DE102015108450A1

DE102015108450A1 - Traktionsmotorantrieb mit variabler Spannung für ein Hybridkraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015108450A1
Application number: DE102015108450.3A
Authority: DE
Inventors: Craig Brian Rogers
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-06-02
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2015-12-17
Also published as: US10236803B2; US20150349679A1; CN105227033A

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Fahrmotors für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, wobei der Motor durch einen pulsweitenmodulierten Wechselrichter angetrieben wird. Ein Fahrbefehl von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs wird in ein angefordertes Drehmoment umgewandelt. Eine im Wesentlichen feste Zwischenkreis-Gleichspannung wird von einer Gleichspannungsquelle erhalten. Eine an den Wechselrichter anzulegende Eingangsspannung wird berechnet, die bewirkt, dass der Motor das angeforderte Drehmoment an einem Übergangspunkt zwischen einem Bereich mit konstantem Drehmoment und einem Feldschwächungsbereich der Drehmomenterzeugung liefert. Die Spannung vom Gleichspannungs-Zwischenkreis wird in die bestimmte Eingangsspannung an einem Eingang zum Wechselrichter umgewandelt. Durch Erniedrigen der am Wechselrichter angelegten Spannung werden Schaltverluste und harmonische Verluste reduziert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrifizierte Kraftfahrzeuge wie z. B. Hybridelektrokraftfahrzeuge und insbesondere wechselrichterangetriebene Fahrmotoren mit reduzierten Verlusten in den Wechselrichter-Leistungsschaltgeräten.
Elektrokraftfahrzeuge, wie z. B. Hybridelektrokraftfahrzeuge (HEVs), Plug-In-Hybridelektrokraftfahrzeuge (PHEVs) und komplett elektrische Kraftfahrzeuge, verwenden wechselrichterangetriebene elektrische Maschinen zum Liefern des Traktionsmoments und des Nutzbremsmoments. Ein typisches elektrisches Antriebssystem umfasst eine Gleichspannungsquelle (wie z. B. einen Batterien-block oder eine Brennstoffzelle), die über Schätzschalter mit einem variablen Spannungswandler (WC) verbunden ist, um eine Haupt-Busspannung über einem Haupt-Zwischenkreiskondensator zu regeln. Ein erster DC/AC-Wechselrichter ist zwischen dem Hauptbus und einem Fahrmotor zum Bewegen des Kraftfahrzeugs angeschlossen. Der Motor kann zum Beispiel ein Induktionsmotor oder ein Permanentmagnet-Motor sein. Ein zweiter DC/AC-Wechselrichter ist zwischen dem Hauptbus und einem Generator zum Umwandeln von mechanischer Leistung von einem Verbrennungsmotor in Elektrizität als Gleichspannung zum Betreiben des Fahrmotors (über den ersten Wechselrichter) oder zum Laden der Batterie angeschlossen. Der zweite Wechselrichter kann auch dazu verwendet werden, Energie beim Abbremsen zu regenerieren, um die Batterie über den VVC zu laden.
Die Wechselrichter enthalten jeweils Transistorschalter (wie z. B. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode oder IGBTs), die in einer Brückenkonfiguration geschaltet sind. Eine elektronische Steuerung schaltet die Schalter ein und aus, um eine Gleichspannung vom Bus in eine Wechselspannung umzurichten, die an den Motor angelegt wird, oder um eine Wechselspannung vom Generator in eine Gleichspannung auf dem Bus umzurichten.
Der Wechselrichter pulsweitenmoduliert die Zwischenkreis-Gleichspannung, um eine Annäherung an einen sinusförmigen Stromausgang zu liefern, um den Fahrmotor mit gewünschter Drehzahl und gewünschtem Drehmoment anzutreiben. Der Wechselrichter liefert eine Reihe von pulsweitenmodulierten (PWM) Rechteckspannungen als Ergebnis des koordinierten Schaltens der IGBTs. Die IGBTs und ihre Sperrverzögerungsdioden haben zugehörige Schaltverluste. Weiterhin erzeugt die Pulsweitenmodulation Oberschwingungsverluste im Motor.
