馬達系統以及用于運行馬達系統的方法

專利名稱：馬達系統以及用于運行馬達系統的方法
技術領域：
本發明一般而言涉及一種具有電動馬達的馬達系統，所述電動馬達通過大功率電子的觸發線路來觸發并且由直流電源來供電。
背景技術：
在機動車中越來越多地使用能夠可變觸發的電動馬達。為此這樣的電動馬達通常通過觸發裝置來觸發，所述觸發裝置擁有大功率電子的觸發線路比如B6電橋、H電橋和類似的具有半導體開關的觸發線路。所述觸發線路通常通過以導電或者不導電的方式來切換半導體開關的控制單元來控制。
此外，所述觸發裝置在所述觸發線路的輸入側具有無源的布線結構，所述布線結構一般具有至少一種通常稱為中間線路電容的電容。根據通過控制單元引起的觸發線路的觸發情況并且根據寄生電阻，所述中間線路電容上面的電壓發生變化并且產生電壓及電流波痕(Spannungs- und Mromrippel )，這使得所述中間線路電容的相應的尺度設計成為必要。根據由于所出現的電壓波痕引起的中間線路電容的巨大負荷以及由此而必要的尺度設計，通過所述中間線路電容的大小來確定所述用于電動馬達的觸發裝置的總結構體積的很大的部分。在將來，中間線路中的分散的結構元件的結構體積將繼續主宰所述控制單元及觸發線路的結構體積，因為所述控制單元和觸發線路越來越小型化并且根據增加的EMV(電磁兼容性)要求必須將更多的結構元件布置在中間線路中。
此外知道通過直流變壓器來觸發馬達系統中的電動馬達，所述直變壓器從車用電網的供應電壓中產生其它的和/或穩定化的中間線路電壓，用于以所期望的電壓來觸發電動馬達。

發明內容
本發明的任務是，設置一種用于電動馬達的觸發裝置，對于所述電動馬達來說可以設置具有盡可能小的電容值的中間線路電容，從而可以縮小所述中間線路電容的結構大小。
該任務通過一種按權利要求1所述的用于觸發馬達系統的方法并且通過按并列權利要求所述的一種裝置、一種觸發系統和一種馬達系統得到解決。
本發明的其它設計方案在從屬權利要求中得到說明。
按照第一方面，設置了用于運行用于電動馬達的觸發單元的方法，其中所述觸發單元具有用于觸發電動馬達的觸發線路以及布置在該觸發線路前面的尤其具有中間線路電容的中間線路。該方法包括以下步驟
-提供用于觸發所述電動馬達的調節量；
-調節可變的輸入電壓并且通過所述中間線路將所調節的輸入電壓提供給所述觸發單元；
-根據可供使用的依賴于所調節的輸入電壓的中間線路電壓并且根據所述調節量來運行所述觸發線路，用于相應于所述調節量來觸發所述電動馬達。
上述方法的構思在于，將所述中間線路的結構體積尤其布置在其中的中間線路電容的結構體積降低到最低限度，方法是設置所述中間線路電容的較小的負荷。這通過以下方式來實現，即降低所述中間線路電容的交流負荷。流過所述中間線路的對中間線路電容的交流負荷來說決定性的有效電流依賴于輸入電流并且依賴于被所述觸發線路所接收的電流，也就是說依賴于輸入電壓和/或所述觸發線路的觸發。流入到所述觸發線路中的電流可以通過所加載的依賴于輸入電壓的中間線路電壓來受到影響。由此流過所述中間線路電容的有效電流可以根據所述觸發線路的輸入側上的電壓來調節，該電壓也相應于所述中間線路電容上面的電壓。出于這個原因，上述方法可以設置用于不僅如此調節輸入電壓而且如此觸發所述控制單元，從而根據流過所述中間線路電容的有效電流來調節所述中間線路電容上面的電壓，用于盡可能將所述中間線路電容的交流負荷降低到最低限度。
此外，可以根據所述調節量并且/或者根據馬達狀態參量尤其轉速、轉矩、馬達電流、一種或者多種相電壓并且/或者根據所述觸發線路的狀態參量尤其其損耗功率并且/ 或者根據所述中間線路的狀態參量尤其中間線路電壓或者流過所述中間線路電容的電流來調節所述可變的輸入電壓。尤其所述調節量可以相應于電功率、機械功率、所期望的轉速、所期望的轉矩、馬達電流、馬達電壓、角度位置或者相電壓。
