用于关断机动车中的多相电机的方法与流程
本发明涉及一种用于关断机动车中的多相电机的方法以及用于实施该方法的一种计算单元和一种计算机程序。
背景技术：
机动车中的电机能够以发电机式或马达式运行，这是已知的。这种电机大多包括带有激励器绕组（转子绕组）的转子和带有多相定子绕组的定子，所述激励器绕组能够以激励电流通电，在所述定子绕组上能够施加具有相电压矢量的多相的相电压。
电机在机动车中的使用会要求经常性的接通和关断电机。电机的关断、尤其是在高转速时的关断可被证实是有问题的。如果在此首先关断相电压，则由于仍流动的激励电流会导致通过mosfet的反向二极管的电流流动，且因此会导致针对该运行状态的不希望的发电机式运行。如果首先关断激励电压或激励电流，则感应器电压在激励电压或激励电流的衰减时间内落到电压极值以下，在该电压极值时会出现电机中的大的电流流动。通过由此产生的损失功率，尤其是电机的电子部件会不必要地受到热负载。
de102013215306a1示出了一种用于在高转速时关断电机的方法，其中，首先切断激励电流并且激励电流根据激励器绕组的时间常数衰减，然后，当相电压相应于感应器电压的数值时，切断相电压。
技术实现要素：
根据本发明提出具有独立权利要求的特征的一种用于关断机动车中的多相电机的方法以及用于实施该方法的一种计算单元和一种计算机程序。有利的设计方案是从属权利要求以及下面的说明书的内容。
电机包括带有转子绕组的转子和带有多相定子绕组的定子。定子绕组尤其是连接在电流转换器之后。通过电流转换器，电机尤其是与汽车电网连接，尤其是与直流电压汽车电网连接。
本发明的优点
在电机运行中，尤其是在高转速、典型地n>3000rpm时，电机以所谓的块运行方式运行。在此情况下单个的定子绕组被加以电压块，其中，电压块的时间操控宽度优选相应于转子的半个整圈（180°），并且其中，定子绕组的相应的相的单个的电压块彼此在时间上错开。该运行模式尤其是在电机高转速时是有利的，因为由此例如相比于如下运行模式而言不会出现值得一提的开关损失，在此运行模式中，电机在具有与电机转速相匹配且因此相应的大的时钟频率的脉冲宽度调制运行（pwm）来运行。为了关断电机，不仅需要切断电机的激励电流而且需要切断电机的相电压，或者说尽可能快地减小到一个值，该值相应于大致为零（0v或0a）的数值。但激励电流和相电压的切断应该以一种方式和方法进行，从而避免开头说明的缺点。
为此首先一直减小激励电流，使得尤其是通过激励电流确定的感应器电压相应于第一阈值。该阈值在数值和相或者说方向上优选相应于相电压。在激励电流进一步减小的情况下，感应器电压会小于相电压，由此会引起相电流，该相电流会导致不利的热影响。然而由于在块运行中，相电压的大小是通过车辆电池的施加到电流转换器上的直流电压预设的，相电压在块运行中仅可以在其相位上关于感应器电压改变，而无法在数值上改变。
为了引起感应器电压或激励电流以及相电压的进一步减小，根据本发明在达到第一阈值时从电机的块运行切换成所谓的脉冲宽度调制运行，即pwm运行。该运行模式的特征在于，操控脉冲在各恒定的脉冲频率下具有彼此不同的脉冲宽度。由此可以实现，相电压可以与感应器电压或与激励电流同步减小，由此防止了定子绕组中的电流流动且因此防止了电机的热加载。此外，第一阈值如此选择，在块运行和pwm运行之间切换时不出现不希望的电流峰值。这尤其是如下情况，感应器电压和相电压在数值和方向上是相同的且始终同样地减小。这样，在电机运行模式切换（块运行至pwm运行）时避免了高的电负载和机械负载。
此外，在该方法的过程中，确定用于关断电机的相电压的优化的时间点。通过pwm运行可以使相电压在数值和/或相（方向）上如此地匹配感应器电压，从而得出了基本上为0a的相电流。通过获知影响感应器电压的至少一个参数，优选是激励电流或激励电压和/或电机的转速，以及通过该参数与另一阈值的比较，确定用于切断相电压的优化的时间点。在此可以原则上任意地匹配所述影响感应器电压的参数，其中优选地，电机的转速是自由的参数，其可以具有近似任意的值，并且激励电流或激励电压被调节到相应于基本上为0a或0v的数值上。