In der Schaltungstopologie, die typisch in den Antrieben für Hybridelektrokraftfahrzeuge verwendet wird, ist der Gleichspannungs-Zwischenkreis dem Generatorwechselrichter, dem Batterie-Wandler und dem Fahrmotor-Wechselrichter gemeinsam. Folglich teilen sich alle drei die gleiche im Wesentlichen konstante Gleichspannung. Der Betrag der Zwischenkreis-Gleichspannung wird allgemein so gewählt, dass die beste Betriebsleistung für Generator und Batterie geliefert wird, und dass sie genügend hoch ist, um den Motorwechselrichter in die Lage zu versetzen, das obere Ende der spezifizierten Drehzahl- und Drehmomentbereiche zu erreichen.
Bei höheren Spannungen über dem Wechselrichter sind die Schaltverluste im Traktionswechselrichter höher. Eine Eigenschaft von Fahrmotoren ist, dass sie bei Arbeitspunkten mit niedriger Winkelgeschwindigkeit keine so hohe Spannung benötigen wie bei Arbeitspunkten mit höherer Winkelgeschwindigkeit. Um die niedrigere Drehzahl und das niedrigere Drehmoment zu erreichen, wenn die Gleichspannungsversorgung über dem Wechselrichter konstant ist, wird das Einschaltverhältnis der pulsweitenmodulierten Schaltung verringert. Da die höhere Spannung, die für Arbeitspunkte mit höherer Drehzahl/höherem Drehmoment benötigt wird, noch über dem Wechselrichter erscheint, ergeben sich die gleichen Verluste bei den Arbeitspunkten mit niedrigerer Drehzahl/niedrigerem Drehmoment. Daher besteht während des Kraftfahrzeugbetriebs mit niedriger Drehzahl eine Möglichkeit, die Verluste zu verringern, falls die Zwischenkreis-Gleichspannung am Eingang des Wechselrichters reduziert wird. Ein Reduzieren des Werts der Zwischenkreis-Gleichspannung am Eingang zum Wechselrichter reduziert die Schaltverluste in den IGBTs, die Sperrverzögerungsverluste in den antiparallelen Dioden und die harmonischen Verluste im Fahrmotor. Ein Reduzieren der Energieverluste verbessert die insgesamte Kraftstoffökonomie.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Fahrmotors für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei der Motor durch einen pulsweitenmodulierten Wechselrichter angetrieben wird. Ein Fahrbefehl von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs wird in ein angefordertes Drehmoment umgewandelt. Eine im Wesentlichen feste Zwischenkreis-Gleichspannung wird von einer Gleichspannungsquelle (z. B. einer Batterie und/oder einem Generator) erhalten. Eine Steuerung bestimmt eine an den Wechselrichter anzulegende Eingangsspannung, die bewirkt, dass der Motor das angeforderte Drehmoment an einem Übergangspunkt zwischen einem Bereich mit konstantem Drehmoment und einem Feldschwächungsbereich der Drehmomenterzeugung liefert. Die Spannung vom Gleichspannungs-Zwischenkreis wird in die bestimmte Eingangsspannung an einem Eingang zum Wechselrichter umgewandelt. Durch Erniedrigen der Spannung am Wechselrichter werden Schaltverluste und harmonische Verluste reduziert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das ein typisches Beispiel für ein Hybridelektrokraftfahrzeug zum Einsetzen der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine konventionelle Schaltungstopologie mit einer gemeinsamen Zwischenkreis-Gleichspannung, die sich der Traktionswechselrichter und der Generatorwechselrichter teilen.
3 ist eine Kurvendarstellung, die eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und der Drehmomenterzeugung zeigt.
4 ist ein Flussdiagramm, das eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zum Liefern einer variablen Gleichspannung zum Ansteuern eines Traktionswechselrichters nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein Antriebssystem nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
6 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern einer Wechselrichter-Eingangsspannung eingehender zeigt.