按照一種實施方式，所述輸入電壓的調節和所述觸發線路的運行按照一函數來實施，對于該函數來說將流過所述中間線路的電容的有效電流降低到最低限度。
在此可以規定，所述輸入電壓的調節和所述觸發線路的運行按照一函數來實施， 對于該函數來說將DC-/DC轉換器中的損耗降低到最低限度，而沒有超過預先給定的流過所述中間線路的電容的有效電流。
此外，可以在運行過程中或者在明確的學習階段中通過電動馬達的輸入電壓和觸發方式的變化通過所述觸發線路來學習所述函數以用于調節輸入電壓。
尤其可以將所述至少一個預先給定的調節量的一個或者多個工作點保存在組合特性曲線中。
此外，所述輸入電壓的調節和所述觸發線路的運行可以借助于梯度下降法來實施。
按照另一個方面，設置了用于運行電動馬達的裝置，該裝置包括 -用于觸發所述電動馬達的觸發線路，
-中間線路，該中間線路在輸入側布置在所述觸發線路上并且尤其具有中間線路電容；
-控制單元，該控制單元構造用于 -接收調節量；
-用于輸出調節參量(Einstellgdfie)，該調節參量使得可變的輸入電壓通過所述中間線路輸送給所述觸發線路；
-用于運行所述觸發線路，從而根據可供使用的依賴于所調節的輸入電壓的中間線路電壓并且根據所述調節量來觸發所述電動馬達。
按照另一個方面，設置了用于運行電動馬達的觸發系統，該觸發系統包括 -上述裝置；
5-用于接收所述調節參量的變壓器，用于根據所述調節參量來提供可變的輸入電壓。
按照另一個方面，設置了具有電動馬達和上述觸發系統的馬達系統。


下面借助于附圖對一些實施方式進行詳細解釋。附圖示出
圖1是具有觸發裝置的馬達系統的示意圖，該觸發裝置則具有中間線路電容；并且圖2是用于示出流過所述中間線路電容的標準化到電動馬達中的有效電流的有效電流與調制程度之間的依賴關系的圖表。
具體實施例方式圖1示出了具有電動馬達2的馬達系統1的示意圖，該電動馬達2比如可以構造為同步電機的形式。該電動馬達可以構造為多相結構。在這里的情況中，該電動馬達2具有三個相。
所述電動馬達2通過大功率電子的觸發線路3來觸發。在圖1的實施方式中， 所述觸發線路3構造為B6橋式線路，該橋式線路具有一定數目的倒相器分支，這個數目相當于所述電動馬達2的相的數目。每個倒相器分支具有半導體開關4，也就是拉高開關 (Pull-High-Schalter)和拉低開關(Pull-Low-khalter)。所述拉高開關中的一個和所述拉低開關中的一個相應地串聯布置在較高的中間線路電位Vh與較低的中間線路電位\之間。在每條倒相器分支的拉高開關與拉低開關4之間截取相應的相，用于提供給所述電動馬達2。所述拉高開關因而將所述倒相器分支的能夠截取的相拉向所述較高的中間線路電位Vh并且所述拉低開關因而將能夠截取的相拉向所述較低的中間線路電位\。所述拉高開關或者說拉低開關4的每一個都可以構造為大功率晶體管，比如構造為場效應晶體管， 構造為晶閘管或者構造為類似晶體管，并且由控制單元5通過合適的控制信號來觸發，所述控制信號則通過控制線路6比如輸送給相應的柵極接頭(Gate-Anschluss)。
也可以取代所示出的具有B6橋式線路的觸發線路3來使用其它切換的大功率電子的觸發線路比如H電橋和類似觸發線路。
在輸入側，所述觸發線路3與包含中間線路電容7的中間線路相連接。所述中間線路可以具有無源的結構元件尤其扼流圈。所述中間線路電容7用一個接頭與所述較高的中間線路電位Vh相連接并且用另一個接頭與所述較低的中間線路電位\相連接。所述中間線路電容7用于在所述觸發線路3的輸入側上降低通過所述半導體開關4的切換在所述觸發線路3中出現的躍變負荷(Sprimgbelastimgen)，用于使電力供應源經受較少的負荷。
