DE102008034670B4 - AUTOMOTIVE POWER SYSTEM AND DOUBLE-SIDED INVERTER SYSTEM WITH ISOLATED NEUTRAL POINT TOPOLOGY - Google Patents

AUTOMOTIVE POWER SYSTEM AND DOUBLE-SIDED INVERTER SYSTEM WITH ISOLATED NEUTRAL POINT TOPOLOGY Download PDF

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Abstract

Kraftfahrzeugantriebssystem, das umfasst:einen vierphasigen Motor (20) mit einem ersten Satz von Wicklungen (36) und einem zweiten Satz von Wicklungen (37), wobei der erste Satz von Wicklungen (36) und der zweite Satz von Wicklungen (37) elektrisch isoliert sind;einen ersten Wechselrichter (38), der mit dem ersten Satz von Wicklungen (36) gekoppelt ist; undeinen zweiten Wechselrichter (40), der mit dem zweiten Satz von Wicklungen (37) gekoppelt ist;wobei der erste Satz von Wicklungen (36) verbunden ist, um einen ersten Neutralpunkt (39) zu schaffen, und der zweite Satz von Wicklungen (37) verbunden ist, um einen zweiten Neutralpunkt (41) zu schaffen;wobei der erste Neutralpunkt (39) mit dem ersten Wechselrichter (38) und der zweite Neutralpunkt (41) mit dem zweiten Wechselrichter (40) gekoppelt ist;wobei der erste Satz von Wicklungen (36) eine erste zweiphasige Wicklungsstruktur (a, b) umfasst und der zweite Satz von Wicklungen (37) eine zweite zweiphasige Wicklungsstruktur (c, d) umfasst.Motor vehicle propulsion system comprising:a four-phase motor (20) having a first set of windings (36) and a second set of windings (37), the first set of windings (36) and the second set of windings (37) electrically insulating are;a first inverter (38) coupled to the first set of windings (36); anda second inverter (40) coupled to the second set of windings (37);the first set of windings (36) being connected to provide a first neutral point (39), and the second set of windings (37 ) is connected to create a second neutral point (41);wherein the first neutral point (39) is coupled to the first inverter (38) and the second neutral point (41) is coupled to the second inverter (40);wherein the first set of Windings (36) comprise a first two-phase winding structure (a, b) and the second set of windings (37) comprise a second two-phase winding structure (c, d).

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD

Ausführungsformen des hierin beschriebenen Gegenstands betreffen allgemein Fahrzeugantriebssysteme, und insbesondere betreffen Ausführungsformen des Gegenstands Kraftfahrzeugantriebssysteme mit einem doppelseitigen Wechselrichtersystem.Embodiments of the subject matter described herein generally relate to vehicle propulsion systems, and more particularly, embodiments of the subject matter relate to motor vehicle propulsion systems having a double-sided inverter system.

HINTERGRUNDBACKGROUND

In den letzten Jahren haben technologische Fortschritte sowie sich immer neu entwickelnde Stilrichtungen zu wesentlichen Änderungen bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Änderungen betrifft die Leistungsverwendung und die Komplexität der verschiedenen elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, speziell in Fahrzeugen mit alternativem Kraftstoff, wie zum Beispiel Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen.In recent years, technological advances and evolving styles have led to significant changes in automotive design. One of the changes concerns the power usage and complexity of the various electrical systems in automobiles, especially in alternative fuel vehicles such as hybrid, electric and fuel cell vehicles.

Viele der elektrischen Komponenten, welche die Elektromotoren umfassen, die in derartigen Fahrzeugen verwendet werden, empfangen elektrische Leistung von Wechselstrom-Leistungsversorgungen (AC-Leistungsversorgungen). Die bei derartigen Anwendungen verwendeten Leistungsquellen (z.B. Batterien) liefern jedoch nur Gleichstrom-Leistung (DC-Leistung). Um DC-Leistung in AC-Leistung umzuwandeln, werden folglich Einrichtungen verwendet, die als „Wechselrichter/Gleichrichter“ bekannt sind, welche oft mehrere Schalter oder Transistoren verwenden, die mit verschiedenen Intervallen betrieben werden, um die DC-Leistung in AC-Leistung umzuwandeln.Many of the electrical components comprising the electric motors used in such vehicles receive electrical power from alternating current (AC) power supplies. However, the power sources used in such applications (e.g. batteries) only provide direct current (DC) power. Consequently, to convert DC power to AC power, devices known as "inverters/rectifiers" are used, which often use multiple switches or transistors operated at different intervals to convert the DC power to AC power .

Zudem verwenden derartige Fahrzeuge, speziell Brennstoffzellenfahrzeuge, oft zwei separate Spannungsquellen (z.B. eine Batterie und eine Brennstoffzelle), um die Elektromotoren, welche die Räder antreiben, mit Leistung zu versorgen. „Leistungswandler“, wie zum Beispiel Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (DC/DC-Wandler) werden typischerweise verwendet, um die Leistung aus den zwei Spannungsquellen zu übertragen. Moderne DC/DC-Wandler umfassen oft Transistoren, die durch eine Induktivität elektrisch verbunden sind. Durch ein Steuern der Zustände der verschiedenen Transistoren kann ein gewünschter Durchschnittsstrom durch die Induktivität eingeprägt werden und damit den Leistungsfluss zwischen den zwei Spannungsquellen steuern.In addition, such vehicles, especially fuel cell vehicles, often use two separate voltage sources (e.g. a battery and a fuel cell) to supply power to the electric motors that drive the wheels. “Power converters,” such as direct current-to-direct current (DC/DC) converters, are typically used to transfer power from the two voltage sources. Modern DC/DC converters often include transistors that are electrically connected by an inductor. By controlling the states of the various transistors, a desired average current can be impressed through the inductance and thus control the power flow between the two voltage sources.

Die Verwendung sowohl eines Wechselrichters/Gleichrichters, der im Folgenden als Wechselrichter bezeichnet wird, als auch eines Leistungswandlers erhöht die Komplexität des elektrischen Systems des Kraftfahrzeugs erheblich. Die für beiden Typen von Einrichtungen benötigten zusätzlichen Komponenten erhöhen auch die Gesamtkosten und das Gewicht des Fahrzeugs. Dementsprechend wurden Systeme und Verfahren entwickelt, um einen Motor, der mit mehreren Leistungsquellen gekoppelt ist, ohne einen DC/DC-Wandler zu betreiben, wobei die Leistungsfähigkeit des Motors durch eine Verwendung dualer elektrischer Wechselrichtersysteme maximiert wird.The use of both an inverter/rectifier, hereinafter referred to as an inverter, and a power converter significantly increases the complexity of the motor vehicle's electrical system. The additional components required for both types of devices also increase the overall cost and weight of the vehicle. Accordingly, systems and methods have been developed to operate a motor coupled to multiple power sources without a DC/DC converter, maximizing motor performance through use of dual electrical inverter systems.

Systeme nach dem Stand der Technik sind auf Konzepte für dreiphasige Motoren beschränkt, die traditionell in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Prior art systems are limited to three-phase motor concepts traditionally used in automobiles.

Die Konzeption vieler dieser Systeme erfordert, dass die zwei Energiequellen im Wesentlichen den gleichen Spannungspegel aufweisen. Zudem kann es sein, dass in einer Situation, bei der eine der Quellen aus irgendeinem Grund ausfällt (d.h. extrem kalte Temperaturen), Entwürfe nach dem Stand der Technik das Betreiben eines Motors unter Verwendung nur der anderen Quelle nicht ermöglichen.The design of many of these systems requires that the two energy sources have essentially the same voltage level. Additionally, in a situation where one of the sources fails for some reason (i.e., extremely cold temperatures), prior art designs may not permit operating an engine using only the other source.

