CN103796865B - 具有由换流器供电的永磁激励同步电机的电池运行车辆的驱动*** - Google Patents

具有由换流器供电的永磁激励同步电机的电池运行车辆的驱动*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电池运行的车辆的驱动***（2），该驱动***具有：永磁激励的同步电机（10），该同步电机的定子侧的端子（U，V，W）与自换相的换流器（8）的交流电压侧的端子（R，S，T）导电地连接；以及用于受控地短接永磁激励的同步电机（10）的定子侧的端子（U，V，W）的设备（26）。根据本发明，该设备（26）具有三个晶闸管（44），这些晶闸管电连接成三角形。因此获得电池运行的车辆的驱动***（2），其中在自换相的换流器（8）或其控制和调控装置（24）的故障情况下，同样能够使出现的制动力矩最小化预定的时间段，从而使得电池运行的车辆在该故障情况下保持行迹稳定。

Description

具有由换流器供电的永磁激励同步电机的电池运行车辆的驱动***
技术领域
本发明涉及一种电池运行的车辆的驱动***。
背景技术
由DE102009044281A1已知一种电池运行的车辆的驱动***并且在图1中详细示出。在由2表示的已知的驱动***的所述方框图中，用4表示储能器，用6表示双向的直流转换器，用8表示自换相的换流器，该自换相的换流器也称作脉冲换流器，用10表示驱动电机，尤其是永磁激励的同步电机，并且用12表示电池运行的车辆的驱动轴或驱动轮。对此，将例如为蓄电池的储能器4的电压转换成脉冲换流器8的直流电压的双向的直流电压转换器6具有两个电串联的可关断的半导体T8和T10，尤其是绝缘栅双极型晶体管(Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren，IGBT)，其连接点14借助于扼流圈16与储能器4的脉冲端子导电地连接。在输出端侧上，所述双极型直流电压转换器6具有缓冲电容器18，借助所述缓冲电容器来平滑和缓冲所述直流电压转换器的输出电压。为了将双向的直流电压转换器6的两个输出端子与自换相的换流器8的相应的直流电压侧的端子DC+、DC-连接而设有两个电流母线20和22。电流母线20也称作正的直流电压母线，电流母线22称作负的直流电压母线。通过所述连接是尽可能低电感的，所述两个电流母线20和22以相互间尽可能小的间距铺设。自换相的换流器8实施成是三相的，因为三相的永磁激励的同步电机设置作为驱动电机10。自换相的换流器8具有三个半桥，这些半桥相对于自换相的换流器8的直流电压侧的端子DC+和DC-电并联并且这些半桥分别具有两个串联的可关断的功率半导体T1、T2或T3、T4或T5、T6。IGBT被设置作为可关断的功率半导体T1、T2、T3、T4、T5、T6，因此自换相的换流器8也称作IGBT脉冲换流器。两个可关断的功率半导体T1、T2或T3、T4或T5、T6的各一个连接点形成自换相的换流器8的交流电压侧的端子R或S或T。驱动电机10具有三个定子线圈La、Lb和Lc，这些定子线圈电连接成星形并且这些定子线圈的自由端部分别形成定子侧的端子U、V、W。IGBT脉冲换流器8的每个交流电压侧的端子R、S和T与驱动电机10的相关联的定子侧的端子U、V和W导电地连接。驱动电机10的转子机械地与电池运行的车辆的驱动轮12或驱动轴12连接。为了控制IGBT脉冲换流器8的可关断的功率半导体T1、T2、T3、T4、T5，T6和双向的直流电压转换器6的可关断的功率半导体T8和T10而设有控制和调控装置24。
由DE102006060053A1已知了一种电池运行的车辆的驱动***，该驱动***不具有双向的直流电压转换器6。在该驱动***中，储能器4和缓冲电容器18相对于自换相的换流器8的直流电压侧的端子DC+和DC-电并联。除此之外，与DE102009044281A1的驱动***2没有其他不同之处。
在永磁激励的同步电机10的运行时，尤其是在弱磁运行时，通过自换相的换流器8的故障或者通过控制和调控装置24由于经由自换相的换流器8的空程二极管V1……V6的能量回授而引起的故障，在储能器4中或在没有详细示出的制动电阻中出现制动力矩，所述制动力矩的曲线在图2的图表中详细示出。所述制动力矩例如在具有最大振幅的最大转速nmax的情况下开始并且随着转速变小而减小。当驱动电机10的电机力(EMK)通过转速n减小而相对于要在自换相的换流器8的直流电压侧的端子DC+和DC-上出现的直流电压相应地变小时，该制动力矩为零。除了制动力矩的所述曲线之外，能够附加地出现超电压，该超电压会损毁自换相的换流器8或另外的连接于直流电压电流母线20和22的设备。
