DE102022124818A1

DE102022124818A1 - Verfahren zum entladen eines elektrofahrzeugwechselrichters

Info

Publication number: DE102022124818A1
Application number: DE102022124818.6A
Authority: DE
Inventors: Ji Wu; Wei Wu
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2021-10-01
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2023-04-06
Also published as: US11705849B2; CN115923550A; US20230106366A1

Abstract

Ein Fahrzeug beinhaltet eine Batterie, einen Wechselrichter, eine elektrische Maschine mit Dauermagnet und eine Steuerung. Die Steuerung befiehlt die Entladung eines Speicherelements des Wechselrichters durch die elektrische Maschine mit Dauermagnet mittels eines Stroms, der eine Quadraturachsenkomponente von null und eine positive Direktachsenkomponente aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Entladen eines Wechselrichters an einem Elektrofahrzeug.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrofahrzeuge werden durch eine Gleichstromhochspannungs(direct current high voltage - DC-HV)-Batterie angetrieben, die einem Wechselstrom(alternate current - AC)-Elektromotor Leistung zuführt. Ein Wechselrichter wird verwendet, um die DC-Leistung in AC-Leistung umzuwandeln. Ein DC-Buskondensator, der zwischen einem positiven und einem negativen HV-Bus geschaltet ist, kann entladen werden, indem Strom an einer d-Achse des Motors angelegt wird, nachdem das Fahrzeug geparkt wurde. Ein Drehmelderversatz wird charakterisiert, sobald die elektrische Maschine zusammengebaut ist, und dieser Versatz wird verwendet, um einen Rotorpositionsmesswert in einer Motorsteuerung derart einzustellen, dass ein Stromwinkel relativ zu einem Magnetkreis richtig an der gewünschten Rotorposition ausgerichtet werden kann. Der Drehmelderversatz kann aufgrund der Drehmelderausgestaltung, des Messverfahrens oder der Stromsteuergenauigkeit einen gewissen Fehler aufweisen. Wenn ein Drehmelderversatzfehler auftritt, kann ein q-Achsenstrom erzeugt werden, der wiederum Drehmoment erzeugt.
KURZDARSTELLUNG
Ein Fahrzeug beinhaltet eine Batterie, einen Wechselrichter, elektrische Maschine mit Dauermagnet und eine Steuerung. Die Steuerung befiehlt die Entladung eines Speicherelements des Wechselrichters durch die elektrische Maschine mit Dauermagnet mittels eines Stroms, der eine Quadraturachsenkomponente von null und eine positive Direktachsenkomponente aufweist.
Ein Verfahren für ein Fahrzeug beinhaltet Befehlen einer Entladung eines Speicherelements eines Wechselrichters durch eine Maschine mit Dauermagnet mittels eines Stroms, der eine Quadraturachsenkomponente von null und eine positive Direktachsenkomponente aufweist.
Ein Fahrzeug beinhaltet eine Batterie, einen Wechselrichter, elektrische Maschine mit Dauermagneten und eine Steuerung. Die Steuerung befiehlt eine Entladung eines Speicherelements des Wechselrichters durch die elektrische Maschine mittels eines Stroms, der einen Stromwinkel aufweist, der zu einem Anstieg der Magnetfeldstärke führt, die an einem Magnetfeld der Dauermagnete ausgerichtet ist.
Figurenliste

1 stellt eine mögliche Konfiguration für ein elektrifiziertes Fahrzeug dar.
2 stellt eine mögliche Konfiguration für ein Fahrzeugsystem dar, das Leistungselektronik beinhaltet, die einer elektrischen Maschine zugeordnet ist.
3 stellt ein Wellenformdiagramm eines Elektromotordrehmoments bei verschiedenen Stromwinkeln dar.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In dieser Schrift werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details spezieller Komponenten zu zeigen. Deshalb sind die in dieser Schrift offenbarten konkreten strukturellen und funktionellen Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann den vielfältigen Einsatz der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu produzieren, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
1 stellt ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 dar, das als Plugin-Hybridelektrofahrzeug (plug-in hybrid-electric vehicle - PHEV) bezeichnet werden kann. Ein Plugin-Hybridelektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 114 umfassen, die mechanisch an ein Getriebe oder ein Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die elektrischen Maschinen 114 können dazu in der Lage sein, als Elektromotor und als Generator betrieben zu werden. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch an einen Verbrennungsmotor 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 kann mechanisch an ein Differential 119 gekoppelt sein, das dazu konfiguriert ist, die Drehzahl der Antriebswellen 120 einzustellen, die mechanisch an Antriebsräder 122 des Fahrzeugs 112 gekoppelt sind. Die Antriebswellen 120 können als die Antriebsachse bezeichnet werden. In einigen Konfigurationen kann eine Kupplung zwischen dem Hybridgetriebe 116 und dem Differential 119 angeordnet sein. Die elektrischen Maschinen 114 können Antriebs- und Abbremsungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 118 an- oder ausgeschaltet ist. Die elektrischen Maschinen 114 können außerdem als Generatoren fungieren und können Kraftstoffeffizienzvorteile bereitstellen, indem sie Energie zurückgewinnen, die normalerweise in einem Reibungsbremssystem als Wärme verloren gehen würde. Die elektrischen Maschinen 114 können außerdem Fahrzeugemissionen verringern, indem sie es ermöglichen, dass der Verbrennungsmotor 118 bei effizienteren Drehzahlen betrieben wird, und sie es ermöglichen, dass das Hybridelektrofahrzeug 112 im Elektromodus betrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor 118 bei bestimmten Bedingungen ausgeschaltet ist. Ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 kann außerdem ein Batterieelektrofahrzeug (battery electric vehicle - BEV) sein. In einer BEV-Konfiguration ist der Motor 118 möglicherweise nicht vorhanden. In weiteren Konfigurationen kann das elektrifizierte Fahrzeug 112 ein Vollhybridelektrofahrzeug (full hybrid-electric vehicle - FHEV) ohne Plugin-Fähigkeit sein.
