特表 2022-542983 制御装置、インバータ、インバータおよび電気機械を有するアセンブリ、インバータおよびコンピュータプログラムを動作させるための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-10-07

(54)【発明の名称】制御装置、インバータ、インバータおよび電気機械を有するアセンブリ、インバータおよびコンピュータプログラムを動作させるための方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20220930BHJP

   H02P 27/08 20060101ALI20220930BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 F

H02P27/08

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022506203

(86)(22)【出願日】2020-07-27

(85)【翻訳文提出日】2022-01-31

(86)【国際出願番号】 EP2020071117

(87)【国際公開番号】W WO2021018829

(87)【国際公開日】2021-02-04

(31)【優先権主張番号】102019120439.9

(32)【優先日】2019-07-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521219051

【氏名又は名称】ヴァレオ、シーメンス、イーオートモーティブ、ジャーマニー、ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＶＡＬＥＯ ＳＩＥＭＥＮＳ ＥＡＵＴＯＭＯＴＩＶＥ ＧＥＲＭＡＮＹ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100202429

【弁理士】

【氏名又は名称】石原 信人

(72)【発明者】

【氏名】パナヨティス、マンツァナス

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル、キューベリヒ

(72)【発明者】

【氏名】トーマス、デュルバウム

(72)【発明者】

【氏名】アレクサンダー、ブッヒャー

(72)【発明者】

【氏名】アレクサンダー、パベレック

(72)【発明者】

【氏名】クリスティアン、ハゼノール

(72)【発明者】

【氏名】ハーラルト、ホフマン

【テーマコード（参考）】

5H505

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H505AA16

5H505BB05

5H505CC04

5H505DD03

5H505EE30

5H505EE41

5H505EE49

5H505EE55

5H505GG02

5H505GG04

5H505HA09

5H505HA10

5H505HB01

5H505JJ03

5H505JJ04

5H505JJ16

5H505JJ17

5H505JJ26

5H505JJ28

5H505LL01

5H505LL22

5H770AA05

5H770BA02

5H770CA06

5H770DA03

5H770DA41

5H770EA02

5H770GA11

5H770GA19

5H770HA02Y

5H770HA07Z

(57)【要約】

インバータ（２）のスイッチング素子（１２）を駆動するための搬送周波数を有するパルス幅変調スイッチング信号（１５）を提供するように構成された、電気機械（３）に給電するインバータ（２）のための制御装置（８）であって、電気機械（３）の回転速度およびトルクによって定義される動作点を記述する動作点情報に依存して搬送周波数を決定し、回転速度が増加し、トルクの大きさが減少するに従い、下限回転速度（２３）がゼロとは異なり、上限回転速度（２４）が電力制限動作領域（２１）または弱め界磁動作領域にある回転速度間隔内に広がる動作領域（２２）内の搬送周波数を増加させるように構成された制御装置（８）。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

インバータ（２）のスイッチング素子（１２）を駆動するための搬送周波数を有するパルス幅変調スイッチング信号（１５）を提供するように構成された、電気機械（３）に給電する前記インバータ（２）のための制御装置（８）であって、
前記電気機械（３）の回転速度およびトルクによって定義される動作点を記述する動作点情報に依存して前記搬送周波数を決定し、
前記回転速度が増加し、かつ、前記トルクの大きさが減少するに従い、下限回転速度（２３）がゼロとは異なり、上限回転速度（２４）が電力制限動作領域（２１）または弱め界磁動作領域にある回転速度間隔内に広がる動作領域（２２）内で前記搬送周波数を増加させるように構成される、
ことを特徴とする、制御装置（８）。

【請求項2】

前記動作領域（２２）の第１の境界（２５）が、前記回転速度が前記下限回転速度（２３）に対応する第１の動作点（２６）から、前記回転速度が前記下限回転速度（２３）よりも大きく、前記トルクの前記大きさが前記第１の動作点（２６）の前記トルクの前記大きさよりも大きい第２の動作点（２７）まで及び、かつ／または、
前記動作領域の第２の境界（２８）が、前記回転速度が前記上限回転速度（２４）に対応する第１の動作点（２９）から、前記回転速度が前記上限回転速度（２９）よりも低く、前記トルクの前記大きさが前記第１の動作点（２９）の前記トルクの前記大きさよりも大きい第２の動作点（２７）まで延びる、
請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記第１の境界（２５）および前記第２の境界（２８）の前記第２の動作点（２７）が、
同一であり、かつ／または、
前記電力制限動作領域（２１）もしくは前記弱め界磁動作領域にあり、かつ／または、
前記それぞれの動作点（２７）の前記回転速度における前記トルクの最大の大きさから離間している、
請求項２に記載の制御装置。

【請求項4】

それぞれの回転速度における前記トルクの前記大きさが、この回転速度における前記第１の動作領域（２２）での前記トルクの前記最大の大きさよりも大きい動作点を含む、前記第１の動作領域（２２）と重ならずに定義された第２の動作領域（３０）内で、特に前記トルクとは無関係に、回転速度の上昇に伴って前記搬送周波数を増加させるように構成された、
請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項5】

