CN112491261A - 用于运行具有永磁励磁的同步电机的机动车的方法和机动车 - Google Patents

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Abstract

一种用于在机动车外源驱动期间运行机动车的方法，其包括具有绕组的永磁励磁的同步电机作为动力机器，同步电机通过具有在中间电路中的开关装置和电容器的变流器连接到车载电网上且开关装置能通过连接到车载电网上的控制装置操控，同步电机在外源驱动期间作为发电机运行，在超过中间电路中的电压的第一阈值时，提供通过同步电机产生且在电容器中存储的能量以用于运行控制装置和开关装置，在超过中间电路中的电压的第二阈值时，操控开关装置以使同步电机的绕组短路，在低于中间电路中的电压的第三阈值的情况下，在存在主动短路的情况下，为结束短路而操控开关装置，将第三阈值选择为高于第一阈值并高于为了维持开关装置的开关状态所需的最小电压。

Description

用于运行具有永磁励磁的同步电机的机动车的方法和机动车
技术领域
本发明涉及一种用于在机动车的外源驱动期间运行机动车的方法，所述机动车包括具有绕组的永磁励磁的同步电机作为动力机器，其中，同步电机通过具有在中间电路中的开关装置和电容器的变流器连接到机动车的车载电网上并且该开关装置能通过连接到车载电网上的控制装置操控，其中
-永磁励磁的同步电机在外源驱动期间作为发电机运行，
-在超过中间电路中的电压的第一阈值时，提供通过同步电机产生的并且在电容器中存储的能量以用于运行控制装置和开关装置，和
-在超过中间电路中的电压的第二阈值时，操控开关装置以使同步电机的绕组短路。
此外，本发明还涉及一种机动车。
背景技术
现代的电动车经常使用永磁励磁的同步电机(PSM)作为动力机器。永磁励磁的同步电机在定子或转子中具有永磁，其中，对应的绕组则布置在转子或定子中。如果利用永磁励磁的同步电机——特别是在牵引过程期间——外源驱动机动车，则可能出现问题。在具有永磁励磁的同步电机的机动车、特别是电动车的这种牵引过程中，同步电机通常以发电机模式、即作为发电机运行，从而通过绕组将电流馈入到配属于同步电机的变流器的高压中间电路中。
出于安全原因，在断开高压电池(HV电池)时，在中间电路中产生的电压应该被保持得低，因此通常使用变流器(脉冲逆变器)的功率开关，以便引起短路，特别也就是说绕组本身的短路或者至接地电位的短路。这种短路也被称为主动短路(AKS)，特别是在功率开关的驱动器必须在其持续时间内被供给能量之后。因此，为了操控变流器的开关装置的功率开关，需要能量供给，特别是在机动车的车载电网的低压部分中，由所述低压部分运行配属于开关装置的控制装置以及通常也运行功率开关的驱动器。
为了在机动车的车载电网中缺少能量供给的情况下、例如在连接断裂和/或有意地切断电池的情况下仍然确保能量供给，提出使用由同步电机作为发电机产生的能量，以便引起短路。具体地因此可以提出，当同步电机将能量馈入到车载电网中时，可以立即激活变流器的开关装置，以便引起短路。然而，随后不再有能量被馈入到中间电路中，因此该中间电路放电。在此，短路一直被保持激活，直到中间电路电压下降到下述的程度，使得电压供给装置、特别也就是说功率开关的至少一个驱动器不再能够提供用于主动短路的能量。然后中间电路的电容器开始重新充电，并且周期重新开始。
由于通过永磁励磁的同步电机的充电运行和通过开关装置的电压供给的放电运行的持续交替，得到用于电压供给和变流器的所属的操控电子装置的脉冲运行，在此以控制装置的形式。在此要注意，每次需要特定的启动时间，直至可以在功率开关的驱动器上提供稳定的电压供给以用于激活短路。特别是首先必须提供足够的启动电压，以便例如直流电压转换器(DC/DC转换器)可以给车载电网的低压部分提供来自高压车载电网的电能；必须使控制装置投入运行，特别也就是说控制器被不断提高功率，必须确定当前的外源驱动状态并且必须生成和转换相应的控制命令。为了能够将最终确定中间电路中的电压升高到多高的启动时间保持得尽可能低，目前需要对控制装置和开关装置进行专门的设计，所述控制装置和开关装置应当能够在中间电路中的极其低的电压的情况下实现快速启动。这使得设计变得困难并且因此提高了机动车中的成本和结构空间。
