CN111418145A

CN111418145A - 用于机动车的旋转场电机的电流调节的调节设备、用于电流调节的方法、驱动单元以及机动车

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Publication number: CN111418145A
Application number: CN201980006024.9A
Authority: CN
Inventors: D·格罗泽
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2039-03-12
Also published as: US20200350844A1; US11095242B2; DE102018205514A1; WO2019197107A1; CN111418145B

Abstract

本发明涉及一种用于机动车的旋转场电机(2)的电流调节的调节设备(3)，所述调节设备包括：电流调节器(4)，所述电流调节器用于针对相应的工作点确定输出电压的基本振荡(u1、u2、u3)；控制装置(6)，所述控制装置用于基于预定的脉冲模式(P)通过操控调节设备(3)的变流器(5)来调制输出电压，所述预定的脉冲模式针对相应的工作点在最小电流谐波含量方面是经离线优化的；和电流传感器(8)，所述电流传感器用于对变流器(5)的由使用的脉冲模式(P)得到的含有谐波的输出电流(ir1、ir2、ir3)采样并且反馈给电流调节器(4)，其中，用于采样输出电流(ir1、ir2、ir3)的采样时间点是经离线优化的，并且所述采样时间点被预定为如下时间点，在所述时间点在含有谐波的输出电流(ir1、ir2、ir3)与输出电流的基本振荡(i1)之间的偏差小于预定的阈值。此外，本发明涉及一种方法、驱动单元(1)以及机动车。

Description

用于机动车的旋转场电机的电流调节的调节设备、用于电流调节的方法、驱动单元以及机动车

技术领域

本发明涉及一种用于机动车的旋转场电机的电流调节的调节设备。调节设备具有电流调节器，所述电流调节器设计用于针对相应的工作点确定输出电压的基本振荡。此外，调节设备具有控制装置，所述控制装置设计用于基于预定的脉冲模式通过操控调节设备的变流器来调制输出电压，所述预定的脉冲模式针对相应的工作点在最小电流谐波含量方面是经离线优化的。此外，调节设备具有电流传感器，所述电流传感器设计用于对变流器的由使用的脉冲模式得到的含有谐波的输出电流采样并且将其反馈给电流调节器。此外，本发明涉及一种用于电流调节的方法、驱动单元以及机动车。

背景技术

当前关注转速可变的旋转场电机或者说交流电机，其例如可以被用作用于可电驱动机动车的驱动电机。这种旋转场电机例如可以是三相旋转场电机，其的三个相借助于变流器被通以确定的理论电流，以用于提供确定的转速。为此，变流器具有带有可控开关的与相数量对应数量的变流器半桥。为了转速可变地运行旋转场电机，开关例如可以基于空间矢量调制***控。借助于空间矢量调制，变流器半桥的输出电压带有通过电流调节器针对相应的工作点给定的基本振荡产生。然而，空间矢量调制并不适合于某些工作点，因为其导致含有谐波的输出电流或者说导致电流畸变。这样的工作点的特征在于高调制度以及变流器的开关的低开关频率。

为此，由DE19626447A1已知：基于优化的脉冲模式来调制输出电压。这种优化的脉冲模式与要提供的工作点有关地预定并且导致变流器的带有较低电流谐波含量的输出电流。如果现在输出电流在出现电流谐波或电流纹波的时间点上采样，并且这些不良采样的输出电流被反馈给电流调节器，由此电流调节器尝试通过调整输出电压来补偿在理论电流与采样的输出电流之间的偏差。然而这无法达到目的，因为由电流谐波引起的偏差无法通过电流调节器进行影响。此外，DE19626447A1因此还建议：首先同步地借助脉冲模式对输出电流采样。为了修正输出电流，采样的输出电流被减去与优化的脉冲模式有关的电流纹波份额并且这样修正的输出电流被提供给电流调节。为此，必须评估电流纹波份额并且对电流纹波份额参数化，这引起不准确的结果。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于为机动车的旋转场电机提供可靠的电流调节的可选解决方案。

