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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine bzw. eine Rotationselektromaschinenantriebseinrichtung, die eine elektrische Wechselstromdrehmaschine antreibt und steuert.
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HINTERGRUND
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In den letzten Jahren haben aus der Sicht von zum Beispiel einer Energieeinsparung und einer Reduzierung von Umweltbelastungen Hybridfahrzeuge und elektrische Fahrzeuge, die jeweils mit einer elektrischen Drehmaschine als eine Quelle einer Antriebskraft bereitgestellt sind, Aufmerksamkeit erlangt. Solch ein Fahrzeug umfasst eine Gleichstromenergieversorgung wie etwa eine Batterie, die Energie zuführt, wenn die elektrische Drehmaschine als die Quelle der Antriebskraft funktioniert (Motor), und speichert erzeugte Energie, wenn die elektrische Drehmaschine als eine Quelle einer Energie (Generator) funktioniert. Wenn die elektrische Drehmaschine als die Quelle einer Antriebskraft (Motor) funktioniert, wird eine Gleichstromenergie, die von der Gleichstromenergieversorgung zugeführt wird, durch einen Inverter in Wechselstromenergie umgewandelt, um die elektrische Drehmaschine anzutreiben. Wenn die elektrische Drehmaschine als der Generator funktioniert, wird Wechselstromenergie, die durch die elektrische Drehmaschine erzeugt wird, durch den Inverter in Gleichstromenergie umgewandelt, um als regenerierte Energie in der Gleichstromenergieversorgung gespeichert zu werden.
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Ein Glättungskondensator zum Glätten der Gleichstromenergie ist zwischen der Gleichstromenergieversorgung und dem Inverter bereitgestellt. Allgemein ist der Inverter unter Verwendung von Schaltelementen ausgestaltet, die gesteuert werden, um bei einer vorbestimmten Schaltfrequenz umgeschaltet zu werden. Als ein Ergebnis wird auf die Gleichstromenergie eine Pulsierung entsprechend der Schaltfrequenz überlagert. Der Glättungskondensator reduziert Schwankungen, wie etwa die Pulsierung, der Gleichstromenergie, um Spannungen, die an die Schaltelemente angelegt werden, davon abzuhalten, die Stehspannung von diesen zu überschreiten, und die Schwankungen im Strom davon abzuhalten, die Gleichstromenergiequelle zu verschlechtern.
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Allgemein wird die Gleichstromseite des Inverters zum Antreiben der elektrischen Drehmaschine als die Quelle der Antriebskraft eines elektrischen Hybridfahrzeugs oder eines elektrischen Fahrzeugs bei einer hohen Spannung von 200 [V] bis 400 [V] betrieben. Deshalb ist es erforderlich, dass der Glättungskondensator eine hohe Spannungsfestigkeitsperformanz gegenüber solch einer hohen Spannung aufweist und gleichzeitig muss die Schwankung aufgrund der Pulsierung berücksichtigt werden. Wenn zusätzlich Stehspannungen der Schaltelemente, die den Inverter bilden, berücksichtigt werden, ist es erforderlich, dass der Glättungskondensator eine ausreichende Kapazität zum Reduzieren der Pulskomponente aufweist. Diese Erfordernisse erhöhen allgemein die Kosten des Glättungskondensators und erhöhen die physische Größe von diesem, wodurch ein großer Installationsraum erforderlich ist. Des Weiteren sind der Inverter und der Glättungskondensator oft auf eine integrierte Weise oder nahe zueinander als Teile einer Antriebseinrichtung einer elektrischen Drehmaschine installiert. Insbesondere ist es erforderlich, dass eine fahrzeugseitige Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine leicht und klein ist, aus der Sicht eines Gewichts und eines Installationsraums, so dass der Inverter und der Glättungskondensator wünschenswerter Weise leicht und klein sind.
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Zum Beispiel beschreibt die japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2009-106046 (
JP 2009-106046 A ) (Patentdokument 1) eine platzsparende Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine (Leistungswandler) mit einem Kühlmechanismus. Bei dieser Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine ist ein Leistungsmodul mit Schaltelementen auf einer flachen Oberfläche innerhalb eines Gehäuses mit einem Wärmeabstrahlungsabschnitt angeordnet. Ein Glättungskondensator, der mit dem Leistungsmodul elektrisch verbunden ist, ist neben dem Leistungsmodul auf einer flachen Oberfläche angeordnet, die eine Stufe niedriger als die flache Oberfläche gebildet ist, auf der das Leistungsmodul angeordnet ist (siehe Paragraphen 7 und 8,
1 usw.). Der Glättungskondensator, der eine hohe Stehspannung und eine große Kapazität aufweisen muss, weist tendenziell eine große physische Größe auf. In Patentdokument 1 sind der Wärmeabstrahlungsabschnitt und das Leistungsmodul gemäß der Höhe des Glättungskondensators angeordnet, so dass die Gesamthöhe der Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine verringert ist, wodurch Platz eingespart wird.
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Auf diese Weise kann eine Platzeinsparung durch Vornehmen von Verbesserungen im Layout zum Beispiel des Schaltungsabschnitts (Leistungsmodul), des Kühlmechanismus und des Glättungskondensators des Inverters zu einem gewissen Ausmaß erreicht werden. Eine Reduzierung des Gewichts und der Größe der Gesamteinrichtung wurde durch weiteres Reduzieren der physischen Größe des Glättungskondensators, die durch die Stehspannung und die Kapazität bestimmt werden, jedoch nicht erreicht. Eine Reduzierung der Kapazität des Glättungskondensators ermöglicht, dass die Größe reduziert wird, aber könnte den Effekt des Unterdrückens der Verschlechterung der Gleichstromenergieversorgung und der Schaltelemente reduzieren. Speziell verringert eine Reduzierung der Kapazität des Glättungskondensators, um die Größe von diesem zu reduzieren, die Fähigkeit der Glättung der Gleichstromenergie und erhöht somit die Pulsierungen einer Systemspannung, die die Spannung auf der Gleichstromseite des Inverters ist, und eines Energieversorgungsstrom, der ein Strom ist, der durch die Gleichstromenergieversorgung fließt. Dies ergibt die mögliche Reduzierung des Effekts des Unterdrückens der Verschlechterung der Gleichstromenergieversorgung und der Schaltelemente.
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Dokument des Standes der Technik
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Patentdokument
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- Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2009-106046 ( JP 2009-106046 A )
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Problem, das durch die Erfindung zu lösen ist
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Angesichts des vorstehend beschriebenen Hintergrunds ist eine Technik wünschenswert, die die Kapazität eines Glättungskondensators auf der Gleichstromseite eines Inverters reduzieren kann, während Schwankungen wie etwa die Pulsierungen der Spannung und des Stroms auf der Gleichstromseite des Inverters reduziert werden.
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Mittel zum Lösen des Problems
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die angesichts des vorstehend beschriebenen Problems vorgenommen wird, besitzt eine Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine, die eine elektrische Wechselstromdrehmaschine antreibt und steuert, ein charakteristisches Merkmal, das einen Inverter umfasst, der zwischen einer Gleichstromenergieversorgung und der elektrischen Drehmaschine elektrisch zwischengeschaltet ist und elektrische Energie zwischen einem Gleichstrom und einem Wechselstrom umwandelt, das einen Glättungskondensator umfasst, der zwischen der Gleichstromenergieversorgung und dem Inverter elektrisch zwischengeschaltet ist und zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol einer Gleichstromseite des Inverters verbunden ist, und das eine Invertersteuerungseinheit umfasst, die ein Schalten eines Schaltelements des Inverters gemäß einer vordefinierten Schaltfrequenz steuert, bei der die Invertersteuerungseinheit die Schaltfrequenz auf einen Wert einstellt, der gemäß sowohl einem Drehmoment als auch einer Drehzahl der elektrischen Drehmaschine variiert, gemäß einer Pulsierungsamplitude einer Systemspannung, die eine Spannung auf der Gleichstromseite des Inverters ist, und einer Pulsierungsamplitude eines Energieversorgungsstroms, der ein Strom ist, der durch die Gleichstromenergieversorgung fließt.
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Ein Einstellen der Schaltfrequenz, so dass diese variabel ist, wie in diesem charakteristischen Merkmal, ermöglicht es, dass die Schaltfrequenz angemessen eingestellt wird, um die Pulsierungen der Systemspannung und des Energieversorgungsstroms gemäß dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine auf niedrige Levels zu reduzieren. Dementsprechend werden die Pulsierungsamplituden der Systemspannung und des Energieversorgungsstroms innerhalb entsprechender vorbestimmter erlaubter Bereiche einfacher begrenzt. Als ein Ergebnis kann die Kapazität des Glättungskondensators reduziert werden, während die Schwankungen der Spannung und des Stroms auf der Gleichstromseite des Inverters reduziert werden.
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Um die Schwankungen der Spannung und des Stroms auf der Gleichstromseite des Inverters zu reduzieren, sind Pulsierungsamplituden der Systemspannung und des Energieversorgungsstroms wünschenswerterweise innerhalb erlaubter Bereiche begrenzt, die als erlaubte Bereiche für die entsprechenden Pulsierungsamplituden entsprechend dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine vordefiniert sind. Dementsprechend stellt die Invertersteuerungseinheit als ein Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise die Schaltfrequenz auf einen Wert ein, der gemäß sowohl dem Drehmoment als auch der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine variiert, so dass jede der Pulsierungsamplitude der Systemspannung, die die Spannung auf der Gleichstromseite des Inverters ist, und der Pulsierungsamplitude des Energieversorgungsstroms, der der Strom ist, der durch die Gleichstromenergieversorgung fließt, innerhalb eines vordefinierten erlaubten Bereichs liegt.
