DE112020006566T5

DE112020006566T5 - Stromrichtereinrichtung

Info

Publication number: DE112020006566T5
Application number: DE112020006566.9T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Murakami; Yoshihiro Takeshima; Yoshiaki Ishiguro; Akira Nakagawa; Ryota KONDO
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2022-12-08
Also published as: US11682996B2; JP7158608B2; WO2021149132A1; CN115004532A; US20220407446A1; JPWO2021149132A1

Abstract

Ein Wechselrichter (3) ist zum Antreiben eines Motors (5) ausgebildet. Ein erster Kondensator (2c), sowie ein zweiter Kondensator inklusive in Reihe geschalteten Kondensatoren (2a, 2b), sind parallel zu einer DC-Energieversorgung (1) geschaltet. Ein Schaltkreis (4), der Schaltelemente (4a bis 4f) aufweist, ist zwischen den Wechselrichter (3) und den zweiten Kondensator (2a, 2b) geschaltet. Eine Steuerungsschaltung (6) ist zum Steuern des Wechselrichters (3) und des Schaltkreises (4) ausgebildet. Die Steuerungsschaltung (6) führt eine Steuerung zum Umschalten des Schaltkreises (4) auf der Basis von Drehmoment- und Drehzahl-Befehlen für den Motor (5) durch, so dass Strom vom zweiten Kondensator (4a, 4b) zum Wechselrichter (3) während des Dreipegelbetriebs zugeführt wird und Strom sowohl vom ersten Kondensator (2c), als auch vom zweiten Kondensator (2a, 2b) zum Wechselrichter (3) während des Zweipegelbetriebs zugeführt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichtereinrichtung.
Stand der Technik
Einige herkömmliche Stromrichtereinrichtungen haben eine Schaltungskonfiguration, wie beispielsweise in dem Patentdokument 1 offenbart. Bei dieser herkömmlichen Technologie kann der Betrieb eines Wechselrichters durchgeführt werden, während zwischen einem Zweipegelbetrieb und einem Dreipegelbetrieb ausgewählt und umgeschaltet wird, um die Verluste im Wechselrichter zu verringern.
Literaturverzeichnis
Patentdokument
Patentdokument 1: Japanisches Patent JP 5 386 640 B2
Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Wie oben beschrieben, wird in einigen herkömmlichen Wechselrichtereinrichtungen der Wechselrichter betrieben, während zwischen einem Zweipegelbetrieb und einem Dreipegelbetrieb ausgewählt und umgeschaltet wird, um die Verluste im Wechselrichter zu verringern. Eine Verringerung der Gesamtverluste inklusive der Verluste in der Last (z. B. einem Motor), die mit dem Wechselrichter verbunden ist, wird bislang nicht ausreichend berücksichtigt. Obwohl die Verluste im Wechselrichter verringert werden können, nehmen z. B. die Hochfrequenz-Eisenverluste im Motor zu. Dies führt zu dem Problem, dass die Gesamtverluste in der gesamten Einrichtung zunehmen.
Im Falle einer Wechselrichtereinrichtung für die Fahrt eines Elektrofahrzeugs gilt Folgendes: Um die Fahrtreichweite zu erhöhen, ist es nötig, die Gesamtverluste im Wechselrichtereinrichtung und im Motor durch Fahrtmuster zu verringern, die durch einen Kraftstoffeffizienzstandard definiert sind, der als weltweiter harmonisierter Fahrtestzyklus mit leichter Beanspruchung (WLTC, worldwide harmonized light duty driving test cycle) bezeichnet wird.
Wenn die Fahrtmuster des WLTC auf eine wechselseitige Kennlinie zwischen der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors abgebildet werden (nachfolgend als NT-Kennlinie bezeichnet), zeigt sich, dass die Fahrtmuster des WLTC eine Menge Muster aufweisen, in denen der Wechselrichter und der Motor in einem Niederstrombereich arbeiten. In diesem Bereich ist es wünschenswert, dass der Dreipegelbetrieb durchgeführt wird, so dass sowohl die Schaltverluste im Wechselrichter, als auch die Harmonische-Eisenverluste im Motor verringert werden, so dass die Gesamtverluste verringert werden, was auch zur Größenverringerung des Wechselrichters beiträgt.
Außerdem gilt bei einer solchen herkömmlichen Stromrichtereinrichtung Folgendes: Selbst in dem Fall, in dem der Zweipegelbetrieb durchgeführt wird, wird der Betrieb unter Verwendung von nur Dreipegelbetrieb-Kondensatoren durchgeführt, die in Reihe geschaltet sind. Daher nimmt die Kondensatorgröße zu, was zu dem Problem führt, dass eine Größenverringerung erschwert wird.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um das obige Problem zu lösen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromrichtereinrichtung anzugeben, die die Gesamtverluste eines Wechselrichters und eines Motors verringern kann und eine Größenverringerung des Wechselrichters ermöglicht.
Lösung der Probleme
Eine Stromrichtereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: einen Wechselrichter zum Antreiben eines Motors; einen ersten Kondensator, sowie einen zweiten Kondensator, der eine Mehrzahl von Kondensatoren aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind, wobei der erste Kondensator und der zweite Kondensator parallel zu einer DC-Energieversorgung geschaltet sind; einen Schaltkreis, der eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweist und zwischen den Wechselrichter und den zweiten Kondensator geschaltet ist; und eine Steuerungsschaltung zum Steuern des Wechselrichters und des Schaltkreises, wobei die Steuerungsschaltung eine Steuerung zum Umschalten des Schaltkreises auf der Basis eines Drehmoment-Befehls und eines Drehzahl-Befehls für den Motor durchführt, so dass Strom vom zweiten Kondensator zum Wechselrichter während des Dreipegelbetriebs zugeführt wird und Strom sowohl vom ersten Kondensator, als auch vom zweiten Kondensator zum Wechselrichter während des Zweipegelbetriebs zugeführt wird.
