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HINTERGRUND
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Diese Offenbarung bezieht sich auf Wechselrichterschaltungen für elektrische Motoren/Generatoren.
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Elektrische Maschinen, z. B. mehrphasige Elektromotoren/Generatoren, haben Statorwicklungen, die durch Wechselstrom erregt werden, der von Leistungswechselrichtern erzeugt wird, die mit Hochspannungs-Gleichstrombussen elektrisch verbunden sind. Elektrische Maschinen können in elektrifizierten Antriebsstrangsystemen eingesetzt werden. Es ist von Vorteil, die Leitungsverluste der elektrischen Energie zu reduzieren.
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BESCHREIBUNG
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Ein neuartiges Wechselrichtersystem zur Übertragung von elektrischer Leistung zwischen einer Gleichstromquelle und einer mehrphasigen elektrischen Maschine wird beschrieben und umfasst einen Leistungswechselrichter, einen Z-Source-Wechselrichter, einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter und einen Hochspannungsbus mit positiven und negativen Leitern. Der erste Schalter ist zwischen positiven und negativen Leitern eines Hochspannungsbusses angeordnet, der elektrisch mit der Gleichstromquelle gekoppelt ist, und der zweite Schalter ist in Reihe an dem positiven Leiter des Hochspannungsbusses angeordnet.
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Ein Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass der erste Schalter zwischen den positiven und negativen Leitern des Hochspannungsbusses und zwischen dem Leistungswechselrichter und dem Z-Source-Wechselrichter angeordnet ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst den Z-Source-Wechselrichter mit einem ersten Induktor, die in Reihe im positiven Leiter des Hochspannungsbusses angeordnet ist, einem zweiten Induktor, die in Reihe im negativen Leiter des Hochspannungsbusses angeordnet ist, einem ersten Kondensator, der zwischen einer ersten Seite des ersten Induktors und einer zweiten Seite des zweiten Induktors angeordnet ist, und einem zweiten Kondensator, der zwischen einer zweiten Seite des ersten Induktors und einer ersten Seite des zweiten Induktors angeordnet ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenlegung umfasst einen Buskondensator, der zwischen den positiven und negativen Leitern des Hochspannungsbusses angeordnet ist und zwischen dem Z-Source-Wechselrichter und einer Gleichstromquelle angeordnet ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass der zweite Schalter im Plusleiter des Hochspannungsbusses zwischen dem Buskondensator und dem Z-Source-Wechselrichter in Reihe angeordnet ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass der erste Schalter ein Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass der erste Schalter ein Galliumnitrid (GaN)-Transistor ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass der erste Schalter und der zweite Schalter Galliumnitrid (GaN)-Transistoren sind.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass der erste Schalter und der zweite Schalter Siliziumkarbid (SiC)-Transistoren sind.
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Ein weiterer Aspekt der Offenlegung umfasst eine Gate-Treiberschaltung, die operativ mit dem Leistungsinverter verbunden ist, und einen Controller, der operativ mit der Gate-Treiberschaltung, dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter verbunden ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass der Controller operativ mit der Gate-Treiberschaltung, dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter verbunden ist, um das Wechselrichtersystem in einem normalen Modus, einem Boost-Modus oder einem regenerativen Bremsmodus zu steuern.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass die Steuerung das Wechselrichtersystem im Normalbetrieb durch Steuern des ersten Schalters in einem AUS-Zustand steuert.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Steuerung, die das Wechselrichtersystem im Boost-Modus durch aktive Steuerung des ersten Schalters steuert.