Dementsprechend ist es wünschenswert, ein duales Wechselrichtersystem bereitzustellen, um die Verwendung von Energiequellen mit verschiedenen Betriebskennlinien zu ermöglichen, um einen Kaltstart eines Fahrzeugs in dem Fall eines Ausfalls einer der Energiequellen zu ermöglichen. Andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden technischen Gebiet und Hintergrund offenbar werden.Accordingly, it is desirable to provide a dual inverter system to enable the use of power sources with different operating characteristics to enable cold starting of a vehicle in the event of a failure of one of the power sources. Other desirable features and characteristics of the present invention will become apparent from the following detailed description and the appended claims, taken in conjunction with the accompanying drawings and the foregoing technical field and background.

Die Druckschrift DE 10 2005 026 779 A1 offenbart eine elektrische Antriebseinrichtung mit einem mehrphasigen Motor, der von mehreren Steuerungsmitteln gesteuert wird, wobei der Motor aus einem gemeinsamen Rotor mit Teilmaschinen in der Form von Teilstatoren besteht.The publication DE 10 2005 026 779 A1 discloses an electric drive device with a multi-phase motor controlled by a plurality of control means, the motor consisting of a common rotor with sub-machines in the form of sub-stators.

In der Druckschrift US 5 099 186 A ist ein integriertes Motorantriebssystem und Wiederaufladesystem offenbart, bei dem zwei dreiphasige Motoren oder ein Motor mit zwei Wicklungssätzen durch zwei Wechselrichter aus einer Gleichstromquelle gespeist werden und die Gleichstromquelle beim Aufladen durch einphasige Leistung aus Neutralpunkten des oder der Motoren aufgeladen wird.In print US 5,099,186 A discloses an integrated motor drive system and recharging system in which two three-phase motors or a motor with two sets of windings are powered from a DC source by two inverters, and the DC source is charged during charging by single-phase power from neutral points of the motor(s).

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein duales Wechselrichtersystem bereitzustellen, um die Verwendung von Energiequellen mit verschiedenen Betriebskennlinien zu ermöglichen, um einen Kaltstart eines Fahrzeugs in dem Fall eines Ausfalls einer der Energiequellen zu ermöglichen.The object of the invention is to provide a dual inverter system to enable the use of energy sources with different operating characteristics to enable a cold start of a vehicle in the event of a failure of one of the energy sources.

Diese Aufgabe wird durch das Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 1 sowie das Wechselrichtersystem nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by the motor vehicle drive system according to claim 1 and the inverter system according to claim 10. Advantageous developments of the invention are described in the subclaims.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

Ein besseres Verständnis des Gegenstands kann durch Bezugnahme auf die genaue Beschreibung und die Ansprüche in Verbindung mit den folgenden Figuren erreicht werden, bei denen in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen.

  • 1 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform;
  • 2 ist eine schematische Ansicht eines doppelseitigen Wechselrichtersystems gemäß einer Ausführungsform;
  • 3 ist eine schematische Ansicht einer Statorwicklungsstruktur für einen Motor zur Verwendung in dem doppelseitigen Wechselrichtersystem von 2 gemäß einer Ausführungsform;
  • 4 ist ein Graph von Motorphasenströmen gemäß einer Ausführungsform;
  • 5 ist eine schematische Ansicht eines Steuerungssystems zum Betreiben des doppelseitigen Wechselrichtersystems von 2 gemäß einer Ausführungsform.
A better understanding of the subject matter may be achieved by reference to the detailed description and claims in conjunction with the following figures, in which like reference numerals designate similar elements throughout the various figures.
  • 1 is a schematic view of an exemplary motor vehicle according to an embodiment;
  • 2 is a schematic view of a double-sided inverter system according to an embodiment;
  • 3 is a schematic view of a stator winding structure for a motor for use in the double-sided inverter system of 2 according to one embodiment;
  • 4 is a graph of motor phase currents according to an embodiment;
  • 5 is a schematic view of a control system for operating the double-sided inverter system of 2 according to one embodiment.

GENAUE BESCHREIBUNGPRECISE DESCRIPTION

Die folgende genaue Beschreibung ist rein veranschaulichender Natur und ist nicht dazu gedacht, die Ausführungsformen des Gegenstands oder die Anwendung und Verwendungen derartiger Ausführungsformen zu beschränken. Bei der Verwendung hierin bedeutet das Wort „beispielhaft“ „als ein Beispiel, eine Instanz oder eine Veranschaulichung dienend“. Jede hierin als beispielhaft beschriebene Implementierung ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Implementierungen anzusehen. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden genauen Beschreibung dargestellt ist.The following detailed description is purely illustrative in nature and is not intended to limit the embodiments of the subject matter or the applications and uses of such embodiments. As used herein, the word “exemplary” means “serving as an example, instance or illustration.” Any implementation described herein as an example is not necessarily to be viewed as preferred or advantageous over other implementations. Furthermore, there is no intention to be bound by any theory, explicit or implicit, presented in the foregoing technical field, background, summary, or detailed description that follows.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten oder Merkmale, die miteinander „verbunden“ oder „gekoppelt“ sind. Wie hierin verwendet, bedeutet „verbunden“, sofern nicht ausdrücklich anderweitig angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem weiteren Element/Knoten/Merkmal direkt verbunden ist (oder direkt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Gleichermaßen bedeutet „gekoppelt“, sofern nicht ausdrücklich anderweitig angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder in indirekt mit einem weiteren Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt oder indirekt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Somit können, obwohl die hierin gezeigten schematischen Darstellungen beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen, zusätzliche dazwischenkommende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten bei einer Ausführungsform des dargestellten Gegenstands vorhanden sein. Die Ausdrücke „erster“, „zweiter“ oder weitere derartige numerische Ausdrücke, welche Strukturen bezeichnen, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, sofern dies nicht klar durch den Kontext angezeigt ist.The following description refers to elements or nodes or features that are “connected” or “coupled” to one another. As used herein, unless expressly stated otherwise, “connected” means that one element/node/feature is directly connected to (or in direct communication with) another element/node/feature, not necessarily mechanically. Likewise, unless expressly stated otherwise, “coupled” means that one element/node/feature is directly or indirectly connected to (or communicates directly or indirectly with) another element/node/feature, not necessarily mechanically. Thus, although the schematic illustrations shown herein illustrate exemplary arrangements of elements, additional intervening elements, devices, features, or components may be present in an embodiment of the illustrated subject matter. The terms “first,” “second,” or other such numerical terms denoting structures do not imply any sequence or order unless clearly indicated by the context.

1 veranschaulicht ein Fahrzeug oder Kraftfahrzeug 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst ein Chassis 12, eine Karosserie 14, vier Räder 16, und ein elektronisches Steuerungssystem 18. Die Karosserie 14 ist auf dem Chassis 12 angeordnet und umhüllt im Wesentlichen die anderen Komponenten des Kraftfahrzeugs 10. Die Karosserie 14 und das Chassis 12 können gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 16 sind jeweils in der Nähe einer jeweiligen Ecke der Karosserie 14 mit dem Chassis 12 drehbar gekoppelt. 1 illustrates a vehicle or motor vehicle 10 according to an embodiment of the present invention. The motor vehicle 10 includes a chassis 12, a body 14, four wheels 16, and an electronic control system 18. The body 14 is arranged on the chassis 12 and essentially envelops the other components of the motor vehicle 10. The body 14 and the chassis 12 can form a framework together. The wheels 16 are each rotatably coupled to the chassis 12 near a respective corner of the body 14.