Wirkung der Erfindung
Bei der Stromrichtereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden der Wechselrichter und der Motor auf der Basis eines Betriebsplans oder Betriebskennfelds für den Wechselrichter gesteuert, der/das im Voraus vorgegeben ist, so dass die Gesamtverluste des Wechselrichters und des Motors in Abhängigkeit von der Spannung der DC-Energieversorgung für den Wechselrichter und dem Drehmoment und der Drehzahl des Motors verringert werden, so dass eine Verringerung der Gesamtverluste des Wechselrichters und des Motors ermöglicht wird.
Außerdem ist der Bereich zum Durchführen des Dreipegelbetriebs auf einen Niederstrombereich entsprechend einem WLTC-Betriebsmodus beschränkt, der die Fahrtreichweite eines Elektrofahrzeugs beeinflusst, so dass eine Größenzunahme der Kondensatoren unterbunden werden kann und der Wechselrichter verkleinert werden kann.
Figurenliste

1 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Stromrichtereinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
2 veranschaulicht einen Strompfad während des Dreipegelbetriebs gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
3 veranschaulicht einen weiteren Strompfad während des Dreipegelbetriebs gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
4 veranschaulicht noch einen weiteren Strompfad während des Dreipegelbetriebs gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Wellenform-Diagramm, das eine Änderungsrelation zwischen der Schaltspannung eines Wechselrichters und dem Phasenstrom eines Motors zeigt, während sich der Strompfad während des Dreipegelbetriebs ändert, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Kondensator-Konfiguration zeigt, die in einem Fall benötigt wird, in dem der Wechselrichter nur den Zweipegelbetrieb durchführt.
7 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Kondensator-Konfiguration zeigt, die in einem Fall benötigt wird, in dem der Wechselrichter nur den Dreipegelbetrieb durchführt.
8 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Kondensator-Konfiguration zeigt, die in einem Fall benötigt wird, in dem der Wechselrichter einen Betrieb durch Umschalten zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb (entsprechend der vorliegenden Erfindung) durchführt.
9 ist ein Wellenform-Diagramm, das eine Änderung des Phasenstroms des Motors über der Zeit zeigt, und zwar in einem Fall, in dem der Wechselrichter den Zweipegelbetrieb durchführt, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
10 ist ein Wellenform-Diagramm, das eine Änderung des Phasenstroms des Motors über der Zeit zeigt, und zwar in einem Fall, in dem der Wechselrichter den Dreipegelbetrieb durchführt, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
11 veranschaulicht die Differenz der Motorverluste zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
12 veranschaulicht die Differenz der Wechselrichterverluste zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
13 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Verarbeitungsprozedur zum Erzeugen - im Voraus - eines Betriebskennfelds zum Minimieren des Gesamtverluste in einer Gesamteinrichtung inklusive der Motorverluste und der Wechselrichterverluste zeigt, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
14 veranschaulicht ein Beispiel eines Betriebskennfelds, das auf der Basis des in 13 gezeigten Ablaufdiagramms erzeugt wird, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
15 ist ein Kennlinien-Graph, der schematisch die Relation der Gesamtverluste (linke vertikale Achse) des Wechselrichters und des Motors und der Größe (rechte vertikale Achse) des Wechselrichters bezogen auf den Wechselrichterstrom (horizontale Achse) zeigt, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
16 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Stromrichtereinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ausführungsform 1
1 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Stromrichtereinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
Die Stromrichtereinrichtung gemäß Ausführungsform 1 weist einen dreiphasigen Wechselrichter 3 zum Antreiben eines Motors 5 auf, und zusätzlich sind ein erster Kondensator 2c sowie ein Paar von Kondensatoren 2a, 2b (nachfolgend werden die Kondensatoren 2a, 2b als zweite Kondensatoren bezeichnet), die miteinander in Reihe geschaltet sind, parallel zu einer DC-Energieversorgung 1 geschaltet. Außerdem ist der Wechselrichter 3 mit der DC-Energieversorgung 1 verbunden.
Der Wechselrichter 3 ist aus sechs Schaltelementen 3a bis 3f gebildet, die beispielsweise durch Bipolartransistoren mit isolierten Gate (IGBT) und dazu antiparallel geschalteten Dioden gebildet sind.
Zwischen drei AC-Ausgangsenden des Wechselrichters 3 und des Verbindungspunkts der zweiten Kondensatoren 2a, 2b ist ein Schaltkreis 4 geschaltet, und der Schaltkreis 4 ist aus sechs Schaltelementen 4a bis 4f gebildet, die durch Paare von rückwärtssperrenden IGBTs gebildet sind, die einander gegenüberliegen.
