DE102010019151B4 - Method and device for energy transmission in a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Bordnetz aufweist, wobei das Bordnetz mindestens einen Niedrigspannungsbereich (2) mit einem ersten Spannungsniveau aufweist, wobei die Vorrichtung (1) mindestens eine Elektromaschine (6), einen der Elektromaschine (6) zugeordneten Umrichter (7), mindestens einen Zwischenkreis-Kondensator (CZK), mindestens einen dem Niedrigspannungsbereich zugeordneten Energiespeicher, mindestens ein Element zur Spannungswandlung und mindestens eine Steuereinheit umfasst, wobei die Elektromaschine (6) in einem motorischen Betrieb oder generatorischen Betrieb betreibbar ist,wobei der Umrichter (7) mindestens eine Halbbrücke mit zwei Leistungsschaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) aufweist, wobei ein Abschnitt zwischen den Leistungsschaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) über einen ersten Versorgungspfad mit einer Klemme (K1, K2, K3) der Elektromaschine (6) elektrisch verbunden ist,wobei das Element zur Spannungswandlung mindestens zwei Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8) und mindestens eine Induktivität (L) umfasst,wobei die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung die Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) der mindestens einen Halbbrücke des Umrichters (7) sind, wobei die mindestens eine Induktivität (L) des Elements zur Spannungswandlung in einem zweiten Versorgungspfad, der den Niedrigspannungsbereich (2) und den zwischen den Leistungsschaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) der Halbbrücke liegenden Abschnitt der Halbbrücke elektrisch verbindet, angeordnet ist,wobei der zweite Versorgungspfad von dem ersten Versorgungspfad verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, dassdie Vorrichtung (1) eine Einheit (10) aufweist, die derart ausgebildet ist, zur Bestimmung mindestens einer mittleren Phasenspannung (UP1M) eine mittlere Phasenspannung (UP1M) des Umrichters (7) mindestens in Abhängigkeit einer gewünschten, in den Niedrigspannungsbereich (2) hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich (2) heraus zu übertragenden, Leistung (PNV) zu bestimmen, wobei die Vorrichtung (1) weiter mindestens eine Einheit (12) aufweist, die derart ausgebildet ist, zur Bestimmung von mindestens einer Motorspannung (US1, US2, US3) der Elektromaschine (6) eine Motorspannung (US1, US2, US3) der Elektromaschine (6) mindestens in Abhängigkeit einer gewünschten elektrischen Leistung (PEM) der Elektromaschine (6) zu bestimmen, wobei die Vorrichtung (1) weiter mindestens eine Einheit (13) aufweist, die derart ausgebildet ist, zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung (UP1,soll, UP2,soll,UP3,soll) eine Soll-Phasenspannung (UP1,soll, UP2,soll,UP3,soll) des Umrichters (7) mindestens in Abhängigkeit der mittleren Phasenspannung (UP1M) und der Motorspannung (US1, US2, US3) zu bestimmen, wobei die Steuereinheit ein Schalten der Leistungsschalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) des Umrichters (7) in Abhängigkeit der Soll-Phasenspannung (UP1,soll, UP2,soll,UP3,soll) steuert.Device for energy transmission in a motor vehicle, the motor vehicle having an on-board network, the on-board network having at least one low-voltage area (2) with a first voltage level, the device (1) having at least one electric machine (6), a converter assigned to the electric machine (6). (7), at least one intermediate circuit capacitor (CZK), at least one energy store assigned to the low-voltage range, at least one element for voltage conversion and at least one control unit, the electric machine (6) being operable in motor mode or generator mode, the converter (7) has at least one half-bridge with two power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6), wherein a section between the power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6) has a first supply path with a terminal (K1, K2, K3) of the electric machine (6) is electrically connected, the element for voltage conversion at least at least two power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8) and at least one inductor (L), the power switches of the voltage conversion element being the power switches (S1, S2, S3, S4, S5, S6 ) of the at least one half-bridge of the converter (7), wherein the at least one inductance (L) of the element for voltage conversion in a second supply path that connects the low-voltage range (2) and that between the power switches (S1, S2, S3, S4, S5 , S6) electrically connects the half-bridge portion of the half-bridge, the second supply path being different from the first supply path, characterized in that the device (1) has a unit (10) designed to determine at least one mean phase voltage (UP1M) a mean phase voltage (UP1M) of the converter (7) at least depending on a desired, in the low voltage range (2) into or out of the low voltage range h (2) to determine power (PNV) to be transmitted, the device (1) further having at least one unit (12) designed to determine at least one motor voltage (US1, US2, US3) of the electric machine (6) to determine a motor voltage (US1, US2, US3) of the electric machine (6) at least as a function of a desired electrical power (PEM) of the electric machine (6), the device (1) further having at least one unit (13), which is designed to determine at least one target phase voltage (UP1, target, UP2, target, UP3, target) a target phase voltage (UP1, target, UP2, target, UP3, target) of the converter (7) at least as a function the mean phase voltage (UP1M) and the motor voltage (US1, US2, US3), the control unit switching the circuit breakers (S1, S2, S3, S4, S5, S6) of the converter (7) depending on the target phase voltage (UP1, target, UP2, target, UP3, target) controls.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug.The invention relates to a method and a device for energy transmission in a motor vehicle.
In modernen Kraftfahrzeugen besteht oftmals die Notwendigkeit, elektrische Verbraucher mit einer Versorgungsspannung zu versorgen, die für unterschiedliche Verbraucher unterschiedliche Spannungshöhen haben kann. In der Regel werden Versorgungsspannungen unterschiedlicher Spannungshöhe von verschiedenen Energiespeichern, beispielsweise Batterien, zur Verfügung gestellt. So ist bekannt, für ein herkömmliches Niedrigspannungssystem Niedrigspannungsbatterien mit einer Ausgangsspannung von 12 V (herkömmliche Bordnetzbatterien) vorzusehen. Diese dienen einer Energieversorgung von beispielsweise Steuergeräten im Fahrzeug, die auf ein Spannungsniveau von 12 V ausgelegt sind. Mit der Zunahme von Steuergeräten und elektrischen Verbrauchern, insbesondere von elektrischen Verbrauchern mit einem hohen Leistungsbedarf, im Fahrzeug wurde die Idee entwickelt, eine so genannte Hochspannungsbatterie, die eine höhere Ausgangsspannung, beispielsweise 42 V, als die Niedrigspannungsbatterie aufweist, im Fahrzeug zu integrieren. Hierdurch wird z.B. bei gleichem Leistungsbedarf eine geringere Stromstärke benötigt, wodurch geringere Leitungsquerschnitte benutzt können. Hierbei sind die Niedrigspannungsbatterie und die Hochspannungsbatterie generell separat ausgebildet.In modern motor vehicles, there is often a need to supply electrical loads with a supply voltage that can have different voltage levels for different loads. As a rule, supply voltages of different voltage levels are made available by different energy stores, for example batteries. Thus, it is known to provide low-voltage batteries with an output voltage of 12 V (conventional vehicle electrical system batteries) for a conventional low-voltage system. These are used to supply power to control units in the vehicle, for example, which are designed for a voltage level of 12 V. With the increase in control devices and electrical consumers, in particular electrical consumers with a high power requirement, in the vehicle, the idea was developed of integrating a so-called high-voltage battery, which has a higher output voltage, for example 42 V, than the low-voltage battery in the vehicle. As a result, e.g. a lower current is required for the same power requirement, which means that smaller cable cross-sections can be used. Here, the low-voltage battery and the high-voltage battery are generally formed separately.
In klassischen, verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen besteht zudem die Problematik, dass für eine Umwandlung von elektrischer Energie aus der Bordnetzbatterie in mechanische Energie (motorischer Betrieb) und für die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie der Bordnetzbatterie (generatorischer Betrieb) in der Regel zwei unterschiedlich ausgebildete Elektromotoren (z.B. ein Anlasser und eine Lichtmaschine) benötigt werden.In classic vehicles powered by internal combustion engines, there is also the problem that there are usually two differently designed electric motors for converting electrical energy from the vehicle electrical system battery into mechanical energy (motor operation) and for converting mechanical energy into electrical energy from the vehicle electrical system battery (generator operation). (e.g. a starter and an alternator) are required.
Die
Die
Aus der WO 2007/ 123 884 A2 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug bekannt.A generic device for energy transmission in a motor vehicle is known from WO 2007/123 884 A2.
Aus der US 2007 / 0 200 521 A1 ist eine Vorrichtung zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei das Element zur Spannungswandlung durch zwei separate Schaltelemente sowie eine separate Induktivität gebildet wird.A device for energy transmission in a motor vehicle is known from US 2007/0 200 521 A1, the element for voltage conversion being formed by two separate switching elements and a separate inductor.
Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, welche einerseits eine wirkungsgradgünstige Energieübertragung ermöglichen und kostengünstig ausgeführt sind, wobei eine Energieübertragung aus einem Niedrigspannungsbereich des Bordnetzes an die Elektromaschine und/oder weitere Spannungsbereiche des Bordnetzes mit unterschiedlichen Spannungsniveaus sowie eine Energieübertragung von der Elektromaschine in den Niedrigspannungsbereich, insbesondere an die Bordnetzbatterie, und/oder die weiteren Spannungsbereiche ermöglicht wird.The technical problem arises of creating a method and a device for energy transmission in a motor vehicle which, on the one hand, enable energy transmission with favorable efficiency and are designed cost-effectively, with energy transmission from a low-voltage range of the vehicle electrical system to the electric machine and/or other voltage ranges of the vehicle electrical system different voltage levels and an energy transfer from the electric machine in the low-voltage range, in particular to the on-board battery, and / or the other voltage ranges is made possible.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Gegenständen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem results from the objects with the features of
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Bordnetz aufweist, wobei das Bordnetz mindestens einen Niedrigspannungsbereich mit einem ersten Spannungsniveau aufweist. An das Bordnetz sind hierbei elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeuges, insbesondere Steuergeräte des Kraftfahrzeuges, angeschlossen. Das erste Spannungsniveau kann beispielsweise 12 V betragen. Weiter umfasst die Vorrichtung mindestens eine Elektromaschine und einen der Elektromaschine zugeordneten Umrichter. Die Elektromaschine ist in einem motorischen Betrieb oder generatorischen Betrieb betreibbar. In einem motorischen Betrieb kann die Elektromaschine beispielsweise als Anlasser einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs dienen. In einem generatorischen Betrieb kann die Elektromaschine beispielsweise als Lichtmaschine eines Verbrennungskraftfahrzeuges dienen. Eine Betriebsspannung der Elektromaschine kann hierbei variabel, insbesondere höher als 12 V, sein. Vorzugsweise ist die Elektromaschine als dreiphasige Elektromaschine und der Umrichter als dreiphasiger Umrichter ausgebildet. Der Umrichter dient hierbei im motorischen Betrieb der Elektromaschine der Erzeugung einer Wechselspannung mit einer gewünschten Frequenz und einer gewünschten Amplitude aus einer Gleichspannung. Weiter dient der Umrichter im generatorischen Betrieb einer Erzeugung einer Gleichspannung mit einer gewünschten Amplitude aus einer von der Elektromaschine erzeugten Wechselspannung.A device for energy transmission in a motor vehicle is proposed, the motor vehicle having an on-board electrical system, the on-board electrical system having at least one low-voltage range with a first voltage level. In this case, electrical consumers of the motor vehicle, in particular control units of the motor vehicle, are connected to the vehicle electrical system. The first voltage level can be 12 V, for example. The device also includes at least one electric machine and a converter assigned to the electric machine. The electric machine can be operated in motor mode or generator mode. In motor operation, the electric machine can be used, for example, as a starter for an internal combustion engine in the motor vehicle. In generator operation, the electric machine can be used, for example, as an alternator in an internal combustion vehicle. An operating voltage of the electric machine can be variable, in particular higher than 12V. The electrical machine is preferably designed as a three-phase electrical machine and the converter as a three-phase converter. In this case, the converter serves to generate an AC voltage with a desired frequency and a desired amplitude from a DC voltage during motor operation of the electric machine. In generator operation, the converter is also used to generate a DC voltage with a desired amplitude from an AC voltage generated by the electric machine.
Selbstverständlich ist aber auch eine einphasige Ausbildung der Elektromaschine, beispielsweise als Gleichstrommaschine, denkbar.Of course, a single-phase design of the electric machine, for example as a DC machine, is also conceivable.
Weiter umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Zwischenkreiskondensator. Hierbei ist der Zwischenkreiskondensator vorzugsweise dem Umrichter vorgeschaltet, so dass eine Betriebs- oder Eingangsspannung des Umrichters gleich der über dem Zwischenkreiskondensator abfallenden Zwischenkreisspannung ist. Auch die Zwischenkreisspannung kann variabel sein, insbesondere kann die Zwischenkreisspannung höher als 12 V sein.The device according to the invention also includes at least one intermediate circuit capacitor. In this case, the intermediate circuit capacitor is preferably connected upstream of the converter, so that an operating or input voltage of the converter is equal to the intermediate circuit voltage drop across the intermediate circuit capacitor. The intermediate circuit voltage can also be variable, in particular the intermediate circuit voltage can be higher than 12V.