原则上可以理解的是，激励电流或激励电压的匹配、尤其是减小，在整个关断过程期间可以通过场调节器调节地进行。此外也可以的是，关断激励电流并且关断方法的相应步骤在激励电流衰减期间在衰减时间内发生。在通过场调节器关断激励电流时，场调节器可以将转子绕组和施加的激励电压断开。电压或电流到大约0v或0a的值的减小也可以包括在关断中。
这样能够实现，与机动车的电机和/或内燃机的转速无关地关断电机。尤其是能够实现，电机在高转速的情况下以缓和的方式被关断。
该方法同样适合于电机的发电机式运行和马达式运行并且适用于所有类型的机动车和载货车，尤其是也适用于混动车。
尤其是能够实现，马达式地运行电机并且支持内燃机。即使在高转速的情况下电机也可以毫无问题地且在没有大负载的情况下被切断。在此例如不必一直等待转速低于允许的极值以便关断电机。电机可以在合理的最可能的时间点被关断。
也针对电机在根据本发明的关断过程期间得到扭矩要求的情况，可以通过激励电流或相电压的再次接通来直接地要么切换到马达式运行要么切换到发电机式运行中，因为在关断过程期间相电压和感应器电压如此地调节，即相电流优选地基本上相应于0a。由此避免了电压峰值或电流峰值的出现并且以尽可能小的机械负载实现了电机的关断或接通。
根据本发明的计算单元、例如机动车的控制设备，尤其是在程序技术上设置用于实施根据本发明的方法。
所述方法以计算机程序形式的执行也是有利的，因为这引起了特别小的费用，尤其当待实施的控制器还针对其它任务使用且因此无论如何都存在时。
本发明的其它优点和设计方案从说明书和附图中给出。
附图说明
本发明参照附图中的实施例示意性示出并且在下文中参照附图进行描述。附图说明：
图1示出了由机动车的内燃机和电机构成的系统的示意图，所述内燃机和所述电机设置用于实施本发明的一种实施方式；
图2以电路图的方式示出了机动车的五相电机，该电机设置用于实施本发明的一种实施方式；
图3a示意性示出了图2的五相电机的单相等效电路图；
图3b示意性示出了5相电机的pwm操控；
图3c示意性示出了5相电机的块操控；
图4作为方块图示意性示出了根据本发明的用于关断电机的方法的一种优选的实施方式；
图5a、b示意性示出了根据图4的根据本发明的用于关断电机的方法的优选实施方式中的相电压和相电流的走势；以及
图6a-c示意性示出了在本发明的一种实施方式的过程中能够确定的指针图表。
具体实施方式
图1示意性示出了机动车的部件。该机动车具有电机110，其中，下面在不限制一般性的前提下以外激励的同步发电机为出发点。电机110可以通过机动车的内燃机109例如发电机式地运行。电机110通过相应的联接机构、例如形式为传动带或轴的机械连接装置108与内燃机109扭矩锁合地连接。替选地，电机110也可以马达式地运行并且在此可以支持内燃机109。
电机110与电流转换器106电连接，其中，设置多个相接口107。电流转换器106可以作为整流器或作为逆变器运行。多个相接口107是电机110的定子的多相定子绕组的相接口。在直流电压侧通过场调节器102连接电机110的转子绕组101。场调节器102负责转子绕组101的操控。通过直流电压接口103可以将能量存储器、例如车辆电池105连接到电流转换器106的直流电压侧。通过开关元件104可以将车辆电池105与电流转换器106的直流电压侧电连接以及与其断开。
构造成控制设备112的计算单元尤其是程序技术地设置用于实施根据本发明的方法的实施方式。尤其是所述控制设备112根据本发明操控所述场调节器102和所述电流转换器106。