前記第２の動作領域（３０）が、完全に前記電力制限動作領域（２１）もしくは前記弱め界磁動作領域内に広がり、かつ／または最大全負荷動作（３０ａ）まで及ぶ、
請求項４に記載の制御装置。

【請求項6】

連続パルス幅変調、特に空間ベクトル変調によって前記パルス幅変調スイッチング信号（１５）を生成するように構成された、
請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項7】

それぞれの回転速度における前記トルクの前記大きさが、この回転速度における前記第１の動作領域（２２）での前記トルクの前記最大の大きさよりも大きい動作点を含む、前記第１の動作領域（２２）と重ならずに定義された第２の動作領域（３３）内で、回転速度の低下およびトルクの減少に伴って前記搬送周波数を増加させるように構成された、
請求項１または２に記載の制御装置。

【請求項8】

それぞれの回転速度における前記トルクの前記大きさが、この回転速度における前記第１の動作領域（２２）での前記トルクの前記最大の大きさよりも大きい動作点を含む、前記第１の動作領域（２２）と重ならずに定義された第３の動作領域（３６）内で、回転速度の上昇およびトルクの減少に伴ってまたはトルクとは無関係に、回転速度の上昇に伴って前記搬送周波数を増加させるように構成された、
請求項１、２または７のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項9】

前記第３の動作領域（３６）が、それぞれの回転速度における前記トルクの前記大きさが、前記第２の動作領域（３３）にあるこの回転速度における前記トルクの前記最大の大きさよりも大きい動作点を含む、
請求項７および８に記載の制御装置。

【請求項10】

前記第１の動作領域（２２）および／または前記第２の動作領域（３３）および／または前記第３の動作領域（３６）が、
前記全負荷動作領域（３０ａ）内まで及び、かつ／または、
前記基本回転速度動作領域（２０）から前記電力制限動作領域（２１）もしくは前記弱め界磁動作領域内まで及ぶ、
請求項１もしくは２に記載の、または請求項７から９のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項11】

不連続パルス幅変調、特に一般化された不連続パルス幅変調によって前記パルス幅変調スイッチング信号（１５）を生成するように構成された、
請求項１もしくは２に記載の、または請求項７から１０のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項12】

スイッチング素子（１２）を制御するスイッチング信号に応じて、入力側に存在する電圧を、電気機械（３）を動作させるための交流電流に変換するように構成された前記スイッチング素子（１２）と、
請求項１から１１のいずれか一項に記載の制御装置（８）と、
を備えた、インバータ（２）。

【請求項13】

請求項１２に記載のインバータ（２）と、前記インバータ（２）によって駆動することができる電気機械（３）とを備えたアセンブリ（１）。

【請求項14】

前記搬送周波数の前記決定が以下の関係を表し、

【数1】

【数2】

および

【数3】

式中、
ｆ_ＰＷＭ（Ｍ，ｆ_ｒｏｔ）が、トルクＭおよび回転速度ｆ_ｒｏｔに依存して決定されるべき前記搬送周波数を記述し、
ｍ_ＴＨＤが、前記インバータ（２）の出力電圧の全高調波歪みの歪み尺度を記述し、
ｆ_{ＰＷＭ，ｍｉｎ}が、事前定義された、または事前定義可能な最小搬送周波数を記述し、
ｆ_{ＰＷＭ，ｌｏｓｓｅｓ}（Ｍ，ｆ_ｒｏｔ）が、最小搬送周波数

【数4】

での前記インバータ（２）の全損失の最大値、前記最小搬送周波数

【数5】

でのスイッチング損失、および導電損失Ｐ_ｃを考慮に入れた、前記トルクＭおよび前記回転速度ｆ_ｒｏｔに依存する搬送周波数を記述し、

【数6】

が、前記最小搬送周波数

【数7】

での前記歪み尺度、および前記損失に依存する前記搬送周波数

【数8】

での前記歪み尺度の最大値を考慮に入れた、前記トルクＭおよび前記回転速度ｆ_ｒｏｔに依存する搬送周波数を記述し、

【数9】

が、

【数10】

、

【数11】

およびｆ_{ＰＷＭ，ｍｉｎ}の、特にシミュレーションまたは測定によって決定された関数を記述する、
請求項１３に記載のアセンブリ。

【請求項15】

制御装置（８）によって実行される、電気機械（３）に給電するためのインバータ（２）を動作させるための方法であって、
前記インバータ（２）の動作のためのパルス幅変調スイッチング信号（１５）の搬送周波数を、回転速度が増加し、トルクの大きさが減少するに従い、下限回転速度（２３）がゼロとは異なり、上限回転速度（２４）が電力制限動作領域（２１）または弱め界磁動作領域にある回転速度間隔内に広がる動作領域（２２）内で前記搬送周波数が増加するように、前記電気機械（３）の前記回転速度および前記トルクによって定義される動作点を記述する動作点情報に依存して決定するステップと、
前記インバータ（２）のスイッチング素子（１２）に前記スイッチング信号（１５）を供給するステップと、
を含む、方法。

【請求項16】

コンピュータプログラムであって、前記プログラムがコンピュータによって実行されると、前記コンピュータに、請求項１５に記載の方法の、制御装置（８）によって実行されるステップを実行させるコマンドを含むコンピュータプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気機械に給電するインバータのための制御装置であって、インバータのスイッチング素子を駆動するための搬送周波数を有するパルス幅変調スイッチング信号を提供するように構成された制御装置に関する。