Weiter umfasst die Vorrichtung mindestens einen dem Niedrigspannungsbereich zugeordneten Energiespeicher. Dieser Energiespeicher kann insbesondere eine Batterie oder so genannte Bordnetzbatterie sein. Ohne Einschränkung wird der Energiespeicher im Folgenden als Bordnetzbatterie bezeichnet. Die Bordnetzbatterie dient hierbei einer Energieversorgung von an das Bordnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern, insbesondere auch einer Energieversorgung der Elektromaschine im motorischen Betrieb. Weiter dient die Bordnetzbatterie einer Energiespeicherung, insbesondere einer Speicherung der von der Elektromaschine im generatorischen Betrieb erzeugten elektrischen Leistung.The device also includes at least one energy storage device assigned to the low-voltage range. This energy store can in particular be a battery or what is known as an on-board power supply battery. Without restriction, the energy store is referred to below as the vehicle electrical system battery. The vehicle electrical system battery is used here to supply energy to electrical consumers connected to the vehicle electrical system, in particular also to supply energy to the electric machine in motor operation. The vehicle electrical system battery is also used to store energy, in particular to store the electrical power generated by the electric machine in generator mode.
Weiter umfasst die Vorrichtung mindestens ein Element zur Spannungswandlung. Über das Element zur Spannungswandlung ist der Umrichter mit dem Niedrigspannungsbereich, insbesondere mit der Bordnetzbatterie, elektrisch gekoppelt. Das Element zur Spannungswandlung kann hierbei als so genannter Abwärts-Wandler oder als so genannter Aufwärts-Wandler betrieben werden. Vorzugsweise ist das Element zur Spannungswandlung ein Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler).The device also includes at least one element for voltage conversion. The converter is electrically coupled to the low-voltage range, in particular to the vehicle electrical system battery, via the element for voltage conversion. In this case, the element for voltage conversion can be operated as a so-called step-down converter or as a so-called step-up converter. The element for voltage conversion is preferably a direct current converter (DC/DC converter).
Der Umrichter umfasst mindestens eine Halbbrücke mit zwei Leistungsschaltern, wobei ein Abschnitt der Halbbrücke zwischen den Leistungsschaltern über einen ersten elektrischen Versorgungspfad mit einer Klemme der Elektromaschine elektrisch verbunden ist. Die Leistungsschalter sind hierbei beispielsweise als MOSFET oder IGBT ausgebildet.The converter includes at least one half-bridge with two power switches, with a section of the half-bridge between the power switches being electrically connected to a terminal of the electric machine via a first electrical supply path. In this case, the power switches are in the form of MOSFETs or IGBTs, for example.
Erfindungsgemäß umfasst auch das Element zur Spannungswandlung mindestens zwei Leistungsschalter. Weiter umfasst das Element zur Spannungswandlung mindestens eine Induktivität. Hierbei wird unter einer Induktivität ein zumindest teilweise induktives Bauteil, beispielsweise eine Spule, verstanden. Erfindungsgemäß sind die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung die Leistungsschalter der mindestens einen Halbbrücke des Umrichters. Hierdurch ist das Element zur Spannungswandlung zumindest teilweise in den Umrichter integriert.According to the invention, the element for voltage conversion also includes at least two circuit breakers. The element for voltage conversion also includes at least one inductor. In this case, an inductance is understood to mean an at least partially inductive component, for example a coil. According to the invention, the power switches of the voltage conversion element are the power switches of the at least one half-bridge of the converter. As a result, the element for voltage conversion is at least partially integrated into the converter.
Die mindestens eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung ist in einem zweiten Versorgungspfad, der den Niedrigspannungsbereich und den zwischen den Leistungsschaltern der Halbbrücke liegenden Abschnitt der Halbbrücke elektrisch verbindet, angeordnet.The at least one inductance of the element for voltage conversion is arranged in a second supply path, which electrically connects the low-voltage area and the section of the half-bridge lying between the power switches of the half-bridge.
Erfindungsgemäß ist der zweite Versorgungspfad von dem ersten Versorgungspfad verschieden. Hierdurch ist also die mindestens eine Induktivität als individuelles Bauteil, insbesondere als von einer Induktivität der Elektromaschine separat ausgebildetes Bauteil, ausgebildet. Im Gegensatz zur
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass im generatorischen Betrieb der Elektromaschine mittels einer Steuereinheit Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung derart steuerbar sind, dass von der Elektromaschine erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in den Niedrigspannungsbereich, also an die Bordnetzbatterie und/oder an den Niedrigspannungsbereich angeschlossene elektrische Verbraucher, übertragbar ist. Weiter sind im motorischen Betrieb mittels der Steuereinheit die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung derart steuerbar, dass eine Energie des Niedrigspannungsbereichs, insbesondere eine in der Bordnetzbatterie gespeicherte elektrische Energie, zumindest teilweise an die Elektromaschine übertragbar ist.This advantageously means that when the electric machine is operating as a generator, circuit breakers of the element for voltage conversion can be controlled by a control unit in such a way that electrical energy generated by the electric machine is at least partially transferred to the low-voltage range, i.e. to the vehicle electrical system battery and/or to the low-voltage range consumer, is transferrable. Furthermore, the circuit breakers of the voltage conversion element can be controlled by the control unit during motor operation in such a way that energy in the low-voltage range, in particular electrical energy stored in the vehicle electrical system battery, can be at least partially transmitted to the electric machine.
Die Energieübertragung ist hierbei unabhängig von Spannungsunterschieden im Bordnetz, also auch unabhängig von Spannungsunterschieden zwischen dem Niedrigspannungsbereich und einer Zwischenkreisspannung.In this case, the energy transmission is independent of voltage differences in the vehicle electrical system, ie also independent of voltage differences between the low-voltage range and an intermediate circuit voltage.
Im motorischen Betrieb ist also in vorteilhafter Weise eine Energieversorgung der Elektromaschine aus der Bordnetzbatterie möglich. Wird die Elektromaschine als Anlasser, z.B. für eine Verbrennungskraftmaschine, verwendet, so muss in vorteilhafter Weise kein weiterer Energiespeicher neben der Bordnetzbatterie im Fahrzeug vorgesehen sein. Zusätzlich kann die Elektromaschine in ebenso vorteilhafter Weise die Funktionalität einer Lichtmaschine, also eines Generators, übernehmen, wobei elektrische Energie in der Bordnetzbatterie gespeichert werden kann. Die geschilderten Betriebsarten (motorischer oder generatorischer Betrieb) werden hierbei mittels des Elements zur Spannungswandlung ermöglicht. So können beispielsweise hohe, von der Elektromaschine im generatorischen Betrieb erzeugte Spannungen mittels des Elements zur Spannungswandlung in eine dem ersten Spannungsniveau gleiche Ausgangsspannung des Umrichters gewandelt werden. Ebenso können für einen Start oder einen motorischen Betrieb der Elektromaschine benötigte Spannungen mittels des Elements zur Spannungswandlung vom ersten Spannungsniveau auf ein gewünschtes, insbesondere höheres, Spannungsniveau gewandelt werden. Hierdurch ergibt sich insbesondere eine wirkungsgradgünstige Betriebsweise der Elektromaschine. Da die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung ebenfalls Leistungsschalter mindestens einer Halbbrücke des Umrichters sind, ergibt sich eine teilintegrierte Ausbildung des Elements zur Spannungswandlung. Hierdurch können in vorteilhafter Weise Herstellungskosten und Bauraumanforderungen minimiert werden.In motor operation, energy can be supplied to the electric machine from the vehicle electrical system battery in an advantageous manner. If the electric machine is used as a starter, e.g. In addition, the electric machine can take over the functionality of an alternator, ie a generator, in an equally advantageous manner, with electrical energy being able to be stored in the vehicle electrical system battery. The operating modes described (motor or generator operation) are made possible here by means of the element for voltage conversion. For example, high voltages generated by the electric machine in generator mode can be converted by means of the element for voltage conversion into an output voltage of the converter that is the same as the first voltage level. Likewise, voltages required for starting or motor operation of the electric machine can be converted from the first voltage level to a desired, in particular higher, voltage level by means of the voltage conversion element. This results in particular in a mode of operation of the electric machine that is favorable in terms of efficiency. Since the power switches of the element for voltage conversion are also power switches of at least one half-bridge of the converter, the result is a partially integrated design of the element for voltage conversion. As a result, production costs and installation space requirements can be minimized in an advantageous manner.
Insbesondere im Vergleich mit der Lehre der
Eine mögliche Optimierung ist z.B. die Verwendung von Ferrit als Magnetmaterial. Motorinduktivitäten, also Induktivitäten der Elektromaschine, haben Anforderungen nach hohen Kräften bzw. Drehmomenten in ihrer Auslegung zu berücksichtigen. Insbesondere muss ein Material der Motorinduktivitäten an hohe magnetische Feldstärken angepasst ausgelegt werden, was z.B. zur Verwendung von verlustreicherem Eisen als Magnetmaterial führt. Solche Anforderungen bestehen in vorteilhafter Weise nicht bei der Auslegung bzw. Dimensionierung der mindestens einen Induktivität des Elements zur Spannungswandlung.A possible optimization is e.g. the use of ferrite as magnet material. Motor inductances, i.e. inductances of the electric machine, have to take into account the requirements for high forces or torques in their design. In particular, the material used for the motor inductors must be designed to suit high magnetic field strengths, which, for example, leads to the use of higher-loss iron as the magnet material. Such requirements advantageously do not exist in the design or dimensioning of the at least one inductance of the element for voltage conversion.
Eine Steuerung oder Regelung der Leistungsschalter kann hierbei auch über eine so genannte Steuer- oder Regelhierachie mit mehreren Ebenen erfolgen. Hierbei kann z.B. eine gewünschte Stromstärke und/oder Stromrichtung durch die mindestens eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung vorgegeben werden. Die Steuereinheit oder Untereinheiten der Steuereinheit bestimmen aus der gewünschten Stromstärke und/oder Stromrichtung eine mittels des Elements zur Spannungswandlung einzustellende Zwischenkreisspannung. Hieraus können wiederum Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung berechnet werden. Ebenso kann die Steuereinheit oder eine Untereinheit der Steuereinheit aus gewünschten Betriebsparametern der Elektromaschine (Drehmoment, Drehzahl, Drehrichtung) eine gewünschte Klemmen-Differenz-Spannung und/oder einen gewünschten Motorstrom bestimmen. Weiter können z.B. aus den gewünschten Klemmen-Differenz-Spannungen Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter des Umrichters berechnet werden.A control or regulation of the circuit breakers can also take place via a so-called control or regulation hierarchy with several levels. In this case, for example, a desired current intensity and/or current direction can be specified by the at least one inductance of the element for voltage conversion. The control unit or sub-units of the control unit determine an intermediate circuit voltage to be set by means of the voltage conversion element from the desired current intensity and/or current direction. From this, in turn, switching times of the power switches of the element for voltage conversion can be calculated. Likewise, the control unit or a sub-unit of the control unit can determine a desired terminal differential voltage and/or a desired motor current from desired operating parameters of the electric machine (torque, speed, direction of rotation). Continue For example, switching times of the power switch of the converter can be calculated from the desired terminal differential voltages.
Dabei bestimmt eine Einheit zur Bestimmung mindestens einer mittleren Phasenspannung mindestens eine mittlere Phasenspannung des Umrichters mindestens in Abhängigkeit einer gewünschten Energieübertragung in den Niedrigspannungsbereich hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich heraus. Hierbei ist die mittlere Phasenspannung eine vom Element zur Spannungswandlung einzustellende Spannung. Die mittlere Phasenspannung ist also die Phasenspannung der Halbbrücke oder der Halbbrücken, die gleichzeitig die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung umfassen.A unit for determining at least one mean phase voltage determines at least one mean phase voltage of the converter at least as a function of a desired energy transfer into the low-voltage range or out of the low-voltage range. Here, the mean phase voltage is a voltage to be set by the voltage conversion element. The mean phase voltage is therefore the phase voltage of the half-bridge or half-bridges which also include the power switches of the voltage conversion element.
Die Halbbrücke ist zwischen einem Versorgungspfad mit hoher Spannung und einem Versorgungspfad mit einer niedrigen Spannung, z.B. Masse, angeordnet. Die Phasenspannung einer Halbbrücke bezeichnet hierbei die über dem Leistungsschalter der Halbbrücke, der zwischen einem Abschnitt zwischen den Leistungsschaltern der Halbbrücke und dem Versorgungspfad mit der niedrigen Spannung angeordnet ist, abfällt.The half bridge is placed between a high voltage supply path and a low voltage supply path, e.g. In this context, the phase voltage of a half-bridge designates the drop across the power switch of the half-bridge, which is arranged between a section between the power switches of the half-bridge and the supply path with the low voltage.
