DE69508002T2

DE69508002T2 - Regelvorrichtung für ein elektrisches Fahrzeug für sowohl Wechselstromzufuhr als auch für Gleichstromzufuhr

Info

Publication number: DE69508002T2
Application number: DE69508002T
Authority: DE
Inventors: Takuma Henmi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1995-08-23
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2015-08-24
Also published as: DE69508002D1; US5629592A; KR960007262A; EP0698519B1; EP0698519A1; JPH0865811A; KR100206030B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für ein Elektrofahrzeug, die für ein Fahrzeug ausgelegt ist, das sowohl durch einen Wechselstromabschnitt (AC- Abschnitt) als auch durch einen Gleichstromabschnitt (DC-Abschnitt) bewegt werden kann. Das Elektrofahrzeug verwendet einen Pulsbreitenmodulationswandler (PWM-Wandler) in einer Antriebsschaltung zum Umwandeln einer von dem Wechselstromabschnitt zugeführten Wechselstromenergie in eine konstante Gleichstromenergie und einen Wechselrichter für variable Spannung und variable Frequenz (VVVF-Wechselrichter) zum Umwandeln der Gleichstromenergie von dem Wandler in eine gewünschte Wechselstromenergie für einen Induktionsantriebsmotor. Das Elektrofahrzeug verwendet außerdem eine innere Gleichstromversorgungsleitung, die direkt die Gleichstromenergie von dem Gleichstromabschnitt aufnimmt und dem Wechselrichter zuführt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist eine herkömmliche Steuereinrichtung für ein Elektrofahrzeug für sowohl einen Wechselstromabschnitt als auch für einen Gleichstromabschnitt mit einer Antriebsschaltung versehen, die eine Energieversorgungsumschaltschaltung 6 zum Umschalten und Aufnehmen der Wechselstromenergie in den Wechselstromabschnitt und der Gleichstromenergie in den Gleichstromabschnitt über einen Stromkollektor 1, einen Haupttransformator 7 zum Transformieren der über den Stromkollektor 1 zugeführten Wechselstromenergie, einen über eine Unterbrechereinheit 8 mit der Sekundärseite des Haupttransformators 7 verbundenen PWM-Wandler 2 zum Umwandeln der von dem Haupttransformator 7 transformierten Wechselstromenergie in eine konstante Gleichstromenergie, einen mit einem Gleichstromausganganschluß der Energieversorgungsumschaltschaltung 6 verbundenen Hochgeschwindigkeitsschaltungsunterbrecher 9, eine Filterreaktanz 10 und einen mit dem Ausgang der Filterreaktanz 10 an der Gleichstromausgangsseite des PWM- Wandlers 2 verbundenen Filterkondensator 11 aufweist. Die Antriebsschaltung enthält weiterhin einen VVVF-Wechselrichter 3, von dem eine Gleichstromeingangsseite mit dem Filterkondensator 11 verbunden ist, und einen durch einen Wechselstromausgang des VVVF-Wechselrichters 3 getriebenen Induktionsantriebsmotor (IM) 4. Das System ist außerdem mit einer Steuerschaltung 12 zum Zweck der Gatesteuerung des PWM-Wechselrichters 2 und des VVVF-Wechselrichters 3, einem statischen Wechselrichter (SIV) 5 als Zusatzenergieversorgung, einem Motordrehzahldetektor 13, wie einem Pulsgenerator (PG), einem Spannungsdetektor (V) 14 zum Erfassen einer Spannung des Filterkondensators 11 und einem Motorstromdetektor 15 zum Erfassen eines Stromes von jeder Phasenleitung U, V und W, die zwischen dem VVVF-Wechselrichter 11 und dem Induktionsantriebsmotor 4 verlaufen, versehen.
Wie in Fig. 2 gezeigt, enthält die herkömmliche Steuerschaltung 12 für die Gatesteuerung des Wandlers 2 und des Wechselrichters 3 eine Modulationsprozentberechnungseinheit (PMDOP) 12A zum Berechnen einer prozentualen Modulation auf der Grundlage der Spannung des Filterkondensators 11, die zum Bestimmen einer an den Induktionsantriebsmotor (IM) 4 anzulegenden Ausgangsspannung des Wechselrichters 3 dient, eine Dämpfungssteuerkomponentenberechnungseinheit (DCCOP) 12B zum Berechnen der Größe der Spannungsschwankung des Filterkondensators 11, eine Motorstromreferenzberechnungseinheit (MCROP) 12C zum Berechnen der Motorstromreferenz IM* aus der Motordrehzahlreferenz V* und der durch den Motordrehzahldetektor 13 erfaßten Motordrehzahl FR, eine Schlupffrequenzberechnungseinheit (SFOP) 12D zum Berechnen einer Schlupffrequenz FS* aus der von der Motorstromreferenzberechnungseinheit 12C ausgegebenen Motorstromreferenz IM* und ferner eine Proportional-Integral(PI)-Motorstromsteuerkomponentenberechnungseinheit (PIMCOP) 12E zum Berechnen einer Motorstromsteuerkomponente aus der Motorstromreferenz IM* und dem durch den Motorstromdetektor 15 erfaßten effektiven Motorstrom IM.
