DE112014000747T5 - Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine - Google Patents

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Yasuhiko Kobayashi
Subrata Saha
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Abstract

Zum Reduzieren der Kapazität eines Glättungskondensators auf der Gleichstromseite eines Umrichters, während Fluktuationen wie die Pulsierung der Spannung und des Stroms auf der Gleichstromseite des Umrichters reduziert werden, stellt eine Umrichtersteuerungseinheit, die ein Schalten eines Schaltelements Umrichters entsprechend einer vordefinierten Schaltfrequenz steuert, auf der Grundlage einer Frequenzcharakteristik einer gleichstromseitigen Stromverstärkung, die durch Dividieren einer Systemspannung (Vdc), die eine Spannung auf der Gleichstromseite des Umrichters ist, durch einen Systemstrom (Idc) erhalten wird, der ein Strom auf der Gleichstromseite des Umrichters ist, die Schaltfrequenz auf eine Frequenz ein, die gleich wie oder größer als eine Frequenz ist, bei der ein Wert der gleichstromseitigen Stromverstärkung gleich dem Wert davon bei einer Frequenz von Null in der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine, die eine rotierende elektrische Wechselstrommaschine antreibt und steuert.
  • STAND DER TECHNIK
  • In den letzten Jahren haben im Hinblick auf beispielsweise Energiesparen und Verringerung von Belastungen für die Umwelt Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge Aufmerksamkeit erzielt, die jeweils mit einer rotierenden elektrischen Maschine als eine Antriebskraftquelle versehen sind. Ein derartiges Fahrzeug weist eine Gleichstromenergieversorgung wie eine Batterie auf, die Leistung zuführt, wenn die rotierende elektrische Maschine als Antriebskraftquelle fungiert (Motor), und erzeugte Leistung speichert, wenn die rotierende elektrische Maschine als Energiequelle (Generator) fungiert. Wenn die rotierende elektrische Maschine als die Antriebskraftquelle (Motor) fungiert, wird aus der Batterie zugeführte Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung durch einen Umrichter (Wechselrichter) zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine umgewandelt. Wenn die rotierende elektrische Maschine als Generator fungiert, wird durch die rotierende elektrische Maschine erzeugte Wechselstromleistung durch den Umrichter in Gleichstromleistung umgewandelt, um als wiedergewonnene Energie in die Batterie gespeichert zu werden.
  • Ein Kondensator zum Glätten der Gleichstromleistung ist zwischen der Batterie und dem Umrichter vorgesehen, um eine Fluktuation wie eine Pulsierung der Gleichstromleistung zu reduzieren. Im Allgemeinen befindet sich die Gleichstromseite des Umrichters zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine als die Antriebskraftquelle eines Hybridfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs auf einer Hochspannung von 200 V bis 400 V. Somit ist es erforderlich, dass der Glättungskondensator ein Hochspannungswiderstandsverhalten gegenüber einer derartigen Hochspannung aufweist, und gleichzeitig muss die Fluktuation aufgrund der Pulsierung berücksichtigt werden. Wenn zusätzlich Stehspannungen der Schaltelemente, die den Umrichter bilden, berücksichtigt werden, ist es erforderlich, dass der Glättungskondensator eine ausreichende Kapazität zum Reduzieren der Impulskomponente aufweist. Diese Erfordernisse erhöhen im Allgemeinen die Kosten für den Glättungskondensator und erhöhen dessen physikalische Größe, weshalb ein großer Einbauraum erforderlich ist. Weiterhin sind der Umrichter und der Glättungskondensator oft in einer integrierten Weise oder nahe aneinander als Teile einer Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine installiert. Insbesondere ist es erforderlich, dass eine fahrzeuginterne Vorrichtung zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine ein geringes Gewicht und eine kleine Größe im Hinblick auf das Gewicht und den Einbauraum aufweist, so dass es wünschenswert ist, dass der Umrichter und der Glättungskondensator ein leichtes Gewicht und eine kleine Größe aufweisen.
  • Beispielsweise offenbart die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.: 2009-106046 ( JP 2009-106046 A ) (Patentdokument 1) eine raumsparende Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine (Leistungswandler) mit einem Kühlmechanismus. In dieser Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine ist ein Leistungsmodul einschließlich Schaltelementen auf einer flachen Oberfläche innerhalb eines Gehäuses mit einem Wärmeabstrahlungsabschnitt angeordnet. Ein Glättungskondensator, der elektrisch mit dem Leistungsmodul verbunden ist, ist benachbart zu dem Leistungsmodul auf einer flachen Oberfläche angeordnet, die eine Stufe niedriger als die flache Oberfläche geformt ist, auf der das Leistungsmodul angeordnet ist (siehe Absätze 7 und 8, 1 usw.). Der Glättungskondensator, bei dem es erforderlich ist, dass er eine hohe Stehspannung und eine große Kapazität aufweist, tendiert dazu, eine große physikalische Größe aufzuweisen. Gemäß Patentdokument 1 sind der Wärmeabstrahlungsabschnitt und das Leistungsmodul entsprechend der Höhe des Glättungskondensators derart angeordnet, dass die Gesamthöhe der Vorrichtung zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine reduziert ist, wodurch Raum eingespart wird.
  • Auf diese Weise kann ein Raumeinsparen zu einem gewissen Ausmaß dadurch erzielt werden, dass Verbesserungen im Entwurf von beispielsweise dem Schaltungsabschnitt (Leistungsmodul), dem Kühlmechanismus und dem Glättungskondensators des Umrichters gemacht werden. Jedoch wurde eine Reduktion des Gewichts und der Größe der gesamten Vorrichtung nicht durch Reduzieren der physikalischen Größe des Glättungskondensators erzielt, die durch die Stehspannung und die Kapazität zu bestimmen ist. Falls die Kapazität des Glättungskondensators reduziert wird, kann die Größe reduziert werden, jedoch kann die vorstehend beschriebene Impulskomponente nicht ausreichend reduziert werden, was eine mögliche Verschlechterung in den Wirkungen verursacht, eine Verschlechterung der Batterie und eine Verschlechterung der Schaltelemente zu reduzieren.
  • Im Allgemeinen weist die Gleichstromenergieversorgung eine Widerstandskomponente (R-Komponente) und eine Induktionskomponente (L-Komponente) auf. Somit ist eine RLC-Schaltung in Zusammenhang mit der Kapazitätskomponente (C-Komponente) des Glättungskondensators gebildet. Als Ergebnis zeigt eine gleichstromseitige Spannungsverstärkung, die durch Dividieren einer Systemspannung als eine Spannung auf der Gleichstromseite des Umrichters durch einen Systemstrom, der ein Strom auf der Gleichstromseite des Umrichters ist, eine Frequenzcharakteristik, die einen Resonanzpunkt aufweist. Von den R-, L- und C-Komponenten sind Impedanzkomponenten, die von der Frequenz abhängigen, die L-Komponente und die C-Komponente, so dass, auf der Grundlage des als Wendepunkt dienenden Resonanzpunkts, der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung sich erhöht, wenn die Frequenz sich von Null erhöht, den maximalen Wert (Resonanzpunkt) bei einer Resonanzfrequenz erreicht, und sich verringert, wenn die Frequenz sich weiter erhöht. Die Pulsierung der Systemspannung tritt in Zusammenhang mit einer Fluktuation in dem Strom und der Spannung auf, die bei dem Schalten der Schaltelemente des Umrichters auftreten. Die Größe (Amplitude) der Pulsierung erhöht sich entsprechend dem Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung als ein Indikator. Anders ausgedrückt tritt die Pulsierung der Systemspannung entsprechend einer Schaltfrequenz der Schaltelemente auf. Somit ist es in dem Fall, dass die Kapazität des Glättungskondensators reduziert wird, vorzuziehen, die Schaltfrequenz der Schaltelemente des Umrichters zu berücksichtigen.
  • Dokumente gemäß dem Stand der Technik
  • Patentdokumente
    • Patentdokument 1: japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.: 2009-106046 ( JP 2009-106046 A )
  • ZUSAMMENFASSUNG ERFINDUNG
  • Durch die Erfindung zu lösendes Problem
  • Im Hinblick auf den vorstehend beschriebenen Hintergrund ist eine Technik wünschenswert, die die Kapazität eines Glättungskondensators auf der Gleichstromseite eines Umrichters reduzieren kann, während die Fluktuation wie die Pulsierung der Spannung und des Stroms auf der Gleichstromseite des Umrichters reduziert wird.
