DE102021114063A1

DE102021114063A1 - System und Verfahren zum Erzeugen eines Erwärmungs-AC-Stroms

Info

Publication number: DE102021114063A1
Application number: DE102021114063.3A
Authority: DE
Inventors: Lei Hao; Neeraj S. Shidore; Suresh Gopalakrishnan; Chandra S. Namuduri; Venkatesh Gopalakrishnan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2022-05-19
Also published as: CN114506249A; US20220158574A1; US11482954B2

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erwärmen einer DC-Batterie in einem Fahrzeug enthält einen Elektromotor. Die Vorrichtung umfasst ein AC-Erzeugungsmodul, das mit der Batterie und mit dem Elektromotor gekoppelt ist, das drei AC-Phasen erzeugt. Die erste, die zweite und die dritte AC-Phase werden in dieser Reihenfolge an die erste, an die zweite und an die dritte Wicklung des Elektromotors angelegt. Da die Amplitude der ersten AC-Phase gleich der Summe der Amplituden der zweiten und der dritten AC-Phase ist und da die zweite und die dritte AC-Phase gegenüber der ersten AC-Phase um 180 Grad phasenverschoben sind, erzeugen die erste, die zweite und die dritte AC-Phase in dem Elektromotor das Drehmoment null. Das AC-Erzeugungsmodul erzeugt in der DC-Batterie einen Erwärmungswechselstrom.

Description

EINLEITUNG
Die in diesem Abschnitt gegebenen Informationen dienen der allgemeinen Darstellung des Kontexts der Offenbarung. Arbeit der hier genannten Erfinder in dem Umfang, in dem sie in diesem Abschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die nicht auf andere Weise als Stand der Technik zum Zeitpunkt der Einreichung berechtigen können, sind weder explizit noch implizit als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung anerkannt.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zum Erwärmen einer Fahrzeugbatterie unter Verwendung eines von einem DC-Spannungs-Bus erzeugten AC-Stroms. Es ist erwünscht, unter Verwendung eines Stromrichter-DC-Busses einen AC-Strom zu erzeugen, um eine Fahrzeugbatterie bei kalter Umgebungstemperatur schnell zu erwärmen. Außerdem ist es erwünscht, Wärme für den Fahrzeuginnenraum bereitzustellen, falls Motor-, Batterie- und Innenraumschleifen gekoppelt sind. Darüber hinaus ist erwünscht, das Arbeitsmaschinendrehmoment bei irgendeiner Rotorposition unter Verwendung des AC-Stroms in dem Stromrichter-DC-Bus nahe null zu steuern.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Erwärmen einer DC-Batterie in einem Fahrzeug, das einen Elektromotor enthält, zu schaffen. Die Vorrichtung umfasst: i) ein Wechselstrom-Erzeugungsmodul (AC-Erzeugungsmodul), das mit der Batterie und mit dem Elektromotor gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, drei Wechselstromphasen (AC-Phasen) zu erzeugen. Eine erste AC-Phase wird an eine erste Wicklung des Elektromotors angelegt, eine zweite AC-Phase wird an eine zweite Wicklung des Elektromotors angelegt und eine dritte AC-Phase wird an eine dritte Wicklung des Elektromotors angelegt. Die erste AC-Phase, die zweite AC-Phase und die dritte AC-Phase erzeugen in dem Elektromotor im Wesentlichen das Drehmoment null und das AC-Erzeugungsmodul erzeugt in der DC-Batterie einen Erwärmungswechselstrom.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste AC-Phase eine erste Amplitude auf, weist die zweite AC-Phase eine zweite Amplitude auf und weist die dritte AC-Phase eine dritte Amplitude auf und wobei die erste Amplitude im Wesentlichen gleich der Summe der zweiten und der dritten Amplitude ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die erste AC-Phase eine erste Phase auf, weist die zweite AC-Phase eine zweite Phase auf und weist die dritte AC-Phase eine dritte Phase auf, wobei die zweite und die dritte Phase gegenüber der ersten Phase im Wesentlichen gleich 180 Grad phasenverschoben sind.
Gemäß einer nochmals anderen Ausführungsform umfasst das AC-Erzeugungsmodul einen Rotorpositionssensor, der dafür konfiguriert ist, eine Position eines Rotors des Elektromotors zu detektieren, und ein Steuermodul, das dafür konfiguriert ist, die detektierte Rotorposition von dem Rotorpositionssensor zu empfangen, wobei das Steuermodul die erste AC-Phase, die zweite AC-Phase und die dritte AC-Phase auf der Grundlage der detektierten Rotorposition erzeugt.
Gemäß einer abermals anderen Ausführungsform umfasst das AC-Erzeugungsmodul ferner mehrere Phasenstromsensoren, die dafür konfiguriert sind, die erste AC-Phase in der ersten Wicklung, die zweite AC-Phase in der zweiten Wicklung und die dritte AC-Phase in der dritten Wicklung zu detektieren, und wobei das Steuermodul die erste AC-Phase, die zweite AC-Phase und die dritte AC-Phase auf der Grundlage der detektierten ersten AC-Phase, der detektierten zweiten AC-Phase und der detektierten dritten AC-Phase einstellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das AC-Erzeugungsmodul ferner einen Dreiphasenstromrichter, der mehrere Schalter umfasst, wobei die mehreren Schalter umfassen: i) einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, die dafür konfiguriert sind, die erste Wicklung mit dem positiven Anschluss bzw. mit dem negativen Anschluss zu koppeln, ii) einen dritten Schalter und einen vierten Schalter, die dafür konfiguriert sind, die zweite Wicklung mit dem positiven Anschluss bzw. mit dem negativen Anschluss der Batterie zu koppeln, und iii) einen fünften Schalter und einen sechsten Schalter, die dafür konfiguriert sind, die dritte Wicklung mit dem positiven Anschluss bzw. mit dem negativen Anschluss der Batterie zu koppeln.
Gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform umfasst das Steuermodul eine Schalteransteuerschaltungsordnung, die mit den mehreren Schaltern gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, mehrere pulsbreitenmodulierte Signale (PWM-Signale) zu erzeugen, die das Öffnen und Schließen der mehreren Schalter steuern.
Gemäß einer abermals weiteren Ausführungsform ist das Steuermodul dafür konfiguriert, eine detektierte Temperatur der Batterie zu empfangen, und wobei das Steuermodul veranlasst, dass das AC-Erzeugungsmodul die erste AC-Phase, die zweite AC-Phase und die dritte AC-Phase erzeugt, wenn die detektierte Temperatur kleiner als ein Schwellenwert ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeugsystem zu schaffen, das umfasst: i) einen Elektromotor; ii) eine DC-Batterie, um dem Elektromotor Leistung zuzuführen; und iii) eine Vorrichtung zum Erwärmen der DC-Batterie, wenn die Temperatur der DC-Batterie kleiner als ein Schwellenwert ist. Die Vorrichtung umfasst ein Wechselstrom-Erzeugungsmodul (AC-Erzeugungsmodul), das mit der Batterie und mit dem Elektromotor gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, drei Wechselstromphasen (AC-Phasen) zu erzeugen. Eine erste AC-Phase wird an eine erste Wicklung des Elektromotors angelegt, eine zweite AC-Phase wird an eine zweite Wicklung des Elektromotors angelegt und eine dritte AC-Phase wird an eine dritte Wicklung des Elektromotors angelegt. Die erste AC-Phase, die zweite AC-Phase und die dritte AC-Phase erzeugen in dem Elektromotor im Wesentlichen das Drehmoment null und das AC-Erzeugungsmodul erzeugt in der DC-Batterie einen Erwärmungswechselstrom.
Es ist eine nochmals andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zum Erwärmen einer DC-Batterie in einem Fahrzeug, das einen Elektromotor enthält, zu schaffen. Das Verfahren umfasst: i) Erzeugen von drei Wechselstromphasen (AC-Phasen); ii) Anlegen einer ersten AC-Phase an eine erste Wicklung des Elektromotors, iii) Anlegen einer zweiten AC-Phase an eine zweite Wicklung des Elektromotors; und iv) Anlegen einer dritten AC-Phase an eine dritte Wicklung des Elektromotors. Die erste AC-Phase, die zweite AC-Phase und die dritte AC-Phase erzeugen in dem Elektromotor im Wesentlichen das Drehmoment null. Das Erzeugen der drei AC-Phasen erzeugt in der DC-Batterie einen Erwärmungswechselstrom.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner: i) Detektieren einer Position eines Rotors des Elektromotors; und ii) Erzeugen der ersten AC-Phase, der zweiten AC-Phase und der dritten AC-Phase auf der Grundlage der detektierten Rotorposition.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung gehen aus der ausführlichen Beschreibung, aus den Ansprüchen und aus den Zeichnungen hervor. Die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele sind nur zu Veranschaulichungszwecken bestimmt und sollen den Schutzumfang der Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird umfassender verständlich aus der ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen; es zeigen:

1 ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeugsystems, das ein AC-Erzeugungsmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält;
2A ein Zeitdiagramm eines herkömmlichen symmetrischen Dreiphasenstroms;
2B ein Zeitdiagramm des vorgeschlagenen Dreiphasenstroms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 einen Graphen, der die D-Achsen-Ausrichtung unter Verwendung verschiedener Stromamplituden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
4 einen Stromlaufplan, der ein AC-Erzeugungsmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
5 ein Zeitdiagramm, das einen Batteriestrom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
6 einen Ablaufplan, der den Betrieb eines AC-Erzeugungsmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.

In den Zeichnungen können Bezugszeichen mehrfach verwendet sein, um ähnliche und/oder gleiche Elemente zu identifizieren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung ist auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren gerichtet, die einen Fahrzeugleistungsstromrichter und Arbeitsmaschinenwicklungen verwenden, um in dem Leistungsstromrichter-Gleichstrombus (Leistungsstromrichter-DC-Bus) einen Wechselstrom (AC) zu erzeugen, um eine Batterie schnell zu erwärmen, während das Arbeitsmaschinendrehmoment nahe null gesteuert wird. Vorteilhaft erzeugt die Vorrichtung den AC-Strom in dem Stromrichter-DC-Bus bei irgendeiner Rotorposition. Vorteilhaft schaffen die offenbarte Vorrichtung und das offenbarte Verfahren die Fähigkeit, die Batterie zu erwärmen und die Notwendigkeit einer externen Konvektionsheizung (z. B. einer externen Heizeinrichtung) zu beseitigen.
Normalerweise verwenden Antriebe elektrischer Arbeitsmaschinen symmetrische Dreiphasenströme, um ein rotierendes Feld zu erzeugen, damit die Arbeitsmaschine mit positivem Drehmoment rotiert. Allerdings veranlassen die phasensymmetrischen Ströme in dem Stromrichterbus einen DC-Strom, der nicht für die schnelle Batterieerwärmung verwendet werden kann. Um in dem Stromrichter-DC-Bus einen AC-Strom zu erzeugen, verwenden die offenbarte Vorrichtung und das offenbarte Verfahren drei eindeutige Phasenströme, die sich zu irgendeinem Zeitpunkt zu dem Strom null addieren. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Phasenstrom (z. B. ΦA) als die Referenzphase und die Referenzamplitude eingestellt wird. Die Vorrichtung erzeugt die anderen Phasenströme (z. B. ΦB und ΦC) gegenüber ΦA um 180 Grad phasenverschoben und mit Amplituden, die sich zu der Amplitude der Amplitude ΦA addieren. Konzeptionell kann dies ebenfalls in der Weise beschrieben werden, dass die anderen Phasenströme (z. B. ΦB und ΦC) mit ΦA gleichphasig und mit Amplituden, die sich zu dem Negativen der Amplitude von ΦA addieren, sind. Somit sind zwei Phasenströme immer in der entgegengesetzten Richtung zu der anderen Phase und ist die Summe aller drei Phasenströme zu irgendeinem Zeitpunkt null. Die vorgeschlagenen drei Phasenströme erzeugen ein Pulsationsfeld und das Arbeitsmaschinendrehmoment wegen des Pulsationsfelds kann in Abhängigkeit von der Anfangsrotorposition variieren.