Das Kraftfahrzeug 10 kann ein beliebiger einer Anzahl verschiedener Typen von Kraftfahrzeugen sein, wie zum Beispiel eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV, SUV von Sport Utility Vehicle), und kann ein Zweiradantrieb (2WD) (d.h. Heckantrieb oder Frontantrieb), ein Vierradantrieb (4WD) oder ein Allradantrieb (AWD) sein. Das Kraftfahrzeug 10 kann auch einen beliebigen oder eine Kombination einer Anzahl verschiedener Typen von Maschinen beinhalten, wie zum Beispiel eine benzin- oder dieselgespeiste Brennkraftmaschine, eine Maschine eines „Fahrzeugs mit flexiblem Kraftstoff“ (FFV, FFV von Flex Fuel Vehicle) (d.h., die eine Mischung aus Benzin und Alkohol verwendet), eine mit einem gasförmigem Gemisch (z.B. Wasserstoff und Erdgas) gespeiste Maschine, eine hybride Brennkraft/Elektromotormaschine, und einen Elektromotor.The motor vehicle 10 may be any of a number of different types of motor vehicles, such as a sedan, station wagon, truck, or sport utility vehicle (SUV), and may be two-wheel drive (2WD) (i.e., rear-wheel drive or front-wheel drive). ), be a four-wheel drive (4WD) or an all-wheel drive (AWD). The motor vehicle 10 may also include any or a combination of a number of different types of engines, such as a gasoline or diesel-powered internal combustion engine, a Flex Fuel Vehicle (FFV) engine (i.e., the a mixture of gasoline and alcohol is used), a machine powered by a gaseous mixture (e.g. hydrogen and natural gas), a hybrid internal combustion engine/electric motor machine, and an electric motor.

Bei der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Kraftfahrzeug 10 ferner einen Motor 20 (d.h. einen Elektromotor/Generator, Antriebsmotor, etc.), eine erste Energiequelle 22, eine zweite Energiequelle 24, eine Wechselrichteranordnung 26 und einen Radiator 28. Der Radiator 28 ist mit dem Rahmen an einem äußeren Abschnitt desselben verbunden und umfasst, obwohl es nicht im Detail veranschaulicht ist, mehrere Kühlkanäle, die ein Kühlfluid (d.h. ein Kühlmittel), wie Wasser und/oder Ethylenglykol (d.h. „Frostschutz“) enthalten, und ist mit der Wechselrichteranordnung 26 und dem Motor 20 gekoppelt. Bei einer Ausführungsform empfängt die Wechselrichteranordnung 26 ein Kühlmittel und teilt dies mit dem Elektromotor 20. Wie in 1 gezeigt ist, kann der Motor 20 auch ein darin integriertes Getriebe umfassen, sodass der Motor 20 und das Getriebe durch eine oder mehrere Antriebswellen 30 mit wenigstens einigen der Räder 16 mechanisch gekoppelt sind.At the in 1 In the exemplary embodiment illustrated, the motor vehicle 10 further includes a motor 20 (ie, an electric motor/generator, drive motor, etc.), a first power source 22, a second power source 24, an inverter assembly 26, and a radiator 28. The radiator 28 is attached to the frame connected to an outer portion thereof and, although not illustrated in detail, includes a plurality of cooling channels containing a cooling fluid (ie, coolant), such as water and/or ethylene glycol (ie, “antifreeze”), and is coupled to the inverter assembly 26 and the motor 20. In one embodiment, the inverter assembly 26 receives coolant and shares it with the electric motor 20. As in 1 As shown, the engine 20 may also include a transmission integrated therein such that the engine 20 and the transmission are mechanically coupled to at least some of the wheels 16 through one or more drive shafts 30.

Wie gezeigt ist, stehen die erste Energiequelle 22 und die zweite Energiequelle 24 in wirksamer Verbindung mit und/oder sind mit dem elektronischen Steuerungssystem 18 und der Wechselrichteranordnung 26 elektrisch gekoppelt. Obwohl es nicht veranschaulicht ist, können die erste Energiequelle 22 und die zweite Energiequelle 24 in Abhängigkeit von der Ausführungsform variieren und können von dem gleichen Typ oder von verschiedenen Typen sein. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen können die erste Energiequelle 22 und die zweite Energiequelle 24 jeweils eine Batterie, eine Brennstoffzelle, einen Ultrakondensator oder eine andere geeignete Spannungsquelle umfassen. Eine Batterie kann irgendein Typ von Batterie sein, der zur Verwendung bei einer gewünschten Anwendung geeignet ist, wie zum Beispiel eine Bleisäurebatterie, eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Nickel-Metall-Batterie oder eine andere wiederaufladbare Batterie. Ein Ultrakondensator kann einen Superkondensator, einen
elektrochemischen Doppelschichtkondensator oder einem beliebigen anderen elektrochemischen Kondensator mit hoher Energiedichte umfassen, der für eine gewünschte Anwendung geeignet ist.
As shown, the first energy source 22 and the second energy source 24 are in operative communication with and/or electrically coupled to the electronic control system 18 and the inverter assembly 26. Although not illustrated, the first power source 22 and the second power source 24 may vary depending on the embodiment and may be of the same type or different types. In one or more embodiments, the first power source 22 and the second power source 24 may each include a battery, a fuel cell, an ultracapacitor, or another suitable voltage source. A battery may be any type of battery suitable for use in a desired application, such as a lead-acid battery, a lithium-ion battery, a nickel-metal battery, or another rechargeable battery. An ultracapacitor can be a supercapacitor, a
electrochemical double layer capacitor or any other high energy density electrochemical capacitor suitable for a desired application.

Nun mit Bezug auf 1 und 2 kann ein doppelseitiges Wechselrichtersystem 32 so ausgelegt sein, dass es einen Motor 20 antreibt, der gemäß einer Ausführungsform mehr als drei Phasen aufweist. Das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 umfasst den Motor 20, die erste Energiequelle 22, die zweite Energiequelle 24, die Wechselrichteranordnung 26 und einen Controller 34.Now with reference to 1 and 2 A double-sided inverter system 32 may be designed to drive a motor 20 that has more than three phases, according to one embodiment. The double-sided inverter system 32 includes the motor 20, the first energy source 22, the second energy source 24, the inverter assembly 26 and a controller 34.

Der Motor 20 ist ein mehrphasiger Wechselstrommotor (AC-Motor) und umfasst einen ersten Satz von Wicklungen 36 (oder Spulen) und einen zweiten Satz von Wicklungen 37, wobei jede Wicklung einer Phase des Motors 20 entspricht. Obwohl es nicht veranschaulicht ist, umfasst der Motor 20 eine Statoranordnung (welche die Spulen umfasst), eine Rotoranordnung (die einen ferromagnetischen Kern umfasst), und ein Kühlfluid (d.h. ein Kühlmittel), wie ein Fachmann feststellen wird. Der Motor 20 kann ein Induktionsmotor, ein Permanentmagnetmotor oder irgendein Typ sein, der für die gewünschte Anwendung geeignet ist.The motor 20 is a polyphase alternating current (AC) motor and includes a first set of windings 36 (or coils) and a second set of windings 37, each winding corresponding to a phase of the motor 20. Although not illustrated, the motor 20 includes a stator assembly (which includes the coils), a rotor assembly (which includes a ferromagnetic core), and a cooling fluid (i.e., coolant), as one skilled in the art will appreciate. Motor 20 may be an induction motor, a permanent magnet motor, or any type suitable for the desired application.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Motor 20 ein vierphasiger Motor, wobei der erste Satz von Wicklungen 36 und der zweite Satz von Wicklungen 37 jeweils elektrisch isolierten zweiphasigen Verdrahtungsstrukturen entsprechen. Es wird angemerkt, dass die Sätze von Wicklungen 36 und 37 elektrisch isoliert sind, was bedeutet, dass Strom in jedem Satz von Wicklungen 36 und 37 unabhängig gesteuert werden kann und von dem Strom in dem jeweils anderen Satz von Wicklungen 36 und 37 abweichen kann. Die Sätze von Wicklungen 36 und 37 können weiterhin Energie an den jeweils anderen Satz von Wicklungen 36 und 37 unter Verwendung einer magnetomotorischen Kraft, die von dem Motor 20 erzeugt wird, elektromagnetisch übertragen. Der Controller 34 kann die Weise, auf welche Leistung von jeder Energiequelle 22, 24 fließt, unabhängig steuern, um einen Sollleistungsfluss zu erreichen.In an exemplary embodiment, the motor 20 is a four-phase motor, with the first set of windings 36 and the second set of windings 37 each corresponding to electrically isolated two-phase wiring structures. It is noted that the sets of windings 36 and 37 are electrically isolated, meaning that current in each set of windings 36 and 37 can be controlled independently and may vary from the current in the other set of windings 36 and 37. The sets of windings 36 and 37 can further electromagnetically transfer energy to the other set of windings 36 and 37 using a magnetomotive force generated by the motor 20. The controller 34 may independently control the manner in which power flows from each energy source 22, 24 to achieve a desired power flow.