Weiter bestimmt mindestens eine Einheit zur Bestimmung von mindestens einer Motorspannung der Elektromaschine eine Motorspannung der Elektromaschine mindestens in Abhängigkeit einer gewünschten mechanischen Leistung der Elektromaschine. Als Motorspannung wird hierbei eine Spannung verstanden, deren Eigenschaften (z.B. Amplitude, Frequenz, Phase) eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment und/oder eine Drehrichtung der Elektromaschine bestimmen. Ist die Elektromaschine z.B. in einer Sternschaltung verschaltet, so bezeichnen die Motorspannungen die Strangspannungen der Elektromaschine. Ist die Elektromaschine nicht in einer Sternschaltung verschaltet, so lassen sich die Motorspannungen mittels später erläuterter Verfahren berechnen. Aus den Motorspannungen lassen sich auch die Klemmen-Differenz-Spannungen der Elektromaschine herleiten, die ebenfalls eine Betriebsweise (Drehmoment, Drehzahl, Drehrichtung) der Elektromaschine bestimmen können. Mindestens eine Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung bestimmt eine Soll-Phasenspannung mindestens einer Halbbrücke des Umrichters mindestens in Abhängigkeit der mittleren Phasenspannung und der Motorspannung. Insbesondere kann mittels der mindestens einen Motorspannung bzw. deren Eigenschaften eine gewünschte Betriebsweise (motorischer oder generatorischer Betrieb mit einer gewünschten Drehzahl und einem gewünschten Drehmoment) eingestellt werden. Die mittlere Phasenspannung bestimmt hierbei u.a., ob Energie von der Elektromaschine an den Niedrigspannungsbereich oder von dem Niedrigspannungsbereich an die Elektromaschine übertragen wird. Da die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung gleichzeitig Leistungsschalter des Umrichters sind, kann es hierbei zu Problemen kommen, wenn eine mittlere Phasenspannung von einer aus einer gewünschten Motorspannung bestimmten Phasenspannung abweicht.Furthermore, at least one unit for determining at least one motor voltage of the electric machine determines a motor voltage of the electric machine at least as a function of a desired mechanical power of the electric machine. Motor voltage is understood to be a voltage whose properties (e.g. amplitude, frequency, phase) determine a speed and/or a torque and/or a direction of rotation of the electric machine. If the electric machine is connected in a star connection, for example, the motor voltages refer to the phase voltages of the electric machine. If the electric machine is not connected in a star connection, the motor voltages can be calculated using the methods explained later. The terminal differential voltages of the electric machine can also be derived from the motor voltages, which can also determine an operating mode (torque, speed, direction of rotation) of the electric machine. At least one unit for determining at least one setpoint phase voltage determines a setpoint phase voltage of at least one half bridge of the converter at least as a function of the mean phase voltage and the motor voltage. In particular, a desired mode of operation (motor or generator operation with a desired speed and a desired torque) can be set by means of the at least one motor voltage or its properties. The average phase voltage determines, among other things, whether energy is transferred from the electric machine to the low-voltage area or from the low-voltage area to the electric machine. Since the circuit breakers of the element for voltage conversion are at the same time circuit breakers of the converter, problems can arise here if a mean phase voltage deviates from a phase voltage determined from a desired motor voltage.
Um diese Probleme zu vermeiden, bestimmt die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die endgültig einzustellende Soll-Phasenspannung des Umrichters, insbesondere auch der Phasenspannung der mindestens einen Halbbrücke, die gleichzeitig Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung und des Umrichters umfasst, in Abhängigkeit der ermittelten mittleren Phasenspannung und der mindestens einen Motorspannung. Hierbei ergeben sich unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der mindestens einen Soll-Phasenspannung.In order to avoid these problems, the unit for determining at least one target phase voltage determines the final target phase voltage of the converter to be set, in particular also the phase voltage of the at least one half bridge, which at the same time includes power switches of the element for voltage conversion and the converter, depending on the determined mean phase voltage and the at least one motor voltage. This results in different methods for determining the at least one setpoint phase voltage.
Ist beispielsweise die Elektromaschine eine dreiphasige Elektromaschine, der Umrichter ein dreiphasiger Umrichter und umfasst nur eine erste Halbbrücke, die einer ersten Phase der Elektromaschine zugeordnet ist, Leistungsschalter, die gleichzeitig Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung sind, so kann die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung in einem ersten Betriebsmodus die Soll-Phasenspannung der ersten Halbbrücke gleich der von der mindestens einen Einheit zur Bestimmung einer mittleren Phasenspannung bestimmten mittleren Phasenspannung setzen. Gleichzeitig kann die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die Soll-Phasenspannung der zweiten Halbbrücke als eine Summe aus der mittleren Phasenspannung der ersten Halbbrücke (Soll-Phasenspannung der ersten Halbbrücke) und einer gewünschten Klemmen-Differenz-Spannung zwischen der an die erste Halbbrücke des Umrichters angeschlossenen Klemme der Elektromaschine und der an die zweite Halbbrücke angeschlossenen Klemme der Elektromaschine bestimmen. Analog kann die dritte Phasenspannung als eine Summe von der Soll-Phasenspannung der ersten Halbbrücke und einer gewünschten Klemmen-Differenz-Spannung zwischen der ersten Klemme der Elektromaschine und der dritten Klemme der Elektromaschine bestimmt werden.If, for example, the electrical machine is a three-phase electrical machine and the converter is a three-phase converter and only includes a first half-bridge, which is assigned to a first phase of the electrical machine, circuit breakers that are also circuit breakers of the element for voltage conversion, the unit for determining at least one setpoint phase voltage in a first operating mode, set the target phase voltage of the first half-bridge equal to the mean phase voltage determined by the at least one unit for determining a mean phase voltage. At the same time, the unit for determining at least one target phase voltage can calculate the target phase voltage of the second half bridge as a sum of the mean phase voltage of the first half bridge (target phase voltage of the first half bridge) and a desired terminal difference voltage between the to the first half bridge determine the terminal of the electric machine connected to the converter and the terminal of the electric machine connected to the second half-bridge. Similarly, the third phase voltage can be determined as a sum of the target phase voltage of the first half-bridge and a desired terminal differential voltage between the first terminal of the electric machine and the third terminal of the electric machine.
In einem zweiten Betriebsmodus wird die erste Soll-Phasenspannung als eine Summe aus der mittleren Phasenspannung und einer gewünschten ersten Motorspannung berechnet. Analog wird eine zweite Soll-Phasenspannung als Summe aus der mittleren Phasenspannung und einer gewünschten zweiten Motorspannung berechnet. Analog wird eine dritte Soll-Phasenspannung als eine Summe aus der mittleren Phasenspannung und einer gewünschten dritten Motorspannung berechnet.In a second mode of operation, the first target phase voltage is calculated as a sum of the average phase voltage and a desired first motor voltage. Similarly, a second target phase voltage is the sum of the mean phase voltage and a desired second motor voltage calculated. Similarly, a target third phase voltage is calculated as a sum of the average phase voltage and a desired third motor voltage.
Die Einheit zur Bestimmung mindestens einer mittleren Phasenspannung, die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Motorspannung und die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung können hierbei in die Steuereinheit integriert oder als separate Steuereinheiten ausgebildet sein. Weiter steuert die Steuereinheit oder eine Untereinheit der Steuereinheit ein Schalten der Leistungsschalter des Umrichters in Abhängigkeit der ermittelten Soll-Phasenspannung. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Wandlerbetrieb mit gewünschten Eigenschaften (Richtung der Energieübertragung, Menge an übertragener Energie) und ein gewünschter Betrieb der Elektromaschine (motorischer oder generatorischer Betrieb) mit gewünschten Eigenschaften (z.B. Drehmoment, Drehzahl, Drehrichtung) mittels des Umrichters ermöglicht wird.The unit for determining at least one average phase voltage, the unit for determining at least one motor voltage and the unit for determining at least one target phase voltage can be integrated into the control unit or designed as separate control units. Furthermore, the control unit or a sub-unit of the control unit controls switching of the power switches of the converter as a function of the setpoint phase voltage determined. This advantageously results in converter operation with desired properties (direction of energy transmission, amount of energy transmitted) and desired operation of the electric machine (motor or generator operation) with desired properties (e.g. torque, speed, direction of rotation) by means of the converter becomes.
In weiter vorteilhafter Weise wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, dass ein Lade- oder Entladestrom der Bordnetzbatterie nicht zusätzlich über die Induktivitäten, beispielsweise Wicklungen der Elektromaschine, fließen muss, was z.B. zu einem niedrigeren Maximalmoment oder zu Momentenschwankungen führen kann.In a further advantageous manner, the device according to the invention makes it possible for a charging or discharging current of the vehicle electrical system battery not to flow additionally via the inductances, for example windings of the electric machine, which can lead to a lower maximum torque or to torque fluctuations, for example.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem motorischen Betrieb der Elektromaschine eine Energieversorgung der Elektromaschine ausschließlich aus der Bordnetzbatterie gewährleistbar. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine Energieversorgung der Elektromaschine allein aus der Bordnetzbatterie heraus erfolgen kann. Hierdurch sind keine weiteren Energiespeicher zur Energieversorgung der Elektromaschine im Kraftfahrzeug anzuordnen.In an advantageous embodiment of the invention, when the electric machine is operating as a motor, the electric machine can be supplied with energy exclusively from the vehicle electrical system battery. This advantageously results in the electric machine being able to be supplied with energy solely from the vehicle electrical system battery. As a result, no further energy stores need to be arranged in the motor vehicle to supply energy to the electric machine.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Umrichter als dreiphasiger Umrichter ausgebildet, wobei jeder Phase des Umrichters eine Halbbrücke mit jeweils zwei Leistungsschaltern zugeordnet ist. Analog der vorhergehenden Ausführungen ist ein Abschnitt zwischen den Leistungsschaltern jeder Halbbrücke über erste Versorgungspfade mit Klemmen einer dreiphasigen Elektromaschine elektrisch verbunden. Das Element zur Spannungswandlung umfasst sechs Leistungsschalter und drei Induktivitäten, wobei die sechs Leistungsschalter die jeweils zwei Leistungsschalter der Halbbrücken des Umrichters sind. Die Induktivitäten des Elements zur Spannungswandlung sind in jeweils zweiten Versorgungspfaden angeordnet, wobei die zweiten Versorgungspfade den Niedrigspannungsbereich und den zwischen den Leistungsschaltern der jeweiligen Halbbrücke liegenden Abschnitt der jeweiligen Halbbrücke elektrisch verbinden und von den ersten Versorgungspfaden verschieden sind. Durch die Ausbildung des Elements zur Spannungswandlung mit sechs Leistungsschaltern und drei Induktivitäten werden in vorteilhafter Weise die Freiheitsgrade der Steuerung im Wandlerbetrieb des Elements zur Spannungswandlung erhöht. Eine Wandlerfunktion des Elements zur Spannungswandlung wird hierbei mittels der Leistungsschalter aller Halbbrücken durchgeführt, wodurch in vorteilhafter Weise auch während einer ausgeübten Wandlungsfunktion des Elements zur Spannungswandlung eine symmetrische Ansteuerung der Elektromaschine ermöglicht wird. Vorzugsweise sind die drei Induktivitäten des Elements zur Spannungswandlung gleich ausgelegt. Im Vergleich zur Ausführungsform mit nur einer Induktivität können die jeweiligen Induktivitäten des Elements zur Spannungswandlung jedoch für kleinere Ströme ausgelegt werden.In a further embodiment, the converter is designed as a three-phase converter, with each phase of the converter being assigned a half-bridge, each with two circuit breakers. Analogous to the previous statements, a section between the power switches of each half-bridge is electrically connected to terminals of a three-phase electrical machine via first supply paths. The element for voltage conversion includes six power switches and three inductances, the six power switches being the two power switches of the half-bridges of the converter. The inductances of the voltage conversion element are each arranged in second supply paths, the second supply paths electrically connecting the low-voltage range and the section of the respective half-bridge lying between the power switches of the respective half-bridge and being different from the first supply paths. The design of the element for voltage conversion with six power switches and three inductors advantageously increases the degree of freedom of control in converter operation of the element for voltage conversion. A converter function of the element for voltage conversion is performed here by means of the power switches of all half-bridges, which advantageously enables symmetrical control of the electric machine even while a conversion function of the element for voltage conversion is being exercised. The three inductances of the element for voltage conversion are preferably designed to be the same. Compared to the embodiment with only one inductance, however, the respective inductances of the element for voltage conversion can be designed for smaller currents.
