DE112016005027T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer elektrischen Rotationsmaschine eines Kraftfahrzeugs und zugehörige Maschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer elektrischen Rotationsmaschine eines Kraftfahrzeugs und zugehörige Maschine Download PDF

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Abstract

Die elektrische Rotationsmaschine ist vom Typ mit doppelter Spannung und mehreren Phasen (15) und umfasst einen Rotor (17), der mechanisch (9) mit einem Verbrennungsmotor (10) des Fahrzeugs verbunden ist, einen Stator aufweisend erste Phasenwicklungen im Stern, die mit einem ersten Wechselrichter verbunden sind, der an ein erstes Teilnetz (2) eines elektrischen Versorgungsnetzes (16) des Fahrzeugs mit einer ersten nominalen Gleichspannung angeschlossen ist, und zweite Phasenwicklungen (21), die mit einem zweiten reversiblen Wechselrichter (22) verbunden sind, der an ein zweites Teilnetz (5) des elektrischen Versorgungsnetzes mit einer zweiten nominalen Gleichspannung angeschlossen ist, die kleiner als die erste nominale Gleichspannung ist, und einen Übertragungsschaltkreis, der einen Neutralpunkt der besagten ersten Phasenwicklungen elektrisch an das zweite Teilnetz anschließt. Gemäß der Erfindung sieht das Verfahren in einem Betriebsmodus der Maschine beim Stopp des DC-DC Wandlers eine Ansteuerung des ersten Wechselrichters (20) mit einer Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit einer an das zweite Teilnetz (5) gelieferten Leistung gemäß einer vorbestimmten Steuerstrategie vor.

Description

  • Technische Gebiet der der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer elektrischen Kraftfahrzeugs-Rotationsmaschine sowie eine derartige Maschine umfassend diese Vorrichtung.
  • Technologischer Hintergrund der Erfindung
  • Kraftfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor weisen üblicherweise ein elektrisches Bordnetz auf, umfassend eine Batterie, üblicherweise 12V, die dazu vorgesehen ist, die verschiedenen Geräten, insbesondere einen Anlasser, der für das Sicherstellen des Startens des Verbrennungsmotors unverzichtbar ist, mit elektrischer Energie zu versorgen. Nach dem Starten stellt ein mit dem Verbrennungsmotor gekoppelter Stromgenerator das Aufladen der Batterie sicher.
  • Heutzutage ermöglicht die Entwicklung von Leistungselektronik die Versorgung und Ansteuerung einer einzigen umkehrbaren mehrphasige, elektrischen Rotationsmaschine, die vorteilhafterweise den Anlasser und den Stromgenerator ersetzt.
  • Zunächst war eine solche Maschine, die unter dem Namen Generator-Anlasser bekannt ist, vor allem dazu gedacht, Funktionen zu ersetzen, die früher dem Generator und dem Starter zugeordnet waren, und, zusätzlich, um Bremsenergie zurückzuspeisen oder eine zusätzliche Leistung und Drehmoment für den Verbrennungsmotor bereitzustellen.
  • Um die Leistung zu erhöhen und den Wirkungsgrad des Generator- Anlassers zu verbessern durch Erhöhung seiner Betriebsspannung unter Beibehaltung der Möglichkeit, andere Standardgeräte zu verwenden, die für eine Versorgung mit 12 V bis 14 V, insbesondere von Bleibatterien vorgesehen sind, ist eine Zweispannungs-Architektur entwickelt worden.
  • Diese Architektur besteht aus einem elektrischen Leistungsbordnetz, das den Generator-Anlasser mit einem elektrischen Energiespeicherelement, das bei einer Spannung von mehr als 14 V arbeite und bis zu 48 V erreichen kann, und einem elektrischen Servicebordnetz von 12 V verbindet, welches alle anderen Geräteverbindet. Die Anpassung der Spannungsniveaus zwischen den beiden Netzen erfolgt durch einen reversiblen DC/DC-Wandler, der im Allgemeinen eine Leistung zwischen 1,5 kW und 3 kW hat. In diesem Zusammenhang ist der Aufbau des reversiblen DC-DC-Wandlers gewählt, um den Wirkungsgrad (zum Beispiel 95 Prozent) zu vernünftigen Kosten zu maximieren, jedoch muss dieser Wandler in das Fahrzeug integriert sein (Gehäuse ca. 25 cm mal 20 cm auf 8 cm), auch gekühlt werden, und stellt einen zusätzlichen Kostenfaktor dar.
  • Um die Struktur des Fahrzeugs zu vereinfachen, ist es folglich bekannt, in einer Zweispannungs-Bordarchitektur eine elektrische Doppelspannungs-Rotationsmaschine zu verwenden, die besonders dazu geeignet ist, die DC-DC Wandlung Gleichstromumwandlung zu erreichen, um die 12 V Lasten zu versorgen.
  • Diese elektrische Maschine ist im Allgemeinen eine doppel-dreiphasige Maschine, in welche ein erster reversibler Wechselrichter, der an ein erstes Netz hoher Spannung (48 V) angeschlossen ist, und ein zweiter reversibler Wechselrichter, der an ein zweites Netz niederer Spannung (12 V) angeschlossen ist, eingebaut sind.
  • Eine Maschine dieses Typs ist insbesondere in der US-Patentanmeldung US2014/0375232 beschrieben.
