-42b aufweisen, um interne Kondensatoren fester Größe unterzubringen. Die Ausführung des zweiten Wechselrichters 102 darf keine Änderungen der Komponentenstromstärken im Vergleich zu den ersten Wechselrichtern 42a-42b beinhalten. Andere Komponenten in den ersten Wechselrichtern 42a-42b und dem zweiten Wechselrichter 102 können die gleichen Stromstärken haben.
Bei der strombasierten WTB-Technik kann der zweite Wechselrichter 102 einen doppelten (2X) Stromwert und einen gleichen (1X) Spannungswert wie jeder der ersten Wechselrichter 42a-42b haben. Die Chipfläche der (Si)-Leistungstransistoren im zweiten Wechselrichter 102 kann doppelt so groß sein wie die der ersten Wechselrichter 42a-42b. Der zweite Wechselrichter 102 kann mit doppelten Leiterquerschnitten ausgeführt sein, um die höheren Ströme als die ersten Wechselrichter 42a-42b aufzunehmen. Der zweite Wechselrichter 102 kann auch eine doppelt so hohe Kondensatorleistung haben wie die einzelnen ersten Wechselrichter 42a-42b.
Die erste Steuerung 58 kann mit einer einzelnen Kalibriertabelle programmiert werden, die für einen Grundlinienbetrieb (z. B. einen ersten Modus) geeignet ist. Die zweite Steuerung 118 kann mit mehreren Kalibriertabellen (z. B. dem ersten Modus, einem optionalen Zwischenknoten und einem zweiten Modus) für den Betrieb im breiten Drehmomentband programmiert werden. Die Verwendung der mehrfachen Kalibrierungstabellen kann automatisch und/oder vom Benutzer (z. B. dem Fahrzeugfahrer) ausgewählt werden.
Eine Konfiguration der ersten Batterie 54 kann aus M_serien von N_parallelen Batteriezellen bestehen. Die zweite Batterie 114 kann in der Lage sein, die richtige Spannung und/oder den richtigen Strom an den zweiten Wechselrichter 102 und den zweiten Motor 104 zu liefern. Für die spannungsbasierte WTB-Technik kann die zweite Batterie 114 als 2M_serien von (O+(N/2))_parallele Batteriezellen rekonfiguriert werden. Die Variable N kann eine gerade ganze Zahl sein. Die Variable O kann eine Anzahl zusätzlicher paralleler Stränge (falls vorhanden) von Batteriezellen sein, die geeignet sind, den 1X-Stromwert zu erreichen. Für die strombasierte WTB-Technik kann die zweite Batterie 114 als M_serien durch (N+P)_parallele Batteriezellen konfiguriert sein. Die Variable P kann eine Anzahl zusätzlicher paralleler Strings (falls vorhanden) sein, die geeignet sind, den 2-fachen Nennstrom zu erreichen. Im Allgemeinen kann die spannungsbasierte WTB oder die strombasierte WTB-Verstärkung auch von einer rekonfigurierbaren Batterie, einem Abwärtswandler und/oder einer anderen geeigneten Stromquelle gespeist werden.
Während die obige Beschreibung für einen 2X-Boost-Fall gilt, können andere Boost-Fälle auf ähnliche Weise implementiert werden. Im Allgemeinen gilt für Boosts von BX, wobei B der Boost-Faktor ist:

Spitzenleistung_WTB = B*Spitzenleistung_Basis und Spitzendrehmoment_WTB = Spitzendrehmoment_Basis;
Spannungsabhängige Verstärkung: V_WTB = B*V_Basis und I_WTB = I_Basis;
Strombasierte Anhebung: I_WTB = B*I_Basis und V_WTB = V_Basis; und
Drehmomentband_WTB = B*Drehmomentband_Basis.

Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Diagramm 120 eines beispielhaften Spitzendrehmoments als Funktion der Drehzahl gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems 10 dargestellt. Die x-Achse kann eine Drehgeschwindigkeit in Form von Leistungseinheiten zeigen. Die y-Achse kann ein Spitzendrehmoment in Form von Leistungseinheiten zeigen.
Kurve 122 veranschaulicht im Allgemeinen ein erstes Drehmomentprofil eines ersten Motors (z. B. 44a). Eine Kurve 124 kann ein mittleres Drehmomentprofil des zweiten Motors 104 zeigen, der eine mittlere Verstärkung verwendet. Kurve 126 zeigt im Allgemeinen ein zweites Drehmomentprofil des zweiten Motors 104 unter Verwendung eines 2X-Boosts.