【0002】

本発明はさらに、インバータ、インバータおよび電気機械を有するアセンブリ、インバータおよびコンピュータプログラムを動作させるための方法に関する。

【背景技術】

【0003】

電動ビークルの重要性の高まりにより、そのような応用分野のためのインバータおよびインバータ関連の制御装置が、産業開発努力の焦点になっている。インバータのスイッチング素子を駆動するための一定の搬送周波数を有するパルス幅変調スイッチング信号を提供するタイプの制御装置は公知である。

【0004】

パルス出力電圧は、そのようなスイッチング動作の状況で発生し、特に低トルクの特定の領域では、電気機械の相電流の高い全高調波歪み（ＴＨＤ）をもたらす可能性がある。しかしながら、結果として、電気機械に望ましくない機械的振動が発生することになる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

したがって、本発明は、インバータの動作における高調波歪みを低減させるという目的に基づくものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この目的は、本発明によれば、電気機械の回転速度およびトルクによって定義される動作点を記述する動作点情報に依存して搬送周波数を決定し、回転速度が増加し、トルクの大きさが減少するに従い、下限回転速度がゼロとは異なり、上限回転速度が電力制限動作領域または弱め界磁動作領域にある回転速度間隔内に広がる動作領域内で搬送周波数を増加させるように構成された、最初に述べたタイプの制御装置によって達成される。

【0007】

本発明は、インバータの出力電圧の全高調波歪みが、一方では、増加すると全高調波歪みを減少させる搬送周波数に依存し、他方では、電気機械の動作点に依存する、という認識に基づくものである。（第１の）動作領域では、搬送周波数が一定のままであると仮定される場合には、トルクの大きさに応じて、低いスイッチング損失のみがそれでもなお生じるが、しかしながら、回転速度が上昇し、トルクの大きさが減少するに従い、全高調波歪みの増加が進む。したがって、全高調波歪みを低減または制限するために、一定の搬送周波数で動作する場合と比較して、より高いスイッチング損失を許容することができるため、搬送周波数の増加の余地がある。よって有利には、全高調波歪み、ひいては望ましくない機械的振動が低減される。

【0008】

出力電圧の全高調波歪みは、典型的には、本発明の目的では、インバータの出力電圧の周波数成分の重み付き組み合わせである歪み尺度によって記述される。一般的には、そのような歪み尺度ｍ_ＴＨＤは、以下の式で表すことができる。

【数1】

【0009】

式中、Ｎ_ＡＣは、電気機械の電気周波数ｆ_ＡＣとインバータの出力電圧ｕ_ｘの基本周波数ｆ_ｆとの比を表し、ａ_ｎは、重み係数である。時間ｔの関数としての出力電圧は、以下の式によって記述される。

【数2】

【0010】

３つの出力位相を有するインバータの特に実際的に関連する事例では、ｘ∈｛ＲＳ，ＳＴ，ＴＲ｝が、通常の位相識別子Ｒ、ＳおよびＴに関連して設定されることになる。

【0011】

本発明がそれに限定されない歪み尺度ｍ_ＴＨＤの可能な特殊事例として、重み付き全高調波歪み（ＷＴＨＤ）は、周波数成分がそれらの順序に従って重み付けされるものとみなされるべきである。その場合、

【数3】

および

【数4】

である。

【0012】

本発明による制御装置の場合には、下限回転速度が基本回転速度動作領域にあることが好ましい。

【0013】

有利には、本発明による制御装置に関して、動作領域の第１の境界は、その回転速度が下限回転速度に対応する第１の動作点から、その回転速度が下限回転速度よりも大きく、そのトルクの大きさが第１の動作点のトルクの大きさよりも大きい第２の動作点まで延びるものとすることができる。代替的または追加的に、動作領域の第２の境界は、その回転速度が上限回転速度に対応する第１の動作点から、その回転速度が上限回転速度よりも低く、そのトルクの大きさが第１の動作点のトルクの大きさよりも大きい第２の動作点まで延びるものとすることもできる。

【0014】

特に、制御装置が、連続パルス幅変調、特に空間ベクトル変調によってパルス幅変調スイッチング信号を生成するように構成されるものとすることができる、本発明の第１の好ましい実施形態を以下で説明する。

【0015】

第１の好ましい実施形態では、第１の境界と第２の境界との第２の動作点は、同一であり、かつ／または電力制限動作領域もしくは弱め界磁動作領域にあり、かつ／またはそれぞれの動作点の回転速度におけるトルクの最大の大きさから離れているものとすることができる。

【0016】

さらに、第１の好ましい実施形態では、制御装置は、それぞれの回転速度におけるそのトルクの大きさが、この回転速度における第１の動作領域でのトルクの最大の大きさよりも大きい動作点を含む、第１の動作領域と重ならずに定義された第２の動作領域内で、特にトルクとは無関係に、回転速度の上昇に伴って搬送周波数を増加させるように構成されるものとすることができる。搬送周波数値が都合よく、第１の動作領域の搬送周波数値に途切れずに隣接している第２の動作領域におけるトルクの全高調波歪みに対する影響は、あるとしても非常に小さいことが確認されている。この点において、第２の動作領域の定義は、全高調波歪みの低減を、電気機械のより高い負荷の動作点、特に全負荷動作まで拡張することを可能にする。この場合の全負荷動作は、本発明の文脈では一般に、それぞれの回転速度に対するトルクの最大の大きさを有する動作点を含む動作モードとして理解することができる。