Die Verwendung eines Motors 20, der zwei elektrisch isolierte Sätze von Wicklungen 36 und 37 umfasst, die von zwei Energiequellen 22, 24 angetrieben werden, ist wünschenswert, speziell bei einem Kraftfahrzeug 10, das in einem hybriden/elektrischen Modus arbeitet, weil sie eine verbesserte Zuverlässigkeit bereitstellt. Wenn zum Beispiel eine erste Energiequelle 22, wie eine Batterie, in einem Kraftfahrzeug 10 aus irgendeinem Grund ausfällt (d.h. kaltes oder raues Wetter), kann der Motor 20 dennoch von der zweiten Energiequelle 24 unabhängig gestartet und angetrieben werden, wie nachstehend genauer erörtert wird.The use of a motor 20 that includes two electrically isolated sets of windings 36 and 37 driven by two power sources 22, 24 is desirable, particularly in a motor vehicle 10 operating in a hybrid/electric mode, because it provides improved provides reliability. For example, if a first power source 22, such as a battery, in a motor vehicle 10 fails for any reason (i.e., cold or inclement weather), the engine 20 may still be started and powered independently by the second power source 24, as discussed in more detail below.

Nun mit Bezug auf 2 und 3 umfasst bei einer beispielhaften Ausführungsform der erste Satz von Wicklungen 36 eine erste Phase (a) und eine zweite Phase (b). Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der räumliche Versatz zwischen der ersten Phase (a) und der zweiten Phase (b) derart, dass der elektrische Winkel zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase wie gezeigt 90° beträgt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die zwei Phasen verbunden, um einen ersten Neutralpunkt 39 in dem Motor 20 zu schaffen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der räumliche Versatz zwischen der ersten Phase (a) und der zweiten Phase (b) so eingestellt, dass ein elektrischer Winkel von 90° in dem Statorrahmen aufrechterhalten wird. Es ist in der Technik bekannt, dass das Aufrechterhalten eines elektrischen 90° Winkels zur Erzeugung eines gleichmäßigen Drehmoments in dem Motor 20 in den Ansprechen auf eine ausgeglichene zweiphasige Stromerregung führt.Now with reference to 2 and 3 In an exemplary embodiment, the first set of windings 36 includes a first phase (a) and a second phase (b). In an exemplary embodiment, the spatial offset between the first phase (a) and the second phase (b) is such that the electrical angle between the first phase and the second phase is 90° as shown. In an exemplary embodiment, the two phases are connected to create a first neutral point 39 in the motor 20. In an exemplary embodiment, the spatial offset between the first phase (a) and the second phase (b) is adjusted to maintain an electrical angle of 90° in the stator frame. It is known in the art that maintaining a 90° electrical angle results in the generation of uniform torque in the motor 20 in response to balanced two-phase current excitation.

Nun auf 4 Bezug nehmend führt das Bereitstellen von Strömen an die erste Phase (ia) und die zweite Phase (ib), welche im Zeitbereich um 90° phasenversetzt sind, zu einem gleichmäßig rotierenden Magnetfeld. Dies ist durch den Strom gezeigt, der an den ersten Neutralpunkt 39 fließt (i-ab_n), welcher eine Summe der zwei Phasenströme (ia und ib) ist.Now up 4 By reference, providing currents to the first phase (i a ) and the second phase (i b ), which are 90° out of phase in the time domain, results in a uniformly rotating magnetic field. This is shown by the current flowing to the first neutral point 39 (i- ab_n ), which is a sum of the two phase currents (i a and i b ).

Mit Bezug auf 2 und 3 umfasst der zweite Satz von Wicklungen 37 eine dritte Phase (c) und eine vierte Phase (d). Aus den gleichen Gründen wie voranstehend offengelegt ist, ist bei einer beispielhaften Ausführungsform der räumliche Versatz zwischen der dritten Phase (c) und der vierten Phase (d) derart, dass der elektrische Winkel zwischen der dritten Phase und der vierten Phase 90° beträgt. Zudem kann der räumliche Versatz zwischen den zwei Sätzen von Wicklungen 36 und 37 in Abhängigkeit von dem Entwurf variieren, wie in 3 durch das Symbol θ gezeigt ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform beträgt der räumliche Versatz θ ebenfalls 90°, wie in 2 gezeigt ist. Obwohl 3 die Wicklungen 36 und 37 mit einer Struktur aus konzentrierten Wicklungen darstellt, können die hierin erörterten Konzepte und Prinzipien auf eine Struktur aus verteilten Wicklungen erweitert werden.Regarding 2 and 3 the second set of windings 37 includes a third phase (c) and a fourth phase (d). For the same reasons as disclosed above, in an exemplary embodiment, the spatial offset between the third phase (c) and the fourth phase (d) is such that the electrical angle between the third phase and the fourth phase is 90°. Additionally, the spatial offset between the two sets of windings 36 and 37 may vary depending on the design, as shown in 3 is shown by the symbol θ. In an exemplary embodiment, the spatial offset θ is also 90°, as in 2 is shown. Although 3 4 illustrates windings 36 and 37 with a concentrated winding structure, the concepts and principles discussed herein can be extended to a distributed winding structure.

Zudem werden Fachleute feststellen, dass ein mehrphasiger Motor 20 zusätzliche Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Maschine mit weniger Phasen (d.h. dreiphasig) in Abhängigkeit von dem räumlichen Versatz der zwei Sätze von Wicklungen 36 und 37 in dem Stator bereitstellen kann. Zum Beispiel kann ein Variieren des räumlichen Versatzes zwischen den zwei Sätzen von Wicklungen 36 und 37 Luftspaltfluss-Oberwellen und entsprechende Drehmoment-Oberwellen und Rotorkupferverluste, welche von diesen Luftfluss-Oberwellen erzeugt werden, verringern oder beseitigen. Der räumliche Versatz der Wicklungen 36 und 37 und der Phasenverbindungen können variiert werden, um zu einer gewünschten Anwendung zu passen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die Grundfrequenzen der zwei Wechselrichter 38 und 40 gleich, was zu einer sinusförmigeren Feldverteilung und einem sinusförmigeren Strom führt.Additionally, those skilled in the art will find that a multi-phase motor 20 can provide additional advantages over a conventional machine with fewer phases (i.e., three-phase) depending on the spatial offset of the two sets of windings 36 and 37 in the stator. For example, varying the spatial offset between the two sets of windings 36 and 37 can reduce or eliminate air gap flow harmonics and corresponding torque harmonics and rotor copper losses generated by these air flow harmonics. The spatial offset of the windings 36 and 37 and the phase connections can be varied to suit a desired application. In an exemplary embodiment, the fundamental frequencies of the two inverters 38 and 40 are the same, resulting in a more sinusoidal field distribution and current.

Wieder auf 2 Bezug nehmend umfasst die Wechselrichteranordnung 26 einen ersten Wechselrichter 38 und einen zweiten Wechselrichter 40, die jeweils sechs Schalter (z.B. Halbleitereinrichtungen, wie zum Beispiel Transistoren und/oder Schalter) mit antiparallelen Dioden (d.h. antiparallel zu jedem Schalter) umfassen. Wie gezeigt ist, sind die Schalter in den Wechselrichtern 38 und 40 in drei Paaren (oder Schenkeln) angeordnet, wobei sich Paare 42, 44 und 46 in dem ersten Wechselrichter 38 befinden und sich Paare 48, 50 und 52 in dem zweiten Wechselrichter 40 befinden.Up again 2 By reference, the inverter assembly 26 includes a first inverter 38 and a second inverter 40, each including six switches (eg, semiconductor devices such as transistors and/or switches) with anti-parallel diodes (ie, anti-parallel to each switch). As shown, the switches in inverters 38 and 40 are arranged in three pairs (or legs), with pairs 42, 44 and 46 located in the first inverter 38 and pairs 48, 50 and 52 located in the second inverter 40 .

Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die erste Phase (a) des ersten Satzes von Wicklungen 36 des Motors 20 an entgegengesetzten Enden derselben zwischen die Schalter des Schalterpaars 42 in dem ersten Wechselrichter 38 und die zweite Phase (b) an den ersten Neutralpunkt 39 elektrisch geschaltet. Die zweite Phase (b) des ersten Satzes von Wicklungen 36 ist zwischen die Schalter des Paars 44 in dem ersten Wechselrichter 38 und den ersten Neutralpunkt 39 wie gezeigt geschaltet. Der erste Neutralpunkt 39 ist zwischen die Schalter des Paars 46 geschaltet. Auf ähnliche Weise können die zwei Phasen (c, d) des zweiten Satzes von Wicklungen 37 wie gezeigt zwischen die Schalter der Paare 48, 50 und 52 und einen zweiten Neutralpunkt 41 geschaltet sein. Zudem kann bei einer alternativen Ausführungsform die negative Sammelleitung der zwei Energiequellen 22, 24 auch verbunden sein, um einen (nicht gezeigten) gemeinsamen Negativpunkt zu schaffen.In an exemplary embodiment, the first phase (a) of the first set of windings 36 of the motor 20 is electrically connected at opposite ends thereof between the switches of the switch pair 42 in the first inverter 38 and the second phase (b) to the first neutral point 39. The second phase (b) of the first set of windings 36 is connected between the switches of the pair 44 in the first inverter 38 and the first neutral point 39 as shown. The first neutral point 39 is connected between the switches of the pair 46. Similarly, the two phases (c, d) of the second set of windings 37 may be connected between the switches of pairs 48, 50 and 52 and a second neutral point 41 as shown. Additionally, in an alternative embodiment, the negative bus of the two energy sources 22, 24 may also be connected to create a common negative point (not shown).

Bei dieser Konfiguration können, da die Energiequellen 22, 24 elektrisch isoliert sind, Energiequellen 22, 24 mit verschiedenen Spannungspegeln, Leistungsklassifizierungen, Betriebskennlinien etc. gleichzeitig verwendet werden. Dies ist im Vergleich mit anderen Wechselrichtersystemen besonders vorteilhaft, bei denen es aus praktischen Gründen notwendig ist, dass die Energiequellen 22, 24 nahezu identisch sind. Zum Beispiel kann in diesem Fall eine Hochspannungsquelle (≥ 100 V), wie eine Brennstoffzelle, gleichzeitig mit einer 12 V Batterie verwendet werden, um den Motor 20 anzutreiben.In this configuration, since the power sources 22, 24 are electrically isolated, power sources 22, 24 with different voltage levels, power ratings, operating characteristics, etc. can be used simultaneously. This is particularly advantageous in comparison with other inverter systems where, for practical reasons, it is necessary that the energy sources 22, 24 are almost identical. For example, in this case, a high voltage source (≥100V), such as a fuel cell, may be used simultaneously with a 12V battery to drive the motor 20.

Noch mit Bezug auf 2 kann das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 auch erste und zweite Kondensatoren 54 und 56 umfassen, die jeweils mit der ersten und zweiten Energiequelle 22, 24 parallel geschaltet sind, um im Betrieb eine Stromrestwelligkeit zu glätten. Der Controller 34 steht in wirksamer Verbindung mit und/oder ist mit dem ersten und zweiten Wechselrichter 38 und 40 elektrisch verbunden. Der Controller 34 spricht auf Befehle an, die von dem Fahrer des Kraftfahrzeugs 10 empfangen werden (d.h. über ein Gaspedal) und liefert Befehle an den ersten Wechselrichter 38 und den zweiten Wechselrichter 40, um, wie beschrieben wird, den Ausgang der Wechselrichter 38 und 40 zu steuern.Still with reference to 2 The double-sided inverter system 32 may also include first and second capacitors 54 and 56 each connected in parallel with the first and second power sources 22, 24 to smooth out residual current ripple during operation. The controller 34 is in operative communication with and/or electrically connected to the first and second inverters 38 and 40. The controller 34 is responsive to commands received from the driver of the motor vehicle 10 (ie, via an accelerator pedal) and provides commands to the first inverter 38 and the second inverter 40 to control the output of the inverters 38 and 40, as described to control.

Wieder mit Bezug auf 1 steht das elektronische Steuerungssystem 18 in wirksamer Verbindung mit dem Motor 20, der ersten Energiequelle 22, der zweiten Energiequelle 24 und der Wechselrichteranordnung 26. Obwohl es nicht im Detail gezeigt ist, kann das elektronische Steuerungssystem 18 verschiedene Sensoren und Kraftfahrzeugsteuerungsmodule oder elektronische Steuerungseinheiten (ECUs), wie ein Wechselrichtersteuerungsmodul (d.h. den in 2 gezeigten Controller 34) und einen Fahrzeugcontroller umfassen, und mindestens einen Prozessor und/oder einen Speicher, welcher darin (oder in einem anderen computerlesbaren Medium) gespeicherte Anweisungen umfasst, um die Prozesse und Verfahren wie nachstehend beschrieben auszuführen.Again with reference to 1 The electronic control system 18 is in operative communication with the engine 20, the first power source 22, the second power source 24 and the inverter assembly 26. Although not shown in detail, the electronic control system 18 may include various sensors and automotive control modules or electronic control units (ECUs). , such as an inverter control module (i.e. the in 2 controller 34 shown) and a vehicle controller, and at least one processor and/or a memory comprising instructions stored therein (or in another computer-readable medium) to perform the pro processes and procedures as described below.

Im Betrieb wird das Kraftfahrzeug 10 betrieben, indem Leistung an die Räder 16 mit dem Elektromotor 20 geliefert wird, welcher Leistung von der ersten Energiequelle 22 und der zweiten Energiequelle 24 abwechselnd und/oder von der ersten Energiequelle 22 und der zweiten Energiequelle 24 gleichzeitig empfängt. Um den Motor 20 mit Leistung zu versorgen, wird DC-Leistung von der ersten Energiequelle 22 und der zweiten Energiequelle 24 an den ersten und zweiten Wechselrichter 38 bzw. 40 geliefert, welche die DC-Leistung in AC-Leistung umwandeln, wie in der Technik allgemein verstanden wird. Der erste und zweite Wechselrichter 38 und 40 erzeugen AC-Spannungen an den Wicklungen 36 und 37 (oder Phasen). Wie allgemein verstanden wird, hängen die an den Wicklungen 36 und 37 des Motors 20 erforderlichen Spannungen von der Drehzahl, dem befohlenen Drehmoment (d.h. befohlenen Synchronrahmenströmen) und anderen Motorparametern ab.In operation, the motor vehicle 10 is operated by providing power to the wheels 16 with the electric motor 20, which receives power from the first energy source 22 and the second energy source 24 alternately and/or from the first energy source 22 and the second energy source 24 simultaneously. To power the motor 20, DC power is supplied from the first power source 22 and the second power source 24 to the first and second inverters 38 and 40, respectively, which convert the DC power to AC power, as in the art is generally understood. The first and second inverters 38 and 40 generate AC voltages on the windings 36 and 37 (or phases). As is generally understood, the voltages required across windings 36 and 37 of motor 20 depend on speed, commanded torque (i.e., commanded synchronous frame currents), and other motor parameters.

5 veranschaulicht ein Steuerungssystem 60 zum Betreiben eines Motors 20 in einem doppelseitigen Wechselrichtersystem 32 unter Verwendung der voranstehend gemäß einer Ausführungsform beschriebenen Prinzipien. Eine hochfrequente Pulsbreitenmodulation (PWM) kann von dem Controller 34 angewendet werden, um die Wechselrichter 38 und 40 zu modulieren und zu steuern und die Spannung zu verwalten, die von den Wechselrichtern 38 und 40 erzeugt wird. Das Steuerungssystem 60 umfasst erste und zweite PWM-Blöcke 68 und 70 und das doppelseitige Wechselrichtersystem 32. 5 illustrates a control system 60 for operating a motor 20 in a double-sided inverter system 32 using the principles described above according to one embodiment. Radio frequency pulse width modulation (PWM) may be applied by the controller 34 to modulate and control the inverters 38 and 40 and to manage the voltage generated by the inverters 38 and 40. The control system 60 includes first and second PWM blocks 68 and 70 and the double-sided inverter system 32.