Eine erste Eckdrehzahl 128 kann auftreten, wenn der erste Motor 44a ohne Boost betrieben wird und in einen Feldschwächungsbetrieb gefahren wird. Ein erstes zulässiges Spitzendrehmoment im ersten Drehmomentprofil 122 des ersten Motors 44a kann bei Drehzahlen oberhalb der ersten Eckdrehzahl 128 aufgrund der Feldschwächung abfallen. Die erste Eckdrehzahl 128 definiert im Allgemeinen eine erste Drehmomentbandbreite 134 der ersten Motoren 44a-44b.
Eine Zwischeneckdrehzahl 130 kann auftreten, wenn der zweite Motor 104 mit einer Zwischenverstärkung arbeitet und in den Feldschwächungsbetrieb gefahren wird. Ein mittleres zulässiges Spitzendrehmoment im mittleren Drehmomentprofil 124 des zweiten Motors 104 kann bei Drehzahlen oberhalb der mittleren Eckdrehzahl 130 aufgrund der Feldschwächung abfallen. Die mittlere Eckdrehzahl 130 definiert im Allgemeinen eine mittlere Drehmomentbandbreite 136 des zweiten Motors 104.
Eine zweite Eckdrehzahl 132 kann auftreten, wenn der zweite Motor 104 mit dem doppelten Boost betrieben wird und in den Feldschwächungsbetrieb gefahren wird. Ein zweites zulässiges Spitzendrehmoment im zweiten Drehmomentprofil 126 des zweiten Motors 104 kann bei Drehzahlen oberhalb der zweiten Eckdrehzahl 132 aufgrund der Feldschwächung abfallen. Die zweite Eckdrehzahl 132 definiert im Allgemeinen eine zweite Drehmomentbandbreite 138 des zweiten Motors 104.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Diagramm 140 einer beispielhaften Spitzenleistung als Funktion der Drehzahl gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems 10 dargestellt. Die x-Achse kann die Rotationsgeschwindigkeit in Form von Leistungseinheiten zeigen. Die y-Achse kann eine Spitzenleistung in Form von Leistungseinheiten zeigen.
Die Kurve 142 zeigt im Allgemeinen ein erstes Leistungsprofil eines ersten Motors (z. B. 44a). Eine Kurve 144 kann ein mittleres Leistungsprofil des zweiten Motors 104 zeigen, der eine mittlere Verstärkung verwendet. Kurve 146 zeigt im Allgemeinen ein zweites Leistungsprofil des zweiten Motors 104 unter Verwendung eines 2X-Boosts.
Die Leistung eines ersten Motors (z. B. 44a) und des zweiten Motors 104 kann annähernd linear ansteigen, wenn die Drehzahl von Null auf die erste Eckdrehzahl 128 ansteigt. Oberhalb der ersten Eckdrehzahl kann die Leistung des ersten Motors 44a im ungedrosselten Betrieb annähernd konstant werden, wie im ersten Leistungsprofil 142 dargestellt. Oberhalb der mittleren Eckdrehzahl 130 kann die Leistung des zweiten Motors 104, der mit der Zwischenverstärkung arbeitet, annähernd konstant werden, wie im mittleren Leistungsprofil 144 gezeigt wird. Das zweite Leistungsprofil 146 kann zeigen, dass die Leistung des zweiten Motors 104, der mit der 2X-Verstärkung arbeitet, bei Drehzahlen oberhalb der zweiten Eckdrehzahl 132 annähernd konstant werden kann.

Die normierten Eigenschaften des modularen Antriebssystems 10, das den 2X spannungsbasierten Betrieb verwendet, werden allgemein durch Tabelle I wie folgt beschrieben: Tabelle I

	Erstes Antriebssystem 40	Zweites Antriebssystem 100
Leistung	1PU Spitzenleistung.	1-2PU Spitzenleistung.
	1PU Spitzendrehmoment.	1PU Spitzendrehmoment.
	1PU Drehmoment-Bandbreite.	1-2OU Drehmoment-Bandbreite.
Motor	Baseline Rotor/Stator.	Baseline Rotor/Stator.
	1PU dreht.	Gleiche Wicklung (Windungen
	1PU -Leiterbereich.	und Leiterfläche).
	1PU Spannungsisolierung.	Erhöhung auf 2PU
		Spannungsisolierung für Modularität.
Wechselrichter	Grundlegendes Gehäusevolumen.	Grundlegendes Gehäuse.
	Si-Leistungstransistoren bei 1PU V & I.	Ersetzen durch SiC-Leistungstransistoren (1PUI, 2PU V).
	1PU Kondensatorvolumen.	Ersetzen durch SiC-Leistungstransistoren (1PUI, 2PU V).