  • Wenn die Maschine nicht dreht, wirken die Doppelphasenwicklungen eines Stators als ein Transformator, wie in einem herkömmlichen DC-DC-Wandler.
  • Jedoch haben die Phasenwicklungen dieses Maschinentyps eine sehr geringe Induktivität im Vergleich zu derjenigen, die man in einem geeigneten DC-DC-Wandler findet, und die Eisenverluste in dem Stator sind erheblich höher.
  • Dies hat zur Folge, dass der Wirkungsgrad der Umwandlung im Vergleich zu demjenigen eines geeigneten Wandlers ziemlich niedrig ist, was einen Nachteil darstellt, obwohl außerdem die Doppelspannungs-Architektur vereinfacht ist.
  • Allgemeine Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, diesen Nachteil mit einem bestimmten Steuerverfahren und einer bestimmten Steuervorrichtung zu überwinden.
  • Das in Rede stehende Steuerungsverfahren betrifft eine elektrische Kraftfahrzeugs-Rotationsmaschine des reversiblen Typs doppelter Spannung an mehrere Phasen umfassend:
    • - einen Rotor, der mechanisch mit einem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs verbindbar ist,
    • - einen Stator aufweisend erste Phasenwicklungen im Stern, die mit einem ersten reversiblen Wechselrichter verbunden sind, der über einen ersten Ausgangsanschluss an ein erstes Teilnetz eines elektrischen Versorgungsnetzes für die Geräte des Kraftfahrzeugs mit einer ersten nominalen, im Verhältnis zu einem Referenzpotential eines Masseanschlusses vorbestimmten Gleichspannung anschließbar ist, und zweite Phasenwicklungen, die mit einem zweiten reversiblen Wechselrichter verbunden sind, der über einen zweiten Ausgangsanschluss an ein zweites Teilnetz des elektrischen Versorgungsnetzes mit einer zweiten nominalen Gleichspannung anschließbar ist, die vorbestimmt ist, im Verhältnis zu dem Referenzpotential kleiner als die erste vorbestimmte nominale Gleichspannung zu sein,
    • - einen Übertragungsschaltkreis, der einen Neutralpunkt der ersten Phasenwicklungen elektrisch mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbindet.
  • In dem Verfahren der Erfindung, wird in einem Betriebsmodus der Maschine bei einem Stopp des DC-DC Wandlers der erste Wechselrichter mit einer Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit einer an das zweite Teilnetz gelieferten Leistung gemäß einer vorbestimmten Steuerstrategie angesteuert.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Steuerstrategie zumindest einen Wechsel eines aktuellen Steuermodus, der aus einer Gruppe vorbestimmter Steuermodi des ersten Wechselrichters beim Durchschreiten der Leistung durch einen aktuellen Leistungsgrenzwert genommen wird, der aus einem Satz vorbestimmter Leistungsgrenzwerte genommen wird.
  • Diese Gruppe umfasst erfindungsgemäß:
    • - einen ersten Steuermodus, in dem eine einzige der Phasen im diskontinuierlichen Modus angesteuert wird;
    • - einen zweiten Steuermodus, in dem eine einzige der Phasen im kontinuierlichen Modus angesteuert wird;
    • - einen dritten Steuermodus, in dem zwei der Phasen in Phase angesteuert werden;
    • - einen vierten Steuermodus, in dem zwei der Phasen mit einer ersten vorbestimmten Phasenverschiebung angesteuert werden;
    • - einen fünften Steuermodus, in dem drei der Phasen in Phase angesteuert werden;
    • - einen sechsten Steuermodus, in dem drei der Phasen mit einer zweiten vorbestimmten Phasenverschiebung angesteuert werden.
  • In dem ersten Steuermodus wird eine aktive Wicklung der ersten Phasenwicklungen von dem besagten Masseanschluss getrennt, oder es wird ein Schalter des Übertragungsschaltkreises geöffnet, wenn diese aktive Wicklung nicht versorgt wird.
  • Außerdem erfindungsgemäß umfasst der Satz vorbestimmter Leistungsgrenzwerte einen unteren Grenzwert, einen mittleren Grenzwert, einen oberen Grenzwert. Jeder dieser genannten Leistungsgrenzwerte weist einen vorbestimmten Hysteresebereich auf.
  • In der Steuerstrategie gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens ist die besagte Maschine eine doppel-dreiphasige Maschine, der aktuelle Steuermodus ist der fünfte Steuermodus unterhalb des mittleren Grenzwerts und der sechste Steuermodus oberhalb dieses mittleren Grenzwerts.