Die Steuerschaltung 12 enthält weiterhin eine Subtraktionseinheit 12F zum Subtrahieren des effektiven Motorstromes IM von der Motorstromreferenz IM*, einen ersten Addierer 12G zum Addieren der Schlupffrequenz FS* von der SFOP 12D und der Motorstromsteuerkomponente von der PIMOP 12E, einen zweiten Addierer 12H zum Addieren der erfaßten Motordrehzahl FR und der Ausgabe des ersten Addierers 12G, einen dritten Addierer 12J zum Addieren der Dämpfungssteuerkomponente von der DCCOP 12B und der in dem zweiten Addierer 12H berechneten Schlupffrequenz FS derart, daß eine Wechselrichterfrequenzreferenz finv*, ausgegeben wird, eine Pulsmodusberechnungseinheit (PMOP) 12K zum Berechnen eines Pulsmodus und eine PWM-Wellenerzeugungseinheit (PWMGN) 12M zum Erzeugen eines Wechselrichtergatesteuersignales auf der Grundlage der prozentualen Modulation von der PMDOP 12A, der Ausgabe der PMOP 12K und der Wechselrichterfrequenzreferenz finv*.
Die Steuerschaltung 12 steuert die in dem Wechselrichter 3 vorgesehenen Gates entsprechend des Wechselrichtergatesteuersignales, das durch die PWM-Wellenerzeugungseinheit 12M erzeugt wird.
Es gibt jedoch Nachteile bei der herkömmlichen Leistungssteuereinrichtung des Elektrofahrzeuges, das sowohl durch den Wechselstromabschnitt als auch durch den Gleichstromabschnitt bewegt werden kann. Im allgemeinen ist in der Antriebsschaltung des Elektrofahrzeuges, wie in Fig. 1 gezeigt, der VVVF-Wechselrichter 3 mit dem Ausgangsanschluß des PWM-Wandlers 2 verbunden und eine Zusatzlast, wie zum Beispiel ein statischer Wechselrichter (SIV) 5, ist ebenfalls mit dem Ausgangsanschluß des Wandlers 2 verbunden. Ein Einfluß eines in dem SIV 5 vorgesehenen Eingabefilters und ein Übertragungsverhalten des SIV 5 triggern eine Resonanz zwischen einem Filterkoeffizienten des VVVF-Wechselrichters 3 und dem des SIV 5. wodurch eine Welligkeit der Spannung des Filterkondensators 11 verursacht wird.
Da das Elektrofahrzeug sowohl durch den Wechselstromabschnitt als auch durch den Gleichstromabschnitt bewegt werden kann, sind weiter beide Koeffizienten der Filterreaktanz und des Filterkondensators auf der Grundlage der elektrischen Eigenschaften einer Energieversorgungsunterstation zu bestimmen. Während das Auto durch den Wechselstromabschnitt mit dem Filterkondensator einer vorbestimmten Kapazität bewegt wird, tritt normalerweise die Welligkeitsspannung einer zweifach höheren Frequenz als die der Wechselstromenergieversorgung auf der Spannung des Filterkondensators 11 auf. Während der Bewegung durch den Gleichstromabschnitt schwankt die Spannung des Filterkondensa tors 11 direkt entsprechend der Spannungsschwankung der Gleichstromenergieversorgung.
Diese Welligkeit beeinflußt die Berechnungsergebnisse für die prozentuale Modulation, die Dämpfungssteuerkomponente und die Pulsmodusberechnungskomponente, da diese von den Berechnungen auf der Grundlage der Spannung des Filterkondensators abgeleitet sind, wodurch eine Welligkeit in dem durch diese Leistungssteuereinrichtung zu steuernden Motorstrom verursacht wird und wodurch ebenfalls eine Schwankung des Motordrehmoments verursacht wird. Diese Welligkeit des Motorstromes und die Schwankung des Motordrehmomentes verringert für die Fahrgäste den Komfort des Elektrofahrzeuges.
Die JP-A-62-254691 (1987) beschreibt eine Technik des Entfernens der Welligkeit, die auf der Spannung des Wechselrichters erscheint, zum Beseitigen der Nachteile des herkömmlichen Leistungssteuersystems des Elektrofahrzeugs. Der Stand der Technik ist jedoch auf ein Elektrofahrzeug anzuwenden, das nur durch den Wechselstromabschnitt bewegt werden kann. Er beschreibt keine Technik des Entfernens der Spannungsschwankung des Filterkondensators, die durch die Spannungsschwankung der Gleichstromenergieversorgung verursacht wird, während der Bewegung durch den Gleichstromenergieversorgungsabschnitt, wodurch eine Schwankung der Ausgabe des Wechselrichters, die an den Induktionsantriebsmotor anzulegen ist, verursacht wird. Folglich bleibt immer noch die Verbesserung des Komforts beim Fahren eines Elektrofahrzeugs durch sowohl einen Wechselstromabschnitt als auch einen Gleichstromabschnitt ein Problem.
Weiterhin ist es im allgemeinen erforderlich, das Leistungssteuersystem auf das Elektrofahrzeug so zu montieren, daß es kompakt und leicht ist. Die Größe und die Masse des PWM-Wandlers und des VVVF-Wechselrichters korrelieren mit der Größe der Gleichstromspannung und des Eingangs-/Ausgangsstromes, mit dem das jeweilige Schaltungselement zu beaufschlagen ist. Je mehr die Nenngleichstromspannung erhöht wird, um so mehr steigen der Abschaltverlust und der Umschaltverlust in den Umschaltelementen an. Dann wird es als Ergebnis notwendig, die peripheren Schaltungselemente der Antriebsschaltung größer und schwerer zu machen und folglich das Kühlungssystem, das für die Antriebsschaltung notwendig ist, größer zu machen. Außerdem wird das System um so größere Elemente benötigen, je mehr der Nenneingangs-/-ausgangsstrom erhöht wird, so daß die Dauerverluste der Elemente erhöht werden und die Größe des Kühlungssystems erhöht werden sollte. Daher ist es notwendig, eine geeignete Größe der Gleichstromspannung und des Eingangs-/Ausgangsstromes auszuwählen. Bei der herkömmlichen Leistungssteuereinrichtung werden jedoch die Spannung und der Strom auf der Grundlage der Nennspannung des Gleichstromabschnittes so bestimmt, daß die Anforderung des Verkleinerns des Kühlungssystems immer noch ein Problem bleibt.