In einer weiteren Ausführungsform ist mittels der Steuereinheit ein Schalten der Leistungsschalter des Umrichters und somit auch des Elements zur Spannungswandlung in Abhängigkeit von mindestens einer gewünschten mechanischen Leistung der Elektromaschine und einer gewünschten Energieübertragung in den Niedrigspannungsbereich hinein oder aus dem Niedrigspannungssystem heraus steuerbar. Hierbei umfasst eine gewünschte mechanische Leistung der Elektromaschine eine mechanische Leistung im motorischen Betrieb, z.B. abhängig von einer gewünschten Drehzahl und einem gewünschten Drehmoment, und eine gewünschte mechanische Leistung im Generatorbetrieb, z.B. in Abhängigkeit eines gewünschten Bremsmoments der Elektromaschine. Hierbei hat die Steuereinheit im Wesentlichen zwei Aufgaben zu erfüllen. Einerseits müssen mindestens zwei Leistungsschalter des Umrichters, die gleichzeitig Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung sind, derart gesteuert werden, dass eine gewünschte Energieübertragung aus dem Niedrigspannungsbereich zur Elektromaschine oder von der Elektromaschine in den Niedrigspannungsbereich hinein ermöglicht wird. Weiter muss die Steuereinheit alle Leistungsschalter des Umrichters, also auch die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung, derart steuern, dass eine gewünschte mechanische Leistung der Elektromaschine eingestellt wird. Verschiedene Verfahren zur Steuerung werden nachfolgend näher erläutert. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine gewünschte Energieübertragung mit gewünschter Übertragungsrichtung und gewünschter Energiemenge gleichzeitig zu einer gewünschten Betriebsweise der Elektromaschine mittels der Steuereinheit eingestellt werden kann.In a further embodiment, the control unit can be used to control switching of the power switches of the converter and thus also of the element for voltage conversion as a function of at least one desired mechanical output of the electric machine and a desired energy transfer into the low-voltage range or out of the low-voltage system. A desired mechanical power of the electric machine includes a mechanical power in motor operation, eg depending on a desired speed and a desired torque, and a desired mechanical power in generator operation, eg depending on a desired braking torque of the electric machine. Here, the control unit essentially has to fulfill two tasks. On the one hand, at least two circuit breakers of the converter, which are also circuit breakers of the element for voltage conversion, must be controlled in such a way that a desired energy transfer from the low-voltage range to the electric machine or from the electric machine into the low-voltage range is made possible. Furthermore, the control unit must control all power switches of the converter, ie also the power switches of the element for voltage conversion, in such a way that a desired mechanical output of the electric machine is set. Various control methods are explained in more detail below. The device according to the invention results in an advantageous manner that a desired energy transmission with the desired transmission direction and desired Amount of energy can be adjusted simultaneously to a desired mode of operation of the electric machine by means of the control unit.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Bordnetz mindestens einen Hochspannungsbereich mit einem zweiten Spannungsniveau auf, wobei das zweite Spannungsniveau höher als das erste Spannungsniveau ist. Vorzugsweise ist der Hochspannungsbereich über einen Versorgungspfad mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden. Mittels des Elements zur Spannungswandlung kann hierbei eine (Ausgangs-) Spannung der Bordnetzbatterie, also eine Gleichspannung mit dem ersten Spannungsniveau, auf eine Spannung mit dem zweiten Spannungsniveau gewandelt werden. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise möglich, auch elektrische Verbraucher an das Bordnetz anzuschließen, die auf eine höhere Betriebsspannung als eine Ausgangsspannung der Bordnetzbatterie ausgelegt sind. Mittels des Elements zur Spannungswandlung wird hierbei in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass elektrische Energie aus dem Niedrigspannungsbereich in den Hochspannungsbereich und/oder an die Elektromaschine übertragen wird. Gleichzeitig kann im generatorischen Betrieb der Elektromaschine elektrische Energie von der Elektromaschine in den Hochspannungsbereich und/oder in den Niedrigspannungsbereich hinein übertragen werden.In a further embodiment, the vehicle electrical system has at least one high-voltage area with a second voltage level, the second voltage level being higher than the first voltage level. The high-voltage area is preferably connected to the intermediate circuit capacitor via a supply path. An (output) voltage of the vehicle electrical system battery, that is to say a DC voltage with the first voltage level, can be converted to a voltage with the second voltage level by means of the element for voltage conversion. In this way, it is possible in an advantageous manner to also connect electrical loads to the vehicle electrical system that are designed for an operating voltage that is higher than an output voltage of the vehicle electrical system battery. The element for voltage conversion advantageously makes it possible for electrical energy to be transmitted from the low-voltage range to the high-voltage range and/or to the electric machine. At the same time, when the electric machine is operating as a generator, electrical energy can be transferred from the electric machine into the high-voltage range and/or into the low-voltage range.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Energieübertragung in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug eine Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß den vorhergehenden Erläuterungen aufweist. In einem generatorischen Betrieb der Elektromaschine steuert eine Steuereinheit Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung, die gleichzeitig Leistungsschalter eines Umrichters sind, derart, dass von der Elektromaschine erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise in den Niedrigspannungsbereich hinein, insbesondere an die Bordnetzbatterie, übertragen wird. Hierbei ermittelt eine Steuereinheit Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter und steuert ein Schalten dieser Leistungsschalter entsprechend den berechneten Schaltzeitpunkten. Weiter steuert die Steuereinheit in einem motorischen Betrieb die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung derart, dass eine Energie des Niedrigspannungsbereich, insbesondere eine in der Bordnetzbatterie gespeicherte elektrische Energie, zumindest teilweise an die Elektromaschine übertragen wird. Hierbei kann im motorischen Betrieb der Elektromaschine eine Energieversorgung der Elektromaschine teilweise oder ausschließlich aus der Bordnetzbatterie erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise, eine Elektromaschine gleichzeitig als Motor, z.B. als Anlasser, oder als Generator, z.B. als Lichtmaschine, zu benutzen, wobei eine Energieversorgung der Elektromaschine z.B. aus einer einem Niedrigspannungsbereich des Bordnetzes zugeordneten Bordnetzbatterie teilweise oder ausschließlich erfolgen kann. Weiter kann auch die im generatorischen Betrieb erzeugte elektrische Energie in der Bordnetzbatterie gespeichert werden und/oder für eine Energieversorgung von dem Niedrigspannungsbereich zugeordnete elektrische Verbrauchern genutzt werden. Das mittels der Steuereinheit ausgeführte Verfahren zur Steuerung der Leistungsschalter ermöglicht hierbei, dass zwei verschiedene Funktionen des Umrichters gleichzeitig ausgeführt werden können. Eine erste Funktion ist hierbei eine Wandlerfunktion, wobei Schaltzeitpunkte von Leistungsschaltern des Elements zur Spannungswandlung in Abhängigkeit einer gewünschten Energieübertragung in den Niedrigspannungsbereich hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich heraus gesteuert werden. In einer zweiten Funktion ermöglicht das Verfahren zur Steuerung der Leistungsschalter einen Betrieb der Elektromaschine mit gewünschten Betriebsparametern wie z. B. einem gewünschten Drehmoment und/oder einer gewünschten Drehzahl.A method for energy transmission in a motor vehicle is also proposed, the motor vehicle having a device for energy transmission in accordance with the explanations above. When the electric machine is operating as a generator, a control unit controls circuit breakers of the element for voltage conversion, which are also circuit breakers of a converter, in such a way that electrical energy generated by the electric machine is at least partially transferred into the low-voltage range, in particular to the on-board battery. In this case, a control unit determines switching times of the circuit breakers and controls switching of these circuit breakers according to the calculated switching times. Furthermore, the control unit controls the power switches of the element for voltage conversion in motor operation in such a way that energy from the low-voltage range, in particular electrical energy stored in the vehicle electrical system battery, is at least partially transmitted to the electric machine. When the electric machine is operating as a motor, the electric machine can be supplied with energy partially or exclusively from the vehicle electrical system battery. The method according to the invention advantageously enables an electric machine to be used simultaneously as a motor, e.g. as a starter, or as a generator, e.g. as an alternator, in which case the electric machine can be supplied with energy, e.g. Furthermore, the electrical energy generated in generator operation can also be stored in the vehicle electrical system battery and/or used to supply energy to electrical consumers assigned to the low-voltage range. The method for controlling the circuit breakers, which is carried out by means of the control unit, makes it possible for two different functions of the converter to be carried out simultaneously. A first function here is a converter function, the switching times of power switches of the element for voltage conversion being controlled as a function of a desired energy transfer into the low-voltage range or out of the low-voltage range. In a second function, the method for controlling the circuit breakers enables the electric machine to be operated with desired operating parameters such as e.g. B. a desired torque and / or a desired speed.
Eine Steuerung oder Regelung der Leistungsschalter kann hierbei auch über eine so genannte Steuer- oder Regelhierachie mit mehreren Ebenen erfolgen. Hierbei kann z.B. eine gewünschte Stromstärke und/oder Stromrichtung durch die mindestens eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung vorgegeben werden. Die Steuereinheit oder Untereinheiten der Steuereinheit bestimmen aus der gewünschten Stromstärke und/oder Stromrichtung eine mittels des Elements zur Spannungswandlung einzustellende Zwischenkreisspannung. Hieraus können wiederum Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung berechnet werden. Ebenso kann die Steuereinheit oder eine Untereinheit der Steuereinheit aus gewünschten Betriebsparametern der Elektromaschine (Drehmoment, Drehzahl, Drehrichtung) eine gewünschte Klemmen-Differenz-Spannung und/oder einen gewünschten Motorstrom bestimmen. Weiter können z.B. aus den gewünschten Klemmen-Differenz-Spannungen Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter des Umrichters berechnet werden.A control or regulation of the circuit breakers can also take place via a so-called control or regulation hierarchy with several levels. In this case, for example, a desired current strength and/or current direction can be specified by the at least one inductor of the element for voltage conversion. The control unit or sub-units of the control unit determine an intermediate circuit voltage to be set by means of the voltage conversion element from the desired current intensity and/or current direction. From this, in turn, switching times of the power switches of the element for voltage conversion can be calculated. Likewise, the control unit or a sub-unit of the control unit can determine a desired terminal differential voltage and/or a desired motor current from desired operating parameters of the electric machine (torque, speed, direction of rotation). Furthermore, switching times of the circuit breakers of the converter can be calculated from the desired terminal differential voltages, for example.
Dabei bestimmt eine Einheit zur Bestimmung mindestens einer mittleren Phasenspannung mindestens eine mittlere Phasenspannung des Umrichters mindestens in Abhängigkeit einer gewünschten Energieübertragung in den Niedrigspannungsbereich hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich heraus. Hierbei ist die mittlere Phasenspannung eine vom Element zur Spannungswandlung einzustellende Spannung. Die mittlere Phasenspannung ist also die Phasenspannung der Halbbrücke oder der Halbbrücken, die gleichzeitig die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung umfassen.A unit for determining at least one mean phase voltage determines at least one mean phase voltage of the converter at least as a function of a desired energy transfer into the low-voltage range or out of the low-voltage range. Here, the mean phase voltage is a voltage to be set by the voltage conversion element. The mean phase voltage is therefore the phase voltage of the half-bridge or half-bridges which also include the power switches of the voltage conversion element.
Die Halbbrücke ist zwischen einem Versorgungspfad mit hoher Spannung und einem Versorgungspfad mit einer niedrigen Spannung, z.B. Masse, angeordnet. Die Phasenspannung einer Halbbrücke bezeichnet hierbei die über dem Leistungsschalter der Halbbrücke, der zwischen einem Abschnitt zwischen den Leistungsschaltern der Halbbrücke und dem Versorgungspfad mit der niedrigen Spannung angeordnet ist, abfällt.The half bridge is arranged between a high voltage supply path and a low voltage supply path, eg ground. In this context, the phase voltage of a half-bridge designates the drop across the power switch of the half-bridge, which is arranged between a section between the power switches of the half-bridge and the supply path with the low voltage.
Weiter bestimmt mindestens eine Einheit zur Bestimmung von mindestens einer Motorspannung der Elektromaschine eine Motorspannung der Elektromaschine mindestens in Abhängigkeit einer gewünschten mechanischen Leistung der Elektromaschine. Als Motorspannung wird hierbei eine Spannung verstanden, deren Eigenschaften (z.B. Amplitude, Frequenz, Phase) eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment und/oder eine Drehrichtung der Elektromaschine bestimmen. Ist die Elektromaschine z.B. in einer Sternschaltung verschaltet, so bezeichnen die Motorspannungen die Strangspannungen der Elektromaschine. Ist die Elektromaschine nicht in einer Sternschaltung verschaltet, so lassen sich die Motorspannungen mittels später erläuterter Verfahren berechnen. Aus den Motorspannungen lassen sich auch die Klemmen-Differenz-Spannungen der Elektromaschine herleiten, die ebenfalls eine Betriebsweise (Drehmoment, Drehzahl, Drehrichtung) der Elektromaschine bestimmen können. Mindestens eine Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung bestimmt eine Soll-Phasenspannung mindestens einer Halbbrücke des Umrichters mindestens in Abhängigkeit der mittleren Phasenspannung und der Motorspannung. Insbesondere kann mittels der mindestens einen Motorspannung bzw. deren Eigenschaften eine gewünschte Betriebsweise (motorischer oder generatorischer Betrieb mit einer gewünschten Drehzahl und einem gewünschten Drehmoment) eingestellt werden. Die mittlere Phasenspannung bestimmt hierbei u.a., ob Energie von der Elektromaschine an den Niedrigspannungsbereich oder von dem Niedrigspannungsbereich an die Elektromaschine übertragen wird. Da die Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung gleichzeitig Leistungsschalter des Umrichters sind, kann es hierbei zu Problemen kommen, wenn eine mittlere Phasenspannung von einer aus einer gewünschten Motorspannung bestimmten Phasenspannung abweicht.Furthermore, at least one unit for determining at least one motor voltage of the electric machine determines a motor voltage of the electric machine at least as a function of a desired mechanical power of the electric machine. Motor voltage is understood to be a voltage whose properties (e.g. amplitude, frequency, phase) determine a speed and/or a torque and/or a direction of rotation of the electric machine. If the electric machine is connected in a star connection, for example, the motor voltages refer to the phase voltages of the electric machine. If the electric machine is not connected in a star connection, the motor voltages can be calculated using the methods explained later. The terminal differential voltages of the electric machine can also be derived from the motor voltages, which can also determine an operating mode (torque, speed, direction of rotation) of the electric machine. At least one unit for determining at least one setpoint phase voltage determines a setpoint phase voltage of at least one half bridge of the converter at least as a function of the mean phase voltage and the motor voltage. In particular, a desired mode of operation (motor or generator operation with a desired speed and a desired torque) can be set by means of the at least one motor voltage or its properties. The average phase voltage determines, among other things, whether energy is transferred from the electric machine to the low-voltage area or from the low-voltage area to the electric machine. Since the circuit breakers of the element for voltage conversion are at the same time circuit breakers of the converter, problems can arise here if a mean phase voltage deviates from a phase voltage determined from a desired motor voltage.