  • In der Steuerstrategie gemäß einer anderen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens ist die besagte Maschine ebenfalls eine doppel-dreiphasige Maschine, der aktuelle Steuermodus ist der besagte erste Steuermodus unterhalb des unteren Grenzwerts, der zweite Steuermodus oberhalb des unteren Grenzwerts und unterhalb des mittleren Grenzwerts, der dritte Steuermodus oder der vierte Steuermodus oberhalb des mittleren Grenzwerts und unterhalb des oberen Grenzwerts, und der fünfte Steuermodus oder der sechste Steuermodus oberhalb des oberen Grenzwerts.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Steuervorrichtung einer elektrischen Kraftfahrzeugs-Rotationsmaschine, die in der Lage ist, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
  • Diese Maschine ist des reversiblen Typs doppelter Spannung an mehreren Phasen umfassend:
    • - einen Rotor, der mechanisch mit einem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs verbindbar ist,
    • - einen Stator aufweisend erste Phasenwicklungen im Stern, die mit einem ersten reversiblen Wechselrichter verbunden sind, der über einen ersten Ausgangsanschluss an ein erstes Teilnetz eines elektrischen Versorgungsnetzes für die Geräte dieses Kraftfahrzeugs mit einer ersten nominalen, im Verhältnis zu einem Referenzpotential eines Masseanschlusses vorbestimmten Gleichspannung anschließbar ist, und zweite Phasenwicklungen, die mit einem zweiten reversiblen Wechselrichter verbunden sind, der über einen zweiten Ausgangsanschluss an ein zweites Teilnetz des elektrischen Versorgungsnetzes mit einer zweiten nominalen Gleichspannung anschließbar ist, die vorbestimmt ist, im Verhältnis zu dem besagten Referenzpotential kleiner als die besagte erste vorbestimmte nominale Gleichspannung zu sein,
    • - einen Übertragungsschaltkreis, der einen Neutralpunkt der besagten ersten Phasenwicklungen elektrisch an den zweiten Ausgangsanschluss anschließt.
  • Erfindungsgemäß umfasst diese Steuervorrichtung:
    • - Mittel zum Speichern einer Gruppe von Modi zur Steuerung des ersten Wechselrichters in Pulsweitenmodulation in einem Betriebsmodus der Maschine bei einem Stopp des DC-DC Wandlers und eines Satzes an Leistungsgrenzwerten;
    • - Mittel zur Bestimmung einer an das zweite Teilnetz gelieferten Leistung;
    • - Mittel zum Vergleichen der bereitgestellten Leistung bezüglich der genannten Leistungsgrenzwerte;
    • - Mittel zum Auswählen eines aktuellen Steuermodus aus der Gruppe von Steuermodi in Abhängigkeit eines von den Vergleichsmitteln gelieferten Ergebnisses
    • - Mittel zum Steuern des ersten Wechselrichters durch den aktuellen Steuermodus.
  • Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Steuervorrichtung des Weiteren Mittel zum Steuern eines Schalters des Übertragungsschaltkreises durch den aktuellen Steuermodus.
  • Die Erfindung betrifft auch eine reversible elektrische Rotationsmaschine eines Kraftfahrzeugs doppelter Spannung an mehreren Phasen, die eine Steuervorrichtung umfasst, wie sie oben beschrieben ist.
  • Diese wenigen notwendigen Merkmale machten dem Fachmann die Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung zur Steuerung einer elektrischen Kraftfahrzeugs-Rotationsmaschine gemäß der Erfindung, sowie einer diese Steuervorrichtung umfassenden Maschine gegenüber dem Stand der Technik offensichtlich.
  • Die detaillierten Merkmale der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den sich anschließenden Zeichnungen geben. Es ist anzumerken, dass diese Zeichnungen keinem anderen Zweck dienen, als den Text der Beschreibung zu veranschaulichen, und in keiner Weise eine Beschränkung des Umfangs der Erfindung darstellen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen.
  • Die 1 ist eine Prinzipdarstellung eines elektrischen Geräteversorgungsnetzes eines Kraftfahrzeugs mit doppeltem Teilnetz, das aus dem Stand der Technik bekannt ist und einen zugeordneten DC-DC-Wandler einsetzt.
  • Die 2 ist eine Prinzipdarstellung eines anderen elektrischen Geräteversorgungsnetzes eines Kraftfahrzeugs mit doppeltem Teilnetz, das aus dem Stand der Technik bekannt ist und eine elektrische mehrphasige Rotationsmaschine doppelter Spannung des Typs einsetzt, den die Erfindung betrifft.
  • Die 3 ist eine detaillierte Prinzipdarstellung einer elektrischen reversiblen doppel-dreiphasigen Rotationsmaschine doppelter Spannung umfassend eine erfindungsgemäße eine Steuervorrichtung.
  • Die 4, 5a und 5b sind Zeitdiagramme, die Modi zur Steuerung eines Wechselrichters am Eingang der in 3 gezeigten Maschine mittels einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung veranschaulichen, jeweils mit der Steuerung einer einzelnen Phase, der Steuerung von zwei Phasen in Phase, und von zwei Phasen phasenverschoben.
  • Die 4, 5a und 5b sind Zeitdiagramme, die herkömmliche Modi zur Steuerung eines Wechselrichters am Eingang der in 3 gezeigten Maschine mittels einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung veranschaulichen, jeweils mit der Steuerung von drei Phasen in Phase, und von drei Phasen phasenverschoben, in einem Betriebsmodus bei einem Stopp des DC-DC Wandlers.
  • Die 7a und 7b zeigen einen Wirkungsgrad der Umwandlung in Abhängigkeit der Ausgangsleistung entsprechend für die in den 6a und 6b gezeigten herkömmlichen Steuermodi, und für die in den 4, 5a und 5b gezeigten Steuermodi.