  • Mittel zum Lösen des Problems
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, die im Hinblick auf das vorstehend beschriebene Problem gemacht wurde, besteht ein charakteristisches Merkmal (erstes charakteristisches Merkmal) einer Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine, die eine rotierende elektrische Wechselstrommaschine antreibt und steuert, darin, dass diese einen Umrichter aufweist, der elektrisch zwischen einer Gleichstromenergieversorgung und der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet ist und elektrische Leistung zwischen einem Gleichstrom und einem Wechselstrom umwandelt, einen Glättungskondensator aufweist, der elektrisch zwischen der Gleichstromenergieversorgung und dem Umrichter angeordnet ist, und zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol auf der Gleichstromseite des Umrichters angeschlossen ist, und eine Umrichtersteuerungseinheit aufweist, die ein Schalten eines Schaltelements des Umrichters entsprechend einer vordefinierten Schaltfrequenz steuert, und besteht darin, dass, auf der Grundlage einer Frequenzcharakteristik einer gleichstromseitigen Spannungsverstärkung, die durch Dividieren einer Systemspannung, die eine Spannung auf der Gleichstromseite des Umrichters ist, durch einen Systemstrom erhalten wird, der ein Strom auf der Gleichstromseite des Umrichters ist, die Umrichtersteuerungseinheit die Schaltfrequenz auf eine Frequenz einstellt, die gleich wie oder höher als eine Frequenz ist, bei der ein Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung gleich einem Wert davon bei einer Frequenz von Null in der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, die im Hinblick auf das vorstehend beschriebene Problem gemacht wurde, besteht ein anderes charakteristisches Merkmal (zweites charakteristisches Merkmal) einer Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine, die eine rotierende elektrische Wechselstrommaschine antreibt und steuert, darin, dass sie einen Umrichter aufweist, der elektrisch zwischen einer Gleichstromenergieversorgung und der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet ist und elektrische Leistung zwischen einem Gleichstrom und einem Wechselstrom umwandelt, einen Glättungskondensator aufweist, der elektrisch zwischen der Gleichstromenergieversorgung und dem Umrichter angeordnet ist, und zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol auf der Gleichstromseite des Umrichters angeschlossen ist, und eine Umrichtersteuerungseinheit aufweist, die ein Schalten eines Schaltelements des Umrichters entsprechend einer vordefinierten Schaltfrequenz steuert, und darin, dass, auf der Grundlage einer Frequenzcharakteristik einer gleichstromseitigen Stromverstärkung, die durch Dividieren eines Stroms der Gleichstromenergieversorgung durch einen Systemstrom erhalten wird, der ein Strom auf der Gleichstromseite des Umrichters ist, die Umrichtersteuerungseinheit die Schaltfrequenz auf eine Frequenz einstellt, die gleich wie oder höher als eine Frequenz ist, bei der ein Wert der gleichstromseitigen Stromverstärkung gleich einem Wert davon bei einer Frequenz von Null in der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Stromverstärkung ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, die im Hinblick auf das vorstehend beschriebene Problem gemacht wurde, besteht ein weiteres charakteristisches Merkmal (drittes charakteristisches Merkmal) einer Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine, die eine rotierende elektrische Wechselstrommaschine antreibt und steuert, darin, dass sie einen Umrichter aufweist, der elektrisch zwischen einer Gleichstromenergieversorgung und der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet ist und elektrische Leistung zwischen einem Gleichstrom und einem Wechselstrom umwandelt, einen Glättungskondensator aufweist, der elektrisch zwischen der Gleichstromenergieversorgung und dem Umrichter angeordnet ist, und zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol auf der Gleichstromseite des Umrichters angeschlossen ist, und eine Umrichtersteuerungseinheit aufweist, die ein Schalten eines Schaltelements des Umrichters entsprechend einer vordefinierten Schaltfrequenz steuert, und besteht darin, dass, auf der Grundlage einer Frequenzcharakteristik einer gleichstromseitigen Spannungsverstärkung, die durch Dividieren einer Systemspannung, die eine Spannung auf der Gleichstromseite des Umrichters ist, durch einen Systemstrom erhalten wird, und ebenfalls einer Frequenzcharakteristik einer gleichstromseitigen Stromverstärkung, die durch Dividieren eines Stroms der Gleichstromenergieversorgung durch den Systemstrom erhalten wird, die Umrichtersteuerungseinheit die Schaltfrequenz auf eine Frequenz einstellt, die gleich wie oder höher als eine Frequenz ist, bei der ein Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung gleich einem Wert davon bei einer Frequenz von Null in der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung ist, und die Umrichtersteuerungseinheit die Schaltfrequenz auf eine Frequenz einstellt, die gleich wie oder höher als eine Frequenz ist, bei der ein Wert der gleichstromseitigen Stromverstärkung gleich einem Wert davon bei einer Frequenz von Null in der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Stromverstärkung ist.
  • Wie es vorstehend beschrieben worden ist, erhöht sich der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung, wenn die Frequenz von Null an sich erhöht, erreicht den maximalen Wert (Resonanzpunkt) bei der Resonanzfrequenz und verringert sich, wenn die Frequenz sich von dem als Wendepunkt dienenden Resonanzpunkt erhöht. In derselben Weise erhöht sich der Wert der gleichstromseitigen Stromverstärkung, wenn die Frequenz sich von Null an erhöht, erreicht den maximalen Wert (Resonanzpunkt) bei der Resonanzfrequenz und verringert sich, wenn die Frequenz von dem als Wendepunkt dienenden Resonanzpunkt sich erhöht. Von Frequenzen von Pulsierungskomponenten, die in der Systemspannung oder dem Strom der Gleichstromenergieversorgung (wie einem Strom, der in oder aus der Gleichstromenergieversorgung fließt) auftritt, ist eine von den beeinflussenden Frequenzen als eine Frequenzkomponente bekannt, die das doppelte der Schaltfrequenz ist. Wenn die vorstehend beschriebene Resonanzfrequenz nahe an der Frequenz ist, die das doppelte der Schaltfrequenz ist, ist der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung oder gleichstromseitigen Stromverstärkung groß, sodass die Amplitude der Pulsierung groß ist. Somit ist die Frequenz, die das Doppelte der Schaltfrequenz ist, vorzugsweise von der Resonanzfrequenz weg. Gemäß den vorstehend beschriebenen charakteristischen Merkmalen ist die Schaltfrequenz auf eine Frequenz eingestellt, die gleich wie oder größer als eine Frequenz ist, bei der der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung oder der gleichstromseitigen Stromverstärkung gleich dem Wert davon bei der Frequenz von Null ist. Der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung und der Wert der gleichstromseitigen Stromverstärkung erreichen jeweils den maximalen Wert bei der Resonanzfrequenz, die eine Frequenz von Null oder größer ist, und verringert sich, wenn die Frequenz sich von der Resonanzfrequenz sich weg verschiebt. Somit wird der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung oder der gleichstromseitigen Stromverstärkung gleich dem Wert davon bei der Frequenz von Null bei einer Frequenz, die die Resonanzfrequenz überschreitet und ausreichend weit davon weg ist, und der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung und der Wert der gleichstromseitigen Stromverstärkung erreichten jeweils einen Wert, der ausreichend kleiner als derjenige bei dem Resonanzpunkt ist. Als Ergebnis führt die Frequenz, die das doppelte der Schaltfrequenz ist, die immer noch höher als die Frequenz ist, die ausreichend weg von der Resonanzfrequenz ist, zu einer Frequenz, die ausreichend höher als die Frequenz ist, bei der der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung oder der gleichstromseitigen Stromverstärkung maximal ist, und ist somit weg von der Resonanzfrequenz. Als Ergebnis wird eine Erhöhung der Pulsierungen der Systemspannung, des Stroms, der Gleichstromenergieversorgung und dergleichen unterbunden.
  • Falls der Glättungskondensator eine im Vergleich zu der in der Gleichstromenergieversorgung enthaltenen Induktionskomponente ausreichend große Kapazität aufweist, ist die Schärfe der Resonanz relativ mild. Anders ausgedrückt, ist der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung oder der gleichstromseitigen Stromverstärkung bei der Resonanzfrequenz relativ klein, so dass die Größe der Differenz zwischen der Resonanzfrequenz und der Frequenz, die das doppelte der Schaltfrequenz ist, in vielen Fällen kein großes Problem ist. Wenn jedoch die Kapazität des Glättungskondensators reduziert wird, um dessen Größe zu reduzieren wird die Kapazität des Glättungskondensators vergleichbarer zu der in der Gleichstromenergieversorgung und der Verdrahtung enthaltenen Induktionskomponente, so dass die Schärfe der Resonanz nicht mild ist. Anders ausgedrückt erhöht sich der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung oder der gleichstromseitigen Stromverstärkung bei der Resonanzfrequenz relativ, so dass die Größe der Differenz zwischen der Resonanzfrequenz und der Frequenz, die das doppelte der Schaltfrequenz ist, ein Problem sein kann. Wenn die Schaltfrequenz eingestellt wird, wie es durch die charakteristischen Merkmale der vorliegenden Erfindung definiert ist, führt die Frequenz, die stark die Pulsierung beeinträchtigt, zumindest zu der Frequenz, die das doppelte der Frequenz ist, bei der der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung oder der gleichstromseitigen Stromverstärkung gleich dem Wert davon bei der Frequenz von Null ist (das heißt, die Frequenz, die ausreichend höher als die Resonanzfrequenz ist). Als Ergebnis kann, selbst wenn die Kapazität des Glättungskondensators reduziert wird, der Abstand zwischen der Resonanzfrequenz und der Frequenz, die stark die Pulsierung beeinträchtigt (Frequenz, die das Doppelte der Schaltfrequenz ist) erhöht werden. Als Ergebnis kann die Kapazität des Glättungskondensators reduziert werden, während die Fluktuation reduziert werden, so dass die Pulsierung der Spannung oder des Stroms auf der Gleichstromseite des Umrichters reduziert wird.
  • Wie es vorstehend beschrieben worden ist, sind von den R-, L- und C-Komponenten die Impedanzkomponenten, die von der Frequenz abhängen, die L-Komponente und die C-Komponente. Daher hängt, wenn die Frequenz Null ist, der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung lediglich von der R-Komponente ab. Anders ausgedrückt ist, wenn die Frequenz Null ist, der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung (voltage gain), die durch Dividieren der Systemspannung durch den Systemstrom erhalten wird, der Wert des Innenwiderstands der Gleichstromenergievorsorgung. Somit kann die Schaltfrequenz auf der Grundlage der Frequenzcharakteristiken der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung eingestellt werden, die unter Verwendung des Werts des Innenwiderstands der Gleichstromenergieversorgung erhalten wird. Der Innenwiderstand der Gleichstromenergieversorgung ändert sich mit der Temperatur und weist einen größeren Wert auf, wenn die Temperatur niedriger ist. Wenn die Temperatur niedriger ist, ist der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung bei der Frequenz von Null größer, so dass die Frequenz entsprechend dem Wert der Verstärkung näher an der Resonanzfrequenz ist, jedoch kann sie nicht niedriger als die Resonanzfrequenz sein. Dementsprechend wird diese Frequenz vorzugsweise als ein Standard für die unterste Grenze der Schaltfrequenz eingestellt. Insbesondere ist es gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung der Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung vorzuziehen, dass der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung bei der Frequenz von Null ein Wert eines Energieversorgungs-Innenwiderstands ist, der der Innenwiderstand der Gleichstromenergieversorgung ist, und die Schaltfrequenz auf der Grundlage der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung eingestellt wird, die unter Verwendung des Werts des Energieversorgungs-Innenwiderstands bei der minimalen Temperatur in einem vorbestimmten Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine eingestellt wird.