Die EP-A 0 594 457 beschreibt eine Steuereinrichtung für ein Elektrofahrzeug entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Steuerung der Leistung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 6. Dort ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die ein Umschalten zwischen einer Wechselstromenergieversorgung und einer Gleichstromenergieversorgung des Wechselrichters und des Induktionsmotors erlaubt.
Es ist eine der Aufgaben dieser Erfindung, welche gerichtet ist auf eine Steuereinrichtung für ein Elektrofahrzeug, die für ein Fahrzeug ausgelegt ist, das sowohl durch einen Wechselstromabschnitt als auch durch einen Gleichstromabschnitt bewegt werden kann, eine Schwankung des Ausgangsstromes von einem Wechselrichter, mit dem ein Induktionsantriebsmotor zu beaufschlagen ist, durch Unterdrücken einer Schwankung einer an einen Filterkondensator anzulegenden Spannung zu verhindern und für die Fahrgäste den Komfort zu verbessern, während das Fahrzeug sowohl durch den Wechselstromabschnitt als auch den Gleichstromabschnitt bewegt wird.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, das Kühlungssystem zu verkleinern, das für die Antriebsschaltung notwendig ist.
Die Steuereinrichtung dieser Erfindung für ein Elektrofahrzeug, die für ein Fahrzeug ausgelegt ist, das sowohl durch einen Wechselstromabschnitt als auch durch einen Gleichstromabschnitt bewegt werden kann, ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gekenn zeichnet. Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Leistung bereit, wie es in Anspruch 6 definiert ist.
Bei dem oben dargelegten Leistungssteuersystem arbeitet die Steuerschaltung, während das Elektrofahrzeug durch den Wechselstromabschnitt bewegt wird, derart, daß zum Zweck des Unterdrückens des Einflusses der Welligkeit, die in dem dem Induktionsantriebsmotor zuzuführenden Ausgangsstrom des Wechselrichters auftritt, die auf der Filterkondensatorspannung auftretende Welligkeit erfaßt wird und die erfaßte Welligkeitsfrequenz der an den VVVF-Wechselrichter anzulegende Frequenzreferenz überlagert wird. Andererseits arbeitet die Steuerschaltung während der Bewegung im Gleichstromabschnitt derart, daß zum gleichen Zweck wie in dem Wechselstromabschnitt die durch die Spannungsschwankung der Gleichstromenergieversorgung verursachte Spannungsschwankung des Filterkondensators als Dämpfungssteuerkomponente erfaßt wird und die Frequenz der erfaßten Schwankung der an den VVVF-Wechselrichter anzulegende Frequenzreferenz überlagert wird. Folglich kann sie den dem Induktionsantriebsmotor zuzuführenden Ausgangsstrom des VVVF-Wechselrichters übereinstimmend mit der Dauermotorstromreferenz entsprechend der Motordrehzahlreferenz ohne einen Einfluß der auf der Spannung auftretenden Welligkeit erzeugen und für die Fahrgäste den Komfort des Elektrofahrzeugs verbessern.
Weiterhin kann aufgrund der Leistungssteuereinrichtung dieser Erfindung jedes Schaltungselement, das für die Abschaltschaltung (Snubber-Schaltung) und das Kühlungssystem notwendig ist, kompakt gemacht werden durch Begrenzen des eingestellten Wertes der Ausgangsspannung des PWM-Wandlers bis hoch zu dem maximalen Wert der Nennspannung der Gleichstromenergieversorgungsleitung und ebenfalls durch Begrenzen des durch die Antriebsschaltung fließenden Stromes und der an diese Schaltung anzulegenden Spannung innerhalb der maximalen Größe des erwarteten Schwankungsbereiches der Gleichstromspannung, während das Elektrofahrzeug entweder durch den Wechselstromabschnitt oder durch den Gleichstromabschnitt bewegt wird.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das eine Antriebsschaltung eines Elektrofahrzeuges des Standes der Technik zeigt, das sowohl durch einen Wechselstromabschnitt als auch durch einen Gleichstromabschnitt bewegt werden kann.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das eine Steuerschaltung der Leistungssteuereinrichtung in der Antriebsschaltung des Standes der Technik zeigt.
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, das eine Steuerschaltung entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
Fig. 4 ist eine Spannungswellenform eines Filterkondensators dieser Erfindung.
Fig. 5 ist ein Bode-Diagramm einer Filterkondensatorspannungssteuereinheit in dieser Erfindung.
Die in Fig. 3 gezeigte Steuerschaltung 120 ersetzt die herkömmliche Steuerschaltung 12 der Antriebsschaltung des Standes der Technik, die in Fig. 1 gezeigt ist. Diese Steuerschaltung 120 enthält eine Filterkondensatorspannungssteuereinheit (FCVC) 120A, einen Wechselstrom/Gleichstrom-Umschalter 120B, eine Modulationsprozentberechnungseinheit (PMDOP) 120C, eine Welligkeitskomponentenerfassungseinheit (RPLD) 120D, einen Dämpfungssteuerkomponentenumschalter 120E, eine Dämpfungssteuerkomponentenberechnungseinheit (DCCOP) 120F und eine Pulsmodusberechnungseinheit (PMOP) 120G.
