CN110945766A - 用于操控脉冲宽度调制变流器的方法、用于脉冲宽度调制变流器的控制设备、变流装置和电驱动*** - Google Patents

用于操控脉冲宽度调制变流器的方法、用于脉冲宽度调制变流器的控制设备、变流装置和电驱动*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及根据变流器的输入电压对在该变流器中的PWM频率的适配。在这种情况下，通过根据输入电压来使在该变流器中的PWM频率适配，可以使在该变流器的输入侧的纹波发生变化。在此，在输入电压高时尤其可能的是：通过使PWM频率适配来将纹波减小到最低限度并且因此减小输入电压与纹波之和。

Description

用于操控脉冲宽度调制变流器的方法、用于脉冲宽度调制变 流器的控制设备、变流装置和电驱动***
技术领域
本发明涉及一种用于操控脉冲宽度调制变流器的方法、一种用于脉冲宽度调制变流器的控制设备、一种变流装置以及一种电驱动***。
背景技术
出版文献DE 10 2008 050 543 A1公开了一种用于逆变器的中间电路的以防过压的保护电路。该保护电路被设置用于保护中间电路以防过压，而且具有接在中间电路上游并且能跨接的预切换元件，用于对中间电路的限压。该预切换元件借助于机械切换装置来跨接，在逆变器的馈电运行下，如果中间电路电压大于预先给定的电压极限值，则该机械切换装置断开。
电动和混合动力车辆的逆变器为了自我保护以防中间电路电压过高而具有过压切断装置。该过压切断装置尤其可以被实现为硬件。为了在故障情况下尽可能宽地限制中间电路电压，将过压切断装置的触发阈的公差下限设置得尽可能接近逆变器的所容许的调节范围。
在这种情况下，逆变器的中间电路电压由输入电压的恒定分量和所叠加的纹波组成。该纹波由于对逆变器输出级的脉冲宽度调制（英文Pulse Width Modulation或简称PWM）的时控而形成。在此，该纹波非常强烈地取决于脉冲宽度调制的频率、在逆变器中的相电流、调制度和连接到逆变器上的电机的功率因数。因而，为了规定用于过压切断装置的阈，将中间电路电压检测的不准确性的公差和在最大运行电压上运行时的最大电压纹波加到最大运行电压上。该值定义了过压切断装置的所容许的最小干预下限。
发明内容
本发明公开了一种具有专利权利要求1的特征的用于脉冲宽度调制变流器的控制设备、一种具有专利权利要求7的特征的变流装置、一种具有专利权利要求8的特征的电驱动***和一种具有专利权利要求9的特征的用于操控脉冲宽度调制变流器的方法。
因此规定：用于脉冲宽度调制变流器的控制设备。该控制设备被设计为：确定变流器的输入电压的值；而且如果所确定的输入电压的值超过预先确定的阈值，则使在变流器中的脉冲宽度调制的频率适配。
此外还规定：变流装置，该变流装置具有脉冲宽度调制变流器和按照本发明的控制设备。
此外还规定：电驱动***，该电驱动***具有电机、脉冲宽度调制变流器和按照本发明的用于脉冲宽度调制变流器的控制设备。
最后规定：用于操控脉冲宽度调制变流器的方法。该方法包括如下步骤：确定对变流器的输入电压。该方法还包括如下步骤：如果所确定的输入电压的值超过预先确定的阈值，则使在变流器中的脉冲宽度调制的频率适配。
本发明的优点
本发明所基于的认识在于：在脉冲宽度调制变流器的输入电压上的电压纹波、也就是说在变流器的中间电路中的电压尤其取决于在变流器中的脉冲宽度调制的频率。因而，例如对于设定在变流器中的过压切断装置的干预极限来说，除了所容许的最大运行电压之外，也必须考虑出现的最大电压纹波。在此，所述出现的最大电压纹波必须被加到最大运行电压上。这可能导致针对过压切断装置的响应的相对高的干预极限。
因而，本发明所基于的思路在于：考虑该认识并且设置针对脉冲宽度调制变流器的操控，该操控尤其是在变流器的输入电压高时减小出现的电压纹波。因为脉冲宽度调制变流器的变流器尤其也取决于在变流器中的脉冲宽度调制的频率，因而规定：在变流器上的输入电压高时使脉冲宽度调制的频率适配。以这种方式，在输入电压高时，可以减小由于脉冲宽度调制而引起的电压纹波。在此，通过尤其是在输入电压高时减小电压纹波，可能的是：降低过压切断装置进行干预的电压阈。而在输入电压低时，相对高的电压纹波也就不关键，使得在输入电压较低时，不必对脉冲宽度调制的频率进行适配或者只须对脉冲宽度调制的频率进行相对小的适配。