在电池运行的车辆中，这种制动力矩是不期望的并且也是不能接受的，因为这种电池运行的车辆的车辆驾驶者会这种运行状态感到非常意外。制动仅由车辆驾驶者导入和控制。此外，这种突然出现的制动力矩还能够引起电池运行的车辆滑向一旁，造成车辆的和其他车辆损坏或毁坏并且可能造成车辆驾驶者受伤。为了在永磁激励的同步电机10尤其在弱磁运行中运行时在驱动***2的自换相的换流器8的或其控制和调控装置24的故障情况下克制超电压和制动力矩，自换相的换流器8被控制为，使其出现“电枢短路”的运行状态。在该运行状态中，上部的或下部的可关断的功率半导体T1、T3、T5或T2、T4、T6接通，由此永磁激励的同步电极10的定子线圈La、Lb和Lc短接。由此，所述同步电机10的现有的动能经由定子线圈La、Lb和Lc转换成热量。由此，该动能不再能够转换为引起超电压的电能。借助于这样控制的电枢短路，在故障情况下导入紧急制动。借助于电枢短路产生的制动力矩的转矩曲线在图3的图表中详细示出。从所述曲线推导出，在最大转速nmax的情况下，具有最小振幅的制动力矩开始并且随着转速n减小而增大。在小转速的情况下，该制动力矩的振幅非常快地上升到其最大值并且在此之后非常快地减小直至转速n＝0。
为了在故障情况下减小高的制动力矩(图2)，容易理解的是，接入电枢短路。因为在自换相的换流器的或自换相的换流器的控制和调控装置的故障情况下取消产生电枢短路，电枢短路仅借助于外部设备导入。
在图4中详细示出用于在根据图1的驱动***2中产生外部的电枢短路的设备26，其中出于概览性的原因，仅示出自换相的换流器8、缓冲电容器18和永磁激励的同步电机10。设备26具有6引脚的二极管桥28和晶闸管30。各两个串联的二极管形成交流电压侧的端子U2或V2或W2。各两个二极管的三个串联电路电并联并且形成两个直流电压侧的端子32和34，相对于该端子，晶闸管30接入为，使得其阴极端子与6引脚的二极管桥28的端子32并且其阳极端子与端子34导电地连接。设备26的交流电压侧的端子U2、V2和W2与永磁激励的同步电机10的相应的定子侧的端子U、V和W导电地连接。
在故障情况下点燃晶闸管30，由此该晶闸管将两个直流电压侧的端子32和34导电地彼此连接。由此，6引脚的二极管桥28在直流电压侧上短接。因为永磁激励的同步电机10的定子侧的端子U、V和W连接于6引脚的二极管桥28的交流电压侧的端子U2、V2和W2，该同步电机10的定子线圈La、Lb和Lc被短接。晶闸管30能够借助于熄灭电路再次关断。同样地，已点燃的晶闸管30在其引导交流电流时熄灭。只要电流过零(符号改变)，晶闸管30熄灭。因为在6引脚的二极管桥28的直流电压侧的端子32和34上存在直流电压，当直流电压变成零时，晶闸管30才熄灭。因此，设备26产生制动力矩曲线，例如在图3的图表中示出的曲线。
如果没有接入外部的电枢短路，根据图2的图表的制动力矩在转速nk时又为零。也就是说，在小于转速nk的转速n的情况下，制动力矩不再产生作用。在根据图3的制动力矩曲线的情况中，制动力矩仍产生作用，其中制动力矩的最大值在转速非常小时才实现。由此，电池运行的车辆又在没有车辆驾驶者协助的情况下制动至几乎停止，其中在小速度的情况下非常强地制动。这种特性是后面的车辆难以估计的，在这种情况并不与交通相关地产生时，是格外难以估计的。
因此，期望的是，在转速n≤nk的情况下，再次取消外部电枢短路。但是，这借助设备26是不可能的，因为在没有用于晶闸管30的附加的熄灭电路的情况下，晶闸管不能够在预定的时刻关断。这种熄灭电路使设备26更为复杂并且该熄灭电路由二极管桥28造成的附加的损耗功率是不经济的。
期望的制动力矩的曲线在图5的图表中详细示出。如果在转速n≤nk时能够再次取消外部电枢短路，该曲线将出现。