1 ist ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeugsystems 100, das ein AC-Erzeugungsmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält. Obwohl ein Fahrzeugsystem für ein manuell angetriebenes Hybridfahrzeug gezeigt und beschrieben ist, ist die vorliegende Offenbarung ebenfalls auf autonom angetriebene Fahrzeuge und auf reine Elektrofahrzeuge anwendbar. Die vorliegende Offenbarung kann ebenfalls auf Nicht-Kraftfahrzeug-Implementierungen wie etwa Züge, Schiffe und Flugzeuge anwendbar sein.
Eine Kraftmaschine 102 verbrennt ein Luft/Kraftstoff-Gemisch, um ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Ein Kraftmaschinensteuermodul (ECM) 106 steuert die Kraftmaschine 102 auf der Grundlage einer oder mehrerer Fahrer- oder Fahrzeugeingaben. Das ECM 106 kann z. B. die Betätigung von Kraftmaschinenaktuatoren wie etwa einer Drosselkappe, einer oder mehrerer Zündkerzen, einer oder mehrerer Kraftstoffeinspritzeinrichtungen, Ventilaktuatoren, Nockenwellen-Phasensteller, eines Abgasrückführungsventils (AGR-Ventils), einer oder mehrerer Ladedruckvorrichtungen und anderer geeigneter Kraftmaschinenaktuatoren steuern.
Die Kraftmaschine 102 kann ein Drehmoment an ein Getriebe 110 ausgeben. Ein Getriebesteuermodul (TCM) 114 steuert den Betrieb des Getriebes 110. Das TCM 114 kann z. B. die Gangwahl innerhalb des Getriebes 110 und eine oder mehrere Drehmomentübertragungsvorrichtungen (z. B. einen Drehmomentwandler, eine oder mehrerer Kupplungen usw.) steuern.
Das Fahrzeugsystem 100 kann einen oder mehrere Elektromotoren enthalten. Wie in dem Beispiel aus 1A gezeigt ist, kann ein Elektromotor 118 z. B. innerhalb des Getriebes 110 implementiert sein. Ein Elektromotor kann zu einem gegebenen Zeitpunkt entweder als ein Generator oder als ein Motor wirken. Wenn er als ein Generator wirkt, wandelt ein Elektromotor mechanische Energie in elektrische Energie um. Die elektrische Energie kann über eine Leistungssteuervorrichtung (PCD) 130 eine Batterie 126 laden. Wenn er als ein Motor wirkt, erzeugt der Elektromotor ein Drehmoment, das das durch die Kraftmaschine 102 ausgegebene Drehmoment ergänzt oder ersetzt. Obwohl das Beispiel eines Elektromotors gegeben ist, kann das Fahrzeug null oder mehr als einen Elektromotor enthalten. Ferner kann das Fahrzeugsystem 100 ein reines Elektrofahrzeug sein, wobei es keine Kraftmaschine gibt und stattdessen die elektrische Arbeitsmaschine das Drehmoment zum Antreiben des Fahrzeugs erzeugt.
Ein Leistungsstromrichter-Steuermodul (PIM) 134 kann den Elektromotor 118 und die PCD 130 steuern. Die PCD 130 legt auf der Grundlage von Signalen von dem PIM 134 Leistung (z. B. Gleichstromleistung) von der Batterie 126 an den Elektromotor 118 (z. B. Wechselstromelektromotor) an und die PCD 130 stellt durch den Elektromotor 118 ausgegebene Leistung z. B. für die Batterie 126 bereit. Gemäß verschiedenen Implementierungen kann das PIM 134 als ein Leistungsstromrichtermodul (PIM) bezeichnet werden.
Ein Lenkungssteuermodul 140 steuert die Lenkung/das Schwenken der Räder des Fahrzeugs z. B. auf der Grundlage dessen, dass der Fahrer ein Lenkrad innerhalb des Fahrzeugs dreht, und/oder von Lenkbefehlen von einem oder mehreren Fahrzeugsteuermodulen. Ein Lenkradeinschlagwinkel-Sensor (SWA) überwacht die Drehposition des Lenkrads und erzeugt auf der Grundlage der Position des Lenkrads ein SWA-Signal 142. Als ein Beispiel kann das Lenkungssteuermodul 140 die Fahrzeuglenkung auf der Grundlage des SWA-Signals 142 über einen EPS-Motor 144 steuern. Allerdings kann das Fahrzeug einen anderen Typ eines Lenkungssystems enthalten. Ein elektronisches Bremssteuermodul (EBCM) 150 kann wahlweise Bremsen 154 des Fahrzeugs steuern.
Module des Fahrzeugs können Parameter über ein Controller Area Network (CAN) 162 gemeinsam nutzen. Das CAN 162 kann ebenfalls als ein Fahrzeugbereichsnetz bezeichnet werden. Das CAN 162 kann z. B. einen oder mehrere Datenbusse enthalten. Durch ein gegebenes Steuermodul können verschiedene Parameter über das CAN 162 für andere Steuermodule verfügbar gemacht werden.
