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DE19743757A1 - Drive mechanism for electric vehicle and hybrid-drive vehicle - Google Patents

Drive mechanism for electric vehicle and hybrid-drive vehicle

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DE19743757A1
DE19743757A1 DE19743757A DE19743757A DE19743757A1 DE 19743757 A1 DE19743757 A1 DE 19743757A1 DE 19743757 A DE19743757 A DE 19743757A DE 19743757 A DE19743757 A DE 19743757A DE 19743757 A1 DE19743757 A1 DE 19743757A1
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DE
Germany
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synchronous machine
battery
voltage
converter
drive device
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DE19743757A
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German (de)
Inventor
Michael Dipl Ing Albert
Martin Dipl Ing Rauch
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Siemens AG
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Siemens AG
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Publication date
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Abstract

he drive mechanism has a permanently excited synchronous machine (M) which can be operated in the motor mode and generator mode as well as in idle mode. A battery (B) supplies the machine in motor mode and is charged by the machine in generator mode. When an inverter (U) power switches (B1-B6) are activated in idle mode, a magnetising current is superimposed to match the return DC voltage arising from terminal voltages (UZW) in the machine's windings to the battery voltage (UB). The power switches are deactivated for further idling.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Elek­ trofahrzeug gemäß Patentanspruch 1; eine derartige Antriebs­ vorrichtung findet Anwendung sowohl in Fahrzeugen mit allei­ nigem Elektromotorantrieb als auch in Hybridfahrzeugen mit wechselweisem bzw. parallelem Antrieb durch einen Elektromo­ tor bzw. durch eine Verbrennungsmaschine.The invention relates to a drive device for an elec trofahrzeug according to claim 1; such a drive device is used both in vehicles with allei electric motor drive as well as in hybrid vehicles alternating or parallel drive by an electromo gate or by an internal combustion engine.

Bei derartigen Fahrzeugen treten Betriebsbedingungen auf, in denen dem Antrieb durch den Elektromotor keine Leistung ab­ verlangt wird und somit die Sollwertvorgabe für den Motor­ strom gleich Null ist; Beispiele für einen derartigen Leer­ laufbetrieb ist z. B. der sogenannte Schiebebetrieb des Fahr­ zeuges ohne Nachbildung eines Schleppmomentes oder z. B. das Mitlaufen des Elektromotors beim Parallelantrieb mit der Ver­ brennungsmaschine in Hybridfahrzeugen, bei dem der Elektromo­ tor durch seine starre Ankopplung mitangetrieben wird. Es ist üblich, bei derartigen Betriebsbedingungen den Umrichter zu aktivieren und im Sinne von solchen aus der Batterie gespei­ sten Motorphasenströmen zu regeln, daß der Elektromotor kein Drehmoment abgibt.Operating conditions occur in such vehicles, in no power from those driven by the electric motor is required and thus the setpoint specification for the motor current is zero; Examples of such an empty running is z. B. the so-called push operation of the driver stuff without replicating a drag torque or z. B. that Running the electric motor in parallel drive with the Ver internal combustion engine in hybrid vehicles, in which the electromo tor is driven by its rigid coupling. It is usual to close the converter under such operating conditions activate and in the sense of such from the battery Most motor phase currents to regulate that the electric motor no Output torque.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist eine Reichweitenoptimie­ rung für ein Elektrofahrzeug mit aus einer Batterie speisba­ rem Elektromotor durch geringere betriebsmäßige Belastung dieser Batterie. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Antriebsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1; vorteilhafte Aus­ gestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Un­ teransprüche. The object of the present invention is a range optimization tion for an electric vehicle that can be powered by a battery Rem electric motor due to lower operational load this battery. This task is solved by a Drive device according to claim 1; advantageous off designs of the invention are the subject of the Un claims.  

Durch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann in vor­ teilhafter Weise zumindest in Teilbereichen des Leerlaufbe­ triebes des Elektromotors durch das erfindungsgemäße Sperren der Leistungsschalter aufgrund der Inaktivierung des Umrich­ ters auf eine Endladebelastung der Batterie zum Zwecke einer Einregelung eines Null-Drehmomentes mit entsprechender Tak­ tung der Motorphasenströme verzichtet werden.The drive device according to the invention can be used in front geous at least in parts of the idle drive the electric motor through the locking according to the invention the circuit breaker due to the deactivation of the converter ters to a final charge of the battery for the purpose of Adjustment of a zero torque with a corresponding cycle tion of the motor phase currents can be dispensed with.