Um diese Probleme zu vermeiden, bestimmt die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die endgültig einzustellende Soll-Phasenspannung des Umrichters, insbesondere auch der Phasenspannung der mindestens einen Halbbrücke, die gleichzeitig Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung und des Umrichters umfasst, in Abhängigkeit der ermittelten mittleren Phasenspannung und der mindestens einen Motorspannung. Hierbei ergeben sich unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der mindestens einen Soll-Phasenspannung.In order to avoid these problems, the unit for determining at least one target phase voltage determines the final target phase voltage of the converter to be set, in particular also the phase voltage of the at least one half bridge, which at the same time includes power switches of the element for voltage conversion and the converter, depending on the determined mean phase voltage and the at least one motor voltage. This results in different methods for determining the at least one target phase voltage.
Ist beispielsweise die Elektromaschine eine dreiphasige Elektromaschine, der Umrichter ein dreiphasiger Umrichter und umfasst nur eine erste Halbbrücke, die einer ersten Phase der Elektromaschine zugeordnet ist, Leistungsschalter, die gleichzeitig Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlung sind, so kann die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung in einem ersten Betriebsmodus die Soll-Phasenspannung der ersten Halbbrücke gleich der von der mindestens einen Einheit zur Bestimmung einer mittleren Phasenspannung bestimmten mittleren Phasenspannung setzen. Gleichzeitig kann die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die Soll-Phasenspannung der zweiten Halbbrücke als eine Summe aus der mittleren Phasenspannung der ersten Halbbrücke (Soll-Phasenspannung der ersten Halbbrücke) und einer gewünschten Klemmen-Differenz-Spannung zwischen der an die erste Halbbrücke des Umrichters angeschlossenen Klemme der Elektromaschine und der an die zweite Halbbrücke angeschlossenen Klemme der Elektromaschine bestimmen. Analog kann die dritte Phasenspannung als eine Summe von der Soll-Phasenspannung der ersten Halbbrücke und einer gewünschten Klemmen-Differenz-Spannung zwischen der ersten Klemme der Elektromaschine und der dritten Klemme der Elektromaschine bestimmt werden.If, for example, the electrical machine is a three-phase electrical machine and the converter is a three-phase converter and only includes a first half-bridge, which is assigned to a first phase of the electrical machine, circuit breakers that are also circuit breakers of the element for voltage conversion, the unit for determining at least one setpoint phase voltage in a first operating mode, set the target phase voltage of the first half-bridge equal to the mean phase voltage determined by the at least one unit for determining a mean phase voltage. At the same time, the unit for determining at least one target phase voltage can calculate the target phase voltage of the second half bridge as a sum of the mean phase voltage of the first half bridge (target phase voltage of the first half bridge) and a desired terminal difference voltage between the to the first half bridge determine the terminal of the electric machine connected to the converter and the terminal of the electric machine connected to the second half-bridge. Similarly, the third phase voltage can be determined as a sum of the target phase voltage of the first half-bridge and a desired terminal differential voltage between the first terminal of the electric machine and the third terminal of the electric machine.
In einem zweiten Betriebsmodus wird die erste Soll-Phasenspannung als eine Summe aus der mittleren Phasenspannung und einer gewünschten ersten Motorspannung berechnet. Analog wird eine zweite Soll-Phasenspannung als Summe aus der mittleren Phasenspannung und einer gewünschten zweiten Motorspannung berechnet. Analog wird eine dritte Soll-Phasenspannung als eine Summe aus der mittleren Phasenspannung und einer gewünschten dritten Motorspannung berechnet.In a second mode of operation, the first target phase voltage is calculated as a sum of the average phase voltage and a desired first motor voltage. Similarly, a second target phase voltage is calculated as the sum of the mean phase voltage and a desired second motor voltage. Similarly, a target third phase voltage is calculated as a sum of the average phase voltage and a desired third motor voltage.
Die Einheit zur Bestimmung mindestens einer mittleren Phasenspannung, die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Motorspannung und die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung können hierbei in die Steuereinheit integriert oder als separate Steuereinheiten ausgebildet sein. Weiter steuert die Steuereinheit oder eine Untereinheit der Steuereinheit ein Schalten der Leistungsschalter des Umrichters in Abhängigkeit der ermittelten Soll-Phasenspannung. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Wandlerbetrieb mit gewünschten Eigenschaften (Richtung der Energieübertragung, Menge an übertragener Energie) und ein gewünschter Betrieb der Elektromaschine (motorischer oder generatorischer Betrieb) mit gewünschten Eigenschaften (z.B. Drehmoment, Drehzahl, Drehrichtung) mittels des Umrichters ermöglicht wird.The unit for determining at least one average phase voltage, the unit for determining at least one motor voltage and the unit for determining at least one target phase voltage can be integrated into the control unit or designed as separate control units. Furthermore, the control unit or a sub-unit of the control unit controls switching of the power switches of the converter as a function of the setpoint phase voltage determined. This advantageously results in converter operation with desired properties (direction of energy transmission, amount of energy transmitted) and desired operation of the electric machine (motor or generator). cal operation) with desired properties (e.g. torque, speed, direction of rotation) is made possible by means of the converter.
In einer Ausführungsform wird eine gewünschte Energieübertragung in den Niedrigspannungsbereich hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich heraus und eine gewünschte mechanische Leistung der Elektromaschine von einer Strategieeinheit mindestens in Abhängigkeit einer Zwischenkreisspannung und/oder mindestens eines fahrdynamischen Sensorsignals und/oder mindestens eines fahrbetriebsspezifischen Sensorsignals bestimmt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine zulässige obere Grenze einer Zwischenkreisspannung, die z.B. durch Betriebsparameter des Zwischenkreiskondensators vorgegeben sind, nicht überschritten wird. Hierdurch wird insbesondere eine Zerstörung des Zwischenkreiskondensators vermieden. Die Strategieeinheit bildet hierbei eine oberste Steuer- oder Regelungsebene einer Steuer- oder Regelungshierarchie. Hierbei werden insbesondere die nun als Stellgrößen aufzufassende gewünschte Energieübertragung in den Niedrigspannungsbereich hinein oder aus dem Niedrigspannungsbereich heraus und die gewünschte Betriebsweise der Elektromaschine an eine Zwischenkreisspannung angepasst. Zusätzlich oder alternativ können auch fahrdynamische Größen, beispielsweise eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung des Fahrzeugs, berücksichtigt werden. Weiter können zusätzlich oder alternativ Eingangsgrößen wie z.B. Fahrpedal-, Bremspedal- und/oder Wählhebel-Stellung bei der Bestimmung der beiden Stellgrößen berücksichtigt werden. Hierbei bezeichnen fahrbetriebsspezifische Sensorsignale Ausgangssignale z.B. eines Fahrpedalsensors, eines Bremspedalsensors und/oder eines Wählhebel-Stellung-Sensors.In one embodiment, a desired energy transfer into or out of the low-voltage range and a desired mechanical power of the electric machine are determined by a strategy unit at least as a function of an intermediate circuit voltage and/or at least one sensor signal relating to driving dynamics and/or at least one sensor signal specific to driving operation. This results in an advantageous manner in that a permissible upper limit of an intermediate circuit voltage, which is specified, for example, by operating parameters of the intermediate circuit capacitor, is not exceeded. In this way, in particular, a destruction of the intermediate circuit capacitor is avoided. The strategy unit here forms a top control or regulation level of a control or regulation hierarchy. Here, in particular, the desired energy transfer, now to be regarded as manipulated variables, into or out of the low-voltage range and the desired mode of operation of the electric machine are adapted to an intermediate circuit voltage. In addition or as an alternative, variables relating to driving dynamics, for example a speed or an acceleration of the vehicle, can also be taken into account. In addition or as an alternative, input variables such as the position of the accelerator pedal, brake pedal and/or selector lever can also be taken into account when determining the two manipulated variables. In this case, sensor signals specific to driving operation designate output signals, e.g. from an accelerator pedal sensor, a brake pedal sensor and/or a selector lever position sensor.
In einer weiteren Ausführungsform bestimmt die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die mindestens eine Soll-Phasenspannung in Abhängigkeit einer Drehzahl der Elektromaschine. Insbesondere kann eine Steuerung des Schaltens der Leistungsschalter des Umrichters gemäß des vorhergehend erläuterten ersten Betriebsmodus und des vorhergehend erläuterten zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit einer Drehzahl erfolgen. Idealerweise bestimmt die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die mindestens eine Soll-Phasenspannung derart, dass insbesondere im ersten Betriebsmodus eine Differenz-Klemmen-Spannung, die von der Einheit zur Bestimmung einer mittleren Phasenspannung bestimmte mittlere Phasenspannung nicht überschreitet. Weiter idealerweise bestimmt die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die mindestens eine Soll-Phasenspannung im zweiten Betriebsmodus derart, dass ein Wechselstromanteil des Stromes durch die mindestens eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung ausreichend klein bleibt, beispielsweise kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellwert.In a further specific embodiment, the unit for determining at least one setpoint phase voltage determines the at least one setpoint phase voltage as a function of a speed of the electric machine. In particular, the switching of the power switches of the converter can be controlled according to the first operating mode explained above and the second operating mode explained above as a function of a rotational speed. Ideally, the unit for determining at least one setpoint phase voltage determines the at least one setpoint phase voltage in such a way that, particularly in the first operating mode, a differential terminal voltage does not exceed the average phase voltage determined by the unit for determining an average phase voltage. Ideally, the unit for determining at least one target phase voltage determines the at least one target phase voltage in the second operating mode in such a way that an AC component of the current through the at least one inductance of the element for voltage conversion remains sufficiently small, for example is smaller than a predetermined threshold value.
Aus Gründen einer einfacheren Realisierbarkeit können jedoch statt dieser Kriterien auch ein drehzahlabhängiges Kriterium zur Bestimmung der mindestens einen Soll-Phasenspannung verwendet werden. Hierzu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise einen Sensor zur Erfassung der Drehzahl der Elektromaschine umfassen. Im ersten Betriebsmodus ist der Strom durch die mindestens eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung ein Gleichstrom. Jedoch ist im ersten Betriebsmodus die Höhe einer Differenz-Klemmen-Spannung im günstigsten Fall auf eine Hälfte der Zwischenkreisspannung begrenzt, wodurch ein Betrieb der Elektromaschine mit einer Differenz-Klemmen-Spannung oberhalb der Begrenzung nicht möglich ist. Im zweiten Betriebsmodus kann eine Differenz-Klemmen-Spannung eine Höhe der Zwischenkreisspannung annehmen. Jedoch wird hierbei einem durch die mindestens eine Induktivität des mindestens einen Elements zur Spannungswandlung fließenden Gleichstrom ein Wechselstromanteil überlagert. Durch das drehzahlabhängige Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi lassen sich in vorteilhafter Weise die Vorteile eines jeden Betriebsmodus ausnutzen.For reasons of simpler implementation, however, a speed-dependent criterion for determining the at least one setpoint phase voltage can also be used instead of these criteria. For this purpose, the device according to the invention can advantageously include a sensor for detecting the speed of the electric machine. In the first operating mode, the current through the at least one inductance of the voltage conversion element is a direct current. However, in the first operating mode, the level of a differential terminal voltage is limited to half the intermediate circuit voltage in the most favorable case, as a result of which it is not possible to operate the electric machine with a differential terminal voltage above the limit. In the second operating mode, a differential terminal voltage can assume the level of the intermediate circuit voltage. However, in this case, an alternating current component is superimposed on a direct current flowing through the at least one inductance of the at least one element for voltage conversion. The advantages of each operating mode can be exploited in an advantageous manner as a result of the speed-dependent switchover between the two operating modes.
In einer weiteren Ausführungsform bestimmt die Einheit zur Bestimmung mindestens einer Soll-Phasenspannung die mindestens eine Soll-Phasenspannung gemäß eines ersten und eines zweiten Betriebsmodus, wobei in Abhängigkeit einer Drehzahl der Elektromaschine zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus umgeschaltet wird, wobei ein Umschalten ein hartes Umschalten oder ein hysteresebasiertes Umschalten oder ein überblendbasiertes Umschalten ist. Im einfachsten Fall (hartes Umschalten) wird an einer vorbestimmten Drehzahlgrenze „hart“ zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus umgeschaltet. Dieses Umschalten ist in vorteilhafter Weise einfach zu realisieren. Allerdings könnte, wenn die Elektromaschine längere Zeit in einem kleinen Drehzahlintervall um die vorbestimmte Drehzahlgrenze schwankt, der Fall auftreten, dass bei ungünstig gewählten Umschaltzeitpunkten eine Soll-Phasenspannung beispielsweise der ersten Phase von einer für die erste Phase bestimmten mittleren Phasenspannung abweicht. Dies lässt sich in vorteilhafter Weise mittels eines hysteresebasierten Umschaltens vermeiden. Hierzu werden zwei vorbestimmte Drehzahlgrenzen festgelegt, eine obere Drehzahlgrenze und eine untere Drehzahlgrenze. Überschreitet die Drehzahl der Elektromaschine die obere Grenze, werden die Soll-Phasenspannungen gemäß dem zweiten Betriebsmodus bestimmt. Unterschreitet die Drehzahl der Elektromaschine nun die untere Grenze, so wird eine Bestimmung der Soll-Phasenspannungen gemäß dem ersten Betriebsmodus durchgeführt. Zwischen der unteren und der oberen Grenze bzw. zwischen der oberen und der unteren Grenze (Hysteresebereich) wird der Betriebsmodus beibehalten, in welchen zuletzt gewechselt wurde. Ein „hartes“ Umschalten kann in ungünstigen Fällen unangenehme akustische Geräusche erzeugen. Dies kann in vorteilhafter Weise durch ein überblendbasiertes Umschalten vermieden werden. Hierbei werden wieder oberhalb einer oberen Grenze Soll-Phasenspannungen gemäß dem zweiten Betriebsmodus bestimmt. Unterhalb einer unteren Drehzahlgrenze werden Soll-Phasenspannungen gemäß dem ersten Betriebsmodus bestimmt. In dem Bereich zwischen der unteren und der oberen Drehzahlgrenze werden die Soll-Phasenspannungen beispielsweise linear zwischen den gemäß dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus bestimmten Soll-Phasenspannungen interpoliert. Hierzu kann beispielsweise ein Überblendfaktor verwendet werden.In a further embodiment, the unit for determining at least one target phase voltage determines the at least one target phase voltage according to a first and a second operating mode, with switching between the first and second operating modes depending on the speed of the electric machine, with switching being a hard switching, or hysteresis-based switching, or fade-based switching. In the simplest case (hard switching), a “hard” switch is made between the first operating mode and the second operating mode at a predetermined speed limit. This switching is easy to implement in an advantageous manner. However, if the electric machine fluctuates around the predetermined speed limit in a small speed interval for a longer period of time, it could happen that a target phase voltage, for example of the first phase, deviates from an average phase voltage determined for the first phase at unfavorably selected switchover times. This can advantageously be avoided by means of hysteresis-based switching. To this end, two predetermined speed limits are set, an upper speed limit and a lower speed limit. If the speed of the electric machine exceeds the upper limit, the target phase voltages are determined according to the second operating mode. If the speed falls below the If the electric machine is now the lower limit, the target phase voltages are determined according to the first operating mode. Between the lower and upper limit or between the upper and lower limit (hysteresis range), the operating mode to which you last switched is retained. In unfavorable cases, “hard” switching can produce unpleasant acoustic noises. This can be avoided in an advantageous manner by a fade-based switching. In this case, target phase voltages are again determined above an upper limit according to the second operating mode. Below a lower speed limit, target phase voltages are determined according to the first operating mode. In the range between the lower and the upper speed limit, the setpoint phase voltages are interpolated, for example, linearly between the setpoint phase voltages determined according to the first and the second operating mode. A fade factor can be used for this purpose, for example.