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Ein weiterer Aspekt der Offenlegung beinhaltet, dass das pulsweitenmodulierte Tastverhältnis so gewählt wird, dass ein gewünschter Spannungspegel auf dem Hochspannungsbus erreicht wird.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Steuerung, die den ersten Schalter aktiv steuert und den zweiten Schalter in einem EIN-Zustand steuert, um das Wechselrichtersystem im regenerativen Bremsmodus zu steuern.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst ein Wechselrichtersystem zum Übertragen elektrischer Leistung zwischen einer Gleichstromquelle und einer mehrphasigen elektrischen Maschine über einen Hochspannungsbus mit einem Leistungswechselrichter, einem Z-Source-Wechselrichter und einem Schalter, wobei der Schalter so konfiguriert ist, dass er, wenn das Wechselrichtersystem mit dem Hochspannungsbus verbunden ist, zwischen positiven und negativen Leitern des Hochspannungsbusses angeordnet ist, und zwischen den positiven und negativen Leitern des Hochspannungsbusses und zwischen dem Leistungswechselrichter und dem Z-Source-Wechselrichter angeordnet ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass der Z-Source-Wechselrichter einen ersten Induktor, die in Reihe im positiven Leiter des Hochspannungsbusses angeordnet ist, einen zweiten Induktor, die in Reihe im negativen Leiter des Hochspannungsbusses angeordnet ist, einen ersten Kondensator, der zwischen einer ersten Seite des ersten Induktors und einer zweiten Seite der zweiten Induktor angeordnet ist, und einen zweiten Kondensator, der zwischen einer zweiten Seite des ersten Induktors und einer ersten Seite des zweiten Induktors angeordnet ist, aufweist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass der Schalter ein Siliziumkarbid (SiC)-Transistor ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenlegung umfasst eine Gate-Treiberschaltung, die operativ mit dem Leistungsinverter verbunden ist, und einen Controller, der operativ mit der Gate-Treiberschaltung und dem Schalter verbunden ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Steuerung, die das Wechselrichtersystem in einem Boost-Modus steuert, wobei die Steuerung ein pulsbreitenmoduliertes Tastverhältnis des Schalters steuert, wobei das pulsbreitenmodulierte Tastverhältnis ausgewählt wird, um einen gewünschten Spannungspegel auf dem Hochspannungsbus zu erreichen.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehre sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger der besten Modi und anderer Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehre, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden.
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Figurenliste
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Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Wechselrichterschaltung zur Steuerung des Betriebs einer mehrphasigen elektrischen Maschine gemäß der Offenbarung.
- 2 zeigt grafisch eine Drehmoment-Drehzahl-Kurve einer elektrischen Maschine, z. B. einer Ausführungsform der mit Bezug auf 1 beschriebenen elektrischen Maschine, gemäß der Offenbarung.
- 3 zeigt schematisch Details, die mit dem Betrieb einer Ausführungsform des elektrischen Energiesystems in einem ersten Zustand gemäß der Offenbarung verbunden sind.
- 4 zeigt schematisch Details, die mit dem Betrieb einer Ausführungsform des elektrischen Energiesystems in einem zweiten Zustand gemäß der Offenbarung verbunden sind.
- 5 zeigt schematisch Details, die mit dem Betrieb einer Ausführungsform des elektrischen Energiesystems in einem dritten Zustand gemäß der Offenbarung verbunden sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die Komponenten der offengelegten Ausführungsformen, wie hierin beschrieben und dargestellt, können in einer Vielzahl unterschiedlicher Konfigurationen angeordnet und ausgeführt werden. Daher soll die folgende detaillierte Beschreibung den Umfang der beanspruchten Offenbarung nicht einschränken, sondern ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen davon. Darüber hinaus werden in der folgenden Beschreibung zwar zahlreiche spezifische Details aufgeführt, um ein umfassendes Verständnis der hier offengelegten Ausführungsformen zu ermöglichen, doch können einige Ausführungsformen auch ohne einige dieser Details ausgeführt werden. Darüber hinaus wurde aus Gründen der Klarheit auf eine detaillierte Beschreibung bestimmter technischer Sachverhalte, die im verwandten Fachgebiet selbstverständlich sind, verzichtet, um die Offenbarung nicht unnötig zu verschleiern. Darüber hinaus kann die Offenbarung, so wie sie hier dargestellt und beschrieben ist, auch ohne ein Element, das hier nicht speziell offenbart ist, ausgeführt werden. Gleiche Bezugsziffern entsprechen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den verschiedenen Abbildungen. Wie hier verwendet, kann sich der Begriff „System“ auf eine oder eine Kombination von mechanischer und elektrischer Hardware, Sensoren, Steuerungen, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), kombinatorischen Logikschaltungen, Software, Firmware und/oder anderen Komponenten beziehen, die so angeordnet sind, dass sie die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Bezug nehmend auf die Zeichnungen, wobei die Darstellungen nur zur Veranschaulichung bestimmter Ausführungsformen und nicht zur Einschränkung derselben dienen, zeigt 1 schematisch eine Ausführungsform eines elektrischen Leistungssystems 100, das zwischen einer Gleichstromquelle 10 und einer mehrphasigen elektrischen Maschine 140 angeordnet ist, um dazwischen elektrische Leistung umzuwandeln und zu übertragen. In einer Ausführungsform werden das elektrische Leistungssystem 100 und die mehrphasige elektrische Maschine 140 in einem Fahrzeug eingesetzt, um ein Antriebsmoment bereitzustellen. Das Fahrzeug kann eine mobile Plattform in Form eines Nutzfahrzeugs, eines Industriefahrzeugs, eines landwirtschaftlichen Fahrzeugs, eines Personenkraftwagens, eines Flugzeugs, eines Wasserfahrzeugs, eines Zugs, eines Geländewagens, eines persönlichen Bewegungsgeräts, eines Roboters und dergleichen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sein, um die Zwecke dieser Offenbarung zu erfüllen.