7 ist ein Blockdiagramm, das ein alternatives Antriebssystem zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein zu dem Antriebssystem von 7 gehöriges Verfahren zum Steuern einer Wechselrichter-Eingangsspannung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist ein Kraftfahrzeug 10 als Hybridelektrokraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem 18 gezeigt. Obwohl ein Layout mit Leistungsverzweigung (”Powersplit”) gezeigt ist, ist die vorliegende Erfindung auch auf andere Typen Elektrokraftfahrzeugen (z. B. HEV, PHEV oder ein komplett elektrisches Kraftfahrzeug) anwendbar. Ein Verbrennungsmotor 11 und ein Batterienblock 12 führen Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 10 zu. Die Batterie 12 versorgt einen Motor 13 mit einem Ausgang zum Getriebe 14 zum Antreiben der Kraftfahrzeugräder 15. Ein mechanischer Ausgang des Motors 11 ist mit dem Getriebe 14 über eine Verzweigungseinrichtung 16 zum Vorsehen eines vom Motor angetriebenen Modus des Antriebsstrangs verbunden. Die Verzweigungseinrichtung 16 verbindet auch das Getriebe 14 mit einem Generator 17, so dass die Drehzahl des Motors 11 unabhängig von der Drehzahl des Getriebes 14 und der Räder 15 gesteuert werden kann, und so dass Nutzbremsenenergie von den Rädern 15 zurückgewonnen werden kann, um die Batterie 12 zu laden, wie im Stand der Technik bekannt.
Das elektrische Antriebssystem 18 weist einen variablen Spannungswandler 20 zum Umwandeln der Batteriespannung in eine gewünschte Busspannung auf. Die Busspannung wird durch einen Wechselrichter (”INV”) 21 steuerbar geschaltet (d. h. kommutiert), um den Motor 13 anzutreiben. Ein Wechselrichter 22 (”INV”) ist zwischen den Generator 17 und den Wandler 20 geschaltet, so dass Wechselspannungsleistung vom Generator 17 während der Drehzahlsteuerung des Motors in Gleichspannungsleistung umgerichtet wird, welche weiterhin durch den Wandler 20 in eine geeignete Spannung zum Laden der Batterie 12 umgewandelt wird. Um die Transistorschalter des Wandlers 20 und die Wechselrichter 21 und 22 zu steuern, weist das elektrische Antriebssystem 18 eine Steuereinheit (MGCU) 25 für den Motorgenerator auf.
2 zeigt näher eine konventionelle Hybridelektro- oder leistungsverzweigte Hybridelektro-Antriebstechnologie für Rücken-an-Rücken-Spannungswechselrichter- bis Spannungswechselrichter-Reihen. Der Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensator 26 liefert eine konstante Gleichspannung an einen Bus 27, den sich die Wechselrichter 21 und 22 und der VVC-Wandler 20 teilen. Die MGCU 25 ist konfiguriert, den Betrieb des Wandlers 20 und der Wechselrichter 21 und 22 durch koordiniertes Schalten der dargestellten Transistoren unter Verwendung von geeignet konfigurierten Pulsweitenmodulationszyklen zu steuern.
3 zeigt die Beziehungen zwischen der Drehmomenterzeugung, der Leistung und der Grunddrehzahl für einen Fahrmotor. Die Grunddrehzahl ist eine Charakteristik des Motors, die durch seinen speziellen Aufbau (d. h. Flussverkettung, Wicklungen etc.) bestimmt wird. Eine Kurve 30 zeigt eine Beziehung zwischen Drehmoment und Grunddrehzahl, und eine Kurve 31 zeigt eine Beziehung zwischen Leistung und Grunddrehzahl. Unterhalb der Grunddrehzahl wird ein im Wesentlichen konstantes Drehmoment erzeugt, während oberhalb der Grunddrehzahl das Drehmoment mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Dagegen variiert die Leistung mit der Drehzahl bei Drehzahlen unterhalb der Grunddrehzahl, während die Leistung bei Drehzahlen oberhalb der Grunddrehzahl im Wesentlichen konstant bleibt. Somit ist der Motorbetrieb oft durch einen konstanten Drehmomentbereich 32 unterhalb der Grunddrehzahl und einen Feldschwächungsbereich 33 oberhalb der Grunddrehzahl gekennzeichnet.