【0017】

したがって、第２の動作領域は、完全に電力制限動作領域もしくは弱め界磁動作領域内に位置し、かつ／または最大全負荷動作まで及ぶものとすることができる。

【0018】

特に、制御装置が、不連続パルス幅変調、特に一般化された不連続パルス幅変調（ＧＤＰＷＭ）によってパルス幅変調スイッチング信号を生成するように構成されるものとすることができる、本発明の第２の好ましい実施形態を以下で説明する。

【0019】

第２の好ましい実施形態では、制御装置が、それぞれの回転速度におけるそのトルクの大きさが、この回転速度における第１の動作領域でのトルクの最大の大きさよりも大きい動作点を含む、第１の動作領域と重ならずに定義された第２の動作領域内で、回転速度の減少およびトルクの減少に伴って搬送周波数を増加させるように構成されれば有利である。

【0020】

代替的または追加的に、第２の好ましい実施形態における本発明による制御装置は、それぞれの回転速度におけるそのトルクの大きさが、この回転速度における第１の動作領域でのトルクの最大の大きさよりも大きい動作点を含む、第１の動作領域と重ならずに定義された第３の動作領域内で、回転速度の上昇およびトルクの減少に伴って、またはトルクとは無関係に回転速度の上昇に伴って搬送周波数を増加させるように構成される。

【0021】

第３の動作領域は、典型的には、それぞれの回転速度におけるそのトルクの大きさが、第２の動作領域にあるこの回転速度におけるトルクの最大の大きさよりも大きい動作点を含む。

【0022】

第２の好ましい実施形態では、第１の動作領域および／または第２の動作領域および／または第３の動作領域は、最大全負荷動作まで及ぶことができ、かつ／または基本回転速度動作領域から電力制限動作領域または弱め界磁動作領域内まで及ぶことができる。

【0023】

本発明による制御装置の有利な発展形態では、さらに、事前定義された、または事前定義可能な最小値を下回る搬送周波数を決定するようには構成されないものとすることができる。低い値の回転速度およびトルクでの搬送周波数が非常に低くなるために、それらと電気機械のそれぞれの相電流の周波数との比が事前定義された最小比を下回る可能性は、このようにして回避される。最小値が指定される動作点も、その程度まで、さらなる動作領域とみなすことができる。

【0024】

特に少ない労力で本発明による制御装置の実装形態を可能にするために、制御装置が、搬送周波数値を回転速度値とトルク値の対に割り当てる特性マップから搬送周波数を選択するように構成されることが好ましい。特性マップは、例えば、ルックアップテーブルによって実現することができる。制御装置は、典型的には、特性マップが格納されたメモリユニットを備える。

【0025】

さらに、特性マップは、それらの対および搬送周波数値の少なくとも区分的線形割り当てを記述するものとすることができる。あるいは、特性マップが個別の対によって定義されること、および制御装置が、個別の対に割り当てられた搬送周波数値の特に線形補間によって搬送周波数を決定するように構成されることも可能である。

【0026】

特性マップの使用の代替形態として、本発明による制御装置を、動作点に依存して搬送周波数を決定することができる解析的計算仕様によって搬送周波数を決定するように構成することもできる。

【0027】

特性マップまたは計算仕様は、例えば、インバータと電気機械との特定の構成についての測定またはシミュレーションによって決定することができる。

【0028】

本発明による制御装置は、更新された動作点情報の受け取り時、および／または事前定義された、もしくは事前定義可能な期間が経過した後、および／または電気機械の電気周期の完結後、および／またはそれぞれのスイッチング信号の期間の完了後に更新された搬送周波数を決定するようにさらに構成することができる。よって、搬送周波数を、好都合な時点における瞬時動作点に適合させることができる。

【0029】

さらに、本発明による制御装置は、入力で受け取られたトルク情報および／もしくは入力で受け取られた回転速度情報から、かつ／または入力で受け取られた電気機械に供給する相電流を記述する電流情報に依存して動作点情報を決定し、かつ／またはスイッチング信号を決定するための制御の状況において動作点情報を推定するように構成されることが可能である。トルクは、特に、電流情報から決定することができる。

【0030】

本発明が基づく目的は、スイッチング素子を制御するスイッチング信号に応じて入力側に存在する電圧を電気機械を動作させるための交流電流に変換するように相互接続されたスイッチング素子を備えるインバータと、本発明による制御装置とによってさらに達成される。

【0031】

インバータは、単一のコンデンサ素子として、または並列および／もしくは直列に接続された複数のコンデンサ素子として特に設計されたＤＣリンクコンデンサをさらに備えることができる。

【0032】

インバータは、アナログ測定信号を電流情報および／または回転速度情報および／またはトルク情報に変換するように設計されたアナログ・デジタル変換器をさらに備えることができる。