Die Fahrereingaben können z. B. eine Fahrpedalposition (APP) 166 enthalten, die für das ECM 106 bereitgestellt werden kann. Eine Bremspedalposition (BPP) 170 kann für das EBCM 150 bereitgestellt werden. Eine Position 174 eines Parken-Rückwärtsgang-Leerlauf-Fahren-Hebels (PRNDL) kann für das TCM 114 bereitgestellt werden. Ein Zündzustand 178 kann für ein Karosseriesteuermodul (BCM) 180 bereitgestellt werden. Der Zündzustand 178 kann z. B. über einen Zündschlüssel, einen Druckknopf oder einen Schalter durch einen Fahrer eingegeben werden. Der Zündzustand 178 kann zu einem gegebenen Zeitpunkt ausgeschaltet oder Zubehör oder Laufen oder Anlassen sein.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das Fahrzeugsystem 100 ferner ein weiterentwickeltes Computermodul 185 und ein Sensormodul 190. Wie später ausführlicher erläutert wird, enthält das Sensormodul 190 mehrere über das Fahrzeugsystem 100 verteilte Sensoren, die wichtige Informationen erheben. Die Sensorinformationen enthalten z. B. Raddrehzahldaten, Lenkradeinschlagwinkel-Sensordaten, Bremsstatusdaten, LiDAR-System-Daten, Radardaten, Kamerabilder, GPS-Daten, Beschleunigungsmesserdaten, Kraftmaschinentemperatur und RPM und dergleichen, um die Geschwindigkeit, die Richtung und den Ort des Fahrzeugsystems 100 zu bestimmen. Insbesondere kann das Sensormodul 190 mehrere Phasenstromsensoren und einen Rotorpositionssensor, die dem Elektromotor 118 zugeordnet sind, und mehrere Batteriesensoren zum Überwachen z. B. der Batterietemperatur (T), des Batteriestroms (I) und der Batteriespannung (V) enthalten.
Das weiterentwickelte Computermodul 185 umfasst eine Hochleistungs-Computerplattform, die viele der Funktionen höherer Ordnung und Funktionen niedrigerer Ordnung des Fahrzeugsystems 100 steuert. Gemäß einer typischen Implementierung kann das weiterentwickelte Computermodul 185 als ein Mikroprozessor und ein zugeordneter Speicher implementiert sein. Das weiterentwickelte Computermodul 185 führt ein Kernel-Programm aus, das den Gesamtbetrieb des weiterentwickelten Computermoduls 185 steuert.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung kann das weiterentwickelte Computermodul 185 ein Wechselstrom-Erzeugungsmodul (AC-Erzeugungsmodul) anweisen, AC-Strom zu erzeugen, der die Batterie 126 erwärmt, ohne in dem Motor 118 ein Drehmoment zu erzeugen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann das AC-Erzeugungsmodul ein Teil des Leistungsstromrichtermoduls (PIM) 134 sein, das den Elektromotor 118 und die PCD 130 steuert. Das weiterentwickelte Computermodul 185 kann aus Sensorinformationen bestimmen, dass die Temperatur der Batterie 126 zu niedrig ist, und kann das AC-Erzeugungsmodul anweisen, den AC-Strom anzuwenden, um in der Batterie Wärme zu erzeugen. Wenn die Batterietemperatur einen Minimalschwellenwert übersteigt, kann das weiterentwickelte Computermodul 185 das AC-Erzeugungsmodul anweisen, das Erzeugen des AC-Stroms anzuhalten.
2A ist ein Zeitdiagramm 200 herkömmlicher symmetrischer Dreiphasenströme, die durch ein Leistungsstromrichter-Steuermodul (PIM) 134 durch die PCD 130 erzeugt werden. Die drei Phasen umfassen einen ersten Phasenstrom (ΦA), einen zweiten Phasenstrom (ΦB) und einen dritten Phasenstrom (ΦC), die mit einer beispielhaften Frequenz von 100 Hz arbeiten. Die horizontale Achse des Zeitdiagrams 200 gibt die Zeit in Hundertstelsekunden. Unter der Annahme, dass der Strom ΦA die Referenz ist, ist der Strom ΦA bei einer Phase von 0 Grad und einer Amplitude von 1,0, ist der Strom ΦB bei einer Phase von 120 Grad und einer Amplitude von 1,0 und ist der Strom ΦC bei einer Phase von 240 Grad und einer Amplitude von 1,0. Dieser Typ eines symmetrischen Dreiphasenstroms führt nur zu dem DC-Strom in dem Batterieanschluss und kann keinen AC-Strom in dem Batterieanschluss erzeugen.
2B ist ein Zeitdiagramm 250 der vorgeschlagenen Dreiphasenströme, die durch ein Leistungsstromrichter-Steuermodul (PIM) 134 durch die PCD 130 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erzeugt werden. Unter der Annahme, dass ΦA die Referenz ist, hat der Strom ΦA eine Phase von 0 Grad und eine Amplitude von 1,0. Allerdings weisen der Strom ΦB und der Strom ΦC dieselbe Phase auf und sind nun gegenüber der Phase A um 180 Grad phasenverschoben. Außerdem ist die Summe der Amplituden des Stroms ΦB und des Stroms ΦC gleich der Amplitude des Stroms ΦA. Zum Beispiel kann der Strom ΦB 0,65 sein und kann der Strom ΦC 0,35 sein. Da die Ströme ΦB und ΦC in der entgegengesetzten Richtung zu dem Strom ΦA (d. h. negativ in Bezug auf ΦA) sind, summieren sich die drei Phasen zu null (d. h. 1,0 - (0,65 + 0,35) = 0 Ampere. Somit wird in dem Batterieanschluss ein AC-Strom erzeugt und erzeugen die AC-Ströme in der Batterie 126 schnell Wärme.
