DE-102024138286-A1 - Verbesserter Wirkungsgrad von Traktionswechselrichtern für Elektrofahrzeuge

Abstract

Fahrzeug-Steuersystem mit einer System-Steuereinheit zum Bestimmen einer Drehzahl und eines Drehmoments in Abhängigkeit von einer Benutzereingabe und einem Fahrzeug-Betriebsmodus, einer Batterie zum Liefern eines Gleichstroms, einem Elektromotor, der konfiguriert ist, das Drehmoment bei der Drehzahl in Abhängigkeit von einer Wechselspannung erzeugt, einem Wechselrichter zum Umwandeln des Gleichstroms in den Wechselstrom unter Verwenden eines ersten Transistors und eines zweiten Transistors, und eine Wechselrichter-Steuerung zum Bestimmen einer Totzeit als Reaktion auf das Drehmoment und die Drehzahl und zum Entfernen eines ersten Schaltsteuersignals von dem ersten Transistor, zum Abwarten einer Zeitdauer, die gleich der Totzeit ist, und zum Anlegen eines zweiten Schaltsteuersignals an den zweiten Schalttransistor, wobei die Totzeit kontinuierlich als Reaktion auf eine Änderung des Drehmoments und eine Änderung der Drehzahl aktualisiert wird.

Inventors

• Renato Amorim Torres
• Chandra S. Namuduri
• Yilun Luo

Assignees

• GM Global Technology Operations LLC

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241217

Priority Date

20241101

Claims (10)

1. Wechselrichter-Steuerung für einen Elektromotor, umfassend: eine Systemsteuerung zum Bestimmen eines Drehmoments und einer Drehzahl für einen Elektromotor; der Elektromotor zum Erzeugen des Drehmoments bei der Drehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einer Wechselspannung; eine Batterie zum Versorgen mit einer Gleichspannung; einem Wechselrichter, der einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor zum Umwandeln der Gleichspannung in die Wechselspannung aufweist; und eine Wechselrichter-Steuerung zum Bestimmen einer Totzeit in Abhängigkeit von dem Drehmoment und der Drehzahl und zum Entfernen eines ersten Schaltsteuersignals von dem ersten Transistor, zum Abwarten einer Zeitdauer, die gleich der Totzeit ist, und zum Anlegen eines zweiten Schaltsteuersignals an den zweiten Transistor, wobei die Totzeit in Abhängigkeit von einer Änderung des Drehmoments und einer Änderung der Drehzahl kontinuierlich aktualisiert wird.
2. Wechselrichter-Steuerung für den Elektromotor nach Anspruch 1 weist ferner einen Temperatursensor zum Erfassen einer ersten Temperatur des ersten Transistors und einer zweiten Temperatur des zweiten Transistors auf, wobei die Totzeit in Abhängigkeit von der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur bestimmt wird.
3. Wechselrichter-Steuerung für den Elektromotor nach Anspruch 1 , wobei die Wechselrichter-Steuerung konfiguriert ist, die Totzeit durch Einstellen einer Anstiegsrate des ersten Schaltsteuersignals und des zweiten Schaltsteuersignals einzustellen.
4. Wechselrichter-Steuerung für den Elektromotor nach Anspruch 3 , wobei die Anstiegsgeschwindigkeit in Reaktion auf eine Abnahme der Batteriespannung erhöht wird.
5. Wechselrichter-Steuerung für den Elektromotor nach Anspruch 1 , wobei die Wechselrichter-Steuerung konfiguriert ist, die Totzeit in Abhängigkeit von mindestens einer Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Drosselklappenstellung, einem Lenkwinkel und einer Batteriespannung einzustellen.
6. Wechselrichter-Steuerung für den Elektromotor nach Anspruch 1 , wobei die Wechselrichter-Steuerung konfiguriert ist, die Totzeit in Abhängigkeit von mindestens einer Größe des Ausgangsstroms des Wechselrichters, einer Sperrschichttemperatur und einer Temperatur des Leistungsmoduls einzustellen.
7. Wechselrichter-Steuerung für den Elektromotor nach Anspruch 1 , wobei die Wechselrichter-Steuerung konfiguriert ist, die Totzeit als Funktion eines Satzes von Gate-Treiber-Parametern des ersten und/oder des zweiten Transistors einzustellen.
8. Wechselrichter-Steuerung für den Elektromotor nach Anspruch 1 , wobei die Wechselrichter-Steuerung konfiguriert ist, die Totzeit als Reaktion auf einen verringerten Wechselrichterstrom und/oder eine verringerte Busspannung zu verringern und die Totzeit als Reaktion auf einen erhöhten Wechselrichterstrom und/oder eine erhöhte Busspannung zu erhöhen.
9. Wechselrichter-Steuerung für den Elektromotor nach Anspruch 1 , wobei die Wechselrichter-Steuerung konfiguriert ist, die Totzeit in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz des Wechselrichters oder der Grundfrequenz des Elektromotors einzustellen.
10. Verfahren zum Steuern eines schaltenden Wechselrichters für einen Elektromotor für Fahrzeuganwendungen umfasst: Bestimmen eines Drehmoments und einer Drehzahl für einen Elektromotor durch eine Steuerung; Erzeugen des Drehmoments durch den Elektromotor bei der Drehzahl in Abhängigkeit von einer Wechselspannung; die über eine Batterie eine Gleichspannung liefern; Umwandeln der Gleichspannung in die Wechselspannung durch einen Wechselrichter mit einem ersten Transistor und einem zweiten Transistor; und Bestimmen einer Totzeit durch eine Wechselrichter-Steuerung in Abhängigkeit von dem Drehmoment und der Drehzahl und zum Entfernen eines ersten Schaltsteuersignals von dem ersten Transistor, Warten einer Zeitdauer, die gleich der Totzeit ist, und Anlegen eines zweiten Schaltsteuersignals an den zweiten Transistor, wobei die Totzeit kontinuierlich in Abhängigkeit von einer Änderung des Drehmoments und einer Änderung der Drehzahl aktualisiert wird.