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Eine Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine elektrische Wechselstromdrehmaschine antreibt und steuert, besitzt ein anderes charakteristisches Merkmal, das einen Inverter umfasst, der zwischen einer Gleichstromenergieversorgung und der elektrischen Drehmaschine elektrisch zwischengeschaltet ist und elektrische Energie zwischen einem Gleichstrom und einem Wechselstrom umwandelt, das einen Glättungskondensator umfasst, der zwischen der Gleichstromenergieversorgung und dem Inverter elektrisch zwischengeschaltet ist und zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol auf einer Gleichstromseite des Inverters angeschlossen ist, und das eine Invertersteuerungseinheit umfasst, die ein Schalten eines Schaltelements des Inverters gemäß einer vordefinierten Schaltfrequenz steuert, bei der die Invertersteuerungseinheit die Schaltfrequenz auf einen Wert einstellt, der sowohl entsprechend einem Drehmoment als auch einer Drehzahl der elektrischen Drehmaschine variiert, so dass eine Pulsierungsamplitude einer Systemspannung, die eine Spannung auf der Gleichstromseite des Inverters ist, innerhalb eines vordefinierten erlaubten Bereichs liegt.
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Ein Einstellen der Schaltfrequenz, so dass diese variabel ist, wie in diesem charakteristischen Merkmal, ermöglicht es, dass die Schaltfrequenz angemessen eingestellt wird, um die Pulsierung der Systemspannung gemäß dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine auf ein niedriges Level zu reduzieren. Dementsprechend wird die Pulsierungsamplitude der Systemspannung einfacher innerhalb eines vordefinierten erlaubten Bereichs begrenzt. Als ein Ergebnis kann die Kapazität des Glättungskondensators reduziert werden, während die Schwankung der Spannung auf der Gleichstromseite des Inverters reduziert wird.
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Um die Schwankung der Spannung auf der Gleichstromseite des Inverters zu reduzieren, ist es wünschenswert, dass die Pulsierungsamplitude der Systemspannung innerhalb eines erlaubten Bereichs begrenzt wird, der als ein erlaubter Bereich für die Pulsierungsamplitude gemäß dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine vordefiniert ist. Dementsprechend stellt die Invertersteuerungseinheit als ein Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise die Schaltfrequenz auf einen Wert ein, der entsprechend dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine variiert, so dass die Pulsierungsamplitude der Systemspannung, die die Spannung auf der Gleichstromseite des Inverters ist, innerhalb des vordefinierten erlaubten Bereichs liegt.
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Eine Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine elektrische Wechselstromdrehmaschine antreibt und steuert, besitzt ein weiteres charakteristisches Merkmal, das einen Inverter umfasst, der zwischen einer Gleichstromenergieversorgung und der elektrischen Drehmaschine elektrisch zwischengeschaltet ist und elektrische Energie zwischen einem Gleichstrom und einem Wechselstrom umwandelt, das einen Glättungskondensator umfasst, der zwischen der Gleichstromenergieversorgung und dem Inverter elektrisch zwischengeschaltet ist und zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol einer Gleichstromseite des Inverters angeschlossen ist, und das eine Invertersteuerungseinheit umfasst, die ein Schalten eines Schaltelements des Inverters gemäß einer vordefinierten Schaltfrequenz steuert, bei der die Invertersteuerungseinheit die Schaltfrequenz auf einen Wert einstellt, der sowohl entsprechend einem Drehmoment als auch einer Drehzahl der elektrischen Drehmaschine variiert, so dass eine Pulsierungsamplitude eines Energieversorgungsstroms, der ein Strom ist, der durch die Gleichstromenergieversorgung fließt, innerhalb eines vordefinierten erlaubten Bereichs liegt.
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Ein Einstellen der Schaltfrequenz, so dass diese variabel ist, wie in diesem charakteristischen Merkmal definiert ist, ermöglicht es, dass die Schaltfrequenz angemessen eingestellt wird, um die Pulsierung des Energieversorgungsstroms gemäß dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine auf ein niedriges Level zu reduzieren. Dementsprechend wird die Pulsierungsamplitude des Energieversorgungsstroms einfacher innerhalb eines vorbestimmten erlaubten Bereichs begrenzt. Als ein Ergebnis kann die Kapazität des Glättungskondensators reduziert werden, während die Schwankung des Stroms auf der Gleichstromseite des Inverters reduziert wird.
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Um die Schwankung des Stroms auf der Gleichstromseite des Inverters zu reduzieren, ist es wünschenswert, dass die Pulsierungsamplitude des Energieversorgungsstroms innerhalb eines erlaubten Bereichs begrenzt wird, der als ein erlaubter Bereich für die Pulsierungsamplitude gemäß dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine vordefiniert ist. Dementsprechend stellt die Invertersteuerungseinheit als ein Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise die Schaltfrequenz auf einen Wert ein, der entsprechend dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine variiert, so dass die Pulsierungsamplitude des Energieversorgungsstroms, der der Strom ist, der durch die Gleichstromenergieversorgung fließt, innerhalb eines vordefinierten erlaubten Bereichs liegt.
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Allgemein erhöhen sich die Pulsierungsamplituden der Systemspannung und des Batteriestroms, wenn sich das Drehmoment und die Drehzahl der elektrischen Drehmaschine erhöhen. Die sich relativ erhöhenden Pulsierungsamplituden können durch Reduzierung einer Schaltperiode (mit andere Worten durch Erhöhung der Schaltfrequenz) kompensiert werden. Als ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Invertersteuerungseinheit die Schaltfrequenz vorzugsweise höher ein, wenn sich eine Leistung oder ein Modulationsfaktor der elektrischen Drehmaschine erhöht, wobei die Leistung der elektrischen Drehmaschine durch Multiplizieren des Drehmoments mit der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine berechnet wird, wobei der Modulationsfaktor ein Verhältnis eines effektiven Werts eines Wechselstromspannungsanweisungswerts zu der Systemspannung darstellt.
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Allgemein umfasst die Gleichstromenergieversorgung eine Widerstandskomponente (R-Komponente) und eine Induktionskomponente (L-Komponente). Folglich wird eine RLC-Schaltung in Verbindung mit der Kapazitätskomponente (C-Komponente) des Glättungskondensators gebildet und eine Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite, die durch Teilen der Systemspannung durch einen Systemstrom (Strom auf der Gleichstromseite des Inverters) erhalten wird, weist einen Frequenzcharakteristik auf, die einen Resonanzpunkt aufweist. Der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite erhöht sich, wenn sich die Frequenz von Null erhöht, erreicht den Maximalwert (Resonanzpunkt) bei der Resonanzfrequenz und verringert sich, wenn sich die Frequenz von dem Resonanzpunkt, der als ein Wendepunkt dient, erhöht. Es ist bekannt, dass eine Frequenzkomponente, die zweimal so groß ist wie die Schaltfrequenz, eine von beeinflussenden Frequenzen unter Frequenzen von Pulsierungskomponenten ist, die in der Systemspannung auftreten. Wenn die vorstehend beschriebene Resonanzfrequenz nahe der Frequenz ist, die zweimal die Schaltfrequenz ist, ist der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite groß, so dass die Amplitude der Pulsierung groß ist. Folglich ist die Frequenz, die zweimal die Schaltfrequenz ist, vorzugsweise von der Resonanzfrequenz entfernt. Ein Rauschen in einem hörbaren Bereich ist ebenso als ein Phänomen bekannt, das durch die Schaltfrequenz verursacht wird. Folglich muss zusätzlich zu der Reduzierung der Pulsierungen das Rauschen reduziert werden.
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Angesichts des Vorstehenden, wenn die Schaltfrequenz zum Beispiel so eingestellt wird, dass diese höher als eine Frequenz ist, bei der der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite maximal ist, ergibt die Frequenz, die zweimal so groß ist wie die Schaltfrequenz, immer noch eine höhere Frequenz und ist somit von der Resonanzfrequenz entfernt. Wenn die so berechnete Schaltfrequenz in dem hörbaren Bereich enthalten ist, kann das Rauschen in dem hörbaren Bereich durch Einstellen der Schaltfrequenz auf eine Frequenz, die gleich oder höher als eine vorbestimmte Grenzfrequenz ist, reduziert werden. Als ein Ergebnis kann das Rauschen in dem hörbaren Bereich reduziert werden, während die Schwankungen der Spannung und des Stroms auf der Gleichstromseite des Inverters reduziert werden, was wünschenswert ist. Als ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Invertersteuerungseinheit die Schaltfrequenz vorzugsweise so ein, dass diese gleich oder höher als eine Grenzfrequenz ist, die einen vordefinierten Wert über einem hörbaren Bereich aufweist, und so, dass diese höher als eine Frequenz ist, bei der der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite maximal ist, in der Frequenzcharakteristik der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite, die durch Teilen der Systemspannung durch einen Systemstrom, der ein Strom auf der Gleichstromseite des Inverters ist, erhalten wird.
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Außerdem, wenn die Schaltfrequenz zum Beispiel so eingestellt wird, dass diese höher als eine Frequenz ist, bei der der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite gleich einem Wert von dieser bei einer Frequenz von Null ist, ergibt die Frequenz, die zweimal so groß ist wie die Schaltfrequenz, eine noch höhere Frequenz, und ist somit von der Resonanzfrequenz weiter entfernt. Als ein Ergebnis können die Schwankungen der Spannung und des Stroms auf der Gleichstromseite des Inverters zuverlässiger reduziert werden, was wünschenswert ist. Als ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn die Rauschreduzierung ebenso berücksichtigt wird, stellt die Invertersteuerungseinheit die Schaltfrequenz vorzugsweise so ein, dass diese gleich oder höher als die Grenzfrequenz ist, die einen vordefinierten Wert über dem hörbaren Bereich aufweist, und so, dass diese gleich oder höher als die Frequenz ist, bei der, in der Frequenzcharakteristik der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite, der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite gleich einem Wert von dieser bei der Frequenz von Null ist.
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Unter Berücksichtigung der momentanen Situation einer Steuerung ist es praktikabel, die Schaltfrequenz variabel schrittweise einzustellen. Allgemein wird die Operation der elektrischen Drehmaschine gemäß einem Operationsbereich gesteuert, der durch die Leistung definiert wird, die durch Multiplizieren des Drehmoments mit der Drehzahl berechnet wird. Dementsprechend ist es zweckmäßig, wenn der Operationsbereich der elektrischen Drehmaschine mit der schrittweisen Einstellung der Schaltfrequenz verknüpft ist. Als ein Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vielzahl von Operationsbereichen vorzugsweise entsprechend der Leistung, die durch Multiplizieren des Drehmoments mit der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine berechnet wird, eingestellt, und die Invertersteuerungseinheit stellt die Schaltfrequenz vorzugsweise auf einen Wert ein, der für jeden der Operationsbereiche verschieden ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Beispiel einer Systemstruktur einer Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine zeigt.