文献EP 2 433 830 A1涉及一种用于从被驱动的三相交流同步电机中提供电能的方法和控制装置。在此，为该三相电流同步电机配设有多相变流器，该多相变流器具有上面的开关和下面的开关以及至少一个布置在该变流器的中间电路之中或之上的中间电路电容器。通过主动短路——在其中所有上面的开关或所有下面的开关被闭合，在被牵引的机动车中或者在外部(混合动力的或者在辊式试验台上)被驱动或者滑行的和/或不具有可使用的中间电路电压供给的车辆中引起安全的状态，在该安全的状态下防止中间电路中的高压并且降低制动力矩。在此具体地提出，将在电容器中存储的能量通过不同的用电器、特别也通过上面的或下面的开关一直放电，直至用于开关的驱动器不再能够被供电并且主动短路被中断。因此生成周期性的短路，其顺序通过内部和外部的用电器、***电容和马达类型得出。在此有问题的是，由于中间电路中的电压这样低，以致于驱动器不再能够运行，所以需要新的启动时间段，在该启动时间段期间在电压恢复时中间电路中的电压可能上升得过高。
文献DE 10 2010 031 583 A1涉及一种用于在牵引时运行用于机动车的电驱动装置的方法和设备，其中，驱动电动机直接与驱动轴耦合。通过短路装置能使动力设备短路。短路装置具有用于检测其运行温度的温度传感器，其中，在操纵驻车锁止装置以解锁所述驻车锁止装置时，检查高压车载电网是否处于按照规定的状态中，并且在该情况下驻车锁止装置被解锁并且短路装置被激活。当温度传感器检测到不允许的高温时，短路装置被去激活。因此，应当与低压车载电网的随后的可用性无关地实现在没有值得一提的结构上的额外花费的情况下可靠地牵引电动车。
文献DE 10 2016 210 238 A1涉及一种用于电机的转矩限制的方法和保护设备。在此，在永磁励磁的同步电机上出现故障时，所述车辆被置于关于所述电驱动装置的安全状态中。为此提出，在主动短路运行中探测机器的至少一个相电流的至少一个当前实际值，从该实际值中推导出当前转速信息，将该当前转速信息与可预定的转速阈值进行比较，并且随后在当前转速信息显示出低于可预定的转速阈值的转速时，产生用于从主动短路运行转换到空转的转换信号。利用该转换信号来操控变流器。
发明内容
因此，本发明的目的是，当没有通过车载电网中的电池进行供电时，在进行外源驱动时、特别在进行牵引时，在具有永久的同步电机的电动机动车中实现提高的安全性。
为了实现该目的，在开头所述类型的方法中根据本发明规定，在低于中间电路中的电压的第三阈值的情况下，在存在主动短路的情况下，为了结束短路而操控开关装置，其中，将第三阈值选择为高于第一阈值并且高于为了维持开关装置的开关状态所需的最小电压。
在此，在本发明的范围内由此出发，即在车载电网中没有其它的电能源可供使用，特别是没有电池馈入到车载电网中。特别是既没有连接车载电网的高压部分的高压电池也没有连接车载电网的低压部分的低压电池。在该上下文中提出，从在现有技术中已知的内容出发来调整主动短路的操控特性。在此，基本思想是，以脉冲方式实施主动短路，从而可以调节永磁励磁的同步电机的回馈能量并且因此可以将中间电路电压保持在相对恒定的、不危险的值上。这例如可以通过作为控制装置的一部分的简单的两点调节器来实施，该两点调节器然后根据第二和第三阈值进行调节。如果电压下降到第三阈值以下，那么将变流器的主动短路去激活。如果中间电路中的电压再次升高到上阈值、即第二阈值，则自动短路再次被激活。在此重要的是，在不再低于第一阈值之后，用于变流器的开关装置和控制装置的电压供给总是保持激活。
换句话说，通过本发明可以将中间电路中的电压、即高压保持在不危险的值域中。这具有的优点是，包括操控电子装置的电压供给装置总是保持激活并且由此极大地减小接通周期。特别取消了由于控制装置和电压供给、特别是至少一个驱动器的启动时间而得出的死时间。在三相同步电机中，在此通常设置三个驱动器。所述死时间仅在首次启动时存在，因为控制装置于是必须被激活并且必须提供对于运行开关装置所需的超过最小电压的供电电压。然而，对于所有以后的时间周期，在激活和去激活主动短路(AKS)之间存在极其快速的转换。其原因在于，控制装置在其第一次激活之后保持激活，并且开关装置在该时间段期间在任何时候都保持可操控。
