控制装置、逆变器、具有逆变器和电机的组件、操作逆变器的方法以及计算机程序与流程

1.本发明涉及一种用于给电机供电的逆变器的控制装置，其中该控制装置配置为以载波频率提供脉宽调制开关信号，以驱动逆变器的开关元件。
2.本发明还涉及逆变器、具有逆变器和电机的组件、操作逆变器的方法以及计算机程序。


背景技术：

3.电动汽车的重要性日益增加，这已经将用于这种应用领域的逆变器及其相关控制装置纳入工业发展努力的重点。以恒定载波频率提供脉宽调制开关信号以驱动逆变器的开关元件的控制装置是已知的。
4.在这种开关操作过程中，开关损耗不可避免地出现。所述开关损耗对逆变器或具有逆变器和电机的组件的整体效率有很大影响，因为它们占总损耗的很大一部分。同时，逆变器必须以不超过其dc链路电容器处的dc链路电压的最大峰谷值的方式操作，因为逆变器的dc链路电容器根据其容量以及其安装空间、重量和成本设计为最大允许峰谷值。


技术实现要素：

5.因此，本发明基于这样的目的，即使得逆变器的更有效操作成为可能，而在该过程中不增加其dc链路电容器的电容。
6.根据本发明，该目的通过开头提到的类型的控制装置来实现，该控制装置配置为根据描述由电机的转速和扭矩限定的操作点的一条操作点信息来确定至少一个操作范围内的载波频率，使得载波频率在至少一个操作范围内与在该操作范围中指定最大载波频率的最大载波频率操作点相比降低。
7.本发明基于以下知识：逆变器的dc链路电容器处的dc链路电压的峰谷值通常具有显著的最大值，并且载波频率的降低一方面导致峰谷值的增加，另一方面导致开关元件的开关操作期间开关损耗的降低。由于最大载波频率操作点可被分配给峰谷值的这样的最大值，在最大值之外的较低峰谷值引入了通过以取决于操作点的方式降低载波频率来降低开关损耗的范围。以这种方式有利地使得逆变器的更有效的操作成为可能，而dc链路电容器的电容不会因此而增加。
8.在根据本发明的控制装置中，优选的是，操作范围具有满负载操作点，在该满负载操作点处，存在可以用其转速绝对值来指定的最大扭矩，该满负载操作点作为最大载波频率操作点，并且操作范围延伸到部分负载操作，其中控制装置配置为随着距最大载波频率操作点的距离增加而降低载波频率。该操作范围也可以称为第一操作范围。已经认识到，最大载波频率操作点可以在一条或相应的全负载线路上找到，可以为每个转速值提供的最大正扭矩或负扭矩位于该线路上。以这种方式，可以在部分负载操作中实现提高的效率，也就是说，在扭矩值对于相应转速就绝对值而言低于全负载线路上的情况下的操作中。
9.满负载操作点的转速有利地与拐角操作点的转速偏离最大40％，特别是最大30％，拐角操作点描述了从基本转速操作到功率限制操作或到场减弱操作的过渡。
10.如果控制装置配置为用扭矩的任何符号来指定操作点的载波频率，则可以规定，为正扭矩定义第一操作范围，为负扭矩定义另一第一操作范围。
11.在根据本发明的控制装置中，优选的是，操作范围位于由扭矩上限和扭矩下限限制的扭矩区间内，并且控制装置配置为随着转速降低、特别是独立于扭矩而降低操作范围中的载波频率。该操作范围也可被称为第二操作范围。由于载波频率与转速的比率较低，这可以防止发生不期望的高谐波失真，特别是高thd(总谐波失真)值，这可能导致电机中的机械振动。
12.如果控制装置配置为仅指定具有相同扭矩符号的操作点的载波频率，扭矩极限优选为零。如果控制装置还配置为用扭矩的任何符号来指定操作点的载波频率，则扭矩上限可以为正，扭矩下限可以为负。特别地，一个或相应扭矩极限的绝对值至少为可由控制装置指定的最大扭矩的百分之五。
13.根据特别容易实施的实施例，第二操作范围受到扭矩极限的限制。
14.第一和第二操作范围通常不重叠地定义。可指定的载波频率优选地在第一和第二操作范围彼此邻接的边界处连续运行。
15.可选地，根据本发明的控制装置可以配置为在相对于至少一个操作范围不重叠地定义的并且包括高于转速阈值的操作点的另一操作范围内指定具有固定值的载波频率。在高于该转速阈值的转速下，开关损耗的降低仅非常弱，结果是不需要以依赖于操作点的方式选择载波频率。转速阈值通常处于功率限制操作或场减弱操作中。载波频率则有利地是所提供的最大载波频率。