In der konventionellen Topologie mit einer festen Zwischenkreis-Gleichspannung ist die Grunddrehzahl konstant. Der Feldschwächungsbereich 33 ist wichtig zum Liefern eines kompletten Bereichs von gewünschten Drehzahlen. Die Pulsweitenmodulation, die im konstanten Drehmomentbereich 32 auftritt, führt auch Schaltverluste ein, welche allgemein höher sind als die minimal erhaltbaren Schaltverluste (außer beim Betrieb nahe an der Grunddrehzahl), da die Zwischenkreis-Gleichspannungen höher gehalten werden als für diesen Bereich von Drehzahlen benötigt.
Die vorliegende Erfindung verringert die Schaltverluste, indem die Haupt-Zwischenkreis-Gleichspannung vom Traktionswechselrichter entkoppelt wird und stattdessen eine weitere Wandlung vorgesehen wird, um eine variable Zwischenkreis-Gleichspannung ausschließlich für den Traktionswandler zu bilden. Insbesondere wird die an dem Traktionswechselrichter angelegte Spannung in einer Weise variiert, dass die Drehmomenterzeugung einem Übergangspunkt 34 zwischen dem konstanten Drehmomentbereich 32 und dem Feldschwächungsbereich 33 folgt (d. h. die Eingangsspannung wird so gesteuert, dass sie eine ”Übergangs”-Spannung ist, entsprechend dem Übergangspunkt). In anderen Worten, die variable Zwischenkreis-Gleichspannung resultiert in einer variablen Grunddrehzahl, und die effektive Grunddrehzahl verschiebt sich um einen Betrag, der den Arbeitspunkt des Motors an den Übergangspunkt 34 legt.
4 zeigt eine erste Ausführungsform eines Verfahrens nach der Erfindung, wobei Generatorwechselrichter, Batterie und Haupt-Gleichspannungswandler in einer Weise betrieben werden, die eine im Wesentlichen feste Zwischenkreis-Gleichspannung an einen Hauptbus anlegt. Eine Drehmomentanforderung und eine Stromanforderung für den Fahrmotor werden in Schritt 36 berechnet. Wie im Stand der Technik bekannt, kann die Drehmomentanforderung in Reaktion auf eine Eingabe des Bedieners bestimmt werden, wie z. B. Betätigung eines Gaspedals und/oder eines Bremspedals. In Schritt 37 wird der momentane Strom gemessen (welcher direkt proportional zum Drehmoment ist). Der momentane Strom und die Stromanforderung werden in Schritt 38 verglichen (was äquivalent zum Vergleich des momentanen Drehmoments mit dem angeforderten Drehmoment ist). Auf Grund des Vergleichs wird das Einschaltverhältnis der PWM des Traktionswechselrichters in einer konventionellen Weise auf den neuesten Stand gebracht. Weiterhin wird der Wert einer separaten Gleichspannung, die von einem separaten Gleichspannungs-Zwischenkreis an den Traktionswechselrichter angelegt wird, eingestellt, um dem Übergangspunkt zwischen dem konstanten Drehmomentbereich und dem Feldschwächungsbereich in Schritt 39 zu folgen. Diverse Verfahren und Vorrichtungen können eingesetzt werden, um die Zwischenkreis-Gleichspannung des Wechselrichters geeignet zu steuern, wie weiter unten beschrieben.
5 zeigt eine verbesserte Vorrichtung nach der Erfindung, wobei ein Fahrmotor 40 durch einen Traktionswechselrichter 41 angetrieben wird. Ein Haupt-Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensator 42 ist an einen Haupt-Gleichspannungsbus 43 angeschlossen. Ein erster DC-DC-Wandler 45 ist an den Hauptbus 43 und eine Speicherbatterie 44 angeschlossen. Ein Generator 46 ist mit dem Hauptbus 43 durch einen Generatorwechselrichter 47 verbunden. Ein zweiter DC-DC-Wandler 48 ist zwischen dem Haupt-Gleichspannungsbus 43 und einem Zwischenkreiskondensator 50 angeschlossen, um eine variable Eingangsspannung an den Traktionswechselrichter 41 anzulegen. Der Wandler 48 enthält die IGBT-Transistorschalter 51 und 52 und einen Induktor 53 in einer Tiefsetzkonfiguration. Das pulsweitenmodulierte Schalten der Transistoren 51 und 52 wird ausgeführt unter Verwendung eines Einschaltverhältnisses, das in einer gewünschten Gleichspannung über dem Zwischenkreiskondensator 50 zur Anlage an den Wechselrichter 41 resultiert.