Ein Batteriepack oder eine Traktionsbatterie 124 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 114 verwendet werden kann. Die Traktionsbatterie 124 kann eine Hochspannungs-DC-Ausgabe bereitstellen. Ein Schützmodul 123 kann ein oder mehrere Schütze beinhalten, die konfiguriert sind, um die Traktionsbatterie 124 von einem Hochspannungsbus 125 zu trennen, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 124 mit dem Hochspannungsbus 125 zu verbinden, wenn sie geschlossen sind. Der Hochspannungsbus 125 kann Leistungs- und Rückleiter zum Transportieren von Strom über den Hochspannungsbus 125 beinhalten. Das Schützmodul 123 kann sich in der Traktionsbatterie 124 befinden. Ein oder mehrere Leistungselektronikmodule 126 können elektrisch an den Hochspannungsbus 125 gekoppelt sein. Die Leistungselektronikmodule 126 sind außerdem elektrisch an die elektrischen Maschinen 114 gekoppelt und stellen die Fähigkeit bereit, Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 124 und den elektrischen Maschinen 114 zu übertragen. Eine Traktionsbatterie 124 kann zum Beispiel eine DC-Spannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 114 mit einem Dreiphasen-Wechselstrom (three-phase alternating current - Dreiphasen-AC) arbeiten können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die DC-Spannung in einen Dreiphasen-AC-Strom umwandeln, um die elektrischen Maschinen 114 zu betreiben. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasen-AC-Strom von den elektrischen Maschinen 114, die als Generatoren fungieren, in die DC-Spannung umwandeln, die mit der Traktionsbatterie 124 kompatibel ist.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Energie für den Antrieb kann die Traktionsbatterie 124 Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Das Fahrzeug 112 kann ein DC/DC-Wandlermodul 128 beinhalten, das die Hochspannungs-DC-Ausgabe von dem Hochspannungsbus 125 in einen Niederspannungs-DC-Pegel eines Niederspannungsbusses 129 umwandelt, der mit Niederspannungsverbrauchern 131 kompatibel ist. Eine Ausgabe des DC/DC-Wandlermoduls 128 kann elektrisch zum Aufladen einer Hilfsbatterie 130 an eine Hilfsbatterie 130 (z. B. eine 12 V-Batterie) gekoppelt sein. Die Niederspannungsverbraucher 131 können mittels des Niederspannungsbusses 129 elektrisch an die Hilfsbatterie 130 gekoppelt sein. Ein oder mehrere elektrische Hochspannungsverbraucher 133 können an den Hochspannungsbus 125 gekoppelt sein. Die elektrischen Hochspannungsverbraucher 133 können eine zugehörige Steuerung aufweisen, welche die elektrischen Hochspannungsverbraucher 133 gegebenenfalls betreibt und steuert. Beispiele für elektrische Hochspannungsverbraucher 133 können ein Gebläse, ein elektrisches Heizelement und/oder ein Klimaanlagenkompressor sein.
Das elektrifizierte Fahrzeug 112 kann dazu konfiguriert sein, die Traktionsbatterie 124 von einer externen Leistungsquelle 136 aus aufzuladen. Bei der externen Leistungsquelle 136 kann es sich um eine Verbindung mit einer Steckdose handeln. Die externe Leistungsquelle 136 kann an eine Ladestation oder eine Elektrofahrzeugversorgungsausrüstung (electric vehicle supply equipment - EVSE) 138 elektrisch gekoppelt sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann ein elektrisches Leistungsverteilungsnetzwerk oder -netz sein, wie es durch ein Energieversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Die EVSE 138 kann eine Schaltungsanordnung und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 136 kann der EVSE 138 elektrische Leistung als DC- oder AC-Leistung bereitstellen. Das EVSE 138 kann einen Ladestecker 140 zum Koppeln an einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Der Ladeanschluss 134 kann eine beliebige Art von Anschluss sein, der konfiguriert ist, um Strom von der EVSE 138 an das Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeanschluss 134 kann elektrisch an ein bordeigenes Leistungsumwandlungsmodul oder ein bordeigenes Ladegerät 132 gekoppelt sein. Das Ladegerät 132 kann die Leistung konditionieren, die von der EVSE 138 zugeführt wird, um die richtigen Spannungs- und Strompegel an der Traktionsbatterie 124 und dem Hochspannungsbus 125 bereitzustellen. Das Ladegerät 132 kann eine Schnittstelle mit dem EVSE 138 bilden, um die Abgabe von Leistung an das Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 140 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlusses 134 zusammenpassen. Alternativ können unterschiedliche Komponenten, die als elektrisch gekoppelt oder verbunden beschrieben sind, unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung Leistung übertragen.