Genauer gesagt: Ein Paar von Schaltelementen 4a, 4b ist mit dem Mittelpunkt zwischen den zweiten Kondensatoren 2a, 2b und den Mittelpunkt zwischen einem Paar von Schaltelementen 3a, 3b geschaltet, die einen Zweig des Wechselrichters 3 bilden. Ein weiteres Paar von Schaltelementen 4c, 4d ist mit dem Mittelpunkt zwischen den zweiten Kondensatoren 2a, 2b und den Mittelpunkt zwischen einem Paar von Schaltelementen 3c, 3d geschaltet, die einen Zweig des Wechselrichters 3 bilden. Noch ein weiteres Paar von Schaltelementen 4e, 4f ist mit dem Mittelpunkt zwischen den zweiten Kondensatoren 2a, 2b und den Mittelpunkt zwischen einem Paar von Schaltelementen 3e, 3f geschaltet, die einen Zweig des Wechselrichters 3 bilden. AC-Ausgänge des Wechselrichters 3 sind mit dem Motor 5 verbunden.
Zum Berechnen der Gesamtverluste inklusive den Verlusten im Wechselrichter 3 und im Motor 5 während eines jeden von dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb nimmt die Steuerungsschaltung 6 Betriebsinformationen, wie z. B. die Spannung der DC-Energieversorgung 1, die Spannungen und fließenden Ströme der zweiten Kondensatoren 2a, 2b sowie Temperaturen des Wechselrichters 3 und des Schaltkreises 4 von (nicht dargestellten) Sensoren entgegen, die außerhalb angeordnet sind. Außerdem nimmt die Steuerungsschaltung 6 Informationen über Phasenströme und die Drehposition des Motors 5 entgegen, und sie nimmt außerdem Informationen über einen Drehmoment-Befehl und einen Drehzahl-Befehl (Informationen der NT-Kennlinie) entgegen, die von einer (nicht dargestellten) Steuerung höherer Ordnung gegeben werden.
Dann erfolgt auf der Basis von verschiedenen Arten von entgegengenommenen Informationen, wie oben beschrieben, Folgendes: Um zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb auszuwählen und umzuschalten, so dass die Gesamtverluste des Wechselrichters 3 und des Motors 5 minimiert werden, erzeugt die Steuerungsschaltung 6 im Voraus ein Betriebskennfeld (siehe die später noch beschriebene 14), in dem Informationen über eine Trägerfrequenz des Wechselrichters 3 und Bereiche zum Auswählen, ob der Zweipegelbetrieb oder der Dreipegelbetrieb durchgeführt werden soll, um die Verluste in Abhängigkeit von den Betriebszuständen des Wechselrichters 3 und des Motors 5 zu verringern, auf der NT-Kennlinie des Motors 5 definiert sind, und sie registriert bzw. speichert Informationen über das Betriebskennfeld in einer (nicht dargestellten) Speichereinrichtung.
Beim Durchführen der Antriebssteuerung des Motors 5 bezieht sich die Steuerungsschaltung 6 auf das Betriebskennfeld, um die Trägerfrequenz des Wechselrichters 3 zu bestimmen, und um zu bestimmen, ob der Zweipegelbetrieb oder der Dreipegelbetrieb durchgeführt werden soll, und zwar auf der Basis von Informationen über Befehlswerte für das Drehmoment und die Drehzahl des Motors 5, Temperaturinformationen und Informationen über die Ströme, die durch die zweiten Kondensatoren 2a, 2b fließen. Dadurch steuert sie die Vorgänge des Wechselrichters 3 und des Schaltkreises 4.
2 bis 4 zeigen jeweils einen Pfad des Stroms für eine Phase, der durch die ersten und zweiten Kondensatoren 2a bis 2c fließt, und zwar in einem Fall, in dem der Wechselrichter 3 den Dreipegelbetrieb durchführt (der Strompfad ist mit einer dicken durchgezogenen Linie in den Zeichnungen gezeigt). 5 zeigt eine Änderungsrelation zwischen der Schaltspannung des Wechselrichters 3 und dem Phasenstrom für eine Phase im Motor 5 in diesem Fall.
Bei einer Niederstrom-Phase, wo der Phasenstrom des Motors 5 klein ist, wird der Schaltkreis 4 eingeschaltet, so dass Ströme durch die zweiten Kondensatoren 2a, 2b fließen (die Zustände, die in 2 und 3 gezeigt sind und mit (A) und (B) in 5 bezeichnet sind). Bei einer Hochstrom-Phase wiederum, wo der Phasenstrom des Motors 5 groß ist, wird der Schaltkreis 4 ausgeschaltet, so dass Ströme sowohl durch den ersten Kondensator 2c, als auch die zweiten Kondensatoren 2a, 2b fließen (der Zustand, der in 4 gezeigt ist und mit (C) in 5 bezeichnet ist).
Wenn ein Befehlswert für den Motor-Phasenstrom des Wechselrichters 3 in Abhängigkeit von dem Drehmoment-Befehl und dem Drehzahl-Befehl für den Motor 5 zunimmt, schaltet der Wechselrichter 3 vom Dreipegelbetrieb in den Zweipegelbetrieb um, und zwar durch eine Steuerung mittels der Steuerungsschaltung 6. In diesem Fall wird der Schaltkreis 4 ausgeschaltet, so dass Ströme sowohl durch den ersten Kondensator 2c, als auch die zweiten Kondensatoren 2a, 2b fließen. Das heißt, es tritt der in 4 gezeigte Strompfad auf. Wenn der Betrieb in den Zweipegelbetrieb umgeschaltet wird, werden idealerweise die Ströme, die durch die Kondensatoren 2a bis 2c fließen, mit einem Kapazitätsverhältnis der Kapazität des ersten Kondensators 2c und der Serienkapazität der zweiten Kondensatoren 2a, 2b geteilt.