Die Filterkondensatorspannungssteuereinheit 120A nimmt eine erfaßte Spannung FC des Filterkondensators 11 auf und berechnet eine Spannungssteuerkomponente des Filterkondensators. Der Wechselstrom/Gleichstrom-Umschalter 120B arbeitet mit der Energieversorgungsumschaltschaltung 6 (in Fig. 1 gezeigt) zusammen und schaltet den Ausgang zu der Modulationsprozentberechnungseinheit 120C zwischen dem Wechselstromanschluß und dem Gleichstromanschluß um. Die Modulationsgradberechnungseinheit 120C berechnet die prozentuale Modulation für den VVVF-Wechselrichter 3 auf der Grundlage der erfaßten Spannung FC des Filterkondensators 11 und der erfaßten Motordrehzahl FR. Die Wellig keitskomponentenerfassungseinheit 120D erfaßt die Welligkeit frpAC der Spannung des PWM-Wandlers 2 von der erfaßten Spannung FC des Filterkondensators 11. Der Dämpfungssteuerkomponentenumschalter 120E schaltet seinen Ausgang zwischen der durch die Welligkeitskomponentenerfassungseinheit 120D erfaßten Welligkeit frpAC und der von der Dämpfungssteuerkomponentenberechnungseinheit 120F ausgegebenen Dämpfungssteuerkomponente frpDC um. Die Dämpfungssteuerkomponentenberechnungseinheit 120F berechnet die Dämpfungssteuerkomponente frpDC aus der erfaßten Filterkondensatorspannung FC. Die Pulsmodusberechnungseinheit 120G berechnet eine Frequenzreferenz der PWM- Trägerwelle für den VVVF-Wechselrichter 3 auf der Grundlage der erfaßten Spannung FC des Filterkondensators 11 und der Wechselrichterfrequenzreferenz finv*.
Die Steuerschaltung 120 enthält weiterhin eine Motorstromreferenzberechnungseinheit (MCROP) 120H, eine Schlupffrequenzberechnungseinheit (FSOP) 120J, eine Subtraktionseinheit 120K, eine PI-Motorstromsteuerkomponentenberechnungseinheit (PIMOP) 120M, einen ersten Addierer 120N, eine zweiten Addierer 120P und einen dritten Addierer 120Q und eine PWM-Wellenerzeugungseinheit (PWMGN) 120R.
Die Motorstromreferenzberechnungseinheit 120H berechnet die Motorstromreferenz IM* auf der Grundlage der erfaßten Motordrehzahl FR und der Motordrehzahlreferenz V*. Die Schlupffrequenzberechnungseinheit 120J berechnet die Schlupffrequenzreferenz FS* auf der Grundlage der Motorstromreferenz IM*. Die Subtraktionseinheit 120K leitet eine Abweichung her zwischen dem erfaßten effektiven Motorstrom IM und der Motorstromreferenz IM*, und die PI-Motorstromsteuerkomponentenberechnungseinheit 120M berechnet die Steuerkomponente des Motorstroms auf der Grundlage der von der Subtraktionseinheit 120K ausgegebenen Abweichung. Der erste Addierer 120N addiert die Schlupffrequenz FS* und die Steuerkomponente des Motorstromes. Der zweite Addierer addiert den Ergebniswert des ersten Addierers 120N und die erfaßte Motordrehzahl FR und gibt die Schlupffrequenz FS aus. Der dritte Addierer 120Q addiert die Schlupffrequenz FS von dem zweiten Addierer 120P und die Ausgabe des Dämpfungssteuerkomponentenumschalters 120E und gibt die Wechselrichterfrequenzreferenz finv* an die PWM-Wellenerzeu gungseinheit 120R aus.
Die PWM-Wellenerzeugungseinheit 120R erzeugt ein PWM-Gatesteuersignal auf der Grundlage der prozentualen Modulation von der Modulationsprozentberechnungseinheit 120C, des Pulsmodus von der Pulsmodusberechnungseinheit 120G und der Wechselrichterfrequenzreferenz finv* von dem dritten Addierer 120Q.
Die Wandlerfrequenzreferenz fc* wird durch eine Frequenzeinstelleinheit 12S eingestellt und die Motordrehzahlreferenz V* durch eine Drehzahleinstelleinheit 12T. Beide sind in Fig. 1 dargestellt.
Die Steuerschaltung mit dem oben angegebenen Aufbau arbeitet wie folgt. In dem Wechselstromabschnitt wird der Wechselstrom/Gleichstrom-Umschalter 120B zu dem Wechselstromanschluß geschaltet, und der Dämpfungssteuerkomponentenumschalter 120E wird ebenfalls zu dem Wechselstromanschluß geschaltet, während in dem Gleichstromabschnitt der Wechselstrom/Gleichstrom-Umschalter 120B zu dem Gleichstromanschluß und der Umschalter 120E ebenfalls zu dem Gleichstromanschluß geschaltet wird. Dieser Schaltbetrieb wird gekoppelt mit der Schalttätigkeit der in Fig. 1 gezeigten Energieversorgungsumschaltschaltung 6 ausgeführt.
Befindet sich die Steuerschaltung in dem Wechselstromabschnitt, dann wird das durch den in Fig. 1 gezeigten Spannungsdetektor 14 erfaßte Spannungssignal FC des Filterkondensators 11 gleichzeitig in die Filterkondensatorspannungssteuereinheit 120A und die Welligkeitskomponentenerfassungseinheit 120D eingegeben. Die Filterkondensatorspannungssteuereinheit 120A weist eine Eigenschaft auf, die in dem folgenden Ausdruck (1) dargestellt ist.
G(s) = 1/(1 + T · 2) (1)
T = K&sub2;/f
wobei f: Welligkeitsfrequenz
K&sub2;: Koeffizient.