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2 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuerungsmodell einer Gleichstromenergieversorgungseinheit zeigt.
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3 zeigt eine Frequenzcharakteristik einer Verstärkung (Vdc/Idc), wenn nur eine Widerstandskomponente berücksichtigt wird.
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4 zeigt die Frequenzcharakteristik der Verstärkung (Vdc/Idc), wenn die Widerstandskomponente und eine Induktionskomponente berücksichtigt werden.
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5 zeigt eine Frequenzcharakteristik einer Verstärkung (Ib/Idc), wenn nur die Widerstandskomponente berücksichtigt wird.
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6 zeigt die Frequenzcharakteristik der Verstärkung (Ib/Idc), wenn die Widerstandskomponente und die Induktionskomponente berücksichtigt werden.
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7 ist ein Diagramm, das eine Bedingung zum Bestimmen einer Schaltfrequenz in der Frequenzcharakteristik zeigt.
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8 ist ein Diagramm, das die Bedingung zum Bestimmen der Schaltfrequenz unter Berücksichtigung von Betriebstemperaturen zeigt.
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9 ist ein Diagramm, das eine Entsprechungsübersicht von Modulationsbetriebsarten entsprechend Drehmoment und Drehzahl der elektrischen Drehmaschine zeigt.
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10 ist ein Diagramm, das eine Entsprechungsübersicht der Schaltfrequenz entsprechend der Leistung der elektrischen Drehmaschine zeigt.
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11 zeigt Wellenformdiagramme, die Pulsierungen einer Systemspannung und eines Batteriestroms darstellen.
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12 zeigt Wellenformdiagramme, die Pulsierungen der Systemspannung und des Batteriestroms darstellen.
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13 zeigt Wellenformdiagramme, die Pulsierungen der Systemspannung und des Batteriestroms darstellen.
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14 ist ein Diagramm, das eine Entsprechungsübersicht der Schaltfrequenz entsprechend einem Modulationsfaktor zeigt.
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BETRIEBSARTEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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Basierend auf den Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels einer Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine, die eine elektrische Drehmaschine MG steuert, die als eine Quelle einer Antriebskraft eines Hybridfahrzeugs, eines Elektrofahrzeugs und Ähnlichem dient, beschrieben. Ein Blockdiagramm von 1 zeigt schematisch eine Systemstruktur einer Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine 100. Die elektrische Drehmaschine MG als die Quelle der Antriebskraft des Fahrzeugs ist eine elektrische Drehmaschine, die mit einem Wechselstrom arbeitet, der eine Vielzahl von Phasen aufweist (hier ein Dreiphasenwechselstrom) und sowohl als elektrischer Motor als auch als elektrischer Generator dienen kann.
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Ein Fahrzeug wie etwa ein Automobil, das nicht mit elektrischer Energie von einer Oberleitung wie in dem Fall einer Eisenbahn versorgt werden kann, ist mit einer Gleichstromenergieversorgung als eine Quelle einer Energie zum Antreiben der elektrischen Drehmaschine mit Sekundärzellen (Batterie) wie etwa Nickel-Wasserstoff-Zellen oder Lithium-Ionen-Zellen oder elektrischen Doppelschichtkondensatoren ausgestattet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Batterie 11 (Hochspannungsgleichstromenergieversorgung) mit einer Energieversorgungsspannung von ungefähr 200 [V] bis 400 [V] als die Hochspannungsgleichstromenergieversorgung mit großer Kapazität zum Zuführen der Energie an die elektrische Drehmaschine MG bereitgestellt. Ein Gleichstrom, der durch die Batterie 11 fließt, wird als "Batteriestrom (Energieversorgungsstrom)" bezeichnet, wenn es in der folgenden Beschreibung geeignet ist. Die elektrische Drehmaschine MG ist eine elektrische Wechselstromdrehmaschine, so dass ein Inverter 10 zum Durchführen einer Energiewandlung zwischen dem Gleichstrom und dem Wechselstrom zwischen der Batterie 11 und der elektrischen Drehmaschine MG bereitgestellt ist. Eine Gleichstromspannung zwischen einer positiven Energieversorgungsleitung P (positive Hochspannungsgleichstromleitung) und einer negativen Energieversorgungsleitung N (negative Hochspannungsgleichstromleitung) auf der Gleichstromseite des Inverters 10 wird "Systemspannung Vdc" genannt, wenn es in der folgenden Beschreibung geeignet ist. Die Batterie 11 kann Energie an die elektrische Drehmaschine MG über den Inverter 10 zuführen und kann eine Energie, die durch die elektrische Drehmaschine MG erzeugt wird und von dieser erhalten wird, speichern. Ein Glättungskondensator 40 (Gleichstromverbindungskondensator bzw. Gleichstromzwischenkreiskondensator) zum Glätten der Gleichstromspannung (Systemspannung Vdc) ist zwischen dem Inverter 10 und der Batterie 11 bereitgestellt. Der Glättungskondensator 40 stabilisiert die Gleichstromspannung, die als Antwort auf eine Schwankung im Energieverbrauch der elektrischen Drehmaschine MG schwankt.
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Die Batterie 11 wird durch eine Vielzahl von Batteriezellen gebildet und besitzt eine interne Impedanz inklusive eines internen Widerstands (Widerstandskomponente) und einer internen Induktivität (Induktionskomponente). In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden diese Batteriewiderstand Rb und Batterieinduktivität Lb genannt. Die Batterie 11 ist mit dem Inverter 10 unter Verwendung von zum Beispiel Metallverdrahtungselementen, genannt Stromschienen, verbunden. Solche Stromschienen besitzen ebenso eine Leitungsimpedanz inklusive eines Leitungswiderstands (Widerstandskomponente) und einer Leitungsinduktivität (Induktionskomponente). Das heißt, die Verdrahtung, die die Batterie 11, den Glättungskondensator 40 und den Inverter 10 verbindet, besitzt eine Verdrahtungsimpedanz inklusive eines Verdrahtungswiderstands und einer Verdrahtungsinduktivität. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden diese als Verdrahtungswiderstand Rw und als Verdrahtungsinduktivität Lw bezeichnet.
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Bezüglich der Seite der Batterie 11 des Inverters 10 ist der interne Widerstand der Gleichstromenergieversorgungseinheit mit den Verdrahtungselementen wie etwa den Stromschienen (interner Energieversorgungswiderstand Rps) gleich die Summe des Batteriewiderstands Rb und des Verdrahtungswiderstands Rw. Ebenso ist die interne Induktivität der Gleichstromenergieversorgungseinheit (interne Energieversorgungsinduktivität Lps) gleich die Summe der Batterieinduktivität Lb und der Verdrahtungsinduktivität Lw. In vielen Fällen ist der Batteriewiderstand Rb jedoch viel größer als der Verdrahtungswiderstand Rw und ist die Batterieinduktivität Lb viel größer als die Verdrahtungsinduktivität Lw. Folglich wird in der folgenden Beschreibung der Batteriewiderstand Rb als der interne Energieversorgungswiderstand Rps verwendet und wird die Batterieinduktivität Lb als die interne Energieversorgungsinduktivität Lps verwendet. Ein Blockdiagramm von 2 zeigt ein Steuerungsmodell, das, als die Gleichstromenergieversorgungseinheit, eine Relation zwischen den Spannungen zwischen Anschlüssen (Batteriespannung Vb) der Batterie 11 und der Systemspannung Vdc zeigt.
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Der Inverter 10 wandelt die Gleichstromenergie mit der Systemspannung Vdc in die Wechselstromenergie mit einer Vielzahl von Phasen um (n Phasen, wobei n eine natürliche Zahl ist; hier drei Phasen), und führt die Wechselstromenergie an die elektrische Drehmaschine MG zu. Der Inverter 10 wandelt ebenso die Wechselstromenergie, die durch die elektrische Drehmaschine MG erzeugt wird, in die Gleichstromenergie um und führt die Gleichstromenergie an die Gleichstromenergieversorgung zu. Der Inverter 10 umfasst eine Vielzahl von Schaltelementen. Eine Leistungshalbleitereinrichtung wie etwa ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein Leistungsmetalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) wird vorzugsweise als das Schaltelement eingesetzt. Anstatt solch einer Siliziumeinrichtung (Si) kann eine Siliziumkarbideinrichtung (SiC) wie etwa ein SiC-MOSFET oder ein SiC statischer Induktionstransistor (SiC-SIT), oder eine Komplexverbundleistungseinrichtung wie etwa ein Gallium-Nitrid-MOSFET (GaN-MOSFET), die bei hohen Frequenzen arbeiten, vorzugsweise als das Schaltelement eingesetzt werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein IGBT 3 als das Schaltelement verwendet, wie in 1 gezeigt ist.
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Der Inverter 10 zum Durchführen der Energieumwandlung zwischen dem Gleichstrom und dem Wechselstrom mit einer Vielzahl von Phasen (hier Dreiphasenwechselstrom) wird durch eine Brückenschaltung gebildet, die eine Anzahl von Armen entsprechend der Anzahl von Phasen (hier drei Phasen) aufweist, was bekannt ist. Speziell, wie in 1 gezeigt ist, sind zwei der IGBTs 3 zwischen der positiven Gleichstromseite (positive Energieversorgungsleitung P auf der positiven Seite der Gleichstromenergieversorgung) des Inverters 10 und der negativen Gleichstromseite (negative Energieversorgungsleitung N auf der negativen Seite der Gleichstromenergieversorgung) des Inverters 10 in Reihe verbunden, um einen Arm 10A zu bilden. Der IGBT 3, der mit der positiven Energieversorgungsleitung P verbunden ist, wird als Oberstufen-IGBT (Oberstufenschaltelement oder Schaltelement auf der hohen Seite) bezeichnet, und der IGBT 3, der mit der negativen Energieversorgungsleitung N verbunden ist, wird als Unterstufen-IGBT (Schaltelement auf der negativen Seite oder Schalter auf der niedrigen Seite) bezeichnet.
