电力驱动系统及方法与流程

本发明涉及一种用于机动车辆或在机动车辆中的电力驱动系统以及用于操作这样电力驱动系统的方法。

背景技术：

1、逆变器是其将直流电压转换为交流电压的电气设备。这样的逆变器，被用在例如现代机动车辆、光伏(太阳能逆变器)中，作为部件被用在频率转换器和许多其他应用中，其中将从直流电压生成合适的交流电压。这样的逆变器及其应用领域通常在宽范围的电路方面的变形例中是已知的，并且因此不必更详细地讨论电路方面的结构和其的操作模式。

2、在现代机动车辆的情形中，电力启动的驱动系统被越来越多地使用——尤其也有可持续性和为了避免co2排放的原因。这样驱动系统包括，例如一个或更多个电机，诸如例如同步电机或异步电机，其通过多相交流电压来供电。一般而言，为了产生交流电压，使用所谓二级逆变器(或缩写为2l逆变器)。在二级逆变器的情形中，由直流电压源的直流电压生成具有两个电压级的交流电压。

3、在其他逆变器拓扑结构之上，已经建立了二级逆变器，特别是在用于电动车辆的驱动逆变器领域中。当前，igbt开关元件主要用于二级逆变器。例如在由h.v.hoeck所著“power electronic architectures for electric vehicle(用于电动车辆的动力电子架构)”一文中描述了这样的二级逆变器的一个例子，这篇文章出现在2010年由ieee出版的“emobility–electrical power train(电动交通-电力传动)”一书中。

4、除刚刚提及的二级逆变器拓扑结构之外，也存在三级或多级逆变器拓扑结构，通过其因此能够产生三级或多级电压级。例如在us 10903758 b2或us 2017/0185130 a1中描述了多级逆变器拓扑结构的例子。

5、多个电压级的优点是更低的谐波，在相输出上更慢的电压变化，低电磁辐射(eme)以及最重要的更高电压的处理。基于这些原因，这样的三级或多级逆变器当前主要被用于高电压应用。动力工程应用(诸如太阳能逆变器或风涡轮)是用于这样的三级或多级逆变器拓扑结构的已经建立的应用领域。在电动车辆中还没有发现更高的电压(具有如400v的电压)。相比，在光伏中，高于1kv的电压是常见的，并且在其他可再生能源的情形中，诸如风能，电压明显更高。

6、然而，根据现行的观点，刚刚提及的三级或多级逆变器的优点并不是充足的以使得在电动车辆的电力驱动中其的使用是合理的，正如在2018ieee交通电气化大会暨博览会(itec)，795-802页，由andreas bubert等所著“experimental validation of designconcepts for future ev-traction inverters(未来电动车辆牵引逆变器的设计理念的实验验证)”一文中所陈述的。基于所有这些原因，三级或多级逆变器拓扑结构现今没有被用于电力驱动车辆。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种三级或多级逆变器，其适用于在机动车辆的电力驱动系统中有效使用。特别地，本发明可选地进一步试图提高电力驱动系统效率，该电力驱动驱动系统装配有固体材料组成的磁通承载材料制造的双转子，和/或相比于二级逆变器试图实现可能更好的成本/收益率。

2、根据本发明，该目的通过具有权利要求1所述的特征的电力驱动系统和/或通过具有权利要求24所述的特征的方法来实现。

3、因此，提供如下：

4、-一种用于机动车辆或在机动车辆中的电力驱动系统，具有至少一个多相电机，该电机具有双转子，其中双转子由固体材料组成的磁通承载材料制造；该电力驱动系统还具有用于驱动电机的三级或多级逆变器电路，所述三级或多级逆变器电路具有：可控三级或多级逆变器，在输出侧耦接到电机，所述逆变器被设计成以交流电压向电机供电，和操作模式设定装置，所述操作模式设定装置被设计成选择性地在三级或多级操作中或在二级操作中，依赖影响电力驱动系统的整体效率的至少一个参数，操作逆变器。

5、-一种根据本发明用于操作电力驱动系统的方法，其中，在三级或多级操作模式以及在二级操作模式二者中，同步电机能够依赖于电力驱动系统的整体效率通过可控制的三级或多级逆变器操作同步电机。