根据本发明，所述任务通过具有按照相应独立权利要求的特征的调节设备、方法、驱动单元以及机动车解决。本发明的有利的实施方式是从属权利要求、说明书和附图中的技术方案。

根据本发明的调节设备用于机动车的旋转场电机的电流调节。调节设备包括电流调节器，所述电流调节器设计用于针对相应的工作点确定输出电压的基本振荡。此外，调节设备包括控制装置，所述控制装置设计用于基于预定的脉冲模式通过操控调节设备的变流器来调制输出电压，所述预定的脉冲模式针对相应的工作点在最小电流谐波含量方面是经离线优化的。调节设备的电流传感器设计用于对变流器的由使用的脉冲模式得到的含有谐波的输出电流采样并且将其反馈给电流调节器。此外，用于采样输出电流的采样时间点在使用的脉冲模式方面是经离线优化的，并且所述采样时间点被预定为如下时间点，在所述时间点在含有谐波的输出电流与输出电流的基本振荡之间的偏差小于预定的阈值。

此外，本发明涉及一种用于机动车的旋转场电机的电流调节的方法。在所述方法中，通过电流调节器针对相应的工作点确定输出电压的基本振荡。借助于变流器基于预定的脉冲模式调制输出电压，所述脉冲模式针对相应的工作点在最小电流谐波含量方面是经离线优化的。此外，通过电流传感器对变流器的由使用的脉冲模式得到的含有谐波的输出电流采样，并且将所述输出电流反馈给电流调节器。此外，将用于采样输出电流的采样时间点在使用的脉冲模式方面进行离线优化并且在旋转场电机的运行中提供用于电流调节。采样时间点被预定为如下时间点，在所述时间点，在含有谐波的输出电流与输出电流的基本振荡之间的偏差小于预定的阈值。

旋转场电机和带有变流器的调节设备形成调节回路。旋转场电机尤其是转速可变的、多相旋转场电机，其构成为用于可电驱动机动车的驱动机。为了给电机的相通电而设置变流器，所述变流器具有与相数量相应数量的带有可控开关的变流器半桥。这些开关尤其是功率MOSFET或IGBT形式的半导体开关。旋转场电机和调节设备的变流器构成调节回路的受控***。

为了提供确定的工作点——在所述工作点上旋转场电机具有确定的转速——各相被通以确定的理论电流，所述理论电流被提供作为变流器的输出电流。为了提供该理论电流，通过电流调节器确定并给定用于输出电压的基本振荡的理论值。这些理论值尤其是用于输出电压的基本振荡幅值和基本振荡频率的理论值。通过变流器调制输出电压并且提供在变流器半桥的输出端上。

为了调制或产生输出电压而实施所谓的脉冲模式调制。为此确定离线的、即例如在制造商侧的旋转场电机测试运行中工作点特定的脉冲模式。脉冲模式在此通过用于变流器开关的开关角来表征或描述并且被如此确定，使得由脉冲模式得到的输出电流具有减小的谐波或畸变。工作点例如可以通过旋转场电机的确定的调制度以及脉冲比来描述。调制度或调制率是用于调节转速而要提供的变流器输出电压的基本振荡幅值与变流器输出电压物理上最大可能的基本振荡幅值之间的比值。脉冲比是变流器开关的开关频率与用于调节转速而要提供的变流器输出电压的基本振荡频率之间的比值。脉冲比例如规定在脉冲模式的一个四分之一振荡内可能的开关角数量。

为了现在实现确定的工作点，通过如下方式提供与该工作点对应的经离线优化的脉冲模式，即：按照脉冲模式的经离线优化的开关角来操控变流器的开关。变流器半桥在变流器的输出端上提供的脉冲状的输出电压基于旋转场电机的相绕组而导致大致正弦形的输出电流，然而该输出电流可能始终含有谐波。该含有谐波的输出电流现在被采样，以便可以将经采样的输出电流反馈给电流调节器。采样在此在变流器的输出端上借助于电流传感器进行。如果现在在出现谐波的时间点上采样，那么电流调节器会识别出在输出电流与理论电流之间的与谐波有关的偏差。虽然电流调节器无法影响谐波，但是电流调节器为了电流调节而调整输出电压的基本振荡。