通过被控制的、脉冲的运行，因此产生一种脉宽调制，其由于持续激活的部分而具有优选被选择得高的、被定义的频率。因此，本发明的有利的设计方案例如规定，第二和第三阈值被选择为用于调节处于频率范围内的脉冲频率，特别是也动态地因此与当前的外源驱动功率相关，所述外源驱动功率表现为通过同步电机馈入到中间电路中的能量。频率范围在此可以是在50赫兹和1000赫兹之间的子范围，优选地是在500赫兹和1000赫兹之间的子范围。在此，在选择高的频率时也避免在同步电机上的过强的力矩差异，所述力矩差异可能导致机动车的抖动，例如在牵引时。因为AKS最终导致一种空转。此外，在脉冲频率高的情况下，第二阈值和第三阈值彼此接近，使得可以得到基本上恒定的、到达(或围绕)特别是预定义的值的中间电路电压，例如在40伏特至60伏特的范围内的、特别是50V的预定义的值。在此也可以考虑用于有意地将脉冲频率保持得高的其它工作方式。
在本发明的适宜的改进方案中可以规定，控制装置连接到车载电网的低压部分上，该低压部分通过直流电压转换器与车载电网的高压部分连接，同步电机连接到该车载电网上。通常，在其低压低于车载电网的高压部分的高压的车载电网的低压部分上也连接有电池，然而该电池在当前情况下不能提供必要的电能，以便引起主动短路并且特别是也运行控制装置。这可能是由于事故或有针对性的切断而导致的情况。然而，由于低压部分通常通过直流电压转换器与车载电网的高压部分连接，所以可能的是，将在高压部分中存在的、在此由同步电机产生的电能传输到低压部分，所述低压部分的低压例如可以为12V。在此，中间电路中的电压的第三阈值也适当地选择为，使得直流电压转换器可以连续地保持运行，因此在此也取消死时间，从而最后可以确保在车载电网的低压部分中连续地存在电能。
适宜地，开关装置可以具有多个、特别是六个功率开关、特别是场效应晶体管和/或IGBT，为所述多个功率开关配设有用于提供供电电压的驱动器，所述驱动器特别是由低压部分馈电。如果可以用供电电压(控制极电压)加载来自低压部分的至少一个驱动器、特别是三个驱动器，则因此可以完全由低压部分来控制主动短路。在此，至少一个驱动器可以理解为控制装置的一部分并且例如实现为唯一一个IC。变流器特别在永磁励磁的同步电机的三相性能的情况下可以具有六个功率开关，所述六个功率开关可以被划分成两组，所述两组分别具有三个开关，其中例如可以设置三个半桥，在其中每个二极管与一个功率开关并联。整体上例如可以在三个相中使用三个半桥。
适宜地，可以将第二阈值选择为小于在车载电网第一次启动时通过外源驱动而出现的峰值电压。已经表明，在第一次启动时可能在中间电路中导致相当高的电压、例如超过60V的电压，在所述第一启动时因此首先必须产生电能，以便为车载电网的低压部分供电，使控制装置或其至少一个控制器不断提高功率并且为开关装置提供供电电压。在该较长的时间段通过在结束时不再存在的死时间等来确定之后，在本发明的范围内有利地能实现，整体上比所述峰值电压、例如在45伏特至55伏特等明显更低地选择第二阈值，使得特别也可以在进一步的变化中实现相当小的电压范围。
具体地例如可以规定，在20伏特至40伏特的范围内选择第一阈值和/或在50伏特至60伏特的范围内选择第二阈值和/或在35伏特至50伏特的范围内选择第三阈值。例如也就是说可以考虑下述的设计方案，在其中在主动短路与去激活的短路之间转换时，中间电路的电压在45伏特(第三阈值)与55伏特(第二阈值)之间运动或发生类似情况。因此，中间电路中的电压和因此车载电网的高压部分中的电压可以近似恒定地保持在不危险的电压范围内。
除了所述方法之外，本发明还涉及一种机动车，其包括具有绕组的永磁励磁的同步电机作为动力机器，其中，同步电机通过具有在中间电路中的开关装置和电容器的变流器连接到机动车的车载电网上并且该开关装置能通过连接到车载电网上的控制装置操控，所述机动车的特征在于，控制装置被设计为用于实施根据本发明的方法。关于根据本发明的方法的全部实施方案可以类似地转用到根据本发明的机动车上，因此利用这些实施方案同样可以获得已经提到的优点。
附图说明
本发明的其它优点和细节从下面描述的实施例中以及根据附图得出。图中示出：