图2中以电路图的方式示出了电机110。电机110在该特殊例子中作为五相电机示出。电机110包括带有五相定子绕组110a的定子。电流转换器106具有多个电的开关元件，它们在该例子中构造成mosfet（金属氧化物半导体场效应晶体管）106a。mosfet在电路技术上相应于晶体管和沿阻断方向接通的反向二极管。mosfet106a例如一方面通过汇流排与定子绕组110a连接且另一方面与直流电压接口103连接。
如果电机110以发电机式运行方式运行，则在定子绕组110a中产生五相交流电压，即所谓的相电压。通过符合目的地时钟式地操控mosfet106a，将五相的交流电压整流成直流电压。借助于被转换的直流电压，可以例如对车辆电池105充电。
如果电机110以马达式运行方式运行，则通过符合目的地时钟式地操控mosfet106a，车辆电池105的直流电压被转换成具有环绕的相电压矢量的五相的相电压。符合目的地时钟式地操控mosfet106a在此分别通过控制设备112进行。
要注意的是，本发明不应限于五相电机，而是适合于具有符合目的的数量的相接口107的电机。
用于关断电机110的方法的优选实施方式在下面参考附图3、4和5描述。此外还参照电机110的马达式运行的特殊例子来进行描述。尤其是根据本发明的方法的优选的实施方式通过所述控制设备112实施。控制设备在其控制的过程中尤其是相应地操控场调节器102、电流转换器106和可选地也操控开关元件104。
图3a示意性示出了一般性的外激励同步发电机的单相等效电路图和特殊性的根据图2的五相电机110的单相等效电路图。转子绕组101在该等效电路图中相应于电阻rf。定子绕组110a在该等效电路图中相应于由电阻rs和电感ls组成的串联电路。
图3b中示例性地参照5相（u、v、w、x、y）定子绕组110a示出了电机110的典型的pwm操控220。在此在分别恒定的脉冲频率或相应的脉冲彼此的时间间隔tpwm下，操控脉冲具有彼此不同的脉冲宽度。
图3c中示例性地参照5相（u、v、w、x、y）定子绕组110a示出了电机110的典型的块操控210。此外在相同的时间区段中示出了转子从0°至360°的角度走势。如可见，相应的相（u、v、w、x、y）的操控块具有与转子环绕相关的180°的操控宽度。
图4中作为方块图示出了根据本发明的用于电机110的关断209或切断的方法的一种优选实施方式。
在马达式运行中，向电机110供给激励电压uf和相电压us并且电能被转换成机械能，用以利用机械能支持内燃机109。相电压us的数值或振幅尤其是通过车辆电池105的施加到电流转换器106上的直流电压被预设成供给电压。激励电压uf借助于场调节器102被施加到转子绕组101上，由此在转子绕组101中产生激励电流if。激励电流if尤其是借助于pi调节器被调节到所希望的额定值。该激励电流if在电机的转子转动的情况下在定子绕组110a中诱导感应器电压up。感应器电压up在此取决于转速ω和激励电流的数值if。接下来说明感应器电压up的准确确定。
电机110在此首先被接通并且处于块运行210中，其中，电机110可以支持内燃机109。在此情况下在步骤211中可以设定出电机110或内燃机109的扭矩。扭矩可以在此通过感应器角度θ的改变来设定，感应器角度又通过相电压矢量us的方向来设定，相电压矢量的方向又通过电流转换器106的相应操控来设定。通过符合目的的调节回路改变感应器角度θ，从而设定所希望的扭矩（这里尤其是参见图5a）。如果电机110一方不要求扭矩或者说没有扭矩传递到内燃机109上，则电机110处在空转阶段212。
在空转阶段212中电机110基于与内燃机109的扭矩锁合的连接至少以内燃机109的预设转速ω转动，只要电机110不与内燃机109例如由于空转而脱开。为了使得电机110的损失最小化，电机110的关断209是有利的，这样电机110的损失矩仅被减小到电机110的比较小的机械摩擦矩。
电机110的关断在此在根据本发明的方法的优选的实施方式的过程中进行。