因此，附加于离线优化的脉冲模式，也预定脉冲模式特定的采样时间点并且被提供为用于采样的离线优化采样时间点。为此确定如下时间点，在所述时间点上在含有谐波的输出电流与输出电流的基本振荡之间的偏差最小。这样的时间点尤其是被确定在含有谐波的输出电流与输出电流的基本振荡之间的交点处。在该时间点上，电流畸变即是最小的。阈值因此大约为零。在旋转场电机运行中，首先提供对于要提供的工作点所需的离线优化的脉冲模式并且变流器基于该脉冲模式运行。然后，提供与要使用的脉冲模式对应的谐波最小的采样时间点。含有谐波的输出电流在所述采样时间点上被采样并且反馈给电流调节器以用于与理论电流进行比较。

所述调节设备或所述方法能实现优化的脉冲模式与最佳可能采样时间点的组合。通过预给定畸变最小的采样时间点此外可以舍弃耗费且不准确的电流纹波参数化。因此能以简单的方式最小化电流纹波并且能提供可靠的电流调节。

优选地，预定的脉冲模式是具有四分之一振荡对称的经离线优化的脉冲模式。控制装置设计用于基于所述具有四分之一振荡对称的经离线优化的脉冲模式操控变流器的开关。此外，脉冲模式可以附加地具有二分之一脉冲模式。通过这种脉冲模式减小或消除谐波或偶次谐波。附加于预给定的四分之一振荡对称，通过所述脉冲比预给定每个四分之一振荡开关角的数量，使得脉冲模式通过所述开关角间隔[0,π/2]完全地定义。

验证为有利的是：工作点与离线优化的脉冲模式之间的分配关系是经预定的并且被存储在存储装置中，并且控制装置设计用于从分配关系中选出那个与相应的工作点对应的离线优化的脉冲模式，以用于操控开关。此外，验证为有利的是：离线优化的脉冲模式与谐波最小的采样时间点之间的分配关系是经预定的并且被存储在存储装置中，并且控制装置设计用于从分配关系中选出那个与当前使用的脉冲模式对应的采样时间点，并且提供给电流传感器以用于对含有谐波的输出电流采样。

调节设备例如可以具有存储装置，在所述存储装置中存储有以转换表或查询表为形式的分配关系。为此不同的工作点以调制度与脉冲比的不同组合的形式的工作点分配有预定的离线优化的脉冲模式或其开关角。这些离线优化的脉冲模式或离线优化的开关角可以又被分配给预定的离线优化的畸变最小的采样时间点。在存储装置中存储的转换表然后在旋转场电机的运行中由控制装置读取，所述控制装置接着可以操控变流器开关和电流传感器。因此可以提供旋转场电机的特别简单且不耗费的电流调节。

也可以规定：采样率是经预给定的，并且控制装置设计用于从分配关系中选出每个基本振荡一定数量待使用的脉冲模式特定的采样时间点，采样时间点与采样率相对应。采样时间点的数量因此可以自由选择并且可以在旋转场电机的运行中变化。

在本发明的进一步扩展方案中，工作点通过与输出电压的基本振荡幅值有关的调制度以及通过由预定的用于变流器开关的开关频率和输出电压的基本振荡频率构成的脉冲比确定，其中，控制装置设计用于，如果调制度大于预定的调制度阈值和/或脉冲比小于预定的脉冲比阈值，提供脉冲模式调制，否则针对变流器提供空间矢量调制。控制装置因此可以基于空间矢量调制并且基于脉冲模式调制运行变流器。调制度阈值例如可以为0.91。脉冲比阈值例如可以为20。在低调制度和大脉冲比下，尤其是使用空间矢量调制。这尤其是有利的，因为空间矢量调制可简单执行并且具有线性特性。在高调制度和小脉冲比下，使用脉冲模式调制。在高调制度和低脉冲比下，空间矢量调制提供非线性的特性和高电流畸变。在该情况下，切换到消除这些缺点的脉冲模式调制。