  • Die 8a und 8b zeigen entsprechend eine Steuerstrategie auf Basis der in den 6a, 6b gezeigten herkömmlichen Steuermodi, und eine andere Steuerstrategie auf Basis der in den 4, 5a und 5b gezeigten Steuermodi.
  • Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung
  • Das aus dem Stand der Technik bekannte, in der 1 gezeigte elektrische Netz 1 zur Versorgung der Geräte eines Kraftfahrzeugs umfasst:
    • - ein erstes elektrisches Teilnetz 2, das bei einer ersten nominalen Gleichspannung V1 von 48 V arbeitet und mit einem elektrischen Energiespeicher 3 verbunden ist, der erste Lasten 4 mit dieser ersten Spannung V1 versorgt;
    • - ein zweites elektrisches Teilnetz 5, das bei einer zweiten nominalen Gleichspannung V2 von 12 V arbeitet und mit einer Säure-Blei Batterie 6 verbunden ist, die zweite elektrische Lasten 7.
  • Eine elektrische reversible mehrphasige Rotationsmaschine 8 ist mechanisch 9 mit einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs 10 gekoppelt, um dem ersten Teilnetz 2 elektrische Energie 11 zu liefern.
  • Ein reversibler DC-DC Wandler 12 ist zwischen das erste und zweiten Teilnetz 2, 5 geschaltet, um den herkömmlichen zweiten elektrischen Lasten 7 elektrische Energie 13 bei 12V zu liefern und in allgemeiner Art und Weise die Übertragung von Energie 14 zwischen den beiden Teilnetzen 2, 5 sicherzustellen. Wie in der Einleitung angegeben, ist es zur Vereinfachung der Architektur des Fahrzeugs bekannt, die zwei Teilnetze 2, 5 von einer elektrischen reversiblen, mehrphasigen Rotationsmaschine 15 doppelter Spannung bei einer Konfiguration eines anderen Netzes 16 zu versorgen, das in 2 gezeigt ist.
  • Ein Aufbau einer doppel-dreiphasigen Maschine 15 doppelter Spannung, wie sie Gegenstand der Erfindung ist, ist im Detail in 3 gezeigt.
  • Diese Maschine 15 umfasst in an sich bekannter Weise:
    • - einen Rotor 17, der mechanisch mit dem Verbrennungsmotor 10 des Fahrzeugs koppelbar ist und eine Induktionsspule 18 aufweist;
    • - einen Stator umfassend erste Phasenwicklungen 19 im Stern (zwei Windungen pro Pol), die mit einem ersten reversiblen Wechselrichter 20 verbunden sind, und zweite Phasenwicklungen 21, die hier im Stern verschaltet sind (eine halbe Windung pro Pol) und mit einem zweiten reversiblen Wechselrichter 22 verbunden sind.
  • Der erste und zweite umkehrbare Wechselrichter 20, 22 sind aus dreiphasigen Brücken gebildet, deren Zweige steuerbare Leistungshalbleiterschalter umfassen, die die ersten und zweiten Phasenwicklungen 19, 21 einerseits mit entsprechenden ersten und zweiten Ausgangsanschlüssen 23, 24, die dazu eingerichtet sind, mit dem ersten und zweiten Teilnetz 2, 5 verbunden zu werden (obere Halbleiterschalter HS1, HS2, HS3, HS4, HS5, HS6 seitens der sogenannten „High-Side“), und andererseits mit einem Masseanschluss 25 zu verbinden (untere Halbleiterschalter LS1, LS2, LS3, LS4, LS5, LS6, seitens der sogenannte „Low-Side“).
  • In dieser Architektur 16 ist eine Steuerung der Maschine 15 angeordnet, die dazu eingerichtet ist (Drehmomentmanagement durch Pulsweitenmodulation PWM1, PWM2 der Wechselrichter 20, 22), alle Funktionen einer hybriden elektrischen Maschine (Anlasserbetrieb, Motorbetrieb, Generatorbetrieb) basierend auf der Energie auszuführen, die dem, oder von dem ersten und zweiten Teilnetz 2, 5 geliefert wird (48V oder 12V).
  • Eine Funktion, die zu derjenigen des DC-DC-Wandlers 12 (Liefern von Energie 13 an die 12V Lasten) des herkömmlichen Netzes 1 mit einem zusätzlichen DC-DC-Wandler 12 äquivalent ist, wird realisiert, wenn sich die Maschine 15 im Generatorbetrieb befindet und dreht.
  • Um diese Funktion des DC-DC-Wandlers auch dann sicherzustellen, wenn die elektrische Maschine 15 nicht dreht (Verbrennungsmotor angehalten), ist eine einen Schalter 27 (bidirektional, wie dies Figur 3 für eine Realisierung mit Halbleiterschaltern zeigt) umfassende Übertragungsschaltung 26 zwischen einem Neutralpunkt 28 der ersten Phasenwicklungen 19 und dem zweiten Ausgangsanschluss 24 in Richtung des zweiten Teilnetzes 5 (12V) angeordnet.
  • Wenn die Maschine 15 angehalten ist, wird dieser Schalter 27 geschlossen und die ersten Phasenwicklungen 19, die mit 48V versorgt werden, werden als Induktoren eines DC-DC-Wandlers (äquivalent zur Primärseite eines Transformators mit einem 1/4 Verhältnis) in der Weise verwendet, dass der Energieaustausch von einem Netz zum anderen 2, 5 wie bei einem herkömmlichen DC-DC-Wandler 12 möglich ist.