		1PU Kondensatorvolumen 2X PWM-Frequenz für die gleiche prozentuale
		Restwelligkeit.
Kali brierung/	Kalibrierung für den	Kalibrierung sowohl für den
Steuerung	Normalbetrieb.	Normalbetrieb als auch für den WTB-Betrieb.
System	Steuerung der Feldschwächung.	Nicht-Feldschwächung: First-Mode-Steuerung für verbesserte Effizienz.
		WTB: zweite Betriebsartsteuerung für maximale Leistungssteigerung.
		Ermöglicht die Steuerung zwischen dem ersten und zweiten Modus.

Die normierten Eigenschaften des modularen Antriebssystems 10, das den 2X-Strombetrieb verwendet, sind in Tabelle II allgemein wie folgt beschrieben: Tabelle II

	Erstes Antriebssystem 40	Zweites Antriebssystem 100
Leistung	1PU Spitzenleistung.	1-2PU Spitzenleistung.
	1PU Spitzendrehmoment.	1PU Spitzendrehmoment.
	1PU Drehmoment-Bandbreite.	1-2OU Drehmoment-Bandbreite.
Motor	Baseline Rotor/Stator.	Baseline Rotor/Stator.
	1PU dreht.	Reduzieren Sie die
	1PU-Leiterbereich.	Umdrehungen auf 1/2PU.
	1PU Spannungsisolierung.	Doppelter Leiterbereich. 1PU Spannungsisolierung.
Wechselrichter	Grundlegendes Gehäusevolumen.	Doppeltes Grundliniengehäuse.
	Si-Leistungstransistoren bei 1PU V & I.	Doppelte Strombelastbarkeit von Si -Leistungstransistoren.
	1PU Kondensatorvolumen.	Doppeltes Kondensatorvolumen (2PU) für gleiche prozentuale Restwelligkeit.
Kalibrierung/ Steuerung	Kalibrierung für den	Kalibrierung sowohl für den
Kalibrierung/ Steuerung	Normalbetrieb.	Normalbetrieb als auch für den WTB-Betrieb.
System	Steuerung der Feldschwächung.	Nicht-Feldschwächung: First-Mode-Steuerung für verbesserte Effizienz.
		WTB: zweite Betriebsartsteuerung für maximale Leistungssteigerung.
		Ermöglicht die Steuerung zwischen dem ersten und zweiten Modus.

Unter Bezugnahme auf 4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Kalibrierungsverfahrens 160 in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems 10 dargestellt. Das Kalibrierverfahren (oder der Prozess) 160 kann mit dem modularen Antriebssystem 10 implementiert werden. Das Kalibrierverfahren 160 umfasst im Allgemeinen einen Schritt 162, einen Schritt 164, einen Entscheidungsschritt 166, einen Schritt 168, einen Schritt 170, einen Schritt 172 und einen Schritt 174. Die Reihenfolge der Schritte ist als repräsentatives Beispiel dargestellt. Andere Schrittfolgen können implementiert werden, um die Kriterien einer bestimmten Anwendung zu erfüllen.
Im Schritt 162 können d-Achsen- und q-Achsen-Flux-Nachschlage-Tabellen erzeugt werden. Die Flux-Nachschlage-Tabelle kann im Schritt 164 in eine E-Antriebs-Spezifikation aufgenommen werden. Der Entscheidungsschritt 166 kann bestimmen, ob die Kalibrierung für den Basislinienbetrieb oder den Betrieb mit großer Drehmomentbandbreite erfolgt. Für den Basislinienbetrieb kann der Schritt 168 eine erste Kalibrierungskarte (z. B. Karte 1) für den Betrieb mit maximalem Drehmoment pro Ampere (MTPA)/maximalen Drehmoment pro Volt (MTPV)/maximalen Drehmoment pro Verlust (MTPL) entweder für einen 1PU-Spannungsbetrieb oder einen 1PU-Strombetrieb erzeugen. Im Schritt 170 kann aus dem ersten Kalibrierungskennfeld 1 eine Kurve des Spitzendrehmoments (Tp) über der Drehzahl extrahiert werden. Im Schritt 174 kann aus dem ersten Kalibrierungskennfeld eine Kontur für das Wirkungsgrad-Kalibrierungskennfeld (z. B. Kennfeld 2.1) und/oder eine Kontur für das Leistungs-Kalibrierungskennfeld (z. B. Kennfeld 2.2) festgelegt werden.