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Das elektrische Energiesystem 100 umfasst einen Wechselrichter 110, einen ersten Schalter 156, einen Z-Source-Wechselrichter 150, einen zweiten Schalter 155 und einen DC-Bus-Kondensator 142, die an einem Hochspannungsbus 101 angeordnet sind, der einen positiven Leiter (HV+) 102 und einen negativen Leiter (HV-) 104 umfasst. HV+ 102 ist elektrisch mit einer positiven Elektrode der DC-Stromquelle 10 verbunden, und HV- 104 ist elektrisch mit einer negativen Elektrode der DC-Stromquelle 10 verbunden. Der Betrieb des Wechselrichters 110, des ersten Schalters 156 und des zweiten Schalters 155 wird durch einen Controller 105 gesteuert. In einer Ausführungsform ist die mehrphasige elektrische Maschine 140 an einem Fahrzeug (nicht dargestellt) angeordnet und mit einem oder mehreren Fahrzeugrädern gekoppelt, um ein Zugmoment für den Fahrzeugantrieb und das regenerative Bremsen zu erzeugen.
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Das elektrische Energiesystem 100 ist vorteilhaft so konfiguriert, dass unerwünschte Schalt- und Leitungsverluste, die sonst im Wechselrichter 110 auftreten können, vermieden werden und stattdessen der erste Schalter 156 unter bestimmten Betriebsbedingungen verwendet wird, was zu einem erhöhten Wirkungsgrad führt. Der Betrieb des Stromversorgungssystems 100 in einem Boost-Zustand, d.h. mit dem ersten Schalter 156 in einem EIN-Zustand, d.h. leitend, lädt den Z-Source-Wechselrichter 150 auf, wodurch sein Spannungsniveau erhöht wird. Dieses Aufladen des Z-Source-Wechselrichters 150 wird mit geringeren elektrischen Leitungsverlusten erreicht, da der erste Schalter 156 aktiviert ist, was ansonsten die Aktivierung von zwei in Reihe angeordneten Wechselrichterschaltern erfordern würde. Dies ermöglicht den Betrieb der elektrischen Maschine 140 mit einer Boost-Gleichspannung, die eine effizientere Spannung für den Betrieb der elektrischen Maschine 140 in Teillastpunkten sein kann. Beispielsweise kann das Spannungsniveau der Gleichstromquelle 10 350 V DC betragen, während die Boost-Gleichspannung in einer Ausführungsform 425 V DC betragen kann. Außerdem ist die Höhe der Boost-Gleichspannung durch selektive Aktivierung des ersten Schalters 156 steuerbar.
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Die Hochspannungs-Gleichstromquelle 10 umfasst einen elektrischen Hochspannungs-Energiespeicher, z. B. eine Hochspannungsbatterie, einen Kondensator, einen Hochspannungs-Stromgenerator oder ein anderes verwandtes Gerät oder System.
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Der erste Schalter 156 ist elektrisch zwischen HV+ 102 und HV- 104 geschaltet, um den elektrischen Leistungsfluss dazwischen zu steuern. Der erste Schalter 156 ist außerhalb des Leistungswechselrichters 110 angeordnet. In einer Ausführungsform ist der erste Schalter 156 ein leistungselektronisches Bauelement aus Siliziumkarbid (SiC), z. B. ein SiC-MOSFET. In einer Ausführungsform ist der erste Schalter 156 ein Galliumnitrid (GaN)-Leistungselektronikbauteil. In einer Ausführungsform ist der erste Schalter 156 ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBTs). Wenn er eingesetzt wird, hat der SiC-MOSFET einen relativ niedrigen Drain-Source-EIN-Widerstand, der in Systemen vorteilhaft eingesetzt werden kann, um effizient hohe Leistungspegel bereitzustellen und gleichzeitig den Leistungsverlust bei einer reduzierten Gehäusegröße im Vergleich zu anderen leistungselektronischen Geräten zu minimieren.
