用于驅控變流器電路的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于驅控具有至少兩個串聯(lián)連接的子模塊(28，30，32)的變流器電路(4)的方法，該變流器電路通過電感件(26)從提供直流電壓的電源(8)中獲取電功率。在此，每個子模塊(28，30，32)在輸入端一側具有單相半橋(48)，并且在負載一側具有單相全橋(50)，并且所述半橋(48)和全橋(50)連接在直流電壓一側，并且與之并聯(lián)連接有中間回路電容器(24)。所述方法包括以下步驟：基于需要由子模塊(28，30，32)的全橋(50)提供給電負載(10，12，14)的電功率(74)調節(jié)來自電源(8)的電流(22)；檢測從電負載(10，12，14)到分別連接著的逆變器(50)中的負功率流(72)；并且在檢測負功率流(72)期間，使來自全橋(50)的電功率(74)在電源(8)的方向上暫時回流。
【專利說明】用于驅控變流器電路的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于驅控變流器電路的方法、一種用于驅控變流器電路的裝置、一種變流器電路和一種車輛。
【背景技術】
[0002]在機動車驅動系統(tǒng)中用于為電動機的電機繞組供應電能的變流器電路例如由Lukas Lamberts等人于2010年9月08至09在Aschaffenburg的EMA2010會議中公開的“用于機動車傳動的高頻變頻器”已知。
[0003]在此涉及一種被設計用于將電源的直流電壓轉換成多個交流電壓的電路。在串連的子模塊中產生各個交流電壓，直流電壓的一部分在輸入端一側分別在這些子模塊處下降。在子模塊內部，分別通過作為逆流器工作的單相全橋將直流電壓的相應部分轉換成能夠提供給電機繞組中任一個的交流電壓。單相全橋包括兩個單相半橋，它們被分別設計用于產生交流電壓相位，從而使兩個交流電壓相位相加形成單相的交流電壓。
[0004]在各個子模塊的輸入端處下降的分電壓在通過全橋逆變之前通過升壓變換器增高。升壓變換器包括串聯(lián)連接在電源和全橋的串聯(lián)電路之間的電感件以及每個子模塊中的輸入端半橋。全橋和半橋在子模塊內部連接在直流電壓一側。
[0005]一個中間回路電容器并聯(lián)于全橋并且并聯(lián)于在每個子模塊中的輸入端半橋，它能夠中間存儲電能，例如來自電機繞組的無功功率流的電能。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，改進已知的變流器電路。
[0007]該目的通過獨立權利要求所述的特征得以實現(xiàn)。優(yōu)選的改進方案是從屬權利要求的對象。
[0008]根據本發(fā)明，檢測從連接到全橋中的任一個上的電負載到電源的負功率流，并且在負功率流期間，使來自全橋的電功率在電源的方向上暫時回流。
[0009]本發(fā)明所基于的考慮是，可以基于需要由全橋提供給所連接的負載的有效電功率調節(jié)來自電源的電流?；谒B接的負載的耗電器屬性，需要提供的有效功率必須總是正的。因此通過調節(jié)有效功率來固定地預設了模塊式變流器的每個子模塊上的電壓和電流的方向。各個全橋上的分電壓的方向通過電源的輸出電壓預先規(guī)定，并且無法簡單地反向進行。來自電源的電流方向是由應提供有效功率的必要性得出的，從而盡管通過先前提及的有效功率調節(jié)能夠調節(jié)來自電源的電流的大小，但是不能調節(jié)它的方向。
[0010]此外，本發(fā)明所基于的認識是，子模塊中的全橋通過將分電壓轉換成交流電壓不僅向所連接的耗電器提供有效功率，而且還提供無功功率，無功功率的功率流方向周期性地逆轉。正如已經闡述過的那樣，基于有效功率調節(jié)使得來自電源的電流不會逆轉，從而在輸入端一側向具有該全橋的子模塊持續(xù)地輸送有效功率。然而，在負的無功功率流周期的情況下，電功率從在輸出端一側連接的電負載流入全橋中，使得電功率從兩側流入具有該全橋的子模塊。因為這樣輸送給子模塊的電能無法從該子模塊中流走，所以它可能必須中間存儲在該子模塊中。然而這可能要求為每個子模塊提供具備相應能力的電能存儲器。然而，這類能量存儲器可能在構造空間、成本和重量方面不被允許地增加整個變流器電路的復雜程度，這特別是在車輛【技術領域】可能無法接受。
[0011]雖然可以嘗試設置沒有無功功率需求的電負載。但是這樣一來特別是在驅動技術中一開始就要排除使用特別有利的驅動方案，例如異步電動機。