Für den Leistungsbetrieb kann der Schritt 172 ein zweites Kalibrierungskennfeld (z. B. Kennfeld 2) für den Betrieb mit maximalem Drehmoment pro Ampere/maximalen Drehmoment pro Volt entweder für einen 2PU-Spannungsbetrieb oder einen 2PU-Strombetrieb erzeugen. Die Kontur des Wirkungsgrad-Kalibrierungskennfelds (z. B. Kennfeld 2.1) und/oder eine Kontur des Leistungs-Kalibrierungskennfelds (z. B. Kennfeld 2.2) kann aus dem Leistungs-Kalibrierungskennfeld im Schritt 174 festgelegt werden. Das Grundlinien-Kalibrierungskennfeld kann in der ersten Steuerung 58 gespeichert werden. Das Grundlinien-Kalibrierungsdiagramm, das Effizienz-Kalibrierungsdiagramm und das Leistungs-Kalibrierungsdiagramm können in der zweiten Steuerung 118 gespeichert sein.
Unter Bezugnahme auf 5 wird ein Diagramm 180 eines beispielhaften resultierenden Betriebs unter Verwendung einer gegebenen Kalibrierungsabbildung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems 10 gezeigt. Die x-Achse kann die Drehgeschwindigkeit in Form von Leistungseinheiten zeigen. Die y-Achse kann das Spitzendrehmoment in Form von Leistungseinheiten zeigen.
Die Leistung der ersten Motoren 44a-44b und des zweiten Motors 104 kann auf der Grundlage der vom Benutzer angeforderten Drehzahl und der auf die Motoren ausgeübten Drehmoment-/Leistungslast geregelt werden. Der erste Regler 58 kann so kalibriert werden, dass er die Drehzahlen und Drehmomente der ersten Motoren 44a-44b so regelt, dass sie innerhalb des ersten Drehmomentprofils 122 bleiben, wie durch einen ersten Modus 182 angegeben. Der erste Modus 182 kann als Basismodus bezeichnet werden und kann die erste Kalibrierungskarte 1 verwenden. Die zweite Steuerung 118 kann kalibriert werden, um die Drehzahl und das Drehmoment des zweiten Motors 104 in einem Zwischenmodus 184 und einem zweiten Modus 186 zu regeln. Der Zwischenmodus 184 kann den zweiten Motor 104 innerhalb des ersten Drehmomentprofils 122 betreiben. Der Zwischenmodus 184 kann als Effizienzmodus bezeichnet werden, der die Effizienzkalibrierungskarte 2.1 verwendet und keine Feldschwächung implementiert. Der zweite Modus 186 kann den zweiten Motor 104 innerhalb des zweiten Drehmomentprofils 126 betreiben. Der zweite Modus 186 kann als Leistungsmodus bezeichnet werden, der die Leistungskalibrierungskarte 2.2 verwendet und oberhalb der zweiten Eckdrehzahl 132 eine Feldschwächung implementieren kann. In verschiedenen Situationen kann der zweite Motor 104 durch das zweite Drehmomentprofil 126 gesteuert werden, obwohl der zweite Motor 104 eine niedrige Drehzahl und/oder ein niedriges Drehmoment innerhalb des ersten Drehmomentprofils 122 aufweist (z. B. eine Drehzahl von 0,5 PU oder ein Spitzendrehmoment von 0,25 PU).
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Steuerverfahrens 200 in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems 10 dargestellt. Das Steuerverfahren (oder der Prozess) 200 kann in der ersten Steuerung 58 und der zweiten Steuerung 118 implementiert werden. Das Steuerungsverfahren 200 umfasst im Allgemeinen einen Schritt 202, einen Entscheidungsschritt 204, einen Schritt 206, einen Entscheidungsschritt 208, einen Schritt 210, einen Entscheidungsschritt 212, einen Entscheidungsschritt 214, einen Schritt 216 und einen Schritt 218. Die Reihenfolge der Schritte ist als repräsentatives Beispiel dargestellt. Andere Schrittfolgen können implementiert werden, um die Kriterien einer bestimmten Anwendung zu erfüllen.
Im Schritt 202 können das Drehmoment (T), die Drehzahl (co) und ein Konfigurationsmodus für den aktuellen Betrieb des ersten Antriebssystems 40 und des zweiten Antriebssystems 100 ermittelt werden. Wenn der Konfigurationsmodus ein Grundlinien-Drehmomentbandmodus ist (z. B. wenn die ersten Motoren 44a-44b oder der zweite Motor 104 implementiert sind), kann die erste Steuerung 58 und/oder die zweite Steuerung 118 die Grundlinien-Kalibrierungskarte 1 in dem Schritt 206 verwenden.