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Der zweite Schalter 155 ist in der HV+ 102 zwischen dem Buskondensator 142 und dem Z-Source-Wechselrichter angeordnet. 150, und ist so konfiguriert, dass er den elektrischen Leistungsfluss in HV+ 102 steuert. In einer Ausführungsform ist der zweite Schalter 155 ein SiC-MOSFET-Bauelement. In einer Ausführungsform ist der zweite Schalter 155 ein GaN-Bauelement. In einer Ausführungsform ist der zweite Schalter 155 ein IGBT-Bauteil.
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Der Zwischenkreiskondensator 142 ist zwischen HV+ 102 und HV-104 angeordnet, parallel zur Gleichstromquelle 10.
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Der Z-Source-Wechselrichter 150 enthält einen ersten Induktor 151, einen zweiten Induktor 152, einen ersten Kondensator 153 und einen zweiten Kondensator 154. Der erste Induktor 151 ist elektrisch leitend mit HV+ 102 verbunden, und der zweite Induktor 152 ist elektrisch leitend mit HV- 104 verbunden. Der erste Kondensator 153 ist elektrisch zwischen einer ersten Seite des ersten Induktors 151 und einer zweiten Seite des zweiten Induktors 152 angeschlossen. Der zweite Kondensator 154 ist elektrisch zwischen eine zweite Seite des ersten Induktors 151 und eine erste Seite des zweiten Induktors 152 geschaltet. Wie hierin verwendet, befindet sich die erste Seite des ersten Induktors 151 zwischen dem ersten Induktor 151 und der Gleichstromquelle 10, und die zweite Seite des ersten Induktors 151 befindet sich zwischen dem ersten Induktor 151 und dem Wechselrichter 110. Wie hier verwendet, befindet sich die erste Seite des zweiten Induktors 152 zwischen dem zweiten Induktor 152 und der Gleichstromquelle 10, und die zweite Seite des zweiten Induktors 152 befindet sich zwischen dem zweiten Induktor 152 und dem Wechselrichter 110. Die beabsichtigte Funktion des Z-Source-Wechselrichters 150 in Koordination mit der Steuerung der EIN/AUS-Zustände der ersten und zweiten Schalter 156, 155 ist die Erhöhung des Spannungspegels auf dem Hochspannungsbus 101 unter bestimmten Betriebsbedingungen für die elektrische Maschine 140, was einen effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine 140 ermöglicht und daher den Stromverbrauch reduzieren kann.
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Die mehrphasige elektrische Maschine 140 ist in einer Ausführungsform als dreiphasiger Permanentmagnetmotor/-generator mit sternförmig angeordneten Statorschenkeln konfiguriert. Alternativ kann die mehrphasige elektrische Maschine 140 eine andere mehrphasige Konfiguration sein.
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Das elektrische Energiesystem 100 ist mit der Hochspannungs-Gleichstromquelle 10 über einen positiven Hochspannungs-Gleichstromleistungsbus (HV+) 102 und einen negativen Hochspannungs-Gleichstromleistungsbus (HV-) 104 elektrisch verbunden. Die Hochspannungs-Gleichstromquelle 10 kann einen elektrischen Hochspannungs-Energiespeicher, z. B. eine Hochspannungsbatterie oder einen Kondensator, einen Hochspannungs-Stromgenerator oder ein anderes verwandtes Gerät oder System umfassen. Der Wechselrichter 140 umfasst eine Vielzahl von Wechselrichter-Schalterpaaren 112 und 114, 122 und 124 und 132 und 134, die elektrisch in Reihe zwischen HV+ 102 und HV- 104 geschaltet sind. Jedes der Wechselrichterschalterpaare entspricht einer Phase der mehrphasigen elektrischen Maschine 140, wobei der erste Wechselrichterschalter mit dem entsprechenden zweiten Wechselrichterschalter an einem Knoten in Reihe geschaltet ist. Konkret werden die Wechselrichterschalterpaare 112 und 114 am Knoten 116 in Reihe geschaltet, die Wechselrichterschalterpaare 122 und 124 am Knoten 126 und die Wechselrichterschalterpaare 132 und 134 am Knoten 136 in Reihe geschaltet. Die Knoten 116, 126 und 136 sind elektrisch mit den nominalen ersten, zweiten und dritten Phasen der mehrphasigen elektrischen Maschine 140 verbunden, um elektrische Leistung dorthin zu übertragen. In einer Ausführungsform steuert eine erste Gate-Treiberschaltung 106 die Aktivierung und Deaktivierung der ersten High-Side-Wechselrichterschalter 112, 122 und 132 und eine zweite Gate-Treiberschaltung 108 die Aktivierung und Deaktivierung der zweiten Low-Side-Wechselrichterschalter 114, 124 und 134. Alternativ kann eine einzige Gate-Treiberschaltung verwendet werden, um die Aktivierung und Deaktivierung der ersten High-Side-Inverter-Schalter 112, 122 und 132 und der zweiten Low-Side-Inverter-Schalter 114, 124 und 134 zu steuern. Die ersten und zweiten Gate-Treiberschaltungen 106, 108 umfassen jede geeignete elektronische Vorrichtung, die in der Lage ist, die Wechselrichterschalter 112 und 114, 122 und 124 und 132 und 134 zu aktivieren und zu deaktivieren, um eine Leistungsübertragung zwischen einem von HV+ 102 und HV- 104 und einer Phase der mehrphasigen elektrischen Maschine 140 in Reaktion auf Steuersignale zu bewirken, die von der Steuerung 105 ausgehen.