[0012]與此相對地，本發(fā)明建議的是，如果具有無功功率需求的電負載向它的相應的全橋中饋入電功率，那么至少使電功率從負載暫時回流到電源中。以這種方式實現(xiàn)功率持久地流過全橋，從而必須中間存儲在具有全橋的各個子模塊中的較少的電能。
[0013]因此，本發(fā)明提供一種用于驅控具有至少兩個串聯(lián)連接的子模塊的變流器電路的方法，該變流器電路通過電感件從提供直流電壓的電源中獲取電功率。在此，每個子模塊在輸入端一側具有單相半橋，并且在負載一側具有單相全橋，并且半橋和全橋連接在直流電壓一側，并且與之并聯(lián)有中間回路電容器。該方法包括以下步驟:基于需要由子模塊的全橋提供給電負載的電功率調節(jié)來自電源的電流；檢測從電負載到分別連接的逆變器中的負功率流；并且在檢測負功率流期間，使來自全橋的電功率在電源的方向上暫時回流。
[0014]通過所給出的方法可以純粹根據負載上需要的有效功率來調節(jié)變流器電路，而不需要具有全橋的各個子模塊中具備有效的能量存儲器。這能減少相應的變流器電路的成本、構造空間和重量。
[0015]在本發(fā)明的一種改進方案中，所給出的方法包括以下步驟:逆轉來自電源的電流，用于使來自全橋的電功率回流。以這種方式能夠在技術上特別簡單地實施所述方法，這是因為各個全橋上的分電壓由于其與電源的串聯(lián)連接而不能順利地逆轉。
[0016]在本發(fā)明的一種特別的改進方案中，電流的振幅的值在電流逆轉時是相等的。
[0017]在本發(fā)明的一種優(yōu)選的改進方案中，所給出的方法包括:將電負載作為發(fā)電機運行，用于使電功率回流。這種方法變化方案對于以下負載特別有利，即這些負載能夠可逆地存儲由全橋提供的電功率，并且可能使它們回流到全橋中。于是可以短時間地中斷從電源例如向電機輸送的電功率，該電機也可以用作發(fā)電機，從而使得起制動作用的并且用作發(fā)電機的電機則將電流饋入向全橋內，并且因此逆轉來自電源的電流。
[0018]在本發(fā)明的另一種改進方案中，以循環(huán)間隔使來自全橋的電功率暫時回流。這種方法實施方式所基于的考慮是，從電負載回流到全橋中的電功率也必須存儲在整個系統(tǒng)的任一處。通過使電功率從全橋中循環(huán)地回流能夠使存儲這些回流的電功率的要求最小化，這是因為功率流的方向以預定的間隔逆轉，并且因此能夠達到較小的平均功率流，該平均功率流導致整個系統(tǒng)在能量方面的加載相對較少。
[0019]在本發(fā)明的一種特別的改進方案中，循環(huán)的間隔是恒定的，從而能夠達到為零的平均功率流。
[0020]在本發(fā)明的一種優(yōu)選的改進方案中，電功率在每個循環(huán)周期內的回流在時間上的持續(xù)時長取決于需要從電源提供的電功率。因為能夠從來自電源的可測電流和可測電壓中推導出需要由電源提供的電功率的變化曲線，所以從該變化曲線中只需要讀取在每個循環(huán)周期內電功率回流的持續(xù)時長。這例如能夠由此實現(xiàn)，即，通過脈寬調制將需要提供的電功率的變化曲線轉換成脈寬調制的信號，其中，從脈寬調制的信號的占空比中能夠直接讀取在每個循環(huán)周期內電功率回流的持續(xù)時長。
[0021 ] 在本發(fā)明的另一種改進方案中，在每個循環(huán)周期內電功率回流的持續(xù)時長隨著電源的功率輸出提升或下降，從而使在持續(xù)時長和功率輸出之間形成明確的函數(shù)關系。
[0022]在本發(fā)明的一種可代替的改進方案中，所述方法包括:檢測存儲在連接在接收負功率流的全橋上的中間回路電容器中的電能；并且當被存儲的電能超過某個特定值時，使電功率回流。以這種方式實現(xiàn)一個準則，利用這個準則能夠調適性地基于全橋的負載量設置將電功率回流到電源中，從而能夠以最小值為目標設計全橋內的能量存儲器。
[0023]在本發(fā)明的附加的改進方案中，所述方法包括:當被存儲的電能低于另一個值時，結束電能的回流，從而確保通過使電功率回流到電源中而形成的功率流也不會過高地加載與全橋連接的中間回路電容器。
[0024]在本發(fā)明的一種特別的改進方案中，從自電源輸送到電負載中的功率的瞬時值在負功率流期間比在正功率流期間更大。
[0025]本發(fā)明也提供一種用于執(zhí)行所述方法的裝置。
[0026]在本發(fā)明的一種改進方案中，該裝置具有存儲器和處理器。在此，所述方法以計算機程序的形式存儲在存儲器中，并且當將計算機程序從存儲器中載入到處理器中時，該處理器設計用于執(zhí)行該方法。