Im Allgemeinen ist die Größe jedes Kondensators 2a bis 2c proportional zu dessen Kapazitätswert, und der Kapazitätswert beeinflusst den Drehmoment-Rippel im Motor 5 oder die Stehspannung des Wechselrichters 3. Daher müssen die Kapazitätswerte so vorgegeben werden, dass der Spannungs-Rippel verringert wird. Außerdem müssen die Kapazitätswerte zum Verringern des Innenwiderstands definiert werden, so dass die Temperatur jedes Kondensators, der Wärme infolge eines Strom-Rippels erzeugt, eine zulässige Temperatur nicht überschreitet.
6 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Kondensator-Konfiguration zeigt, die in einem Fall benötigt wird, in dem der Wechselrichter 3 nur den Zweipegelbetrieb durchführt. 7 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Kondensator-Konfiguration zeigt, die in einem Fall benötigt wird, in dem nur der Dreipegelbetrieb durchgeführt wird. 8 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Kondensator-Konfiguration zeigt, die in einem Fall benötigt wird, in dem ein Betrieb durch Umschalten zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb durchgeführt wird, wie bei der vorliegenden Erfindung.
Zum Vereinfachen der Beschreibung wird hier angenommen, dass die Kondensator-Kapazität, die zum Veranlassen notwendig ist, dass der maximale Strom durch den Wechselrichter 3 fließt, 4C ist.
In dem Fall, in dem nur der Zweipegelbetrieb durchgeführt wird, wie in 6 gezeigt, ist der erste Kondensator 2c parallel zur DC-Energieversorgung 1 geschaltet. Daher hat die Kapazität des ersten Kondensators 2c einen Wert von 4C.
In dem Fall, in dem nur der Dreipegelbetrieb durchgeführt wird, wie in 7 gezeigt, sind die zweiten Kondensatoren 2a, 2b parallel zur DC-Energieversorgung 1 geschaltet. Daher muss die Kapazität jedes Kondensators 2a, 2b einen Wert von 8C haben, und demzufolge ist der Gesamtwert 16C.
In dem Fall, in dem der Betrieb durchgeführt wird, indem zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb umgeschaltet wird, wie bei der vorliegenden Erfindung und in 8 gezeigt, sind der erste Kondensator 2c und die zweiten Kondensatoren 2a, 2b parallel zur DC-Energieversorgung 1 geschaltet. Daher muss die Kapazität des ersten Kondensators 2c einen Wert von 3,5C haben, und die Kapazitäten der zweiten Kondensatoren 2a, 2b müssen einen Wert von 1C haben. Demzufolge ist der Gesamtwert 5,5C.
In dem Fall, in dem die Kondensator-Kapazität, die benötigt wird, um zu veranlassen, dass der maximale Strom fließt, 4C und das Volumen proportional zur Kapazität angenommen wird, ist demzufolge das Größen-Zunahmeverhältnis der Dreipegelkonfiguration (7) relativ zur Zweipegelkonfiguration (6) gleich 4,0, wohingegen das Größen-Zunahmeverhältnis der Konfiguration in der vorliegenden Erfindung (8) relativ zur Zweipegelkonfiguration (6) gleich 1,375 ist. Das heißt, selbst in dem Fall, in dem die Konfiguration der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die in Umschalten zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb ermöglicht, kann ein Anstieg der Kondensatorgröße unterbunden werden.
9 ist ein Wellenform-Diagramm, das eine Änderung des Phasenstroms lm_2lvl im Motor 5 über der Zeit zeigt, und zwar in einem Fall, in dem der Wechselrichter den Zweipegelbetrieb durchführt. 10 ist ein Wellenform-Diagramm, das eine Änderung des Phasenstroms 1m_3lvl des Motors 5 über der Zeit zeigt, und zwar in einem Fall, in dem der Wechselrichter den Dreipegelbetrieb durchführt. In diesen Zeichnungen ist die Änderung der Schaltspannung des Wechselrichters 3 ebenfalls mit dargestellt.
Beim Vergleich zwischen der Wellenform des Phasenstroms 1m_2lv während des Zweipegelbetriebs und der Wellenform des Phasenstroms 1m_3lv während des Dreipegelbetriebs ist die Strom-Wellenform während des Zweipegelbetriebs verzerrt, und zwar beim Vergleich mit der Strom-Wellenform während des Dreipegelbetriebs. Der Grund dafür ist folgender. Hinsichtlich der Spannung zum Erzeugen des Stroms wird in dem Fall des Zweipegelbetriebs der Strom unter Verwendung der Spannung Vsw (= 2×Vsw/2) gesteuert, die das Doppelte der Spannung im Fall des Dreipegelbetriebs beträgt.
Im Ergebnis sind die Harmonische-Eisenverluste im Motor 5 während des Zweipegelbetriebs größer als während des Dreipegelbetriebs. Diese Tendenz wird höher, wenn die Drehzahl des Motors 5 zunimmt. Das heißt, wenn die Drehzahl des Motors 5 zunimmt, nimmt die Anzahl von Malen des Schaltens pro Zyklus des Phasenstroms ab, so dass die Verzerrung zunimmt und daher die Harmonische-Eisenverluste während des Zweipegelbetriebs größer als während des Dreipegelbetriebs werden.
11 zeigt die Motorverluste im Zweipegelbetrieb und im Dreipegelbetrieb. 12 zeigt die Wechselrichterverluste im Zweipegelbetrieb und im Dreipegelbetrieb.