降低过压切断装置进行干预的响应阈导致：在变流器中出现的最大电压更小。经此，可以降低在变流器中的器件的可能损坏的危险。以这种方式，可以提高变流器的可靠性和使用寿命。
此外，由于过压切断装置进行干预的阈更低并且与之相关联的在变流器中最大电压更小，也可以使在电变流器中的器件相对应地确定参数。这导致：可以使用更小的、更轻的并且成本也更低廉的器件。以这种方式，可以减小变流器所需的结构空间并且可以降低变流器的制造成本。
对于使在变流器中的脉冲宽度调制的频率适配所考虑的输入电压尤其是在运行期间施加在变流器的中间电路上的电压。该输入电压在最大程度上对应于由电压源、诸如电动或混合动力车辆的牵引电池提供的电压。
在这种情况下，在变流器中的脉冲宽度调制的频率应被理解为变流器或换流器的一般被称作“PWM频率”的频率。由于普遍流行将简称PWM用于德语名词“Pulsbreitenmodulation（脉冲宽度调制）”，这里在下文也使用该简称。该PWM频率尤其是用来接通和关断变流器中的各个切换元件的频率。在常规的变流器中，该PWM频率通常固定地预先给定。
输入电压的如下预先确定的阈值例如可以被设定到固定的、恒定的电压值：在超过该预先确定的阈值时，使变流器的脉冲宽度调制的频率适配。例如，可以选择如下电压值作为预先确定的阈值，该电压值对应于在变流器中所容许的最大电压的预先给定的一部分。这样，例如可以选择在变流器中所容许的最大电压或最大输入电压的50%、70%、80%、90%、92%或95%，作为预先确定的阈值。
按照一个实施方式，该控制设备被设计为：如果所确定的输入电压的值超过预先确定的阈值，则将在变流器中的脉冲宽度调制的频率设定到预先给定的值。以这种方式，如果输入电压升高，则可以使脉冲宽度调制的频率特别简单地适配。
按照一个实施方式，该控制设备被设计为：如果所确定的输入电压的值超过预先确定的阈值，则按照预先确定的函数来使在变流器中的脉冲宽度调制的频率适配。通过基于预先确定的函数来使脉冲宽度调制的频率适配，可以使脉冲宽度调制的频率在调节范围内动态地适配。以这种方式，可以分别选择脉冲宽度调制的频率的最佳工作点。作为函数，例如可以选择至少部分线性的函数、阶跃函数、二次函数或任意的其它函数。
按照一个实施方式，用于使脉冲宽度调制的频率适配的函数根据变流器的输入电压、变流器的输出电压的频率和/或连接到变流器上的耗电器的额定值来指定该频率。耗电器的这种额定值例如可以是电机的所要设定的转矩、电流、诸如相电流或者也可以是任意的其它参数。以这种方式，在设定在变流器中的脉冲宽度调制的频率时可以分别设定特别适合的工作点。
按照一个实施方式，该控制设备被设计为：将噪声或者任意的其它函数与在变流器中的脉冲宽度调制的频率叠加。尤其是，例如可以使窄带的噪声与脉冲宽度调制的频率叠加。经此，可以改善电磁兼容性并且可以使对变流器周围的其它电子设备的可能的干扰影响降低到最低限度。
按照一个实施方式，该控制设备被设计为：借助于电压传感器来检测变流器的输入电压的值。附加地或替选地，该控制设备也可以被设计为：借助于通信接口来接收变流器的输入电压的值。例如，该控制设备可以经由适当的连接来接收所连接的电压源、诸如电动或混合动力车辆的牵引电池的值并且考虑所接收到的该电压值。在这种情况下，例如可以将所接收到的电压值直接用作输入电压值，或者可以从所接收到的电压值推导、即计算输入电压的值。此外，当然也可设想的是用于检测输入电压的任意其它途径。
按照用于操控脉冲宽度调制变流器的方法的一个实施方式，如果所确定的输入电压的值超过预先确定的阈值，则用于使脉冲宽度调制的频率适配的步骤可以提高脉冲宽度调制的频率。由于使脉冲宽度调制的频率提高，电压纹波通常降低。因此，可以实现：尤其是在输入电压高时，由于电压纹波较低，可能存在的过压保护设备没有过早地响应，或者换言之，过压保护设备的可能的干预阈可以被降低，因为由于通过脉冲宽度调制的频率较高而使电压纹波较低，同样降低了最大总电压。