Die PWM-Schaltung des Traktionswechselrichters 41 wird in einer konventionellen Weise durch eine Motorsteuerung 56 auf Grundlage eines von einem Sensor 55 gemessenen Statorstroms ausgeführt. Der gemessene Statorstrom I_s kann von einem Drehmomentkalkulator 57 verwendet werden, um ein momentanes Motormoment zu berechnen, dessen Wert mit einer Eingabe von einem Summierglied 58 verbunden ist. Ein gewünschtes Drehmoment wird von der Drehmomentanforderungseinheit 60 erhalten, welche eine Eingabevorrichtung für den Fahrer, wie z. B. ein Gaspedal, und eine Motorsteuereinheit enthalten kann. Somit wird eine bestimmte Beschleunigung oder Verlangsamung, bestimmt durch eine Handlung des Fahrers, verwendet, um zu bestimmen, wie viel Drehmoment an die Kraftfahrzeugräder geliefert werden soll. Die berechnete Drehmomentanforderung ist mit einer weiteren Eingabe vom Summierglied 58 verbunden, und eine Differenz zwischen dem berechneten momentanen Drehmoment und dem Drehmomentbefehl wird in einem Einschaltverhältnisblock 61 verwendet, um das Einschaltverhältnis und/oder die Betriebsfrequenz für das Schalten des Wechselrichters 41 auf den neuesten Stand zu bringen. Ein Kommutator 62 steuert die Wechselrichterschalter unter Verwendung des berechneten Einschaltverhältnisses, wie im Stand der Technik bekannt.
Eine momentane Motordrehzahl wird unter Verwendung eines Motor-Positionssensors 66 und eines Drehzahlbestimmungskreises 67 erhalten. Eine resultierende berechnete Motordrehzahl ω wird in eine Steuerung 65 eingegeben. Eine Kalkulationseinheit 68 in der Steuerung 65 empfängt die Motordrehzahl und einen Ziel-Motorstrom I*_s. Der Zielstrom kann zum Beispiel von der Motorsteuerung 56 erhalten werden. Die Steuerung 65 verwendet das angeforderte Drehmoment (ausgedrückt als Strom), um einen Minimalwert für die variable Wechselrichter-Eingangsspannung zu berechnen, was dem Wechselrichter 41 und dem Motor 40 erlaubt, das gewünschte Drehmoment zu generieren, ohne in den Flussschwächungsbereich zu kommen. Genauer gesagt, berechnet die Einheit 68 eine Gleichspannung, die bewirkt, dass die Drehmomenterzeugung dem Übergangspunkt zwischen dem konstanten Drehmomentbereich und dem Feldschwächungsbereich folgt. Die Berechnung kann vorzugsweise die folgende Formel implementieren:
wobei R_s der Widerstand der Statorwicklungen, L_q die Querinduktivität, λ_af die Anker-Flussverkettung auf Grunde der Rotormagnete und I_s der Statorstrom ist, wie aus der Gleichung für das gewünschte Drehmoment abgeleitet. Die Formel erfasst die diversen Elemente, die zu den Spannungsanforderungen für den Motor zum Erzielen des gewünschten Statorstroms und somit des gewünschten Drehmoments beitragen. Das signifikanteste Element ist die Flussverkettung der Rotormagnete mit den Statorwicklungen und die Motordrehzahl, wie dargestellt durch ω_rλ_af. Je zahlreicher die Statorwicklungen, je stärker die Rotormagnete oder je höher die Drehzahl ist, desto höher muss somit die Spannung sein. Die Motorinduktivität wirkt mit dem sich ändernden Strom zusammen, was in dem Beitrag resultiert, der als
angegeben ist. Die Induktivität reagiert auch mit dem Statorstrom und der Rotordrehzahl (ω_rL_qI_s). Eine weitere Spannungskomponente kommt vom Statorwiderstand und vom Statorstrom (R_sI_s). Die resultierende Spannung V_dc ist die minimale Spannungsanforderung, um das gewünschte Drehmoment zu erhalten. Eine höhere Spannung würde zu einer Verringerung des PWM-Einschaltverhältnisses führen, um das Erzeugen von zu viel Drehmoment zu vermeiden.