【0033】

本発明が基づく目的は、本発明によるインバータと、インバータによって動作することができる電気機械とを備えたアセンブリによってさらに達成される。

【0034】

ここでは、搬送周波数の決定が以下の関係を表す場合が好ましい。

【数5】

【数6】

および

【数7】

【0035】

式中、
ｆ_ＰＷＭ（Ｍ，ｆ_ｒｏｔ）は、トルクＭおよび回転速度ｆ_ｒｏｔに依存して決定されるべき搬送周波数を記述し、
ｍ_ＴＨＤは、インバータの出力電圧の全高調波歪みの歪み尺度を記述し、
ｆ_{ＰＷＭ，ｍｉｎ}は、事前定義された、または事前定義可能な最小搬送周波数を記述し、
ｆ_{ＰＷＭ，ｌｏｓｓｅｓ}（Ｍ，ｆ_ｒｏｔ）は、最小搬送周波数

【数8】

でのインバータの全損失の最大値、最小搬送周波数

【数9】

でのスイッチング損失、および導電損失Ｐ_ｃを考慮に入れた、トルクＭおよび回転速度ｆ_ｒｏｔに依存する搬送周波数を記述し、

【数10】

は、最小搬送周波数

【数11】

での歪み尺度、および損失に依存する搬送周波数

【数12】

での歪み尺度の最大値を考慮に入れた、トルクＭおよび回転速度ｆ_ｒｏｔに依存する搬送周波数を記述し、

【数13】

は、

【数14】

、

【数15】

およびｆ_{ＰＷＭ，ｍｉｎ}の、特にシミュレーションまたは測定によって決定された関数を記述する。

【0036】

ＷＴＨＤが歪み尺度として使用される場合、以下を適用することができる。

【数16】

【0037】

本発明が基づく目的は、制御装置によって実行される、インバータの動作のためのパルス幅変調スイッチング信号の搬送周波数を、回転速度が増加し、トルクの大きさが減少するに従い、下限回転速度がゼロとは異なり、上限回転速度が電力制限動作領域または弱め界磁動作領域にある回転速度間隔内に広がる動作領域内で搬送周波数が増加するように、電気機械の回転速度およびトルクによって定義される動作点を記述する動作点情報に依存して決定するステップと、インバータのスイッチング素子にスイッチング信号を供給するステップと、を含む、電気機械に給電するためのインバータを動作させるための方法によってさらに達成することができる。

【0038】

本発明が基づく目的は、プログラムがコンピュータによって実行されると、コンピュータに、制御装置によって実行される本発明による方法のステップを実行させるコマンドを含むコンピュータプログラムによって最終的に達成される。

【0039】

本発明による制御装置、本発明によるインバータ、および本発明によるアセンブリに関するすべての説明は、本発明による方法および本発明によるコンピュータプログラムにも同様に適用することができ、よって、上述の利点もまたこれらにより達成することができる。

【0040】

本発明のさらなる利点および詳細は、以下で説明される例示的な実施形態から、図面に基づいて明らかになる。これらの図面は、以下の概略図である。

【図面の簡単な説明】

【0041】

【図1】本発明によるインバータの例示的な実施形態および本発明による制御装置の例示的な実施形態を備えた本発明によるアセンブリの例示的な実施形態のブロック図である。

【図2】図１に示されたアセンブリの動作に関する動作領域が描かれたトルク回転速度図である。

【図3】先行技術によるアセンブリのＷＴＨＤが描かれたトルク回転速度図である。

【図4】先行技術のアセンブリのインバータの全損失が描かれたトルク回転速度図である。

【図5】本発明によるアセンブリのさらなる例示的な実施形態を動作させるときの搬送周波数値が描かれたトルク回転速度図である。

【図6】さらなる例示的な実施形態のＷＴＨＤが描かれたトルク回転速度図である。

【図7】さらなる例示的な実施形態のインバータの全インバータ損失が描かれたトルク回転速度図である。

【図8】図１に示されたアセンブリのさらなる例示的な実施形態の動作に関する動作領域が描かれたトルク回転速度図である。

【図9】先行技術によるさらなるアセンブリのＷＴＨＤが描かれたトルク回転速度図である。

【図10】先行技術によるさらなるアセンブリの全インバータ損失が描かれたトルク回転速度図である。

【図11】本発明によるアセンブリのさらなる例示的な実施形態を動作させるときの搬送周波数値が描かれたトルク回転速度図である。

【図12】さらなる例示的な実施形態のＷＴＨＤが描かれたトルク回転速度図である。

【図13】さらなる例示的な実施形態のインバータの全インバータ損失が描かれたトルク回転速度図である。

【発明を実施するための形態】

【0042】

図１は、インバータ２の例示的な実施形態と、部分的または完全に電動式であり得るビークルを駆動するように構成された電気機械３とを備えた、アセンブリ１の例示的な実施形態のブロック図である。アセンブリ１は、本例では高電圧バッテリとして設計されるＤＣ電圧源４をさらに備える。

【0043】

インバータ２は、本例ではＥＭＣフィルタとして設計されるフィルタ装置５と、ＤＣリンクコンデンサ６と、パワーユニット７と、制御装置８の例示的な実施形態と、第１の測定装置９と、第２の測定装置１０と、アナログ・デジタル変換装置１１とを備える。