电机110在空转阶段212首先在块运行210中运行，其中，给定子绕组110a施加块状的开关电压。为了在空转阶段212期间切断电机110，不仅激励电流if或由此导出的参量如感应器电压up和相电压us被减小到在数值上尽可能小的值上，尤其是减小到值为零。为了避免开头所述的会随着激励电流if和/或相电压us的切断而发生的缺陷，根据本发明根据下面的步骤进行关断过程。原则上可以理解的是，电机210的切断209也可以在空转阶段212之外进行。
在步骤213中首先确定影响感应器电压up的至少一个参数。优选地将感应器电压矢量的数值和方向确定为影响感应器电压up的参数。替选地或附加地，也可以优选地将激励电流if的数值和/或电机110的转速ω确定为影响感应器电压up的至少一个参数。电机110的转速ω和激励电流if的数值大多总归是已知的或在机动车中总归是要确定的。因此这里无需额外的耗费，用于确定激励电流if的数值和/或电机110的转速ω。
在该特殊例子中将感应器电压矢量的数值确定为影响感应器电压up的参数。在此，该数值尤其是根据激励电流数值if和转速ω确定。该确定尤其是按照下面的公式进行：
其中，
影响感应器电压的参数、尤其是激励电流if，在另一步骤214中被减小且被检测，是否感应器电压矢量up的数值和/或方向分别达到第一阈值s1。相应的阈值s1在此这样选择，即阈值s1在相应的时间点在数值和/或方向上相应于相电压us。如果激励电流if减小到使得感应器电压up小于相电压us，则这导致了相绕组107中的电流流动is，这又导致了电机110的损失功率。为了避免该情况，必须相应地也跟踪相电压us的数值和/或相，使得相绕组中的电流is在关断过程209期间净值始终为零。但这在块运行210中是不可能的，因为这里仅可设定相，而无法设定相电压us的数值。这样，在达到阈值s1时时块运行210被去除激活并且pwm运行220被激活。此外，在块运行210内部在定子相中产生的电流is具有叠加的谐波性，因此，即使针对在时间平均值上up=us适用的情况，快速关断或接通也是有问题的，因为由此感应器电压up在不可忽视的程度上是可诱导的。
因此，将块运行210切换到pwm运行220是有利的，因为由此，尤其是通过相应地选择阈值s1，可以避免电机110的高的电负载和机械负载和不希望的电流峰值。
在此，在步骤221中在pwm运行中给定子绕组110a通过供给电压的脉冲宽度调制（pwm）施加具有相电压矢量的相电压us，其在数值和方向上相应于感应器电压up的当前存在的感应器电压矢量。感应器电压矢量的数值可以在维持电机110或内燃机109的转速ω的情况下，尤其是通过激励电流if设定作为影响感应器电压的参数。这具有如下优点，电机110的切断即使在高转速的情况下也能够是毫无问题的。激励电流if一直被进一步减小，通过附图标记223表示，直至感应器电压矢量的数值消失。由此激励电流if达到另一阈值s2。在此期间，相电压us也相应地被跟踪，从而相电压矢量us还在数值和方向上相应于感应器电压矢量up（同样通过附图标记223表示）。
相电压矢量us和感应器电压矢量up的数值和相位分别在步骤222中获知并且相互比较。在相电压矢量us和感应器电压矢量up的数值和/或相位存在偏差时，这可以尤其是借助于调节器112精调。如果影响感应器电压的参数达到另一阈值s2，则在另一步骤224中关断相电压us。在影响感应器电压的参数达到阈值s2（这相应于尤其是激励电流if=0a）之后，相电压us的关断是没问题的，因为由于激励电流if不再存在，电机110暂且无法再以发电机式运行。
相电压us的关断可以要么通过由电流转换器106断开相接口107进行，或者要么相电压us也可以被减小到大致为0v的值。
由电流转换器106断开相接口107因此不是原则上需要的，因为激励电流if和相电压us（尤其是同时地）为了使相电压us匹配到感应器电压up，也可以被减小到0a或0v的值，并且这实际上也相应于切断。