[0027]本發(fā)明還提供了具有至少兩個串聯(lián)連接的子模塊的變流器電路，這兩個子模塊通過電感件從提供直流電壓的電源中獲取電功率。在此，每個子模塊在輸入端一側具有單相半橋，并且在負載一側具有單相全橋，并且半橋和全橋并聯(lián)在直流電壓一側，并且與它們并聯(lián)有中間回路電容器。該變流器電路包括所說明的裝置。
[0028]在本發(fā)明的一種改進方案中，變流器電路包括在輸入端一側與電源連接的電容，用于容納反饋的電功率。當電源并不設計用于接收電功率時，該電容可以容納來自電負載的反饋功率。
[0029]本發(fā)明還提供了 一種車輛，其包括電驅動器、電源和所說明的變流器電路，該變流器電路用于來調適來自用于電驅動器的電源的電功率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]結合以下對結合附圖更詳盡闡述的實施例的說明，能夠更加清楚并且明確地理解本發(fā)明的上述特征、特點和優(yōu)點以及實現(xiàn)這些特征和優(yōu)點的方式和方法，其中:
[0031]圖1示出具有示例性的模塊式變流器的電路，
[0032]圖2示出圖1的模塊式變流器中的一個子模塊的電路圖，
[0033]圖3示出根據現(xiàn)有技術的具有電流_、電壓時間變化曲線的示意圖表，
[0034]圖4示出根據現(xiàn)有技術的功率時間變化的示意圖表，和
[0035]圖5示出根據本發(fā)明的功率時間變化曲線的示意圖表。
【具體實施方式】
[0036]參見圖1，其示出具有示例性的變流器電路4的電路2。變流器電路4為耗電器6饋送來自電源8的電功率。
[0037]耗電器6具有第一負載10、第二負載12和第三負載14。[0038]在本實施方案中，電源8是電池8，它可以分解成具有與之串聯(lián)連接的內電阻18的電壓源16。電池8將電池電壓20施加在變流器電路4上，并且將電池電流22提供給變流器電路4。
[0039]變流器電路4在輸入端一側具有與電池8并聯(lián)連接的、電容器24形式的能量存儲器。在電容器24上并聯(lián)連接著由例如可以是線圈的電感件26、第一子模塊28、第二子模塊30和第三子模塊32組成的串聯(lián)電路。第一分電壓34、第二分電壓36和第三分電壓38在子模塊28至32處相應地下降。此外，在第一至第三子模塊28至32上相應地連接著第一至第三負載10至14。以這種方式，基于分電壓34至38，子模塊28至32以尚待描述的方式為負載10至14供應電能。在本實施方式中，對于子模塊和負載的數(shù)量而言選擇為三個。然而，變流器電路4可以具有數(shù)量為任意多個的子模塊28至32，并且因此可以為數(shù)量為任意多個的負載10至14饋電。但是，在串聯(lián)電路中連接的子模塊28至32越多，相應的分電壓34至38就越小。
[0040]每個子模塊28至32都具有第一輸入端子40、第二輸入端子42、第一輸出端子44和第二輸出端子45。分電壓34至38分別在第一和第二輸入端子處40，42下降，而在第一和第二輸出端子44，46上連接有負載10至14。
[0041]參見圖2，其示例性地示出了圖1的變流器電路2中的子模塊28的構造。第二和第三子模塊30，32以類似于第一子模塊28的方式構造而成。在圖2中，與圖1相同的元件配有相同的附圖標記，并且不再重復描述。
[0042]第一子模塊28具有第一半橋48、全橋50和中間回路電容器52,它們相互并聯(lián)連接。
[0043]第一半橋48具有第一開關54和與之串聯(lián)連接的第二開關56。在本實施方式中，這些開關分別由一個未詳盡標識的MOSFET (Metalloxid-Feldeffekttransistor (金屬氧化物場效應晶體管))和各一個與之并聯(lián)連接的續(xù)流二極管構成。
[0044]第一分電壓34施加在第一開關54上，而第二開關56串聯(lián)地連接在第一開關54和全橋50之間。因此，從全橋50的角度看，第一開關54使來自電池8的輸入端短路，而第二開關56 (在第一開關54打開時)能夠將全橋50接入電池8的電流路徑中。如果在每個子模塊28至32中都以相同的方式交替地打開和閉合開關54，56，那么連同電感件26 —起實現(xiàn)升壓變換器，它將分電壓34至38的總和設置得高于電池電壓20。此外，如果第一開關54持久地保持閉合，那么通過第一半橋48還可以持久地將逆變器50從三個子模塊28至32的串聯(lián)電路中移除。