Hier schließen die Motorverluste Eisenverluste, Kupferverluste und mechanische Verluste infolge des Antreibens des Motors 5 ein, und insbesondere ist der Einfluss der Hochfrequenz-Eisenverluste infolge der Phasenstrom-Änderung groß. Die Wechselrichterverluste schließen Schaltverluste, Leitungsverluste und Wiederherstellungs-Verluste der Spannungswiederherstellung ein, und zwar infolge der Einschalt-/Ausschaltvorgänge der Schaltelemente 3a bis 3f, wenn der Wechselrichter betrieben wird.
Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, gilt hinsichtlich der Motorverluste (11) Folgendes: Da die Harmonische-Eisenverluste im Motor 5 während des Dreipegelbetriebs kleiner sind als während des Zweipegelbetriebs, werden die Motorverluste während des Dreipegelbetriebs kleiner als während des Zweipegelbetriebs. Der Verringerungswert der Verluste, wenn der Betrieb vom Zweipegelbetrieb in den Dreipegelbetrieb umgeschaltet wird, ist in diesem Fall als ΔPm definiert (die Abwärtsrichtung der vertikalen Achse ist positiv).
Hinsichtlich der Wechselrichterverluste (12) wiederum kann nicht gesagt werden, dass die Verluste während des Dreipegelbetriebs stets kleiner sind als während des Zweipegelbetriebs. Das heißt, in Abhängigkeit von dem Wert des Stroms, der durch den Wechselrichterverluste 3 während des Dreipegelbetriebs fließt, und den Eigenschaften bzw. Kennlinien der Elemente, die den hinzugefügten Schaltkreis 4 bilden, können in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Wechselrichters 3 die Wechselrichterverluste abnehmen (Fall, der in 12 mit Dreipegelbetrieb A bezeichnet ist), oder - umgekehrt - können die Wechselrichterverluste zunehmen (Fall, der in 12 mit Dreipegelbetrieb B bezeichnet ist), wenn der Betrieb vom Zweipegelbetrieb in den Dreipegelbetrieb umgeschaltet wird. Der Zunahmewert der Verluste, wenn der Betrieb vom Zweipegelbetrieb in den Dreipegelbetrieb umgeschaltet wird, in dem Fall, der in 12 mit Dreipegelbetrieb B bezeichnet ist, ist als ΔPinv definiert (die Abwärtsrichtung der vertikalen Achse ist positiv).
Um die Verluste in der gesamten Einrichtung zu minimieren, inklusive der Motorverluste und der Wechselrichterverluste, muss die Verringerungswirkung ΔP (= ΔPm + ΔPinv) für die Gesamtverluste dieser Verluste maximiert werden.
13 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Verarbeitungsprozedur zum Erzeugen eines Betriebskennfelds zeigt, das in der Steuerungsschaltung 6 im Voraus registriert bzw. gespeichert werden soll, um die Gesamtverluste in der gesamten Einrichtung zu verringern, inklusive der Motorverluste und der Wechselrichterverluste.
Zunächst werden die Befehlswerte für das Drehmoment und die Drehzahl vorgegeben, die für den Motor 5 benötigt werden, (Schritt 1), und die Verluste, die in jedem von dem Wechselrichter 3 und dem Motor 5 während des Zweipegelbetriebs und während des Dreipegelbetriebs in diesem Fall auftreten, werden berechnet (Schritte 2, 3). Die Parameter für die Berechnung sind die Spannung der DC-Energieversorgung, der Phasenstrom, die Trägerfrequenz, der Modulationfaktor, der Leistungsfaktor und die Temperatur.
Genauer gesagt: Hinsichtlich der Wechselrichterverluste werden, während die Parameter der Spannung der DC-Energieversorgung 1, des Phasenstroms des Motors 5, des Modulationsfaktors, der Trägerfrequenz, des Leistungsfaktors in jedem von Zweipegelbetrieb und Dreipegelbetrieb und der Temperatur verändert werden, die Wechselrichterverluste in jedem von Zweipegelbetrieb und Dreipegelbetrieb berechnet (Schritt 2). Hinsichtlich der Motorverluste werden, während die Parameter der Kupferverluste des Motors 5, der Grundwellenfrequenz-Eisenverluste, der Hochfrequenz-Eisenverluste, der mechanischen Verluste und der Temperatur verändert werden, die Motorverluste in jedem von Zweipegelbetrieb und Dreipegelbetrieb berechnet (Schritt 3).
Als Nächstes werden, indem die Wechselrichterverluste und die Motorverluste, die erhalten werden, während die Parameter verändert werden, die Gesamtverluste des Wechselrichters 3 und des Motors 5 berechnet (Schritt 4). Anschließend wird eine Betriebsbedingung des Wechselrichters 3 zum Minimieren der Gesamtverluste (mit anderen Worten: Maximieren der Verringerungswirkung ΔP für die Gesamtverluste) berechnet, die Betriebsbedingung zum Minimieren der Gesamtverluste des Wechselrichters 3 und des Motors 5 wird auf die NT-Kennlinie des Motors 5 abgebildet, und ein Bereich, in dem der Dreipegelbetrieb durchgeführt wird, wird auf der Basis der Kennlinie aus Drehmoment und Drehzahl beschränkt, die während der Fahrt im WLTC-Modus benötigt werden (Schritt 5).