  • Die Gleichstromenergieversorgung, der Glättungskondensator und der Umrichter sind durch Leiter miteinander verbunden. Somit enthält die Impedanz auf der gleichstromseitigen Energieversorgungsseite des Umrichters und des Glättungskondensators die Impedanzen, die in den Leitern enthalten sind. Im Allgemeinen ist die in den Leitern enthaltene Impedanz kleiner als die Impedanz einer Energieversorgungsvorrichtung, die als ein Kern der Gleichstromenergieversorgung dient, so dass die Schaltfrequenz auf der Grundlage der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung eingestellt werden kann, die durch Berücksichtigung von nur der Impedanz der Energieversorgungsvorrichtung erhalten wird. Um jedoch die Schaltfrequenz genauer einzustellen, ist es vorzuziehen, die Impedanz der Leiter zu berücksichtigen. Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung für die Vorrichtung zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, dass der Energieversorgungs-Innenwiderstand eine Summe eines Batteriewiderstands, der der Innenwiderstand der Batterie ist, die die Gleichstromenergieversorgung bildet, und eines Verdrahtungswiderstands ist, der der Widerstand der Verdrahtung ist, die die Batterie, den Glättungskondensator und den Umrichter miteinander verbindet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild, das schematisch ein Beispiel für eine Systemstruktur einer Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine veranschaulicht.
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Steuerungsmodell einer Gleichstromenergieversorgungseinheit veranschaulicht.
  • 3 zeigt eine Frequenzcharakteristik einer Verstärkung (Vdc/Idc), wenn lediglich eine Widerstandskomponente berücksichtigt wird.
  • 4 zeigt eine Frequenzcharakteristik der Verstärkung (Vdc/Idc), wenn die Widerstandskomponente und eine Induktionskomponente berücksichtigt werden.
  • 5 zeigt eine Frequenzcharakteristik einer Verstärkung (Ib/Idc), wenn lediglich die Widerstandskomponente berücksichtigt wird.
  • 6 zeigt die Frequenzcharakteristik der Verstärkung (Ib/Idc), wenn die Widerstandskomponente und die Induktionskomponente berücksichtigt werden.
  • 7 zeigt eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Frequenzcharakteristik der Verstärkung (Vdc/Idc) und einer Schaltfrequenz veranschaulicht.
  • 8 zeigt eine Darstellung, die eine Bedingung zur Bestimmung der Schaltfrequenz durch Berücksichtigung einer Betriebstemperatur veranschaulicht.
  • 9 zeigt ein Wellenformdiagramm, das Variationen in der Frequenzcharakteristik der Verstärkung (Vdc/Idc) entsprechend der Induktionskomponente veranschaulicht.
  • 10 zeigt Wellenformdiagramme, die unterschiedliche Pulsierungen eines Systemstroms aufgrund von Differenzen in einer Steuerungsperiode vergleichen.
  • 11 zeigt eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Frequenzcharakteristik der Verstärkung (Ib/Idc) und der Schaltfrequenz veranschaulicht.
  • 12 zeigt ein Wellenformdiagramm, das Variationen in der Frequenzcharakteristik der Verstärkung (Ib/Idc) entsprechend der Induktionskomponente veranschaulicht.
  • ARTEN ZUR UMSETZUNG DER ERFINDUNG
  • Auf der Grundlage der Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine beschrieben, die eine rotierende elektrische Maschine MG steuert, die als eine Antriebskraftquelle eines Hybridfahrzeugs, eines Elektrofahrzeugs oder dergleichen dient. Ein Blockschaltbild gemäß 1 zeigt schematisch eine Systemstruktur einer Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine 100. Die rotierende elektrische Maschine MG als die Antriebskraftquelle des Fahrzeugs ist eine rotierende elektrische Maschine, die mit einem Wechselstrom arbeitet, der eine Vielzahl von Phasen aufweist (hier einen Drei-Phasen-Wechselstrom), und sowohl als Elektromotor als auch Elektrogenerator fungieren kann.
  • Ein Fahrzeug, wie ein Automobil, dem keine elektrische Leistung aus einer Oberleitung wie in den Fall einer Eisenbahn zugeführt werden kann, ist mit einer Gleichstromenergieversorgung, einschließlich Sekundärzellen (Batterie) wie Nickel-Wasserstoff-Zellen oder Lithium-Ionen-Zellen oder elektrische Doppelschichtkondensatoren als eine Energiequelle zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine ausgerüstet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Batterie 11 (Hochspannungs-Gleichstromenergieversorgung) mit einer Energieversorgungsspannung von beispielsweise 200 V bis 400 V als die Hochspannungs-Gleichstromenergieversorgung mit großer Kapazität zur Zufuhr der Leistung zu der rotierenden elektrischen Maschine MG versehen. Die rotierende elektrische Maschine MG ist eine rotierende elektrische Wechselstrommaschine, so dass ein Umrichter 10 zur Durchführung einer Leistungswandlung zwischen dem Gleichstrom und dem Wechselstrom zwischen der Batterie 11 und der rotierenden elektrischen Maschine MG vorgesehen ist. Eine Gleichspannung zwischen einer positiven Energieversorgungsleitung P (positive Hochspannungs-Gleichstromleitung) und einer negativen Energieversorgungsleitung N (negative Hochspannungs-Gleichstromleitung) auf der Gleichstromseite des Umrichters 10 wird, wenn in der nachfolgenden Beschreibung geeignet, als "Systemspannung Vdc" bezeichnet. Die Batterie 11 kann der rotierenden elektrischen Maschine Mg durch den Umrichter 10 Leistung zuführen, und kann Leistung speichern, die durch die rotierende elektrische Maschine MG erzeugt wird und davon erhalten wird. Ein Glättungskondensator 40 (Gleichspannungszwischenkreiskondensator) zum Glätten der Gleichspannung (Systemspannung Vdc) ist zwischen dem Umrichter 10 und der Batterie 11 vorgesehen. Der Glättungskondensator 40 stabilisiert die Gleichspannung, die in Reaktion auf eine Fluktuation in dem Leistungsverbrauch der rotierenden elektrischen Maschine MG fluktuiert.
  • Die Batterie 11 ist durch eine Vielzahl von Batteriezellen aufgebaut und weist eine Innenimpedanz einschließlich eines Innenwiderstands (Widerstandskomponente) und einer Inneninduktivität (Induktionskomponente) auf. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind diese als Batteriewiderstand Rb und Batterieinduktivität Lb bezeichnet. Die Batterie 11 ist mit dem Umrichter 10 beispielsweise unter Verwendung von Metallverdrahtungselementen verbunden, die als Stromschienen bezeichnet sind. Derartige Stromschienen weisen ebenfalls eine Leiterimpedanz einschließlich eines Leiterwiderstands (Widerstandskomponente) und einer Leiterinduktivität (Induktionskomponente) auf. Das heißt, dass eine Verdrahtung, die die Batterie 11, den Glättungskondensator 40 und den Umrichter 10 verbindet, eine Verdrahtungsimpedanz einschließlich eines Verdrahtungswiderstands und einer Verdrahtungsinduktivität aufweist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden diese als Verdrahtungswiderstand Rw und als Verdrahtungsinduktivität Lw bezeichnet.
  • In Bezug auf die Batterieseite des Umrichters 10 ist der Innenwiderstand der Gleichstromenergieversorgungseinheit einschließlich der Verdrahtungselemente wie der Stromschienen (Energieversorgungs-Innenwiderstand Rps), des Batteriewiderstands Rb und des Verdrahtungswiderstands Rw. Außerdem ist die Inneninduktivität der Gleichstromenergieversorgungseinheit (Energieversorgungs-Inneninduktivität Lps) die Summe der Batterieinduktivität Lb und der Verdrahtungsinduktivität Lw. In vielen Fällen ist jedoch der Batteriewiderstand Rb viel größer als der Verdrahtungswiderstand Rw und ist die Batterieinduktivität Lb viel größer als die Verdrahtungsinduktivität Lw. Somit wird in der nachfolgenden Beschreibung der Batteriewiderstand Rb als der Energieversorgungs-Innenwiderstand Rps verwendet und wird die Batterieinduktivität Lb als die Energieversorgungs-Inneninduktivität Lps verwendet. Ein Blockschaltbild gemäß 2 zeigt ein Steuerungsmodell, das, als die Gleichstromenergieversorgungseinheit, eine Beziehung zwischen der Spannung zwischen den Anschlüssen (Batteriespannung Vb) der Batterie 11 und der Systemspannung Vdc repräsentiert.
  • Der Umrichter 10 wandelt die Gleichstromleistung mit der Systemspannung Vdc in die Wechselstromleistung mit einer Vielzahl von Phasen (n Phasen, wobei n eine natürliche Zahl ist, hier drei Phasen) und führt die Wechselstromleistung der rotierenden elektrischen Maschine MG zu. Der Umrichter 10 wandelt ebenfalls die durch die rotierende elektrische Maschine MG erzeugte Wechselstromleistung in die Gleichstromleistung um und führt die Gleichstromleistung der Gleichstromenergieversorgung zu. Der Umrichter 10 weist eine Vielzahl von Schaltelementen auf. Eine Leistungshalbleitervorrichtung wie ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) wird vorzugsweise als Schaltelement angewendet. Anstelle einer derartigen Silizium-(Si-)Vorrichtung kann eine Siliziumcarbid-(SiC-)Vorrichtung wie ein SiC-MOSFET oder ein statischer SiC-Induktionstransistor (SiC-SIT) oder eine Komplexverbindungs-Leistungsvorrichtung (Complex Compound Power Device) wie ein Gallium-Nitrit-MOSFET (GaN-MOSFET), die bei hohen Frequenzen arbeiten können, vorzugsweise als das Schaltelement angewendet werden. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als ein Beispiel ein IGBT 3 als das Schaltelement verwendet, wie es in 1 gezeigt ist.