Die Filterkondensatorspannungssteuereinheit 120A erfaßt die Wellenform der erfaßten Filterkondensatorspannung FC, die in Fig. 4 gezeigt ist, und paßt entsprechend den Koeffizienten K&sub2; in dem Ausdruck (1) derart an, daß die Welligkeitsfrequenz reduziert wird, die durch den Betrieb des SIV 5 und von anderen Elementen verursacht wird und die auf der erfaßten Filterkondensatorspannung FC auftritt. Die Charakteristik dieser Filterkondensatorspannungssteuereinheit 120A entspricht der in dem Bode-Diagramm in Fig. 5 gezeigten Kennlinie. Fig. 5 zeigt, daß die Charakteristik der Filterkondensatorspannungssteuereinheit 120A zu einer großen Reduzierungsrate in dem Bereich von 10-20 Hz der Welligkeitsfrequenz führt, so daß der Einfluß der Welligkeit auf der Spannung des Filterkondensators 11 reduziert werden kann.
Die Spannungssignalausgabe durch die Filterkondensatorspannungssteuereinheit 120A wird zusammen mit der erfaßten Motordrehzahl FR der Modulationsprozentberechnungseinheit 120C zugeführt. In der Modulationsprozentberechnungseinheit 120C wird die prozentuale Modulation für den VVVF-Wechselrichter 3 berechnet und zu der PWM-Wellenerzeugungseinheit 120R ausgegeben.
In dem Wechselstromabschnitt erfaßt die Welligkeitskomponentenerfassungseinheit 120D, die hauptsächlich aus einem Bandpaßfilter besteht, die Welligkeitskomponente frpAC aus dem Vergleich zwischen der erfaßten Spannung FC des Filterkondensators 11 und der Wandlerfrequenzreferenz fc*. Diese Welligkeitskomponentenerfassungseinheit 120D leitet als Welligkeitskomponente frpAC, die der Filterkondensatorspannung FC überlagert ist, die Frequenzkomponente ab, die das Doppelte der Wandlerfrequenzreferenz fc* ist, und gibt die Komponente frpAC an den dritten Addierer 120Q aus, um die Steuerung des Motorstroms zu korrigieren. Wenn zum Beispiel die Wandlerfrequenzreferenz fc* auf 50 Hz eingestellt ist, gibt die Welligkeitskomponentenerfassungseinheit 120D die Welligkeitskomponente frpAC mit einer Frequenz von 100 Hz aus, die das Doppelte der Wandlerfrequenzreferenz fc* ist, und wenn fc* auf 60 Hz eingestellt ist, gibt sie die Welligkeitskomponente frpAC mit einer Frequenz von 120 Hz an den dritten Addierer 120Q aus, um sie zu der Schlupffrequenz FS zu addieren. Andererseits berechnet die Dämpfungssteuerkomponentenberechnungseinheit 120F in dem Gleichstromabschnitt die Spannungsschwankung frpDC aus der erfaßten Filterkondensatorspannung FC mittels einer Zeitdifferentialberechnung und gibt das Ergebnis an den dritten Addierer 120Q aus. Der Dämpfungssteuerkomponentenumschalter 120E schaltet zusammenarbeitend mit der Wechselstrom/Gleichstromenergieversorgungsumschaltschaltung 6 um, um die Welligkeitskomponente frpAC von der Welligkeitskomponentenerfassungseinheit 120D oder die Dämpfungssteuerkomponente frpDC von der Dämpfungssteuerkomponentenberechnungseinheit 120F auszugeben, und in dem dritten Addierer wird die Komponente frpAC oder frpDC zu der Schlupffrequenzreferenz FS von dem zweiten Addierer 120P addiert.
Im Bereich mit konstantem Drehmoment ist der Motorstrom IM des Induktionsantriebsmotors 4 wie der folgende Ausdruck (2) definiert.
IM = K&sub3; · FS (2)
Weiter ist das Drehmoment T des Induktionsantriebsmotors 4 wie der Ausdruck (3) definiert.
T = K&sub4; · (IM²/FS) (3)
wobei IM: erfaßter Motorstrom
K&sub3;, K&sub4;: Proportionalitätskonstanten
FS: Schlupffrequenz
Wie sich aus den Ausdrücken (2) und (3) ergibt, kann das Unterdrücken der Welligkeitsschwankung des Drehmoments T des Induktionsantriebsmotors 4 erreicht werden durch Erhöhen der Schlupffrequenz FS um die Größe, die der der Erhöhung des Motorstromes IM entspricht. Daher wird in dieser Erfindung der Umschaltbetrieb und der Addierbetrieb der Welligkeitskompensationskomponente frpAC oder frpDC zu der Schlupffrequenz FS entsprechend dem aktiven Bewegungsabschnitt eingeführt, um den Einfluß der Welligkeitskomponente, die in der erfaßten Spannung FC des Filterkondensators 11 enthalten ist, auf den Motorstrom IM zu unterdrücken.
Die Berechnung für die Schlupffrequenz FS wird wie folgt ausgeführt. Die Motorstromreferenzberechnungseinheit 120H berechnet die Motorstromreferenz IM* aus der erfaßten Motordrehzahl FR und der Motordrehzahlreferenz V*. Die Schlupffrequenzberechnungseinheit 120J berechnet die Schlupffrequenzreferenz FS* aus der Motorstromreferenz IM* und gibt die Frequenzreferenz FS* zu dem ersten Addierer 120N aus. Andererseits berechnet die Subtraktionseinheit 120K die Abweichung zwischen der Motorstromreferenz IM* und dem durch den Motorstromdetektor 15 erfaßten effektiven Motorstrom IM, und die PI-Motorstromsteuerkomponentenberechnungseinheit 120M berechnet die Motorstromsteuerkomponente aus der Abweichung von der Subtraktionseinheit 120K und gibt sie zu dem ersten Addierer 120N aus. Der erste Addierer 120N addiert die Motorstromsteuerkomponente zu der Schlupffrequenzreferenz FS*, und in dem zweiten Addierer 120P wird weiterhin die erfaßte Motordrehzahl FR zu der Ausgabe von dem ersten Addierer 120N addiert und das Ergebnis wird an den dritten Addiere 120Q als die Schlupffrequenz FS ausgegeben.