【0044】

パワーユニット７は、半導体スイッチング素子、例えば、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴとして設計された複数のスイッチング素子１２を備える。スイッチング素子１２は、対で接続されてハーフブリッジを形成する。駆動回路１４は、それぞれのスイッチング素子１２の制御入力１３の前に接続される。明確にするために、ここでは１つのスイッチング素子１２および１つの駆動回路１４のみに符号が付されている。駆動回路１４は、電気機械３に給電するための電圧がハーフブリッジのそれぞれのタップで供与されるように提供される、制御装置８からのパルス幅変調スイッチング信号１５を受け取る。したがって、パワーユニット７は、スイッチング信号１５に応じて、ＤＣリンクコンデンサ６によって平滑化されたＤＣリンク電圧を、この場合は３相を有する電圧に変換する。

【0045】

第１の測定装置９は、相電流を取得し、第１の測定装置９のアナログ測定信号をデジタル電流情報１６に変換するアナログ・デジタル変換装置１１に測定信号を提供するように構成される。したがって、第２の測定装置１０は、電気機械３の回転速度を取得し、第２の測定装置１０のアナログ測定信号をデジタル回転速度情報１７に変換するアナログ・デジタル変換装置１１に測定信号を提供するように構成される。制御装置８は、その入力で電流情報１６および回転速度情報１７を受け取る。

【0046】

制御装置８は、電流情報１６および回転速度情報１７に基づいて、電気機械３の回転速度およびトルクによって定義される動作点を記述する動作点情報を決定する。制御装置８は、パルス幅変調スイッチング信号１５の搬送周波数を決定するように構成される。このために、制御装置８は、回転速度値とトルク値の対に搬送周波数値を割り当てる特性マップが格納されるメモリユニット１８を備える。制御装置８は、動作点情報に基づいて、特性マップから対応する搬送周波数値を選択する。

【0047】

図２は、図１に示されるアセンブリを動作させるときの動作領域が描かれたトルク回転速度図であり、トルクはＭで示され、回転速度はｆ_ｒｏｔで示されている。この例示的な実施形態では、スイッチング信号１５は、連続空間ベクトル変調（ＳＶＭ）によって決定されている。

【0048】

この図は、各対と搬送周波数値との間の関連付けを記述する特性マップを示している。図２には、基本回転速度動作領域２０から電力制限動作領域２１内または弱め界磁動作領域内に移行するときの最大トルクの大きさを記述する、コーナ動作点１９が最初に示されている。搬送周波数値の選択された等値線は、一点鎖線で示されている。

【0049】

第１の動作領域２２は、下限回転速度２３がゼロとは異なり、上限回転速度２４が電力制限動作領域２１または弱め界磁動作領域にある回転速度間隔内に広がる。第１の動作領域２２の第１の境界２５は、その回転速度が下限回転速度２３に対応する基本回転速度動作領域にある第１の動作点２６から、その回転速度が下限回転速度２３よりも大きく、そのトルクの大きさが第１の動作点２６のトルクの大きさよりも大きい第２の動作点２７まで延びる。第２の動作点２７は、電力制限動作領域２１または弱め界磁動作領域にあり、第２の動作点２７の回転速度におけるトルクの最大振幅から離間している。

【0050】

第１の動作領域２２の第２の境界２８は、その回転速度が上限回転速度に対応する第１の動作点２９から、第１の境界２５の第２の動作点２７と同一の第２の動作点まで延びる。

【0051】

制御装置８は、回転速度の上昇およびトルクの大きさの減少に伴って、第１の動作領域２２内の搬送周波数を増加させるように構成される。これは、この図以降では、矢印によって表されている。

【0052】

第１の動作領域２２と重ならないように定義された第２の動作領域３０は、それぞれの回転速度におけるそのトルクの大きさが、第１の動作領域にあるこの回転速度におけるトルクの最大の大きさよりも大きい動作点を含む。第２の動作領域３０は、完全に電力制限動作領域２１または弱め界磁動作領域内に位置し、それぞれの回転速度に対してトルクの可能な最大の大きさが存在する特性マップに線で記述された全負荷動作３０ａまで及ぶ。制御装置８は、トルクとは無関係に、回転速度の上昇に伴って第２の動作領域３０内で搬送周波数を増加させるように構成される。

【0053】

制御装置８は、最終的に、事前定義された最小値を下回る搬送周波数を決定しないように構成される。この点に関して、最小値が指定されたさらなる動作領域３１が描かれている。さらなる動作領域３１は、第１の境界２５の低回転速度側の動作点、および第２の動作領域３０の境界２８ａを含む。

【0054】

要約すると、動作領域２２、３０、３１の特性マップは、以下の関係を形成する。

【数17】

【数18】

および

【数19】

【0055】

式中、
ｆ_ＰＷＭ（Ｍ，ｆ_ｒｏｔ）は、トルクＭおよび回転速度ｆ_ｒｏｔに依存して決定されるべき搬送周波数を記述し、
ＷＴＨＤは、インバータ２の出力電圧の全高調波歪みの例示的な歪み尺度としての重み付き全高調波歪みを記述し、
ｆ_{ＰＷＭ，ｍｉｎ}は、最小搬送周波数を記述し、
ｆ_{ＰＷＭ，ｌｏｓｓｅｓ}（Ｍ，ｆ_ｒｏｔ）は、最小搬送周波数