此外，本发明涉及一种用于机动车的驱动单元，所述驱动单元带有旋转场电机和按照本发明或按照一个实施例所述的调节设备。

根据本发明的机动车包括根据本发明的驱动单元。机动车尤其是构成为电动或混合动力车辆类型的乘用车，所述乘用车能借助于根据本发明的驱动单元来驱动。

参照根据本发明的调节设备所介绍的实施例及其有限相应地适用于根据本发明的方法、根据本发明的驱动单元以及根据本发明的机动车。

本发明的其他特征从权利要求、附图和附图说明中得出。上述在说明书提及的特征和特征组合以及以下在附图说明中提及和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅在相应给出的组合中可使用，而且在其他组合或单独方案中可使用。

附图说明

现在根据优选的实施例并且参考附图进一步阐述本发明。图中：

图1示出根据本发明的驱动单元的一个实施例的示意图；

图2示出旋转场电机连同变流器的示意图；

图3示出变流器的输出电压和旋转场电机的相电压的变化曲线的示意图；以及

图4示出不同信号变化曲线的示意图；

在图中相同以及功能相同的元素设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出用于在此未示出的可电驱动机动车的驱动单元1的一种实施方式。驱动单元1具有旋转场电机2以及用于电流调节旋转场电机2的调节设备3。旋转场电机2在此为一种三相旋转场电机，其构成为一种用于机动车的驱动电机。图2示出带有三个相U、V、W的旋转场电机2，这三个相在此连接在一个共同的星形接点中。调节设备3具有电流调节器4，所述电流调节器可以确定用于输出电压的基本振荡u1、u2、u3，以用于针对旋转场电机2的各相提供确定的工作点特定的理论电流。通过理论电流可以调节旋转场电机2的确定的工作点特定的转速。

通过调节设备3的变流器5来调制输出电压的基本振荡u1、u2、u3，所述基本振荡具有相应的工作点特定的基本振荡频率和相应的工作点特定的基本振荡幅值。为此，如图2所示，变流器5针对旋转场电机2的每个相U、V、W具有带可控开关S的变流器半桥HB1、HB2、HB3。变流器5与中间电路ZK连接，在所述中间电路中，电能被中间存储在中间电路电容C1、C2中。为此中间电路电容C1、C2以相应的直流电压+U_dc/2、-U_dc/2充电，变流器5由所述直流电压生成经调制的脉冲形且矩形的输出电压u1’、u2’、u3’(参见附图3)。在变流器5的输出端上提供的输出电压u1’、u2’、u3’引起相电压uph1、uph2、uph3以及基于旋转场电机2的各相U、V、W绕组的感性滤波作用而引起近似正弦形、但含有谐波的输出电流ir1、ir2、ir3。

为了在输出电流ir1、ir2、ir3具有最小谐波含量的同时提供经调制的输出电压u1’、u2’、u3’，调节设备3的控制装置6根据针对要提供的工作点的离线优化脉冲模式P(参见附图3)控制变流器5的变流器半桥HB1、HB2、HB3的开关S。脉冲模式P在此针对相应的工作点在变流器5的输出电流ir1、ir2、ir3的谐波含量方面是优化的。为此，例如在调节设备3的存储装置7中可以存储转换表，在所述转换表中，不同的工作点分配有所属的畸变最小的、优化的脉冲模式P。脉冲模式P可以例如在旋转场电机2的测试运行中在制造商侧被确定并且存储在存储装置7中用于旋转场电机2在客户侧的运行。存储装置7可以由控制装置6读取，以便从转换表选出与相应的工作点对应的离线优化的脉冲模式P。