Folglich addiert der dritte Addierer 120Q die Schlupffrequenz FS von dem zweiten Addierer 120P und die Welligkeitskompensationskomponente frpAC oder frpDC, die über den Dämpfungssteuerkomponentenumschalter 120E zugeführt wird, und erzeugt die Frequenzreferenz finv* für den VVVF-Wechselrichter 3 und gibt diese Frequenzreferenz finv* an die PWM-Wellenerzeugungseinheit 120R aus.
Die PWM-Wellenerzeugungseinheit 120R berechnet das PWM-Gatesteuersignal auf der Grundlage der prozentualen Modulation von der Modulationsprozentberechnungseinheit 120C, der Frequenzreferenz für die PWM-Trägerwelle von der Pulsmodusberechnungseinheit 120G und der Frequenzreferenz finv* von dem dritten Addierer 120Q und gibt dieses Gatesteuersignal an den VVVF-Wechselrichter 3 für die Gatesteuerung aus.
Folglich kann diese Erfindung die Welligkeitsschwankung des Ausgangsstromes von dem VVVF-Wechselrichter 3 zu dem Induktionsantriebsmotor verhindern durch das Unterdrücken der an dem Filterkondensator auftretenden Schwankung der Spannung und als Konsequenz kann sie die durch die Drehmomentschwankung verursachte Unannehmlichkeit für die Fahrgäste des Elektrofahrzeugs beseitigen, was zu einer Verbesserung des Komforts für die Fahrgäste führt.
Im folgenden wird die zweite bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Die zweite Ausführungsform stellt ein Verfahren des Einstellens einer Gleichstromspannung der Ausgabe des in Fig. 1 gezeigten PWM-Wandlers 2 auf den maximalen Wert einer Nenngleichstromspannung der Gleichstromenergieversorgungsleitung bereit. In dem Gleichstromversorgungsabschnitt ist es für die Antriebsschaltung eines Elektrofahrzeuges notwendig, innerhalb des Schwankungsbereiches der von der Gleichstromversorgungsleitung zugeführten Gleichstromspannung zu arbeiten, da die Spannung der Gleichstromversorgungsleitung und die Gleichstromspannung in der Antriebsschaltung gleich sind. Daher ist es beim Entwerfen der Spannungsfestigkeit von jedem in der Antriebsschaltung zu verwendenden Element und der Kühlungseigenschaft für die Antriebsschaltung notwendig, den maximalen Wert der Gleichstromspannung innerhalb ihres Schwankungsbereiches zu berücksichtigen. Im Gegensatz dazu ist es in dem Wechselstromversorgungsabschnitt durch entsprechendes Einstellen der Charakteristik des Haupttransformators 7 und des PWM- Wandlers 2 möglich, für die Ausgangsspannung des PWM-Wandlers 2 einen beliebigen, gewünschten Wert auszuwählen. Daher ist es vorzuziehen, den Eingangs-/Ausgangsstrom des PWM-Wandlers 2 maximal zu minimieren, wie es durch das Erhöhen der Ausgangsspannung des PWM-Wandlers 2 bis hoch zu dem maximalen Wert des Gleichstromversorgungsabschnittes oder der Nennspannung des Abschnittes erreicht werden kann. Als Ergebnis wird es möglich, den maximalen Strom, der durch den PWM-Wandler 2 fließt, zu reduzieren und folglich jedes in der Abschaltschaltung und in dem Kühlungssystem zu verwendende Elemente zu miniaturisieren. Dieser Vorteil kann maximiert werden, wenn die Ausgangsspannung des PWM-Wandlers 2 auf die der maximalen Spannung der Gleichstromversorgungsleitung oder der Nennspannung des Abschnittes eingestellt wird.
Wie oben dargelegt wurde, kann die Ausgangsspannung des PWM-Wandlers 2 auf den Wert eingestellt werden, der gleich zu der erwarteten maximalen Spannung der Gleichstromversorgungsleitung oder der Nennspannung des Gleichstromversorgungsabschnittes ist, da es möglich ist, die Ausgangsspannung des PWM-Wandlers 2 durch das Auswählen der entsprechenden Parameter für sowohl den Haupttransformator 7 als auch den PWM- Wandler 2 einzustellen. Wenn zum Beispiel die Nennspannung des Gleichstromabschnittes auf 1500 V eingestellt ist und der erlaubte Bereich der Spannungsschwankung innerhalb 900 - 1800 V liegt, ist die Nennspannung in der Gleichstromstufe des PWM-Wandlers 2 auf 1800 V einzustellen.
Durch die obige Einstellung wird der Ausgangsstrom I von dem PWM-Wandler 2 entsprechend dem folgenden Ausdruck (4) bestimmt.
P = V · I · K&sub1; (4)
wobei V: Gleichstromspannung
K&sub1;: Koeffizient des PWM-Wandlers 2, der einen Wirkungsgrad und einen Leistungsfaktor (ungefähr 0,8) enthält
Wenn die Leistung des PWM-Wandlers 2 konstant gehalten wird, kann der Ausgangsstrom des PWM-Wandlers 2 auf 1500/1800 ( = 83,8%) reduziert werden, während die Gleich stromspannung von 1500 V auf 1800 V erhöht wird. Wenn der Strom reduziert wird, kann weiterhin der Abschaltstrom reduziert werden und die erforderliche Kapazität des Abschaltkondensators (Snubber-Kondensator) kann ebenfalls reduziert werden. Diese Tatsache zeigt, daß das Miniaturisieren von in der Antriebsschaltung zu verwendenden Schaltungselementen realisierbar ist.