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Sensoren sind so angeordnet, dass sie den Betrieb von Elementen des elektrischen Energiesystems 100 und der elektrischen Maschine 140 überwachen, einschließlich eines Spannungssensors 146, der so angeordnet ist, dass er die Spannung auf dem Hochspannungsbus 101 in der Nähe des Wechselrichters 110 überwacht, eines oder mehrerer Stromsensoren 145, die so angeordnet sind, dass sie den Phasenstrom zwischen dem Wechselrichter 110 und der elektrischen Maschine 140 überwachen, und eines Rotationspositionssensors 147, der so angeordnet ist, dass er die Rotationsposition und die Geschwindigkeit eines Rotors der elektrischen Maschine 140 überwacht. Der Spannungssensor 146, der/die Stromsensor(en) 145 und der Drehpositionssensor 147 werden von der Steuerung 105 als Teil verschiedener Steuerungsroutinen überwacht.
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Die Steuerung 105 überwacht die Signaleingänge von den Sensoren und steuert den Betrieb der ersten und zweiten Gate-Treiber 106, 108, um den Wechselrichter 110 in einem PWM-Modus oder einem anderen Modus als Reaktion auf einen Drehmoment- oder Drehzahlbefehl zu steuern. Die Steuerung 105 erzeugt Steuersignale, die an die ersten und zweiten Gate-Treiberschaltungen 106, 108 übermittelt werden, um die Wechselrichterschalter 112 und 114, 122 und 124 und 132 und 134 als Reaktion auf einen Wechselrichterschalter-Steuermodus zu aktivieren und zu deaktivieren, der einen pulsbreitenmodulierten (PWM) Modus, einen Sechs-Schritt-Steuermodus oder einen anderen Steuermodus umfassen kann, um ein Drehmoment in einem Drehmoment-Motormodus zu erzeugen oder auf ein Drehmoment zu reagieren, um elektrische Leistung in einem regenerativen Bremsmodus zu erzeugen. Das Stromversorgungssystem 100 umfasst weitere elektrische Komponenten, einschließlich Kondensatoren, z. B. den DC-Bus-Kondensator 142, Widerstände, z. B. einen Buswiderstand und andere elektrische Schaltungskomponenten, um Funktionen in Bezug auf elektrische Rauschunterdrückung, Lastausgleich und dergleichen zu erfüllen.