Weiter kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Sensor zur Sensierung einer Rotorlage der Elektromaschine und/oder einen Sensor zur Sensierung eines Phasenstroms der Elektromaschine und/oder einen Sensor zur Sensierung des ersten Spannungsniveaus und/oder einen Sensor zur Sensierung des zweiten Spannungsniveaus und/oder einen Sensor zur Sensierung eines Lade- oder Entladestroms der Bordnetzbatterie und/oder einen Sensor zur Sensierung eines durch die mindestens eine Induktivität des Elements zur Spannungswandlung fließenden Stromes umfassen, wobei die Steuereinheit ein Schalten der Leistungsschalter des Umrichters in Abhängigkeit von mindestens der Rotorlage und/oder des Phasenstroms und/oder des ersten Spannungsniveaus und/oder des zweiten Spannungsniveaus und/oder des Lade- und/oder Entladestroms und/oder des durch die mindestens eine Induktivität fließenden Stromes steuert. Die verschiedenen Sensorsignale können hierbei auf unterschiedlichen Ebenen der Regelhierarchie ausgewertet werden.Furthermore, the device according to the invention can have at least one sensor for sensing a rotor position of the electric machine and/or a sensor for sensing a phase current of the electric machine and/or a sensor for sensing the first voltage level and/or a sensor for sensing the second voltage level and/or a sensor for sensing a charging or discharging current of the vehicle electrical system battery and/or a sensor for sensing a current flowing through the at least one inductance of the element for voltage conversion, the control unit switching the power switches of the converter as a function of at least the rotor position and/or the phase current and/or the first voltage level and/or the second voltage level and/or the charging and/or discharging current and/or the current flowing through the at least one inductor. The various sensor signals can be evaluated at different levels of the control hierarchy.
Weiter kann dem Zwischenkreiskondensator ein Dünnschicht-Kondensator (Supercap, Boostcap) parallel geschaltet werden. Dieser kann in vorteilhafter Weise im Sekundenbereich ähnliche oder sogar größere Leistungen aufnehmen oder abgeben als die Bordnetzbatterie. Eine Leistungsaufnahme oder -abgabe kann hierbei ebenfalls in vorteilhafter Weise gleichzeitig mit einer Leistungsaufnahme oder -abgabe der Bordnetzbatterie erfolgen. Hierdurch kann die Elektromaschine auch zumindest kurzzeitig bei höheren Leistungen betrieben werden als im Betrieb ausschließlich über die Bordnetzbatterie.A thin-film capacitor (supercap, boostcap) can also be connected in parallel with the intermediate circuit capacitor. This can advantageously take up or deliver similar or even greater power than the on-board battery in a matter of seconds. In this case, a power consumption or output can also advantageously take place simultaneously with a power consumption or output of the vehicle electrical system battery. As a result, the electric machine can also be operated at higher powers, at least for a short time, than when it is operated exclusively via the vehicle electrical system battery.
Weiter kann die Steuereinheit ein Schalten der Leistungsschalter in Abhängigkeit einer Energieübertragung in einen Hochspannungsbereich des Bordnetzes hinein oder aus dem Hochspannungsbereich des Bordnetzes heraus und/oder in Abhängigkeit von Verlusten, z.B. von ohmschen Verlusten und/oder Ummagnetisierungs-Verlusten in der Elektromaschine und/oder Schaltverlusten in den Leistungsschaltern, steuern. Die in den Hochspannungsbereich hinein zu übertragende Energie und/oder die Verluste können hierbei aus regelungstechnischer Sicht als Störgrößen betrachtet werden. Ihre jeweilige Größe ist außerhalb der Steuerung bzw. Regelung bestimmt und kann durch die Steuereinheit nicht unabhängig von der in den Niedrigspannungsbereich zu übertragenden Energie und der von der Elektromaschine erzeugten Energie bestimmt werden. Zur Verbesserung der Regelgüte kann es, wie in der Regelungstechnik bekannt, sinnvoll sein, diese Störgrößen vorzusteuern. Hierzu können z.B. die wesentlichen Energieverbraucher, die für die in den Hochspannungsbereich zu übertragende Energie verantwortlich sind, einen gemessenen oder geschätzten Wert ihrer zur Zeit aufgenommenen Leistung an die Steuereinheit melden. Dies kann z.B. über einen Datenbus, beispielsweise einen CAN-Bus, erfolgen. Die Verluste können z.B. durch Berechnung oder Schätzung eines einfachen Verlustmodells durch die Steuereinheit geschätzt werden. Wird mittels der Steuereinheit eine Vorsteuerung durchgeführt, so braucht die Steuereinheit im Betrieb dann idealerweise nur eine Abweichung zwischen geschätzten und realen Störgrößen auszugleichen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass nicht Gesamtbeträge der Störgrößen auszugleichen sind.Furthermore, the control unit can switch the circuit breakers depending on energy transfer into a high-voltage range of the vehicle electrical system or out of the high-voltage range of the vehicle electrical system and/or depending on losses, e.g. ohmic losses and/or hysteresis losses in the electric machine and/or switching losses in the circuit breakers. The energy to be transmitted into the high-voltage range and/or the losses can be viewed here as disturbance variables from the point of view of control technology. Their respective size is determined outside of the open-loop or closed-loop control and cannot be determined by the control unit independently of the energy to be transmitted into the low-voltage range and the energy generated by the electric machine. As is known in control engineering, it can be useful to precontrol these disturbance variables to improve the control quality. For this purpose, for example, the main energy consumers who are responsible for the energy to be transmitted in the high-voltage range can report a measured or estimated value of their currently consumed power to the control unit. This can be done, for example, via a data bus, for example a CAN bus. The losses can be estimated, for example, by the control unit calculating or estimating a simple loss model. If a pilot control is carried out by means of the control unit, the control unit then ideally only needs to compensate for a deviation between estimated and real disturbance variables during operation. This advantageously results in the fact that total amounts of the disturbance variables do not have to be compensated for.
Die Erfindung wird anhand zweiter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 ein schematischer Schaltplan einer Vorrichtung zur Energieübertragung (Stand der Technik), -
2 ein schematischer Schaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieübertragung, -
3 ein schematischer Schaltplan einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieübertragung und -
4 ein schematisches Blockschaltbild eines Verfahrens zur Energieübertragung.
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1 a schematic circuit diagram of a device for energy transmission (prior art), -
2 a schematic circuit diagram of a device according to the invention for energy transmission, -
3 a schematic circuit diagram of a further device according to the invention for energy transmission and -
4 a schematic block diagram of a method for energy transmission.
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichenelemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Eigenschaften.In the following, the same reference symbols designate elements with the same or similar technical properties.
Nachfolgend sei überblicksmäßig ein Betrieb der Vorrichtung 1 zur Energieübertragung geschrieben. Anfangs seien alle Leistungsschalter S1, ..., S8 offen. Der Zwischenkreiskondensator CZK ist dann über die Induktivität L und die Diode D7 antiparallel zum Leistungsschalter S7 des Elements 8 zur Spannungswandlung auf etwa die Batteriespannung Ubatt geladen. Wird z.B. zum Starten eines Verbrennungsmotors, für welchen die Elektromaschine 6 als Anlasser fungiert, eine höhere Zwischenkreisspannung UZK gewünscht, kann der Leistungsschalter S8 geschlossen werden. Es baut sich dann ein Strom iL durch die Induktivität L entgegen der in
Bei z.B. laufendem Verbrennungsmotor kann die Elektromaschine 6 auch als Generator, z.B. als Lichtmaschine, arbeiten. Hierbei wird der dreiphasige Umrichter 7 derart gesteuert, dass die Zwischenkreisspannung UZK größer als die Batteriespannung Ubatt ist. Das Element 8 zur Spannungswandlung wird jetzt als Abwärtswandler von der Zwischenkreisspannung UZK zur Batteriespannung Ubatt verwendet, um elektrische Verbraucher 5 zu versorgen und/oder die Bordnetzbatterie 4 zu laden. Hierbei wird der Leistungsschalter S7 geschlossen. Es baut sich dann ein Strom iL in der in
Dabei sei angemerkt, dass die Leistungsschalter S1-S6 vorzugsweise als MOSFETs ausgebildet sind, die technologisch bedingt die antiparallelen Dioden D1-D6 als parasitäre Bauelemente automatisch miterzeugen.It should be noted here that the power switches S1-S6 are preferably in the form of MOSFETs which, for technological reasons, automatically also generate the anti-parallel diodes D1-D6 as parasitic components.
In
Der Zwischenkreiskondensator CZK nimmt im motorischen Betrieb die Leistung
PVerl bezeichnet hierbei pauschal alle Verluste, z.B. ohmsche Verluste und UmmagnetisierungsVerluste in der Elektromaschine 6 sowie Schaltverluste in den Leistungsschaltern S1, ..., S6.In this context, P Loss designates all losses, for example ohmic losses and hysteresis losses in the
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Leistungen PNV und die Leistung PEM mittels eines Schaltens der Leistungsschalter S1, ..., S6 eingestellt werden.In the method according to the invention, the power P NV and the power P EM can be set by switching the power switches S1, . . . , S6.
Folgend sei ein motorischer Betrieb der Elektromaschine 6 angenommen. In einer obersten Ebene der Regelhierarchie wird hierbei eine von dem Niedrigspannungsbereich, insbesondere der Bordnetzbatterie 4, zu entnehmende Leistung PNV sowie eine elektrische Leistung PEM der Elektromaschine 6 vorgegeben.Motor operation of the
Hierbei kann die aus dem Niedrigspannungsbereich 2 heraus übertragene Leistung PNV mittels einer Veränderung einer Stromstärke des durch die Induktivität L des Elements zur Spannungswandlung fließenden Stromes iL gesteuert werden. Unter Annahme einer Verlustfreiheit gilt
Hierbei bezeichnet UL eine über der Induktivität L abfallende Spannung. Ist also eine erste Phasenspannung UP1 einer ersten Halbbrücke des in
In
Eine wesentliche Einschränkung der in
Die Einstellung einer Phasenspannung UP1, UP2, UP3 kann - wie bekannt - durch eine Pulsweitenmodulation erfolgen. Z.B. kann die erste Phasenspannung UP1 eingestellt werden, indem die Leistungsschalter S1, S2 der ersten Halbbrücke abwechselnd geschlossen oder geöffnet werden. Ein Öffnen oder Schließen kann mit konstanter Frequenz erfolgen. Ist z.B. innerhalb einer Periode eine Einschaltzeit TS1 des ersten Leistungsschalters S1 der ersten Halbbrücke gleich der Einschaltzeit TS2 des zweiten Leistungsschalters S2 der ersten Halbbrücke, so ist die erste Phasenspannung UP1 im Mittel die halbe Zwischenkreisspannung UZK/2. Ist der erste Leistungsschalter S1 permanent geschlossen, so ist die erste Phasenspannung UP1 gleich der Zwischenkreisspannung UZK. Ist der zweite Leistungsschalter S2 permanent geschlossen, so ist die erste Phasenspannung UP1 gleich Null. Durch ein Verhältnis der Einschaltzeiten TS1, TS2 zur Periodendauer (Summe der Einschaltzeiten TS1 + TS2), kann der Mittelwert der ersten Phasenspannung UP1 also beliebig zwischen Null und der Zwischenkreisspannung UZK eingestellt werden:
Weiter kann, wie vorhergehend erwähnt, auch die von der Elektromaschine 6 zu erzeugende elektrische Leistung PEM eingestellt werden. Hierbei können bekannte Verfahren zur Regelung von elektrischen Maschinen im Wesentlichen auch für die in
In der Regel werden zur Bestimmung der Motorspannungen US1, US2, US3 aus dem Sollmoment Msoll unter Verwendung einer mittels eines Motorlagesensors erfassten Rotorlage der Elektromaschine 6 Soll-Phasenströme iP1,soll, iP2,soll, iP3,soll berechnet. Hieraus werden, gegebenenfalls unter Verwendung von mittels Sensoren erfassten Phasenströmen iP1, iP2, iP3 die Motorspannungen US1, US2, US3 berechnet.As a rule, to determine the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 from the target torque M target , target phase currents i P1, target , i P2, target , i P3, target are calculated using a rotor position of the
Oftmals, jedoch nicht zwingend, sind die Motorspannungen US1, US2, US3 kosinusförmig, z.B.