16.在根据本发明的控制装置的有利发展中，还可以规定，其配置为不确定载波频率低于指定的或可指定的最小值。这防止了载波频率对于低的转速和扭矩值变得如此低，以至于它们与电机的相应相电流的频率之比下降到指定的最小比率以下，其结果是可能出现电机的不希望的振动，这种振动可以从声学上感知。在此范围内，规定最小值的操作点也可视为另一操作范围。
17.为了能够以特别小的努力实现根据本发明的控制装置，其优选地配置为从特性图中选择载波频率，该特性图将载波频率值分配给成对的转速值和扭矩值。特性图可以例如通过查找表来实现。控制装置通常包括存储特性图的存储单元。
18.此外，可以规定特性图描述所述对和载波频率值的至少分段线性分配。可替代地，特性图可以由离散对定义，并且控制装置配置为通过分配给离散对的载波频率值的插值、特别是线性插值来确定载波频率。
19.作为使用特性图的替代，根据本发明的控制装置可以配置成通过分析计算规范确定载波频率，可以从该分析计算规范，根据操作点来确定载波频率。
20.特性图或计算规范可能已被确定，例如通过对逆变器和电机的特定配置的测量或模拟。
21.根据本发明的控制装置还可以配置成分别以下方所述确定更新的载波频率：在接收更新的一条操作点信息时，和/或在经过指定的或可指定的时间段后，和/或在电机的电周期完成之后，和/或在相应开关信号的周期完成之后。因此，载波频率可以分别在合适的
时间点适应瞬时操作点。
22.根据本发明的控制装置还可以配置成从在输入接收的一条扭矩信息和/或在输入接收的一条转速信息和/或根据在输入接收的描述供给电机的相电流的一条电流信息来确定操作点信息，和/或在用于确定开关信号的控制过程的情况下估计操作点信息。特别地，扭矩可以从电流信息中确定。
23.本发明所基于的目的还通过一种逆变器来实现，该逆变器包括dc链路电容器、开关元件和根据本发明的控制装置，所述开关元件互连以根据驱动开关元件的开关信号将施加到dc链路电容器的dc链路电压转换成单相或多相ac电压。
24.dc链路电容器可以由单个电容器元件或者由并联和/或串联互连的多个电容器元件形成。
25.逆变器还可以包括模数转换器，该模数转换器配置成将模拟测量信号转换成电流信息和/或扭矩信息和/或转速信息。
26.本发明所基于的目的还通过一种组件来实现，该组件具有根据本发明的逆变器和能够借助于ac电压操作的电机。
27.优选地，载波频率的确定表示关系：
[0028][0029]
或
[0030][0031]
或
[0032][0033]
在组件的操作过程中，其中，
[0034]-f
pwm
描述要确定的载波频率，
[0035]-f
pwm,max
描述最大载波频率，
[0036]-f
pwm,min
描述载波频率的最小值，
[0037]-描述最大载波频率下的dc链路电压的峰谷值，其取决于扭矩和转速，
[0038]-u
dc,pp,max
描述dc链路电压的峰谷值的指定最大值，
[0039]-f
rot
描述转速，以及
[0040]-f
rot,max
描述最大转速。
[0041]
在根据本发明的组件中，可以规定，相应的最大载波频率操作点对应于dc链路电压的峰谷值具有局部最大值的操作点。
[0042]
本发明所基于的目的还通过一种操作用于电机供电的逆变器的方法，其包括由控制装置执行的以下步骤：根据描述由电机的转速和扭矩限定的操作点的一条操作点信息来确定至少一个操作范围内的用于驱动逆变器的脉宽调制开关信号的载波频率，使得载波频率在至少一个操作范围内与在该操作范围中指定最大载波频率的最大载波频率操作点相比降低；以及为逆变器的开关元件提供开关信号。
[0043]
本发明所基于的目的最终也通过一种计算机程序来实现，该计算机程序包括命令，当该程序由计算机执行时，该命令使得该计算机执行由控制装置执行的根据本发明的方法的步骤。
[0044]
与根据本发明的控制装置、根据本发明的逆变器和根据本发明的组件相关的所有解释可以类似的方式应用于根据本发明的方法和根据本发明的计算机程序，从而上述优点也可以用这些来实现。
附图说明
[0045]
本发明的其他优点和细节从下面描述的示例性实施例中并基于附图显现出来。这些是示意图，其中：
[0046]
图1示出了根据本发明的组件的示例性实施例的框图，该组件具有根据本发明的逆变器的示例性实施例和根据本发明的控制装置的示例性实施例；