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Das elektrische Antriebssystem 100 arbeitet in einem normalen Traktionsmodus, einem Boost-Traktionsmodus und einem regenerativen Bremsmodus, um die elektrische Maschine 140 zu steuern. Der Betrieb im normalen Traktionsmodus umfasst die Steuerung des zweiten Schalters 155 in einem EIN-Zustand, d.h. aktiviert oder leitend, und die Steuerung des ersten Schalters 156 in einem AUS-Zustand, d.h. deaktiviert oder nicht leitend. Die Wechselrichterschalter 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134 werden in einem pulsbreitenmodulierten (PWM) Modus, einem Sechs-Schritt-Steuermodus oder einem anderen Steuermodus gesteuert, um die elektrische Maschine 140 zur Erzeugung eines Zugmoments zu steuern. Das Spannungsniveau auf dem Hochspannungsbus 101 entspricht dem Spannungsniveau der Gleichstromquelle 10, z. B. 350 V DC in einer Ausführungsform. Der Betrieb im Boost-Traktionsmodus umfasst die Steuerung des zweiten Schalters 155 in einem EIN-Zustand und die aktive Steuerung des ersten Schalters 156 über Pulsweitenmodulation, um den Spannungspegel auf dem Hochspannungsbus 101 auf einen gewünschten Spannungspegel zu erhöhen und zu steuern, der größer ist als der Spannungspegel der Gleichstromquelle 10, was einen effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine 140 unter Teillastbedingungen ermöglicht. Das pulsweitenmodulierte Tastverhältnis des ersten Schalters 156 wird aktiv gesteuert, um den gewünschten Spannungspegel auf dem Hochspannungsbus 101 zu erreichen. Auch hier werden die Wechselrichterschalter 112 und 114, 122 und 124 sowie 132 und 134 in einem pulsweitenmodulierten (PWM) Modus, einem sechsstufigen Steuermodus oder einem anderen Steuermodus gesteuert, um die elektrische Maschine 140 zur Erzeugung eines Zugmoments zu steuern. Der Betrieb im regenerativen Bremsmodus umfasst die Steuerung des zweiten Schalters 155 in einem EIN-Zustand, entweder die Steuerung des ersten Schalters 156 in einen AUS-Zustand oder die aktive Steuerung des ersten Schalters 156 über Pulsweitenmodulation, um den Spannungspegel auf dem Hochspannungsbus 101 auf einen Pegel zu erhöhen und zu steuern, der größer ist als der Spannungspegel der Gleichstromquelle 10, was einen effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine 140 im regenerativen Bremsmodus unter Teillastbedingungen ermöglicht.
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2 zeigt grafisch eine Drehmoment-Drehzahl-Kurve 200 einer elektrischen Maschine, z. B. einer Ausführungsform der in 1 beschriebenen elektrischen Maschine 140, wobei das Drehmoment 210 auf der vertikalen Achse und die Drehzahl 220 auf der horizontalen Achse dargestellt sind. Ein maximales Drehmoment 202 ist angegeben. Eine ideale Feldschwächungsdrehmomentgrenze 203 ist ebenfalls dargestellt, die eine maximale Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine 140 anzeigt. Eine Straßenlast 206 ist ebenfalls angegeben und wird als die Größe der Leistung bestimmt, die erforderlich ist, um eine Fahrgeschwindigkeit eines bestimmten Fahrzeugs auf einer ebenen Fläche unter statischen Windbedingungen aufrechtzuerhalten. Die Straßenlast 206 ist geringer als das maximale Drehmoment 202, wie dargestellt, und kann als Teillast bezeichnet werden. Zeile 204 illustriert eine erste Feldschwächungs-Drehmomentgrenze, die mit dem Betrieb der elektrischen Maschine 140 bei einer Nennbetriebsspannung verbunden ist, d. h. dem mit der Gleichstromquelle 10 verbundenen Spannungsniveau. Zeile 205 zeigt eine zweite feldschwächende Drehmomentgrenze, die mit dem Betrieb der elektrischen Maschine 140 bei einer erhöhten Betriebsspannung verbunden ist. Diese erhöhte Betriebsspannung kann am Hochspannungsbus 101 durch den Betrieb des Z-Source-Wechselrichters 150 über eine selektive Steuerung der ersten und zweiten Schalter 156, 155 erreicht werden. Somit kann die elektrische Maschine 140 im Teillastzustand auf einem erhöhten Spannungsniveau betrieben werden, mit entsprechend erhöhtem Wirkungsgrad, solange das maximale Drehmoment 202 bzw. die ideale Feldschwächungsmomentgrenze 203 nicht überschritten wird. Der Punkt 207 zeigt beispielhaft eine maximale Fahrgeschwindigkeit an, die mit der ersten Feldschwächmomentgrenze 204 verbunden ist, wenn die elektrische Maschine 140 bei der Nennbetriebsspannung betrieben wird. Punkt 208 zeigt eine maximale Fahrgeschwindigkeit an, die mit der zweiten Feldschwächungsdrehmomentgrenze 204 verbunden ist, wenn die elektrische Maschine 140 bei erhöhter Betriebsspannung betrieben wird.