6、本发明基于当前二级逆变器被实质地用于机动车辆的电力驱动的发现。当前大多发现三级或多级逆变器在非机动车(高压)应用中。目前，在三级或多级逆变器的用途中的内在额外益处并不能使得在机动车应用中的内在额外成本合理。

7、本发明通过与整个驱动系统的适配相关联的特定逆变器电路的使用解决这个问题，其允许增加总收益而不增加由此相关的成本。

8、形成本发明基础的想法在于基于新型的可控三级或多级逆变器的使用，其能够在三级或多级操作中(以下简称为3l操作)和在二级操作中(以下简称为2l操作)被操作。为这样目的特别地设置的操作模式设定装置通过以适当方式启动逆变器的功率开关设置相应的操作模式。根据整个驱动系统的整体效率设置操作模式-且因此比如不仅仅基于所使用的电机和/或逆变器。首先电机的相电流能够被用于整体效率。此外，为了整体效率，除了电机的被检测的相电流，影响整体效率的电机和逆变器的另外的属性也能被额外地在考虑之中。

9、现在，本发明的构思是在这种情形中在3l操作中操作逆变器主要为了小负载减少损耗。在这样的情形中，逆变器的损耗在所有操作点被至多不显著地增加或甚至减少。驱动系统的整体效率，即逆变器和电机的整体效率，因此明显地增加，尤其当被用在电力驱动机动车辆时。

10、本发明的核心想法当前在于特定电机的使用，即在固体构造中其装配有由固体转子材料组成的双转子。尤其，这样的电机涉及高损耗。本发明解决了在已知电机中由固体材料组成的双转子中高损耗的问题。在这种情形中，具备由固体材料组成的双转子的电机在转子中具有高损耗是基本的发现。在设计方面中，在电机中的损耗不能被减少或者只能不显著地减少。在2l操作中通过增加频率减少损耗只具备略微的效果，并且增加了在逆变器中的损耗，反过来其影响整体效率。在双转子的固体材料中减少损耗的基本机制是基于在双转子的固体材料中特定磁通密度的振幅(其不会对扭矩形成的作出贡献)应当被减小的事实。在磁通密度中由谐波定义的这部分与thd引起损耗的振幅平方的变化大约直接成正比或成正比。因此，在逆变器切换频率的变化导致损耗上的间接成比例线性变化以及因此较不有效率。在固体材料中损耗减少对于减少在电机中的总损耗以及其经济的使用有实质的贡献。因此，本发明的一部分的最终发现是能够通过逆变器电路有效减少电机中的损耗，所述逆变器电路在磁通密度中排他性地减少谐波的振幅。

11、为了实现这一点，在逆变器的操作模式的选择和配置中考虑如下措施和方面：

12、为了在逆变器的相输出处减少谐波，由为这一目的特别地提供的可控制的3l逆变器的功能替换2l逆变器的功能。结果，减少了在磁通密度和定子电流中的谐波。为这个目的，频率的变化是不需要的。

13、同样在2l操作中通过增加切换频率来减少损耗，但这是不能被实施，因为结果在逆变器中的切换损耗会同样地大幅增加且因此整体效率没有明显提升。尽管切换频率的增加能够正向地支持损耗优化，其并非是其的实质方面。

14、所使用的3l逆变器提供三级电压级(3l)且优选地(但非必要地)是三相。通过三级电压级和三相能够实现相对高的成本效益。然而，在所有相都有相同设计的情况下，系统能够被扩展到任何数量的相和任何数量的电压级。

15、相对于已知的2l逆变器，根据本发明在3l逆变器操作中，由于更低的谐波在电机中的功率损失大幅减少。3l逆变器中的切换损失同样的相对减少，但增加了导电状态损失。