原则上可以理解的是，激励电流if或激励电压的匹配、尤其是减小可以在整个关断过程期间通过场调节器102调节地进行。此外也可以的是，激励电流if被关断并且关断方法209的相应步骤在激励电流if衰减期间在衰减时间内发生。在通过场调节器102关断激励电流if时期将转子绕组101与施加的激励电压uf断开。
图5中在时间走势上示例性地对比了第一阶段的相电流is1的走势和另一相（参见图5a）的相电流is2的走势以及各个相（参见图5b）的相电压us1和us2的走势。在此可见，在达到第一阈值s1之后相电压us1和us2如何从块运行210过渡到pwm运行220。还可见，相电流is1和is2在块运行210期间并且也在从块运行210切换到pwm运行220之后不久以谐波叠加，这在快速关断或接通的情况下是有问题的，因为由此感应器电压up在不可忽视的程度上是可诱导的。在相电流is1和is2内的总的电压波动因此在pwm运行220内被减小到阈值s2（接近零的值），其中，在该状态下电机110可以被关断，在此无需诱导值得一提的感应器电压up。
相电压us、感应器电压up、相电流is和激励电流if之间的关联且由此根据本发明的理论背景参照图6更详细地解释。
在此，图6中在相对于旋转场固定的dq坐标系中示例性地示出了外激励的同步机、尤其是根据图2的五相电机110的矢量图表或dq图表501、502和503，如他们在本发明的一种实施方式的过程中可以被确定的那样。
感应器电压up在此根据定义处在q轴上并且作为第一矢量示出。q轴形成所谓的激励器轴。d轴在此与q轴是电正交。相电压us作为第二矢量示出并且以感应器角度θ相对于感应器电压up移动。感应器角度θ也被称作负载角度。在电机110的发电机式运行（参见图6b）中，感应器角度θ具有正值，感应器或激励器“超前”。在电机110的马达式运行中，如其在图6a中所示，感应器角度θ具有负值，感应器或激励器“滞后”。
在块运行中相电压us的大小通过车辆电池105的施加到电流转换器106上的直流电压来预设。相电压us因此可以在块运行中仅在其相位上关于感应器电压up改变，即通过其相对于感应器电压up的感应器角度θ。相位或感应器角度θ可以借助于电流转换器106符合目的地设定。
相电流is在dq坐标系中作为第三矢量示出。存在相电流矢量，其位置曲线在感应器角度从0°-360°改变时相应于所示的圆。
在图6a中示出了针对以马达式运行的电机110的第一dq图表501，其中，感应器电压矢量up作为影响感应器电压的至少一个参数达不到第一阈值s1。在此可见，针对任何感应器角度θ，相电流is都不变为零。电流转换器106的关断因此导致了通过mosfet106a的反向二极管的发电机式的电流流动。
在图6b中示出了针对以发电机式运行的电机110的另一dq图表502，其中，感应器电压矢量up作为影响感应器电压的至少一个参数达不到第一阈值s1。在此可见，针对任何感应器角度θ，相电流is都不变为零。电流转换器106的关断因此导致了通过mosfet106a的反向二极管的具有损失的电流流动。
在图6c中示出了又一dq图表503，其中，感应器电压矢量up作为影响感应器电压的至少一个参数达到第一阈值s1。该状态不仅可由电机110的马达式运行（参见图6a）也可由电机110的发电机式运行（参见图6b）达到。感应器角度θ在此为0°，因而相电压us的相位相应于感应器电压up的相位。由于相电压us和感应器电压up在数值和方向上是相同的，因此在此情况下理论上不产生相电流is。然而，在块运行210内部在定子相中产生的电流is具有叠加的谐波性，因此，即使针对在时间平均值上up=us适用的情况，快速关断或接通也是有问题的，因为由此感应器电压up在不可忽视的程度上是可诱导的。因此，为了进一步减小激励电流if和相电压us，从块运行到pwm运行的转换是有利的，以便能够实现电机110的特别平缓的关断。
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