按照用于操控该变流器的方法的一个实施方式，用于使脉冲宽度调制的频率适配的步骤只有在脉冲宽度调制的当前频率低于预先给定的极限值的情况下才使脉冲宽度调制的频率适配。经此，尤其是在使脉冲宽度调制的频率动态适配的情况下，可以保证：只有在脉冲宽度调制的频率低时，才调整脉冲宽度调制的频率。如果由于对脉冲宽度调制频率的动态适配而已经将脉冲宽度调制的频率选择得高，则可以省去对脉冲宽度调制的频率的进一步的调整以及尤其是提高。
只要合理，上面的设计方案和扩展方案就可以彼此任意地组合。本发明的其它设计方案、扩展方案和实现方案也包括本发明的之前或者在下文关于实施例所描述的特征的没有明确提到的组合。本领域技术人员尤其是也将把单个方面作为改善或补充添加到本发明的相应的基本形式。
附图说明
随后，本发明依据在附图的示意图中说明的实施例进一步予以阐述。在此：
图1示出了按照一个实施方式的具有用于变流器的控制设备的电驱动***的示意图；
图2示出了如按照一个实施方式的PWM频率适配所基于的电压-频率图表的示意图；
图3示出了如按照另一实施方式的PWM频率适配所基于的电压-频率图表的示意图；
图4示出了按照一个实施方式的用于使PWM频率适配的示意图；而
图5示出了如按照一个实施方式的用于操控脉冲宽度调制变流器的方法所基于的流程图的示意图。
具体实施方式
图1示出了按照一个实施方式的电驱动***的示意图。该电驱动***包括电压源3。电压源3例如可以是电池、诸如电动或混合动力车辆的牵引电池。然而，原则上，任意其它的电压源、尤其是任意的直流电压源也是可能的。电压源3连接在变流器2的输入连接端上。在输出侧，变流器2与耗电器4连接。该耗电器4例如可以是电机、诸如电动机或者诸如此类的。在此，三相耗电器的这里所示出的形式只是用作示例而不是对本发明的限制。同样，也可以设置单相耗电器，或者也可以设置具有超过三个电相的耗电器。
在变流器2上，例如可以在输入侧设置中间电路电容器21。变流器2还包括多个电切换元件22-i。例如，针对变流器2的输出连接端的每个相，可以设置由两个电切换元件22-i构成的半桥。以这种方式，在这里所示出的示例中可以借助于三个半桥来实现B6桥。
变流器2的各个切换元件22-i例如可以由控制设备1来操控。为此，原则上可以借助于控制设备1来实现对各个切换元件22-i的任意的操控、尤其是任意的脉冲宽度调制的操控。
在对各个切换元件22-i的脉冲宽度调制的操控的情况下，可以与针对各个切换元件22-i的单独的操控信号的占空比相对应地设定在变流器2的输出端上的各个相中的相应的输出电压或输出电流。因为对变流器的脉冲宽度调制的操控的基本原理公知，所以这在下文未进一步予以阐述。
在这种情况下，利用预先给定的频率（PWM频率）来实现对各个切换元件22-i的脉冲宽度调制的操控。原则上，用于操控切换元件22-i的PWM频率可以被设定到固定的、预先给定的频率值。尤其是，例如可以选择在9kHz、10kHz的范围内的频率或者也可以选择任意其它的固定地预先给定的频率。必要时，可以使预先给定的PWM频率附加地与窄带的信号、诸如窄带的噪声叠加。以这种方式，可以提高***的电磁兼容性。
因此，控制设备1可以基于额定值规定S来进行对各个切换元件22-i的操控。额定值S例如可以是如下规定，如所连接的电机的转矩、所连接的电机的转速、在变流器2的输出连接端上的相电流或相电压、功率因数、调制度或者任意其它的额定值。
此外，控制设备1可以确定在变流器2的输入连接端上的输入电压Uin。例如，可以在检测装置11中确定输入电压的值。为此，例如可以在变流器2的输入连接端上设置电压传感器（未示出）。这种电压传感器例如可以以模拟或数字形式来提供输出信号，该输出信号对应于在变流器2上的输入电压，尤其是对应于在中间电路电容器21上的电压。附加地或者也替选地，控制设备1也可以从其它设备接收模拟或数字信号，该其它设备提供与输入电压Uin相对应的信号。这样，例如可以检测所连接的电池3的电压并且将该电压作为输入电压Uin提供给控制设备1。对电池电压的这种检测例如可以借助于电池管理***（BMS）来检测和提供。