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Wenn das elektrische Energiesystem 100 und die elektrische Maschine 140 in einem Fahrzeug eingesetzt werden, wird der Z-Source-Wechselrichter 150 so ausgelegt und gesteuert, dass er die am Hochspannungsbus 101 gemessene Gleichspannung für die zu erwartende Straßenlast im eingeschwungenen Zustand erhöht. Die Straßenlast 206 wird durch eine Linie dargestellt, deren Größe von vielen Bedingungen abhängt, einschließlich Straßenneigung, Straßenreibung, Windlast, Fahrzeuggewicht, Passagiergewicht, Nutzlastgewicht usw. Da das System dazu vorgesehen ist, die Ausgangsspannung bei Spitzenleistungsbedingungen nicht zu erhöhen, ist die Drehmoment-Drehzahl-Kurve des Basissystems relativ unverändert. Diese Basisausführung verwendet in einer Ausführungsform vorteilhaft bekannte Wechselrichterteile, Nennwerte und elektrische Maschinen. Im Betrieb arbeitet das elektrische Leistungssystem 100, um die Ausgangsspannung bis zu einer vernünftigerweise erwarteten maximalen Betriebsdrehzahl zu erhöhen. Die Drehmoment-Drehzahl-Kurve der elektrischen Maschine 140 ist in der Lage, bei höheren Drehzahlen zu arbeiten, jedoch kann der Wirkungsgrad des Systems leiden, wenn die Drehzahl die Feldschwächungsgrenze überschreitet. Durch die Erhöhung der verfügbaren Spannung bei Straßenlastgeschwindigkeiten arbeitet die elektrische Maschine 140 in einem günstigeren Betriebspunkt, wodurch die Effizienz beim Fahren mit Autobahngeschwindigkeit erhöht wird.
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3 zeigt schematisch Details, die mit dem Betrieb einer Ausführungsform des elektrischen Energiesystems 100 in einem ersten Zustand verbunden sind, der dem Boost-Modus zugeordnet ist. Das elektrische Leistungssystem 100 umfasst den Wechselrichter 110, den ersten Schalter 156, den Z-Source-Wechselrichter 150 und den zweiten Schalter 155. Der Leistungswechselrichter 110 umfasst die ersten Wechselrichterschalter 112, 122 und 132 und die zweiten Wechselrichterschalter 114, 124 und 134. In diesem ersten Zustand ist der erste Schalter 156 aktiviert und der zweite Schalter 155 ist deaktiviert. Die ersten Wechselrichterschalter 112, 122 und 132 sind aktiviert, d.h. EIN, und die zweiten Wechselrichterschalter 114, 124 und 134 sind deaktiviert, d.h. AUS. Dieser Vorgang findet während eines Nullsequenzvektorbetriebs statt. Pfeil 310 zeigt den Leistungsfluss durch den Z-Source-Wechselrichter 150 an, und Pfeil 320 zeigt den Leistungsfluss durch die ersten Wechselrichterschalter 112, 122 und 132 an. Dieser Betrieb dient dazu, Leitungsverluste auf dem Phasenschenkel zu reduzieren, indem während des Boost-Betriebs nicht durch zwei der Wechselrichterschalter geleitet wird und der Verlust im ersten Schalter 156 abgeleitet wird.
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4 zeigt schematisch Details, die mit dem Betrieb einer Ausführungsform des elektrischen Energiesystems 100 in einem zweiten Zustand verbunden sind, der dem Boost-Modus zugeordnet ist. In diesem zweiten Zustand ist der erste Schalter 156 aktiviert und der zweite Schalter 155 deaktiviert. In dem zweiten Zustand, der dem Boost-Modus zugeordnet ist, sind die ersten Wechselrichterschalter 112, 122 und 132 deaktiviert und die zweiten Wechselrichterschalter 114, 124 und 134 sind aktiviert. Pfeil 410 zeigt den Leistungsfluss durch den Z-Source-Wechselrichter 150 an, und Pfeil 420 zeigt den Leistungsfluss durch die zweiten Wechselrichterschalter 114, 124 und 134 an. Dieser Vorgang dient dazu, Leitungsverluste auf dem Phasenschenkel zu reduzieren, indem während des Boost-Modus nicht durch zwei der Wechselrichterschalter geleitet wird, und den Verlust im ersten Schalter 156 abzuführen.