[0047]
图2示出了扭矩-转速曲线图，其上已经标记了与图1所示组件的操作相关的操作范围；
[0048]
图3示出了根据现有技术的组件的扭矩-转速曲线图，其上已经标记了dc链路电压的峰谷值；
[0049]
图4示出了操作根据本发明的组件的另一示例性实施例时的扭矩-转速图，其上已经标记了载波频率值；
[0050]
图5示出了其上已经标记了另一示例性实施例的dc链路电压的峰谷值的扭矩-转速曲线图；以及
[0051]
图6示出了其中标记了与根据图3的现有技术相比的另一示例性实施例的开关损耗的百分比降低的扭矩-转速曲线图。
具体实施方式
[0052]
图1是组件1的示例性实施例的框图，组件1包括逆变器2和电机3的示例性实施例，电机3配置成驱动可以部分或完全电驱动的车辆。组件1还包括dc电压源4，其在本例中设计为高压电池。
[0053]
逆变器2包括滤波器装置5(其在本例中设计为emc滤波器)、dc链路电容器6、功率单元7、控制装置8的示例性实施例、第一测量装置9、第二测量装置10和模数转换器装置11。
[0054]
功率单元7包括设计为半导体开关元件的多个开关元件12，例如igbt或功率mosfet。开关元件12成对互连以形成半桥。驱动器14连接在相应开关元件12的控制输入13
的上游。为了清楚起见，这里只给出了一个开关元件12和一个驱动器14的参考符号。驱动器14从控制装置8接收脉宽调制开关信号15，其被提供为使得用于给电机3供电的输出电压在半桥的相应抽头处可用。因此，功率单元7根据开关信号15将由dc链路电容器6平滑的dc链路电压27转换成在这种情况下具有三相的ac电压。
[0055]
第一测量装置9配置为获取相电流并且向模数转换器装置11提供测量信号，模数转换器装置11将第一测量装置9的模拟测量信号转换为数字电流信息16。第二测量装置10相应地配置成获取电机3的转速，并且向模数转换器装置11提供测量信号，模数转换器装置11将第二测量装置10的模拟测量信号转换成数字转速信息17。控制装置8在其输入接收电流信息16和转速信息17。
[0056]
基于电流信息16和转速信息17，控制装置8确定描述由电机3的转速和扭矩限定的操作点的一条操作点信息。控制装置8配置为确定脉宽调制开关信号15的载波频率。为此，控制装置8包括存储单元18，其中存储了将载波频率值分配给成对的转速值和扭矩值的特性图。控制装置8基于操作点信息从特性图中选择相应的载波频率值。
[0057]
图2是扭矩-转速曲线图，其上已经标记了当操作图1所示的组件时的操作范围，其中扭矩由m表示，转速由f
rot
表示。
[0058]
该图说明了描述所述对和载波频率值之间的关联的特性图。在图2中首先示出了拐角操作点19，其描述了当从基本转速操作20转变到功率限制操作21或场减弱操作时最大扭矩的绝对值。此外，指定载波频率值的等值线用细虚线表示。
[0059]
从满负载操作点(其在这种情况下对应于拐角操作点19，但可以替代地高达在满负载线路21a上从其偏离的拐角操作点19的转速的40％)，第一操作范围22延伸到电机3的部分负载操作。控制装置8配置为在对应于最大载波频率的满负载操作点的最大载波频率操作点指定第一操作范围22中的载波频率，并且随着与满负载操作点的距离增加而减小此载波频率。载波频率值到操作点的分配在这里选择成使得dc链路电压27的峰谷值在整个第一操作范围22中基本相同。
[0060]
对于电机3的部分负载操作，开关元件12的开关损耗因此比根据现有技术在固定载波频率下操作的情况下实现得更低，因为载波频率与其相比降低了。由于dc链路电容器6在任何情况下都设计成在满负载操作点以dc链路电压27的峰谷值操作，所以在第一操作范围内实现了部分负载操作中开关损耗的降低，而不必增加dc链路电容器6的电容。
[0061]
对于第一操作范围22，以下对于载波频率保持成立：
[0062][0063]
这里，表示在满负载操作点的最大载波频率f
pwm,max
下取决于扭矩和转速的dc链路电压的峰谷值，u
dc,pp,max
表示峰谷值的指定最大值。dc链路电压27的峰谷值在此定义如下：
[0064]udc,pp
＝max(u