  • Der Umrichter 10 zur Durchführung der Leistungsumwandlung zwischen dem Gleichstrom, der eine Vielzahl von Phasen aufweist, (hier ein Drei-Phasen-Wechselstrom) ist durch eine Brückenschaltung gebildet, die eine Anzahl von Zweigen entsprechend der Anzahl der Phasen (hier drei Phasen) aufweist, wie es allgemein bekannt ist. Insbesondere sind, wie es in 1 gezeigt ist, zwei der IGBTs 3 in Reihe zwischen der positiven Gleichstromseite (der positiven Energieversorgungsleitung P auf der positiven Seite der Gleichstromenergieversorgung) des Umrichters 10 der negativen Gleichstromseite (der negativen Energieversorgungsleitung N auf der negativen Seite der Gleichstromenergieversorgung) des Umrichters 10 verbunden bzw. geschaltet, um einen Zweig 10A zu bilden. Der mit der positiven Energieversorgungsleitung P verbundene IGBT 3 wird als oberer IGBT (ein oberes Schaltelement oder ein Schalter auf der hohen Seite) bezeichnet, und der IGBT 3, der mit der negativen Energieversorgungsleitung N verbunden ist, wird als unterer IGBT (negativseitiges Schaltelement oder unterer Schalter) bezeichnet.
  • Wenn der Wechselstrom mit einer Vielzahl von Phasen der Drei-Phasen-Wechselstrom ist, sind drei Leitungen (für drei Phasen 10U, 10V und 10W) derartiger Reihenschaltungen (10A für einen Zweig) parallel zueinander geschaltet bzw. verbunden. Insbesondere ist die Brückenschaltung gebildet, bei der ein Reihenschaltungssatz (Zweig 10A) einer Statorspule entsprechend jeder der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase der rotierenden elektrischen Maschine MG entspricht. In dem oberen IGBT in jeder Phase ist der Kollektoranschluss mit der positiven Energieversorgungsleitung P verbunden, und ist der Emitteranschluss mit dem Kollektoranschluss des unteren IGBT in derselben Phase verbunden. Der Emitteranschluss des unteren IGBT in jeder Phase ist mit der negativen Energieversorgungsleitung N verbunden. Ein Mittelpunkt der Reihenschaltung (Zweig 10A), der durch ein Paar der IGBTs 3 in jeder der Phasen gebildet ist, das heißt, ein Verbindungspunkt zwischen dem oberen IGBT und dem unteren IGBT in jeder der Phasen ist mit der entsprechenden Statorspule der rotierenden elektrischen Maschine MG verbunden. Eine Freilaufdiode 39 (regenerative Diode) ist parallel zu jedem der IGBTs 3 geschaltet. Die Freilaufdiode 39 ist parallel zu jedem der IGBTs 3 in einer derartigen Weise verbunden, dass der Kathodenanschluss der Freilaufdiode 39 mit dem Kollektoranschluss des IGBTs 3 verbunden ist und der Anodenanschluss der Freilaufdiode 39 mit dem Emitteranschluss des IGBTs 3 verbunden ist.
  • Wie es in 1 gezeigt ist, wird der Umrichter 10 durch eine Steuerungsvorrichtung 8 gesteuert. Der Steuerungsvorrichtung 8 weist eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) auf, die unter Verwendung einer logischen Schaltung wie eines Mikrocomputers als ein Kernelement gebaut ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel steuert die ECU die rotierende elektrische Maschine MG durch den Umrichter 10 durch Ausführung einer Stromregelung unter Verwendung eines Vektorregelungsverfahrens auf der Grundlage eines Solldrehmoments TM der rotierenden elektrischen Maschine MG, das der Steuerungsvorrichtung 8 als ein Anforderungssignal beispielsweise aus einer anderen Steuerungsvorrichtung wie einer (nicht gezeigten) Fahrzeug-ECU bereitgestellt wird. Die ECU der Steuerungsvorrichtung 8 weist verschiedene Funktionseinheiten für die Stromregelung auf, und die Funktionseinheiten sind durch Kooperation von Hardware, wie dem Mikrocomputer, und Software (Programmen) implementiert.
  • Ein durch die Statorspule in einer Phase der rotierenden elektrischen Maschine MG fließender tatsächlicher Strom (Ist-Strom) wird durch einen Stromsensor 12 erfasst, und die Steuerungsvorrichtung 8 beschafft das Ergebnis der Erfassung. Ein Drehsensor 13 erfasst eine Magnetpolposition eines Rotors der rotierenden elektrischen Maschine MG zu jeder Zeit, und die Steuerungsvorrichtung 8 beschafft das Ergebnis der Erfassung. Der Drehsensor 13 ist beispielsweise durch einen Resolver aufgebaut. Die Magnetpolposition stellt einen Drehwinkel des Rotors im Hinblick auf einen elektrischen Winkel dar. Die ECU der Steuerungsvorrichtung 8 führt eine Regelung der rotierenden elektrischen Maschine MG auf der Grundlage der Ergebnisse der Erfassung durch den Stromsensor 12 und den Drehsensor 13 durch.
  • Das Fahrzeug ist mit einer (nicht gezeigten) Niedrigspannungsbatterie (Niedrigspannungs-Gleichstromenergieversorgung), die als eine Energieversorgung mit einer niedrigeren Spannung als die Batterie 11 dient, zusätzlich zu der Batterie 11 als die Hochspannungsgleichstromenergieversorgung ausgerüstet. Die Niedrigspannungsbatterie weist eine Energieversorgungsspannung von beispielsweise 12 bis 24 V auf und führt der Steuerungsvorrichtung 8 (ECU), elektrischen Komponenten wie einem Audiosystem, Beleuchtungsausrüstung, Innenbeleuchtungsausrüstung, Instrumentenbeleuchtungsvorrichtungen und elektrische betätigten Fenstern sowie Steuerungsvorrichtungen zur Steuerung dieser elektrischen Komponenten Leistung zu. Die Steuerungsvorrichtung 8 weist beispielsweise eine Reglerschaltung auf und erzeugt eine Energiequelle, die zum Betrieb des Mikrocomputers und dergleichen auf der Grundlage der von der Niedrigspannungsbatterie zugeführten Leistung geeignet ist.
  • Der Gate-Anschluss, der als Steuerungsanschluss von jedem der IGBTs 3, die den Umrichter 10 bilden, dient, ist mit der Steuerungsvorrichtung 8 (ECU) durch eine Treiberschaltung 7 verbunden, und wird individuell zum Schalten gesteuert. Die Hochspannungsschaltungen zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine MG unterscheiden sich stark in der Betriebsspannung (Energieversorgungsspannung der Schaltungen) von den Niedrigspannungsschaltungen wie der ECU, die den Mikrocomputer und dergleichen als einen Kern aufweisen. Aus diesem Grund wird ein Steuerungssignal (Schaltsteuerungssignal) für jeden der IGBTs 3, das durch die als eine Niedrigspannungsschaltung dienende Steuerungsvorrichtung 8 (ECU) erzeugt wird, dem entsprechenden IGBTs 3 durch die Treiberschaltung 7 als ein Gate-Antriebssignal der Hochspannungsschaltung zugeführt. Die Treiberschaltung 7 weist oft ein isolierendes Element wie einen Fotokoppler oder einen Transformator auf.
  • Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist die Steuerungsvorrichtung 8 durch die logische Schaltung wie den Mikrocomputer aufgebaut, die als ein Kern dient. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Steuerungsvorrichtung 8 durch den Mikrocomputer, der als Kern dient, aufgebaut, der ein Programm zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine ausführt. Der Mikrocomputer weist einen CPU-Kern, einen Programmspeicher, einen Parameterspeicher, einen Arbeitsspeicher, einen Zeitgeber (Timer) und Anschlüsse (Ports) auf. Der CPU-Kern ist ein Kern des Mikrocomputers und weist ein Anweisungsregister, einen Anweisungsdecoder, eine arithmetische Logikeinheit (ALU), die als der Hauptausführungskörper verschiedener Operationen dient, Flag-Register, allgemeine Register und einen Unterbrechungscontroller (Interrupt-Controller) auf. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann, obwohl eine Konfiguration veranschaulicht ist, bei der der Mikrocomputer durch einen Halbleiterchip aufgebaut ist, offensichtlich eine Konfiguration angewendet werden, bei der eine Mikrocomputereinheit durch eine Kombination von einer Vielzahl von Komponenten aufgebaut ist.
  • Der Programmspeicher ist ein nicht-flüchtiger Speicher, der das Programm zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine speichert. Der Parameterspeicher ist ein nicht-flüchtiger Speicher, der verschiedene Parameter speichert, auf die zugegriffen wird, wenn das Programm ausgeführt wird. Der Parameterspeicher kann gebildet sind, ohne dass er sich von dem Programmspeicher unterscheidet. Der Programmspeicher und der Parameterspeicher sind vorzugsweise beispielsweise aus einem Flash-Speicher gebildet. Der Arbeitsspeicher ist ein Speicher zum zeitweiligen Speichern zeitweiliger Daten, während das Programm läuft. Der Arbeitsspeicher kann flüchtig sein und ist aus einem dynamischen RAM (DRAM) oder einem statischen RAM (SRAM) gebildet, der ein schnelles Datenlesen und -schreiben erlaubt.