于是，控制设备1可以在使用输入电压Uin的大小的情况下使在变流器2中的脉冲宽度调制的频率适配。这例如可以在计算装置12中进行。例如，只要在变流器2上的输入电压Uin低于预先给定的阈值，变流器2就可以以脉冲宽度调制的第一频率（PWM频率）来运行。如果输入电压Uin超过预先给定的阈值，则控制设备1可以用与第一PWM频率不同的第二频率来操控变流器2。尤其是，第二PWM频率可高于第一PWM频率。在控制设备1中可以固定地预先给定用于在这两个PWM频率之间进行变换的预先给定的阈值。此外，对用于在这些PWM频率之间进行变换的阈值的动态适配也是可能的。
此外，除了之前所描述的在两个PWM频率之间的突然的变换之外，对PWM频率的动态适配也是可能的。这样，例如可以将所要设定的PWM频率指定为与输入电压Uin以及必要时一个或多个其它参数相关的任意的函数。例如，随着输入电压Uin升高，PWM频率也可以阶跃地、线性地、二次方地或者以任意的其它函数来发生变化、尤其是被提高。这样，例如也可能的是：首先使PWM频率保持恒定，直至预先给定的阈值，而且从该阈值开始，线性地或者基于与输入电压以及必要时其它参数相关的其它函数来使PWM频率适配。
作为用于使PWM频率适配的其它参数，例如可能的是：与要在所连接的电机4上设定的转矩的相关性、与变流器2的输出频率的相关性、与变流器2的输出电压或任意其它的参数的相关性。尤其是，PWM频率与输入电压以及必要时其它参数的相关性可以以数学函数的形式或者也可以以表格的形式在控制设备1中详细说明。
在此，由于PWM频率升高，在变流器2的输入侧的纹波通常将减小。如果在此如之前所描述的那样随着输入电压Uin升高而提高PWM频率并且经此减小在输入侧的纹波，则借此可以相比于PWM频率恒定的***减小输入电压与纹波之和的升高。
为了保护变流器2，在变流器2中例如可以设置过压保护设备。在超过变流器2的输入侧的预先给定的电压值时，该过压保护设备25可以将变流器2与电压源3分开。经此，必要时可以避免在变流器2中的损坏。通过之前所描述的根据输入电压Uin对PWM频率的适配，可以如已经提到的那样相对于未经适配的***减小输入电压与纹波之和。因而，以这种方式，恰好可以在纹波很高时避免过压保护设备25的过早的响应。以这种方式，一方面可以防止由于过压保护设备25的过早的响应所引起的干扰。此外，过压保护设备25的响应阈可以被设定得更低，使得确保了对变流器2的被提高的保护。
图2示出了按照一个实施例的PWM频率关于输入电压Uin的变化过程的示意图。如在这种情况下所能看出的那样，在预先给定的阈电压Ua之下，变流器2以第一PWM频率f1运行。如果在变流器2上的输入电压Uin超过阈值Ua，则变流器2以第二PWM频率f2运行。
图3示出了按照另一实施例的电压-频率变化过程的示意图。在该实施例中，在预先给定的阈电压Ua之下，变流器2也以第一PWM频率f1运行。如果输入电压Uin超过第一阈值Ua，则PWM频率可以按照预先给定的函数、例如根据输入电压Uin线性地被提高。在第二阈电压Ub之上，必要时可以将PWM频率限制到最大值f3。
图4示出了用于根据输入电压Uin以及必要时一个或多个其它参数P来确定PWM频率f_PWM的框图的示意图。例如，可以将输入电压Uin以及必要时其它可选的参数P输送给控制设备1。于是，控制设备1可以基于数学函数或者在使用表格（查找表（Look-Up-Table）——LUT）的情况下根据输入参数Uin和P来确定预先给定的PWM频率f_PWM并且将该PWM频率用于操控在变流器2中的切换元件22-i。
必要时，还可以使分别确定的PWM频率与其它信号f_ad、尤其是其它高频的窄带的信号、诸如窄带的噪声叠加。以这种方式，在PWM频率可变的情况下，也可以提高整个***的电磁兼容性。
在之前所描述的实施例中，为了操控变流器2，首先从恒定的PWM频率出发，按照本发明，该PWM频率可以在使用输入电压Uin的情况下被适配、尤其是被提高。此外，按照本发明的原理同样也可以应用于如下脉冲宽度调制变流器，这些脉冲宽度调制变流器原则上已经使用可变的PWM频率。这种变流器例如可以根据在输出侧所要设定的额定值来使PWM频率适配。根据应该由变流器2输出的当前功率对PWM频率的适配也是可能的。在这种情况下，首先预先给定的、可变的PWM频率也可以附加地根据变流器2的输入电压Uin来调整、尤其是被提高。