【数20】

での全損失の最大値、最小搬送周波数

【数21】

でのスイッチング損失、および導電損失Ｐ_ｃを考慮に入れた、トルクＭおよび回転速度ｆ_ｒｏｔに依存する搬送周波数を記述し、
ｆ_{ＰＷＭ，ＷＴＨＤ}（Ｍ，ｆ_ｒｏｔ）は、最小搬送周波数

【数22】

での重み付き全歪み、および損失に依存する搬送周波数

【数23】

での重み付き全歪みの最大値を考慮に入れた、トルクＭおよび回転速度ｆ_ｒｏｔに依存する搬送周波数を記述する。

【0056】

制御装置８は、搬送周波数を定期的に更新するように構成される。これは、例えば、更新された動作点情報の受け取り時、事前定義された、もしくは事前定義可能な期間が経過した後、電気機械３の電気周期の完結後、またはそれぞれのスイッチング信号１５の期間の完了後に行われる。上記の更新イベントの組み合わせも可能である。

【0057】

図３および図４は、ＳＶＭが使用される先行技術による図１に対応するアセンブリに関する。しかしながら、このアセンブリでは、搬送周波数がトルク回転速度図のすべての動作点に対して一定の１０ｋＨｚに指定されるものとする。

【0058】

図３は、先行技術によるアセンブリのＷＴＨＤが描かれたトルク回転速度図である。ＷＴＨＤは、図３に、ＷＴＨＤの値がパーセント単位で与えられる等値線で示されている。ＷＴＨＤは、基本的に回転速度の増加と共に上昇し、大きさが低いトルクで特に顕著であることが分かる。ここで、高い値のＷＴＨＤは、電気機械３に不必要な振動を引き起こす可能性がある。

【0059】

図４は、先行技術によるアセンブリのインバータの全損失が描かれたトルク回転速度図である。全損失は、図４に、全損失の値がｋＷ単位で与えられる等値線で示されている。大雑把には、１０ｋＨｚの一定の搬送周波数での全損失は、トルクの大きさが増加するに従って増加し、回転速度とはほとんど無関係である。

【0060】

図５、図６および図７は、上述の図１および図２の例示的な実施形態に対応するアセンブリ１のさらなる例示的な実施形態に関する。アセンブリ１の具体的な設計は、ここでは、最大１２０００ｍｉｎ^－１の回転速度まで及び、約－２５０～２５０Ｎｍのトルクをカバーする特性マップで示されている。搬送周波数の決定は動作点に依存する。スイッチング信号１５は、ＳＶＭによって決定される。

【0061】

図５は、さらなる例示的な実施形態の動作中の搬送周波数値が描かれたトルク回転速度図である。特性マップは、ここでは実験的に基づいて、またはシミュレーションによって決定されている。動作領域２２、３０、３１、およびコーナ動作点１９が示されている。

【0062】

図６は、ＷＴＨＤが描かれたトルク回転速度図であり、図は図３に対応する。図６と図３との比較より、動作点に依存して搬送周波数を決定することによって、１．３％の最大ＷＴＨＤ値が達成され、これは、先行技術による一定の搬送周波数仕様での３．０％を超える最大ＷＴＨＤ値よりも著しく低いことが分かる。

【0063】

図７は、インバータ２の全損失が描かれたトルク回転速度図であり、図は図４に対応する。図７と図４との比較より、一定の搬送周波数仕様で高いＷＴＨＤ値が発生する領域における全損失は、先行技術の前損失をわずかに上回って増加することが分かる。しかしながら、最大全損失は、スイッチング素子１２の熱耐久性が特にこれに向けられなければならないため、特に注目に値する。これらは実質的に不変であることが有利である。よって、動作点に依存した搬送周波数仕様は、電気機械３の広い動作領域にわたって全高調波歪みを大幅に低減させることを可能にし、それによって最大全損失を増加させることはない。

【0064】

図８は、図１に示されたアセンブリ１のさらなる例示的な実施形態の動作に関する動作領域が描かれたトルク回転速度図である。この例示的な実施形態では、スイッチング信号１５は、一般化された不連続パルス幅変調（ＧＤＰＷＭ）によって、すなわち不連続変調方式を使用して決定される。

【0065】

図８には、回転速度の上昇およびトルクの大きさの減少に伴って搬送周波数がその範囲内で増加し、下限回転速度２３と、電力制限動作領域２１または弱め界磁動作領域にある上限回転速度２４との間に広がる第１の動作領域２２が再度示されている。第１の動作領域２２の第１の境界２５は、その回転速度が下限回転速度２３に対応する基本回転速度動作領域２０にある第１の動作点２６から、その回転速度が下限回転速度２３よりも大きく、そのトルクの大きさが第１の動作点２６のトルクの大きさよりも大きい第２の動作点２７まで延びる。しかしながら、第２の動作点２７もまた基本回転速度動作領域２０にあり、第１の境界２７は全負荷動作領域３０ａ内まで延びる。