Wenn der Konfigurationsmodus der Modus „Breites Drehmomentband“ ist (z. B. wenn der zweite Motor 104 implementiert ist), kann im Entscheidungsschritt 204 die Drehzahl ω des zweiten Motors 104 geprüft werden. Wenn die Drehzahl ω des zweiten Motors 104 kleiner ist als die erste Eckdrehzahl 128 (ωb) gemäß dem Entscheidungsschritt 208, kann die zweite Steuerung 118 im Schritt 210 das Effizienzkalibrierungskennfeld 2.1 verwenden.
Wenn die Drehzahl ω des zweiten Motors 104 größer ist als die erste Eckdrehzahl 128 ωb, kann im Entscheidungsschritt 212 die Drehmomentbelastung des zweiten Motors 104 mit dem Spitzendrehmoment Tp verglichen werden. Wenn die Drehmomentbelastung kleiner als das Spitzendrehmoment Tp ist, kann der zweite Regler 118 im Schritt 210 die Effizienzkalibrierungskarte 2.1 verwenden. Wenn die Drehmomentlast größer als das Spitzendrehmoment Tp ist, kann die zweite Steuerung 118 im Entscheidungsschritt 214 bestimmen, ob der zweite Motor 104 im Zwischen- (oder Effizienz-) Modus 184 oder im zweiten (oder Leistungs-) Modus 186 betrieben werden soll. Die Auswahl zwischen dem Zwischen-/Effizienzmodus 184 und dem zweiten/Leistungsmodus 186 kann vom Benutzer (z. B. dem Fahrer) und/oder automatisch von der zweiten Steuerung 118 ausgewählt werden.
Während der Zwischen-/Effizienzmodus gemäß dem Entscheidungsschritt 214 ausgewählt ist, kann das Drehmoment im Schritt 216 auf das Spitzendrehmoment Tp eingestellt werden und der zweite Regler 118 kann im Schritt 210 das Effizienzkalibrierungskennfeld 2.1 verwenden. Während der zweite/Leistungsmodus gemäß dem Entscheidungsschritt 214 ausgewählt ist, kann der zweite Regler 118 das Leistungskalibrierungskennfeld 2.2 im Schritt 218 verwenden.
Unter Bezugnahme auf 7 ist ein Diagramm 220 eines Beispiels für Drehmoment/Leistung als Funktion der Drehzahl gemäß einer Beispielausführungsform des modularen Antriebssystems 10 dargestellt. Die x-Achse kann die Rotationsgeschwindigkeit zeigen. Die y-Achse kann das Drehmoment/die Leistung darstellen.
Verschiedene Ausführungsformen ermöglichen generell den Ersatz mehrerer (z. B. zwei) erster Motoren 44a-44b durch einen einzigen zweiten Motor 104. Der einzelne zweite Motor 104 kann einen spannungserhöhten Motor oder einen stromerhöhten Motor implementieren. Zwei erste Antriebssysteme 40 können implementiert werden, um eine bestimmte Leistung und ein bestimmtes Drehmoment bei niedriger Drehzahl zu erreichen, wie durch das Leistungsprofil 146 angegeben. An einem Punkt 222 kann das Spitzendrehmoment, das von den beiden ersten Antriebssystemen 40 erzeugt wird, gemäß dem ersten Drehmomentprofil 122 reduziert werden.
Ein einzelnes zweites Antriebssystem 100 liefert im Allgemeinen die gleiche Leistung, aber nicht das niedrige Drehmoment der beiden ersten Antriebssysteme 40. Das zweite Antriebssystem 100 kann auch die angegebene Leistung und das Drehmoment bei niedriger Drehzahl erreichen, wie durch das Leistungsprofil 146 angegeben. An einem Punkt 224 kann das vom zweiten Antriebssystem 1000 erzeugte Spitzendrehmoment gemäß dem zweiten Drehmomentprofil 126 reduziert werden.
Um ein höheres Drehmoment bei niedriger Drehzahl zu erreichen, kann das zweite Antriebssystem 100 ein mehrgängiges (z. B. zweistufiges) Getriebe oder Differential enthalten. Das mehrgängige Getriebe erhöht im Allgemeinen das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen bis zu einem höheren Drehmomentprofil 226. Andere Verstärkungsverhältnisse als 2X können implementiert werden, um die Konstruktionskriterien einer bestimmten Anwendung zu erreichen.
Das Ersetzen mehrerer erster Antriebssysteme 40 durch ein einziges zweites Antriebssystem 100 reduziert im Allgemeinen die Kernverluste (z. B. um die Hälfte). Die Implementierung von weniger zweiten Wechselrichtern 102 und weniger zweiten Motoren 104 kann die Gehäusegröße und das Gewicht reduzieren, was zu einer verbesserten Verpackung und reduzierter Masse führt. Die Verwendung des mehrstufigen Differentials oder Getriebes kann auch das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen erhöhen.