  • Der Zeitgeber misst eine Zeit unter Verwendung des Taktzyklus des Mikrocomputers als die minimale Auflösung. Der Zeitgeber überwacht beispielsweise die Ausführungszeitdauer (Ausführungsperiode) des Programms. Der Zeitgeber misst außerdem die effektive Zeit des Schaltsteuerungssignals zum Antrieb des IGBTs des Umrichters 10 und erzeugt das Schaltsteuerungssignal. Der Zeitgeber verwaltet ebenfalls Steuerungsperioden, die durch das Programm oder Parameter vordefiniert sind, wie die Periode (Grundsteuerungsperiode) zur Ausführung eines Durchlaufs der Stromregelung und der Ausgabeperiode (Schaltperiode Tc) des Schaltsteuerungssignals. Die Ports dienen als Anschlusssteuerungseinheit, die beispielsweise das Schaltsteuerungssignal für den IGBT 3 des Umrichters 10 durch einen Anschluss des Mikrocomputers ausgibt und das Dreherfassungssignal, das aus dem Drehsensor 13 zugeführt wird und in den Mikrocomputer eingegeben wird, und das Stromerfassungssignal aus dem Stromsensor 12 empfängt.
  • Wie es in 2 gezeigt ist, enthält die Übertragungsfunktion für das Steuerungsmodell der Batterie 11, die als die Gleichstromenergieversorgungseinheit dient, die Batterieinduktivität Lb und die Kapazität (Gleichspannungszwischenkreiskapazität Cd) des Glättungskondensators 40 als Impedanzkomponenten, die von der Frequenz abhängig sind. Als Ergebnis ist die Systemspannung Vdc eine Funktion der Frequenz. 3 und 4 zeigen jeweils eine Frequenzcharakteristik einer Verstärkung (Gain) (gleichstromseitige Spannungsverstärkung), die durch die Systemspannung Vdc und einem Systemstrom Idc definiert ist, der durch den Umrichter 10 fließt. Wenn die Batterieinduktivität Lb nicht berücksichtigt wird, ist die Verstärkung (gleichstromseitige Spannungsverstärkung) der Systemspannung Vdc in Bezug auf den Systemstrom Idc durch die Gleichung (1) definiert, und zeigt die in 3 gezeigte Frequenzcharakteristik. Wenn die Batterieinduktivität Lb berücksichtigt wird, ist die gleichstromseitige Spannungsverstärkung durch die Gleichung (2) definiert und zeigt die in 4 gezeigte Frequenzcharakteristik. [Gleichung 1]
    Figure DE112014000747T5_0002
    [Gleichung 2]
    Figure DE112014000747T5_0003
  • Wie aus den Gleichungen (1) und (2) sowie den 3 und 4 hervorgeht, wird die gleichstromseitige Spannungsverstärkung kleiner, wenn die Kapazität (Gleichspannungszwischenkreiskapazität Cd) des Glättungskondensators 40 größer wird. Anders ausgedrückt erhöht ein Reduzieren der Kapazität des Glättungskondensators 40, um die Größe des Glättungskondensators 40 zu reduzieren, die gleichstromseitige Spannungsverstärkung, und reduziert somit eine Wirkung des Unterdrückens einer Pulsierung der Systemspannung Vdc. Zusätzlich tritt, wie aus einem Vergleich zwischen den 3 und 4 hervorgeht, wenn die Batterieinduktivität Lb für die Impedanz der Gleichstromenergieversorgungseinheit berücksichtigt wird, eine Resonanz zwischen der Batterieinduktivität Lb und der Gleichspannungszwischenkreiskapazität Cd auf. Diese Resonanz muss ebenfalls berücksichtigt werden. Anders ausgedrückt, führt, wenn die Batterieinduktivität Lb nicht für die Impedanz der Gleichstromenergieversorgungseinheit berücksichtigt wird, ein bloßes Reduzieren der Kapazität des Glättungskondensators 40 einfach zu einer höheren gleichstromseitigen Spannungsverstärkung. Wenn im Gegensatz dazu die Batterieinduktivität Lb berücksichtigt wird, erhöht die Resonanz stark die gleichstromseitige Spannungsverstärkung bei einer gewissen Frequenz. Wie es in 4 veranschaulicht ist, ist der Wert der Verstärkung an einem Resonanzpunkt (Q2), wenn die Gleichspannungszwischenkreiskapazität Cd C [µF] ist, viel größer als der Wert der Verstärkung wie bei einem Resonanzpunkt (Q1), bei dem die Gleichspannungszwischenkreiskapazität Cd 10 Mal C ist.
  • Die Verstärkung (Gain) eines Batteriestroms Ib in Bezug auf den Systemstrom Idc (Batteriestromverstärkung) ist ebenfalls eine Funktion der Frequenz. Die 5 und 6 zeigen jeweils eine Frequenzcharakteristik der Verstärkung (Batteriestromverstärkung), die durch den Batteriestrom Ib und den durch den Umrichter 10 fließenden Systemstrom Idc definiert ist. Wenn die Batterieinduktivität Lb nicht berücksichtigt wird, ist die Batteriestromverstärkung durch die Gleichung (3) definiert und zeigt die in 5 gezeigte Frequenzcharakteristik. Wenn die Batterieinduktivität Lb berücksichtigt wird, ist die Batteriestromverstärkung durch die Gleichung (4) definiert und zeigt die in 6 gezeigte Frequenzcharakteristik. Der Batteriestrom Ib entspricht einem Strom der Gleichstromenergieversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung, und die Batteriestromverstärkung entspricht einer gleichstromseitigen Stromverstärkung gemäß der vorliegenden Erfindung. [Gleichung 3]
    Figure DE112014000747T5_0004
    [Gleichung 4]
    Figure DE112014000747T5_0005
  • Wie aus den Gleichungen (3) und (4) sowie 5 und 6 hervorgeht, wird die Batteriestromverstärkung kleiner, wenn die Kapazität (Gleichspannungszwischenkreiskapazität Cd) des Glättungskondensators 40 größer wird. Anders ausgedrückt erhöht ein Reduzieren der Kapazität des Glättungskondensators 40, um die Größe des Glättungskondensators 40 zu reduzieren, die Verstärkung und reduziert somit die Wirkung, die in dem Batteriestrom Ib erzeugte Pulsierung zu unterdrücken. Zusätzlich tritt, wie aus einem Vergleich zwischen den 5 und 6 hervorgeht, wenn die Batterieinduktivität Lb für die Impedanz der Gleichstromenergieversorgungseinheit berücksichtigt wird, eine Resonanz zwischen der Batterieinduktivität Lb und der Gleichspannungszwischenkreiskapazität Cd auf. Diese Resonanz muss ebenfalls berücksichtigt werden. Anders ausgedrückt führt, wenn die Batterieinduktivität Lb für die Impedanz der Gleichstromenergieversorgungseinheit nicht berücksichtigt wird, ein ledigliches Reduzieren der Kapazität des Glättungskondensators 40 einfach zu einer höheren Batteriestromverstärkung. Wenn im Gegensatz dazu die Batterieinduktivität Lb berücksichtigt wird, erhöht die Resonanz stark die Batteriestromverstärkung bei einer gewissen Frequenz. Wie es in 6 gezeigt ist, ist der Wert der Verstärkung bei dem Resonanzpunkt (Q2), bei dem die Gleichspannungszwischenkreiskapazität Cd C [µF] ist, viel größer als der Wert der Verstärkung an dem Resonanzpunkt (Q1), zu dem die Gleichspannungszwischenkreiskapazität Cd 10 Mal C ist.
  • Die Pulsierungen der Systemspannung Vdc und des Batteriestroms treten in Zusammenhang mit einer Fluktuation in Strom und Spannung auf, die mit dem Schalten des IGBTs 3 des Umrichters 10 assoziiert ist. Anders ausgedrückt treten die Pulsierungen der Systemspannung Vdc und des Batteriestrom Ib entsprechend einer Schaltfrequenz fc (dem Kehrwert der Schaltperiode Tc) des IGBTs 3 auf. Beispielsweise ist bekannt, dass eine Pulsierung mit einer Frequenzkomponente von "2fc" (Welligkeitsfrequenz bzw. Rippelfrequenz) auftritt, die das Doppelte der Schaltfrequenz fc ist. Falls die Frequenz der Resonanz ("frp", die später beschrieben ist) zwischen der Gleichspannungszwischenkreiskapazität Cd und der Batterieinduktivität Lb nahe an der Welligkeitsfrequenz "2fc" ist, ist der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung groß, so dass die Pulsierung groß ist. Die Resonanzfrequenz frp wird durch die Hardware-Struktur der Vorrichtung zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine 100 einschließlich der Batterie 11 bestimmt. Dementsprechend ist es vorzuziehen, dass die Schaltfrequenz fc in geeigneter Weise eingestellt ist, so dass die Welligkeitsfrequenz "2fc" von der Resonanzfrequenz frp innerhalb eines Bereichs weg bewegt wird, in dem die Steuerungsvorrichtung 8 eine Steuerung durchführen kann. Nachstehend ist ein Verfahren zum Einstellen der Schaltfrequenz fc in dieser Weise beschrieben (insbesondere ein Verfahren zum Einstellen einer unteren Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc).
  • 7 zeigt ein Simulationsergebnis der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung, wenn die Gleichspannungszwischenkreiskapazität Cd C [µF] ist, die Batterieinduktivität Lb L1 [µH] ist, und der Batteriewiderstand Rb g2 [Ω] ist. Wie es in 7 gezeigt ist, erscheint eine Resonanzspitze bei der Resonanzfrequenz frp. Die Resonanzfrequenz frp wird durch die Gleichung (5) erhalten. [Gleichung 5]
    Figure DE112014000747T5_0006
  • Wie es vorstehend beschrieben worden ist, tritt die Pulsierung der Systemspannung Vdc bei der Welligkeitsfrequenz "2fc" auf, die das Doppelte der Schaltfrequenz fc des Umrichters 10 ist. Wenn die Welligkeitsfrequenz "2fc" näher an der Resonanzfrequenz frb gelangt, wird die Pulsierung der Systemspannung Vdc größer und wird die Pulsierung des Batteriestroms Ib ebenfalls größer. Die Pulsierung des Batteriestroms Ib reduziert die Haltbarkeit (Lebensdauer) der Batterie 11. In dem in 7 gezeigten Beispiel ist, falls die Schaltfrequenz fc des Schaltsteuerungssignals im Wesentlichen die Hälfte der Resonanzfrequenz frp ist, die Welligkeitsfrequenz "2fc" im Wesentlichen gleich wie die Resonanzfrequenz frp, so dass die Welligkeitsfrequenz 2fc gleich wie oder nahe an der Resonanzfrequenz frp ist, weshalb die Pulsierung sich erhöht. Aus diesem Grund wird die Schaltfrequenz fc, die als der Grund der Welligkeitsfrequenz 2fc dient, vorzugsweise weg von der Resonanzfrequenz frp bewegt.