所述較高的和較低的中間線路電位VH、Vl由變壓器8尤其直流變壓器來提供，所述直流變壓器在輸入側與機動車的車用電網或者通常與能源相連接。對于機動車來說，所述直流變壓器8在輸入側與機動車的蓄電池(未示出)相連接，該蓄電池提供電池電壓UBat。 所述直流變壓器8能夠可變觸發，也就是說按照直流變壓器-調節值V可以可變調節所述直流變壓器8的輸出電壓Udc,在此將所述直流變壓器-調節值V比如作為電信號或者作為數字的或者模擬的參量通過調節線路9提供給所述直流變壓器8。
此外，設置了控制單元5，該控制單元5不僅與所述直流變壓器8而且與所述觸發線路3相連接。從外部將調節量SG作為設定值提供給所述控制單元5，所述調節量SG表明馬達參量，在此應該以該馬達參量來觸發所述電動馬達2。所述調節量比如可以相應于電功率、機械功率、所期望的轉速、所期望的轉矩、馬達電流、馬達電壓、角度位置或者相電壓。 從所述調節量SG中得出這一點，應該以何種方式來觸發所述電動馬達2，以便該電動馬達2 具有相應于預先給定的調節量SG的性能。所述控制單元5而后可以如此觸發所述直流變壓器8和觸發線路3，從而提供相應于所述調節量SG的馬達參量。
為減小所述中間線路電容7的結構大小，有意義的是降低其電負荷。所述中間線路電容7的交流負荷通常用以下公式來計算
其中Ie rff相應于流過所述中間線路電容的有效電流，iDCDC(t)相應于由所述直流變壓器8提供的電流并且ireu(t)相應于由所述觸發線路3所接收的(輸入側的)電流。可以看出，通過所述變壓器電流iDTO(t)和流過控制線路的電流ireu(t)的接近可以降低流過所述中間線路電容7的有效電流Ic rff。流過所述觸發線路3的電流的平均值和有效值可以通過加載在所述中間線路電容7上面的中間線路電壓Uc的大小來受到影響。
這也可以從圖2的圖表中看出來。在圖2的圖表中關于調制程度M示出了流過所述中間線路電容I“ff的標準化到電動馬達2中的有效電流的有效電流I“ff。所述調制程度M與中間線路電壓Uc成反比例，并且由此能夠通過所述直流變壓器8來影響。在圖2中示出的特性曲線的參數是功率因數cos ( Φ )，該功率因數通常能夠通過電動馬達的有效功率除以其表觀功率得到的商數來求得。Φ相應于電流與電壓之間的相位角。
為了將流過所述中間線路電容7的有效電流Ie rff盡可能降低到最低限度，所述控制單元5以合適的方式觸發所述直流變壓器8。通過內電壓Udc和預先給定的調節量SG獲得所述觸發線路3的相應的觸發結果。在此，所述控制單元5只應該如此觸發所述直流變壓器8，從而在相應的電壓范圍之內調節輸出電壓。該電壓范圍限制到一些電壓，對于這些電壓來說可以維持通過所述調節量SG預先給定的對電動馬達2的要求，所述觸發線路3未陷入到欠壓模式中或者沒有超過所述觸發線路3中的提供中間線路電容的電容器以及半導體開關的耐電強度。
所述觸發線路3比如可以通過脈寬調制的觸發的占空比的變化或者說通過空間矢量調制(Raumzeigermodulation)的占空比的變化來向所述電動馬達2提供不同的功率。 也可以通過所述控制單元5來預先給定所述空間矢量調制的調制周期持續時間。所述控制單元5因此在選擇所述直流變壓器8和觸發線路3的觸發方式方面擁有自由度，用于調節通過所述調節量SG預先給定的馬達參量。
比如可以規定，為了將流過所述中間線路電容7的有效電流Ic rff降低到最低限度而將所述直流變壓器8的輸出電壓保持在盡可能小的程度上。也就是說，應該如此選擇所述直流變壓器8的輸出電壓，從而還可以實現對于所述電動馬達2來說所要求的功率并且可以運行所述觸發線路3，也就是說所述觸發線路3沒有進入欠壓模式中。
所述控制單元5為此比如具有組合特性曲線-結構塊10，在此將從外部提供的調節量SG作為輸入參量提供給組合特性曲線-結構塊10并且該組合特性曲線-結構塊10 根據所述調節量SG將所述直流變壓器調節值V提供給所述直流變壓器8并且將觸發線路調節值S提供給脈沖形成單元11。所述組合特性曲線-結構塊10可以具有一種組合特性