Unter Bezugnahme auf 8 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Vier-Motoren-Fahrzeugs 240 und eines beispielhaften Zwei-Motoren-Fahrzeugs 250 unter Verwendung einer 2X-Spannungserhöhung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems 10 dargestellt. Das Vier-Motoren-Fahrzeug 240 kann mit vier Sätzen des ersten Antriebssystems 40 realisiert werden, um eine 4PU-Fähigkeit zu erreichen. Das zweimotorige Fahrzeug 250 kann mit zwei Sätzen des zweiten Antriebssystems 100 implementiert werden, um die gleiche 4PU-Fähigkeit zu erreichen.
Die vier Sätze des ersten Antriebssystems 40 umfassen im Allgemeinen vier Wechselrichter 42a-42d, vier erste Motoren 44a-44d und vier erste Getriebe 46a-46d. Die beiden Sätze des zweiten Antriebssystems 100 umfassen im Allgemeinen zwei zweite Wechselrichter 102a-102b, zwei zweite Motoren 104a-404b (konfiguriert für die 2X-Spannungserhöhung) und zwei zweite Getriebe 106a-106b.
Die Motoren sowohl im Vier-Motoren-Fahrzeug 240 als auch im Zwei-Motoren-Fahrzeug 250 können auf den gleichen Stator-, Rotor- und Wicklungskonstruktionen basieren. Die Fahrzeuge 240 und 250 können die gleichen feststehenden elektromagnetischen Konstruktionen haben. Das Zweimotorenfahrzeug 250 kann von dem auf der Spannungserhöhung basierenden Betrieb mit breiter Drehmomentbandbreite, der Hälfte des Gesamtvolumens und der Masse des Wechselrichtergehäuses, der Hälfte des Gesamtvolumens und der Masse des Motors und den reduzierten Drehverlusten im Vergleich zum Viermotorenfahrzeug 240 profitieren.
Bezug nehmend auf 9 ist ein schematisches Diagramm des Vier-Motoren-Fahrzeugs 240 und eines Zweimotoren-Fahrzeugs 260 mit einer 2X-Stromverstärkung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems 10 dargestellt. Das Vier-Motoren-Fahrzeug 240 kann mit vier Sätzen des ersten Antriebssystems 40 realisiert werden, um eine 4PU-Fähigkeit zu erreichen. Das zweimotorige Fahrzeug 260 kann mit zwei Sätzen des zweiten Antriebssystems 100 implementiert werden, um die gleiche 4PU-Fähigkeit zu erreichen.
Die vier Sätze des ersten Antriebssystems 40 bestehen im Allgemeinen aus vier Wechselrichtern 42a-42d, vier ersten Motoren 44a-44d und vier ersten Getrieben 46a-46d. Die beiden Sätze des zweiten Antriebssystems 100 bestehen im Allgemeinen aus zwei (doppelt breiten) zweiten Wechselrichtern 102c-102f, zwei zweiten Motoren 104a-404b (konfiguriert für die 2X-Stromverstärkung) und zwei zweiten Getrieben 106a-106b.
Die Motoren sowohl im Vier-Motoren-Fahrzeug 240 als auch im Zwei-Motoren-Fahrzeug 260 können auf den gleichen Stator- und Rotorausführungen basieren. Die Fahrzeuge 240 und 260 können die gleichen feststehenden elektromagnetischen Konstruktionen haben. Das Zweimotorenfahrzeug 260 kann von dem auf der Stromverstärkung basierenden Betrieb mit großer Drehmomentbandbreite profitieren, hat das gleiche Gesamtvolumen und die gleiche Masse des Wechselrichtergehäuses, die Hälfte des Gesamtvolumens und der Masse des Motors und geringere Drehverluste im Vergleich zum Viermotorenfahrzeug 240.
Unter Bezugnahme auf 10 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften dreimotorigen Fahrzeugs 270 und des zweimotorigen Fahrzeugs 250 unter Verwendung der 2X-Spannungserhöhung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems 10 dargestellt. Das dreimotorige Fahrzeug 270 kann mit drei Sätzen des ersten Antriebssystems 40 realisiert werden, um eine 3PU-Fähigkeit zu erreichen. Das zweimotorige Fahrzeug 250 kann mit zwei Sätzen des zweiten Antriebssystems 100 implementiert werden, um die 4TE-Fähigkeit zu erreichen.