Um die Spannung vom zweiten DC-DC-Wandler 48 (d. h. die Eingangsspannung für den Traktionswechselrichter) passend zum berechneten Minimalwert einzustellen, vergleicht ein Komparator 70 die tatsächliche Spannung über dem Wechselrichter 41 mit dem gewünschten Wert, wie er von der Kalkulationseinheit 68 erhalten wurde. Der Komparator 70 liefert die Differenz als Fehlersignal an eine Vorsteuerung/Proportional-Integral-Steuerung 71. Der Vorsteuerungsteil der Steuerung 71 empfängt die Haupt-Zwischenkreis-Gleichspannung vom Bus 43. Die Steuerung 71 verwendet bekannte Techniken, um ein Einschaltverhältnis für das Schalten der Transistoren 51 und 52 auf den neuesten Stand zu bringen und die Gleichspannung über dem Zwischenkreiskondensator 50 einzustellen, um dem berechneten Minimum V_dc von der Kalkulationseinheit 68 zu folgen.
Das entsprechende Verfahren ist in 6 gezeigt. Ein Motorstrom entsprechend dem gewünschten Drehmoment wird in Schritt 75 berechnet. Eine minimale Wechselrichterspannung, die zum Erzeugen des berechneten Motorstroms mit der vorliegenden Motordrehzahl notwendig ist, wird in Schritt 76 berechnet. In Schritt 77 wird der Gleichspannungswandler für den Wechselrichter angewiesen, die Haupt-Zwischenkreis-Gleichspannung in die berechnete Minimalspannung umzuwandeln.
7 zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei anstelle des Statorstroms des Motors als Steuervariable das in der Motorsteuerung 56 generierte PWM-Einschaltverhältnis als Steuervariable verwendet wird. Somit empfängt eine Steuerung 80 das momentane PWM-Einschaltverhältnis von der Motorsteuerung 56 an einem Eingang eines Summierglieds 81. Ein Ziel-Einschaltverhältnis wird an einem zweiten Eingang des Summierglieds 81 bereitgestellt. Das Ziel-Einschaltverhältnis entspricht einem maximalen Einschaltverhältnis von im Wesentlichen 100%. Einer der Eingänge des Summierglieds ist invertierend. Eine Differenz zwischen den Einschaltverhältnissen wird einer Proportional-Integral-Steuerung 82 zugeführt, welche die Gleichspannung, die vom Wandler 48 ausgegeben wird, entsprechend erhöht oder erniedrigt, so dass das PWM-Einschaltverhältnis für den Wechselrichter 51 an seinem Maximalwert gehalten wird.