Die Sperrung der Leistungsschalter bei den vorgenannten Be­ dingungen ist bei Elektrofahrzeugen mit Elektromotoren mit veränderlichem Feld, d. h. insbesondere bei Asynchronmaschinen bzw. fremderregten Synchronmaschinen, in vorteilhafter Weise über den gesamten Drehzahlbereich möglich.The blocking of the circuit breakers in the aforementioned Be conditions for electric vehicles with electric motors variable field, d. H. especially with asynchronous machines or separately excited synchronous machines, in an advantageous manner possible over the entire speed range.

Beim Betrieb eines Elektrofahrzeugs mit einer hinsichtlich einfachem Aufbau besonders vorteilhaften Synchronmaschine mit permanenterregtem Rotor kann durch die erfindungsgemäße An­ triebsvorrichtung darüber hinaus ein unkontrollierter, gege­ benenfalls zur Schädigung der Batterie führender Stromfluß zu der Batterie für den Fall verhindert werden, daß die vom Per­ manentmagnet-Läuferfluß induzierte Klemmenspannung der Syn­ chronmaschine, insbesondere bei Betrieb im Feldschwächebe­ reich, zu hoch wird und damit die gleichgerichtete Rückspei­ se-Gleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung am batteriesei­ tigen Ausgang des Umrichters die parallel liegende Batterie­ spannung unzulässig übersteigt. Die erfindungsgemäße Vorrich­ tung erlaubt somit mit schaltungstechnisch besonders geringem Aufwand eine Reichweitenoptimierung bei gleichzeitigem Batte­ rieschutz im Falle einer Antriebsvorrichtung mit Verwendung einer permanenterregten Synchronmaschine als elektrischem An­ triebsteil.When operating an electric vehicle with one regarding simple structure with particularly advantageous synchronous machine permanently excited rotor can by the invention drive device also an uncontrolled, counter if necessary, current flow leading to damage to the battery the battery in the event that the per manentmagnet rotor flux induced terminal voltage of the syn Chron machine, especially when operating in the field weak get rich, get too high and thus the rectified feedback DC voltage or DC link voltage on the battery egg output of the converter the battery lying in parallel voltage exceeds permissible. The Vorrich invention device thus allows particularly low circuitry Effort to optimize the range with simultaneous battery Riesschutz in the case of a drive device with use a permanently excited synchronous machine as an electrical system drive part.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines schematisch dar­ gestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. The invention is illustrated schematically below with reference to a presented embodiment explained in more detail.  

Die Zeichnung zeigt eine aus einer Batterie B mit der Batte­ riespannung UB und dem Batteriestrom IB über einen Umrichter U mit parallelem Zwischenkreiskondensator C und mit sechs Leistungsschaltern B1-B6 in üblicher Drehstrombrückenschal­ tung gespeiste Synchronmaschine M mit permanentmagnetischem Rotor PM. Die permanenterregte Synchronmaschine M ist mit ih­ rer Ausgangswelle entweder wechselweise bzw. gleichzeitig starr kuppelbar an eine Verbrennungsmaschine VB bzw. an einen Fahrzeug-Radsatz R1/R2 eines Elektrofahrzeuges.The drawing shows a synchronous machine M with a permanent magnetic rotor PM fed from a battery B with the battery voltage U B and the battery current I B via a converter U with a parallel intermediate circuit capacitor C and with six circuit breakers B1-B6 in a conventional three-phase bridge circuit. The permanently excited synchronous machine M can be coupled with its output shaft either alternately or at the same time rigidly to an internal combustion engine V B or to a vehicle wheel set R1 / R2 of an electric vehicle.

Die nachfolgenden Betrachtungen beziehen sich insbesondere auf den erfindungsgemäß gestalteten Leerlauf-Betrieb der Syn­ chronmaschine, d. h. auf den Bereich, in dem der Sollwert für den drehmomentbildenden Motorstrom Null beträgt.The following considerations relate in particular to the idle operation of the syn chron machine, d. H. to the area in which the setpoint for the torque-generating motor current is zero.