图1示出根据本发明的机动车的重要部件的原理图，
图2示出根据现有技术的中间电路中的电压的曲线，以及
图3示出根据本发明的中间电路中的电压的曲线。
具体实施方式
图1示出根据本发明的机动车1的对于本发明的重要部件的原理图。机动车1是电动车1，该电动车使用永磁励磁的同步电机2作为动力设备。如原则上已知的那样，该同步电机具有永久磁化的转子或定子和在定子或转子上的、在此未详细示出的对应的绕组，该绕组也可以被称为长定子绕组。在本实施例中，同步电机2三相地工作，使得其通过变流器3与机动车1的车载电网4的高压部分5连接。车载电网4的高压部分5通过直流电压转换器6与车载电网4的低压部分7连接，在这种情况下，也对变流器3负责的控制装置8和低压电池9连接到所述低压部分上。
变流器3包括三个半桥，其二极管分别与变流器3的开关装置的功率开关11至16并联。在此，功率开关11至13形成第一开关组，功率开关14至16形成第二开关组。此外，在变流器3的中间电路中还设置有电容器17(中间电路电容器)。
功率开关11例如被设计为场效应晶体管(FET)或IGBT。通过相应的驱动器、在此每相一个驱动器、即三个驱动器可以提供供电电压/控制极电压，以便控制相应的功率开关11至16的开关状态。开关装置在此可以由也包括三个驱动器的控制装置8这样操控，使得引起主动短路(AKS)。这在此通过闭合第一开关组的所有开关11至13或闭合第二开关组的所有开关14至16实现。随后在任何情况下都使永磁励磁的同步电机2的线圈短路，从而在外源驱动的情况下，特别是在机动车1被牵引的情况下，并且在存在主动短路的情况下，电容器17不被充电，这意味着，在中间电路中不形成高压。
当在机动车1中没有为控制装置8和功率开关11至16的驱动器提供能量时，则这始终是有问题的。这例如可以是如下情况，即，由于事故或有针对性地使电池9不再连接到车载电网4的低压部分7上。
在这种情况下，在现有技术中已经提出，如通过图2详细说明的那样，使用由同步电机2本身回馈的能量，以便运行控制装置8和开关装置。如果达到一定的启动电压18作为第一阈值，那么直流电压转换器6可以将能量从高压部分5传输到低压部分7中并且控制装置8或其至少一个控制器可以被不断提高功率，其中，还提供用于功率开关11至16的驱动器的供电电压。这要求一定的时间段19，参见图2，在该时间段期间在中间电路中的电压(UZK)达到峰值电压20。在该时间点，已经确定存在牵引情况的控制装置8可以操控开关装置、在此具体来说操控驱动器，以便闭合第一或第二开关组的开关11至13或14至16，使得建立主动短路。相应地，如从图2中可见，在中间电路中的电压现在又下降。主动短路根据现有技术一直保持主动，直至中间电路电压下降到如此程度，使得不再能够为驱动器并且因此为主动短路提供足够的能量，使得从该时间点起特别又需要完全的启动时间19，直至主动短路可以被再次激活，重新在达到峰值电压20的情况下。
根据本发明现在偏离该方案，如应通过图3更详细地说明的那样。在那里又示出中间电路中的电压(UZK)与时间(t)的关系，而其中通过控制装置8来调整所述操控。在主动短路的第一次激活之前，情况还与图2中的情况完全相同。在中间电路中缓慢地借助于电容器17构建电压，其中，在达到启动电压18(相应于第一阈值21)时重新又需要启动时间19，以便启动和准备所有必要的部件，在此特别是给低压部分7供给电能，使控制装置8不断提高功率并且为功率开关11至16的驱动器提供电压供给。以这种方式，在该主动短路的第一次激活之前又达到峰值电压20。然而从该时间点起，控制装置8和用于驱动器的电压供给保持激活并且在控制装置8内部实现了两点调节器，该两点调节器将中间电路中的电压保持在第二阈值22与第三阈值23之间。第二阈值22在此已经被选择为低于峰值电压20，因为在所有重要的部件被保持激活并且因此取消死时间之后不必再达到该峰值电压。第三阈值23被选择为低于第二阈值22，但是明显高于第一阈值21，使得开关装置和控制装置8都不由于缺少电能而被去激活，而是一旦中间电路电压低于第三阈值23，就使主动短路有针对性地去激活。电容器17被再次充电，直至中间电路电压达到或超过第二阈值，此后主动短路通过借助于控制装置8的操控而再次被激活。这继续进行，使得中间电路电压可以保持在狭窄界定的范围内，例如在45V和55V之间。以这种方式不仅可以提高在牵引情况(或其它的外源驱动的情况)下的安全性，而且包括操控电子装置的电压供给装置可以始终保持激活，从而明显地缩小接通周期。由于启动时间、特别是用于驱动器的电压供给的死时间仅在第一次激活之前得出，参见启动时间19。