在图6中示出设备26的另一个实施形式，该实施形式由EP0742637A1中已知。在设备26的已知的实施形式中设有三个保护装置36，这些保护装置电连接成三角形。两个保护装置36的各一个连接点38、40与永磁激励的同步电机10的定子侧的端子U或V或W导电地连接。借助于保护装置，能够在每个任意的时刻接入并且再次取消电枢短路。当然，如果设备26的保护装置36应当中断时，设备26还能够启动外部电枢短路。通过在负载下允许的开关间隙的受限的数量，设备26的实施形式不能够应用在电池运行的车辆的驱动***2中。此外，机电器件与电子器件相比要求更大的安装空间，并且此外，电池运行的车辆中的机电器件不再是合乎时势的。借助设备26的所述实施形式能够产生根据图5的制动力矩的曲线。
发明内容
现在，本发明的目的在于这样地对已知的用于受控地短接永磁激励的同步电机的定子侧的端子的设备进行改进，使得不再必须使用机电器件。
通过应用三个晶闸管来代替三个保护装置，得到用于受控地短接永磁激励的同步电机的定子侧的端子的设备的尤其紧凑的实施形式。如果这三个晶闸管不再受到触发，各个相电流在熄灭之前仍继续流动直至其自然的交零点。
在用于受控地短接永磁激励的同步电机的定子侧的端子的设备的一个可选的设计方案中，替代三个保护装置设有两个晶闸管对。每个晶闸管对具有两个晶闸管，这两个晶闸管彼此反并联。通过不再触发每个晶闸管对的晶闸管，借助于设备的所述实施形式能够在任意时刻再次取消接入的电枢短路。
在用于受控地短接永磁激励的同步电机的定子侧的端子的设备的一个有利的实施形式中，三个晶闸管对电连接成星形，其中这三个晶闸管对的星形结点借助于电阻(分流电阻)与中性点形成器的星形结点导电地连接。所述实施形式的优点在于，在电池运行的车辆的驱动***的运行期间，能够测试所述设备的高效能性。在测试时，将每个晶闸管接入并且确定：三个晶闸管对的星形结点上的电压是否与中性点形成器的星形结点相反。当电流能够流过分流电阻时，这种电压才在所述电阻上出现。当相应的晶闸管也已经真正接入时，所述电流才流动。由此，电池运行的车辆的驱动***能够在运行的任意时刻确定，用于受控地短接永磁激励的同步电机的定子侧的端子的设备是否仍是作用良好的，使得在自换相的换流器的或其控制和调控装置的故障情况下能够使出现的制动力矩最小化。
附图说明
为了继续阐明本发明而参考附图，在所述附图中根据本发明示意地说明电池运行的车辆的驱动***的用于受控地短接永磁激励的同步电机的定子侧的端子的设备的多个实施形式。
图1示出电池运行的车辆的已知的驱动***的方框图，
图2示出了在根据图1的驱动***的自换相的换流器或其控制和调控装置的故障情况下的制动力矩的曲线的图表，
图3示出了在根据图1的驱动***的自换相的换流器接入电枢短路的情况下的制动力矩的曲线的图表，
图4示出具有用于外部接入电枢短路的设备的根据图1的驱动***的方框图，
图5示出了在根据图1的驱动***的自换相的换流器或其控制和调控装置的故障情况下期望的制动力矩的曲线的图表，
图6示出了具有用于外部接入电枢短路的设备的另一个已知的实施形式的根据图1的驱动***的方框图，
图7和8分别示出了在根据图1的驱动***中用于外部接入电枢短路的设备的根据本发明的实施形式，并且
图9示出在根据图1的驱动***中用于外部接入电枢短路的设备的一个根据本发明的有利的实施形式的方框图。
具体实施方式
由于根据图1对驱动***2进行概览性的陈述的原因，在图7中仅示出缓冲电容器18、自换相的换流器8和永磁激励的同步电机10。此外，方框图示出设备26的根据本发明的实施形式，借助于该设备能够将永磁激励的同步电机10的定子侧的端子U、V和W短接预定的时间段。对此，设备具有三个晶闸管44，这些晶闸管电连接成三角形。两个晶闸管44的各一个连接点38、40和42与永磁激励的同步电机10的定子侧的端子U或V或W导电地连接。如果IGBT脉冲换流器8或其控制和调控装置24由于故障而中断，尤其是在永磁激励的同步电机10的弱磁运行中，这三个晶闸管44被触发，使得这些晶闸管接通并且保持住。在永磁激励的同步电机10的转速n下降到转速值nK的时刻，阻止这三个晶闸管24的点燃信号。由此，各个相电流(定子电流)在其熄灭之前继续流动至其自然的交零点。从所述时刻开始，又取消外部接入的电枢短路，使得不再产生制造力矩。制动力矩的所述受控的曲线相应于根据图5的制动力矩的曲线。