Das heißt, ein Betriebskennfeld (14) wird erzeugt, in dem Informationen über die Trägerfrequenz des Wechselrichters 3 und Informationen über einen Schwellenwert Shl als eine Grenze zwischen einem Bereich zum Durchführen des Zweipegelbetriebs und einem Bereich zum Durchführen des Dreipegelbetriebs, zum Verringern der Gesamtverluste in Abhängigkeit von der Spannung der DC-Energieversorgung 1 und den Betriebszuständen des Wechselrichters 3 und des Motors 5, auf der NT-Kennlinie des Motors 5 definiert sind, und das Betriebskennfeld wird im Voraus in einer (nicht dargestellten) Speichereinrichtung gespeichert, die der Steuerungsschaltung 6 bereitgestellt ist, oder dergleichen.
Beim tatsächlichen Antreiben des Motors 5 bezieht sich die Steuerungsschaltung 6 auf das im Voraus erzeugte Betriebskennfeld, wie oben beschrieben, und bestimmt so die Trägerfrequenz des Wechselrichters 3 und, ob der Zweipegelbetrieb oder der Dreipegelbetrieb durchgeführt werden soll, auf der Basis der Informationen der Befehlswerte für das Drehmoment und die Drehzahl des Motors 5, Temperaturinformationen sowie Informationen über die Ströme, die durch die zweiten Kondensatoren 2a, 2b fließen, und steuert dadurch die Vorgänge des Wechselrichters 3 und des Schaltkreises 4.
Bei der Bestimmung, ob der Zweipegelbetrieb oder der Dreipegelbetrieb durchgeführt werden soll, gilt beispielsweise Folgendes: Wenn der Verringerungswert der Harmonische-Eisenverluste im Motor 5, wenn der Wechselrichter den Dreipegelbetrieb durchführt, größer ist als der Zunahmewert der Verluste im Wechselrichter 3, wenn der Wechselrichter 3 vom Zweipegelbetrieb in den Dreipegelbetrieb umgeschaltet wird, bestimmt die Steuerungsschaltung 6, den Wechselrichter 3 dazu zu veranlassen, den Dreipegelbetrieb durchzuführen.
14 veranschaulicht ein Beispiel des Betriebskennfelds, bei dem die Bereiche zum Auswählen, ob der Zweipegelbetrieb oder der Dreipegelbetrieb durchgeführt werden soll, auf der NT-Kennlinie definiert sind, die die Relation zwischen der Drehzahl N und dem Drehmoment T des Motors 5 darstellt, auf der Basis des obigen Prozesses, der im Ablaufdiagramm in 13 gezeigt ist.
In 14 bezeichnet Shl einen Schwellenwert zum Auswählen und Umschalten zwischen dem Dreipegelbetrieb und dem Zweipegelbetrieb. In 14 bezeichnet Tmax eine Kurve, die das maximale Drehmoment darstellt, das angenommen werden kann, bezogen auf die Drehzahl N des Motors 5.
Hier ist im WLTC-Modus das benötigte Drehmoment für den Motor 5 nicht größer als der Schwellenwert Shl, und daher wird der Dreipegelbetrieb ausgewählt. Dieser Bereich ist jedoch niedriger als der maximale Betriebspunkt für den Wechselrichter 3 und den Motor 5, der den gesamten Betriebsbereich des Fahrzeugs abdeckt, und er ist folglich ein Niederstrombereich.
Das heißt, der Grund, warum der Dreipegelbetrieb während der Fahrt im WLTC-Modus durchgeführt wird, ist der folgende. Selbst wenn versucht wird, den Wirkungsgrad über den gesamten Bereich der NT-Kennlinie zu verbessern, ist die Wirkung zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz in Relation zur Frequenz klein, und im Gegensatz dazu kann die Begrenzung des Dreipegelbetriebs auf einen Betriebsbereich, die wirksam ist für die Kraftstoffeffizienz und zur Unterdrückung der Größenzunahme des Schaltkreises 4 und der Serienkondensatoren 2a, 2b, und die hinzugefügt wird, zur Verringerung der Gesamtverluste und zur Verringerung der Größe und Kosten der gesamten Einrichtung beitragen.
Wie aus 14 ersichtlich, wird außerdem, wenn das Drehmoment des Motors 5 so erhöht wird, dass es den Schwellenwert Shl unter der gleichen Drehzahl überschreitet, der Betrieb vom Dreipegelbetrieb in den Zweipegelbetrieb umgeschaltet. In der Zeichnung ist der Schwellenwert Shl als eine im Wesentlichen horizontale Linie dargestellt. In einem Fall jedoch, wo der Schwellenwert durch eine Linie dargestellt wird, die so geneigt ist, dass sie nach rechts absinkt, wird dann, wenn die Drehzahl des Motors 5 so zunimmt, dass sie den Schwellenwert Shl unter dem gleichen Drehmoment überschreitet, der Betrieb vom Dreipegelbetrieb in den Zweipegelbetrieb umgeschaltet. In der Zeichnung ist der Schwellenwert Shl als eine Linie dargestellt. Natürlich können die Betriebszustände jedoch auch mit einer auf den Schwellenwert Shl aufgeprägten Hysterese vorgegeben werden, um den Betrieb zu stabilisieren, und die zugehörige Beschreibung ist weggelassen.
Hinsichtlich der Trägerfrequenz gilt Folgendes: Während die Drehzahl N des Motors 5 erhöht wird, nimmt auch jede von der Trägerfrequenz fx_31v während des Dreipegelbetriebs und der Trägerfrequenz fx_2lv während des Zweipegelbetrieb zu. Das heißt, die Trägerfrequenz während des Dreipegelbetriebs nimmt in der Reihenfolge f1_3lv, f2_3lv, dann f3_3lv zu. Das heißt, die Trägerfrequenz während des Zweipegelbetriebs nimmt in der Reihenfolge f1_2lv, f2_2lv, dann f32lv zu.