Der Controller 34 stellt einen Steuerungsalgorithmus bereit, der einen Sollleistungsfluss zwischen der ersten und zweiten Energiequelle 22, 24 erreicht, während das befohlene Drehmoment in dem Motor 20 erzeugt wird. Obwohl es nicht gezeigt ist, empfängt das Steuerungssystem 60 einen Drehmomentbefehl für den Motor 20, aus welchem der Controller 34 Leistungsbefehle für die erste Energiequelle 22 (und/oder den ersten Wechselrichter 38) und die zweite Energiequelle 24 (und/oder den zweiten Wechselrichter 40) sowie Synchronrahmenströme für die Wicklungen 36 und 37 in dem Motor 20 ermitteln kann.The controller 34 provides a control algorithm that achieves a desired power flow between the first and second energy sources 22, 24 while generating the commanded torque in the motor 20. Although not shown, the control system 60 receives a torque command for the motor 20, from which the controller 34 receives power commands for the first power source 22 (and/or the first inverter 38) and the second power source 24 (and/or the second inverter 40 ) and synchronous frame currents for the windings 36 and 37 in the motor 20 can be determined.

Wenn der Motor 20 die maximale Leistungsausgabe einer Energiequelle 22 oder 24 nicht benötigt, kann die zusätzliche Leistung aus der Energiequelle 22 oder 24 verwendet werden, um die jeweils andere Energiequelle 22 oder 24 aufzuladen. Zu Veranschaulichungszwecken und der Kürze halber wird erörtert, dass die erste Energiequelle 22 überschüssige Leistung erzeugt, um die zweite Energiequelle 24 aufzuladen, jedoch werden Fachleute erkennen, dass zahlreiche alternative Sollleistungsflüsse möglich sind und diese Unterscheidung nicht einschränkt, sondern nur zu Hinweiszwecken gemacht wurde.When the engine 20 does not require the maximum power output of an energy source 22 or 24, the additional power from the energy source 22 or 24 can be used to charge the other energy source 22 or 24. For purposes of illustration and brevity, it will be discussed that the first energy source 22 generates excess power to charge the second energy source 24, but those skilled in the art will recognize that numerous alternative target power flows are possible and this distinction is not limiting but is made for indicative purposes only.

Nun mit Bezug auf 5 kann der Controller 34 den ersten und zweiten PWM-Block 68 und 70 mit Modulationsspannungssignalen v1* und v2* versorgen. Die PWM-Blöcke 68 und 70 können PWM-Signale zum Betreiben der Schalter in dem ersten und zweiten Wechselrichter 38 und 40 erzeugen, um zu bewirken, dass die gewünschten Ausgangsspannungen an die Wicklungen 36 und 37 angelegt werden, um den Motor 20 mit dem benötigten Drehmoment zu betreiben. Gemäß einer Ausführungsform kann der Controller 34 ausgestaltet sein, um den Betriebsmodus zu ermitteln. Bei einem Betriebsmodus kann die erste Energiequelle 22 die von dem Motor 20 benötigte Leistung unabhängig bereitstellen. Bei einem weiteren Betriebsmodus kann die maximale Leistungsausgabe der ersten Energiequelle 22 kleiner als die Leistung sein, die von dem Motor 20 benötigt wird. Wenn der Motor 20 Leistung von der ersten Energiequelle 22 sowie Leistung von der zweiten Energiequelle 24 benötigt, kann der Controller 34 ausgestaltet sein, um einen Leistungsfluss von der zweiten Energiequelle 24 an den Motor 20 in Kombination mit der ersten Energiequelle 22 zu steuern, indem das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 moduliert wird.Now with reference to 5 The controller 34 may supply the first and second PWM blocks 68 and 70 with modulation voltage signals v 1 * and v 2 *. The PWM blocks 68 and 70 can generate PWM signals to operate the switches in the first and second inverters 38 and 40 to cause the desired output voltages to be applied to the windings 36 and 37 to power the motor 20 with the required Torque to operate. According to one embodiment, the controller 34 may be configured to determine the operating mode. In one operating mode, the first energy source 22 can independently provide the power required by the motor 20. In another operating mode, the maximum power output of the first energy source 22 may be less than the power required by the motor 20. If the engine 20 requires power from the first energy source 22 as well as power from the second energy source 24, the controller 34 may be configured to control a power flow from the second energy source 24 to the engine 20 in combination with the first energy source 22 by double-sided inverter system 32 is modulated.

Bei einem weiteren Betriebsmodus kann die erste Energiequelle 22 die Fähigkeit aufweisen, einen überschüssigen Leistungsbetrag zu liefern (d.h. eine Reserveleistung) zusätzlich zu der Leistung, die von dem Motor 20 benötigt wird, um ein befohlenes Drehmoment zu erzeugen. Die überschüssige Leistung kann an die zweite Spannungsquelle 24 geliefert werden und von dieser gespeichert werden, und kann wegen der in 2 gezeigten angegebenen Stromflussrichtungen als ein negativer DC-Strom in dem Spannungsbus der zweiten Spannungsquelle 24 angesehen werden. Die Reserveleistung kann so verstanden werden, dass sie die Differenz zwischen der von dem Motor 20 benötigten Leistung und der maximalen Leistungsausgabe der ersten Energiequelle 22 ist. Der Controller 34 kann das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 modulieren, um ein elektromagnetisches Aufladen der zweiten Energiequelle 24 unter Verwendung der magnetomotorischen Kraft des Motors 20 zu ermöglichen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Controller 34 so ausgestaltet sein, dass er bei einem weiteren Betriebsmodus ein elektromagnetisches Aufladen beider Energiequellen 22, 24 ermöglicht.In another mode of operation, the first energy source 22 may have the ability to provide an excess amount of power (ie, reserve power) in addition to the power required by the engine 20 to produce a commanded torque. The excess power may be supplied to and stored by the second voltage source 24, and may be due to the in 2 indicated current flow directions shown can be viewed as a negative DC current in the voltage bus of the second voltage source 24. The reserve power can be understood to be the difference between the power required by the engine 20 and the maximum power output of the first energy source 22. The controller 34 may modulate the double-sided inverter system 32 to enable electromagnetic charging of the second energy source 24 using the magnetomotive force of the motor 20. In a further embodiment, the controller 34 can be designed so that it enables electromagnetic charging of both energy sources 22, 24 in a further operating mode.

Bei einem dritten Betriebsmodus kann die erste Energiequelle 22 aus irgendeinem Grund ausfallen (d.h. kalte Temperaturen oder raues Wetter). Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die zweite Energiequelle 24 so entworfen sein, dass sie bei rauem Wetter oder kalten Temperaturen arbeitet. Zum Beispiel kann eine Lithium-Ionen-Batterie, welche bei kalten Temperaturen arbeitet, als die zweite Energiequelle 24 gewählt werden, während die erste Energiequelle 22 eine herkömmliche Bleisäurebatterie sein kann. Der Controller 34 kann die Unfähigkeit der ersten Energiequelle 22, Leistung bereitzustellen, detektieren und einen Leistungsfluss von der zweiten Energiequelle 24 an den Motor 20 steuern, indem das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 so moduliert wird, dass es einen effektiven Neutralpunkt des Motors 20 erzeugt.In a third mode of operation, the first power source 22 may fail for any reason (ie, cold temperatures or harsh weather). In an exemplary embodiment, the second energy source 24 may be designed to operate in harsh weather or cold temperatures. For example, a lithium-ion battery operating at cold temperatures may be selected as the second power source 24, while the first power source 22 may be a conventional lead-acid battery. The controller 34 may detect the inability of the first energy source 22 to provide power and control power flow from the second energy source 24 to the motor 20 by modulating the double-sided inverter system 32 to produce an effective neutral point of the motor 20.