Die drei Sätze der ersten Antriebssysteme 40 umfassen im Allgemeinen drei Wechselrichter 42a-42c, drei erste Motoren 44a-44c und drei erste Getriebe 46a-46dc. Die beiden Sätze des zweiten Antriebssystems 100 umfassen im Allgemeinen zwei zweite Wechselrichter 102a-102b, zwei zweite Motoren 104a-404b (konfiguriert für die 2X-Spannungserhöhung) und zwei zweite Getriebe 106a-106b.
Die Motoren sowohl des Dreimotorenfahrzeugs 270 als auch des Zweimotorenfahrzeugs 250 können auf den gleichen Stator-, Rotor- und Wicklungskonstruktionen basieren. Die beiden Fahrzeuge 270 und 250 können die gleichen festen elektromagnetischen Konstruktionen haben. Das Zweimotorenfahrzeug 250 kann von dem auf der Spannungserhöhung basierenden Betrieb mit breiter Drehmomentbandbreite, zwei Drittel des Gesamtvolumens und der Gesamtmasse des Wechselrichtergehäuses, zwei Drittel des Gesamtvolumens und der Gesamtmasse des Motors, reduzierten Drehverlusten profitieren und eine höhere Leistungskapazität im Vergleich zum Dreimotorenfahrzeug 270 bieten
Ausführungsformen der Offenbarung bieten im Allgemeinen eine modulare Technik, die die gleichen Motorkomponenten sowohl für Basis- als auch für Hochleistungsanwendungen verwendet. Eine hohe Leistung kann durch den Betrieb in einem breiten Drehmomentband (Spannungserhöhung oder Stromerhöhung) erreicht werden. Der modulare Ansatz des Antriebssystems ermöglicht im Allgemeinen ein festes elektromagnetisches Design und eine erhöhte Nutzung von Seltenerdmagneten. Eine einzelne Maschine mit breiter Drehmomentbandbreite und einem Zweigang-Getriebe kann eine ähnliche Leistung wie zwei Basismaschinen bieten. Die Technik der großen Drehmomentbandbreite kann eine Erhöhung der Leistungsdichte, eine verbesserte Hochgeschwindigkeitsleistung und einen verbesserten Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Verringerung der Anzahl und des Bauvolumens/der Masse der Antriebe bieten.
Das modulare Antriebssystem bietet im Allgemeinen ein modulares elektrisches Antriebssystem mit Permanentmagneten und anderen Motortypen (z. B. Induktion, Synchron-Reluktanz usw.), bei dem die Motorspannung oder der Motorstrom erhöht wird, um die Grunddrehzahl (Drehmomentband) zu erhöhen. Der modulare Aufbau kann die Beibehaltung einer festen Spitzen-Ampere-Turns der Maschinenwicklungen, die Beibehaltung eines festen Aufbaus des Stators und der Rotorkerne, Magnete und anderer Komponenten beinhalten. Daher kann eine gegebene elektrische Maschine sowohl für Basis- (Mainstream) als auch für Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden.
Die zweiten Antriebssysteme können zwei Maschinen auf einer Achse durch eine Maschine mit großer Drehmomentbandbreite ersetzen. Bei einem 2X spannungs- oder 2X strombasierten Design kann die Aufladung die Leistung bei gleichem Spitzendrehmoment verdoppeln. Wenn zusätzliches Drehmoment spezifiziert ist, kann die verstärkte Maschine ein Getriebe mit höherer Übersetzung, ein mehrstufiges Getriebe oder ein schaltbares Differential verwenden. Es können auch andere Anzahlen von Maschinen-/Achskonfigurationen implementiert werden. In verschiedenen Ausführungsformen können auch andere Übersetzungsverhältnisse als 2X implementiert werden, um die Konstruktionskriterien einer bestimmten Anwendung zu erfüllen.
Während die bevorzugten Ausführungsformen zur Ausführung der Offenbarung im Detail beschrieben wurden, werden diejenigen, die mit dem Stand der Technik, auf den sich diese Offenbarung bezieht, vertraut sind, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Ausführung der Offenbarung im Rahmen der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Ein modulares Antriebssystem, umfassend: einen ersten Motor, der so konfiguriert ist, dass er ein erstes Drehmoment über eine erste Drehmomentbandbreite erzeugt, und der einen ersten Stator, einen ersten Rotor und eine erste Wicklung auf dem ersten Stator aufweist, wobei die erste Wicklung eine erste Anzahl von Windungen, einen ersten Leiterbereich und eine erste Isolierung aufweist, die für eine erste Spitzenspannung des ersten Motors geeignet ist; und einen zweiten Motor, der so konfiguriert ist, dass er das erste Drehmoment über eine zweite Drehmomentbandbreite erzeugt, und der einen zweiten Stator, der zu dem ersten Stator passt, einen zweiten Rotor, der zu dem ersten Rotor passt, und eine zweite Wicklung auf dem zweiten Stator aufweist, wobei die zweite Wicklung die erste Anzahl von Windungen, den ersten Leiterbereich und eine zweite Isolierung aufweist, die für eine zweite Spitzenspannung des zweiten Motors geeignet ist, wobei die zweite Spitzenspannung des zweiten Motors größer ist als die erste Spitzenspannung des ersten Motors und die zweite Drehmomentbandbreite des zweiten Motors größer ist als die erste Drehmomentbandbreite des ersten Motors.