在图8中示出具有根据本发明的用于受控地短接永磁激励的同步电机10的定子侧的端子U、V、W的设备26的一个替选的设计方案的根据图1的驱动***2的方框图的一部分。设备26的所述替选的实施形式与根据图7的设备26的实施形式的不同之处在于，现在设有至少两个晶闸管对46，这两个晶闸管对各具有两个晶闸管48，这些晶闸管分别相互反并联。但是，也能够为根据图7的设备26的每个晶闸管48应用晶闸管对46。因为设备26仅借助两个晶闸管对46也是有效的，第三晶闸管对46虚线地示出。具有两个晶闸管对46的设备26形成具有三个晶闸管对46的设备26的所谓的经济电路。在该设备26中，在IGBT脉冲换流器8或其控制和调控装置24的故障情况下也触发全部的晶闸管48，使得晶闸管接入以用于定子电流(相电流)的负的或正的半波。在转速实际值nK的时刻，阻止全部的点燃脉冲。
在图9中详细示出根据本发明的用于受控地短接永磁激励的同步电机10的定子侧的端子U、V和W的设备26的一个有利的实施形式。在设备26的有利的实施形式中，三个晶闸管对46电连接成星形。所述连接成星形的晶闸管对46的星形结点50借助于电阻(分流电阻)与中性点形成器56的星形结点54导电地连接。所述中性点形成器由三个高电阻值的电阻58、60和62组成，所述电阻连接成星形。这三个高电阻值的电阻58、60和62的自由端部分别与永磁激励的同步电机10的定子侧的端子U、V或W导电地连接。
替代电连接成星形的晶闸管对46，也能够设有晶闸管和二极管的反并联电路。由此节约三个晶闸管和三个点燃电路，而没有对所述设备26的作用方式造成些微的改变。三个反并联电路的所述星形电路是三个晶闸管对46的星形电路的所谓的经济电路。
设备26的所述实施形式的优点在于，在电池运行的车辆的驱动***2运行期间，能够在任意时刻进行检查，设备26的晶闸管48是否仍是作用良好的。晶闸管48的作用良好性确保，在IGBT脉冲换流器8或其控制和调控装置24的故障情况下仍能够使制动力矩的出现最小化，使得电池运行的车辆保持为是行迹稳定的并且车辆驾驶者不再对突然的制动作用感到意外。
在所述测试中，每个晶闸管48被单独地控制为，使得晶闸管接入用于半周期。由此，电流从IGBT脉冲换流器8的交流电压侧的端子R或S或T经由分流电阻52流动至中性点形成器56的人工的星形结点54。由此，能够截取分流电阻52上的电压UT。该电压UT是晶闸管48已经接入的标志。所述测试循环在每个晶闸管48中执行。只要没有确定六个可能的电压UT中的至少一个电压UT，那么向车辆驾驶者指出所述故障或者驱动***2被置于紧急运行，借此由于自换相的换流器8中的或其控制和调控装置24中的故障造成的突然出现的制动力矩在幅度上被降低至非常小。

Claims (6)

1.一种电池运行的车辆的驱动***(2)，具有：永磁激励的同步电机(10)，所述永磁激励的同步电机的定子侧的端子(U，V，W)与自换相的换流器(8)的交流电压侧的端子(R，S，T)导电地连接；和用于受控地短接所述永磁激励的同步电机(10)的定子侧的端子(U，V，W)的设备(26)，其特征在于，所述设备(26)具有三个晶闸管对(46)，所述晶闸管对电连接成星形，所述星形的星形结点(50)借助于电阻(52)与中性点形成器(56)的星形结点(54)导电地连接，并且所述晶闸管对(46)的自由端部分别与所述永磁激励的同步电机(10)的所述定子侧的端子(U，V，W)连接。
2.根据权利要求1所述的驱动***(2)，其特征在于，每个所述晶闸管对(46)具有两个晶闸管(48)，所述晶闸管彼此反并联地电连接。
3.根据权利要求1所述的驱动***(2)，其特征在于，每个所述晶闸管对(46)具有一个晶闸管和一个二极管，所述晶闸管和所述二极管反并联地电连接。
4.根据权利要求1所述的驱动***(2)，其特征在于，所述中性点形成器(56)具有三个高电阻值的电阻(58，60，62)，所述电阻在一侧与所述中性点形成器(56)的星形结点(54)并且在另一侧分别与所述永磁激励的同步电机(10)的所述定子侧的端子(U，V，W)导电地连接。
5.根据权利要求1所述的驱动***(2)，其特征在于，所述自换相的换流器(8)的可关断的功率半导体(T1，T2，T3，T4，T5，T6)是绝缘栅双极型晶体管。
6.根据权利要求1所述的驱动***(2)，其特征在于，所述自换相的换流器(8)的可关断的功率半导体(T1，T2，T3，T4，T5，T6)是MOS场效应晶体管。
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