Hierbei bezeichnet UA eine maximale Spannungsamplitude der Motorspannung US1, US2, US3 und α eine Rotorlage des nicht dargestellten Rotors der Elektromaschine 6. Im Allgemeinen steigt eine Frequenz dieser kosinusförmigen Spannungen und eine Amplitude dieser kosinusförmigen Spannungen mit einer steigenden Drehzahl Ω der Elektromaschine 6. Wichtig für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass ein zeitlicher Mittelwert der Motorspannung US1, US2, US3 bei einer drehenden Elektromaschine 6 ungefähr Null ist.Here, U A designates a maximum voltage amplitude of the motor voltage U S1 , U S2 , U S3 and α a rotor position of the rotor of the electric machine 6 (not shown). 6. It is important for the method according to the invention that a time average of the motor voltage U S1 , U S2 , U S3 is approximately zero when the
Eine Einheit 13 zur Bestimmung von Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll bestimmt in Abhängigkeit der ersten mittleren Phasenspannung UP1M und der drei Motorspannungen US1, Us2, US3 Sollwerte der Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll. Die Bestimmung der Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll erfolgt in zwei verschiedenen Betriebsmodi.A
Ein erster Betriebsmodus wird für einen Stillstand (Drehzahl der Elektromaschine 6 gleich Null) und niedrige Drehzahlen der Elektromaschine 6 verwendet. Hierbei wird die erste Soll-Phasenspannung UP1,soll gleich der von der Einheit 10 zur Bestimmung der ersten mittleren Phasenspannung UP1M bestimmten ersten mittleren Phasenspannung UP1M gesetzt. Die verbleibenden Soll-Phasenspannungen werden derart bestimmt, dass an den Klemmen K1, K2, K3 der Elektromaschine 6 Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 anliegen, die durch die Motorspannung US1, US2, US3 vorgegeben sind. Die Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll bestimmen sich hierbei gemäß
Der erste Betriebsmodus ist dadurch ausgezeichnet, dass auch bei stehender und ein hohes Drehmoment abgebender Elektromaschine 6 die erste Phasenspannung UP1 und die Motorspannungen US1, US2, US3 unabhängig voneinander eingestellt werden können. Somit ist es möglich, eine gewünschte Leistung PNV aus dem Niedrigspannungsbereich 2 heraus zu übertragen. Gleichzeitig ist es möglich, die Elektromaschine 6 in einer gewünschten Betriebsweise, d.h. mit einem gewünschten Drehmoment und einer gewünschten Drehzahl, zu betreiben.The first operating mode is characterized in that the first phase voltage U P1 and the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 can be set independently of one another even when the
Nachteilig ist hierbei, dass eine Klemmen-Differenz-Spannung UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 an den Klemmen K1, K2, K3 der Elektromaschine 6 maximal den Betrag der mittleren Phasenspannung UP1M betragen darf. Dies kann wie nachfolgend gezeigt hergeleitet werden. Gemäß einer Maschengleichung gilt:
Die Phasenspannungen UP1, UP2, UP3, insbesondere auch die zweite Phasenspannung UP2, sind, wie vorhergehend erläutert, mittels der Leistungsschalter S3, S4 beliebig zwischen 0 und 24 V einstellbar. Im ersten Betriebsmodus ist die erste Phasenspannung UP1 konstant und, wie vorhergehend erläutert, im Mittel gleich der Batteriespannung Ubatt = 12 V. Somit kann eine Differenz zwischen der zweiten und der ersten Motorspannung US2 - US1 (Differenz-Klemmen-Spannung UK1-K2) nur zwischen -12 V bis 12 V liegen. Hierdurch ergibt sich also nachteilig, dass im ersten Betriebsmodus die Elektromaschine 6 ausschließlich mit Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 mit einer maximalen Amplitude von -12V bzw. 12 V betrieben werden kann, auch wenn die Elektromaschine 6 für höhere Amplituden der Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 ausgelegt ist.The phase voltages U P1 , U P2 , U P3 , in particular also the second phase voltage U P2 , can be set anywhere between 0 and 24 V by means of the power switches S3, S4, as explained above. In the first operating mode, the first phase voltage U P1 is constant and, as explained above, on average equal to the battery voltage Ubatt = 12 V. A difference between the second and the first motor voltage U S2 - U S1 (differential terminal voltage U K1 -K2 ) must only be between -12 V and 12 V. This has the disadvantage that in the first operating mode the
Der zweite Betriebsmodus ist für höhere Drehzahlen vorgesehen. Hierbei bestimmen sich die Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll gemäß
Hierbei werden also die Motorspannungen US1 bis US3 auf die von der Einheit 10 bestimmte mittlere Phasenspannung UP1M addiert, um die Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll zu erhalten. Hierbei ist zu beachten, dass im zweiten Betriebsmodus die Forderung, die erste Phasenspannung UP1 auf eine konstante mittlere Phasenspannung UP1M zu regeln, nicht exakt umgesetzt wird. Der ersten mittleren Phasenspannung UP1M wird hierbei die von der Einheit 12 bestimmte erste Motorspannung US1 überlagert. Vorzugsweise ist die erste Motorspannung US1 (und auch die weiteren Motorspannungen US2, US3) eine Wechselspannung mit dem Mittelwert Null oder nahe Null. Abhängig von einer Größe der Induktivität L des Elements zur Spannungswandlung wird damit dem Strom iL ein Wechselstrom mit der drehzahlabhängigen Frequenz der ersten Motorspannung US1 überlagert werden. Hierbei kann jedoch angenommen werden, dass ein Mittelwert des Stromes iL sich im Wesentlichen durch die Überlagerung eines Wechselstromes nicht ändert. Eine Differenz-Klemmen-Spannung UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 an den Klemmen K1, K2, K3 der Elektromaschine 6 kann im zweiten Betriebsmodus eine Amplitude aufweisen, die theoretisch dem Doppelten der von der Einheit 10 bestimmten mittleren ersten Phasenspannung UP1M entspricht. Beträgt z.B. die Batteriespannung Ubatt = 12 V und die Zwischenkreisspannung UZK = 24 V, so kann die Elektromaschine auch mit Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 mit Amplituden von -24 V bis 24 V betrieben werden. Dies sei nachfolgend näher erläutert. Ausgehend von der in der Maschengleichung aus Formel 9 ist die erste und die zweite Phasenspannung UP1, UP2 im Bereich zwischen 0 V bis 24 V einstellbar, da die erste Phasenspannung UP1 keine konstante Phasenspannung mehr ist. Hieraus folgt, dass die ersten Differenz-Klemmen-Spannung UK1-K2, die der Differenz zwischen der zweiten und der ersten Motorspannung US2 - US1 entspricht, theoretisch Spannungsamplituden zwischen -24 V und 24 V annehmen kann.Here, the motor voltages U S1 to U S3 are added to the average phase voltage U P1M determined by the
Eine Umschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus sollte im Idealfall folgende Anforderungen erfüllen:
- 1. Im ersten Betriebsmodus sollten die Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 an den Klemmen K1, K2, K3 die erste mittlere Phasenspannung UP1M nicht überschreiten.
- 2. Im zweiten Betriebsmodus sollte ein Wechselstromanteil des Stromes iL durch die Induktivität L des Elements zur Spannungswandlung ausreichend klein bleiben.
- 1. In the first operating mode, the differential terminal voltages U K1-K2 , U K1-K3 , U K2-K3 at terminals K1, K2, K3 should not exceed the first average phase voltage U P1M .
- 2. In the second operating mode, an AC component of the current iL through the inductance L of the element for voltage conversion should remain sufficiently small.
Aus Gründen der einfacheren Realisierbarkeit werden diese Kriterien nicht direkt, sondern ein von der Drehzahl Ω der Elektromaschine 6 abhängiges Kriterium zum Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus verwendet. Hierbei kann ein Umschalten in Abhängigkeit der Drehzahl Ω ein hartes Umschalten, ein hysteresebasiertes oder ein überblendbasiertes Umschalten sein. Nachfolgend sei nun ein überblendbasiertes Umschalten erläutert. Für ein überblendbasiertes Umschalten sei eine obere Drehzahlgrenze und eine untere Drehzahlgrenze vorbestimmt. Oberhalb der oberen Drehzahlgrenze werden die Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll gemäß dem zweiten Betriebsmodus und unterhalb der unteren Drehzahlgrenze gemäß dem ersten Betriebsmodus bestimmt. Zwischen der unteren und der oberen Drehzahlgrenze wird zwischen den gemäß beiden Betriebsmodi bestimmten Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll linear interpoliert. Hierzu wird ein Überblendfaktor ufak verwendet. Ist die Drehzahl Ω kleiner als die untere Drehzahlgrenze, so ist der Überblendfaktor ufak = 0. Ist die Drehzahl Ω größer als die obere Drehzahlgrenze, so ist der Überblendfaktor ufak = 1. Liegt die Drehzahl Ω zwischen der unteren und der oberen Drehzahlgrenze, so bestimmt sich der Überblendfaktor ufak gemäß
Die Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll bestimmen sich dann gemäß
In Einheiten 14 zur Bestimmung von Schaltzeitpunkten werden die Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter S1, ..., S6 in Abhängigkeit der von der Einheit 13 bestimmten Soll-Phasenspannung UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll und in Abhängigkeit einer aktuellen Zwischenkreisspannung UZK bestimmt und die Leistungsschalter S1, ..., S6 entsprechend gesteuert.The switching times of the power switches S1 , U ZK determined and the circuit breakers S1, ..., S6 controlled accordingly.
Die in den Hochspannungsbereich 3 übertragene Leistung PHV und die Verlustleistung PVerl können hierbei aus regelungstechnischer Sicht als Störgrößen betrachtet werden. Diese können z.B. mittels einer Vorsteuerung zumindest teilweise kompensiert werden, wodurch eine Regelgüte der Regelung der aus dem Niedrigspannungsbereich 2 hinaus zu übertragene Leistung PNV und der elektrischen Leistung PEM der Elektromaschine 6 verbessert wird.The power P HV transmitted into the high-
Auch die in den Zwischenkreiskondensator CZK übertragene Leistung PZK kann, analog zu den Störgrößen, nicht unabhängig von den weiteren in Formel 1 genannten Leistungen eingestellt werden. Allerdings hängt die Zwischenkreisspannung UZK über
Es ergibt sich also eine Regelungshierarchie mit insgesamt vier Ebenen. In einer obersten Ebene der Regelhierarchie bestimmt die Strategieeinheit 11 einen gewünschten Sollstrom iL,soll und ein gewünschtes Sollmoment Msoll der Elektromaschine 6. In einer zweiten Ebene bestimmt die Einheit 10 eine erste mittlere Phasenspannung UP1M und die Einheit 12 Motorspannungen US1, US2, US3. In einer dritten Ebene der Regelungshierarchie bestimmt die Einheit 13 Soll-Phasenspannungen UP1,soll, UP2,soll, UP3,soll. In einer vierten und letzten Ebene der Regelungshierarchie bestimmen Einheiten 14 Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter S1, ..., S6 der Halbbrücken des Umrichters 7.This results in a control hierarchy with a total of four levels. In a top level of the control hierarchy,
Im Folgenden werden beispielhaft einige Betriebssituationen betrachtet.Some operating situations are considered below as examples.