Claims

1. Steuereinrichtung für ein Elektrofahrzeug, die für ein Fahrzeug ausgelegt ist, das sowohl durch einen Wechselstromabschnitt als auch durch einen Gleichstromabschnitt bewegt werden kann, mit einem Stromkollektor (1) zum Aufnehmen einer elektrischen Energie von einer Energieversorgungsleitung;

einer Wechselstrom/Gleichstrom-Umschalteinrichtung (6) zum Umschalten zwischen einer Wechselstromquelle und einer Gleichstromquelle, die von der Energieversorgungsleitung über den Stromkollektor (1) in Abhängigkeit von dem Wechselstromabschnitt oder dem Gleichstromabschnitt, durch den das Elektrofahrzeug gerade angetrieben wird, zugeführt wird;

einem Haupttransformator (7), dessen Primärseite mit einer Wechselstromausgangsseite der Wechselstrom/Gleichstrom-Umschalteinrichtung (6) verbunden ist, und der zum Transformieren der Wechselstromspeisung dient;

einem Energiewandler (2), der mit einer Sekundärseite des Haupttransformators (7) verbunden ist, und zum Umwandeln einer von dem Haupttransformator (7) abgegebenen Wechselstromenergie in eine Gleichstromenergie dient;

einem Filterkondensator (11), der sowohl mit einem Gleichstromausgangsanschluß der Wechselstrom/Gleichstrom-Umschalteinrichtung (6) als auch mit einem Gleichstromausgangsanschluß des Energiewandlers (2) verbunden ist;

einem Wechselrichter (3), wobei ein Gleichstromeingangsanschluß des Wechselrichters (3) an den Filterkondensator (11) angeschlossen ist;

einem Induktionsantriebsmotor (4), der an einen Wechselstromausgangsanschluß des Wechselrichters (3) angeschlossen ist; und

einer Steuerschaltung (12) zur Ausführung einer mittels Impulsbreitenmodulation (PWM) erfolgenden Gatesteuerung des Wechselrichters (3),

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung weiterhin umfaßt

einen Drehzahldetektor (13) des Induktionsantriebsmotors (4),

einen Motorstromdetektor (15) zum Erfassen eines Effektivstroms, der von dem Wechselrichter (3) zu dem Induktionsantriebsmotor (4) zu speisen ist,

eine Schlupffrequenzreferenzberechnungseinrichtung (120J) zum Berechnen einer Schlupffrequenz auf der Grundlage einer von außen zugeführten Geschwindigkeitsreferenz, einer Motordrehzahl, die durch den Drehzahldetektor (13) erfaßt wird, und des effektiven Motorstroms, der durch den Motorstromdetektor (15) erfaßt wird,

eine Welligkeitskomponentenerfassungseinrichtung (120D) zum Erfassen einer Welligkeitskomponente einer Filterkondensatorspannung als eine Welligkeitskomponente (frpAC) der von dem Energiewandler (2) abgegebenen Ausgangsspannung, während das Elektrofahrzeug durch den Wechselstromabschnitt angetrieben wird,

eine Dämpfungssteuerkomponentenerfassungseinrichtung (120F) zum Erfassen der Größe einer Spannungsschwankung des Filterkondensators (11) als eine Dämpfungssteuerkomponente (frpDC), während das Elektrofahrzeug durch den Gleichstromabschnitt angetrieben wird,

einen Addierer (120Q) zum Addieren der von der Welligkeitskomponentenerfassungseinrichtung (120D) stammenden Welligkeitskomponente (frpAC) oder der von der Dämpfungssteuerkomponentenerfassungseinrichtung (120F) stammenden Dämpfungssteuerkomponente (frpDC) zu der von der Schlupffrequenzreferenzberechnungseinrichtung (120J) abgegebenen Schlupffrequenzreferenz und zum Anlegen derselben an den Wechselrichter als eine Wechselrichterfrequenzreferenz (finv*), und

eine weitere Schalteinrichtung (120E), die mit der Wechselstrom/Gleichstrom- Umschalteinrichtung (6) korreliert ist und zum Umschalten zwischen der von der Welligkeitskomponentenerfassungseinrichtung (120D) stammenden Welligkeitskomponente (frpAC) und der von der Dämpfungssteuerkomponentenerfassungseinrichtung (120F) stammenden Dämpfungssteuerkomponente (FrpDC) und zum Anlegen derselben an den Addierer (120Q) ausgelegt ist.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuerschaltung (12) weiterhin eine Kondensatorspannungserfassungseinrichtung (14) zum Erfassen einer Spannung des Filterkondensators (11), wobei die Erfassungseinrichtung (14) eine Übertragungscharakteristik aufweist, durch die eine Welligkeitskomponente mit einer vorbestimmten Frequenz, deren Auftreten in der Filterkondensatorspannung erwartet wird, verringert wird, und eine Modulationsprozentberechnungseinrichtung (120C) zum Berechnen einer prozentualen Modulation des Wechselrichters (3) auf der Grundlage der Spannung des Filterkondensators (11), die durch die Kondensatorspannungserfassungseinrichtung (14) erfaßt wird, und der Motordrehzahl, die durch den Drehzahldetektor (13) erfaßt wird, aufweist.