Beim Vergleich zwischen der Trägerfrequenz fx_3lv während des Dreipegelbetriebs und der Trägerfrequenz fx_2lv während des Zweipegelbetriebs wird außerdem, und zwar ungeachtet der Drehzahl N des Motors 5, die Trägerfrequenz fx_3lv während des Dreipegelbetriebs so vorgegeben, dass sie niedriger ist als die Trägerfrequenz fx_21v während des Zweipegelbetriebs, d. h. fx_2lv > fx_3lv ist erfüllt. Der Grund dafür ist folgender. Während des Dreipegelbetriebs wird der Betrieb nur im Niederstrombereich durchgeführt, wo das Drehmoment T klein ist.
Daher sind die Wechselrichterverluste klein, und die Verzerrung des Phasenstroms des Motors 5 ist kleiner als während des Zweipegelbetriebs (10). Verglichen mit dem Zweipegelbetrieb werden folglich die Harmonische-Eisenverluste verringert, so dass die Motorverluste sicher verringert werden, so dass die Gesamtverluste des Wechselrichters 3 und des Motors 5 insgesamt verringert werden können.
Hinsichtlich der Trägerfrequenz während des Zweipegelbetriebs gilt Folgendes: Wenn die Schaltfrequenz des Wechselrichters 3 abnimmt, werden die Schaltverluste verringert, aber die Verzerrung des Phasenstroms des Motors 5 nimmt zu, so dass - im Umkehrschluss - die Hochfrequenz-Eisenverluste des Motors 5 zunehmen. Folglich ist die Trägerfrequenz ein Parameter, der einen Widerspruch zwischen dem Wechselrichter 3 und dem Motor 5 hervorruft, und daher ist es notwendig, die Vorgabe so durchzuführen, dass die Gesamtverluste des Wechselrichters 3 und des Motors 5 minimiert werden, während die Steuerbarkeit des Motors gewährleistet wird.
15 ist ein Kennlinien-Graph, der schematisch die Relation der Gesamtverluste Lt (linke vertikale Achse) des Wechselrichters 3 und des Motors 5 und der Größe Siz (rechte vertikale Achse) des Wechselrichters 3 bezogen auf den Strom Iiv (horizontale Achse) zeigt, der durch den Wechselrichter 3 fließt.
Hier bezieht sich die Größe Siz des Wechselrichters 3 auf die Größen des Schaltkreises 4 und der zweiten Kondensatoren 2a, 2b, die hinzugefügt werden sollen, sowie die Größe einer Gate-Treiberschaltung zum Treiben des Schaltkreises 4. Wenn diese Größen erhöht werden, nehmen außerdem die Kosten entsprechend zu.
Um eine Konfiguration zu erzielen, die ein Umschalten zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb ermöglicht, ist es nötig, Komponenten, wie z. B. den Schaltkreis 4, die zweiten Kondensatoren 2a, 2b und eine Gate-Treiberschaltung dafür zu einem Wechselrichter hinzuzufügen, der eine Konfiguration zum Durchführen des Zweipegelbetriebs aufweist, und außerdem ist es nötig, die Stehspannungen für diese Komponenten in einem Fall zu gewährleisten, in dem der Strom Iiv, der durch den Wechselrichter 3 fließt, zunimmt. Daher nimmt die Größe Siz in Abhängigkeit von dem Stromwert zu.
Hinsichtlich der Verluste wiederum gilt Folgendes: In einem Fall, in dem der Strom Iiv des Wechselrichters 3 zunimmt, wie oben unter Bezugnahme auf 12 beschrieben, gibt es, wenn der Betrieb vom Zweipegelbetrieb in den Dreipegelbetrieb umgeschaltet wird, den Fall, in dem die Wechselrichterverluste abnehmen und die Gesamtverluste Lt des Wechselrichters 3 und des Motors 5 verringert werden (Linie, die mit Lt1 in 15 bezeichnet ist), und es gibt auch den Fall, wo - im umgekehrten Fall - die Wechselrichterverluste zunehmen und die Gesamtverluste zunehmen (Linie, die mit Lt2 in 6 bezeichnet ist).
Daher ist es in dem Bereich, in dem der Stromwert des Wechselrichters 3 kleiner ist als Iiv0 im Graphen, möglich, die Gesamtverluste Lt zu verringern, ohne unnötigerweise die Größe Siz des Wechselrichters 3 zu erhöhen.
Wie oben beschrieben, ist die Stromrichtereinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass der Betrieb des Wechselrichters 3 zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb ausgewählt und umgeschaltet werden kann. In dem Fall, in dem der Wechselrichter den Dreipegelbetrieb durchführt, ist ein Zustand vorhanden, in dem sowohl die Schaltverluste im Wechselrichter 3, als auch die Harmonische-Eisenverluste im Motor 5 verringert werden können.
Unter Ausnutzung dieser Tatsache wird ein Betriebskennfeld, in dem Informationen der Trägerfrequenz und Informationen des Schwellenwerts als eine Grenze zwischen einem Bereich zum Durchführen des Zweipegelbetriebs und einem Bereich zum Durchführen des Dreipegelbetriebs auf der NT-Kennlinie des Motor 5 zum Verringern der Gesamtverluste des Wechselrichters 3 und des Motors 5 definiert sind, im Voraus erzeugt und in der Steuerungsschaltung 6 gespeichert. Indem der Betrieb des Wechselrichters zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb auf der Basis des Betriebskennfelds ausgewählt wird, ist es möglich, den Betrieb mit einer so vorgegebenen Trägerfrequenz durchzuführen, dass die Gesamtverluste des Wechselrichters 3 und des Motors 5 minimiert werden.