Das modulare Antriebssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen ersten Wechselrichter, der so konfiguriert ist, dass er eine erste elektrische Leistung an den ersten Motor bei der ersten Spitzenspannung liefert, und der ein erstes Gehäusevolumen und ein Kondensatorvolumen aufweist; und einen zweiten Wechselrichter, der so konfiguriert ist, dass er dem zweiten Motor eine zweite elektrische Leistung bei der zweiten Spitzenspannung bereitstellt, und der das erste Gehäusevolumen und das Kondensatorvolumen aufweist.
Das modulare Antriebssystem nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine erste Steuerung, die mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie eine Feldschwächung befiehlt, während sich der erste Motor oberhalb einer ersten Eckdrehzahl dreht; und eine zweite Steuerung, die mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie die Feldschwächung befiehlt, während sich der zweite Motor oberhalb einer zweiten Eckdrehzahl dreht, wobei die zweite Kurvengeschwindigkeit schneller ist als die erste Kurvengeschwindigkeit.
Das modulare Antriebssystem nach Anspruch 3, wobei die erste Steuerung so konfiguriert ist, dass sie den ersten Motor in einem ersten Modus betreibt, und die zweite Steuerung so konfiguriert ist, dass sie den zweiten Motor alternativ in dem ersten Modus und in einem zweiten Modus betreibt.
Das modulare Antriebssystem nach Anspruch 4, wobei der erste Modus ein erstes zulässiges Spitzendrehmoment reduziert, während sich der erste Motor schneller als die erste Eckdrehzahl dreht, und der zweite Modus ein zweites zulässiges Spitzendrehmoment reduziert, während sich der zweite Motor schneller als die zweite Eckdrehzahl dreht.
Das modulare Antriebssystem nach Anspruch 5, wobei die zweite Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie den zweiten Motor in einem Zwischenmodus betreibt, während der zweite Motor schneller dreht als die erste Eckdrehzahl.
Das modulare Antriebssystem nach Anspruch 2, wobei der zweite Motor anstelle des ersten Motors und der zweite Wechselrichter anstelle des ersten Wechselrichters innerhalb eines Fahrzeugs eingesetzt wird.
Das modulare Antriebssystem nach Anspruch 2, wobei der erste Wechselrichter mit einer ersten Pulsbreitenmodulationsfrequenz arbeitet, der zweite Wechselrichter mit einer zweiten Pulsbreitenmodulationsfrequenz arbeitet und die zweite Pulsbreitenmodulationsfrequenz größer ist als die erste Pulsbreitenmodulationsfrequenz.
Das modulare Antriebssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Ein-Gang-Getriebe, das mit dem ersten Motor gekoppelt ist; und ein mehrgängiges Getriebe, das mit dem zweiten Motor gekoppelt ist.
Ein Verfahren zum Erzeugen eines modularen Antriebssystems, umfassend: Herstellen eines ersten Motors, der so konfiguriert ist, dass er ein erstes Drehmoment über eine erste Drehmomentbandbreite erzeugt, und der einen ersten Stator, einen ersten Rotor und eine erste Wicklung auf dem ersten Stator aufweist, wobei die erste Wicklung eine erste Anzahl von Windungen, einen ersten Leiterbereich und eine erste Isolierung aufweist, die für eine erste Spitzenspannung des ersten Motors geeignet ist; und Herstellen eines zweiten Motors, der so konfiguriert ist, dass er das erste Drehmoment über eine zweite Drehmomentbandbreite erzeugt, und der einen zweiten Stator, der zu dem ersten Stator passt, einen zweiten Rotor, der zu dem ersten Rotor passt, und eine zweite Wicklung auf dem zweiten Stator aufweist, wobei die zweite Wicklung die erste Anzahl von Windungen, den ersten Leiterbereich und eine zweite Isolierung aufweist, die für eine zweite Spitzenspannung des zweiten Motors geeignet ist, wobei die zweite Spitzenspannung des zweiten Motors größer ist als die erste Spitzenspannung des ersten Motors und die zweite Drehmomentbandbreite des zweiten Motors größer ist als die erste Drehmomentbandbreite des ersten Motors.