Ein entsprechendes Verfahren ist in 8 gezeigt, wobei die momentane Motordrehzahl in Schritt 85 gegen eine maximale Grunddrehzahl geprüft wird. Die maximale Grunddrehzahl kann während der Systementwicklung festgelegt werden, wenn eine bestimmte optimale Motorgestaltung gewählt wird. Somit kann es für Arbeitspunkte mit höherer Drehzahl wünschenswert sein, weiterhin den Betrieb im Feldschwächungsbereich einzusetzen, was bedeutet, dass die Eingangsspannung für den Traktionswechselrichter manchmal auf den Wert der Haupt-Zwischenkreis-Gleichspannung ansteigen muss. In diesem Fall wird es unmöglich, die Schaltverluste durch Verringerung der Eingangsspannung für den Traktionswechselrichter zu verringern. Daher wird eine maximale Zwischenkreis-Gleichspannung in Schritt 86 eingesetzt. Andererseits, falls die Drehzahl kleiner als die minimale Grunddrehzahl ist, können dann die Schaltverluste durch Erniedrigen der Eingangsspannung für den Traktionswechselrichter verringert werden. Weiterhin kann die Motorsteuerung ein Sechs-Schritt-Schalten in Schritt 87 implementieren, da der Feldschwächungsbereich vermieden wird. In Schritt 88 wird das Strom-Einschaltverhältnis des Wechselrichters mit dem Ziel-Maximum verglichen. In Schritt 89 wird die Zwischenkreis-Gleichspannung für den Wechselrichter eingestellt, um den Fehler zu verkleinern. Da das Verkleinern des Fehlers das Einschaltverhältnis auf das Ziel-Maximum wiederherstellt, erlauben die zulässige Bewegung der Grunddrehzahl und das Erreichen des maximalen Einschaltverhältnisses des Wechselrichters verbesserte Möglichkeiten zur Verwendung von Verfahren mit reduzierten Schaltfrequenzen, wie z. B. mit sechs Schritten, was in einer geringeren Anzahl von auftretenden Schaltereignissen resultiert. Die Möglichkeiten zum Reduzieren der Anzahl der Schaltereignisse, zum Reduzieren der Schaltfrequenz und zum Reduzieren der Gleichspannungswerte resultieren alle in einer signifikanten Reduktion der Schaltverluste durch die vorliegende Erfindung.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Fahrmotors für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug, umfassend die Schritte: Ansteuern eines Wechselrichters mit einem variablen Einschaltverhältnis, um ein gewünschtes Drehmoment vom Motor zu generieren; und Einstellen einer Gleichspannung am Wechselrichter, so dass die Drehmomenterzeugung einem Übergangspunkt zwischen einem Bereich mit konstantem Drehmoment und einem Feldschwächungsbereich folgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kraftfahrzeug eine Fahreranforderungssteuerung aufweist, und wobei das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Überwachen der Fahreranforderungssteuerung, um das gewünschte Drehmoment zu bestimmen; Berechnen eines Stromflusses im Motor, der das gewünschte Drehmoment erzeugt; und Berechnen der Gleichspannung als Minimalspannung, die den berechneten Strom erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die minimale Gleichspannung in Reaktion auf den berechneten Strom und eine Drehzahl des Motors berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Einstellens der Gleichspannung die Schritte umfasst: Vergleichen des variablen Einschaltverhältnisses mit einem Ziel-Einschaltverhältnis; und Einstellen der Gleichspannung, um einen Fehler zwischen dem variablen Einschaltverhältnis und dem Ziel-Einschaltverhältnis zu reduzieren.
Verfahren zum Steuern eines Fahrmotors für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug, wobei der Motor durch einen pulsweitenmodulierten Wechselrichter angetrieben wird, und wobei das Verfahren umfasst: Umwandeln eines Fahrbefehls von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs in ein angefordertes Drehmoment; Aufrechterhalten einer im Wesentlichen festen Zwischenkreis-Gleichspannung von einer Gleichspannungsquelle; und Umwandeln der Zwischenkreis-Gleichspannung in eine Übergangsspannung an einem Eingang zum Wechselrichter, wobei die Übergangsspannung bewirkt, dass der Motor das angeforderte Drehmoment an einem Übergangspunkt zwischen einem Bereich mit konstantem Drehmoment und einem Feldschwächungsbereich der Drehmomenterzeugung liefert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Übergangsspannung unter Verwendung des angeforderten Drehmoments und einer Drehzahl des Motors bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Übergangsspannung einen Wert hat entsprechend:
wobei R_s ein Statorwiderstand, L_q eine Querinduktivität, I_s ein Statorstrom entsprechend dem angeforderten Drehmoment, ω_r die Drehzahl und λ_af eine Anker-Flussverkettung ist.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend die Schritte: Bestimmen eines Ziel-Statorstroms entsprechend dem gewünschten Drehmoment; Messen eines tatsächlichen Statorstroms; Modulieren einer Pulsweite zum Schalten des Wechselrichters, um einen Fehler zwischen dem tatsächlichen Statorstrom und dem Ziel-Statorstrom zu reduzieren; wobei die Übergangsspannung einen Wert zum Maximieren der modulierten Pulsweite hat.