7曲線，在該組合特性曲線中作為在所述中間線路電容7上面加載的電壓U。的函數比如考慮到有效電流rff。所述組合特性曲線-結構塊10的其它輸入參量可以是測量變量，比如電動馬達2的馬達轉速和/或轉子的角度位置、相電流、相電壓以及所述直流變壓器8的同樣可以測量的輸出電流^oC。同樣可以在不依賴于所提供的調節量SG的情況下也就是說僅僅在所述測量變量的基礎上確定所述直流變壓器調節值V。作為替代方案，也可以取代所提供的調節量SG或者作為所提供的調節量SG的補充來將這個參量的當前的實際值用作用于所述組合特性曲線的輸入參量。作為組合特性曲線的替代方案，也可以借助于保存在處理器中的算法或者公式從所表明的輸入參量中確定V。
可以以靜態的方式預先給定所述組合特性曲線。同樣可以在運行中或者在學習模式中產生或者說修改所述組合特性曲線，方法是為具有不同的調節量SG的不同的工作點求得所述直流變壓器8和觸發線路3的最佳的工作點并且將相應的數據組保存在所述組合特性曲線中以便后來加以調用。
優化目標-在不依賴在運行中是用靜態的組合特性曲線還是用優化處理來工作的情況下-可能不僅僅是所述中間線路電容器7中的有效電流L。rff的簡單的最小化。比如也有利的是，將電容器電流并且由此將所述中間線路電容的加熱保持在規定的極限值之下。所述極限值比如也可能依賴于所述中間線路電容的溫度和/或電流負荷的長度。如果超過所述極限值，那就可以立即通過所述脈沖形成單元11 -以馬達功率為代價，也就是說在忽視預先給定的調節量SG的情況下-降低馬達電流。一旦找到/調節了“更好的”直流變壓器調節值V，那么而后所述脈沖形成單元11又可以如此控制所述開關4，從而提供更高的馬達電流并且由此重視所述調節量SG0 除了所述中間線路電流的降低的優化目標之外，也可能有其它的優化目標，比如降低變壓器8中的損耗。
所述脈沖形成單元11根據比如預先給定空間矢量調制的占空比的觸發線路調節值S來產生用于所述觸發線路3的拉高開關和拉低開關4的觸發脈沖，用于按照所述觸發線路調節值S來觸發這些開關。
所述直流變壓器8的輸出電壓和所述觸發線路3的觸發方式的調整可以適應的方式來進行，方法是流過所述中間線路電容7的有效電流比如借助于電流測量轉換器或者電流測量電阻來檢測并且比如借助于優化方法比如梯度下降法通過由所述直流變壓器8輸出的變壓器電壓或者占空比的變化或者通常通過所述觸發線路調節值S和直流變壓器調節值V的變化來將流過所述中間線路電容7的有效電流降低到最低限度。通過這種方式可以學習用于馬達系統的組合特性曲線并且比如將其保存在所述組合特性曲線-結構塊10 中的合適的存儲單元中(未示出)。用這種方式也可以在所述調節量緩慢變化時進行聯機適應(Adaption on-the-fly)。
此外可以規定，借助于直流變壓器調節值V將所述直流變壓器8的輸出電壓調節到特定的電壓。在此直接測量或者從馬達狀態參量中估算出所述流過中間線路電容7的有效電流I。ff。如果有效電流I。ff太大，那就一直修改所述直流變壓器8的輸出電壓，直到所述有效電流I“ff又變小，也就是說低于特定的電流閾值。
所述控制單元5、觸發線路3和中間線路電容7—般作為一個單元設置在用于電動馬達2的控制儀中。因此，在實現上述馬達系統時，應該從所述控制單元5設置一條用于將直流變壓器調節值V傳輸給與所述控制儀分開地并且遠離地布置的直流變壓器8的調節線路9，用于可變觸發所述直流變壓器8以便將所述中間線路電容7的交流負荷降低到最低限度。
權利要求