  • In der in 7 gezeigten Frequenzcharakteristik kann, wenn die Schaltfrequenz fc weg von der Resonanzfrequenz frp bewegt wird, die Schaltfrequenz zu entweder der niedrigeren Seite oder der höheren Seite bewegt werden. Jedoch reduziert ein Bewegen der Schaltfrequenz fc zu der niedrigeren Seite hin die Auflösung der Schaltsteuerung des Umrichters 10, und kann somit die Gleichmäßigkeit der Steuerung der Drehung (Rotation) der rotierenden elektrischen Maschine MG reduzieren. Somit wird vorzugsweise die Schaltfrequenz fc zu einer höheren Frequenz hin justiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise auf eine Frequenz eingestellt, die höher als eine Frequenz ist, bei der der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung maximal ist. Wie aus 7 hervorgeht, ist der Wert der gleichstromseitige Spannungsverstärkung bei der Resonanzfrequenz frp maximal. Wenn die Schaltfrequenz fc auf eine Frequenz eingestellt wird, die höher als die Resonanzfrequenz frp ist, wird die Frequenz, die das doppelte der Schaltfrequenz fc ist, in Bezug auf die Resonanzfrequenz frp zu einer höheren Frequenz hin justiert. Insbesondere führt in diesem Fall die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc zu der Resonanzfrequenz frp.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz vorzugsweise auf eine Frequenz (f2) eingestellt werden, bei der der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung gleich der Verstärkung bei der Frequenz von "0" ist. Wie aus 7 und dergleichen hervorgeht, erhöht sich der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung, wenn die Frequenz sich von Null an erhöht, den maximalen Wert (Resonanzpunkt) bei der Resonanzfrequenz frp erreicht, und verringert sich, wenn die Frequenz sich von dem Resonanzpunkt, der als Wendepunkt dient, weiter erhöht. Daher ist die Frequenz, die gleich wie oder höher als die Frequenz ist, bei der der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung den Wert davon bei der Frequenz von Null erreicht, höher als die Resonanzfrequenz frp. Die Frequenz (2fc), die das Doppelte der Schaltfrequenz fc ist, ist eine immer noch höhere Frequenz und ist daher immer noch weg von der Resonanzfrequenz frp. Als Ergebnis können die Pulsierungen der Systemspannung und des Systemstroms davon abgehalten werden, sich zu erhöhen. Insbesondere kann, wenn die Resonanzfrequenz frp niedriger wird, der Abstand zwischen der Resonanzfrequenz frp und der Frequenz (2fc), die das doppelte der Schaltfrequenz ist, weiter erhöht werden als in dem Fall, in dem die Schaltfrequenz fc nahe an der Resonanzfrequenz frp eingestellt ist. Wie es aus der vorstehend angegebenen Gleichung (2) hervorgeht, ist der Wert der Verstärkung bei der Frequenz von "0" die "Batteriewiderstand Rb (Energieversorgungs-Innenwiderstand Rps) = g2". In diesem Fall wird die untere Grenzfrequenz fmin durch die Gleichung (6) wiedergegeben. [Gleichung 6]
    Figure DE112014000747T5_0007
  • Falls die Schaltfrequenz fc auf eine Frequenz eingestellt wird, die höher als die Resonanzfrequenz frp und gleich wie oder kleiner als "f2" ist, ist der Wert der Verstärkung bei der Frequenz (2fc), die das doppelte der Schaltfrequenz fc ist, größer, jedoch ist die harmonische Komponente sechster Ordnung der Drehfrequenz der rotierenden elektrischen Maschine MG, die später beschrieben wird, kleiner, so dass die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc auf der Grundlage eines Kompromisses zwischen der Verstärkung und der harmonischen Komponente sechster Ordnung eingestellt werden kann. Falls die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc gleich wie oder größer als "f2" eingestellt wird, ist die harmonische Komponente sechster Ordnung der Drehfrequenz der rotierenden elektrischen Maschine MG größer, ist jedoch der Wert der Verstärkung bei der Frequenz (2fc), die das doppelte der Schaltfrequenz fc ist, kleiner, was vorzuziehen ist.
  • Es ist ebenfalls vorzuziehen, die obere Grenzfrequenz fmax der Schaltfrequenz fc einzustellen. Wenn die Schaltfrequenz fc sich erhöht, erhöht sich die Anzahl des Schaltens pro Zeiteinheit, so dass der Schaltverlust in dem Umrichter 10 sich ebenfalls erhöht. Somit ist es vorzuziehen, Bedingungen für die obere Grenzfrequenz fmax zusätzlich zu denjenigen für die untere Grenzfrequenz fmin zu definieren. Die Bedingungen sind später beschrieben.
  • Der Batteriewiderstand Rb ändert sich in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Batterie 11 (Betriebtemperatur der Vorrichtung zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine 100). Als ein Ergebnis ändert sich die untere Grenzfrequenz fmin ebenfalls mit der Temperatur. 8 zeigt Simulationsergebnisse der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung bei der maximalen Temperatur (wie 60°C) und der minimalen Temperatur (wie –40°C) in einem Betriebstemperaturbereich. Die dicke Linie in 8 gibt die Frequenzcharakteristik bei der maximalen Temperatur an, und die dünne Linie gibt die Frequenzcharakteristik bei der minimalen Temperatur in dem Betriebstemperaturbereich an. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Batteriewiderstand Rb g1 [Ω] bei der maximalen Temperatur und g3 [Ω] bei der minimalen Temperatur, wobei "g3 > g1" gilt.
  • Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung (gain) bei der Frequenz von "0" gleich dem Batteriewiderstand Rb. Der Batteriewiderstand Rb tendiert dazu, sich zu erhöhen, wenn die Betriebstemperatur abfällt, so dass der Batteriewiderstand Rb den größten Wert bei der minimalen Temperatur in dem Betriebstemperaturbereich aufweist. Dementsprechend wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise auf der Grundlage der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung eingestellt, die unter Verwendung des Werts der Batteriewiderstands Rb (Energieversorgungs-Innenwiderstand Rps) bei der minimalen Temperatur in dem Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine 100 erhalten wird. In diesem Fall wird die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc auf der Grundlage von zumindest der Frequenzcharakteristik bei der minimalen Temperatur auf eine Frequenz "f3" eingestellt, so dass die Schaltfrequenz fc in geeigneter Weise eingestellt wird, ohne dass sie auf eine übermäßig hohe Frequenz eingestellt wird. Selbstverständlich schließt dieses nicht einen Fall aus, bei dem die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc auf der Grundlage der Frequenzcharakteristik bei der maximalen Temperatur auf eine Frequenz "f1" als Ergebnis davon eingestellt wird, dass die Zuverlässigkeit berücksichtigt wird. Außerdem ist ein Fall nicht ausgeschlossen, bei dem die untere Grenzfrequenz fmin auf eine Frequenz "f2" eingestellt wird, die beispielsweise auf der Grundlage der Frequenzcharakteristik bei einer normalen Temperatur (20°C bis 25°C) erhalten wird, wie es in 7 gezeigt ist.
  • Unter Berücksichtigung von Fahrzeugen, die mit der Vorrichtung zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine 100 ausgerüstet sind, können der Zulieferer der Batterie 11, der Zulieferer des IGBTs 3 des Umrichters 10 und der Zulieferer der Steuerungsvorrichtung 8 sich von Fahrzeug zu Fahrzeug unterscheiden. Insbesondere kann die Steuerungsvorrichtung 8 vorzugsweise einen geeigneten Wert der Schaltfrequenz fc einstellen, wenn der Batteriewiderstand Rb, die Batterieinduktivität Lb, die Stehspannung des IGBTs 3 und dergleichen in Abhängigkeit von dem Fahrzeug variieren. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Schaltfrequenz fc auf der Grundlage der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung eingestellt werden, um kann die Technik gemäß der vorliegenden Erfindung breite Anwendung finden.
  • 9 zeigt Simulationsergebnisse der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung, die durch Variieren der Batterieinduktivität Lb erhalten werden, während der Batteriewiderstand Rb konstant gehalten wird. Dabei wird angenommen, dass "L1 > L2 > L2 > L4" gilt. In allen diesem Fällen kann die Schaltfrequenz fc in geeigneter Weise auf der Hochfrequenzseite oberhalb des Resonanzpunkts eingestellt werden. Auf diese Weise kann die vorliegende Erfindung die Technik bereitstellen, die eine niedrige Abhängigkeit von der Hardware-Struktur der Vorrichtung zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine 100 aufweist und die breite Anwendung finden kann.
  • Wie es vorstehend beschrieben worden ist, führt die Steuerungsvorrichtung 8 beispielsweise einen Durchlauf der Stromregelung in einer Grundsteuerungsperiode aus, die durch den Zeitgeber verwaltet wird. Falls die Schaltperiode Tc (= 1/fc) kürzer als die Grundsteuerungsperiode ist, werden verschiedene Schaltsteuerungssignale ausgegeben, während der Stromregelung nicht nachgefolgt wird, was zu einer niedrigeren Auflösung der Steuerung führt. Als Ergebnis ist es wahrscheinlich, dass aufgrund der Hardware-Struktur des Motors und der Hardware-Struktur des Umrichters harmonische Komponenten, insbesondere die harmonischen Komponenten sechster Ordnung der Drehfrequenz der rotierenden elektrische Maschine MG auf die Systemspannung Vdc überlagert werden. Falls die harmonische Komponente sechster Ordnung eine Frequenz aufweist, die nahe an dem in 6 veranschaulichten Resonanzpunkt (Q2) ist, wird die harmonische Komponente der sechsten Ordnung mit einer extrem großen Amplitude auf die Systemspannung Vdc überlagert. Als Ergebnis erhöht sich die Pulsierung des Batteriestroms Ib, was die Verschlechterung der Batterie 11 beschleunigen kann.