Elektronische Module in dem Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann eine Vielzahl von Kommunikationskanälen beinhalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzes kann ein serieller Bus sein, wie etwa ein Controller Area Network (CAN). Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzes kann ein Ethernet-Netz laut der Definition durch die Normengruppe 802 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) beinhalten. Zusätzliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerkes können diskrete Verbindungen zwischen Modulen beinhalten und können Leistungssignale von der Hilfsbatterie 130 beinhalten. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzes übertragen werden. Beispielsweise können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuersignale über ein CAN oder diskrete Signale übertragen werden können. Das Fahrzeugnetzwerk kann beliebige Hardware- und Softwarekomponenten beinhalten, die beim Übertragen von Signalen und Daten zwischen Modulen behilflich sind. Das Fahrzeugnetzwerk ist in 1 nicht gezeigt; es kann jedoch impliziert sein, dass das Fahrzeugnetz mit einem beliebigen elektronischen Modul verbunden sein kann, das in dem Fahrzeug 112 vorhanden ist. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (vehicle system controller - VSC) 142 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren. Es ist zu beachten, dass Vorgänge und Verfahrensweisen, die in dieser Schrift beschrieben sind, in einer oder mehreren Steuerungen umgesetzt sein können. Die Umsetzung von Merkmalen, die derart beschrieben sein können, dass sie durch eine bestimmte Steuerung umgesetzt werden, ist nicht notwendigerweise auf die Umsetzung durch diese bestimmte Steuerung begrenzt. Die Funktionen können unter mehreren Steuerungen, die über das Fahrzeugnetz kommunizieren, aufgeteilt sein.
Bei den elektrischen Maschinen 114 kann es sich um eine Maschine mit permanenterregtem Synchronmotor (permanent magnet synchronous motor - PMSM) handeln. Eine elektrische PMSM-Maschine beinhaltet einen Rotor und einen Stator. Der Stator kann Wicklungen zum Erzeugen eines Magnetfelds zum Drehen des Rotors aufweisen. Der Strom durch die Statorwicklungen kann zum Variierenlassen des Magnetfeldes, das auf den Rotor einwirkt, gesteuert werden. Der Rotor eines PMSM beinhaltet Dauermagnete, die ein Magnetfeld erzeugen, das mit dem Magnetfeld des Stators interagiert, um eine Drehung des Rotors zu verursachen. Die Rotordrehzahl kann durch die Frequenz des Magnetfelds gesteuert werden, das durch den Stator erzeugt wird.
Die elektrischen Maschinen 114 können aus einem Stator bestehen, der Statorwicklungen und einen Rotor beinhaltet. Der Rotor kann sich um eine zentrale Achse relativ zum Stator drehen. Die elektrischen Maschinen 114 können gesteuert werden, indem ein im Allgemeinen sinusförmiger Strom durch die Statorwicklungen geleitet wird. Die Amplitude und Frequenz des Stroms kann variieren gelassen werden, um das Drehmoment und die Drehzahl des Rotors zu steuern. Der Statorstrom erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das mit den Dauermagneten, die Teil des Rotors sind, interagiert. Dieses elektromagnetische Feld führt dazu, dass sich der Rotor dreht. Die elektrischen Maschinen 114 können als dreiphasige Maschinen konfiguriert sein. Das heißt, die Statorwicklungen können drei getrennte Phasenwicklungen beinhalten. Um die elektrischen Maschinen 114 zu steuern, wird eine dreiphasige Spannungs- oder Stromwellenform an den Phasenwicklungen angelegt. Die dreiphasige Wellenform ist derart, dass jedes Phasensignal durch eine Phasendifferenz von 120 Grad getrennt ist.
Die elektrischen Maschinen 114 können über einen oder mehrere Leiter, die jeweils einer der Phasenwicklungen zugeordnet sind, an das Leistungselektronikmodul 126 gekoppelt sein. 2 stellt ein Blockdiagramm eines Fahrzeugsystems dar, das ein Elektromotorsteuersystem beinhaltet. Das Fahrzeug 112 kann eine oder mehrere Leistungselektroniksteuerungen 200 beinhalten, die dazu konfiguriert sind, das Leistungselektronikmodul 126 zu überwachen und zu steuern. Die Leiter können Teil eines Kabelbaums zwischen der elektrischen Maschine 114 und dem Leistungselektronikmodul 126 sein. Eine dreiphasige elektrische Maschine 114 kann drei Leiter aufweisen, die an das Leistungselektronikmodul 126 gekoppelt sind. Das Leistungselektronikmodul 126 kann dazu konfiguriert sein, positive und negative Anschlüsse des Hochspannungsbusses 125 auf Phasenanschlüsse der elektrischen Maschinen 114 zu schalten.
Das Leistungselektronikmodul 126 kann gesteuert werden, um sinusförmige Spannungs- und Stromsignale an die elektrische Maschine 114 bereitzustellen. Die Frequenz der Signale kann proportional zur Rotationsgeschwindigkeit der elektrischen Maschine 114 sein.
Die Steuerung 200 kann dazu konfiguriert sein, die Spannungs- und Stromausgabe des Leistungselektronikmoduls 126 auf eine vorher festgelegte Schaltfrequenz einzustellen. Die Schaltfrequenz kann die Rate sein, mit der die Zustände der Schaltvorrichtungen innerhalb des Leistungselektronikmoduls 126 verändert werden. Die Frequenz der Injektionsspannung kann als ein vorbestimmtes Vielfaches der Schaltfrequenz ausgewählt werden.