Viele Spannungskombinationen an den Wicklungen 36 und 37 können das benötigte Drehmoment in dem Motor 20 erzeugen und einen Sollleistungsfluss an die (oder aus den) Energiequellen 22, 24 und den Motor 20 erreichen. Ein optimaler Arbeitspunkt ermittelt die Modulationsspannung an den Anschlüssen der Wechselrichter 38 und 40. Fachleute werden feststellen, dass Bedingungen zur Ermittlung eines optimalen Arbeitspunkts dem Konstrukteur überlassen werden und in Abhängigkeit von der Anwendung, für welche der Motor 20 verwendet wird, zusammen mit den gewählten Typen der Energiequellen 22, 24 variieren werden. Fachleute werden feststellen, dass das Steuerungssystem 60 weiter modifiziert werden kann, um geeignete Rückkopplungssignale und andere in der Technik bekannte Verfahren aufzunehmen, um die Wechselrichter 38 und 40 zu steuern, welche nicht im Umfang dieser Offenbarung liegen.Many combinations of voltages on the windings 36 and 37 can produce the required torque in the motor 20 and achieve a desired power flow to (or from) the energy sources 22, 24 and the motor 20. An optimal operating point determines the modulation voltage at the terminals of the inverters 38 and 40. Those skilled in the art will note that conditions for determining an optimal operating point are left to the designer and depending on the application for which the motor 20 is used, along with the types chosen the energy sources 22, 24 will vary. Those skilled in the art will appreciate that the control system 60 may be further modified to include appropriate feedback signals and other methods known in the art to control the inverters 38 and 40, which are not within the scope of this disclosure.

Ein Vorteil des Systems und/oder Verfahrens, das voranstehend beschrieben wurde, besteht darin, dass das elektrische System, das verwendet wird, um den Motor 20 durch zwei separate Energiequellen 22, 24 mit Leistung zu versorgen, wesentlich vereinfacht ist, da ein herkömmlicher DC/DC-Leistungswandler nicht benötigt wird. Ein Verwenden der voranstehend beschriebenen Konfiguration eröffnet die Möglichkeit zur Verwendung von zwei Energiequellen 22, 24 mit verschiedenen Spannungspegeln und Betriebskennlinien. Zudem ermöglicht in einer Situation, bei der eine der Quellen 22, 24 aus irgendeinem Grund (d.h. extrem kalte Temperaturen) nicht verfügbar ist, das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 das Betreiben eines Motors 20 oder den Kaltstart eines Kraftfahrzeugs 10 unter Verwendung nur einer Energiequelle 22, 24. Die Leistungsfähigkeit des Motors 20 ist jedoch, wie voranstehend beschrieben ist, nicht beeinträchtigt, da das befohlene Drehmoment dennoch in dem Motor 20 erzeugt werden kann, wobei ermöglicht wird, dass überschüssige Leistung zwischen den Energiequellen 22, 24 fließt.An advantage of the system and/or method described above is that the electrical system used to power the motor 20 through two separate power sources 22, 24 is significantly simplified as a conventional DC /DC power converter is not required. Using the configuration described above opens up the possibility of using two energy sources 22, 24 with different voltage levels and operating characteristics. Additionally, in a situation where one of the sources 22, 24 is unavailable for some reason (i.e., extremely cold temperatures), the double-sided inverter system 32 allows an engine 20 to be operated or a motor vehicle 10 to be cold-started using only one power source 22, 24 However, as described above, the performance of the motor 20 is not compromised because the commanded torque can still be produced in the motor 20, allowing excess power to flow between the power sources 22, 24.

Andere Ausführungsformen können das voranstehend beschriebene System und Verfahren bei verschiedenen Typen von Kraftfahrzeugen, verschiedenen Fahrzeugen (z.B. Wasserfahrzeuge und Flugzeuge) oder insgesamt bei verschiedenen elektrischen Systemen verwenden, da es/sie bei jeder Situation implementiert werden kann/können, bei der sich die Spannungen der zwei Quellen dynamisch über einen weiten Bereich ändern. Der Motor 20 und die Wechselrichter 38 und 40 können andere Phasenzahlen aufweisen und die hierin beschriebenen Systeme sollen nicht so aufgefasst werden, dass sie auf einen vierphasigen Entwurf beschränkt sind. Andere Formen von Energiequellen 22, 24, wie Stromquellen, und Lasten können verwendet werden, welche Diodengleichrichter, Thyristorwandler, Brennstoffzellen, Induktivitäten, Kondensatoren und/oder eine beliebige Kombination daraus umfassen.Other embodiments may use the system and method described above on different types of automobiles, different vehicles (e.g., watercraft and aircraft), or on different electrical systems overall, as it can be implemented in any situation where the voltages of the two sources dynamically change over a wide range. The motor 20 and inverters 38 and 40 may have other phase numbers and the systems described herein should not be construed as being limited to a four-phase design. Other forms of energy sources 22, 24, such as power sources, and loads may be used, including diode rectifiers, thyristor converters, fuel cells, inductors, capacitors, and/or any combination thereof.

Der Kürze halber kann es sein, dass herkömmliche Techniken mit Bezug auf Signalverarbeitung, Datenübertragung, Signalisierung, Netzwerksteuerung und andere funktionale Aspekte der Systeme (und der einzelnen Betriebskomponenten der Systeme) hierin nicht im Detail beschrieben sind. Darüber hinaus sind die in den verschiedenen hierin enthaltenen Figuren gezeigten Verbindungslinien zur Darstellung beispielhafter funktionaler Beziehungen und/oder physikalischer Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen gedacht. Es wird angemerkt, dass bei einer Ausführungsform des Gegenstands viele alternative oder zusätzliche funktionale Beziehungen oder physikalische Verbindungen vorhanden sein können.For brevity, conventional techniques relating to signal processing, data transmission, signaling, network control, and other functional aspects of the systems (and the individual operating components of the systems) may not be described in detail herein. In addition, the connecting lines shown in the various figures included herein are intended to illustrate exemplary functional relationships and/or physical couplings between the various elements. It is noted that many alternative or additional functional relationships or physical connections may be present in an embodiment of the subject matter.

Claims (14)