在此，例如可以使PWM频率适配、尤其是提高得也只是直至预先给定的最大的上PWM频率。如果变流器2在此已经基于其它外部参数而以最大PWM频率运行，则在这种情况下可以省去根据输入电压Uin对PWM频率的进一步的提高。此外，用于根据输入电压Uin来使PWM频率适配的任意的其它调整方案也是可能的。
图5示出了如按照一个实施方式的用于操控脉冲宽度调制变流器的方法所基于的流程图的示意图。在第一步骤S1中，确定变流器2的输入电压Uin。在此，可以以任意的方式、尤其是以之前已经描述的方式通过电池管理***或诸如此类的***的电压测量或数据传输来确定变流器2的输入电压Uin。
然后，在步骤S2中，如果所确定的输入电压Uin的值超过预先确定的阈值，则使在变流器2中的脉冲宽度调制的频率（PWM频率）适配。在这种情况下，尤其也可能的是，任何任意的、尤其是任何之前已经描述的根据输入电压Uin以及必要时也根据其它参数对PWM频率的适配。
在此，用于使PWM频率适配的步骤S2尤其可以被限制到预先给定的最大极限值。尤其是当已经将用于使变流器2的PWM频率适配的其它参数也一并包括在内时，可以将根据输入电压Uin对PWM频率的适配、尤其是提高限制得只是直至预先给定的最大的上PWM频率。
概括来说，本发明涉及根据变流器的输入电压对在该变流器中的PWM频率的适配。在这种情况下，通过根据输入电压来使在该变流器中的PWM频率适配，可以使在该变流器的输入侧的纹波发生变化。在此，在输入电压高时尤其可能的是：通过使PWM频率适配来将纹波减小到最低限度并且因此减小输入电压与纹波之和。

Claims (10)

1.一种用于脉冲宽度调制变流器（2）的控制设备（1），所述控制设备被设计为：确定所述变流器（2）的输入电压（Uin）的值；而且如果所确定的输入电压（Uin）的值超过预先确定的阈值，则使在所述变流器（2）中的脉冲宽度调制的频率适配。
2.根据权利要求1所述的控制设备（1），其中所述控制设备（1）被设计为：如果所确定的输入电压（Uin）的值超过所述预先确定的阈值，则将在所述变流器（2）中的脉冲宽度调制的频率设定到预先给定的值。
3.根据权利要求1所述的控制设备（1），其中所述控制设备（1）被设计为：如果所确定的输入电压（Uin）的值超过所述预先确定的阈值，则按照预先确定的函数来使在所述变流器（2）中的脉冲宽度调制的频率适配。
4.根据权利要求3所述的控制设备（1），其中所述预先确定的函数根据所述变流器（2）的输入电压（Uin）、所述变流器（2）的输出电压的频率和/或连接到所述变流器（2）上的耗电器（4）的额定值来指定在所述变流器（2）中的脉冲宽度调制的频率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制设备（1），其中所述控制设备（1）还被设计为：将在所述变流器（2）中的脉冲宽度调制的频率与附加的高频信号叠加。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的控制设备（1），其中所述控制设备（1）被设计为：借助于电压传感器来检测所述变流器（2）的输入电压（Uin）的值；和/或借助于通信接口来接收所述变流器（2）的输入电压（Uin）的值。
7. 一种变流装置，所述变流装置具有：
脉冲宽度调制变流器（2）；和
根据权利要求1至6中任一项所述的控制设备（1），所述控制设备被设计为对所述变流器（2）进行操控。
8.一种电驱动***，其具有：
电机（4）；
脉冲宽度调制变流器（2），所述脉冲宽度调制变流器被设计为对所述电机（4）进行操控；和
根据权利要求1至6中任一项所述的控制设备（1），所述控制设备被设计为对所述变流器（2）进行操控。
9. 一种用于操控脉冲宽度调制变流器（2）的方法，所述方法具有如下步骤：
确定（S1）在所述变流器（2）上的输入电压（Uin）；而且
如果所确定的输入电压（Uin）的值超过预先确定的阈值，则使在所述变流器（2）中的脉冲宽度调制的频率适配（S2）。
10.根据权利要求8所述的方法，其中用于使所述脉冲宽度调制的频率适配的步骤（S2）只有在所述脉冲宽度调制的当前频率低于预先给定的极限值的情况下才使所述脉冲宽度调制的频率适配。
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