Das Leistungselektronikmodul 126 kann eine Verbindung mit einer Positions-/Drehzahlrückmeldungsvorrichtung 202 herstellen, die an den Rotor der elektrischen Maschine 114 gekoppelt ist. Die Positions-/Drehzahlrückmeldungsvorrichtung 202 kann zum Beispiel ein Drehmelder oder ein Codierer sein. Die Positions-/Drehzahlrückmeldungsvorrichtung 202 kann Signale bereitstellen, die eine Position und/oder Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine 114 angeben. Die Leistungselektronik 126 kann eine Leistungselektroniksteuerung 200 beinhalten, die mit der Drehzahlrückmeldungsvorrichtung 202 kommuniziert und Signale von der Drehzahlrückmeldungsvorrichtung 202 verarbeitet. Die Leistungselektroniksteuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Drehzahl- und Positionsrückmeldung zu verwenden, um den Betrieb der elektrischen Maschine 114 zu steuern.
Die Leistungselektronik 126 kann eine Leistungsschaltkreisanordnung 240 beinhalten, die eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen 210, 212, 214, 216, 218, 220 beinhaltet. Die Schaltvorrichtungen können Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (Insulated Gate Bipolar Junction Transistors - IGBTs) oder andere Festkörperschaltvorrichtungen sein. Die Schaltvorrichtungen können dazu konfiguriert sein, selektiv einen Pluspol und einen Minuspol des Hochspannungsbusses 125 an einen jeweiligen Phasenanschluss oder -zweig (z. B. mit U, V, W gekennzeichnet) der elektrischen Maschine 114 zu koppeln. Jede der Schaltvorrichtungen innerhalb der Leistungsschaltkreisanordnung 240 kann eine zugehörige Diode 222, 224, 226, 228, 230, 232 aufweisen, die parallelgeschaltet ist, um dem Induktionsstrom einen Weg bereitzustellen, wenn sich die Schaltvorrichtung in einem nichtleitenden Zustand befindet. Jede der Schaltvorrichtungen 210, 212, 214, 216, 218, 220 kann einen Steueranschluss zum Steuern des Betriebs der zugehörigen Schaltvorrichtung aufweisen. Die Steueranschlüsse können elektrisch an die Leistungselektroniksteuerung 200 gekoppelt sein. Die Leistungselektroniksteuerung 200 kann eine zugehörige Schaltungsanordnung zum Antreiben und Überwachen der Steueranschlüsse aufweisen. Zum Beispiel können die Steueranschlüsse an den Gate-Eingang der Festkörperschaltvorrichtungen gekoppelt sein.
Eine erste Schaltvorrichtung 210 kann den positiven Anschluss des Hochspannungsbusses selektiv an einen ersten Phasenanschluss (z. B. U) der elektrischen Maschine 114 koppeln. Eine erste Diode 222 kann mit der ersten Schaltvorrichtung 210 parallel geschaltet sein. Eine zweite Schaltvorrichtung 212 kann den negativen Anschluss des Hochspannungsbusses selektiv an den ersten Phasenanschluss (z. B. U) der elektrischen Maschine 114 koppeln. Eine zweite Diode 224 kann mit der zweiten Schaltvorrichtung 212 parallel gekoppelt sein. Eine dritte Schaltvorrichtung 214 kann den positiven Anschluss des Hochspannungsbusses selektiv an einen zweiten Phasenanschluss (z. B. V) der elektrischen Maschine 114 koppeln. Eine dritte Diode 226 kann mit der dritten Schaltvorrichtung 214 parallel gekoppelt sein. Eine vierte Schaltvorrichtung 216 kann den negativen Anschluss des Hochspannungsbusses selektiv an den zweiten Phasenanschluss (z. B. V) der elektrischen Maschine 114 koppeln. Eine vierte Diode 228 kann mit der vierten Schaltvorrichtung 216 parallel gekoppelt sein. Eine fünfte Schaltvorrichtung 218 kann den positiven Anschluss des Hochspannungsbusses selektiv an einen dritten Phasenanschluss (z. B. W) der elektrischen Maschine 114 koppeln. Eine fünfte Diode 230 kann mit der fünften Schaltvorrichtung 218 parallel gekoppelt sein. Eine sechste Schaltvorrichtung 220 kann den negativen Anschluss des Hochspannungsbusses selektiv an den dritten Phasenanschluss (z. B. W) der elektrischen Maschine 114 koppeln. Eine sechste Diode 232 kann mit der sechsten Schaltvorrichtung 220 parallel gekoppelt sein.
Die Leistungselektroniksteuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltvorrichtungen 210, 212, 214, 216, 218, 220 zu betreiben, um die Spannung und den Strom zu steuern, die an den Phasenwicklungen der elektrischen Maschine 114 angelegt werden. Die Leistungselektroniksteuerung 200 kann die Schaltvorrichtungen 210, 212, 214, 216, 218, 220 betreiben, sodass jeder Phasenanschluss zu einer bestimmten Zeit mit nur einem des positiven Hochspannungsanschlusses oder des negativen Hochspannungsanschlusses gekoppelt ist.