  • Die Leistungsschalter des ersten Wechselrichters 20, die mit dem ersten Teilnetz (48V) verbunden sind, werden mit Pulsweitenmodulation PWM1 mit einer Frequenz von beispielsweise 10 bis 20 kHz angesteuert, um den Phasenstrom IU, IV, IW in jeder u, v, w der ersten Phasenwicklungen 19 zu regeln, und durch die Kondensatoren 29, 30, die bereits in der Maschine 15 vorhanden sind, um sie im Motor- oder Generatorbetrieb zu betreiben, ist eine Filterung gewährleistet.
  • Wie also bereits in der Einleitung erwähnt, haben die ersten Phasenwicklungen 19 der Maschine 15 eine sehr geringe Induktivität im Vergleich zu derjenigen, die man in einem zugeordneten DC-DC-Wandler 12 gefunden werden kann. Infolgedessen sind die Eisenverluste in einem Statorgehäuse viel höher.
  • Das erfinderische Wesen hat bemerkt, dass in einem Betriebsmodus der Maschine 15 beim Stopp im DC-DC-Wandler mehrere Möglichkeiten zur Steuerung des ersten Wechselrichters in Pulsweitenmodulation PWM1 zur Versorgung einer oder mehrerer Phasen u, v, w mit Phasenspannungen gibt, phasenverschoben oder nicht, um die Eisenverluste allesamt zu reduzieren, während ein Effektivstrom in die Kondensatoren 29 am Eingang des ersten Wechselrichters 20 begrenzt wird.
  • In dem ersten und zweiten Steuermodus A, A', die in dem Zeitdiagramm von 4 gezeigt sind, wird eine einzige Phase u mit einer Phasenspannung U (durchgezogene Linie 30) versorgt. Da nur eine einzige Phase versorgt wird, sind die Eisenverluste aufgrund des Phasenstroms IU (gepunktete Linie 31) gering.
  • Diese Eisenverluste sind noch geringer, als im ersten Steuermodus A für eine sehr geringe Ausgangsleistung P (Leistung P wird dem zweiten Teilnetz 5 durch einen Ausgangsstrom 12 mit der zweiten nominalen Gleichspannung V2 geliefert) von weniger als 200 oder 300 W betrachtet, wobei eine aktive Phasenwicklung u von dem Masseanschluß 25 getrennt wird, wenn sie nicht versorgt wird. Alternativ dazu wird in einer Variante der Schalter 27 des Übertragungsschaltkreises geöffnet.
  • Im dritten und vierten Steuermodus B, B' des Wechselrichters 20, die in den 5a und 5b dargestellt sind, werden zwei Phasen u, v mit den Phasenspannungen U, V versorgt (durchgezogene Linien 32).
  • Die Phasenströme IU, IV (gepunktete Linien 33) können in dem dritten Steuermodus B (5a) signifikant sein, in welchem die Phasenspannungen U, V in Phase sind, wobei zur Begrenzung des Effektivstroms in den Kondensatoren am Eingang 29 des ersten Wechselrichters 20 bevorzugt ein vierter Steuermodus B' von zwei Phasen u, v verwendet wird, der in 5b veranschaulicht ist, in welchem die beiden Phasenspannungen U, V um 180 Grad elektrisch phasenverschoben sind, d.h. um eine halbe Periode 1/2F zeitlich versetzt sind (F ist eine Frequenz der Pulsweitenmodulation PWM1).
  • Der fünfte und der sechste Steuermodus C, C', die durch die in den 6a und 6b gezeigten Zeitdiagramme dargestellt sind, verwenden die drei Phasen u, v, w, wie es herkömmlicherweise in den im Stand der Technik bekannten Maschinen ausgeführt wird.
  • Die Phasenströme IU, IV, IW (gepunktete Linien 34) können signifikant sein, wenn die drei Phasenspannungen U, V, W (durchgezogene Linien 35) in der fünften Regelungsart C in Phase sind (6a), wobei der sechste Steuermodus C ( 6b), bei dem die drei Phasenspannungen U, V, W um 120 Grad elektrisch verschoben sind, d.h. um ein Drittel der Periode 1/3F versetzt sind, bevorzugt ist.
  • Es wurden Untersuchungen über die Erfindung an einer doppel-dreiphasigen Maschine 15, betrieben während des Stopps des CC-CC-Tiefsetzstellers zwischen 48,5V und 13,7V (typische Anwendung in einem Fahrzeug) mit einer Pulsweitenmodulation PWM1 einer Frequenz F von 16 kHz in einem Leistungsbereich P von 0 bis 3000 W.
  • Die 7a und 7b zeigen, dass ein Umwandlungswirkungsgrad r der Maschine 15 in Abhängigkeit von der zugeführten Leistung P und gemäß dem ersten, zweiten, vierten, fünften und sechsten zuvor beschriebenen Steuermodus A, A ', B', C, C' variiert.
  • Für den fünften und sechsten Steuermodus C, C' zeigt sich ein Wirkungsgradunterschied Δr von sechs Punkten zugunsten des fünften Steuermodus C (Linie mit abwechselnden Doppelpunkten und Strichen) gegenüber dem sechsten Steuermodus C' (Linie mit abwechselnden Punkten und Strichen) für eine niedrige Leistung P um etwa 500 W (77 Prozent anstelle 67 Prozent), wie in 7a gut gezeigt.