Hybridelektrokraftfahrzeug, welches umfasst: einen Generator; einen Fahrmotor; eine Gleichspannungsquelle; einen Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensator; einen ersten Wechselrichter, der zwischen dem Generator und dem Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensator geschaltet ist; einen ersten DC-DC-Wandler, der zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensator geschaltet ist, wobei eine im Wesentlichen konstante Zwischenkreis-Gleichspannung über dem Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensator vorgesehen ist; einen zweiten DC-DC-Wandler, der mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensator zum Generieren einer variablen Gleichspannung verbunden ist; einen zweiten Wechselrichter, der zwischen dem zweiten DC-DC-Wandler und dem Fahrmotor geschaltet ist, wobei der zweite Wechselrichter mit einem pulsweitenmodulierten (PWM) Einschaltverhältnis geschaltet wird, das einen Ziel-Motorstrom entsprechend einem gewünschten Motormoment generiert; und eine DC-DC-Steuerung zum Einstellen des zweiten DC-DC-Wandlers, um die variable Spannung im Wesentlichen an einem Minimalwert zu generieren, der dem zweiten Wechselrichter erlaubt, den Ziel-Motorstrom ohne Feldschwächung im Motor zu generieren.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, wobei die DC-DC-Steuerung eine Proportional-Integral-Steuerung zum Vergleichen der variablen Spannung mit dem Minimalwert und zum Reduzieren eines durch den Vergleich erfassten Fehlers durch Modifizieren eines pulsweitenmodulierten Einschaltverhältnisses des zweiten DC-DC-Wandlers umfasst.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, wobei der Minimalwert durch die DC-DC-Steuerung in Reaktion auf einen berechneten Stromfluss im Motor bestimmt wird, der das gewünschte Drehmoment bei einer Drehzahl des Motors erzeugt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 11, wobei der Minimalwert gegeben ist durch:
wobei R_s ein Statorwiderstand, L_q eine Querinduktivität, I_s der berechnete Strom entsprechend dem angeforderten Drehmoment, ω_r die Drehzahl und λ_af eine Anker-Flussverkettung ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, wobei der Minimalwert durch die DC-DC-Steuerung durch Vergleichen des variablen Einschaltverhältnisses mit einem Ziel-Einschaltverhältnis und durch Einstellen des Minimalwerts bestimmt wird, um einen Fehler zwischen dem variablen Einschaltverhältnis und dem Ziel-Einschaltverhältnis zu reduzieren.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, wobei die Gleichspannungsquelle eine Batterie und einen von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Generator umfasst.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, wobei der zweite DC-DC-Wandler einen Tiefsetz-Wandler umfasst.
Hybridelektrokraftfahrzeug, welches umfasst: einen Fahrmotor; einen Wechselrichter, der den Motor mit einem variablen Einschaltverhältnis ansteuert, um ein gewünschtes Drehmoment zu generieren; einen Gleichspannungs-Zwischenkreis, der eine im Wesentlichen konstante Gleichspannung empfängt; und einen Gleichspannungswandler zum Umwandeln der konstanten Spannung in eine variable Gleichspannung, die von dem Wechselrichter verwendet wird, um den Motor anzutreiben, so dass die Drehmomenterzeugung einem Übergangspunkt zwischen einem Bereich mit konstantem Drehmoment und einem Feldschwächungsbereich folgt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 16, wobei der Wechselrichter mit einem pulsweitenmodulierten (PWM) Einschaltverhältnis geschaltet wird, das einen Ziel-Motorstrom entsprechend einem gewünschten Drehmoment generiert, und wobei das Kraftfahrzeug ferner umfasst: eine Steuerung zum Einstellen des Gleichspannungswandlers, um die variable Gleichspannung im Wesentlichen an einem Minimalwert zu generieren, der dem Wechselrichter erlaubt, den Ziel-Motorstrom zu generieren.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 17, wobei die Steuerung eine Proportional-Integral-Steuerung zum Vergleichen der variablen Gleichspannung mit dem Minimalwert und zum Reduzieren eines durch den Vergleich erfassten Fehlers durch Modifizieren eines pulsweitenmodulierten Einschaltverhältnisses des Gleichspannungswandlers umfasst.