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Wenn der Wechselstrom mit einer Vielzahl von Phasen der Dreiphasenwechselstrom ist, sind drei Leitungen (für drei Phasen 10U, 10V und 10W) von solchen Reihenschaltungen (10A für einen Arm) parallel miteinander verbunden. Speziell ist eine Brückenschaltung gebildet, bei der ein Satz einer Reihenschaltung (Arm 10A) einer Statorspule entsprechend jeder der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase der elektrischen Drehmaschine MG entspricht. In dem Oberstufen-IGBT ist in jeder Phase der Kollektoranschluss mit der positiven Energieversorgungsleitung P verbunden und ist der Emitteranschluss mit dem Kollektoranschluss des Unterstufen-IGBT in der gleichen Phase verbunden. Der Emitteranschluss des Unterstufen-IGBT in jeder Phase ist mit der negativen Energieversorgungsleitung N verbunden. Ein Mittelpunkt der Reihenschaltung (Arm 10A), der durch ein Paar von IGBTs 3 in jeder der Phasen gebildet ist, das heißt ein Verbindungspunkt zwischen dem Oberstufen-IGBT und dem Unterstufen-IGBT in jeder der Phasen, ist mit der entsprechenden Statorspule der elektrischen Drehmaschine MG verbunden. Eine Freilaufdiode 39 (regenerative Diode) ist parallel zu jedem der IGBTs 3 verbunden. Die Freilaufdiode 39 ist parallel mit jedem der IGBTs 3 auf solch eine Weise verbunden, dass der Kathodenanschluss der Freilaufdiode 39 mit dem Kollektoranschluss des IGBT 3 verbunden ist und der Anodenanschluss der Freilaufdiode 39 mit dem Emitteranschluss des IGBT 3 verbunden ist.
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Wie in 1 gezeigt ist, wird der Inverter 10 durch eine Steuerungseinrichtung 8 gesteuert. Die Steuerungseinrichtung 8 umfasst eine elektronische Steuerungseinheit (ECU), die unter Verwendung einer Logikschaltung, wie etwa eines Mikrocomputers, als Kernelement aufgebaut ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel steuert die ECU die elektrische Drehmaschine MG über den Inverter 10 durch Ausführen einer Stromregelung unter Verwendung eines Vektorsteuerungsverfahrens basierend auf dem Solldrehmoment TM der elektrischen Drehmaschine MG, das der Steuerungseinrichtung 8 als ein Anforderungssignal von zum Beispiel einer anderen Steuerungseinrichtung wie etwa einer Fahrzeug-ECU (nicht gezeigt) bereitgestellt wird. Wie bekannt ist, ist das Vektorsteuerungsverfahren ein Verfahren des Durchführens einer Berechnung durch Anwenden einer Koordinatentransformation auf Ströme, die durch entsprechende Statorspulen einer Vielzahl von Phasen fließen (in dem vorliegenden Beispiel drei Phasen), um die Ströme in zwei Vektorkomponenten entlang der d-Achse in der Richtung eines magnetischen Pols eines Rotors und der q-Achse, die orthogonal zu der d-Achse ist, umzuwandeln. Die ECU der Steuerungseinrichtung 8 umfasst verschiedene funktionale Einheiten für die Stromregelung und die funktionalen Einheiten werden durch Kooperation von Hardware, wie etwa dem Mikrocomputer, und Software (ein Programm) implementiert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht die Steuerungseinrichtung 8 einer Invertersteuerungseinheit in der vorliegenden Erfindung.
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Ein tatsächlicher Strom, der in jeder Phase der elektrischen Drehmaschine MG durch die Statorspule fließt, wird durch einen Stromsensor 12 erfasst, und die Steuerungseinrichtung 8 beschafft das Ergebnis der Erfassung. Ein Rotationssensor 13 erfasst eine Magnetpolposition eines Rotors der elektrischen Drehmaschine MG zu jeder Zeit und die Steuerungseinrichtung 8 beschafft das Ergebnis der Erfassung. Der Rotationssensor 13 ist zum Beispiel durch einen Drehmelder ausgestaltet. Die Magnetpolposition stellt einen Rotationswinkel des Rotors hinsichtlich eines elektrischen Winkels dar. Die ECU der Steuerungseinrichtung 8 führt eine Regelung der elektrischen Drehmaschine MG basierend auf den Ergebnissen der Erfassung durch den Stromsensor 12 und den Rotationssensor 13 durch.
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Die ECU der Steuerungseinrichtung 8 steuert die elektrische Drehmaschine MG gemäß einer bestimmten Modulationsbetriebsart, die von einer Vielzahl von Modulationsbetriebsarten ausgewählt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfassen die Modulationsbetriebsarten eine Dreiphasenmodulationsbetriebsart (SVPWM) und eine Zweiphasenmodulationsbetriebsart (DPWM), wie in 9 gezeigt ist. Die Dreiphasenmodulationsbetriebsart ist eine Betriebsart des Steuerns der elektrischen Drehmaschine MG durch Ausgeben von PWM-Pulssignalen für drei Phasen basierend auf einem Vergleich zwischen einer Trägerwelle und einer Signalwelle gemäß einem Wechselstromspannungsanweisungswert von jeder der drei Phasen. Die Zweiphasenmodulationsbetriebsart ist eine Betriebsart des Steuerns der elektrischen Drehmaschine MG durch Ausgaben von PWM-Pulssignalen für zwei Phasen (sequentiell geschaltet) und Ausgaben eines An-Aus-Signals für die verbleibende eine Phase (sequentiell geschaltet). Während der Zweiphasenmodulationsbetriebsart kann in manchen Fällen eine Feldschwächungssteuerung parallel ausgeführt werden (DPWM + AFR). Die Feldschwächungssteuerung ist eine Steuerung des Reduzierens eines d-Achsen-Stroms und eines q-Achsen-Stroms, um das Solldrehmoment auszugeben, auch wenn sich eine gegenelektromotorische Kraft mit einer Erhöhung der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG erhöht. Jede dieser Betriebsarten wird abwechselnd gemäß dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG basierend auf einer vordefinierten Übersicht ausgewählt.
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Das Fahrzeug ist mit einer (nicht gezeigten) Niedrigspannungsbatterie (Niedrigspannungsgleichstromenergieversorgung), die als eine Energieversorgung mit niedrigerer Spannung als die Batterie 11 dient, zusätzlich zu der Batterie 11 als die Hochspannungsgleichstromenergieversorgung ausgestattet. Die Niedrigspannungsbatterie besitzt eine Energieversorgungsspannung von zum Beispiel 12 V bis 24 V und führt Energie an die Steuerungseinrichtung 8 (ECU), elektrische Komponenten wie etwa ein Audiosystem, Beleuchtungsequipment, Innenbeleuchtungsequipment, Instrumentenbeleuchtungseinrichtungen, elektrische Fensterheber, und Steuerungseinrichtungen zum Steuern dieser elektrischen Komponenten zu. Die Steuerungseinrichtung 8 umfasst zum Beispiel einen Regelkreis und erzeugt eine Energiequelle, die zum Betreiben des Mikrocomputers und Ähnlichem geeignet ist, basierend auf der Energie, die von der Niedrigspannungsbatterie zugeführt wird.
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Der Gate-Anschluss, der als der Steuerungsanschluss von jedem der IGBTs 3 dient, die den Inverter 10 bilden, ist mit der Steuerungseinrichtung 8 (ECU) über eine Ansteuerschaltung bzw. Antriebschaltung 7 verbunden und wird individuell gesteuert, um umgeschaltet zu werden. Die Hochspannungsschaltungen zum Ansteuern bzw. Antreiben der elektrischen Drehmaschine MG unterscheiden sich deutlich hinsichtlich der Betriebsspannung (Energieversorgungsspannung der Schaltungen) von den Niedrigenergieschaltungen wie etwa der ECU mit dem Mikrocomputer und Ähnlichem als einen Kern. Aus diesem Grund wird ein Steuerungssignal (Schaltsteuerungssignal) für jeden der IGBTs 3, das durch die Steuerungseinrichtung 8 (ECU) erzeugt wird, die als eine Niedrigspannungsschaltung dient, an den entsprechenden IGBT 3 durch die Ansteuerschaltung 7 als ein Gate-Ansteuersignal der Hochspannungsschaltung zugeführt. Die Ansteuerschaltung 7 umfasst oft ein isolierendes Element wie etwa einen Fotokoppler oder einen Transformator.
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Wie vorstehend beschrieben ist die Steuerungseinrichtung 8 durch die Logikschaltung, wie etwa den Mikrocomputer, der als ein Kern dient, ausgestaltet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Steuerungseinrichtung 8 durch den Mikrocomputer, der als ein Kern dient, ausgestaltet, der ein Ansteuerprogramm bzw. Antriebsprogramm für eine elektrische Drehmaschine ausführt. Der Mikrocomputer umfasst einen CPU-Kern, einen Programmspeicher, einen Parameterspeicher, einen Arbeitsspeicher, einen Zeitnehmer und Anschlüsse. Der CPU-Kern ist ein Kern des Mikrocomputers und umfasst ein Anweisungsregister, einen Anweisungsdecodierer, eine arithmetische Logikeinheit (ALU), die als der Hauptausführungskörper von verschiedenen Operationen dient, Markierungsregister, Mehrzweckregister und eine Unterbrechungssteuerung. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, während eine Konfiguration dargestellt wird, bei der der Mikrocomputer durch einen Halbleiterchip ausgestaltet ist, kann offensichtlich eine Konfiguration eingesetzt werden, bei der ein Mikrocomputer durch eine Kombination von einer Vielzahl von Komponenten ausgestaltet ist.
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Der Programmspeicher ist ein nichtflüchtiger Speicher, der das Ansteuerprogramm für eine elektrische Drehmaschine speichert. Der Parameterspeicher ist ein nichtflüchtiger Speicher, der verschiedene Parameter speichert, auf die Bezug genommen wird, wenn das Programm ausgeführt wird. Der Parameterspeicher kann ausgestaltet sein, ohne von dem Programmspeicher verschieden zu sein. Der Programmspeicher und der Parameterspeicher sind vorzugsweise unter Verwendung von zum Beispiel einem Flash-Speicher ausgestaltet. Der Arbeitsspeicher ist ein Speicher zum vorübergehenden Speichern von vorübergehenden Daten, während das Programm läuft. Der Arbeitsspeicher kann flüchtig sein und wird aus einem dynamischen RAM (DRAM) oder einem statischen RAM (SRAM) gebildet, der ein schnelles Datenlesen und -schreiben ermöglicht.