Es stehen verschiedene Motorsteuerungsalgorithmen und -strategien zum Implementieren in die Leistungselektroniksteuerung 200 zur Verfügung. Das Leistungselektronikmodul 126 kann zudem Stromsensoren 204 beinhalten. Die Stromsensoren 204 können induktive oder Halleffektvorrichtungen sein, die dazu ausgelegt sind, ein Signal zu erzeugen, das den Strom angibt, der durch den zugehörigen Schaltkreis fließt. In einigen Konfigurationen können zwei Stromsensoren 204 verwendet werden und der dritte Phasenstrom kann anhand der zwei gemessenen Ströme berechnet werden. Die Steuerung 200 kann die Stromsensoren 204 mit einer vorgegebenen Abtastrate abtasten. Messwerte für die Phasenströme der elektrischen Maschine 114 können im Speicher der Steuerung für spätere Berechnungen gespeichert werden.
Das Leistungselektronikmodul 126 kann einen oder mehrere Spannungssensoren beinhalten. Die Spannungssensoren können dazu konfiguriert sein, eine Eingangsspannung zum Leistungselektronikmodul 126 und/oder eine oder mehrere Ausgangsspannungen des Leistungselektronikmoduls 126 zu messen. Die Spannungssensoren können Widerstandsnetze sein und Isolierelemente beinhalten, um Hochspannungspegel von dem Niederspannungssystem zu trennen. Zusätzlich kann das Leistungselektronikmodul 126 eine zugehörige Schaltungsanordnung zum Skalieren und Filtern der Signale von den Stromsensoren 204 und den Spannungssensoren beinhalten.
Unter normalen Betriebsbedingungen steuert die Leistungselektroniksteuerung 200 den Betrieb der elektrischen Maschine 114. Zum Beispiel kann die Leistungselektroniksteuerung 200 die Schaltvorrichtungen 210, 212, 214, 216, 218, 220 als Reaktion auf Drehmoment- und/oder Drehzahlsollwerte betreiben, um das Drehmoment und die Drehzahl der elektrischen Maschine 114 so zu steuern, dass die Sollwerte erreicht werden. Die Drehmoment- und/oder Drehzahlsollwerte können verarbeitet werden, um ein gewünschtes Schaltmuster für die Schaltvorrichtungen 210, 212, 214, 216, 218, 220 zu erzeugen. Die Steueranschlüsse der Schaltvorrichtungen 210, 212, 214, 216, 218, 220 können mit impulsbreitenmodulierten (Pulse Width Modulated - PWM) Signalen angetrieben werden, um das Drehmoment und die Drehzahl der elektrischen Maschine 114 zu steuern. Die Leistungselektroniksteuerung 200 kann verschiedene bekannte Steuerstrategien umsetzen, um die elektrische Maschine 114 unter Verwendung der Schaltvorrichtungen zu steuern, wie Vektorsteuerung und/oder Sechs-Stufen-Steuerung. Unter normalen Betriebsbedingungen werden die Schaltvorrichtungen 210, 212, 214, 216, 218, 220 aktiv gesteuert, um einen gewünschten Strom durch jede Phase der elektrischen Maschine 114 zu erreichen.
Das Leistungselektronikmodul 126 kann ferner einen oder mehrere Kondensatoren beinhalten, die mittels des Hochspannungsbusses 125 verbunden sind. Zum Beispiel kann ein DC-Buskondensator 260 (DC-Zwischenkreiskondensator) mittels des Hochspannungsbusses 125 verbunden sein, um den Spannungsabfall zwischen den positiven und negativen Anschlüssen des Hochspannungsbusses 125 aufrechtzuerhalten. Der DC-Buskondensator 260 kann ferner dazu konfiguriert sein, an der Batterie 124 erzeugte Welligkeitsströme zu filtern und die Spannung am Hochspannungsbus 125 zu stabilisieren. Obwohl der DC-Buskondensator 260 in 2 als ein einzelner Kondensator veranschaulicht ist, ist anzumerken, dass die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt ist und der DC-Buskondensator 260 eine Vielzahl von Kondensatoren in verschiedenen Konfigurationen beinhalten kann. Wenn das Leistungselektronikmodul 126 in Betrieb ist, wird der DC-Buskondensator 260 derart geladen, dass die Spannung am positiven und negativen Anschluss des Hochspannungsbusses 125 aufrechterhalten werden kann. Wenn das Fahrzeug geparkt und ausgeschaltet ist, kann der DC-Buskondensator 260 entladen werden, um den Hochspannungsbus 125 zu entladen. Die Leistungselektroniksteuerung 200 kann einen Entladestrom an die d-Achse anlegen, um einen Verlust in den Wicklungen der elektrischen Maschine zu erzeugen, der wiederum in dem DC-Buskondensator 260 gespeicherte Energie entlädt, wenn das Fahrzeug geparkt ist. Der Entladestrom wird vorzugsweise nur an die d-Achse der elektrischen Maschine 114 ohne eine q-Achsenkomponente angelegt, sodass der DC-Buskondensator 260 entladen werden kann, ohne eine Rotordrehung der elektrischen Maschine 114 zu verursachen.