如图3所示，通过针对变流器5的开关S的开关角a₁、a₂定义一种这样的脉冲模式P。通过开关角a₁、a₂在此产生经调制的输出电压u1’，该输出电压可以取与变流器5连接的中间电路ZK的中间电路电压U_dc的值+U_dc/2和-U_dc/2。在此，在基本振荡间隔[0；2π]内的基本振荡上如此确定开关角a₁、a₂，使得脉冲模式P具有四分之一振荡对称性。也就是说，在四分之一振荡间隔[0；π/2]内的脉冲模式与在四分之一振荡间隔[π/2；π]内的脉冲模式P对称，等等。此外，在半振荡间隔内的脉冲模式P是点对称的。因此，脉冲模式P通过开关角a₁、a₂在四分之一振荡间隔[0；π/2]内被完全定义。在图3中，附加地在旋转场电机2的所属的相U上显示由经调制的输出电压u1’得到的相电压uph1。

在图4中，示出了在确定的工作点p、M下在基本振荡间隔[0；2π]内输出电压的基本振荡u1的变化曲线、经调制的输出电压u1’的变化曲线、含有谐波的输出电流ir1的变化曲线以及输出电流的基本振荡i1的变化曲线。工作点p,M在此由脉冲比p以及由调制度M确定。脉冲比p是在变流器5开关的开关频率fs与输出电压的基本振荡u1、u2、u3的基本振荡频率f₀之间的比值。开关的开关频率f_s是有限的并且可以例如最高为10kHz。基本振荡频率f₀与要提供的转速有关并且随着转速增加。由此，脉冲比p在高转速下下降。调制度M由在调制度M与物理上可能的基本振荡幅值之间的比值形成。

由脉冲式的经调制的输出电压u1’得到的输出电流ir1是含有谐波的并且偏离输出电流的基本振荡i1。现在借助调节设备3的电流传感器8对含有谐波的电流ir1以及变流器5的其他变流器半桥HB1、HB2、HB3的含有谐波的电流ir2、ir3进行采样。经采样的电流被反馈给电流调节器4，该电流调节器4因此将经采样的电流与理论电流进行比较并且在可能的情况下调整输出电压的基本振荡u1、u2、u3。在此，电流ir1在采样时间点A1、A2、A3、A4、A5、A6或采样角上进行采样，在所述采样时间点或采样角上，在含有谐波的电流ir1与输出电流的基本振荡i1之间的偏离最小、尤其是近似为零。采样时间点A1、A2、A3、A4、A5、A6在此尤其不是等距的、而是与当前使用的脉冲模式P有关。与脉冲模式P有关地预先确定时间点并且因此同样离线优化这些时间点，在这些时间点上偏离最小。脉冲模式特定的采样时间点A1、A2、A3、A4、A5、A6可以同样存储在存储装置7的转换表中并且通过控制装置6根据针对当前工作点p,M使用的脉冲模式P进行读取。

附图标记列表：

1 驱动单元

2 旋转场电机

3 调节设备

4 电流调节器

5 变流器

6 控制装置

7 存储装置

8 电流传感器

U,V,W 相

N 星形接点

HB1,HB2,HB3 变流器半桥

S 开关

ZK 中间电路

C1、C2 中间电路电容

u1、u2、u3 输出电压的基本振荡

u1’、u2’、u3’ 经调制的输出电压

uph1、uph2、uph3 相电压

U_dc 中间电路电压

U1 基本振荡幅值

ir1、ir2、ir3 含有谐波的输出电流

P 脉冲模式

a₁、a₂ 开关角

M 调制度

p 脉冲比

f_s 开关频率

f₀ 基本振荡频率

A1,A2,A3,A4,A5,A6 采样时间点

Claims

1.用于机动车的旋转场电机(2)的电流调节的调节设备(3)，所述调节设备包括：

电流调节器(4)，所述电流调节器设计用于针对相应的工作点确定输出电压的基本振荡(u1、u2、u3)；

控制装置(6)，所述控制装置设计用于基于预定的脉冲模式(P)通过操控调节设备(3)的变流器(5)来调制输出电压，所述预定的脉冲模式针对相应的工作点在最小电流谐波含量方面是经离线优化的；和