dc
(t))-min(u
dc
(t))
[0065]
这里，u
dc
(t)表示电动机周期内的dc链路电压27的时间曲线。
[0066]
第二操作范围23包括高于第一转速阈值24、低于位于第一转速阈值24之上的第二
转速阈值26以及在扭矩上限24a和扭矩下限24b之间的操作点。控制装置8配置为与最大载波频率值操作点相比降低第二操作范围23中的载波频率，该最大载波频率值操作点是具有对应于第二转速阈值26的转速的操作点24c，因为转速独立于扭矩而降低，如从竖直等值线可以看到。这防止了不期望的高谐波失真、特别是高thd(总谐波失真)值的出现，高总谐波失真会导致电机3中的机械振动。
[0067]
对于第二操作范围23，以下对于载波频率保持成立：
[0068][0069]
这里，f
rot
表示转速，f
rot,max
表示最大转速或第二转速阈值26。
[0070]
此外，图2示出了可选的第三操作范围25，其包括高于第二转速阈值26的操作点。控制装置8配置为用固定值指定第三操作范围25内的载波频率。这对应于在第二操作范围23中提供的或位于其上方的最高载波频率值。如果没有提供第三操作范围25，则第二转速阈值26对应于特性图的最大转速。
[0071]
最后，控制装置8配置成不确定载波频率低于指定的最小值。在这方面标记了第四操作范围28，其中规定了最小值。
[0072]
总之，第一操作范围22、第二操作范围23和第四操作范围28的特性图描绘了以下关系：
[0073][0074]
控制装置8配置为定期更新载波频率。这例如在接收到更新的一条操作点信息时、在经过指定的或可指定的时间段后、在电机3的电周期完成后或在相应开关信号15的周期完成后执行。上述更新事件的组合也是可能的。
[0075]
根据控制装置8的另一示例性实施例，特性图由离散对定义，并且控制装置8配置为通过分配给离散对的载波频率值的插值、特别是线性插值来确定载波频率。根据另一示例性实施例，控制装置8配置成通过分析计算规范来确定载波频率，从该分析计算规范可以根据操作点而不是基于特性图来确定载波频率。根据另一示例性实施例，扭矩信息不是参照电流信息16来确定的，而是由控制装置8在用于确定开关信号15的控制过程的情况下来估计或测量的。
[0076]
图3是扭矩-转速曲线图，其上已经为根据现有技术的组件标记了dc链路电压的峰谷值。然而，对于该组件，规定对于扭矩-转速曲线图的所有操作点来说载波频率被指定为恒定的10khz。
[0077]
峰谷值在图3中用等值线表示，等值线上分配给它的峰谷值用伏特表示。从满负载操作点(这里对应于相对于拐角操作点19稍微向右偏移的操作点19a)看，峰谷值基本随着离满负载操作点的距离增加而连续减小。根据现有技术的组件的中间电容器本身被认为对
于部分负载操作来说尺寸过大，并且由于恒定的载波频率，在部分负载操作中会出现相当大的开关损耗。
[0078]
图4是操作组件1的另一示例性实施例时的扭矩-转速图，其上标记了载波频率值。该示例性实施例对应于先前描述的示例性实施例之一，特性图也被定义为负扭矩值。满负载操作点在这里对应于相对于拐角操作点向右偏移的操作点19a，如图3中根据现有技术的示例。特性图在此已经通过实验或模拟确定，并示出以下关系：
[0079][0080]
这导致两个第一操作范围22和第二操作范围23，第二操作范围23包括正扭矩上限24a和负扭矩下限24b之间的操作点。在该示例性实施例中没有提供第三操作范围25和第四操作范围28。
[0081]
图5是其上标记了根据前述示例性实施例的组件1的操作期间dc链路电压27的峰谷值的扭矩-转速曲线图。峰谷值用等值线表示，等值线上分配给它的峰谷值用伏特表示。与图3相比，显而易见的是，在部分负载操作中，有明显更高的峰谷值，但不超过满负载操作点的峰谷值的最大值。然而，由于在根据图4的部分负载操作中使用了比根据图3的现有技术中使用的10khz低得多的载波频率，因此实现了开关损耗的显著降低。
[0082]
图6是其中示出了与根据图3的现有技术相比的前述示例性实施例的开关损耗的百分比降低的扭矩-转速曲线图。在这方面，开关损耗的减少在等值线上以百分比给出。可以看出，通过依赖于操作的载波频率的确定，操作效率得到了显著提高。