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Der Zeitnehmer misst eine Zeit unter Verwendung eines Taktzyklus des Mikrocomputers als die minimale Auflösung. Der Zeitnehmer überwacht zum Beispiel die Ausführungsperiode des Programms. Der Zeitnehmer misst ebenso die effektive Zeit des Schaltsteuerungssignals zum Ansteuern des IGBT 3 des Inverters 10 und erzeugt das Schaltsteuerungssignal. Der Zeitnehmer verwaltet ebenso Steuerungsperioden, die durch das Programm oder die Parameter vordefiniert sind, wie etwa die Periode (Grundsteuerungsperiode) der Ausführung einer Schleife der Stromregelung und die Ausgabeperiode (Schaltperiode Tc) des Schaltsteuerungssignals. Die Anschlüsse dienen als Anschlusssteuerungseinheit, die zum Beispiel das Schaltsteuerungssignal für den IGBT 3 des Inverters 10 durch einen Anschluss des Mikrocomputers ausgibt und das Rotationserfassungssignal, das von dem Rotationssensor 13 zugeführt wird und in den Mikrocomputer eingegeben wird, und das Stromerfassungssignal von dem Stromsensor 12 empfängt.
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Wie in
2 gezeigt ist, umfasst die Übertragungsfunktion für das Steuerungsmodell der Batterie
11, die als die Gleichstromenergieversorgungseinheit dient, die Batterieinduktivität Lb und die Kapazität (Gleichstromzwischenkreiskapazität Cd bzw. Kapazität Cd des Gleichstromzwischenkreises) des Glättungskondensators
40 als die Impedanzkomponenten, die von der Frequenz abhängen. Als ein Ergebnis ist die Systemspannung Vdc eine Funktion der Frequenz. Jede der
3 und
4 zeigt eine Frequenzcharakteristik einer Verstärkung (Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite), die durch die Systemspannung Vdc und einen Systemstrom Idc, der durch den Inverter
10 fließt, definiert ist. Wenn eine Batterieinduktivität Lb nicht berücksichtigt wird, ist die Verstärkung (Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite) der Systemsspannung Vdc relativ zu dem Systemstrom Idc durch Formel (1) definiert und weist die Frequenzcharakteristik auf, die in
3 gezeigt ist. Wenn die Batterieinduktivität Lb berücksichtigt wird, ist die Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite durch Formel (2) definiert und weist die Frequenzcharakteristik auf, die in
4 gezeigt ist. [Formel 1]
[Formel 2]
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Wie aus Formeln (1) und (2) und 3 und 4 verstanden wird, ist die Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite niedriger, wenn die Kapazität (Gleichstromzwischenkreiskapazität Cd) des Glättungskondensators 40 größer ist. Mit anderen Worten erhöht eine Reduzierung der Kapazität des Glättungskondensators 40 zum Reduzieren der Größe des Glättungskondensators 40 die Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite und reduziert somit einen Effekt des Unterdrückens einer Pulsierung der Systemspannung Vdc. Zusätzlich, wie aus dem Vergleich zwischen 3 und 4 ersichtlich ist, wenn die Batterieinduktivität Lb als die Impedanz der Gleichstromenergieversorgungseinheit berücksichtigt wird, tritt zwischen der Batterieinduktivität Lb und der Gleichstromzwischenkreiskapazität Cd eine Resonanz auf. Diese Resonanz muss ebenso berücksichtigt werden. Mit anderen Worten, wenn die Batterieinduktivität Lb als die Impedanz der Gleichstromenergieversorgungseinheit nicht berücksichtigt wird, ergibt lediglich eine Reduzierung der Kapazität des Glättungskondensators 40 einfach eine höhere Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite. Im Gegensatz dazu, wenn die Batterieinduktivität Lb berücksichtigt wird, erhöht die Resonanz die Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite bei einer bestimmten Frequenz stark. Wie in 4 dargestellt ist, ist der Wert der Verstärkung an dem Resonanzpunkt (Q2), wenn die Gleichstromzwischenkreiskapazität Cd gleich C1 [µF] ist, viel größer als der Wert der Verstärkung an einem Resonanzpunkt (Q1), wenn die Gleichstromzwischenkreiskapazität Cd gleich C2 [µF] ist, welche zehnmal so groß wie C1 ist (= 10·C1).
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Die Verstärkung eines Batteriestroms Ib relativ zu dem Systemstrom Idc (Batteriestromverstärkung) (kann als eine Gleichstromverstärkung bezeichnet werden), ist ebenso eine Funktion der Frequenz. Jede der
5 und
6 zeigt eine Frequenzcharakteristik der Verstärkung (Batteriestromverstärkung), die durch den Batteriestrom Ib und den Systemstrom Idc, der durch den Inverter
10 fließt, definiert ist. Wenn die Batterieinduktivität Lb nicht berücksichtigt wird, ist die Batteriestromverstärkung durch Formel (3) definiert und weist die Frequenzcharakteristik auf, die in
5 gezeigt ist. Wenn die Batterieinduktivität Lb berücksichtigt wird, ist die Batteriestromverstärkung durch den folgenden Ausdruck (4) definiert und weist die Frequenzcharakteristik auf, die in
6 gezeigt ist. [Formel 3]
[Formel 4]
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Wie aus Formeln (3) und (4) und 5 und 6 verstanden wird, wird die Batteriestromverstärkung kleiner, wenn die Kapazität (Gleichstromzwischenkreiskapazität Cd) des Glättungskondensators 40 größer wird. Mit anderen Worten erhöht eine Reduzierung der Kapazität des Glättungskondensators 40, um die Größe des Glättungskondensators 40 zu reduzieren, die Verstärkung und reduziert somit einen Effekt des Unterdrückens einer Pulsierung, die in dem Batteriestrom Ib erzeugt wird. Zusätzlich, wie aus dem Vergleich zwischen 5 und 6 klar ist, wenn die Batterieinduktivität Lb als die Impedanz der Gleichstromenergieversorgungseinheit berücksichtigt wird, tritt zwischen der Batterieinduktivität Lb und der Gleichstromzwischenkreiskapazität Cd eine Resonanz auf. Diese Resonanz muss ebenso berücksichtigt werden. Mit anderen Worten, wenn die Batterieinduktivität Lb als die Impedanz der Gleichstromenergieversorgungseinheit nicht berücksichtigt wird, ergibt lediglich eine Reduzierung der Kapazität des Glättungskondensators 40 einfach eine höhere Batteriestromverstärkung. Im Gegensatz dazu, wenn die Batterieinduktivität Lb berücksichtigt wird, erhöht die Resonanz die Batteriestromverstärkung bei einer bestimmten Frequenz stark. Wie in 6 dargestellt ist, ist der Wert der Verstärkung an dem Resonanzpunkt (Q2), wenn die Gleichstromzwischenkreiskapazität Cd gleich C1 [µF] ist, viel größer als der Wert der Verstärkung an dem Resonanzpunkt (Q1), wenn die Gleichstromzwischenkreiskapazität Cd gleich C2 [µF] ist, welche zehnmal so groß wie C1 ist.
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Von der Widerstandskomponente (R-Komponente) und der Induktionskomponente (L-Komponente) der Batterie 11 und der Kapazitätskomponente (C-Komponente) des Glättungskondensators sind die Impedanzkomponenten, die von der Frequenz abhängen, die L-Komponente und die C-Komponente. Folglich erhöht sich der Wert von jeder der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite und der Batteriestromverstärkung, wenn sich die Frequenz von Null erhöht, erreicht den Maximalwert (Resonanzpunkt) bei der Resonanzfrequenz und verringert sich, wenn sich die Frequenz von dem Resonanzpunkt, der als ein Wendepunkt dient, erhöht. Zum Beispiel bei einer Analyse bei einer Schaltfrequenz von 100 Hz oder höher kann die Resonanzfrequenz basierend auf nur der Widerstandskomponente (R-Komponente) und der Induktionskomponente (L-Komponente) der Batterie 11 berechnet werden.
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Die Pulsierungen der Systemspannung Vdc und des Batteriestroms Ib treten in Verknüpfung mit einer Schwankung des Stroms und der Spannung auf, die mit dem Schalten des IGBT 3 des Inverters 10 verknüpft sind. Mit anderen Worten treten die Pulsierungen der Systemspannung Vdc und des Batteriestroms Ib entsprechend einer Schaltfrequenz fc (Kehrwert der Schaltperiode Tc) des IGBT 3 auf. Es ist zum Beispiel bekannt, dass Pulsierungen mit einer Frequenzkomponente von "2fc" (Welligkeitsfrequenz bzw. Brummfrequenz), die zweimal so groß ist wie die Schaltfrequenz fc, auftreten. Wenn die Frequenz ("frp", wird später beschrieben) der Resonanz zwischen der Gleichstromzwischenkreiskapazität Cd und der Batterieinduktivität Lb nahe der Brummfrequenz "2fc" ist, ist der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite groß, so dass die Pulsierung groß ist. Die Resonanzfrequenz frp wird durch eine Hardwarestruktur der Antriebseinrichtung 100 für eine elektrische Drehmaschine inklusive der Batterie 11 bestimmt. Dementsprechend ist es vorzuziehen, dass die Schaltfrequenz fc angemessen eingestellt wird, um die Brummfrequenz "2fc" von der Resonanzfrequenz frp innerhalb eines Bereichs, in dem die Steuerungseinrichtung 8 die Steuerung durchführen kann, wegzubewegen. Das Folgende beschreibt ein Verfahren zum Einstellen der Schaltfrequenz fc auf diese Weise.