Description

Einführung Die vorliegende Beschreibung bezieht sich im Allgemeinen auf Elektromotoren und Batteriesysteme und im Besonderen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nutzen einer einstellbaren Totzeit in einem Traktionswechselrichter, um die Leitungsverluste zu minimieren und gleichzeitig ein Durchschießen in den Phasenbeinen des Wechselrichters zu verhindern, indem Leistungsvorrichtungen mit minimalen Schaltzeiten und Gate-Ladungen verwendet werden, um kürzere Totzeiten zu ermöglichen. Elektromotoren werden in Elektrofahrzeugen (electric vehicle, EV) verwendet, um elektrische Energie aus der Batterie in mechanische Energie zum Antreiben der Räder umzuwandeln. In der Regel gibt es zwei Haupttypen von Elektromotoren, die in E-Fahrzeugen verwendet werden: Induktionsmotoren und Permanentmagnet-Synchronmotoren (permanent magnet synchronous motors, PMSMs). Moderne E-Fahrzeuge haben in der Regel über zwei Elektromotoren, einen für jede Achse, aber einige E-Fahrzeuge können auch einen einzigen Motor unter der Motorhaube oder vier Motoren, einen für jedes Rad, haben. EV-Motoren werden in der Regel mit dreiphasigem Wechselstrom (alternating current, AC) betrieben. Da EV-Batterien Gleichstrom (direct current, DC) liefern, muss die DC-Spannung in dreiphasigen AC umgewandelt werden. Diese Umwandlung wird von einem Wechselrichter vorgenommen. Ein Wechselrichter dient als leistungselektronische Schnittstelle zwischen der Batterie und dem Elektromotor und wandelt die in der Batterie gespeicherte Gleichspannung in eine für den Motor geeignete Wechselspannung um. Durch das präzise Regeln von Spannung und Frequenz des Wechselstromausgangs ermöglicht der Wechselrichter eine präzise Steuerung von Motordrehzahl und Drehmoment des Motors. Diese Steuerung ist für eine optimale Leistung, Effizienz und Reaktionsfähigkeit des Fahrzeugs unerlässlich. In Wechselrichtern werden in der Regel Schalttransistoren eingesetzt, die in regelmäßigen Abständen ein- und ausgeschaltet werden, um die Gleichspannung in drei Wechselspannungen umzuwandeln, wobei jede der Wechselspannungen eine andere Wicklung des Wechselstrommotors versorgt. Um Kurzschlüsse im Wechselrichter zu vermeiden, wenn mehrere Transistoren gleichzeitig eingeschaltet werden, wird zwischen dem Ausschalten eines Transistors und dem Einschalten eines anderen ein bewusstes Intervall eingefügt. Dieses Zeitintervall wird üblicherweise als Totzeit bezeichnet. Während sie für die Sicherheit unerlässlich ist, kann die Totzeit aufgrund der erhöhten Leitungsverluste über die Freilaufdiode während dieses Zeitraums auch zu Ineffizienzen führen. Es ist wünschenswert, die Totzeiten des Wechselrichters so effizient wie möglich zu gestalten, um die Energieverschwendung zu reduzieren, damit Systeme und Verfahren für Fahrzeugantriebe und Fahrerassistenzsysteme bereitgestellt werden können. Weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und dem vorangehenden technischen Gebiet und Hintergrund. Zusammenfassung Hierin werden Verfahren und Systeme zum Steuern von Fahrzeugen und zugehörige elektrische Systeme zum Bereitstellen von Antriebssystemen für Fahrzeuge, Verfahren zum Herstellen und zum Betreiben solcher Systeme sowie Kraftfahrzeuge und andere Geräte wie Flugzeuge, Lastkraftwagen, Busse, Gabelstapler, Baufahrzeuge und andere Elektrofahrzeuge, die mit batteriebetriebenen Elektromotoren ausgestattet sind, vorgestellt. Als Beispiel und ohne Einschränkung werden verschiedene Ausführungsformen von Systemen zum Optimieren des Wirkungsgrads eines Traktionswechselrichters vorgestellt, die eine adaptive Totzeitsteuerung implementieren, Leitungsverluste minimieren und gleichzeitig sicherstellen, dass keine Shoot-Through-Ereignisse auftreten, und Leistungsvorrichtungen mit schnellen Schalteigenschaften und niedrigen Gate-Ladungen einsetzen, um kürzere Totzeiten zu ermöglichen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung weist eine Wechselrichtersteuerung für einen Elektromotor eine Systemsteuerung zum Bestimmen eines Drehmoments und einer Systemgeschwindigkeit für einen Elektromotor, wobei der Elektromotor das Drehmoment bei der Systemgeschwindigkeit in Reaktion auf eine Wechselspannung erzeugt, eine Batterie zum Liefern einer Gleichspannung, einen Wechselrichter mit einem ersten Transistor und einem zweiten Transistor zum Umwandeln der Gleichspannung in die Wechselspannung, und eine Wechselrichter-Steuerung zum Bestimmen einer Totzeit als Reaktion auf das Drehmoment und die Drehzahl und zum Entfernen eines ersten Schaltsteuersignals vom ersten Transistor, zum Abwarten einer Zeitdauer, die gleich der Totzeit ist, und zum Anlegen eines zweiten Schaltsteuersignals an den zweiten Transistor, wobei die Totzeit kontinuierlich als Reaktion auf eine Änderung des Drehmoments und eine Änderung der Drehzahl aktualis