电流传感器(8)，所述电流传感器设计用于对变流器(5)的由使用的脉冲模式(P)得到的含有谐波的输出电流(ir1、ir2、ir3)采样并且反馈给电流调节器(4)，

其特征在于，用于采样含有谐波的输出电流(ir1、ir2、ir3)的采样时间点(A1、A2、A3、A4、A5、A6)在使用的脉冲模式(P)方面是经离线优化的，并且所述采样时间点被预定为如下时间点，在所述时间点在含有谐波的输出电流(ir1、ir2、ir3)与输出电流的基本振荡(i1)之间的偏差小于预定的阈值。

2.根据权利要求1所述的调节设备(3)，其特征在于，所述预定的脉冲模式(P)是具有四分之一振荡对称的经离线优化的脉冲模式，并且所述控制装置(6)设计用于基于所述具有四分之一振荡对称的经离线优化的脉冲模式来操控变流器(5)的开关。

3.根据权利要求1或2所述的调节设备(3)，其特征在于，工作点与经离线优化的脉冲模式(P)之间的分配关系是经预定的并且被存储在存储装置(7)中，并且控制装置(6)设计用于从所述分配关系中选出那个与相应的工作点对应的经离线优化的脉冲模式(P)，以用于操控开关。

4.根据上述权利要求之一所述的调节设备(3)，其特征在于，经离线优化的脉冲模式(P)与采样时间点(A1、A2、A3、A4、A5、A6)之间的分配关系是经预定的并且被存储在存储装置(7)中，并且控制装置(6)设计用于从所述分配关系中选出那个与当前使用的脉冲模式(P)对应的采样时间点(A1、A2、A3、A4、A5、A6)并且提供给电流传感器(8)以用于对输出电流(ir1、ir2、ir3)采样。

5.根据权利要求4所述的调节设备(3)，其特征在于，采样率是经预给定的，并且控制装置(6)设计用于从所述分配关系中选出每个基本振荡间隔与采样率对应数量的待使用的采样时间点(A1、A2、A3、A4、A5、A6)，所述采样时间点与当前使用的脉冲模式(P)相对应。

6.根据上述权利要求之一所述的调节设备(3)，其特征在于，工作点通过与输出电压的基本振荡幅值(U1)有关的调制度(M)以及通过由预定的用于变流器(5)的开关(S)的开关频率(f_s)和输出电压的基本振荡频率(f₀)构成的脉冲比(p)确定，其中，控制装置(6)设计用于，如果调制度(M)大于预定的调制度阈值和/或脉冲比(p)小于预定的脉冲比阈值，那么提供脉冲模式调制，否则针对变流器(5)提供空间矢量调制。

7.一种用于机动车的旋转场电机(2)的电流调节的方法，在所述方法中，

-通过电流调节器(4)针对相应的工作点确定输出电压的基本振荡(u1、u2、u3)，

-借助于变流器(5)基于预定的脉冲模式(P)调制输出电压，所述预定的脉冲模式在相应的工作点中在最小电流谐波含量方面是经离线优化的，并且

-通过电流传感器(8)对变流器(5)的由使用的脉冲模式(P)得到的含有谐波的输出电流(ir1、ir2、ir3)采样并且反馈给电流调节器(4)，其特征在于，

将用于采样输出电流(ir1、ir2、ir3)的采样时间点(A1、A2、A3、A4、A5、A6)在使用的脉冲模式(P)方面进行离线优化并且提供用于在旋转场电机(2)的运行中的电流调节，并且将采样时间点预定为如下时间点，在所述时间点，在含有谐波的输出电流(ir1、ir2、ir3)与输出电流的基本振荡(i1)之间的偏差小于预定的阈值。

8.用于机动车的驱动单元(1)，所述驱动单元带有旋转场电机(2)和按照权利要求1至6之一所述的调节设备(3)。

9.带有根据权利要求8所述的驱动单元(1)的机动车。