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7 zeigt ein Simulationsergebnis der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite, wenn die Gleichstromzwischenkreiskapazität Cd gleich C1 [µF] ist, die Batterieinduktivität Lb gleich L1 [µH] ist und der Batteriewiderstand Rb bei Raumtemperatur gleich R2 Ω ist. Wie in
7 gezeigt ist, erscheint eine Resonanzspitze bei der Resonanzfrequenz frp. Die Resonanzfrequenz frp wird durch Formel (5) erhalten. [Formel 5]
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Wie vorstehend beschrieben tritt die Pulsierung der Systemspannung Vdc bei der Brummfrequenz "2fc" auf, die zweimal so groß ist wie die Schaltfrequenz fc des Inverters 10. Wenn die Brummfrequenz "2fc" näher an der Resonanzfrequenz frp ist, wird die Pulsierung der Systemspannung Vdc größer und wird die Pulsierung des Batteriestroms Ib ebenso größer. Die Pulsierung des Batteriestroms Ib reduziert die Haltbarkeit (Lebenszeit) der Batterie 11. In dem Beispiel, das in 7 gezeigt ist, wenn die Schaltfrequenz fc des Schaltsteuerungssignals gleich 5 [kHz] ist, ist die Brummfrequenz "2fc" gleich 10 [kHz] und ist die Resonanzfrequenz frp ungefähr 13 [kHz], so dass die Brummfrequenz 2fc gleich oder nahe der Resonanzfrequenz frp ist, und somit erhöht sich die Pulsierung. Aus diesem Grund wird die Schaltfrequenz fc, die als die Ursache der Brummfrequenz 2fc dient, vorzugsweise von der Resonanzfrequenz frp wegbewegt.
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In der in 7 gezeigten Frequenzcharakteristik, wenn die Schaltfrequenz fc von der Resonanzfrequenz frp wegbewegt wird, kann die Schaltfrequenz fc entweder auf die niedrigere Seite oder die höhere Seite bewegt werden. Ein Bewegen der Schaltfrequenz fc auf die niedrigere Seite reduziert die Auflösung der Schaltsteuerung des Inverters 10 und könnte somit die Laufruhe der Rotationssteuerung der elektrischen Drehmaschine MG reduzieren. Folglich wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise auf eine höhere Frequenz angepasst. Als ein Ausführungsbeispiel wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise auf eine Frequenz eingestellt, die höher als eine Frequenz ist, bei der der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite maximal ist. Wie aus 7 ersichtlich ist, ist der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite bei der Resonanzfrequenz frp maximal. Wenn die Schaltfrequenz fc auf eine höhere Frequenz als die Resonanzfrequenz frp eingestellt wird, wird die Frequenz, die zweimal so groß ist wie die Schaltfrequenz fc, relativ zu der Resonanzfrequenz frp auf eine höhere Frequenz eingestellt. Speziell ergibt in diesem Fall die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc die Resonanzfrequenz frp.
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Als ein Ausführungsbeispiel kann die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc vorzugsweise auf eine Frequenz (f2) eingestellt werden, bei der der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite gleich der Verstärkung bei einer Frequenz von "0" ist. Wie aus
7 und Ähnlichem ersichtlich ist, erhöht sich der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite, wenn sich die Frequenz von Null erhöht, erreicht den Maximalwert (Resonanzpunkt) bei der Resonanzfrequenz frp und verringert sich, wenn sich die Frequenz von dem Resonanzpunkt, der als ein Wendepunkt dient, erhöht. Deshalb ist die hohe Frequenz, die gleich oder höher als eine Frequenz ist, bei der der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite den Wert von dieser bei der Frequenz von Null erreicht, eine Frequenz, die höher ist als die Resonanzfrequenz frp. Die Frequenz (2fc), die zweimal so groß ist wie die Schaltfrequenz fc, ist eine noch höhere Frequenz und ist deshalb immer noch von der Resonanzfrequenz frp entfernt. Als ein Ergebnis kann effektiv verhindert werden, dass sich die Pulsierungen der Systemspannung Vdc und des Batteriestroms Ib erhöhen. Insbesondere wenn die Resonanzfrequenz frp niedriger ist, kann die Entfernung zwischen der Resonanzfrequenz frp und der Frequenz (2fc), die zweimal so groß ist wie die Schaltfrequenz fc, mehr erhöht werden als in dem Fall, in dem die Schaltfrequenz fc nahe zu der Resonanzfrequenz frp eingestellt wird. Wie aus Formel (2), die vorstehend gegeben ist, ersichtlich ist, ist der Wert der Verstärkung bei der Frequenz von "0" gleich der "Batteriewiderstand Rb (interner Energieversorgungswiderstand Rps)". In diesem Fall wird die untere Grenzfrequenz fmin durch Formel (6) dargestellt. [Formel 6]
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Der Batteriewiderstand Rb ändert sich mit der Betriebstemperatur der Batterie 11 (Betriebstemperatur der Antriebseinrichtung 100 für eine elektrische Drehmaschine). Als ein Ergebnis ändert sich die untere Grenzfrequenz fmin ebenso mit der Temperatur. 8 zeigt Simulationsergebnisse der Frequenzcharakteristik der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite bei der Maximaltemperatur (etwa 60 [°C]) und der Minimaltemperatur (etwa –40 [°C]) in dem Betriebstemperaturbereich. In dem Betriebstemperaturbereich gibt die dicke Linie in 8 die Frequenzcharakteristik bei der Maximaltemperatur an und gibt die dünne Linie die Frequenzcharakteristik bei der Minimaltemperatur an. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Batteriewiderstand Rb bei der maximalen Temperatur gleich R1 [Ω] und bei der Minimaltemperatur gleich R3 [Ω], wobei R1 < R2 < R3.
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Wie vorstehend beschrieben ist der Wert der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite bei der Frequenz von "0" gleich dem Batteriewiderstand Rb. Der Batteriewiderstand Rb erhöht sich tendenziell, wenn die Betriebstemperatur fällt, so dass der Batteriewiderstand Rb den größten Wert bei der minimalen Temperatur in dem Betriebstemperaturbereich aufweist. Dementsprechend wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise basierend auf der Frequenzcharakteristik der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite, die unter Verwendung des Werts des Batteriewiderstands Rb (interner Energieversorgungswiderstand Rps) bei der minimalen Temperatur in dem Betriebstemperaturbereich der Antriebseinrichtung 100 für eine elektrische Drehmaschine erhalten wird, eingestellt. In diesem Fall wird die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc auf eine Frequenz "f3" eingestellt, die basierend auf zumindest der Frequenzcharakteristik bei der minimalen Temperatur erhalten wird, so dass die Schaltfrequenz fc angemessen eingestellt wird, ohne auf eine übermäßig hohe Frequenz eingestellt zu werden. Offensichtlich ist angesichts einer Zuverlässigkeit ein Fall nicht ausgeschlossen, in dem die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc auf eine Frequenz "f1" eingestellt wird, die basierend auf der Frequenzcharakteristik bei der maximalen Temperatur eingestellt wird. Ebenso ist ein Fall nicht ausgeschlossen, in dem die untere Grenzfrequenz fmin auf eine Frequenz "f2" eingestellt wird, die basierend auf der Frequenzcharakteristik bei einer normalen Temperatur (etwa 20°C bis 25°C) eingestellt wird, wie zum Beispiel in 7 gezeigt ist.
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Zusätzlich zu den Pulsierungen der Systemspannung Vdc und des Batteriestroms Ib, wie vorstehend beschrieben, ist ebenso ein Rauschen in einem hörbaren Bereich als ein Phänomen bekannt, das durch die Schaltfrequenz fc verursacht wird. Der hörbare Bereich ist ein Frequenzband, in dem das menschliche Gehör Töne wahrnehmen kann, und entspricht ungefähr einem Bereich von 20 [Hz] bis 20 [kHz]. Wenn die Schaltfrequenz fc in dem hörbaren Bereich enthalten ist, erzeugt diese ein unkomfortables Geräusch und kann somit den Komfort von Insassen des Fahrzeugs beeinträchtigen. Folglich wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise eingestellt, so dass sie nicht in dem hörbaren Bereich enthalten ist. Speziell wird die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc vorzugsweise auf eine Frequenz eingestellt, die gleich oder höher als eine Grenzfrequenz flim (wie etwa 20 [kHz]) mit einem vordefinierten Wert über dem hörbaren Bereich ist. In dem vorliegenden Beispiel wird die Grenzfrequenz flim auf 20 [kHz] eingestellt, was die obere Grenzfrequenz des hörbaren Bereichs ist. Die Grenzfrequenz flim kann jedoch angesichts einer Zuverlässigkeit offensichtlich auf eine höhere Frequenz (etwa 25 [kHz]) eingestellt werden.
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Auf diese Weise wird, wenn die Reduzierung des Rauschens in dem hörbaren Bereich berücksichtigt wird, die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc gemäß dem Größenverhältnis der Frequenz, die basierend auf den Frequenzcharakteristika der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite und der Batteriestromverstärkung bestimmt wird, mit der Grenzfrequenz flim eingestellt. In dem Fall zum Beispiel, in dem die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc basierend auf der Frequenzcharakteristik bei einer normalen Temperatur eingestellt wird, wird die untere Grenzfrequenz fmin auf die Grenzfrequenz flim eingestellt, wenn die Frequenz "f2" niedriger als die Grenzfrequenz flim ist (siehe 7). In dem Fall zum Beispiel, in dem die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc basierend auf der Frequenzcharakteristik bei der minimalen Temperatur in dem Betriebstemperaturbereich eingestellt wird (siehe 8), wird die untere Grenzfrequenz fmin auf die gleiche Weise auf die Grenzfrequenz flim eingestellt. In dem Fall zum Beispiel, in dem die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc basierend auf der Frequenzcharakteristik bei der Maximaltemperatur in dem Betriebstemperaturbereich eingestellt wird, wird die untere Grenzfrequenz fmin auf "f1" eingestellt, wenn die Frequenz "f1" höher als die Grenzfrequenz flim ist.
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Der Systemstrom Idc erhöht sich tendenziell, wenn sich die Leistung (Leistung der elektrischen Drehmaschine), die durch Multiplizieren des Drehmoments mit der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG berechnet wird, erhöht. Zusätzlich, wenn sich die Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG erhöht, erhöhen sich eine gegenelektromotorische Kraft, ein Modulationsfaktor, eine Oberschwingung sechster Ordnung und Oberschwingungen von ganzzahligen vielfachen Ordnungen von dieser des Spannungsanweisungswerts. Als ein Ergebnis, auch wenn die Verstärkungen, die entsprechend der Schaltfrequenz fc bestimmt werden, unverändert bleiben, erhöhen sich die Pulsierungen der Systemspannung Vdc und des Batteriestroms Ib, wenn sich das Drehmoment und die Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG erhöhen. Die Pulsierungsamplitude der Systemspannung Vdc ist die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert in einer Spannungswellenform, die durch Überlagern, auf einer Grundwelle bei einer Brummfrequenz 2fc, der Oberschwingungskomponenten (insbesondere der Oberschwingungskomponenten der sechsten Ordnung und der Oberschwingungskomponenten (6f, 12f, 18f, ...) der ganzzahligen vielfachen Ordnungen von dieser, siehe dicke strichpunktierte Linien in 11 usw.), die entsprechend der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG erzeugt werden, erhalten wird. Wenn sich die Pulsierungsamplitude der Systemspannung Vdc erhöht, so dass sie einen vordefinierten erlaubten Spannungswelligkeitsbereich Vp überschreitet (etwa 40 [V], siehe 11 usw.), können die IGBTs 3 (Schaltelemente) nicht ausreichend geschützt werden.