Kraftfahrzeugantriebssystem, das umfasst: einen vierphasigen Motor (20) mit einem ersten Satz von Wicklungen (36) und einem zweiten Satz von Wicklungen (37), wobei der erste Satz von Wicklungen (36) und der zweite Satz von Wicklungen (37) elektrisch isoliert sind; einen ersten Wechselrichter (38), der mit dem ersten Satz von Wicklungen (36) gekoppelt ist; und einen zweiten Wechselrichter (40), der mit dem zweiten Satz von Wicklungen (37) gekoppelt ist; wobei der erste Satz von Wicklungen (36) verbunden ist, um einen ersten Neutralpunkt (39) zu schaffen, und der zweite Satz von Wicklungen (37) verbunden ist, um einen zweiten Neutralpunkt (41) zu schaffen; wobei der erste Neutralpunkt (39) mit dem ersten Wechselrichter (38) und der zweite Neutralpunkt (41) mit dem zweiten Wechselrichter (40) gekoppelt ist; wobei der erste Satz von Wicklungen (36) eine erste zweiphasige Wicklungsstruktur (a, b) umfasst und der zweite Satz von Wicklungen (37) eine zweite zweiphasige Wicklungsstruktur (c, d) umfasst.Motor vehicle propulsion system comprising: a four-phase motor (20) having a first set of windings (36) and a second set of windings (37), the first set of windings (36) and the second set of windings (37) electrically insulating are; a first inverter (38) coupled to the first set of windings (36); and a second inverter (40) coupled to the second set of windings (37); wherein the first set of windings (36) are connected to create a first neutral point (39) and the second set of windings (37) are connected to create a second neutral point (41); wherein the first neutral point (39) is coupled to the first inverter (38) and the second neutral point (41) to the second inverter (40); wherein the first set of windings (36) comprises a first two-phase winding structure (a, b) and the second set of windings (37) comprises a second two-phase winding structure (c, d). Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 1, wobei der erste Satz von Wicklungen (36) eine erste Phase (a) und eine zweite Phase (b) umfasst, wobei die erste Phase (a) und die zweite Phase (b) einen ersten räumlichen Versatz aufweisen, wobei jede mit einem anderen Schenkel (42, 44) des ersten Wechselrichters (38) gekoppelt ist.Motor vehicle drive system Claim 1 , wherein the first set of windings (36) comprises a first phase (a) and a second phase (b), the first phase (a) and the second phase (b) having a first spatial offset, each with a different Leg (42, 44) of the first inverter (38) is coupled. Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 2, wobei der erste räumliche Versatz zwischen der ersten Phase (a) und der zweiten Phase (b) einen elektrischen Winkel von 90° zwischen einer dritten Phase (c) und einer vierten Phase (d) erzeugt.Motor vehicle drive system Claim 2 , wherein the first spatial offset between the first phase (a) and the second phase (b) generates an electrical angle of 90 ° between a third phase (c) and a fourth phase (d). Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 3, wobei der zweite Satz von Wicklungen (37) die dritte Phase (c) und die vierte Phase (d) umfasst, wobei die dritte Phase (c) und die vierte Phase (d) einen zweiten räumlichen Versatz aufweisen, wobei jede mit einem anderen Schenkel (48, 50) des zweiten Wechselrichters (40) gekoppelt ist.Motor vehicle drive system Claim 3 , wherein the second set of windings (37) comprises the third phase (c) and the fourth phase (d), the third phase (c) and the fourth phase (d) having a second spatial offset, each with a different Leg (48, 50) of the second inverter (40) is coupled. Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 4, wobei der zweite räumliche Versatz zwischen der dritten Phase (c) und der vierten Phase (d) einen elektrischen Winkel von 90° zwischen der dritten Phase (c) und der vierten Phase (d) erzeugt.Motor vehicle drive system Claim 4 , wherein the second spatial offset between the third phase (c) and the fourth phase (d) produces an electrical angle of 90° between the third phase (c) and the fourth phase (d). Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 5, wobei die erste Phase (a) und die vierte Phase (d) einen dritten räumlichen Versatz aufweisen.Motor vehicle drive system Claim 5 , wherein the first phase (a) and the fourth phase (d) have a third spatial offset. Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 6, wobei der dritte räumliche Versatz zwischen der ersten Phase (a) und der vierten Phase (d) 90° beträgt.Motor vehicle drive system Claim 6 , where the third spatial offset between the first phase (a) and the fourth phase (d) is 90°. Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 1, das ferner eine mit dem ersten Wechselrichter (38) gekoppelte erste Energiequelle (22) umfasst, wobei die erste Energiequelle (22) aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einer Batterie, einer Brennstoffzelle und einem Ultrakondensator besteht.Motor vehicle drive system Claim 1 , further comprising a first energy source (22) coupled to the first inverter (38), the first energy source (22) being selected from a group consisting of a battery, a fuel cell and an ultracapacitor. Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 8, das ferner eine mit dem zweiten Wechselrichter (40) gekoppelte zweite Energiequelle (24) umfasst, wobei die zweite Energiequelle (24) aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einer Batterie, einer Brennstoffzelle und einem Ultrakondensator besteht.Motor vehicle drive system Claim 8 , further comprising a second energy source (24) coupled to the second inverter (40), the second energy source (24) being selected from a group consisting of a battery, a fuel cell and an ultracapacitor. Wechselrichtersystem (32) zur Verwendung in einem Fahrzeug (10) mit einer ersten Energiequelle (22) und einer zweiten Energiequelle (24), wobei das Wechselrichtersystem (32) umfasst: einen vierphasigen Motor (20) mit einem ersten Satz von Wicklungen (36) und einem zweiten Satz von Wicklungen (37), wobei der erste Satz von Wicklungen (36) von dem zweiten Satz von Wicklungen (37) elektrisch isoliert ist und wobei der erste Satz von Wicklungen (36) eine erste zweiphasige Wicklungsstruktur (a, b) umfasst und der zweite Satz von Wicklungen (37) eine zweite zweiphasige Wicklungsstruktur (c, d) umfasst; einen ersten Wechselrichter (38), der mit der ersten Energiequelle (22) gekoppelt ist und ausgelegt ist, um den Motor (20) anzutreiben, wobei der erste Satz von Wicklungen (36) mit dem ersten Wechselrichter (38) gekoppelt ist; einen zweiten Wechselrichter (40), der mit der zweiten Energiequelle (24) gekoppelt ist und ausgelegt ist, um den Motor (20) anzutreiben, wobei der zweite Satz von Wicklungen (37) mit dem zweiten Wechselrichter (40) gekoppelt ist; wobei der erste Satz von Wicklungen (36) verbunden ist, um einen ersten Neutralpunkt (39) zu schaffen, und der zweite Satz von Wicklungen (37) verbunden ist, um einen zweiten Neutralpunkt (41) zu schaffen; wobei der erste Neutralpunkt (39) mit dem ersten Wechselrichter (38) und der zweite Neutralpunkt (41) mit dem zweiten Wechselrichter (40) gekoppelt ist; und einen mit dem ersten Wechselrichter (38) und dem zweiten Wechselrichter (40) gekoppelten Controller (34), wobei der Controller (34) ausgestaltet ist, um den ersten Wechselrichter (38) und den zweiten Wechselrichter (40) zu steuern, um einen Sollleistungsfluss zwischen der ersten Energiequelle (22), der zweiten Energiequelle (24) und dem Motor (20) zu erreichen.Inverter system (32) for use in a vehicle (10) with a first energy source (22) and a second energy source (24), the inverter system (32) comprising: a four-phase motor (20) having a first set of windings (36) and a second set of windings (37), the first set of windings (36) being electrically insulated from the second set of windings (37), and wherein the first Set of windings (36) comprises a first two-phase winding structure (a, b) and the second set of windings (37) comprises a second two-phase winding structure (c, d); a first inverter (38) coupled to the first power source (22) and configured to drive the motor (20), the first set of windings (36) being coupled to the first inverter (38); a second inverter (40) coupled to the second power source (24) and configured to drive the motor (20), the second set of windings (37) being coupled to the second inverter (40); wherein the first set of windings (36) are connected to create a first neutral point (39) and the second set of windings (37) are connected to create a second neutral point (41); wherein the first neutral point (39) is coupled to the first inverter (38) and the second neutral point (41) to the second inverter (40); and a controller (34) coupled to the first inverter (38) and the second inverter (40), the controller (34) being configured to control the first inverter (38) and the second inverter (40) to achieve a target power flow between the first energy source (22), the second energy source (24) and the motor (20). Wechselrichtersystem (32) nach Anspruch 10, wobei der Controller (34) ausgestaltet ist, um einen Leistungsfluss aus der ersten Energiequelle (22) zum Antreiben des Motors (20) zu steuern.Inverter system (32). Claim 10 , wherein the controller (34) is designed to control a power flow from the first energy source (22) for driving the motor (20). Wechselrichtersystem (32) nach Anspruch 11, wobei der Controller (34) ausgestaltet ist, um ein elektromagnetisches Aufladen der zweiten Energiequelle (24) durch den Motor (20) zu steuern.Inverter system (32). Claim 11 , wherein the controller (34) is designed to control electromagnetic charging of the second energy source (24) by the motor (20). Wechselrichtersystem (32) nach Anspruch 10, wobei der Controller (34) ausgestaltet ist, um einen effektiven Neutralpunkt des Motors (20) zu erzeugen und einen Leistungsfluss aus der zweiten Energiequelle (24) zum Antreiben des Motors (20) zu steuern.Inverter system (32). Claim 10 , wherein the controller (34) is configured to generate an effective neutral point of the motor (20) and to control a power flow from the second energy source (24) for driving the motor (20). Wechselrichtersystem (32) nach Anspruch 13, wobei die zweite Energiequelle (24) eine Lithium-Ionen-Batterie ist.Inverter system (32). Claim 13 , wherein the second energy source (24) is a lithium-ion battery.
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