3. Steuereinrichtung für ein Elektrofahrzeug, nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein mit Pulsbreitenmodulation arbeitender Wandler als der Energiewandler (2) eingesetzt wird.

4. Steuereinrichtung für ein Elektrofahrzeug nach Anspruch 3, bei der die Welligkeitskomponentenerfassungseinrichtung (120D) dadurch charakterisiert ist, daß eine Welligkeitskomponente mit einer Frequenz erfaßt wird, die doppelt so groß ist wie die Frequenzreferenz für den mit Pulsbreitenmodulation arbeitenden Wandler (2).

5. Steuereinrichtung für ein Elektrofahrzeug, gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem der Energiewandler (2) so ausgelegt ist, daß er eine begrenzte Spannung bis hin zu dem maximalen Wert einer Nennspannung der Gleichstromversorgungsleitung abgibt.

6. Verfahren zur Steuerung der Leistung eines Elektrofahrzeugs, das sich unter Antrieb sowohl durch einen Wechselstromabschnitt als auch durch einen Gleichstromabschnitt bewegt, mit den Schritten

Umschalten zwischen einer Wechselstromenergie und einer Gleichstromenergie, die von einer Energieversorgungsleitung über einen Stromwandler (1) zugeführt werden, in Abhängigkeit davon, ob das Elektrofahrzeug durch den Wechselstromabschnitt oder den Gleichstromabschnitt angetrieben wird,

Transformieren der von der Energieversorgungsleitung stammenden Wechselstromversorgung, während sich das Fahrzeug unter Antrieb durch den Wechselstromabschnitt bewegt,

Umwandeln einer Wechselstromenergie, die durch den Transformationsschritt bereits einmal umgewandelt worden ist, mit Hilfe eines Energiewandlers (2) in eine Gleichspannung,

Gleichrichten der Gleichspannung durch eine Filterreaktanz (10) und eine Filterkapazität (11),

Umwandeln der gleichgerichteten Gleichspannung in eine Wechselspannung für einen Induktionsantriebsmotor (4) mit Hilfe eines Wechselrichters (3),

gekennzeichnet durch die Schritte

Erfassen einer Motordrehzahl des Induktionsantriebsmotors (4),

Erfassen eines effektiven Motorstroms, der von dem Wechselrichter (3) zu dem Induktionsantriebsmotor (4) zu speisen ist,

Berechnen einer Schlupffrequenz auf der Grundlage einer Motordrehzahlreferenz, die von außen zugeführt wird, der erfaßten Motordrehzahl und des erfaßten effektiven Motorstroms,

Erfassen einer Welligkeitskomponente einer Spannung des Filterkondensators, während sich das Elektrofahrzeug unter Antrieb durch den Wechselstromabschnitt bewegt,

Erfassen einer Größe einer Spannungsschwankung des Filterkondensators (11) als eine Dämpfungssteuerkomponente, während sich das Elektrofahrzeug unter Antrieb durch den Gleichstromabschnitt bewegt,

Korrelieren des Schritts der Umschaltung zwischen der Wechselstromenergie und der Gleichstromenergie, und der Umschaltung zwischen der erfaßten Welligkeitskomponente und der erfaßten Dämpfüngssteuerkomponente, derart, daß die erfaßte Welligkeitskomponente oder die erfaßte Dämpfungssteuerkomponente abgegeben wird, und

Addieren der erfaßten Welligkeitskomponente oder der erfaßten Dämpfungssteuerkomponente zu der Schlupffrequenzreferenz, und Abgeben des Ergebnisses an den Wechselrichter (3) als eine Wechselrichterfrequenzreferenz.

7. Verfahren zur Steuerung der Leistung eines Elektrofahrzeugs nach Anspruch 6, das weiterhin die Schritte aufweist

Erfassen einer Spannung des Filterkondensators (11),

Verringern einer Welligkeitskomponente mit einer vorbestimmten Frequenz, deren Auftreten in der Spannung des Filterkondensators erwartet wird, und

Berechnen einer prozentualen Modulation des Wechselrichters (3) auf der Grundlage der erfaßten Spannung des Filterkondensators (11) und der erfaßten Motordrehzahl.

8. Verfahren zur Steuerung der Leistung eines Elektrofahrzeugs nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Schritt der Erfassung der Welligkeitskomponente dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Welligkeitskomponente mit einer Frequenz erfaßt wird, die doppelt so groß ist wie eine Frequenzreferenz für den Energiewandler (2).

9. Verfahren zur Steuerung der Leistung eines Elektrofahrzeugs nach Anspruch 6, 7 oder 8, das weiterhin den Schritt der Festlegung einer Ausgangsspannung des Energiewandlers (2) auf eine begrenzte Spannung bis hoch zu dem maximalen Wert einer Nennspannung der Gleichstromversorgungsleitung umfaßt.