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5 zeigt schematisch Details, die mit dem Betrieb einer Ausführungsform des elektrischen Energiesystems 100 in einem dritten Zustand in Verbindung mit dem Boost-Modus verbunden sind. Im dritten Zustand ist der erste Schalter 156 deaktiviert und der zweite Schalter 155 aktiviert, wodurch das Laden des Z-Quellen-Wechselrichters 150 während dieses Teils des Boost-Modus bewirkt wird. Die ersten Wechselrichterschalter 112, 122 und 132 und die zweiten Wechselrichterschalter 114, 124 und 134 werden als Teil der Motorsteuerungsmodulation selektiv aktiviert. Pfeil 510 zeigt den Leistungsfluss durch den Z-Source-Wechselrichter 150 an, und Pfeil 520 zeigt den Leistungsfluss durch den aktivierten zweiten Wechselrichterschalter 114 an. Dieser Vorgang ist mit der dreiphasigen Motorsteuermodulation verbunden. Der dritte dargestellte Zustand kann als Steuerzustand V011 bezeichnet werden, der Aktivierungen und Deaktivierungen der ersten Wechselrichterschalter 112, 122 und 132 und der zweiten Wechselrichterschalter 114, 124 und 134 anzeigt. Andere Steuerzustände, die dem Betrieb im Boost-Modus zugeordnet sind, beziehen sich auf Aktivierungen und Deaktivierungen der ersten Wechselrichterschalter 112, 122 und 132 und der zweiten Wechselrichterschalter 114, 124 und 134 und werden als V011, V001, V010, V101, V110, V100 bezeichnet. Die Steuerzustände werden sequentiell ausgewählt, um die Wechselrichterschalter 112 und 114, 122 und 124 und 132 und 134 als Reaktion auf einen Wechselrichterschalter-Steuermodus zu aktivieren und zu deaktivieren, der einen pulsbreitenmodulierten (PWM) Modus, einen sechsstufigen Steuermodus oder einen anderen Steuermodus umfassen kann.
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Der Begriff „Controller“ und verwandte Begriffe wie Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder verschiedene Kombinationen von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, Zentraleinheiten, z. B. Mikroprozessoren und zugehörigen nichttransitorischen Speicherkomponenten in Form von Speicher- und Speichergeräten (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Direktzugriff, Festplatte usw.). Die nichttransitorische Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Befehle in Form von einem oder mehreren Software- oder Firmware-Programmen oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltungen, Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -vorrichtungen, Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die von einem oder mehreren Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Zu den Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -geräten gehören Analog/Digital-Wandler und verwandte Geräte, die Eingänge von Sensoren überwachen, wobei solche Eingänge mit einer voreingestellten Abtastfrequenz oder als Reaktion auf ein auslösendes Ereignis überwacht werden. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen von Controllern ausführbare Befehlssätze, einschließlich Kalibrierungen und Nachschlage-Tabellen. Jeder Controller führt Steuerroutine(n) aus, um gewünschte Funktionen bereitzustellen. Die Routinen können in regelmäßigen Abständen ausgeführt werden, z. B. alle 100 Mikrosekunden im laufenden Betrieb. Alternativ können die Routinen als Reaktion auf das Auftreten eines auslösenden Ereignisses ausgeführt werden. Die Kommunikation zwischen Controllern und die Kommunikation zwischen Controllern, Aktoren und/oder Sensoren kann über eine direkt verdrahtete Punkt-zu-Punkt-Verbindung, eine vernetzte Kommunikationsbusverbindung, eine drahtlose Verbindung oder eine andere geeignete Kommunikationsverbindung erfolgen. Die Kommunikation umfasst den Austausch von Datensignalen in geeigneter Form, z. B. elektrische Signale über ein leitendes Medium, elektromagnetische Signale über Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Die Datensignale können diskrete, analoge oder digitalisierte Analogsignale umfassen, die Eingaben von Sensoren, Aktuatorbefehle und die Kommunikation zwischen Steuerungen darstellen. Der Begriff „Signal“ bezieht sich auf einen physikalisch wahrnehmbaren Indikator, der Informationen übermittelt, und kann eine geeignete Wellenform sein (z. B. elektrisch, optisch, magnetisch, mechanisch oder elektromagnetisch), wie Gleichstrom, Wechselstrom, Sinuswelle, Dreieckswelle, Rechteckwelle, Vibration und dergleichen, die sich durch ein Medium ausbreiten kann.
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Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegende Lehre, aber der Umfang der vorliegenden Lehre wird ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehre im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Durchführung der in den beigefügten Ansprüchen definierten vorliegenden Lehre.