3 ist ein Graph 300, der die D-Achsen-Ausrichtung unter Verwendung verschiedener Stromamplituden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Die D-Achse 340 repräsentiert in dem Bezugssystem mit synchronem d und q einer Arbeitsmaschine eine Längsachse. Der Vektor 310 repräsentiert den Strom ΦA. Der Vektor 320 repräsentiert den Strom ΦB. Der Vektor 330 repräsentiert den Strom ΦC. Wie die Vektoren 310, 320 und 330 zeigen, ist es durch Steuern des Verhältnisses der Amplituden der drei Stromphasen immer möglich, den Stromvektor auf die D-Achse auszurichten. Die Position der Längsachse in dem Bezugssystem mit synchronem d und q der Arbeitsmaschine kann jedes Mal, nachdem das Fahrzeug geparkt gewesen ist, verschieden, aber unter der Annahme, dass die Arbeitsmaschine im Stand ist und das Drehmoment null erzeugt, an einer Position festgesetzt sein. Da der Arbeitsmaschinenstromvektor dafür gesteuert werden kann, sich auf den D-Achsen-Rahmen auszurichten, falls die Position der D-Achse bekannt ist, ist der q-Achsen-Strom der Arbeitsmaschine immer null. Somit ist das Arbeitsmaschinendrehmoment unabhängig von der Amplitude des Phasenstroms im Wesentlichen null. Mit anderen Worten, dadurch, dass das Verhältnis der Amplituden der drei Phasenströme auf der Grundlage der wie in 2B gezeigten Rotorposition spezifisch gewählt wird, ist es für irgendeine gegebene Rotorposition unabhängig von den reellen Werten der Amplituden der Phasenströme immer möglich, den Stromvektor auf die D-Achse auszurichten und das Drehmoment null zu erzeugen.
4 ist ein Stromlaufplan, der ein AC-Erzeugungsmodul 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Das AC-Erzeugungsmodul 400 umfasst die Batterie 126, einen Kondensator C1, einen Dreiphasenstromrichter, der sechs Schalter S1-S6 umfasst, ein Stromrichter-Gate-Treiber- und Motorstrom-Steuermodul 440, ein Batteriemanagementmodul 450, Batteriesensoren 460, einen Rotorpositionssensor 470 und Phasenstromsensoren 480.
Das weiterentwickelte Computermodul 185 in 4 kann das AC-Erzeugungsmodul 400 in Ansprechen auf von dem Batteriesensormodul 460 empfangene Temperaturwerte steuern (z. B. aktivieren/deaktivieren). Außerdem ist in 4 jede der Wicklungen des Elektromotors 118 durch eine Induktivität und durch eine gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) dargestellt. Zum Beispiel ist die erste Motorwicklung durch die Induktivität 421 und durch die Gegen-EMK 431 dargestellt. Eine zweite Motorwicklung ist durch die Induktivität 422 und durch die Gegen-EMK 432 dargestellt. Die dritte Motorwicklung ist durch die Induktivität 423 und durch die Gegen-EMK 433 dargestellt.
Das Stromrichter-Gate-Treiber- und Motorstrom-Steuermodul 440 erzeugt die Gate-Steuersignale S1-S6, die in dieser Reihenfolge die Schalter S1-S6 steuern. Die Schalter S1 und S2 koppeln die dritte Motorwicklung mit dem positiven Anschluss bzw. mit dem negativen Anschluss der Batterie 126. Die Schalter S3 und S4 koppeln die zweite Motorwicklung mit dem positiven Anschluss bzw. mit dem negativen Anschluss der Batterie 126. Die Schalter S5 und S6 koppeln die dritte Motorwicklung mit dem positiven Anschluss bzw. mit dem negativen Anschluss der Batterie 126.
Das Batteriemanagementmodul 450 empfängt von dem Batteriesensormodul 460 Messwerte der Spannung (V), des Stroms (I) und der Temperatur (T). Das Batteriemanagementmodul 450 kann in Ansprechen auf einen Befehl von dem weiterentwickelten Computermodul 185 ein Wärmefreigabesignal und ein AC-Strom-Befehlssignal erzeugen. Das Stromrichter-Gate-Treiber- und Motorstrom-Steuermodul 440 wird durch das Wärmefreigabesignal aktiviert. Außerdem empfängt das Stromrichter-Gate-Treiber- und Motorstrom-Steuermodul 440 das AC-Strombefehlssignal, das den Betrag des durch das AC-Erzeugungsmodul 400 erzeugten Stroms einstellt.
Das Stromrichter-Gate-Treiber- und Motorstrom-Steuermodul 440 erzeugt an den Ausgängen der Schaltersteuersignale S1-S6 pulsbreitenmodulierte Signale (PWM-Signale). Die PWM-Signale öffnen und schließen die Schalter S1-S6 in dem Dreiphasenstromrichter wahlweise, um die sinusförmigen Phasenströme in 2B zu erzeugen. Die sinusförmigen Phasenströme werden auf der Grundlage der Rotorposition (θ), die durch den Rotorpositionssensor 470 detektiert wird, und der Phasenströme I_a, I_b und I_c, die durch das Phasenstromsensormodul 480 detektiert werden, erzeugt.
5 ist ein Zeitdiagramm 500, das den AC-Batteriestrom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Der AC-Batteriestrom wird an dem Anschluss der Batterie 126 erzeugt und kann wegen des Kondensators C1 eine kleinere Amplitude als die einzelnen Phasenströme (ΦA, ΦB, ΦC) aufweisen. Nach einer Anfangsstartzeitdauer regelt die Amplitude des AC-Batteriestroms auf einen stationären Spitze-Spitze-Wert aus. Der AC-Batteriestrom in 5 erzeugt in der Batterie 126 Wärme, wobei aber in dem Elektromotor 118 kein Drehmoment erzeugt wird, da die drei Phasenströme der Arbeitsmaschine in der Weise gesteuert werden können, dass sie auf die D-Achse ausgerichtet sind.