Die Leistungsschalter B1-B6 werden aktiviert und damit gere­ gelt getaktet bzw. inaktiviert damit gesperrt über eine Steu­ ereinheit CB, die über eine Endstufe T mit den Leistungs­ schaltern B1-B6 des Umrichters U in Steuer- bzw. Regelabhän­ gigkeit steht. Der aus einer Wechselspannungsquelle UV ge­ speisten Steuereinheit CB werden über eine Strommeßvorrich­ tung MI die Motorströme I1; I2; I3 der Synchronmaschine M, über eine Drehzahlmeßvorrichtung MR die Istwerte der Rotordrehzahl der Synchronmaschine M sowie über eine Spannungsmeßvorrich­ tung MU die am batterieseitigen Ausgang des Umrichters U an­ liegende Rückspeise-Gleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung UZW zugeführt.The circuit breakers B1-B6 are activated and thus gle gates clocked or inactivated thus blocked via a control unit CB, which is connected to the circuit breakers B1-B6 of the converter U via a power stage T in a control or regulating relationship. The control unit CB fed from an alternating voltage source UV are the motor currents I 1 via a current measuring device MI; I 2 ; I 3 of the synchronous machine M, the actual values of the rotor speed of the synchronous machine M via a speed measuring device MR and via a voltage measuring device MU the regenerative DC voltage or intermediate circuit voltage U ZW applied to the battery-side output of the converter U.

Zur selbsttätigen Ermittlung des Betriebspunktes, bei dem in dem erfindungsgemäß betrachteten Leerlaufbetrieb von einer Inaktivierung der Leistungsschalter B1-B6 und damit dem Bat­ terie-Entladungsschutz der Batterie B auf die Aktivierung der Leistungsschalter B1-B6 und damit den Batterie-Überladeschutz umgeschaltet wird, berechnet die Steuereinheit CB ausgehend von der Rotordrehzahl der Synchronmaschine M und dem bekann­ ten Flußistwert der Synchronmaschine M die induzierten Motor-Klemmen­ spannungen UK12; UK23; UK31 zwischen den Wicklungsklemmen der Synchronmaschine M; daraus wird die bei der Inaktivie­ rung, d. h. Sperrung der Leistungsschalter B1-B6, durch deren Freilaufdioden gleichgerichtete Rückspeise-Gleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung UZW, gegebenenfalls unter Berück­ sichtigung der Spannungsabfälle im Umrichter U, bestimmt. Übersteigt diese theoretische Zwischenkreisspannung UZW die Batteriespannung UB, könnte es zu einem unkontrolliertem Stromfluß IB von der Synchronmaschine M zu der Batterie UB kommen und Gefahr einer Beschädigung der Batterie B bestehen.For automatically determining the operating point at which, in the idle mode considered according to the invention, the circuit breaker B1-B6 and thus the battery discharge protection of the battery B are switched to the activation of the circuit breaker B1-B6 and thus the battery overcharge protection in the idle mode considered Control unit CB, starting from the rotor speed of the synchronous machine M and the known actual flux value of the synchronous machine M, the induced motor terminal voltages U K12 ; U K23 ; U K31 between the winding terminals of the synchronous machine M; From this, the at the inactivation, ie blocking the circuit breakers B1-B6, through their freewheeling diodes rectified regenerative DC voltage or intermediate circuit voltage U ZW , if necessary taking into account the voltage drops in the converter U, determined. If this theoretical intermediate circuit voltage U ZW exceeds the battery voltage U B , there could be an uncontrolled current flow I B from the synchronous machine M to the battery U B and there is a risk of damage to the battery B.

Alternativ zu der Erfassung der Rückspeise-Gleichspannung UZW über eine gesonderte Spannungsmeßvorrichtung MU kann deren Wert auch aus einer externen Steuerung gewonnen und über ein Bussystem CAN an die Steuereinheit CB mitgeteilt werden.As an alternative to the detection of the regenerative direct voltage U ZW via a separate voltage measuring device MU, its value can also be obtained from an external controller and communicated to the control unit CB via a bus system CAN.