Ein Drehmelderversatz wird charakterisiert, sobald die elektrische Maschine zusammengebaut ist, und dieser Drehmelderversatz wird verwendet, um einen Rotorpositionsmesswert in einer Leistungselektroniksteuerung 200 einzustellen, sodass ein Stromwinkel relativ zu einem Magnetkreis richtig an der gewünschten Rotorposition ausgerichtet werden kann. Mit anderen Worten benötigt die Leistungselektroniksteuerung 200 einen genauen Drehmelderversatzwert, um den Entladestrom genau nur an die d-Achse anzulegen, ohne dass eine Komponente der q-Achse entsteht. Es kann jedoch ein gewisses Maß an Fehlern in dem Drehmelderversatz in jeder elektrischen Maschine vorliegen, der die Positionsmessung der Rotorposition durch die Leistungselektroniksteuerung 200 beeinflusst. Wenn ein Drehmelderversatzfehler auftritt, wird ein q-Achsenstrom erzeugt, der wiederum Drehmoment für die elektrische Maschine 114 erzeugt, was unerwünscht ist, wenn das Fahrzeug geparkt ist.
3 stellt ein Wellenformdiagramm 300 für Elektromotordrehmoment dar, das verschiedenen Stromwinkeln entspricht. Die horizontale Achse des Wellenformdiagramms 300 stellt einen Phasenwinkel β eines an den Stator angelegten Stroms (Stromwinkel) in Bezug auf den Rotor dar. Die vertikale Achse stellt ein von der elektrischen Maschine 114 ausgegebenes Drehmoment als normierte Werte dar. Wie veranschaulicht, stellt das Wellenformdiagramm 300 ein Dauermagnetdrehmoment 302 dar, das durch die Wechselwirkung zwischen dem Statormagnetfluss aufgrund des Stroms in der Wicklung und dem Rotormagnetfluss aufgrund des Dauermagnets erzeugt wird. Das Wellenformdiagramm 300 stellt ferner ein Reluktanzdrehmoment 304 dar, das dadurch erzeugt wird, dass sich der Rotor zu einer Position bewegt, in der die Reluktanz des Statorflusses abnimmt. Sowohl das Dauermagnetdrehmoment 302 als auch das Reluktanzdrehmoment 304 können durch sinusförmige Wellenformen gekennzeichnet sein, die jedoch unterschiedliche Zyklen aufweisen. In dem vorliegenden Beispiel weist das Dauermagnetdrehmoment 302 einen 360-Grad-Zyklus auf, während das Reluktanzdrehmoment 304 einen 180-Grad-Zyklus aufweist. Ein Gesamtdrehmoment 306 stellt ein kombiniertes Drehmoment des Dauermagnetdrehmoments 302 und des Reluktanzdrehmoments 304 dar. Das Gesamtdrehmoment 306 kann mittels der folgenden Gleichung dargestellt werden: $T_{e} = \frac{3}{2} \frac{P}{2} (λ_{m} I_{q} + (L_{d} - L_{q}) I_{d} I_{q})$
wobei P eine Anzahl von Polen in der elektrischen Maschine 114 bezeichnet, λ_m eine Magnetflussverbindung aufgrund des Dauermagnets bezeichnet, I_q einen q-Achsenstrom bezeichnet, I_d einen d-Achsenstrom bezeichnet, L_d eine d-Achseninduktivität bezeichnet und L_q eine q-Achseninduktivität bezeichnet. In der vorstehenden Gleichung stellt λ_mI_q die Dauermagnetdrehmomentkomponente dar und (L_d-L_q)I_dI_q stellt eine Reluktanzdrehmomentkomponente dar. Die vorstehende Gleichung (1) kann wie folgt weiterentwickelt werden: $T_{e} = T_{p m} + T_{r l}$
$T_{p m} = k_{p m} * cos (β)$
$T_{r l} = k_{r l} * s i n (2 β)$
wobei k_pm eine Dauermagnetdrehmomentkonstante bezeichnet und k_rl eine Reluktanzdrehmomentkonstante bezeichnet.
Um den DC-Buskondensator 260 zu entladen, ohne eine Rotordrehung an der elektrischen Maschine 114 zu verursachen, muss die Leistungselektroniksteuerung 200 den Entladestrom an einer korrekten Position an die elektrische Maschine 114 anlegen, wenn das Gesamtdrehmoment 306 bei null liegt. Gemäß den vorstehenden Gleichungen (2) bis (4) sowie in 3 veranschaulicht geht das Gesamtdrehmoment 306 über null, wenn der Stromwinkel β bei 90 Grad und 270 Grad liegt, wobei an diesem Punkt sowohl das Drehmoment des Dauermagnets 302 als auch das Reluktanzdrehmoment 304 bei null liegt. Zusätzlich geht das Gesamtdrehmoment 306 bei einem Stromwinkel β von etwa 210 Grad und 330 Grad über null, wenn sich das Dauermagnetdrehmoment 302 und das Reluktanzdrehmoment 304, die die gleiche Größe, jedoch in entgegengesetzten Richtungen, aufweisen, gegenseitig aufheben. Daher verursacht der Entladestrom keine Rotordrehung, wenn der Entladestrom in einem Winkel von 90 Grad, 270 Grad, 210 Grad oder 330 Grad an die elektrische Maschine 114 angelegt wird. Die vorstehenden vier Stromwinkel β können als festgelegte Stromwinkel zum Entladen des DC-Buskondensators 260 definiert werden. Die bezeichneten Stromwinkel können ferner als eine erste Gruppe von bezeichneten Stromwinkeln klassifiziert werden, die einen oder mehrere bezeichnete Stromwinkel aufweisen, von denen aus sich die Größe des Magnetdrehmoments 302 und die Größe des Reluktanzdrehmoments 304 von null in der gleichen Richtung erhöhen. In dem vorliegenden Beispiel beinhaltet die erste Gruppe den Stromwinkel β von 90 Grad. Wie in 3 veranschaulicht, nehmen die Größe des Magnetdrehmoments 302 und die Größe des Reluktanzdrehmoments 304 in der gleichen positiven Richtung zu, wenn der Stromwinkel von 90 Grad abnimmt. Wenn der Stromwinkel von 90 Grad zunimmt, nehmen die Größe des Magnetdrehmoments 302 und die Größe des Reluktanzdrehmoments 304 in der gleichen negativen Richtung ab.