  • Zum Reduzieren der vorstehend beschriebenen harmonischen Komponente sechster Ordnung wird ein Verfahren verwendet, bei dem die Auflösung der Steuerung beibehalten wird, indem die Grundsteuerungsperiode als die Schaltperiode Tc reduziert wird, wenn die Schaltfrequenz fc sich erhöht. Die nachfolgende Beschreibung erfolgt unter Verwendung von numerischen Werten als grobe Annahmen zur Erleichterung des Verständnisses. Die numerischen Werte dienen jedoch weder zur Begrenzung der Erfindung noch zur Veranschaulichung von spezifischen Beispielen. Es sei beispielsweise angenommen, dass die Grundsteuerungsperiode 100 µs beträgt, wenn die Schaltperiode Tc 200 µs beträgt (die Schaltfrequenz fc 5 kHz beträgt). Falls die Schaltperiode Tc auf 1/8 auf 25 µs (fc 40 kHz) reduziert wird, kann das Problem, dass durch die harmonische Komponente sechster Ordnung verursacht wird, dadurch reduziert werden, dass ebenfalls die Grundsteuerungsperiode auf 1/8 auf 12,5 µs reduziert wird.
  • Jedoch muss eine spezifizierte Verarbeitung wie ein Durchlauf der Stromregelung innerhalb der Zeit der Grundsteuerungsperiode ausgeführt werden. Daher hängt es, ob die Grundsteuerungsperiode reduziert werden kann oder nicht, beispielsweise von der Verarbeitungskapazität des als Kern der Steuerungsvorrichtung 8 dienenden Mikrocomputers ab. Falls die Verarbeitungskapazität unzureichend ist, muss ein Mikrocomputer mit hohem Leistungsvermögen verwendet werden, der zu einer Hochgeschwindigkeitsverarbeitung in der Lage ist, oder eine Vielzahl von Mikrocomputern müssen verwendet werden, um eine Parallelverarbeitung durchzuführen. Somit erhöhen sich die Kosten der Steuerungsvorrichtung 8. Daher wird die Grundsteuerungsperiode vorzugsweise innerhalb eines geeigneten Bereichs reduziert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Grundsteuerungsperiode vorzugsweise zwischen derselben Periode wie die Schaltperiode Tc und einer Periode eingestellt, die das Vierfache der Schaltperiode Tc beträgt. Gemäß dem vorstehend beschriebenen Beispiel wird die Grundsteuerungsperiode in dem Bereich von 12,5 µs bis 50 µs eingestellt.
  • 10 zeigt Wellenformen (Signalverläufe) des Batteriestroms Ib, die durch Durchführung von Simulationen mit unterschiedlichen Grundsteuerungsperioden erhalten werden. In 10 geben als relativ grobe Annahmen dicke mit zwei Strichen unterbrochene Linien die Pulsierungen (harmonische Komponenten sechster Ordnung) des Batteriestroms Ib an, die auftreten, wenn die Schaltperiode Tc auf 25 µs bei einer Drehzahl eingestellt ist, bei der die harmonischen Komponenten sechster Ordnung nicht spürbar beobachtet wurden, wenn die Schaltperiode Tc 200 µs war und die Grundsteuerungsperiode 100 µs war. 10A zeigt einen Fall, bei der die Grundsteuerungsperiode bei 100 µs verbleibt und 10B zeigt einen Fall, bei dem die Grundsteuerungsperiode auf 50 µs geändert wurde. Wie aus dem Vergleich zwischen 10A und 10B hervorgeht, reduziert ein Reduzieren der Grundsteuerungsperiode die Amplitude der Pulsierung des Batteriestroms Ib. In diesen Simulationen ist Grundsteuerungsperiode auf das Vierfache der Schaltperiode Tc eingestellt. Die Simulationen zeigen, dass der Effekt des Reduzierens der Pulsierung, die in dem Batteriestrom Ib erzeugt wird, erhalten werden kann, indem die Grundsteuerungsperiode auf einen derartigen Wert eingestellt wird.
  • Für praktische Zwecke wird die Steuerungsperiode vorzugsweise derart eingestellt, dass die Pulsierung des Batteriestroms Ib auf oder unterhalb der oberen Grenzamplitude abfällt, die durch Berücksichtigung der Verschlechterung der Batterie 11 usw. eingestellt wird. Die Grundsteuerungsperiode muss kürzer werden, wenn die Schaltperiode Tc kürzer wird (da die Schaltfrequenz fc höher wird). Somit wird vorzugsweise die Grundsteuerungsperiode berücksichtigt, wenn die Schaltperiode Tc eingestellt wird. Vorstehend wurden die Kriterien zum Einstellen der Schaltfrequenz fc unter Verwendung der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung beschrieben. Diese Kriterien sind extrem hilfreich als quantitative Kriterien. Jedoch wird konzeptionell die Schaltfrequenz fc vorzugsweise derart eingestellt, dass die nachfolgenden Kriterien erfüllt werden. Die Grundsteuerungsperiode wird ebenfalls derart eingestellt, dass die nachfolgenden Kriterien erfüllt werden.
  • Insbesondere wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise derart eingestellt, dass die beiden folgenden Punkte erfüllt werden, nämlich:
    • (a1) dass die Pulsierung (Pulsierung bei 2fc) der Systemspannung Vdc, die entsprechend der Schaltfrequenz fc erzeugt wird, innerhalb eines Bereichs fällt, in dem die IGBTs 3 (Schaltelemente) des Umrichters 10 geschützt werden können, und
    • (a2) dass die Pulsierung (Pulsierung bei 2fc) des Batteriestroms Ib, die die entsprechend der Schaltfrequenz fc erzeugt wird, innerhalb eines Bereichs fällt, in der die Batterie 11 geschützt werden kann.
  • Die Grundsteuerungsperiode wird vorzugsweise derart eingestellt, dass die beiden folgenden Punkte erfüllt werden, nämlich:
    • (b1) dass die Pulsierung der Systemspannung Vdc auf der Grundlage der harmonischen Komponente sechster Ordnung, die entsprechend der Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine MG erzeugt wird, innerhalb eines Bereichs fällt, in dem die IGBTs 3 (Schaltelemente) des Umrichters 10 geschützt werden können, und
    • (b2) dass die Pulsierung des Batteriestroms Ib auf der Grundlage der harmonischen Komponente sechster Ordnung, innerhalb eines Bereichs fällt, in der die Batterie 11 geschützt werden kann.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc, die vorstehend beschrieben worden ist, unter Verwendung von zumindest der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung und der Batteriestromverstärkung eingestellt werden, und kann die obere Grenzfrequenz fmax der Schaltfrequenz fc auf der Grundlage (a1) und (a2) eingestellt werden, die vorstehend beschrieben worden sind. Die obere Grenzfrequenz fmax kann auf eine Frequenz eingestellt werden, bei der der Schaltverlust der Umrichters 10 auf oder unterhalb eines vordefinierten oberen Grenzverlustes auf der Grundlage von (a1) und (a2), die vorstehend beschrieben worden sind, eingestellt werden.
  • Das Verfahren zum Einstellen der Schaltfrequenz fc unter Verwendung der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung wurde speziell beschrieben. Im Hinblick auf (a1) und (a2), die vorstehend beschrieben worden sind, und (b1) und (b2), die vorstehend beschriebene worden sind, ist jedoch leicht zu verstehen, dass die Einstellbedingungen für die Schaltfrequenz unter Verwendung der Frequenzcharakteristik des Batteriestroms (gleichstromseitige Stromverstärkung) anstelle der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung definiert werden können. Es ist ebenfalls leicht zu verstehen, dass die Einstellbedingungen der Schaltfrequenz fc auf der Grundlage von sowohl der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung als auch der Batteriestromverstärkung definiert werden können. Im Prinzip sind die Einstellbedingungen der Schaltfrequenz fc unter Verwendung der Frequenzcharakteristik der Batteriestromverstärkung äquivalent zu den Einstellbedingungen der Schaltfrequenz fc unter Verwendung der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung, so dass die Einstellbedingungen der Schaltfrequenz fc unter Verwendung der Frequenzcharakteristik der Batteriestromverstärkung nachstehend kurz beschrieben sind. Die Einstellbedingungen der Schaltfrequenz fc auf der Grundlage von sowohl der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung als auch der Batteriestromverstärkung können leicht verstanden werden, so dass Einzelheiten davon nicht beschrieben sind.
  • 11 zeigt in derselben Weise wie 7 ein Simulationsergebnis der Batteriestromverstärkung, wenn die Gleichspannungszwischenkreiskapazität Cd C [µF] ist, die Batterieinduktivität Lb L1 [µH] ist, und der Batteriewiderstand Rb g2 [Ω] ist. Wie es in 11 gezeigt ist, erscheint eine Resonanzspitze bei der Resonanzfrequenz frp.
  • In derselben Weise wie in dem Fall der Systemspannung Vdc tritt die Pulsierung des Batteriestroms Ib bei der Welligkeitsfrequenz "2fc" auf, die das doppelte der Schaltfrequenz fc des Umrichters 10 ist. Die Pulsierung des Batteriestroms Ib wird größer, wenn die Welligkeitsfrequenz "2fc" näher an die Resonanzfrequenz frp gelangt. In dem in 11 gezeigten Beispiel ist, falls die Schaltfrequenz fc des Schaltsteuerungssignals im Wesentlichen die Hälfte der Resonanzfrequenz frp ist, die Welligkeitsfrequenz "2fc" im Wesentlichen gleich zu der Resonanzfrequenz frp, so dass die Welligkeitsfrequenz 2fc gleich wie oder nahe an der Resonanzfrequenz frp ist, weshalb die Pulsierung sich erhöht. Aus diesem Grund wird die Schaltfrequenz fc, die als der Grund für die Welligkeitsfrequenz 2fc dient, vorzugsweise von der Resonanzfrequenz frp weg bewegt.