6 ist ein Ablaufplan 600, der den Betrieb des AC-Erzeugungsmoduls 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Anfangs kann das weiterentwickelte Computermodul 185 das AC-Erzeugungsmodul 400 z. B. in Ansprechen auf eine Bestimmung, dass die Batterie 126 zu kalt ist, freigeben. In 610 bestimmt das Stromrichter-Gate-Treiber- und Motorstrom-Steuermodul 440 die Anfangsrotorposition. Nachfolgend kann das Stromrichter-Gate-Treiber- und Motorstrom-Steuermodul 440 in 620 auf der Grundlage der Rotorposition und der Umgebungsbatterietemperatur die Phasenstromamplituden und die Richtung (d. h. Phase) für die Ströme ΦA, ΦB und ΦC bestimmen.
Nachfolgend kann das Stromrichter-Gate-Treiber und Motorstrom-Steuermodul 440 in 630 das Verhältnis und die Richtung der Dreiphasenströme bestimmen, die erforderlich sind, um die PWM-Signale zu erzeugen, die die Dreiphasen-Stromrichterschalter S1-S6 steuern. In 640 legt das Stromrichter-Gate-Treiber- und Motorstrom-Steuermodul 440 die PWM-Signale an den Ausgängen der Gate-SteuerSignale S1-S6 an die Gates der Schalter S1-S6 an. An diesem Punkt legt das AC-Erzeugungsmodul 400 die drei Phasenströme ΦA, ΦB, ΦC in 2B an die Wicklungen des Elektromotors 118 an und beginnt sich die Batterie 126 zu erwärmen.
In 650 bestimmt das Stromrichter-Gate-Treiber- und Motorstrom-Steuermodul 440, ob die Batterietemperatur höher als ein Minimalschwellenwert ist. Falls in 650 Nein ist, kehrt das Stromrichter-Gate-Treiber- und Motorstrom-Steuermodul 440 zu 620 zurück und bestimmt es weiter auf der Grundlage der Rotorposition und der aktualisierten Batterietemperatur die Phasenstromamplituden und die Richtung für die Ströme ΦA, ΦB und ΦC. Falls in 650 Ja ist, kann das AC-Erzeugungsmodul 400 den Dreiphasenstromrichter sperren und das Erwärmen der Batterie 126 beenden.
Die vorstehende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend und soll die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in einer Vielzahl von Formen implementiert werden. Obwohl diese Offenbarung bestimmte Beispiele enthält, soll der wahre Schutzumfang der Offenbarung somit nicht darauf beschränkt sein, da andere Änderungen bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche hervorgehen. Selbstverständlich können ein oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in einer anderen Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Obwohl jede der Ausführungsformen oben als mit bestimmten Merkmalen beschrieben worden ist, können ferner ein oder mehrere dieser in Bezug auf irgendeine Ausführungsform der Offenbarung beschriebenen Merkmale in und/oder zusammen mit Merkmalen irgendeiner der anderen Ausführungsformen implementiert werden, selbst wenn diese Kombination nicht explizit beschrieben ist. Mit anderen Worten, die beschriebenen Ausführungsformen schließen sich nicht gegenseitig aus und Vertauschungen einer oder mehrerer Ausführungsformen miteinander bleiben im Schutzumfang der Offenbarung.
Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z. B. zwischen Modulen, Schaltungselementen, Halbleiterschichten usw.) sind unter Verwendung verschiedener Begriffe einschließlich „verbunden“, „in Eingriff“, „gekoppelt“, „benachbart“, „neben“, „auf“, „über“, „unter“ und „angeordnet“ beschrieben. Wenn eine Beziehung zwischen einem ersten und einem zweiten Element in der obigen Offenbarung nicht explizit als „direkt“ beschrieben ist, kann diese Beziehung eine direkte Beziehung sein, bei der zwischen dem ersten und dem zweiten Element keine anderen dazwischenliegenden Elemente vorhanden sind, kann sie aber ebenfalls eine indirekte Beziehung sein, bei der zwischen dem ersten und dem zweiten Element ein oder mehrere (entweder räumlich oder funktional) dazwischenliegende Elemente vorhanden sind. Wie die Formulierung wenigstens eines von A, B und C hier verwendet ist, soll sie ein logisches (A ODER B ODER C) unter Verwendung eines nicht ausschließenden logischen ODER bedeuten und ist sie nicht in der Bedeutung „wenigstens eines von A, wenigstens eines von B und wenigstens eines von C“ zu verstehen.
In den Figuren veranschaulicht die Richtung eines Pfeils, wie sie durch die Pfeilspitze angegeben ist, allgemein den Informationsfluss (wie etwa von Daten oder Anweisungen), der für die Darstellung von Interesse ist. Wenn z. B. ein Element A und ein Element B eine Vielzahl von Informationen austauschen, für die Darstellung aber von dem Element A zu dem Element B übertragene Informationen relevant sind, kann der Pfeil von dem Element A zu dem Element B weisen. Dieser einfachgerichtete Pfeil bedeutet nicht, dass keine anderen Informationen von dem Element B zu dem Element A übertragen werden. Ferner kann für von dem Element A zu dem Element B gesendete Informationen das Element B Anforderungen für die Informationen an das Element A senden oder deren Quittierungen empfangen.