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Auf die gleiche Weise ist die Pulsierungsamplitude des Batteriestroms Ib die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert in einer Stromwellenform, die durch Überlagern, auf der Grundwelle bei der Brummfrequenz 2fc, der Oberschwingungskomponenten (insbesondere der Oberschwingungskomponente der sechsten Ordnung und der Oberschwingungskomponenten (6f, 12f, 18f, ...) von ganzzahligen vielfachen Ordnungen von dieser, siehe dicke strichpunktierte Linien in 11 usw.), die entsprechend der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG erzeugt werden, erhalten wird. Wenn sich die Pulsierungsamplitude des Batteriestroms Ib erhöht, so dass sie einen vordefinierten erlaubten Stromwelligkeitsbereich Ip überschreitet (etwa 60 [A], siehe 11 usw.), kann die Batterie 11 nicht ausreichend geschützt werden.
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Um diese Probleme zu lösen, können die Pulsierungsamplituden der Systemspannung Vdc und des Batteriestroms Ib, die sich mit der Erhöhung der Leistung der elektrischen Drehmaschine MG relativ erhöhen, durch Reduzieren der Schaltperiode Tc (mit anderen Worten durch Erhöhen der Schaltfrequenz fc) kompensiert werden. Speziell, wie zum Beispiel von 7 klar ist, werden die Verstärkungen durch Erhöhen der Schaltfrequenz fc in einem Bereich von Frequenzen, die höher als die Resonanzfrequenz frp sind, reduziert, so dass die Pulsierungen der Systemspannung Vdc und Ähnliches niedrig gehalten werden können, wenn sich der Systemstrom Idc erhöht. Dementsprechend wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise auf einen Wert eingestellt, der entsprechend dem Drehmoment und der Drehzahl, die die Leistung der elektrischen Drehmaschine MG definieren, variiert. Als ein Ausführungsbeispiel wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise höher eingestellt, wenn sich die Leistung der elektrischen Drehmaschine MG erhöht.
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10 zeigt eine Operationsübersicht der elektrischen Drehmaschine MG. In der Operationsübersicht wird eine Vielzahl von Operationsbereichen A1 bis A4 entsprechend dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG eingestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jeder der Operationsbereiche A1 bis A4 ein Bereich entsprechend der Leistung, die durch Multiplizieren des Drehmoments mit der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG berechnet wird. Der Operationsbereich A1 ist ein Bereich, in dem die Energie bzw. Leistung der elektrischen Drehmaschine MG in einem Absolutwert niedriger ist als ein erster Referenzwert P1. Der Operationsbereich A2 ist ein Bereich, in dem die Energie der elektrischen Drehmaschine MG in einem Absolutwert gleich oder höher ist als der erste Referenzwert P1 und in einem Absolutwert niedriger ist als ein zweiter Referenzwert P2, der einen vordefinierten Wert aufweist, der größer ist als der erste Referenzwert P1. Der Operationsbereich A3 ist ein Bereich, in dem die Energie der elektrischen Drehmaschine MG in einem Absolutwert gleich oder größer als der zweite Referenzwert P2 ist und in einem Absolutwert kleiner als ein dritter Referenzwert P3 ist, der einen vordefinierten Wert aufweist, der größer ist als der zweite Referenzwert P2. Der Operationsbereich A4 ist ein Bereich, in dem die Energie der elektrischen Drehmaschine MG in einem Absolutwert gleich oder größer als der dritte Referenzwert P3 ist.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Schaltfrequenz fc auf einen Wert eingestellt, der für jeden der Operationsbereiche A1 bis A4 verschieden ist. Eine Frequenz fc1 ist für den Operationsbereich A1 eingestellt; eine Frequenz fc2 (> fc1) ist für den Operationsbereich A2 eingestellt; eine Frequenz fc3 (> fc2) ist für den Operationsbereich A3 eingestellt; und eine Frequenz fc4 (> fc3) ist für den Operationsbereich A4 eingestellt. Mit anderen Worten ist in diesem Beispiel ein konstanter Wert der Schaltfrequenz fc für jeden der Betriebsbereiche A1 bis A4 eingestellt, so dass sich die Schaltfrequenz fc schrittweise zwischen benachbarten Betriebsbereichen ändert. Auf diese Weise, als ein Ausführungsbeispiel, wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise schrittweise höher eingestellt, wenn sich die Leistung der elektrischen Drehmaschine MG erhöht. Die Frequenz fc1 entsprechend dem Operationsbereich A1 wird auf die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc oder höher eingestellt, wobei die unter Grenzfrequenz fmin basierend auf der Spannungsverstärkung auf der Gleichstromseite, der Batteriestromverstärkung und der Grenzfrequenz flim, wie vorstehend beschrieben, eingestellt wird. Die Frequenz fc1 wird auf einen oberen Grenzfrequenz fmax (nachstehend beschrieben) der Schaltfrequenz fc oder niedriger eingestellt. Das gleiche gilt für die Frequenzen fc2 bis fc4.
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11 bis 13 zeigen Wellenformen der Systemspannung Vdc und des Batteriestroms Ib, die durch Durchführen der Simulationen durch Variieren der Schaltfrequenz fc entsprechend der Energie bzw. Leistung der elektrischen Drehmaschine MG erhalten werden. Unter der Bedingung eines konstanten Drehmoments zeigt 11 einen Fall, in dem die Schaltfrequenz auf 20 [kHz] bei der Drehzahl von 1000 [rpm] eingestellt ist; 12 zeigt einen Fall, in dem die Schaltfrequenz auf 30 [kHz] bei der Drehzahl von 2000 [rpm] eingestellt ist; 13 zeigt einen Fall, in dem die Schaltfrequenz auf 40 [kHz] bei der Drehzahl von 3000 [rpm] eingestellt ist. Wie aus diesen Ergebnissen ersichtlich ist, kann eine Erhöhung der Schaltfrequenz fc zusammen mit der Erhöhung der Leistung bzw. Energie der elektrischen Drehmaschine MG die Pulsierungsamplituden der Systemspannung Vdc und des Batteriestroms Ib innerhalb der erlaubten Bereiche Vp und Ip, die entsprechend für Vdc und Ib definiert sind, begrenzt werden.
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Die obere Grenzfrequenz fmax der Schaltfrequenz fc wird ebenso vorzugsweise eingestellt. Wenn sich die Schaltfrequenz fc erhöht, erhöht sich die Anzahl von Schaltungen pro Zeiteinheit, so dass sich der Schaltverlust in dem Inverter 10 ebenso erhöht. Folglich ist es vorzuziehen, Bedingungen für die obere Grenzfrequenz fmax, zusätzlich zu denen für die untere Grenzfrequenz fmin, zu definieren. Als ein Ausführungsbeispiel wird die obere Grenzfrequenz fmax der Schaltfrequenz fc vorzugsweise auf eine Frequenz eingestellt, bei der der Schaltverlust des Inverters 10 auf oder unter einen vorbestimmten oberen Grenzverlust fällt.
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Betrachtet man Fahrzeuge, die mit der Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine 100 bereitgestellt sind, können der Zulieferer der Batterie 11, der Zulieferer des IGBT 3 des Inverters 10 und der Zulieferer der Steuerungseinrichtung 8 von Fahrzeug zu Fahrzeug unterschiedlich sein. Speziell kann die Steuerungseinrichtung 8 vorzugsweise einen geeigneten Wert der Schaltfrequenz fc einstellen, wenn der Batteriewiderstand Rb, die Batterieinduktivität Lb, die Stehspannung des IGBT 3 und Ähnliches in Abhängigkeit des Fahrzeugs variieren. Wie vorstehend beschrieben kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Schaltfrequenz fc basierend auf dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG eingestellt werden und die Technik der vorliegenden Erfindung kann breit angewendet werden.
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Um die vorstehende Beschreibung in einem konzeptuellen Sinn zusammenzufassen, wird die Schaltfrequenz fc vorzugsweise eingestellt, um die folgenden Kriterien zu erfüllen. Speziell wird die Schaltfrequenz fc eingestellt, so dass sie alle der Folgenden erfüllt:
- (a) die Pulsierung der Systemspannung Vdc, die entsprechend der Schaltfrequenz fc erzeugt wird, soll innerhalb eines Bereichs liegen, in dem die IGBTs 3 (Schaltelemente) des Inverters 10 geschützt werden können;
- (b) die Pulsierung des Batteriestroms Ib, die entsprechend der Schaltfrequenz fc erzeugt wird, soll innerhalb eines Bereichs liegen, in dem die Batterie 11 geschützt werden kann;
- (c) in dem hörbaren Bereich soll kein Rauschen erzeugt werden; und
- (d) der Schaltverlust des Inverters 10 entsprechend der Schaltfrequenz fc soll nicht übermäßig groß sein.
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Genauer wird die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc vorzugsweise eingestellt, so dass sie alle der Folgenden erfüllt:
- (a') die Pulsierungsamplitude der Systemspannung Vdc, die entsprechend der Schaltfrequenz fc erzeugt wird, soll innerhalb des erlaubten Bereichs (erlaubter Spannungswelligkeitsbereich Vp), der basierend auf der Stehspannung der IGBTs 3 (Schaltelemente) in dem Inverter 10 vordefiniert ist, liegen;
- (b') die Pulsierungsamplitude des Batteriestroms Ib, die entsprechend der Schaltfrequenz fc erzeugt wird, soll innerhalb des erlaubten Bereichs (erlaubter Stromwelligkeitsbereich Ip), der vordefiniert ist, um dazu in der Lage zu sein, die Verschlechterung der Batterie 11 zu reduzieren, liegen; und
- (c') die untere Grenzfrequenz fmin soll gleich oder höher als die Grenzfrequenz flim sein, die einen vordefinierten Wert über dem hörbaren Bereich aufweist.