Durch die erfindungsgemäß nunmehr sich einstellende Aktivie­ rung der Leistungsschalter B1-B6 kann der permanenterregten Synchronmaschine M ein Magnetisierungsstrom mit derartiger Steuerung der Stromphasenlage eingeprägt werden, daß die in­ duzierte Klemmenspannungen UK12; UK23; UK31 und damit die Rück­ speise-Gleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung UZW reduziert werden und ein unerwünschtes Rückladen der Batterie B ver­ meidbar ist. Trotz ansteigender Drehzahl und dabei ansonsten die Batteriespannung UB übersteigender Zwischenkreisspannung UZW wird durch entsprechende Regelung des Magentisierungstro­ mes erreicht, daß kein Strom IB in die Batterie B fließt und diese nicht überladen wird. Die dazu notwendige Erhöhung des Magnetisierungsstromes ist gleichbedeutend mit einer Änderung der Stromphasenlage, d. h. der Phasenlage des Motorstroms ge­ genüber der induzierten Klemmenspannung der Synchronmaschine M. Die Aktivierung der Leistungsschalter B1-B6 erfolgt dabei gleichzeitig mit Vorgabe eines in Phasenlage und Amplitude definierten Spannungsvektors, derart daß Ausgleichsvorgänge im Antrieb vermieden werden.Through the activation of the circuit breakers B1-B6, which is now established according to the invention, the magnetically excited permanent magnet synchronous machine M can be impressed with control of the current phase position in such a way that the terminal voltages U K12 ; U K23 ; U K31 and thus the direct feedback voltage or intermediate circuit voltage U ZW can be reduced and an undesired recharging of the battery B can be avoided. Despite increasing speed and otherwise the battery voltage U B exceeding DC link voltage U ZW is achieved by appropriate control of the Magentisierungstro mes that no current I B flows into the battery B and this is not overcharged. The necessary increase in the magnetizing current is synonymous with a change in the current phase position, ie the phase position of the motor current ge compared to the induced terminal voltage of the synchronous machine M. The activation of the circuit breakers B1-B6 takes place simultaneously with the specification of a voltage vector defined in phase position and amplitude, such that Compensating processes in the drive can be avoided.

Ab dem zuvor definierten Umschaltpunkt zwischen der Inakti­ vierung der Leistungsschalter einerseits und der Aktivierung der Leistungsschalter andererseits hat der Schutz der Batte­ rie vor Überlast Vorrang vor deren Schutz vor Entladung; es dürfte ersichtlich sein, daß dadurch ein Optimum zwischen Batterieschutz einerseits und Batterieentladung andererseits durch einen möglichst weit ausgedehnten Bereich der Inakti­ vierung, d. h. Sperrung der Leistungsschalter, bei hohen Dreh­ zahlen erreicht wird.From the previously defined switchover point between the inacti crossing of the circuit breakers on the one hand and activation the circuit breaker, on the other hand, has the protection of the battery Overload priority over protection against discharge; it should be evident that this creates an optimum between Battery protection on the one hand and battery discharge on the other through the largest possible area of the inacti crossing, d. H. Locking the circuit breaker, at high speed numbers is achieved.

Claims (7)

1. Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrzeug
  • - mit einer im Motorbetrieb und im Generatorbetrieb sowie im Leerlaufbetrieb betreibbaren permanenterregten Syn­ chronmaschine (M);
  • - mit einer im Motorbetrieb die Synchronmaschine (M) spei­ senden bzw. im Generatorbetrieb aus der Synchronmaschine (M) speisbaren Batterie (B);
  • - mit einem Umrichter (U) in der Verbindung zwischen der Batterie (B) und der Synchronmaschine (M);
  • - mit einer Aktivierung der Leistungsschalter (B1-B6) des Umrichters im Leerlaufbetrieb der Synchronmaschine (M) bei einer aufgrund der in den Wicklungen der Synchronma­ schine induzierten Klemmenspannungen (UK12; UK23; UK31) die Batteriespannung (UB) unzulässig übersteigenden Rück­ speise-Gleichspannung (UZW);
  • - mit einer Aktivierung im Sinne einer Anpassung der Rück­ speise-Gleichspannung (UZW) an die Batteriespannung (UB) durch Einprägung eines entsprechenden Magnetisierungs­ stromes für die Synchronmaschine;
  • - mit einer Inaktivierung der Leistungsschalter (B1-B3) des Umrichters (U) im sonstigen Leerlaufbetrieb der Synchron­ maschine.
1. Drive device for an electric vehicle
  • - With a permanent magnet synchronous machine (M) which can be operated in engine operation and in generator operation as well as in idle operation;
  • - Send with a synchronous machine (M) in motor operation or in generator mode from the synchronous machine (M) feedable battery (B);
  • - With a converter (U) in the connection between the battery (B) and the synchronous machine (M);
  • - With an activation of the circuit breaker (B1-B6) of the converter in idle mode of the synchronous machine (M) at a due to the terminal voltages induced in the windings of the synchronous machine (U K12 ; U K23 ; U K31 ) the battery voltage (U B ) exceeding inadmissible Feedback DC voltage (U ZW );
  • - With an activation in the sense of an adaptation of the return direct voltage (U ZW ) to the battery voltage (U B ) by impressing a corresponding magnetizing current for the synchronous machine;
  • - With a deactivation of the circuit breaker (B1-B3) of the converter (U) in the other idle mode of the synchronous machine.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, mit einer permanenterregten Synchronmaschine (M) als al­ leinigem Antrieb für das Elektrofahrzeug.2. Drive device according to claim 1, with a permanently excited synchronous machine (M) as al line drive for the electric vehicle. 3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, mit einer permanenterregten Synchronmaschine (M) als pa­ ralleler Antrieb zu einem Verbrennungsmotor (VB) für ein Elektrofahrzeug, insbesondere für ein Hybridfahrzeug. 3. Drive device according to claim 1, with a permanently excited synchronous machine (M) as pa rallel drive to an internal combustion engine (V B ) for an electric vehicle, in particular for a hybrid vehicle. 4. Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-3,
  • - mit einer die Leistungsschalter des Umrichters inaktivie­ renden bzw. aktivierenden Steuereinheit (CB);
  • - mit einer Steuerabhängigkeit der Steuereinheit (CB) von einer Meßvorrichtung (MR) für die Rotordrehzahl der Syn­ chronmaschine (M) bzw. von einer Meßvorrichtung (MI) für die Motorströme (I1; I2; I3) der Synchronmaschine (M) sowie von einer Meßvorrichtung (MU) für die Rückspeise-Gleich­ spannung (UZW) am batterieseitigen Ausgang des Um­ richters (U).
4. Drive device according to at least one of claims 1-3,
  • - With a circuit breaker of the converter inactive or activating control unit (CB);
  • - With a control dependency of the control unit (CB) from a measuring device (MR) for the rotor speed of the synchronous machine (M) or from a measuring device (MI) for the motor currents (I 1 ; I 2 ; I 3 ) of the synchronous machine (M) and from a measuring device (MU) for the regenerative DC voltage (U ZW ) at the battery-side output of the converter (U).
5. Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-4, mit einer Inaktivierung der Leistungsschalter (B1-B6) des Umrichters (U) in Abhängigkeit von einem Null-Sollwert für die drehmomentbildenden Motorströme (I1; I2; I3) des Synchronmotors.5. Drive device according to at least one of claims 1-4, with an inactivation of the circuit breaker (B1-B6) of the converter (U) as a function of a zero setpoint for the torque-generating motor currents (I 1 ; I 2 ; I 3 ) of the synchronous motor . 6. Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-5, mit einer Bestimmung der induzierten Klemmenspannungen (UK12; UK23; UK31) aufgrund der jeweiligen Rotordrehzahl sowie des jeweiligen Durchflutungsistwerts der Synchronma­ schine (M).6. Drive device according to at least one of claims 1-5, with a determination of the induced terminal voltages (U K12 ; U K23 ; U K31 ) on the basis of the respective rotor speed and the respective actual flow value of the synchronous machine (M). 7. Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-6, mit einer Bestimmung der jeweiligen Rückspeise-Gleich­ spannung (UZW) aufgrund der induzierten Klemmenspannungen (UK12; UK23; UK31) sowie der Spannungsabfälle an dem Umrichter (U), insbesondere an den Freilaufdioden der Leistungs­ schalter (B1-B6).7. Drive device according to at least one of claims 1-6, with a determination of the respective regenerative direct voltage (U ZW ) based on the induced terminal voltages (U K12 ; U K23 ; U K31 ) and the voltage drops at the converter (U), in particular on the free-wheeling diodes of the circuit breakers (B1-B6).
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