16、在电机和3l逆变器二者中，主要的损耗机制依赖负载而改变。在3l操作中，谐波更低，并且因此电机损耗大幅减少。在低电流的情形下，由谐波引起的损耗占主导。在更大电流的情形下，主要损耗机制变化且以电阻传导或铜损耗为主，而由谐波引起的损耗更有可能是次要的或变得相对低。逆变器切换损耗在3l逆变器中比在2l逆变器中减少(约50％)。在小负载(电流)情形中，这些切换损耗为主，而在更大电流情形中传导损耗为主并且2l操作是更有效率的。这些发现导致在低负载情形中使用3l逆变器和在高负载情形中使用2l逆变器的发明构思。根据本发明，通过可控制的三级或多级逆变器的方式这样的操作是可能的。

17、总之，相较已知电力驱动系统，为了明显地提高电力驱动系统的整体效率，尤其在配备了双转子马达的电机情形中，2l操作的优势能够因此与3l操作的优势结合。

18、实质上，操作模式设定装置从2l操作到3l操作中不必执行硬切换，反之亦然。相反，如果这样切换连续发生则也会是可行的，例如从内功率开关到外功率开关的渐变发生。这样的渐变能够被执行，例如考虑不同功率开关的平均电流值，使得当各个功率开关被开启时操作次数或次数就被考虑在内。此外或替代地，如果根据特定序列和/或慢慢地切换功率开关也会是可行的。

19、操作模式设定装置具有例如评估装置，控制装置和/或测量装置，这些装置能够被设计为例如程序控制装置，诸如例如微处理器或微控制器。然而，具有逻辑电路也是可行的，诸如例如fpga,pld或者类似的，用于这样的功能。

20、根据进一步的从属权利要求并根据说明书参考附图中的图明白有利的实施例和拓展例。

21、根据本发明的一个优选方面，操作模式设定装置具有评估装置。基于电力驱动系统系统的相电流和可选的至少一个另外的属性，评估装置被设计成优化电力驱动系统的整体效率。

22、典型地，但非必要地，通过评估电路数值化地计算整体效率。此外或替代地，基于特定的特征家族能够确定整体效率，例如其被映射在查找表中。整体效率的确定能够在操作中或例如提前被计算或确定。优选的，在所谓离线操作中，优化(即最有效的可能操作策略)在电力驱动系统的操作之前被计算出来，例如被数值化地计算出。当大量的属性在优化整体效率的数值预测中被考虑时，这能通过相对地少量计算机资源实现并且在所有中将是优选的。另外，对于离线操作有更多时间可用于计算。随后地，在所谓实时操作中，例如通过查找表，相应操作模式(2l操作或3l操作)的非常动态的确定是可行的且可能的。例如，为了这些目的使用训练过的人工网络会是可能的，该人工网络已经基于先前的属性，特征曲线以及类似的被训练过。

23、根据一个优选的实施例，评估装置具有优化模块，其被设计成最初确定整体效率。替代地或额外地，考虑到相电流以及可选的至少一个另外的属性，整体效率能够通过优化函数随后地被优化。整体效率的优化能够被分析地实现和/或通过合适的对照表实现，对照表已经生成例如预先生成。

24、用在每种情况下的操作模式(例如2l操作或3l操作)会是例如影响整体效率的电机的属性。另外的属性能够在电机的转子的具体配置中看到，例如在转子是双转子和/或双转子是由固体材料组成的磁通承载材料形成的方式中。

25、根据一个优选的示例实施例，操作模式设定装置具有测量装置。

26、这个测量装置具有至少一个传感器输入，通过该传感器输入第一测量装置能够被联接或耦接到电机。第一测量装置被设计成检测相电流。

27、根据一个优选的示例性实施例，逆变器包括t型中位点箝位(tnpc)逆变器架构。相比多级主动式中位点箝位(anpc)逆变器拓扑结构，它们有多个优点：相较于anpc拓扑结构，并非四个，而是最多三个开关串联导通，并因此导通状态损耗更低。输出电压波形是一致的或相同的，其导致类似的低切换损耗，但在更高切换频率(例如>10khz),tnpc拓扑结构所需要的总芯片面积与二级拓扑相比更小。与anpc类似，混合逆变器拓扑能够被构造用于tnpc以进一步增加效率和/或优化生产成本。例如，在零电位或中间桥支路中不同的开关技术能够被用于这一目的。特别地，在tnpc逆变器完全由绝缘栅双极晶体管(igbt)构成的情形中，使用氮化镓(gan)能够大幅降低损耗。在马达控制中使用混合tnpc逆变器拓扑结构也可能用于电动车辆中，但在实际应用中还未曾见到。