【0066】

第１の動作領域２２の第２の境界２８は、その回転速度が上限回転速度２４に対応する第１の動作点２９から、ただし、基本回転速度動作領域２０および全負荷動作領域３０ａ内にあり、第１の境界２５の第２の動作点２７よりも高い回転速度を有する第２の動作点３２まで延びる。

【0067】

図８は、それぞれの回転速度におけるそのトルクの大きさが、第１の動作領域２２にあるこの回転速度におけるトルクの最大の大きさよりも大きい動作点を含む、第１の動作領域２２と重ならないように定義された特性マップの第２の動作領域３３をさらに示している。第２の動作領域３３は、第１の動作領域２２に直接隣接している。第２の動作領域３３の一方の境界３４は、電力制限動作領域２１または弱め界磁動作領域にある上限回転速度３５から、最大、基本回転速度動作領域２０内の全負荷動作領域３０ａまで延びる。制御装置８は、回転速度の低下およびトルクの減少に伴って第２の動作領域３３内で搬送周波数を増加させるように構成される。

【0068】

特性マップでは第３の動作領域３６も定義され、それぞれの回転速度におけるそのトルクの大きさが、動作領域２２、３３にあるこの回転速度におけるトルクの最大の大きさよりも大きい動作点を含む。第３の動作領域３６は、第２の動作領域３３の境界３４を越えて、基本回転速度動作領域２０と、電力制限動作領域２１または弱め界磁動作領域とにある。制御装置８は、回転速度の上昇およびトルクの減少に伴って、または代替として、トルクとは無関係に、回転速度の上昇に伴って第３の動作領域３６内で搬送周波数を増加させるように構成される。

【0069】

他の点では、この例示的な実施形態は、図１および図２を参照して説明されたように、第１の例示的な実施形態に対応する。

【0070】

図９および図１０は、先行技術による図１に対応するアセンブリに関する。しかしながら、このアセンブリでは、搬送周波数がトルク回転速度図のすべての動作点に対して一定の１５．９ｋＨｚに指定され、ＧＤＰＷＭが使用されるものとする。

【0071】

図９は、先行技術によるアセンブリのＷＴＨＤが描かれたトルク回転速度図である。ＷＴＨＤは、図９に、ＷＴＨＤの値がパーセント単位で与えられる等値線で示されている。異なるタイプの変調に起因して、ＷＴＨＤは、図３によるＳＶＭが使用される場合とは異なって分布することが分かる。近似として、ここでは、ＷＴＨＤは小さな値のトルクに対してより高い値を用いると規定することができる。しかしながら、ＷＴＨＤの全域的最大値は、電力制限動作領域または弱め界磁動作領域において０Ｎｍのトルクで存在する。

【0072】

図１０は、先行技術によるアセンブリのインバータの全損失が描かれたトルク回転速度図である。全損失は、図１０に、全損失の値がｋＷ単位で与えられる等値線で示されている。全損失の分布は、図４によるＳＶＭによる分布にほぼ対応する。

【0073】

図１１、図１２および図１３は、上述の図１および図８の例示的な実施形態に対応するアセンブリ１のさらなる例示的な実施形態に関する。アセンブリ１の具体的な設計は、ここでもやはり、最大１２０００ｍｉｎ^－１の回転速度まで及び、約－２５０～２５０Ｎｍのトルクをカバーする特性マップで示されている。搬送周波数の決定は動作点に依存する。スイッチング信号１５は、ＧＤＰＷＭによって決定される。

【0074】

図１１は、さらなる例示的な実施形態の動作中の搬送周波数値が描かれたトルク回転速度図である。特性マップは、ここでは実験的に基づいて、またはシミュレーションによって決定されている。動作領域２２、３１、３３、３６、およびコーナ動作点１９が示されている。

【0075】

図１２は、ＷＴＨＤが描かれたトルク回転速度図であり、図は図９に対応する。図１２と図９との比較より、動作点に依存して搬送周波数を決定することによって、０．９％の最大ＷＴＨＤ値が達成され、これは、先行技術による一定の搬送周波数仕様での２．５％を超える最大ＷＴＨＤ値よりも著しく低いことが分かる。

【0076】

図１３は、インバータ２の全損失が描かれたトルク回転速度図であり、図は図１０に対応する。図１３と図１０との比較より、図４および図７を参照して説明された利点は、ＧＤＰＷＭの使用によっても達成されることが分かる。

【0077】

以下のさらなる例示的な実施形態は、前述の例示的な実施形態のいずれかに基づくものとすることができ、制御装置８のさらなる例示的な実施形態によれば、特性マップは個別の対によって定義され、制御装置８は、個別の対に割り当てられた搬送周波数値の補間、特に線形補間によって搬送周波数を決定するように構成される。さらなる例示的な実施形態によれば、制御装置８は、特性マップに基づく代わりに動作点に依存して搬送周波数を決定することができる解析的計算仕様によって搬送周波数を決定するように構成される。さらなる例示的な実施形態によれば、トルク情報は、電流情報１６を参照して得られるのではなく、スイッチング信号１５を決定するための制御の状況において制御装置８によって推定または測定される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【国際調査報告】