Die bezeichneten Stromwinkel können ferner als eine zweite Gruppe von bezeichneten Stromwinkeln klassifiziert werden, die einen oder mehrere bezeichnete Stromwinkel aufweisen, von denen aus sich die Größe des Magnetdrehmoments 302 und die Größe des Reluktanzdrehmoments 304 von null in entgegengesetzten Richtungen erhöhen. In dem vorliegenden Beispiel beinhaltet die zweite Gruppe den Stromwinkel β von 270 Grad. Wie in 3 veranschaulicht, nimmt die Größe des Magnetdrehmoments 302 in der negativen Richtung zu, während die Größe des Reluktanzdrehmoments 304 in der positiven Richtung zunimmt, wenn der Stromwinkel von 270 Grad abnimmt. Wenn der Stromwinkel von 270 Grad zunimmt, nimmt die Größe des Magnetdrehmoments 302 in der positiven Richtung zu, während die Größe des Reluktanzdrehmoments 304 in der negativen Richtung zunimmt.
Die bezeichneten Stromwinkel können ferner als eine dritte Gruppe von bezeichneten Stromwinkeln klassifiziert werden, die einen oder mehrere bezeichnete Stromwinkel aufweisen, bei denen sich ein Magnetdrehmoment 302 ungleich null und ein Reluktanzdrehmoment 304 ungleich null aufheben, was zu einem Gesamtdrehmoment 306 von null führt. In dem vorliegenden Beispiel beinhaltet die dritte Gruppe den Stromwinkel β von 210 Grad und 330 Grad.
Aufgrund des Fehlers des Drehmelderversatzes, wie vorstehend erörtert, kann die Leistungselektroniksteuerung 200 die Rotorposition der elektrischen Maschine nicht genau messen. Daher kann ein Stromwinkelfehler vorliegen, wenn die Leistungselektroniksteuerung 200 den DC-Buskondensator 260 entlädt, und der Entladestrom kann bei dem bezeichneten Stromwinkel β nicht perfekt an die elektrische Maschine angelegt werden. Unter Berücksichtigung des Stromwinkelfehlers kann die zweite Gruppe von Stromwinkeln die am meisten bevorzugte Option für die Stromentladung sein, da der Stromwinkelfehler eine geringere Größe an Gesamtdrehmoments und somit einen geringeren Grad an unerwünschter Rotordrehung verursachen kann.
Wie in 3 veranschaulicht, kann, wenn die Leistungselektroniksteuerung 200 den DC-Buskondensator 260 bei der ersten Gruppe von bezeichneten Stromwinkeln β von 90 Grad entlädt, ein Stromwinkelfehler (z. B. +/-3 Grad) ein erhebliches Gesamtdrehmoment 306 verursachen, da sich das Dauermagnetdrehmoment 302 und das Reluktanzdrehmoment 304 in der gleichen Richtung summieren. Ein derartiges Gesamtdrehmoment kann eine erhebliche Rotordrehung verursachen, die unerwünscht ist. Wenn hingegen die Leistungselektroniksteuerung 200 den DC-Buskondensator 260 bei der zweiten Gruppe von bezeichneten Stromwinkeln β von 270 Grad entlädt, kann ein Stromwinkelfehler derselben Größe (z. B. +/-3 Grad) ein Drehmoment 306 verursachen, das geringer als bei der ersten Gruppe des bezeichneten Stromwinkels ist, da sich das Dauermagnetdrehmoment 302 und das Reluktanzdrehmoment 304 in der entgegengesetzten Richtungen aufheben. Da die Abweichung der Größe des Dauermagnetdrehmoments 302 und der Größe des Reluktanzdrehmoments 304 nicht genau gleich ist, kann immer noch ein kleines Maß an Gesamtdrehmoment 306 durch den Stromwinkelfehler verursacht werden. Da aber dieses Gesamtdrehmoment 306 im Vergleich zu dem gleichen Betrag des Stromwinkelfehlers unter Anwendung auf die erste Gruppe von bezeichneten Stromwinkeln β geringer ist, kann ein geringerer Grad der Rotordrehung bewirkt werden, sodass die Benutzererfahrung verbessert werden kann.