In dieser Anmeldung einschließlich in den folgenden Definitionen kann der Begriff „Modul“ oder der Begriff „Controller“ durch den Begriff „Schaltung“ ersetzt werden. Der Begriff „Modul“ kann sich auf: eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC); eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale integrierte Schaltung; eine Kombinationslogikschaltung; eine frei programmierbare logische Anordnung (FPGA); eine Prozessorschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die Code ausführt; eine Speicherschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die durch die Prozessorschaltung ausgeführten Code speichert; andere geeignete Hardwarekomponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination einiger oder aller der Obigen wie etwa in einem Ein-Chip-System beziehen, ein Teil davon sein oder sie enthalten.
Das Modul kann eine oder mehrere Schnittstellenschaltungen enthalten. Gemäß einigen Beispielen können die Schnittstellenschaltungen verdrahtete oder drahtlose Schnittstellen enthalten, die mit einem lokalen Netz (LAN), mit dem Internet, mit einem Weitverkehrsnetz (WAN) oder mit Kombinationen davon verbunden sind. Die Funktionalität irgendeines gegebenen Moduls der vorliegenden Offenbarung kann auf mehrere Module, die über Schnittstellenschaltungen verbunden sind, verteilt sein. Zum Beispiel können mehrere Module einen Lastausgleich ermöglichen. Gemäß einem weiteren Beispiel kann ein Servermodul (auch als entferntes Modul oder Cloud-Modul bekannt) einige Funktionalität im Auftrag eines Client-Moduls ausführen.
Der Begriff Code, wie er oben verwendet ist, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode enthalten und kann sich auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen, Datenstrukturen und/oder Objekte beziehen. Der Begriff gemeinsam genutzte Prozessorschaltung umfasst eine einzelne Prozessorschaltung, die einen Teil des Codes oder allen Code von mehreren Modulen ausführt. Der Begriff Gruppenprozessorschaltung umfasst eine Prozessorschaltung, die einen Teil oder allen Code von einem oder von mehreren Modulen zusammen mit zusätzlichen Prozessorschaltungen ausführt. Bezugnahmen auf mehrere Prozessorschaltungen umfassen mehrere Prozessorschaltungen auf diskreten Chipplättchen, mehrere Prozessorschaltungen auf einem einzelnen Chipplättchen, mehrere Kerne einer einzelnen Prozessorschaltung, mehrere Threads einer einzelnen Prozessorschaltung oder eine Kombination der Obigen. Der Begriff gemeinsam genutzte Speicherschaltung umfasst eine einzelne Speicherschaltung, die einen Teil von oder allen Code von mehreren Modulen speichert. Der Begriff Gruppenspeicherschaltung umfasst eine Speicherschaltung, die einen Teil oder allen Code von einem oder mehreren Modulen zusammen mit zusätzlichen Speichern speichert.
Der Begriff Speicherschaltung ist eine Teilmenge des Begriffs computerlesbares Medium. Der Begriff computerlesbares Medium, wie er hier verwendet ist, umfasst keine transitorischen elektrischen oder elektromagnetischen Signale, die sich (wie etwa in einer Trägerwelle) durch ein Medium ausbreiten; somit kann der Begriff computerlesbares Medium als konkret und nichttransitorisch angesehen werden. Nicht einschränkende Beispiele eines nichttransitorischen, konkreten computerlesbaren Mediums sind nichtflüchtige Speicherschaltungen (wie etwa eine Flash-Speicherschaltung, eine löschbare, programmierbarere Nur-Lese-Speicherschaltung oder eine Masken-Nur-Lese-Speicherschaltung), flüchtige Speicherschaltungen (wie etwa eine statische Schreib-Lese-Speicherschaltung oder eine dynamische Schreib-Lese-Speicherschaltung), magnetische Ablagespeichermedien (wie etwa ein analoges oder digitales Magnetband oder ein Festplattenlaufwerk) und optische Ablagespeichermedien (wie etwa eine CD, eine DVD oder eine Blu-Ray-Disc).
Die in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig durch einen durch Konfigurieren eines Universalcomputers zum Ausführen einer oder mehrerer bestimmter Funktionen, die in Computerprogrammen verkörpert sind, erzeugten Spezialcomputer implementiert werden. Die Funktionsblöcke, Ablaufplankomponenten und anderen Elemente, die oben beschrieben sind, dienen als Softwarespezifikationen, die durch die Routinearbeit eines erfahrenen Technikers oder Programmierers in die Computerprogramme übersetzt werden können.
Die Computerprogramme enthalten durch einen Prozessor ausführbare Anweisungen, die in wenigstens einem nichttransitorischen, konkreten computerlesbaren Medium gespeichert sind. Außerdem können die Computerprogramme gespeicherte Daten enthalten oder sich auf sie stützen. Die Computerprogramme können ein Basis-Eingabe/Ausgabe-System (BIOS), das mit Hardware des Spezialcomputers zusammenwirkt, Vorrichtungstreiber, die mit bestimmten Vorrichtungen des Spezialcomputers zusammenwirken, ein oder mehrere Betriebssysteme, Benutzeranwendungen, Hintergrunddienste, Hintergrundanwendungen usw. umfassen.
Die Computerprogramme können enthalten: (i) beschreibenden Text, der zu parsen ist, wie etwa HTML (Hypertext Markup Language), XML (Extensible Markup Language) oder JSON (JavaScript Object Notation), (ii) Assemblercode, (iii) Objektcode, der durch einen Compiler aus Quellcode erzeugt wird, (iv) Quellcode zur Ausführung durch einen Interpreter, (v) Quellcode zur Compilierung und Ausführung durch einen Just-in-time-Compiler usw. Nur als Beispiele kann Quellcode unter Verwendung einer Syntax aus Sprachen einschließlich C, C++, C#, Objective-C, Swift, Haskell, Go, SQL, R, Lisp, Java®, Fortran, Perl, Pascal, Curl, OCaml, Javascript®, HTML5 (Hypertext Markup Language, 5. Revision), Ada, ASP (Active Server Pages), PHP (PHP: Hypertext-Präprozessor), Scala, Eiffel, Smalltalk, Erlang, Ruby, Flash®, Visual Basic®, Lua, MATLAB, SIMULINK und Python® geschrieben sein.