Aufbau einer Zwischenkreisspannung UZK bei einer stehenden, momentenfreien Elektromaschine 6:
- Hierbei dient das Element zur Spannungswandlung, insbesondere die Induktivität L und die Leistungsschalter S1, S2, als Aufwärtswandler, dessen Funktion vorhergehend in
den Erläuterungen zu 2 dargestellt wurde. Die Leistungsschalter S3, ..., S6 können hierbei geöffnet bleiben. Alternativ können die ersten Leistungsschalter S3, S5 der zweiten und dritten Halbbrücke synchron zu dem ersten Leistungsschalter S1 der ersten Halbbrücke und die zweiten Leistungsschalter S4, S6 der zweiten und dritten Halbbrücke synchron zu dem zweiten Leistungsschalter S2 der ersten Halbbrücke angesteuert werden. Hierdurch ändert sich ein Zustand der stehenden und unbestromten Elektromaschine 6 nicht, da die Differenz-Klemmen-Spannungen UK1-K2, UK1-K3, UK2-K3 Null sind.Die Strategieeinheit 10 bestimmt ein Sollmoment Msoll = 0 und eine Soll-Zwischenkreisspannung UZK,soll von z.B. 2 x Ubatt. Ein Sollstrom iL,soll, insbesondere eine Stromstärke des Sollstroms iL,soll, kann dann z.B. auf einfache Weise mittels eines P-Reglers vorgegeben werden. Beispielsweise kann iL,soll gemäß
- In this case, the element for voltage conversion, in particular the inductance L and the power switches S1, S2, serves as a step-up converter, the function of which was previously explained in the explanations for
2 was presented. The circuit breakers S3, ..., S6 can remain open in this case. Alternatively, the first power switches S3, S5 of the second and third half bridges can be driven synchronously with the first power switch S1 of the first half bridge and the second power switches S4, S6 of the second and third half bridges can be driven synchronously with the second power switch S2 of the first half bridge. As a result, a state of the stationary and unenergizedelectric machine 6 does not change, since the differential terminal voltages U K1-K2 , U K1-K3 , U K2-K3 are zero.Strategy unit 10 determines a setpoint torque M setpoint =0 and a setpoint intermediate circuit voltage U ZK,set of, for example, 2×U batt . A target current i L , target , in particular a current intensity of the target current i L , target , can then be specified in a simple manner, for example, by means of a P controller. For example, i L,soll according to
Anlassen:Tempering:
Hierbei ergeben sich zwei Steuerungsszenarien. Ist ein maximal einstellbares Drehmoment durch die Eigenschaften der Elektromaschine 6 begrenzt, so wird das Sollmoment Msoll auf dieses maximal mögliche Moment eingestellt. Die Strategieeinheit 10 bestimmt dann einen Sollstrom iL,soll, mit dem auch die Zwischenkreisspannung UZK auf eine vorgegebene Soll-Zwischenkreisspannung UZK,soll geregelt wird (siehe Formel 16). Ist ein maximal einstellbares Drehmoment nicht durch die Eigenschaften der Elektromaschine 6, sondern durch eine maximale, der Bordnetzbatterie 4 entnehmbare Leistung begrenzt, so bestimmt die Strategieeinheit 10 den Sollstrom iL,soll als den betragsmäßig maximal zulässigen, in Bezug auf die in
Rekuperieren:recuperate:
Analog zum Anlassen können auch im Rekuperationsmodus unterschiedliche Steuerungsszenarien verwendet werden. Ist das maximal mögliche negative Moment nicht durch Eigenschaften der Elektromaschine 6 beschränkt, so kann die Strategieeinheit 10 einen maximal zulässigen, in Bezug auf die in
Selbstverständlich können auch weitere Betriebssituationen, z.B. eine Anfahrhilfe, ein Abwürgeschutz, eine so genannte Motor-Boost-Funktion, ein Entladen des Zwischenkreiskondensators CZK in die Bordnetzbatterie 4 am Fahrtende und eine normale Generatorfunktion ohne Begrenzung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden.Of course, other operating situations, e.g. traction help, stall protection, a so-called engine boost function, discharging of the intermediate circuit capacitor C ZK into the vehicle
In den vorhergehenden Ausführungen wurde die Bordnetzbatterie 4 als einzige Energiequelle betrachtet, mittels derer die Elektromaschine 6 im motorischen Betrieb mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Der Zwischenkreiskondensator CZK kann hierbei als Glättungskondensator aufgefasst werden, der Maximal-Leistungen bestenfalls im Millisekundenbereich aufnehmen oder abgeben kann. Hierbei ist es nicht sinnvoll, die Elektromaschine auf wesentlich größere Leistungen auszulegen als die Bordnetzbatterie 4 kurzzeitig aufnehmen oder abgeben kann. Optional kann dem Zwischenkreiskondensator CZK auch ein so genannter Dünnschicht-Kondensator parallel geschaltet werden. Dieser kann dann im Sekundenbereich ähnliche oder sogar größere Leistungen als die Bordnetzbatterie 4 aufnehmen oder abgeben. Somit kann die Elektromaschine 6 auf höhere Leistungen als die kurzfristig von der Bordnetzbatterie 4 abgebbaren oder aufnehmbaren Leistungen ausgelegt werden. Hierbei kann es erforderlich sein, die Leistungsschalter S1, ..., S6 auf größere Ströme auszulegen.In the previous statements, the vehicle
Ein Energieinhalt eines Kondensators hängt quadratisch von einer über dem Kondensator abfallenden Spannung ab.
Entsprechend der vorhergehend erläuterten Betriebsituation eines Aufbaus einer Zwischenkreisspannung UZK bei stehender, momentenfreier Elektromaschine kann in einer solchen Anordnung der Dünnschicht-Kondensator auf einen möglichst hohen Energieinhalt aufgeladen werden. Hierdurch kann für mindestens einen motorischen Hochlastfall, wie z.B. ein Kaltstart eines Dieselmotors, kurzzeitig eine elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden, die die maximal von der Bordnetzbatterie 4 zur Verfügung stehende Leistung überschreitet. In einem solchen Fall würde die Strategieeinheit 10 eine Soll-Zwischenkreisspannung UZK,soll nahe eines maximal zulässigen Wertes vorgeben (z.B. 4 x Ubatt, in diesem Fall ca. 48 V). Zusätzlich könnte die Strategieeinheit 10 den Sollstrom iL,soll auf einen minimal zulässigen (negativen) Wert begrenzen.Corresponding to the previously explained operating situation of a build-up of an intermediate circuit voltage U ZK with a stationary, torque-free electric machine, the thin-film capacitor can be charged to as high an energy content as possible in such an arrangement. As a result, for at least one motor high-load case, such as a cold start of a diesel engine, electrical power can be made available for a short time, which exceeds the maximum power available from the vehicle
Während eines vorhergehend erläuterten Anlassvorgangs kann eine Vorrichtung, die zusätzlich einen Dünnschicht-Kondensator umfasst, derart gesteuert werden, dass die Strategieeinheit 10 ein maximal zulässiges Sollmoment Msoll und einen minimal zulässigen Sollstrom iL,soll anfordert. Die elektrische Leistung, die über die von der Bordnetzbatterie 4 abgegebene Leistung hinaus benötigt wird, kann der Dünnschicht-Kondensator abgeben, wobei die Zwischenkreisspannung UZK sinkt. In einem Rekuperationsfall, analog zu dem vorhergehend erläuterten Rekuperationsbetrieb, kann die Strategieeinheit am Beginn des Rekuperationsbetriebs eine relativ niedrige Soll-Zwischenkreisspannung UZK,soll anfordern (z.B. 2 x Ubatt). Bei einer ausreichend starken Bremsung würde die Strategieeinheit dann einen maximalen Sollstrom iL,soll und ein minimales, d.h. betragsmäßig maximales generatorisches, Sollmoment Msoll anfordern. Die elektrische Leistung, die die Bordnetzbatterie 4 nicht aufnehmen kann, wird im Dünnschicht-Kondensator gespeichert. Um bei Erreichen des Maximalwertes der Zwischenkreisspannung UZK das Bremsmoment nicht schlagartig reduzieren zu müssen, kann es sinnvoll sein, dass die Strategieeinheit ab einer vorbestimmten Schwelle der Zwischenkreisspannung UZK, z.B. bei 90 % einer maximalen Zwischenkreisspannung UZK, beginnt, das Sollmoment Msoll betragsmäßig zu reduzieren. Nach Ende der Bremsung kann die Strategieeinheit 11 den Sollstrom iL,soll weiterhin auf einen hohen Sollwert belassen, um die Zwischenkreisspannung UZK für eine gegebenenfalls weitere Rekuperation vorzubereiten.During a starting process explained above, a device that also includes a thin-film capacitor can be controlled in such a way that
Es sind elektrische Verschaltungen von Elektromaschinen denkbar, bei denen die vorhergehend erläuterten Motorspannungen US1, US2, US3 nicht explizit wie in der in
In einem ersten Fall subtrahiert man von den vorgegebenen Phasenspannungen UP1, UP2, UP3 jeweils die Hälfte der Zwischenkreisspannung UZK, um die Motorspannungen US1 bis US3 zu erhalten. Wenn die zeitlichen Mittelwerte von den so berechneten Motorspannungen US1, US2, US3 bei einem in einem konstanten Betriebspunkt betriebener Elektromaschine 6 gleich oder nahe Null sind, ist ein korrekter Betrieb der Elektromaschine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.In a first case, half of the intermediate circuit voltage U ZK is subtracted from the predetermined phase voltages U P1 , U P2 , U P3 in order to obtain the motor voltages U S1 to U S3 . If the average values over time of the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 calculated in this way are equal to or close to zero for an
In einer zweiten Alternative kann ein Mittelwert aus den Phasenspannungen UP1 bis UP3 bestimmt und von den jeweiligen Phasenspannungen UP1, UP2, UP3 subtrahiert werden, um die Motorspannungen US1, US2, US3 zu erhalten.In a second alternative, a mean value can be determined from the phase voltages U P1 to U P3 and subtracted from the respective phase voltages U P1 , U P2 , U P3 in order to obtain the motor voltages U S1 , U S2 , U S3 .
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Vorrichtung zur EnergieübertragungDevice for energy transfer
- 22
- Niedrigspannungsbereichlow voltage range
- 33
- Hochspannungsbereichhigh voltage area
- 44
- Bordnetzbatterieon-board battery
- 55
- elektrische Verbraucherelectrical consumers
- 66
- Elektromaschineelectric machine
- 77
- Umrichterconverter
- 88th
- Element zur SpannungswandlungVoltage conversion element
- 1010
- Einheit zur Bestimmung einer mittleren PhasenspannungUnit for determining an average phase voltage
- 1111
- Strategieeinheitstrategy unit
- 1212
- Einheit zur Bestimmung mindestens einer MotorspannungUnit for determining at least one motor voltage
- 1313
- Einheit zur Bestimmung einer Soll-PhasenspannungUnit for determining a target phase voltage
- 1414
- Einheit zur Bestimmung von SchaltzeitpunktenUnit for determining switching times
- UbattUbatt
- Batteriespannungbattery voltage
- UZKUCC
- Zwischenkreisspannungintermediate circuit voltage
- UP1UP1
- erste Phasenspannungfirst phase voltage
- UP2UP2
- zweite Phasenspannungsecond phase voltage
- UP3UP3
- dritte Phasenspannungthird phase voltage
- US1US1
- erste Motorspannungfirst motor voltage
- US2US2
- zweite Motorspannungsecond motor voltage
- US3US3
- dritte Motorspannungthird motor voltage
- LL
- Induktivitätinductance
- ULUL
- Spannung über der Induktivitätvoltage across the inductor
- UP1MUP1M
- erste mittlere Phasenspannungfirst mean phase voltage
- UP1,sollUP1, set
- erste Soll-Phasenspannungfirst target phase voltage
- UP2,sollUP2, should
- zweite Soll-Phasenspannungsecond target phase voltage
- UP3,sollUP3, should
- dritte Soll-Phasenspannungthird target phase voltage
- iNViNV
- Niedrigspannungsbereich-Stromlow voltage range current
- ibattibat
- Batteriestrombattery power
- iLiL
- Strom durch die Induktivitätcurrent through the inductance
- iHViHV
- Hochspannungsbereich-StromHigh Voltage Range Electricity
- iZKiZK
- Zwischenkreisstromintermediate circuit current
- iP1iP1
- erster Phasenstromfirst phase current
- iP2iP2
- zweiter Phasenstromsecond phase current
- iP3iP3
- dritter Phasenstromthird phase current
- iL,solliL, should
- Sollstrom durch die InduktivitätTarget current through the inductor
- S1S1
- erster Leistungsschalter der ersten Halbbrückefirst power switch of the first half-bridge
- S2S2
- zweiter Leistungsschalter der ersten Halbbrückesecond power switch of the first half-bridge
- S3S3
- erster Leistungsschalter der zweiten Halbbrückefirst power switch of the second half-bridge
- S4S4
- zweiter Leistungsschalter der zweiten Halbbrückesecond power switch of the second half-bridge
- S5S5
- erster Leistungsschalter der dritten Halbbrückefirst power switch of the third half-bridge
- S6S6
- zweiter Leistungsschalter der dritten Halbbrückesecond power switch of the third half-bridge
- D1D1
- Diodediode
- D2D2
- Diodediode
- D3D3
- Diodediode
- D4D4
- Diodediode
- D5D5
- Diodediode
- D6D6
- Diodediode
- S7S7
- erster Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlungfirst circuit breaker of the voltage conversion element
- S8S8
- zweiter Leistungsschalter des Elements zur Spannungswandlungsecond power switch of the voltage conversion element
- D7D7
- Diodediode
- D8D8
- Diodediode
- K1K1
- erste Klemme der Elektromaschinefirst terminal of the electric machine
- K2K2
- zweite Klemme der Elektromaschinesecond terminal of the electric machine
- K3K3
- dritte Klemme der Elektromaschinethird terminal of the electric machine
- SS
- Sternpunktstar point
- ML1ML1
- erste Motorinduktivität der Elektromaschinefirst motor inductance of the electric machine
- ML2ML2
- zweite Motorinduktivität der Elektromaschinesecond motor inductance of the electric machine
- ML3ML3
- dritte Motorinduktivität der Elektromaschinethird motor inductance of the electric machine
- FPFP
- Fahrpedalsensor-Signalaccelerator pedal sensor signal
- BPbp
- Bremspedalsensor-SignalBrake pedal sensor signal
- MsollMsoll
- Sollmomenttarget torque
- αa
- Rotorlagerotor position
- ΩΩ
- Drehzahlrotational speed
- TS1TS1
- Schaltzeit des ersten Leistungsschalters der ersten HalbbrückeSwitching time of the first circuit breaker of the first half bridge
- TS2TS2
- Schaltzeit des zweiten Leistungsschalters der ersten HalbbrückeSwitching time of the second power switch of the first half bridge
Claims (9)
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Applications Claiming Priority (1)
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