  • Die Figur 7 zeigt ebenfalls gut, dass
    • - der erste Steuermodus A (gepunktete Linie) einem beachtlich größeren Wirkungsgrad r entspricht, als alle anderen Steuermodi A', B', C' bis zu einer Leistung von 250W;
    • - der zweite Steuermodus A' (durchgezogene Linie) einem beachtlich größeren Wirkungsgrad r entspricht, als die Steuermodi A, B' und C' von 250W bis 800W;
    • - der vierte Steuermodus B' (gestrichelte Linie) einem beachtlich größeren Wirkungsgrad r entspricht, als der Steuermodus C' von 800W bis 1500W;
    • - der sechste Steuermodus C' (abwechselnd punktiert und gestrichelte Linie) einem beachtlichen Wirkungsgrad r jenseits einer Leistung P von 1500W entspricht;
  • Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse wird bei dem Verfahren zur Steuerung der erfindungsgemäßen elektrischen Kraftfahrzeugs- 15 Rotationsmaschine der erste Wechselrichter 20 in Pulsweitenmodulation PWM1 in Abhängigkeit einer dem zweiten Teilnetz 5 gelieferten Leistung P gemäß einer vorbestimmten Steuerstrategie gesteuert.
  • In einer Steuerstrategie, die in 8a dargestellt ist, wird der erste Wechselrichter 5 durch den fünften Steuermodus C bis zu einem Leistungsgrenzwert S von ungefähr 950W, und oberhalb durch den sechsten Steuermodus C' angesteuert.
  • Ein Hysteresebereich 36 in der Größenordnung von 200 oder 300W ist um PL, PH des Leistungsgrenzwerts S herum implementiert, um jegliche unpassende Oszillation zwischen den zwei Steuermodi C, C' zu vermeiden.
  • In einer anderen Steuerstrategie, die in 8b dargestellt ist, wird der erste Wechselrichter 5 auf eine feinere Weise gesteuert:
    • - durch den ersten Steuermodus A unterhalb einem unteren Grenzwert S1 von ungefähr 250W;
    • - durch den zweiten Steuermodus A' oberhalb dieses unteren Grenzwerts S1 und unterhalb eines mittleren Grenzwerts S2 von etwa 950W;
    • - durch den dritten Steuermodus B oder den vierten Steuermodus B' oberhalb dieses mittleren Grenzwerts S2 und unterhalb eines hohen Grenzwerts S3 von ungefähr 1500 W;
    • - den fünften Steuermodus C oder den sechsten Steuermodus C' oberhalb dieses hohen Grenzwerts.
  • Die Hysteresebereiche 36 sind auch um den unteren Grenzwertwert S1 (Hysteresebereich P1L, P1H), den mittleren S1 (Hysteresebereich P2L, P2H) und den hohen (Hysteresebereich P3L, P3H) implementiert.
  • Das erfindungsgemäße Steuerverfahren ist in der elektrischen Kraftfahrzeugs-Rotationsmaschine 15 durch eine Steuereinrichtung 37 implementiert, die, wie in 3 gezeigt,
    • - Mittel 38 für die Speicherung einer Gruppe von Modi A, A', B, B', C, C' zum Steuern des ersten Wechselrichters 20 durch Pulsweitenmodulation PWM1 in einem Betriebsmodus der Maschine bei einem Stopp im DC-DC-Wandler, und einem Satz von Leistungsgrenzwerten S, S1, S2, S3;
    • - Mittel 39 zur Bestimmung einer an das zweite Teilnetz 5 gelieferten Leistung ausgehend von Sensoren 40, 41, der zweiten nominalen Gleichspannung V2 und des Ausgangsstroms 12;
    • - Mittel 42 zum Vergleichen der Leistung P mit den Leistungsgrenzwerten S, S1, S2, S3;
    • - Mittel 43 zum Auswählen eines aktuellen Steuermodus aus der Gruppe von Steuermodi A, A', B, B', C, C' in Abhängigkeit eines von den Vergleichsmitteln 42 gelieferten Ergebnisses;
    • - Mittel 44 zum Steuern des ersten Wechselrichters 20 durch den besagten aktuellen Steuermodus PWM1.
  • Zur Durchführung der Variante des ersten Steuermodus A des Verfahrens umfasst die erfindungsgemäße Steuervorrichtung 37 ferner Mittel 45 zum Steuern des Schalters des Übertragungsschaltkreises 26 durch den aktuellen Steuermodus PWM1.
  • Die Steuervorrichtung 37 ist vorzugsweise in Form eines Mikroprozessors oder eines Mikrocontrollers ausgeführt, wobei eine Firmware die repräsentativen Instruktionen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst; es kann eine Modifikation der Firmware einer elektronischen Steuereinheit einer vorbekannten elektrischen Kraftfahrzeugs-Rotationsmaschine des Typs, den die Erfindung betrifft, vorgenommen werden.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung nicht allein auf die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränkt ist.