如从图3中可知，得出主动短路的一种脉冲式运行，所述脉冲式运行可以被理解为具有确定的脉冲频率的脉宽调制。第二阈值22和第三阈值23可以——特别也动态地——被选择，使得脉冲频率处于确定的频率范围内，优选地在500赫兹至1000赫兹的子范围内。随后进行主动短路的极其快速的激活-去激活周期，使得中间电路中的电压基本上保持恒定并且同步电机2上的力矩突变被保持为感知度较低。

Claims (8)

1.一种用于在机动车(1)的外源驱动期间运行机动车(1)的方法，所述机动车包括具有绕组的永磁励磁的同步电机(2)作为动力机/动力机器，其中，同步电机(2)通过具有在中间电路中的电容器(17)和开关装置的变流器(3)连接到机动车(1)的车载电网(4)上并且该开关装置能通过连接到车载电网(4)上的控制装置(8)操控，其中
-永磁励磁的同步电机(2)在外源驱动期间作为发电机运行，
-在超过用于中间电路中的电压的第一阈值(21)时，提供通过同步电机(2)产生的并且在电容器(17)中存储的能量以用于运行控制装置(8)和开关装置，以及
-在超过用于中间电路中的电压的第二阈值(22)时，操控开关装置以使同步电机(2)的绕组短路，
其特征在于，
此外
-在低于用于中间电路中的电压的第三阈值(23)的情况下，在存在主动短路的情况下，为了结束短路而操控开关装置，其中，将第三阈值(23)选择为高于第一阈值(21)并且高于为了维持开关装置的开关状态所需的最小电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使控制装置(8)在其第一次激活之后保持激活和/或开关装置在该时间段内随时保持能操控。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，选择第二阈值(22)和第三阈值(23)，特别是也动态地选择第二阈值和第三阈值，以用于调节在中间电路中由于激活和去激活主动短路而形成的电压曲线的、位于频率范围内的脉冲频率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，控制装置(8)连接到车载电网(4)的低压部分(7)上，该低压部分通过直流电压转换器(6)与车载电网(4)的高压部分(5)连接，同步电机(2)连接到该车载电网上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，开关装置具有多个、特别是六个功率开关(11-16)、特别是场效应晶体管和/或IGBT，为所述多个功率开关分别配设有用于提供控制极电压的驱动器，所述驱动器特别是由低压部分(7)馈电。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将第二阈值(22)选择为小于在车载电网(4)第一次启动时通过外源驱动而出现的峰值电压(20)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在20伏特至40伏特的范围内选择第一阈值(21)和/或在50伏特至60伏特的范围内选择第二阈值(22)和/或在35伏特至50伏特的范围内选择第三阈值(23)。
8.一种机动车(1)，其包括具有绕组的永磁励磁的同步电机(2)作为动力机器，其中，同步电机(2)通过具有在中间电路中的开关装置和电容器(17)的变流器(3)连接到机动车(1)的车载电网(4)上并且该开关装置能通过连接到车载电网(4)上的控制装置(8)操控，
其特征在于，
控制装置(8)被设计为用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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