1.用于運行用于電動馬達(2)的觸發單元的方法，其中所述觸發單元具有用于觸發所述電動馬達(2)的觸發線路(3)以及布置在所述觸發線路(3)前面的尤其具有中間線路電容(7)的中間線路，該方法具有以下步驟-提供用于觸發所述電動馬達(2)的調節量(SG)；-調節可變的輸入電壓(Udc)并且通過所述中間線路將所調節的輸入電壓(Udc)提供給所述觸發單元(3);-根據可供使用的依賴于所調節的輸入電壓(Udc)的中間線路電壓(Uc)并且根據所述調節量(SG)來運行所述觸發線路(3)，用于相應于所述調節量(SG)來觸發所述電動馬達 (2)。
2.按權利要求1所述的方法，其中根據所述調節量(SG)并且/或者根據馬達狀態參量尤其轉速、轉矩、馬達電流、一種或者多種相電壓并且/或者根據所述觸發線路(3)的狀態參量尤其其損耗功率并且/或者根據所述中間線路的狀態參量(U。)尤其中間線路電壓或者流過所述中間線路電容(7)的電流(Ic eff)來調節所述可變的輸入電壓(Udc)。
3.按權利要求1或2所述的方法，其中所述調節量相應于電功率、機械功率、所期望的轉速、所期望的轉矩、馬達電流、馬達電壓、角度位置或者相電壓。
4.按權利要求1到3中任一項所述的方法，其中所述輸入電壓(UD。)的調節和所述觸發線路(3)的運行按照一函數來實施，對于該函數來說將流過所述中間線路的電容的有效電流(I。ff)降低到最低限度。
5.按權利要求1到4中任一項所述的方法，其中所述輸入電壓(UD。)的調節和所述觸發線路(3)的運行按照一函數來實施，對于該函數來說將變壓器(8)中的損耗降低到最低限度，而沒有超過預先給定的流過所述中間線路的電容的有效電流(I。ff)。
6.按權利要求4或5所述的方法，其中在運行過程中或者在明確的學習階段中通過電動馬達(2)的輸入電壓(Udc)和觸發方式的變化來通過所述觸發線路(3)學習所述函數以用于調節輸入電壓(‘)。
7.按權利要求4、5或6所述的方法，其中至少一個預先給定的調節量(SG)的一個或者多個工作點保存在組合特性曲線中。
8.按權利要求4到7中任一項所述的方法，其中所述輸入電壓的調節和所述觸發線路的運行借助于梯度下降法來實施。
9.用于運行電動馬達(2)的裝置，包括-用于觸發所述電動馬達(2)的觸發線路；-中間線路，該中間線路在輸入側布置在所述觸發線路上并且尤其具有中間線路電容(7)；-控制單元(5 )，該控制單元被構造-用于接收調節量(SG);-用于輸出調節參量(V)，該調節參量(V)使可變的輸入電壓(Udc)通過所述中間線路輸出給所述觸發線路(3);-用于運行所述觸發線路，從而根據可供使用的依賴于所調節的輸入電壓(Udc)的中間線路電壓(Uc)并且根據所述調節量(SG)來觸發所述電動馬達(2)。
10.用于運行電動馬達(2)的觸發系統，包括-按權利要求9所述的裝置；-用于接收所述調節參量(V)的變壓器，以便根據所述調節參量(V)來提供所述可變的輸入電壓(Udc)。
11.馬達系統，具有電動馬達(2)并且具有按權利要求10所述的觸發系統。
全文摘要
本發明涉及一種用于運行用于電動馬達的觸發單元的方法，其中所述觸發單元具有用于觸發所述電動馬達的觸發線路以及布置在所述觸發線路前面的尤其具有中間線路電容的中間線路，該方法具有以下步驟提供用于觸發所述電動馬達(2)的調節量(SG)；調節可變的輸入電壓(UDC)并且通過所述中間線路將所調節的輸入電壓(UDC)提供給所述觸發單元(3)；根據可供使用的依賴于所調節的輸入電壓(UDC)的中間線路電壓(UC)并且根據所述調節量(SG)來運行所述觸發線路(3)，用于相應于所述調節量(SG)來觸發所述電動馬達(2)。
文檔編號H02P27/08GK102187564SQ200980140628
公開日2011年9月14日 申請日期2009年8月19日 優先權日2008年10月14日
發明者T·珀茨爾, M·斯普勞爾 申請人:羅伯特·博世有限公司