  • Die angegebenen numerischen Werte sind nur Beispiele, die dazu bestimmt sind, den erbrachten Vorteil zu zeigen, im Hinblick auf eine Begrenzung der Eisenverluste und eine Verbesserung des Wirkungsgrades r, durch die Durchführung verschiedener Modi A, A', B, B', C, C' zur Steuerung des Eingangswechselrichters 20 einer elektrischen reversiblen doppeldreiphasigen Rotationsmaschine 15 doppelter Spannung bei dem Stopp im DC-DC-Wandler.
  • Eine ähnliche Beschreibung könnte auf Maschinen 15 des gleichen Typs angewendet werden, die eine größere Anzahl von Phasen besitzen, und die elektrische Netze 16 von Kraftfahrzeugen mit doppelten Teilnetzen 2, 5 bei nominalen Gleichspannungen V1, V2 versorgen, die sich von den genannten unterscheiden.
  • Die Erfindung umfasst daher alle möglichen Ausführungsvarianten im Rahmen des Gegenstands der nachfolgenden Ansprüche.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2014/0375232 [0009]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Kraftfahrzeugs-Rotationsmaschine des reversiblen Typs doppelter Spannung an mehreren Phasen (15) umfassend einen Rotor (17), der mechanisch mit einem Verbrennungsmotor (10) des besagten Kraftfahrzeugs verbindbar ist, einen Stator (19, 21) aufweisend erste Phasenwicklungen (19) im Stern, die mit einem ersten reversiblen Wechselrichter (20) verbunden sind, der über einen ersten Ausgangsanschluss (23) an ein erstes Teilnetz (2) eines elektrischen Versorgungsnetzes (16) für die Geräte (3) des besagten Kraftfahrzeugs mit einer ersten nominalen, im Verhältnis zu einem Referenzpotential eines Masseanschlusses (25) vorbestimmten Gleichspannung (V1) anschließbar ist, und zweite Phasenwicklungen (21), die mit einem zweiten reversiblen Wechselrichter (22) verbunden sind, der über einen zweiten Ausgangsanschluss (24) an ein zweites Teilnetz (5) des besagten elektrischen Versorgungsnetzes mit einer zweiten nominalen Gleichspannung (V2) anschließbar ist, die vorbestimmt ist, im Verhältnis zu dem besagten Referenzpotential kleiner als die besagte erste vorbestimmte nominale Gleichspannung (V1) zu sein, einen Übertragungsschaltkreis (26) der einen Neutralpunkt (28) der besagten ersten Phasenwicklungen (19) elektrisch an den besagten zweiten Ausgangsanschluss (24) anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebsmodus der besagten Maschine (15) bei einem Stopp des DC-DC Wandler der genannte erste Wechselrichter (20) mit einer Pulsweitenmodulation (PWM1) in Abhängigkeit einer an das besagte zweite Teilnetz (5) gelieferten Leistung gemäß einer vorbestimmten Steuerstrategie angesteuert wird.
  2. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Kraftfahrzeugs- (15) Rotationsmaschine gemäß dem vorhergehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Steuerstrategie zumindest einen Wechsel eines aktuellen Steuermodus umfasst, der aus einer Gruppe vorbestimmter Steuermodi (A, A', B, B', C, C') des besagten ersten Wechselrichters (20) bei Durchschreiten der genannten Leistung (P) durch einen aktuellen Leistungsgrenzwert genommen wird, der aus einem Satz vorbestimmter Leistungsgrenzwerte (S; S1, S2, S3) genommen wird.
  3. Steuerverfahren einer elektrischen Kraftfahrzeugs- (15) Rotationsmaschine gemäß dem vorhergehenden Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Gruppe (A, A', B, B', C, C') umfasst: - einen ersten Steuermodus (A), in dem eine einzige der besagten Phasen (u, v, w) im diskontinuierlichen Modus angesteuert wird; - einen zweiten Steuermodus (A'), in dem eine einzige (u) der besagten Phasen (u, v, w) im kontinuierlichen Modus angesteuert wird; - einen dritten Steuermodus (B), in dem zwei (u, v) der besagten Phasen (u, v, w) in Phase angesteuert werden; - einen vierten Steuermodus (B'), in dem zwei (u, v) der genannten Phasen (u, v, w) mit einer ersten vorbestimmten Phasenverschiebung angesteuert werden; - einen fünften Steuermodus (C), in dem drei (u, v, w) der genannten Phasen (u, v, w) in Phase angesteuert werden; - einen sechsten Steuermodus (C'), in dem drei (u, v, w) der genannten Phasen (u, v, w) mit einer zweiten vorbestimmten Phasenverschiebung angesteuert werden.
  4. Steuerverfahren einer elektrischen Kraftfahrzeugs- (15) Rotationsmaschine gemäß dem vorhergehenden Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Steuermodus (A) eine aktive Wicklung (u) der besagten ersten Phasenwicklungen (19) von dem besagten Masseanschluss (15) getrennt wird, oder ein Schalter (27) des besagten Übertragungsschaltkreises (26) geöffnet wird, wenn die genannte aktive Wicklung (u) nicht versorgt wird.
  5. Steuerverfahren einer elektrischen Kraftfahrzeugs- (15) Rotationsmaschine gemäß dem vorhergehenden Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Satz (S, S1, S2, S3) einen unteren Grenzwert (S1), einen mittleren Grenzwert (S2), einen oberen Grenzwert (S3) umfasst.