Als Komponenten, die zum Minimieren der Gesamtverluste des Wechselrichters 3 und des Motors 5 während der Fahrt im WLTC-Modus notwendig sind, was als ein Kriterium für die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs und zum Ermöglichen des Umschaltens zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb dient, sind der erste Kondensator 2c und die zweiten Kondensatoren 2a, 2b, die miteinander in Reihe geschaltet sind, parallel zur DC-Energieversorgung 1 geschaltet, so dass eine Größenzunahme unterbunden werden kann, und folglich kann der Wechselrichter 3 kleiner gemacht werden.
Ausführungsform 2
In der obigen Stromrichtereinrichtung aus Ausführungsform 1 ist der Schaltkreis 4, der dem Wechselrichter 3 hinzugefügt ist, unter Verwendung von rückwärts sperrenden IGBTs konfiguriert, um eine Konfiguration zu erzeugen, die dazu imstande ist, den Betrieb des Wechselrichters zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb auszuwählen und umzuschalten.
Im Gegensatz dazu gilt bei der vorliegenden Ausführungsform 2 Folgendes, wie in 16 gezeigt: Der Wechselrichter 3 und der Schaltkreis 4 sind unter Verwendung von Metalloxid-Halbleitern (MOS) für deren sämtliche Elemente konfiguriert. Selbst in dem Fall, in dem diese Konfiguration verwendet wird, können die gleichen Vorgänge und Wirkungen wie gemäß Ausführungsform 1 erzielt werden.
Obwohl die Erfindung in Form von verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und Implementierungen beschrieben ist, versteht es sich, dass die verschiedenartigen Merkmale, Aspekte und Funktionalitäten, die bei den einzelnen Ausführungsformen beschrieben sind, in ihrer Anwendbarkeit nicht auf die bestimmte Ausführungsform beschränkt sind, bei der sie beschrieben sind, sondern stattdessen - allein oder in verschiedenen Kombinationen - auf eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden können.
Es versteht sich daher, dass zahlreiche Modifikationen, die nicht beispielhaft beschrieben wurden, verwendet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann zumindest eine der Komponenten modifiziert, hinzugefügt oder weggelassen. Zumindest eine der Bestandteilskomponenten, die in zumindest einer der bevorzugten Ausführungsformen erwähnt ist, kann ausgewählt und mit den Komponenten kombiniert werden, die bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform erläutert sind.
Bezugszeichenliste

1: DC-Energieversorgung
2a, 2b: zweiter Kondensator
2c: erster Kondensator
3: Wechselrichter
3a bis 3f: Schaltelement
4: Schaltkreis
4a bis 4f: Schaltelement
5: Motor
6: Steuerungsschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5386640 B2 [0003]

Claims

Stromrichtereinrichtung, die Folgendes aufweist: - einen Wechselrichter zum Antreiben eines Motors; - einen ersten Kondensator, sowie einen zweiten Kondensator, der eine Mehrzahl von Kondensatoren aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind, wobei der erste Kondensator und der zweite Kondensator parallel zu einer DC-Energieversorgung geschaltet sind; - einen Schaltkreis, der eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweist und zwischen den Wechselrichter und den zweiten Kondensator geschaltet ist; und - eine Steuerungsschaltung zum Steuern des Wechselrichters und des Schaltkreises, wobei die Steuerungsschaltung eine Steuerung zum Umschalten des Schaltkreises auf der Basis eines Drehmoment-Befehls und eines Drehzahl-Befehls für den Motor durchführt, so dass Strom vom zweiten Kondensator zum Wechselrichter während des Dreipegelbetriebs zugeführt wird und Strom sowohl vom ersten Kondensator, als auch vom zweiten Kondensator zum Wechselrichter während des Zweipegelbetriebs zugeführt wird.
Stromrichtereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsschaltung eine Steuerung durchführt, so dass der Wert des Stroms, der dem Motor zugeführt wird, während des Zweipegelbetriebs größer ist als während des Dreipegelbetriebs.
Stromrichtereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerungsschaltung die Steuerung derart durchführt, dass der Wechselrichter den Dreipegelbetrieb durchführt, wenn ein Verringerungswert des Harmonische-Eisenverluste im Motor in einem Fall, in dem der Wechselrichter den Dreipegelbetrieb durchführt, größer ist als ein Zunahmewert der Verluste im Wechselrichter in einem Fall, in dem der Wechselrichter vom Zweipegelbetrieb in den Dreipegelbetrieb umgeschaltet wird.
Stromrichtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerungsschaltung die Steuerung derart durchführt, dass in den Zweipegelbetrieb umgeschaltet wird, wenn ein hohes Drehmoment benötigt wird, und in den Dreipegelbetrieb umgeschaltet wird, wenn ein niedriges Drehmoment benötigt wird, und zwar in einem Fall, in dem der Motor die gleiche Drehzahl hat.
Stromrichtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerungsschaltung die Steuerung derart durchführt, dass zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors umgeschaltet wird, und zwar in einem Fall, in dem der Motor das gleiche Drehmoment hat.
Stromrichtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerungsschaltung die Steuerung derart durchführt, dass eine Trägerfrequenz während des Dreipegelbetriebs nicht größer ist als eine Trägerfrequenz während des Zweipegelbetriebs, und zwar in einem Fall, in dem der Motor die gleiche Drehzahl hat.