[0045]全橋50實現(xiàn)為四象限調節(jié)器，它具有第一和第二未詳盡標識的半橋。兩個半橋的構造基本上類似于第一半橋。通過中間回路電容器52得以穩(wěn)定的分電壓34可以通過合適地驅控全橋50轉換成交流電壓58。交流電壓58施加在第一負載10上，并且通過第一負載10引發(fā)相應的交流電流60。如果第一負載10給全橋50輸送電能，那么它就能夠使相應的功率流回流到第一子模塊50中。全橋50的驅控對于專業(yè)技術人員來說是公知的，下面不必對其進行進一步的闡述。
[0046]參見圖3和4，它們示出了示意性圖表，其中繪制了根據現(xiàn)有技術在時間61期間的電流_、電壓-和功率變化曲線。在圖3和4中，與圖1和2相同的元件配有相同的附圖標記，并且不再重復描述。[0047]在圖3和4中，電池8的整體功率輸出對比交流電壓58和交流電流60。
[0048]由第一負載10接收的電功率在圖4中配有附圖標記62，而由第二負載12接收的電功率配有附圖標記64，并且由第三負載14接收的電功率配有附圖標記66。此外，在圖3中還示例性地為交流電壓58和交流電流60配有附圖標記。為了清楚起見，沒有標識第二和第三子模塊30，32的交流電壓和交流電流。
[0049]應該設定的是，根據額定值68調節(jié)耗電器6接收的全部的有效電功率。調節(jié)規(guī)定了電池電流22的方向，使得該方向無法逆轉，因為無法直接逆轉分電壓34至38，并且因此無法輕松地逆轉電池電壓20。
[0050]但是，因為每個子模塊28至32中的全橋50都向電負載10至14輸出交流電壓60，所以子模塊28至32和電負載10至14不僅交換有效功率，而且還交換無功功率。正如在圖4中所示的那樣，這在一定的時間區(qū)段70中導致在子模塊28至32的其中一個和連接在該子模塊28至32上的負載10至14之間出現(xiàn)負的功率流72-這就是說，相應的子模塊28至32從所連接的負載10至14中接收電功率。
[0051]因為正如已經提過的那樣，從電池向子模塊28至32的功率流無法逆轉，所以電池8通過在這些時間區(qū)段70內輸送超過額定值68的總功率74來補償從負載10至14到子模塊28至32中的負功率流72。換句話說，相應的子模塊28至32 —方面接收來自電池8的電能，并且另一方面接收來自它連接著的負載10至14的電能76，并且必須將它們相應地存儲在中間回路電容器52中。中間回路電容器52必須具備相應的大小。
[0052]在圖4中示出了來自所連接的負載10至14的電能76，它由在相應的時間區(qū)段70內對負功率流72的時間積分得出。
[0053]為了將用于在來自子模塊28至32的負功率流72期間存儲電能76的存儲器、也就是中間回路電容器52，保持得盡可能的小，建議排出來自子模塊28至32的負功率流72。
[0054]借助圖4所示的截取圖78更詳盡地對其進行闡述，其在圖5中示出。在圖5中，與圖4相同的元件配有相同的附圖標記，并且不再重復描述。
[0055]正如能夠在圖5中看到的那樣，在恒定的循環(huán)周期80內從電池8至耗電器6的總功率供應74在第一持續(xù)時長82逆轉。也就是說，總功率供應74逆轉，并且從耗電器6流向電池8。如果耗電器6例如是馬達，就可以通過以下方式得以實現(xiàn)，S卩，馬達在第一時長82期間作為發(fā)電機運行。在每個循環(huán)周期80的剩余的第二時長84內，總功率供應74保持為正的，也就是說從電池8輸送至耗電器6。
[0056]通過在第一時長82期間逆轉總功率供應74，由無功功率引起的負功率流72也自身逆轉。如從圖5中看出的那樣，這就導致向中間回路電容器52輸送電能76，該電能具有與圖4相比相反的前置符號。以這種方式，中間回路電容器52在各個循環(huán)周期80內恒定地充電和放電，由此使得在圖5中需要存儲的能量76的最大值比圖4中要小許多倍。
[0057]下面將總功率供應74的占空比86 (duty cycle)視為第二持續(xù)時長84與循環(huán)周期80的總時長之間的比例關系?？梢匀我獾剡x擇這個占空比86，例如保持恒定。
[0058]然而，特別優(yōu)選的是，本實施方式中的占空比86是從平均時間內輸送給耗電器6的平均值功率88的脈寬調制中得出的。因為脈寬調制對于專業(yè)技術人員來說是公知的，所以下面不必更詳盡地示出。
[0059]正如在圖5中能夠看到的那樣，總功率供應74的瞬時值90在第二持續(xù)時長84內大于平均值功率88的瞬時值92。