  • Wie es unter Bezugnahme auf 7 beschrieben worden ist, wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise zu einer höheren Frequenz hin justiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise auf eine Frequenz eingestellt, die höher als eine Frequenz ist, bei der die Batteriestromverstärkung maximal ist. Wie 11 hervorgeht, ist der Wert der Batteriestromverstärkung bei der Resonanzfrequenz frp maximal. Wenn die Schaltfrequenz fc auf eine Frequenz eingestellt wird, die höher als die Resonanzfrequenz frp ist, wird die Frequenz, die das doppelte der Schaltfrequenz fc ist, zu einer höheren Frequenz in Bezug auf die Resonanzfrequenz frp justiert. Insbesondere führt in diesem Fall die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc zu der Resonanzfrequenz frp.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc vorzugsweise auf eine Frequenz (f4) eingestellt werden, bei der der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung gleich wie die Verstärkung bei der Frequenz von "0" ist. Wie beispielsweise aus 11 hervorgeht, erreicht die Frequenz, die gleich wie oder höher als die Frequenz ist, bei der der Wert der Batteriestromverstärkung den Wert davon bei der Frequenz von Null erreicht, höher als die Resonanzfrequenz frp. Die Frequenz (2fc), die das Doppelte der Schaltfrequenz fc ist, ist immer noch eine höhere Frequenz, und ist daher immer noch weg von der Resonanzfrequenz frp. Insbesondere kann, wenn die Resonanzfrequenz frp niedriger wird, der Abstand zwischen der Resonanzfrequenz frp und der Frequenz (2fc), die das doppelte der Schaltfrequenz fc ist, weiter als in dem Fall erhöht werden, bei dem die Schaltfrequenz fc nahe an der Resonanzfrequenz frp eingestellt ist. Wie aus der Gleichung (4) hervorgeht, ist der Wert der Verstärkung bei der Frequenz von "0" "1".
  • 12 zeigt in derselben Weise wie 9 Simulationsergebnisse des Batteriestroms, die durch Variieren der Batterieinduktivität Lb erhalten werden, während der Batteriewiderstand Rb konstant gehalten wird. In derselben Weise wie in dem Fall von 9 sei angenommen, dass "L1 > L2 > L2 > L4" gilt. In allen diesem Fällen kann die Schaltfrequenz fc in geeigneter Weise auf der Hochfrequenzseite oberhalb des Resonanzpunkts eingestellt werden.
  • Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden als ein Beispiel die IGBTs 3 für die Schaltelemente verwendet, jedoch die ist Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls sehr geeignet für einen Fall, bei dem SiC-Vorrichtungen wie SiC-MOSFETs oder SiC-SITs als die Schaltelemente verwendet werden. Das heißt, die SiC-Vorrichtungen weisen Charakteristiken eines kleineren Schaltungsverlusts auf, die bei höheren Temperaturen stabiler betreibbar sind als die Si-Vorrichtungen. Aus diesem Grund werden, wenn die Schaltfrequenz durch Anwenden der Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung höher eingestellt wird, die vorstehend beschriebenen SiC-Vorrichtungen insbesondere vorzugsweise für die Schaltelemente verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung kann breite Anwendung bei Vorrichtungen zum Antrieb rotierender elektrischer Maschinen finden, die auf der Grundlage des vorstehend beschriebenen Konzepts ausgelegt sind. Die Fachleute können leicht verstehen, dass geeignete Modifikationen auf der Grundlage des vorstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiels innerhalb des Umfangs gemacht werden können, die nicht von der Aufgabe der vorliegenden Erfindung abweicht. Dementsprechend umfasst die vorliegende Erfindung selbstverständlich andere Ausführungsbeispiele, die innerhalb des Umfangs modifiziert sind, der nicht von der Aufgabe der vorliegenden Erfindung abweicht.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung kann auf eine Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine angewendet werden, die eine rotierende elektrische Wechselstrommaschine antreibt und steuert.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Umrichter
    11
    Batterie
    40
    Glättungskondensator
    100
    Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine
    Ib
    Batteriestrom (Strom der Gleichstromenergieversorgung)
    Idc
    Systemstrom
    MG
    rotierende elektrische Maschine
    Rb
    Batteriewiderstand
    Rps
    Energieversorgungs-Innenwiderstand
    Rw
    Verdrahtungswiderstand
    Vdc
    Systemspannung
    fc
    Schaltfrequenz

Claims (5)

  1. Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine, die eine rotierende elektrische Wechselstrommaschine antreibt und steuert, wobei die Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine aufweist: einen Umrichter, der elektrisch zwischen einer Gleichstromenergieversorgung und der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet ist und elektrische Leistung zwischen einem Gleichstrom und einem Wechselstrom umwandelt, einen Glättungskondensator, der elektrisch zwischen der Gleichstromenergieversorgung und dem Umrichter angeordnet ist, und zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol auf der Gleichstromseite des Umrichters angeschlossen ist, und eine Umrichtersteuerungseinheit, die ein Schalten eines Schaltelements des Umrichters entsprechend einer vordefinierten Schaltfrequenz steuert, wobei auf der Grundlage einer Frequenzcharakteristik einer gleichstromseitigen Spannungsverstärkung, die durch Dividieren einer Systemspannung, die eine Spannung auf der Gleichstromseite des Umrichters ist, durch einen Systemstrom erhalten wird, der ein Strom auf der Gleichstromseite des Umrichters ist, die Umrichtersteuerungseinheit die Schaltfrequenz auf eine Frequenz einstellt, die gleich wie oder höher als eine Frequenz ist, bei der ein Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung gleich einem Wert davon bei einer Frequenz von Null in der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung ist.
  2. Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine nach Anspruch 1, wobei der Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung bei der Frequenz von Null ein Wert eines Energieversorgungs-Innenwiderstands ist, der der Innenwiderstand der Gleichstromenergieversorgung ist, und die Schaltfrequenz auf der Grundlage der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung eingestellt wird, die unter Verwendung des Werts des Energieversorgungs-Innenwiderstands bei der minimalen Temperatur in einem vorbestimmten Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine erhalten wird.
  3. Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine nach Anspruch 2, wobei der Energieversorgungs-Innenwiderstand eine Summe eines Batteriewiderstands, der der Innenwiderstand der Batterie ist, die die Gleichstromenergieversorgung bildet, und eines Verdrahtungswiderstands ist, der der Widerstand der Verdrahtung ist, die die Batterie, den Glättungskondensator und den Umrichter verbindet.
  4. Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine, die eine rotierende elektrische Wechselstrommaschine antreibt und steuert, wobei die Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine aufweist: einen Umrichter, der elektrisch zwischen einer Gleichstromenergieversorgung und der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet ist und elektrische Leistung zwischen einem Gleichstrom und einem Wechselstrom umwandelt, einen Glättungskondensator, der elektrisch zwischen der Gleichstromenergieversorgung und dem Umrichter angeordnet ist, und zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol auf der Gleichstromseite des Umrichters angeschlossen ist, und eine Umrichtersteuerungseinheit, die ein Schalten eines Schaltelements des Umrichters entsprechend einer vordefinierten Schaltfrequenz steuert, wobei auf der Grundlage einer Frequenzcharakteristik einer gleichstromseitigen Stromverstärkung, die durch Dividieren eines Stroms der Gleichstromenergieversorgung durch einen Systemstrom erhalten wird, der ein Strom auf der Gleichstromseite des Umrichters ist, die Umrichtersteuerungseinheit die Schaltfrequenz auf eine Frequenz einstellt, die gleich wie oder höher als eine Frequenz ist, bei der ein Wert der gleichstromseitigen Stromverstärkung gleich einem Wert davon bei einer Frequenz von Null in der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Stromverstärkung ist.
  5. Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine, die eine rotierende elektrische Wechselstrommaschine antreibt und steuert, wobei die Vorrichtung zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine aufweist: einen Umrichter, der elektrisch zwischen einer Gleichstromenergieversorgung und der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet ist und elektrische Leistung zwischen einem Gleichstrom und einem Wechselstrom umwandelt, einen Glättungskondensator, der elektrisch zwischen der Gleichstromenergieversorgung und dem Umrichter angeordnet ist, und zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol auf der Gleichstromseite des Umrichters angeschlossen ist, und eine Umrichtersteuerungseinheit, die ein Schalten eines Schaltelements des Umrichters entsprechend einer vordefinierten Schaltfrequenz steuert, wobei auf der Grundlage einer Frequenzcharakteristik einer gleichstromseitigen Spannungsverstärkung, die durch Dividieren einer Systemspannung, die eine Spannung auf der Gleichstromseite des Umrichters ist, durch einen Systemstrom erhalten wird, und ebenfalls einer Frequenzcharakteristik einer gleichstromseitigen Stromverstärkung, die durch Dividieren eines Stroms der Gleichstromenergieversorgung durch den Systemstrom erhalten wird, die Umrichtersteuerungseinheit die Schaltfrequenz auf eine Frequenz einstellt, die gleich wie oder höher als eine Frequenz ist, bei der ein Wert der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung gleich einem Wert davon bei einer Frequenz von Null in der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Spannungsverstärkung ist, und die Umrichtersteuerungseinheit die Schaltfrequenz auf eine Frequenz einstellt, die gleich wie oder höher als eine Frequenz ist, bei der ein Wert der gleichstromseitigen Stromverstärkung gleich einem Wert davon bei einer Frequenz von Null in der Frequenzcharakteristik der gleichstromseitigen Stromverstärkung ist.
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