Claims

System zum Erwärmen einer DC-Batterie in einem Fahrzeug, das einen Elektromotor enthält, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Wechselstrom-Erzeugungsmodul (AC-Erzeugungsmodul), das mit der Batterie und mit dem Elektromotor gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, drei Wechselstromphasen (AC-Phasen) zu erzeugen, wobei eine erste AC-Phase an eine erste Wicklung des Elektromotors angelegt wird, eine zweite AC-Phase an eine zweite Wicklung des Elektromotors angelegt wird und eine dritte AC-Phase an eine dritte Wicklung des Elektromotors angelegt wird, wobei die erste AC-Phase, die zweite AC-Phase und die dritte AC-Phase in dem Elektromotor im Wesentlichen das Drehmoment null erzeugen und das AC-Erzeugungsmodul in der DC-Batterie einen Erwärmungswechselstrom erzeugt.
System nach Anspruch 1, wobei die erste AC-Phase eine erste Amplitude aufweist, die zweite AC-Phase eine zweite Amplitude aufweist und die dritte AC-Phase eine dritte Amplitude aufweist und wobei die erste Amplitude im Wesentlichen gleich der Summe der zweiten und der dritten Amplitude ist.
System nach Anspruch 2, wobei die erste AC-Phase eine erste Phase aufweist, die zweite AC-Phase eine zweite Phase aufweist und die dritte AC-Phase eine dritte Phase aufweist, wobei die zweite und die dritte Phase gegenüber der ersten Phase im Wesentlichen gleich 180 Grad phasenverschoben sind.
System nach Anspruch 3, wobei das AC-Erzeugungsmodul einen Rotorpositionssensor, der dafür konfiguriert ist, eine Position eines Rotors des Elektromotors zu detektieren, und ein Steuermodul, das dafür konfiguriert ist, die detektierte Rotorposition von dem Rotorpositionssensor zu empfangen, umfasst, wobei das Steuermodul die erste AC-Phase, die zweite AC-Phase und die dritte AC-Phase auf der Grundlage der detektierten Rotorposition erzeugt.
System nach Anspruch 4, wobei das AC-Erzeugungsmodul ferner mehrere Phasenstromsensoren umfasst, die dafür konfiguriert sind, die erste AC-Phase in der ersten Wicklung, die zweite AC-Phase in der zweiten Wicklung und die dritte AC-Phase in der dritten Wicklung zu detektieren, und wobei das Steuermodul die erste AC-Phase, die zweite AC-Phase und die dritte AC-Phase auf der Grundlage der detektierten ersten AC-Phase, der detektierten zweiten AC-Phase und der detektierten dritten AC-Phase einstellt.
System nach Anspruch 5, wobei das AC-Erzeugungsmodul ferner einen Dreiphasenstromrichter umfasst, der mehrere Schalter umfasst, wobei die mehreren Schalter umfassen: i) einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, die dafür konfiguriert sind, die erste Wicklung mit dem positiven Anschluss bzw. mit dem negativen Anschluss zu koppeln, ii) einen dritten Schalter und einen vierten Schalter, die dafür konfiguriert sind, die zweite Wicklung mit dem positiven Anschluss bzw. mit dem negativen Anschluss der Batterie zu koppeln, und iii) einen fünften Schalter und einen sechsten Schalter, die dafür konfiguriert sind, die dritte Wicklung mit dem positiven Anschluss bzw. mit dem negativen Anschluss der Batterie zu koppeln.
System nach Anspruch 6, wobei das Steuermodul eine Schalteransteuerschaltungsordnung umfasst, die mit den mehreren Schaltern gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, mehrere pulsbreitenmodulierte Signale (PWM-Signale) zu erzeugen, die das Öffnen und Schließen der mehreren Schalter steuern.
System nach Anspruch 7, wobei das Steuermodul dafür konfiguriert ist, eine detektierte Temperatur der Batterie zu empfangen, und wobei das Steuermodul veranlasst, dass das AC-Erzeugungsmodul die erste AC-Phase, die zweite AC-Phase und die dritte AC-Phase erzeugt, wenn die detektierte Temperatur kleiner als ein Schwellenwert ist.
Fahrzeugsystem, das umfasst: einen Elektromotor; eine DC-Batterie, um dem Elektromotor Leistung zuzuführen; und eine Vorrichtung zum Erwärmen der DC-Batterie, wenn die Temperatur der DC-Batterie kleiner als ein Schwellenwert ist, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Wechselstrom-Erzeugungsmodul (AC-Erzeugungsmodul), das mit der Batterie und mit dem Elektromotor gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, drei Wechselstromphasen (AC-Phasen) zu erzeugen, wobei eine erste AC-Phase an eine erste Wicklung des Elektromotors angelegt wird, eine zweite AC-Phase an eine zweite Wicklung des Elektromotors angelegt wird und eine dritte AC-Phase an eine dritte Wicklung des Elektromotors angelegt wird, wobei die erste AC-Phase, die zweite AC-Phase und die dritte AC-Phase in dem Elektromotor im Wesentlichen das Drehmoment null erzeugen und das AC-Erzeugungsmodul in der DC-Batterie einen Erwärmungswechselstrom erzeugt.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 9, wobei die erste AC-Phase eine erste Amplitude aufweist, die zweite AC-Phase eine zweite Amplitude aufweist und die dritte AC-Phase eine dritte Amplitude aufweist und wobei die erste Amplitude im Wesentlichen gleich der Summe der zweiten und der dritten Amplitude ist.