[0060] 盡管通過優(yōu)選實施例更詳盡地闡述和描述了本發(fā)明的細節(jié)，但是本發(fā)明不受到這些實施例的局限。專業(yè)技術人員可以從中推導出其他的變化方案，而不離開本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種用于驅控具有至少兩個串聯(lián)連接的子模塊(28，30，32)的變流器電路(4)的方法，所述變流器電路通過電感件(26)從提供直流電壓的電源(8)中獲取電功率，其中，每個所述子模塊(28，30，32)在輸入端一側具有單相半橋(48)并且在負載一側具有單相全橋(50)，并且其中，所述半橋(48)和所述全橋(50)連接在直流電壓一側，并且與所述半橋和所述全橋并聯(lián)有中間回路電容器(24)，其特征在于， -基于需要由所述子模塊(28，30，32)的所述全橋(50)提供給電負載(10，12，14)的電功率(74)調節(jié)來自電的所述電源(8)的電流(22)， -檢測從電負載(10，12，14)到分別連接的逆變器(50)中的負功率流(72)，并且 -在檢測所述負功率流(72)期間，使來自所述全橋(50)的所述電功率(74)在電的所述電源(8)的方向上暫時回流。
2.根據權利要求1所述的方法，所述方法包括逆轉來自所述電源(8)的所述電流(22)，用于使來自所述子模塊(28，30，32)的所述全橋(50)的電功率(74)回流。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述電流的振幅的值在電流逆轉時是相等的。
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法包括將所述電負載(10，12，14)作為發(fā)電機運行 ，用于使所述電功率(74)回流。
5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，以循環(huán)間隔(80)使來自所述子模塊(28，30，32)的所述全橋(50)的所述電功率(74)暫時回流。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述循環(huán)間隔(80)是恒定的。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其中，所述電功率(74)在每個循環(huán)周期(80)內的回流在時間上的持續(xù)時長(84)取決于需要從電的所述電源(8)輸出的電功率(88)。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述持續(xù)時長(84)隨著電的所述電源(8)的功率輸出(88)而增加。
9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法包括 -檢測存儲在連接在具有所述負功率流(72)的所述全橋(50)上的這些所述中間回路電容器(52)中的任一個所述中間回路電容器中的電能(76)，并且 -當被存儲的所述電能(76)超過某個特定值時，使所述電功率(74)回流。
10.根據權利要求9所述的方法，所述方法包括:當被存儲的所述電能(76)低于另一個值時，結束所述電功率(74)的所述回流。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，來自電的所述電源(8)的所述電功率(74)的瞬時值(90)在所述負功率流(72)期間比在正功率流期間更大。
12.一種用于執(zhí)行前述權利要求中任一項所述方法的裝置。
13.一種具有至少兩個串聯(lián)連接的子模塊(28，30，32)的變流器電路(4)，所述變流器電路通過電感件(26)從提供直流電壓的電源(8)中獲取電功率，其中，每個子模塊(28，30，32)在輸入端一側具有單相半橋(48)并且在負載一側具有單相全橋(50)，并且其中，所述半橋(48)和所述全橋(50)連接在直流電壓一側，并且與所述半橋和所述全橋并聯(lián)連接有中間回路電容器(24)，其特征在于根據權利要求12所述的裝置。
14.根據權利要求13所述的變流器電路(4)，所述變流器電路包括在輸入端一側與電源(8)連接的電容(24)，用于容納反饋的電功率(74)。
15.一種車輛，包括電驅動器(6)、電源⑶和根據權利要求13或14所述的變流器電路(4)， 所述變流器電路用來調適來自用于電驅動器(6)的電源(8)的電功率(74)。
【文檔編號】H02P27/08GK103999346SQ201280061919
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年11月16日 優(yōu)先權日:2011年12月19日
【發(fā)明者】漢斯-喬治·克普肯 申請人:西門子公司