28、基于tnpc的3l逆变器能够在两种工作模式下操作，以提高系统效率。在3l tnpc逆变器的情形中，为了在2l操作中进行操作，零电位(中间)桥支路能够被关闭，并为了改变到3l操作而被开启。在两种操作模式之间进行切换，以提高系统效率度。为这个目的，在控制和调节逻辑中测量负载，并借助先前确定的优化特性曲线在2l和3l操作之间进行切换。

29、此外或替代地，基于tnpc的3l逆变器被设计成非对称的，以便降低逆变器的成本。不对称与零电位(中间)电桥支路的载流能力有关，其小于外面的电桥支路的载流能力。这是可能的，因为为了优化整体效率，在更高负载的情况下不再使用零电位桥支路。外面电桥支路被设计用于峰值电流，且零电位桥支路设计用于小电流或连续电流。

30、根据本发明的一个示例性实施例，逆变器具有第一驱动级和至少一个第二驱动级。第二驱动级被设计成将输出负载电流输送到负载输出，该输出负载电流小于由第一驱动级提供的输出负载电流。

31、优选地，操作模式切换装置被设计成以这样的方式控制逆变器，根据整体效率，在三级或多级操作中激活第一驱动级和第二驱动级，并且至少一个驱动级，优选内部的第二驱动级，在二级操作中被停用。

32、典型地，但非必要地，第一驱动级具有至少一个桥电路，尤其是半桥电路，其中的中心抽头构成逆变器电路的输出负载连接。每个桥电路具有至少一个第一(半导体)功率开关，其连接到第一供电连接(连接到例如施加正供电电位的第一供电连接)，且被设计成在负载输出提供第一电压级。此外，每个桥电路具有至少一个第二(半导体)功率开关，其连接到第二供电连接(连接到例如施加负供电电位或参考电位的第二供电连接)并且其被设计成在负载输出提供第二电压级。基于半导体的功率开关能够用不同的半导体材料制造，其能被任意选择。通常使用的材料是用于igbt和mosfet的si(硅)，用于mosfet的sic(碳化硅)和用于mosfet的gan(氮化镓)。

33、典型地但非必要地，第二驱动级具有至少一个第三功率开关，其中的负载通路被串联连接在中间电路和第一驱动电路的中心抽头之间。第二驱动级的功率开关被设计成在负载输出提供第三电压级，所述电压级位于第一和第二电压级之间。

34、在一个优选的所谓同构逆变器拓扑结构的情形中，逆变器的所有功率开关，即第一驱动级和/或第二驱动级的功率开关，被设计成相同开关类型和/或相同半导体技术的半导体开关。开关类型是例如双极晶体管，场效应晶体管(诸如mosfet,jfet等)，晶闸管，igbt等。术语“半导体技术”包括其作为功率开关生产的基础的半导体技术，诸如例如硅，碳化硅，砷化镓，或氮化镓技术基础。

35、在同构逆变器拓扑的第一种优选变形例中，半导体开关被设计为gan功率开关，例如gan mosfet。在第二种特别优选的变形例中，半导体开关被设计为sic功率开关，尤其是sic mosfet。此外，基于igbt的功率开关，例如带有硅二极管或碳化硅二极管的硅基igbt，是同样可行的。

36、在特别优选的所谓混合逆变器拓扑结构的情形中，提供至少两种不同的开关类型和/或至少两种不同的半导体技术用于逆变器的半导体开关，即用于第一驱动级的半导体开关和/或用于第二驱动级的半导体开关。在混合逆变器拓扑结构的情形中，相同的半导体材料并不用于逆变器内的全部功率开关。特别地，不同的技术(不同的开关类型)用于零电位桥支路的功率开关，即用于第二驱动级，而非用于第一驱动级的外部开关。因此，作为降低的开关损耗和传导损耗的结果，可能实现效率优势。此外，还实现了成本优势。特别建议优化零电位桥支路(第二驱动级)中的功率开关，以降低切换损耗和最低可能的反向回收损耗。这样是有利的，因为零电位桥支路(第二驱动级)在低电流和低反向回收损耗的情形下被激活也减少了在外部开关中的切换损耗。如果逆变器被设计成不对称的，尤其建议采用混合设计。零电位桥支路(第二驱动级)的载流能力越小，切换损耗优化后的开关的额外成本就越低。