  6. Steuerverfahren einer elektrischen Kraftfahrzeugs- (35) Rotationsmaschine gemäß dem vorhergehenden Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der genannten Leistungsgrenzwerte (S, S1, S2, S3) einen vorbestimmten Hysteresebereich (36) aufweist.
  7. Steuerverfahren einer elektrischen Kraftfahrzeugs- (15) Rotationsmaschine gemäß dem vorhergehenden Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der besagten Steuerstrategie die besagte Maschine (15) eine doppel-dreiphasige Maschine ist, der besagte aktuelle Steuermodus der besagte fünfte Steuermodus (C) unterhalb des besagten mittleren Grenzwerts (S2) und der besagte sechste Steuermodus (C') oberhalb des besagten mittleren Grenzwerts (S2) ist.
  8. Steuerverfahren einer elektrischen Kraftfahrzeugs (15)-Rotationsmaschine gemäß dem vorhergehenden Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der besagten Steuerstrategie die besagte Maschine (15) eine doppel-dreiphasige Maschine ist, der besagte aktuelle Steuermodus der besagte erste Steuermodus (A) unterhalb des besagten unteren Grenzwerts (S1), der besagte zweite Steuermodus (A') oberhalb des besagten unteren Grenzwerts (S1) und unterhalb des besagten mittleren Grenzwerts (S2), der besagte dritte Steuermodus (B) oder der besagte vierte Steuermodus (B') oberhalb des besagten mittleren Grenzwerts (S2) und unterhalb des besagten oberen Grenzwerts (S3), und der besagte fünfte Steuermodus (C) oder der besagte sechste Steuermodus (C') oberhalb des besagten oberen Grenzwerts (S3) ist.
  9. Steuerverfahren einer elektrischen Kraftfahrzeugs- (15) Rotationsmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass - die genannte erste und zweite Phasenverschiebung entsprechend 180 und 120 elektrische Grad entspricht; - der besagte untere Grenzwert (S1), mittlere Grenzwert (S2) und obere Grenzwert (S3) entsprechend etwa 250W, 950W und 1500W entsprechen; - der besagte Hysteresebereich (26) in der Größenordnung von 100W oder 200W ist.
  10. Steuervorrichtung (37) einer elektrischen Kraftfahrzeugs- (15) Rotationsmaschine, die in der Lage ist, das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, wobei die besagte Maschine (15) des reversiblen Typs doppelter Spannung an mehreren Phasen einen Rotor (17), der mechanisch mit einem Verbrennungsmotor (10) des besagten Kraftfahrzeugs verbindbar ist, einen Stator (19, 21) aufweisend erste Phasenwicklungen (19) im Stern, die mit einem ersten reversiblen Wechselrichter (20) verbunden sind, der über einen ersten Ausgangsanschluss (23) an ein erstes Teilnetz (2) eines elektrischen Versorgungsnetzes (16) für die Geräte (3) des besagten Kraftfahrzeugs mit einer ersten nominalen, im Verhältnis zu einem Referenzpotential eines Masseanschlusses (25) vorbestimmten Gleichspannung (V1) anschließbar ist, und zweite Phasenwicklungen (21), die mit einem zweiten reversiblen Wechselrichter (22) verbunden sind, der über einen zweiten Ausgangsanschluss (24) an ein zweites Teilnetz (5) des besagten elektrischen Versorgungsnetzes mit einer zweiten nominalen Gleichspannung (V2) anschließbar ist, die vorbestimmt ist, im Verhältnis zu dem besagten Referenzpotential kleiner als die besagte erste vorbestimmte nominale Gleichspannung (V1) zu sein, einen Übertragungsschaltkreis (26), der einen Neutralpunkt (28) der besagten ersten Phasenwicklungen (19) elektrisch an den besagten zweiten Ausgangsanschluss (24) anschließt, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst - Mittel (38) zum Speichern einer Gruppe von Modi (A, A', B, B', C, C') zur Steuerung des besagten ersten Wechselrichters in Pulsweitenmodulation in einem Betriebsmodus der besagten Maschine (15) bei einem Stopp des DC-DC Wandlers und eines Satzes an Leistungsgrenzwerten (S; S1, S2, S3); - Mittel (39, 40, 21) zur Bestimmung einer an das besagte zweite Teilnetz (5) gelieferten Leistung (P); - Mittel (42) zum Vergleichen der besagten Leistung (P) mit den genannten Leistungsgrenzwerten (S; S1, S2, S3); - Mittel (43) zum Auswählen eines aktuellen Steuermodus aus der Gruppe von Steuermodi (A, A', B, B', C, C') in Abhängigkeit eines von den Vergleichsmitteln (42) gelieferten Ergebnisses; - Mittel (44) zum Steuern des besagten ersten Wechselrichters (20) durch den besagten aktuellen Steuermodus.
  11. Steuervorrichtung einer elektrischen Kraftfahrzeugs- (15) Rotationsmaschine gemäß dem vorhergehenden Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem Mittel (45) zum Steuern eines Schalters (27) des besagten Übertragungsschaltkreises (26) durch den besagten aktuellen Steuermodus umfasst.
  12. Reversible Elektrische Rotationsmaschine eines Kraftfahrzeugs (15) doppelter Spannung an mehreren Phasen, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuervorrichtung (37) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11 umfasst.
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