Die erste Gruppe und die zweite Gruppe des bezeichneten Stromwinkels β können ferner unter Verwendung einer direkten Komponente I_d und einer Quadraturkomponente I_q des Entladestroms erläutert werden. Unter Bezugnahme auf 3 ist bei einem Stromwinkel von 0 Grad die Direktkomponente I_d null und die Quadraturkomponente I_q positiv. Bei einem Stromwinkel von 90 Grad ist die Direktkomponente I_d negativ und die Quadraturkomponente I_q null. Bei einem Stromwinkel von 180 Grad ist die Direktkomponente I_d null und die Quadraturkomponente I_q negativ. Bei einem Stromwinkel von 270 Grad ist die Direktkomponente I_d positiv und die Quadraturkomponente I_q null. Anders ausgedrückt kann der Stromwinkel β zu einer Erhöhung der Magnetfeldstärke führen, die an einem Magnetfeld von Dauermagneten der elektrischen Maschine mit Dauermagnet ausgerichtet ist, wenn die Leistungselektroniksteuerung 200 den DC-Buskondensator 260 bei der zweiten Gruppe des bezeichneten Stromwinkels β von 270 Grad entlädt. Es ist anzumerken, dass der Ausdruck ausgerichtet in der vorliegenden Offenbarung als allgemeiner Ausdruck verwendet wird und Situationen einer ungefähren Ausrichtung innerhalb angemessener Toleranzen und Fehler beinhalten kann.
Gemäß den vorstehenden Gleichungen (2) bis (4) sowie in 3 veranschaulicht kann die dritte Gruppe von Stromwinkeln die für die Stromentladung nächstbevorzugte sein, da die Abweichung des Gesamtdrehmoments 306 zwar stärker ist als bei der zweiten Gruppe von Stromwinkeln ist, aber immer noch kleiner als bei der ersten Gruppe von Stromwinkeln ist. Dies liegt daran, dass das Dauermagnetdrehmoment 302 und das Reluktanzdrehmoment 304 entgegengesetzte Richtungen aufweisen, wenn der Stromwinkel von der dritten Gruppe von Stromwinkeln abweicht.
Die in dieser Schrift offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zuführbar sein/davon umgesetzt werden, die/der eine beliebige bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit beinhalten kann.
Gleichermaßen können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen in vielen Formen als Daten und Anweisungen gespeichert sein, die durch eine Steuerung oder einen Computer ausgeführt werden können, einschließlich unter anderem als Informationen, die dauerhaft auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Vorrichtungen mit Nurlesespeicher (read only memory - ROM), gespeichert sind, und als Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Disketten, Magnetbändern, Compact Discs (CDs), Vorrichtungen mit Direktzugriffsspeicher (random access memory - RAM) und anderen magnetischen und optischen Medien, gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können außerdem in einem mit Software ausführbaren Objekt umgesetzt sein. Alternativ dazu können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten, wie etwa anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits - ASICs), feldprogrammierbarer Gate-Arrays (Field-Programmable Gate Arrays - FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderer Hardwarekomponenten oder -vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten, verwirklicht sein.
Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Patentansprüche eingeschlossen sind. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen.
Wie vorstehend beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen des Stands der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften als vorteilhaft oder bevorzugt beschrieben worden sein könnten, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass bei einem/einer oder mehreren Merkmalen oder Eigenschaften Kompromisse eingegangen werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzung abhängen. Diese Attribute können unter anderem Folgendes beinhalten: Festigkeit, Lebensdauer, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartungsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit des Zusammenbaus usw. Somit liegen Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen des Stands der Technik beschrieben sind, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Fahrzeug, umfassend: eine Batterie; einen Wechselrichter; eine elektrische Maschine mit Dauermagnet; und eine Steuerung, die zum Befehlen der Entladung eines Speicherelements des Wechselrichters durch die elektrische Maschine mit Dauermagnet mittels eines Stroms, der eine Quadraturachsenkomponente von null und eine positive Direktachsenkomponente aufweist, programmiert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner zum Befehlen der Entladung als Reaktion auf ein Fahrzeugabschaltereignis programmiert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner zum Befehlen der Entladung als Reaktion auf das Erfassen eines Kontaktereignisses programmiert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner zum Befehlen der Entladung als Reaktion auf eine Unterbrechung zwischen der Batterie und der elektrischen Maschine mit Dauermagnet programmiert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Speicherelement einen oder mehrere Kondensatoren beinhaltet.
Verfahren für ein Fahrzeug, umfassend: Befehlen einer Entladung eines Speicherelements eines Wechselrichters durch eine elektrische Maschine mit Dauermagnet mittels eines Stroms, der eine Quadraturachsenkomponente von null und eine positive Direktachsenkomponente aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Befehlen als Reaktion auf das Erfassen eines Fahrzeugabschaltereignisses erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Befehlen als Reaktion auf das Erfassen eines Fahrzeugkontakts erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Befehlen als Reaktion auf eine Unterbrechung zwischen einer Batterie und der elektrischen Maschine mit Dauermagnet erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Speicherelement einen oder mehrere Kondensatoren beinhaltet.
Fahrzeug, umfassend: eine Batterie; einen Wechselrichter; eine elektrische Maschine, die Dauermagnete beinhaltet; und eine Steuerung, die zum Befehlen der Entladung eines Speicherelements des Wechselrichters durch die elektrische Maschine mittels eines Stroms, der einen Stromwinkel aufweist, der zu einem Anstieg der Magnetfeldstärke führt, die an einem Magnetfeld der Dauermagnete ausgerichtet ist, programmiert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei die Steuerung ferner zum Befehlen der Entladung an ein Fahrzeugabschaltereignis programmiert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei die Steuerung ferner zum Befehlen der Entladung als Reaktion auf das Erfassen von Kontakt mit dem Fahrzeug programmiert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei die Steuerung ferner zum Befehlen der Entladung als Reaktion auf eine Unterbrechung zwischen der Batterie und der elektrischen Maschine programmiert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei das Speicherelement einen oder mehrere Kondensatoren beinhaltet.