37、在第一种特别优选的变形例中，第一驱动级的半导体开关被设计为具有续流二极管的igbt(硅或碳化硅)。在这种情形下，第二驱动级的半导体开关能够被优选地设计为碳化硅功率开关，特别是碳化硅mosfet。

38、在第二种同样优选的变形例中，第一驱动级的半导体开关被设计为sic mosfet。在这种情况下，第二驱动级的半导体开关能够被设计为基于氮化镓的mosfet。

39、在第三种优选的变形例中，第一驱动级的半导体开关被设计为具有续流二极管的igbt。在这种情况下，第二驱动级的半导体开关能够被设计为氮化镓功率开关，特别是氮化镓mosfet。

40、根据一个特别优选的示例性实施例，转子中的载流材料由铁或铁合金组成。电旋转场电机-且在这种情况下，优选具有双转子的同步电机-能够被设计成在转子中具有磁通承载材料的固体设计，即由固体材料组成。这一点能够被事实证明，在同步电机的理想视角中，定子绕组产生的旋转磁场的方向矢量与双转子之间不会发生周期性的相对运动。因此，操作点中的磁通密度是恒定的，且材料中不会产生铁损。在这种永磁励电机的情形中，其的磁体被安装在转子表面上，电感凹槽与磁通承载材料之间的距离，因此确保允许使用固体材料，而不会增加额外的损耗。

41、根据一个同样特别优选的示例性实施例，电机具有带电感的定子，其中电感被设计成承载主要径向磁通，特别是为了避免在切向方向上承载磁通。因此，这是定子的所谓“无磁轭”设计，其特别地避免了在周向方向上承载磁通。电感中不需要磁性背铁，从而减少了重量和铁损耗。

42、根据一个实施例，定子的电感具有径向磁轭厚度，该径向磁轭厚度小于总径向电感厚度的30％，优选地小于20％，特别优选地小于10％。在所谓的“无磁轭”设计的情况下，仍然以这种方式提供电感齿的机械连接，然而，其不是在电磁方面必需的，并且也不会经由其而发生功能上相关的磁通。因此，术语“无轭”涉及电感的电磁设计。

43、根据一个同样特别优选的示例实施例，同步电机是三相同步电机。在这样的情形中，逆变器电路优选地设计为至少三相逆变器。另外本发明的发现是使用三级或多级逆变器拓扑结构的同步电机证明了实质性改善的驱动系统的整体效率。

44、根据一个类似地特别优选的示例性实施例，电机被设计成为轮毂马达，用于电动操作的机动车辆。轮毂马达是电机，其被直接安装在车轮中并且具体被直接安装在机动车的毂中同时支撑轮毂。轮毂马达的一部分将生成的力矩直接地传递给将被驱动的车轮并且与车轮一起转动。在电动轮毂马达的情形中，内转子以及外转子马达也能够被考虑。相较具有中心马达的驱动构思，在机动车辆中这样的电动轮毂马达的主要优势是消除了常规驱动传动，常规驱动传动包括在每种情形中根据具体规格要求的部件(变速箱，万向轴，差速器，驱动轴等)。因此它们的传动损耗也被消除，具有增加整个驱动系统的效率度的潜力。在电动轮毂马达中也能够实现有效回收，即车辆制动期间的电能回收。

45、上文的实施例和拓展例可以以任何方式彼此组合，如果这样做是有用的。本发明的另外的可能的实施例、拓展例和实施方式还包括已经描述或将在下文中参考示例性实施例描述的本发明的特征的未明确提及的组合。特别地，在这方面，本领域技术人员还将添加多个单独的方面作为对本发明的对应基本形式的改进或补充。