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Die obere Grenzfrequenz fmax der Schaltfrequenz fc wird vorzugsweise eingestellt, um das Folgende zu erfüllen:
- (d') Der Schaltverlust des Inverters 10 entsprechend der Schaltfrequenz fc soll auf oder unter dem vordefinierten oberen Grenzverlust liegen.
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Aus praktischen Gründen ist es vorzuziehen, eine Übersicht vorzubereiten, die eine Beziehung zwischen der Leistung bzw. Energie der elektrischen Drehmaschine MG und der Schaltfrequenz fc, die in dem Bereich von der unteren Grenzfrequenz fmin zu der oberen Grenzfrequenz fmax eingestellt ist, welche alle von (a') bis (d'), die vorstehend beschrieben sind, erfüllen, darstellt (siehe 10). In diesem Fall können (c') und (d') bis zu einem gewissen Ausmaß quantitativ definiert werden. Folglich ist es vorzuziehen, im Voraus die Schaltfrequenz fc zu erhalten, die, zusätzlich zu (c') und (d'), (a') und (b') entsprechend der Energie bzw. Leistung der elektrischen Drehmaschine MG erfüllt. Die Schaltfrequenz fc, die somit eingestellt ist, startet von einer vorbestimmten Frequenz, die gleich oder höher als die Grenzfrequenz flim ist, und erhöht sich schrittweise mit der Erhöhung der Energie bzw. Leistung der elektrischen Drehmaschine MG.
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Die Schaltfrequenz fc muss höher eingestellt werden, um (a') bis (c') zu erfüllen, während der Glättungskondensator mit niedriger Kapazität 40 verwendet wird, so dass die elektrische Drehmaschine MG in einer Rotationssynchronisationssteuerungsbetriebsart schwer zu steuern ist. Aus diesem Grund umfasst das vorliegende Ausführungsbeispiel nicht die Rotationssynchronisationssteuerungsbetriebsart unter den auswählbaren Steuerungsbetriebsarten. Die Rotationssynchronisationssteuerungsbetriebsart ist eine Steuerungsbetriebsart (etwa eine Einpulssteuerungsbetriebsart oder eine Fünfpulssteuerungsbetriebsart), bei der die vordefinierte Anzahl von Pulsen in Synchronisation mit der Rotation der elektrischen Drehmaschine MG ausgegeben wird. Wie in 9 gezeigt ist, wird ein Operationspunktbereich auf der Seite einer hohen Drehzahl eines Operationspunktbereichs entsprechend der normalen Zweiphasenmodulationsbetriebsart (DPWM) nicht auf eine pulsmodulierte Betriebsart eingestellt, sondern wird auf die Zweiphasenmodulationsbetriebsart mit der Feldschwächungssteuerung (DPWM + AFR) eingestellt.
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Die vorliegende Erfindung kann breit auf Antriebseinrichtungen für elektrische Drehmaschinen angewendet werden, die basierend auf dem vorstehend beschriebenen Konzept entworfen sind. Der Fachmann ist dazu in der Lage, einfach zu verstehen, dass angemessene Modifikationen basierend auf dem vorstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiel vorgenommen werden können, ohne sich von der Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu entfernen. Dementsprechend umfasst die vorliegende Erfindung offensichtlich auch andere Ausführungsbeispiele, die innerhalb des Umfangs modifiziert sind, ohne sich von der Aufgabe der Erfindung zu entfernen.
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Zum Beispiel kann als ein Ausführungsbeispiel die Schaltfrequenz fc so eingestellt werden, dass diese mit einem Modulationsfaktor M anstelle der Energie bzw. Leistung der elektrischen Drehmaschine MG, wie vorstehend beschrieben ist, variabel ist (siehe
14). Speziell kann die Schaltfrequenz fc eingestellt werden, um von einer vorbestimmten Frequenz, die gleich oder größer als die Grenzfrequenz flim ist, zu starten und sich schrittweise zu erhöhen (fc1' < fc2' < fc3' < fc4'), wenn sich der Modulationsfaktor M erhöht. Der Modulationsfaktor M ist ein Indikator, der ein Verhältnis eines effektiven Werts des Wechselstromspannungsanweisungswerts zu der Systemspannung Vdc darstellt, und wird durch Formel (7) unter Verwendung von Zwei-Achsen-Spannungsanweisungswerten Vd und Vq in dem Vektorsteuerungsverfahren berechnet. [Formel 7]
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Als ein Ausführungsbeispiel, wie zum Beispiel in 14 gezeigt ist, kann eine Vielzahl von Referenzwerten M1 bis M3 (M1 < M2 < M3) verwendet werden, um eine Übersicht für Operationsbereiche B1 bis B4 entsprechend dem Modulationsfaktor M vorzubereiten, um dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG zu entsprechen. Auch in dem Fall des Einstellens der Schaltfrequenz fc gemäß dem Modulationsfaktor M wird eine Erfüllung von (a') bis (d'), wie vorstehend beschrieben, vorzugsweise berücksichtigt.
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Als ein Ausführungsbeispiel, in dem Fall des Einstellens der Schaltfrequenz fc, so dass diese mit der Energie bzw. Leistung der elektrischen Drehmaschine MG oder dem Modulationsfaktor M variabel ist, könnte die Schaltfrequenz fc nicht schrittweise, sondern kontinuierlich verändert werden. Speziell kann die Schaltfrequenz fc eingestellt werden, um von einer vordefinierten Frequenz, die gleich oder größer als die Grenzfrequenz flim ist, zu starten und sich kontinuierlich zu erhöhen, wenn sich die Energie bzw. Leistung der elektrischen Drehmaschine MG oder der Modulationsfaktor M erhöhen.
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Als ein Ausführungsbeispiel kann die untere Grenzfrequenz fmin der Schaltfrequenz fc unter Berücksichtigung, dass nur (a') und (b') erfüllt sind, eingestellt werden, ohne (c') zu berücksichtigen. In diesem Fall stellt die Steuerungseinrichtung (8) die Schaltfrequenz fc auf einen Wert ein, der entsprechend dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG variiert, entsprechend der Pulsierungsamplitude der Systemspannung Vdc und der Pulsierungsamplitude des Batteriestroms Ib. Genauer stellt die Steuerungseinrichtung 8 die Schaltfrequenz fc auf einen Wert ein, der entsprechend dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG variiert, so dass jede der Pulsierungsamplitude der Systemspannung Vdc und der Pulsierungsamplitude des Batteriestroms Ib innerhalb des vordefinierten erlaubten Bereichs von diesen liegen. In diesem Fall, obwohl in manchen Fällen das Rauschen in dem hörbaren Bereich produziert werden könnte, können zumindest die IGBTs 3 (Schaltelemente) des Inverters 10 und die Batterie 11 geschützt werden.
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Nur eines von (a') und (b') könnte berücksichtigt werden, unabhängig davon, ob (c') berücksichtigt wird. Speziell, wenn (a') berücksichtigt wird, stellt die Steuerungseinrichtung 8 die Schaltfrequenz fc auf einen Wert ein, der entsprechend dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG variiert, entsprechend der Pulsierungsamplitude der Systemspannung Vdc. Genauer stellt die Steuerungseinrichtung 8 die Schaltfrequenz fc auf einen Wert ein, der entsprechend dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG variiert, so dass die Pulsierungsamplitude der Systemspannung Vdc innerhalb des vordefinierten erlaubten Bereichs von dieser liegt. In diesem Fall können zumindest die IGBTs 3 (Schaltelemente) des Inverters 10 geschützt werden. Wenn (b') berücksichtigt wird, stellt die Steuerungseinrichtung 8 die Schaltfrequenz fc auf einen Wert ein, der entsprechend dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG variiert, entsprechend der Pulsierungsamplitude des Batteriestroms Ib. Genauer stellt die Steuerungseinrichtung 8 die Schaltfrequenz fc auf einen Wert ein, der entsprechend dem Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Drehmaschine MG variiert, so dass die Pulsierungsamplitude des Batteriestroms Ib innerhalb des vordefinierten erlaubten Bereichs von diesem liegt. In diesem Fall kann zumindest die Batterie 11 geschützt werden.
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In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden als ein Beispiel die IGBTs 3 als die Schaltelemente verwendet, aber die Konfiguration der vorliegenden Erfindung ist ebenso sehr für einen Fall geeignet, in dem die SiC-Einrichtungen, wie etwa die SiC-MOSFETs oder die SiC-SITs, als die Schaltelemente verwendet werden. Das heißt, die SiC-Einrichtungen besitzen Charakteristika eines geringeren Schaltverlustes, die bei höheren Temperaturen stabiler betreibbar sind als die Si-Einrichtungen, und sind dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem reduzierten Verlust stabil betreibbar sind, auch wenn die Schaltfrequenz relativ hoch ist. Aus diesem Grund ist die Konfiguration der vorliegenden Erfindung insbesondere vorzuziehen, wenn solche SiC-Einrichtungen als die Schaltelemente verwendet werden, und ein breiter Bereich von Frequenzen als die Schaltfrequenz verwendet wird.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Die vorliegende Erfindung kann auf eine Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine angewendet werden, die eine elektrische Wechselstromdrehmaschine antreibt und steuert.
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Bezugszeichenliste
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- 8
- Steuerungseinrichtung (Invertersteuerungseinheit)
- 10
- Inverter
- 11
- Batterie (Gleichstromenergieversorgung)
- 40
- Glättungskondensator
- 100
- Antriebseinrichtung für eine elektrische Drehmaschine
- A
- Operationsbereich
- B
- Operationsbereich
- Ib
- Batteriestrom (Energieversorgungsstrom)
- Idc
- Systemstrom
- Ip
- erlaubter Stromwelligkeitsbereich
- M
- Modulationsfaktor
- MG
- elektrische Drehmaschine
- Vdc
- Systemspannung
- Vp
- erlaubter Spannungswelligkeitsbereich
- fc
- Schaltfrequenz
- flim
- Grenzfrequenz
