DE102010042915A1 - Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Antriebssystem (1) eine Energiequelle (2) aufweist, aus der über einen DC/DC-Wandler (3), welcher insbesondere als Hochsetzsteller betreibbar ist ist, sowie einen Wechselrichter (4) jeweils des Antriebssystems (1) eine Drehfeldmaschine (5) desselben mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei in einer ersten Betriebsart eine Zwischenkreisspannung (UZK), welche am Eingang des Wechselrichters (4) anliegt, in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs der Drehfeldmaschine (5) geführt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Reine Elektrofahrzeuge oder Fahrzeuge, bei denen der Elektroantrieb einen bedeutenden Anteil hat, werden aus einer Energiequelle in Form z. B. einer Batterie oder einer Brennstoffzelle mit Energie versorgt. Die elektrische Leistung wird mittels eines Wechselrichters umgeformt und dann einem Elektromotor, der heute üblicherweise ein Drehstrommotor ist, zur Verfügung gestellt. Der Elektromotor formt dann die elektrische Leistung in mechanische Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs um.
  • Ein elektrisches Antriebssystem der vorliegenden Art, welches einen Wechselrichter aufweist, welcher mittels eines Gleichstromstellers an einer Gleichspannungsquelle betrieben wird, ist z. B. in der Druckschrift DE 10 2005 041 825 A1 offenbart. Ein weiteres Antriebssystem dieser Art wird in der Druckschrift DE 40 13 506 C3 beschrieben, wobei drei Arbeitsbereiche festgelegt sind, in welchen das Antriebssystem jeweils unterschiedlich betrieben wird.
  • Mit Rücksicht auf die Kosten der heute verfügbaren Energiequellen, welche in Abhängigkeit der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Energiequelle steigen, kommt dem Wirkungsgrad des Gesamtantriebs eine entscheidende Bedeutung zu. Je effizienter das Antriebssystem betrieben wird, desto kleiner und damit kostengünstiger kann die Energiequelle ausgeführt werden.
  • Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Antriebssystem eine Energiequelle aufweist, aus der über einen DC/DC-Wandler, welcher insbesondere als Hochsetzsteller betreibbar ist, sowie einen Wechselrichter jeweils des Antriebssystems eine Drehfeldmaschine desselben mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei in einer ersten Betriebsart eine Zwischenkreisspannung, welche am Eingang des Wechselrichters anliegt, in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs der Drehfeldmaschine geführt wird.
  • Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Rahmen einer Führung der Zwischenkreisspannung in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs der Drehfeldmaschine in der ersten Betriebsart ein Hochstellen und/oder ein Tiefstellen der Zwischenkreisspannung oder ein Ausschalten des Antriebssystems, insbesondere des Wechselrichters oder des DC/DC-Wandlers vorgesehen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zwischenkreisspannung in der ersten Betriebsart in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs der Drehfeldmaschine jeweils auf einen kleinstmöglichen Wert geführt.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zwischenkreisspannung in der ersten Betriebsart mittels des DC/DC-Wandlers eingestellt, insbesondere hochgestellt.
  • Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch ein Verfahren, wobei die Drehfeldmaschine in der ersten Betriebsart in Grundfrequenztaktung betrieben wird.
  • Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß weiterhin ein Verfahren, wobei die Drehfeldmaschine in einer zweiten Betriebsart mit PWM betrieben wird, insbesondere derart, dass der DC/DC-Wandler außer Funktion ist.
  • Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens gelangt die zweite Betriebsart in einem in Bezug auf den Betrieb der Drehfeldmaschine niedrigen Drehzahlbereich zur Anwendung.
  • Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, wobei die erste Betriebsart in einem relativ zur zweiten Betriebsart höheren und/oder hohem Drehzahlbereich zur Anwendung gelangt, insbesondere bis hin zu einer maximal möglichen bzw. vorgesehenen Drehzahl des Antriebssystems.
  • Insbesondere beträgt der niedrige Drehzahlbereich, in dem die zweite Betriebsart angewendet wird, 0 bis 30% der maximal auftretenden betrieblichen Drehzahl der Drehfeldmaschine oder der maximal möglichen bzw. vorgesehenen Drehzahl des Antriebssystems, und der hohe Drehzahlbereich, in dem die erste Betriebsart angewendet wird, beträgt insbesondere 30 bis 100% der maximal auftretenden betrieblichen Drehzahl oder der maximal möglichen bzw. vorgesehenen Drehzahl des Antriebssystems.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Übergang von der ersten zur zweiten Betriebsart in Abhängigkeit des Verhältnisses einer Ausgangsspannung der Energiequelle zur Zwischenkreisspannung, wobei sich der Übergang insbesondere leistungsabhängig verschiebt. Der Übergang kann somit beispielsweise bei um +/–20% der maximal auftretenden betrieblichen Drehzahl der Drehfeldmaschine oder der maximal möglichen bzw. vorgesehenen Drehzahl des Antriebssystems verschoben werden, d. h. der Übergang erfolgt insbesondere spannungsverhältnis- und/oder leistungsabhängig im Bereich zwischen 10% und 50% der maximal auftretenden betrieblichen Drehzahl der Drehfeldmaschine oder der maximal möglichen bzw. vorgesehenen Drehzahl des Antriebssystems.
  • Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch ein Verfahren, wobei die Zwischenkreisspannung in der ersten Betriebsart mittels eines Kennfeldes in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs geführt wird. Das Kennfeld kann insbesondere als Algorithmus oder Tabelle vorliegen.
  • Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß weiterhin ein Antriebssystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Antriebssystem eine Energiequelle aufweist, aus der über einen DC/DC-Wandler, welcher insbesondere als Hochsetzsteller betreibbar ist, sowie einen Wechselrichter jeweils des Antriebssystems eine Drehfeldmaschine desselben mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei das Antriebssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Antriebssystems korrespondiert die mittels des DC/DC-Wandlers und der Energiequelle einstellbare maximale Zwischenkreisspannung mit der Bemessungsspannung des Wechselrichters und/oder der Drehfeldmaschine.
  • Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, aufweisend ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Fahrzeugs wird das Wirkungsgradmaximum des elektrischen Antriebssystems in einem niedrigen Teillastbereich erreicht, insbesondere in der zweiten Hälfte des Geschwindigkeitsbereichs des Fahrzeugs.
  • Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Fahrzeugs wird das Wirkungsgradmaximum bei einem Momentenbedarf erreicht, welcher dem, insbesondere quadratisch, gemittelten Momentenbedarf des Fahrzeugs angepasst ist oder diesem entspricht. Insbesondere der quadratisch gemittelte Momentenbedarf ist für die Ermittlung des optimalen Wirkungsgradmaximums besser geeignet als der linear gemittelte Momentenbedarf. Zum einen werden damit auch Bremsmomente korrekt berücksichtigt, zum anderen hängt die Verlustleistung im Antriebssystem weitgehend vom Quadrat des Moments ab.
  • Bei noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Fahrzeugs wird das Wirkungsgradmaximum bei einem Momentenbedarf erreicht, welcher bei unter 30%, insbesondere bei 10% bis 20% des maximal möglichen Moments liegt, i. e. des Antriebssystems. Das Wirkungsgradmaximum wird also dort erreicht, wo das Fahrzeug statistisch häufig betrieben wird. Andererseits liegt das Wirkungsgradmaximum insbesondere in der oberen Hälfte des Geschwindigkeitsbereiches des Fahrzeugs, also dort, wo ein deutliches Mehr an Fahrleistung notwendig ist als in der unteren Hälfte des Geschwindigkeitsbereichs.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figur der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 exemplarisch und schematisch ein Antriebssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
  • In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 zeigt exemplarisch ein elektrisches Antriebssystem 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 ist dazu vorgesehen, ein Fahrzeug anzutreiben, insbesondere ein Kraftfahrzeug, z. B. einen Personen-, einen Nutz- oder einen Lastkraftwagen, z. B. auch ein Wasserfahrzeug. Das elektrische Antriebssystem 1 kann dabei ein ausschließliches Antriebssystem des Fahrzeugs darstellen, ein Hilfsantriebssystem oder ein weiteres Antriebssystem. Das elektrische Antriebssystem 1 ist z. B. Teil eines hybridisierten Antriebssystems, bei welchem zusätzlich eine Brennkraftmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird.
  • Das elektrische Antriebssystem 1 weist auf an sich bekannte Weise eine Energiequelle 2 auf, sowie einen mit der Energiequelle 2 verbundenen Gleichstromsteller bzw. DC/DC-Wandler 3. Erfindungsgemäß ist die Energiequelle 2 eine Brennstoffzelle, ein Hochenergie-Kondensator (Supercap) oder eine Batterie, insbesondere eine Traktionsbatterie und weiterhin insbesondere eine aufladbare Batterie, wobei das Antriebssystem 1 vorzugsweise rekuperationsfähig ausgebildet ist. Allgemein ist die Energiequelle 2 eine Energieversorgungsvorrichtung, welche eine Gleichspannung UB liefert bzw. an einem Ausgang zur Verfügung stellt, 1.
  • Der DC/DC-Wandler 3, welcher üblicherweise auch als Gleichstromsteller oder DC/DC-Konverter bezeichnet ist, ist insbesondere im motorischen Betrieb als Hochsetzsteller betreibbar, z. B. als solcher ausgeführt, vorzugsweise für Antriebszwecke, und dazu vorgesehen, die von der Energiequelle 2 gelieferte Gleichspannung UB bzw. Eingangsspannung in eine Gleichspannung eines anderen, vorgesehenen Spannungswerts zu wandeln, i. e. eine Spannung anzupassen, insbesondere hochzustellen. Der DC/DC-Wandler 3 kann allgemein ein Stromrichter sein, welcher eine derartige Funktionalität zur Verfügung stellt. Ein Betrag einer Ausgangsspannung, welche als Zwischenkreisspannung UZK zur Verfügung steht und als Eingangsspannung für einen Wechselrichter 4 vorgesehen ist, ist mittels des DC/DC-Wandlers 3 einfach einstellbar. Zur Rekuperation bzw. zur Nutzbremsung wirkt der DC/DC-Wandler z. B. als Tiefsetzsteller.
  • Der DC/DC-Wandler 3 ist erfindungsgemäß insbesondere dazu ausgebildet, eine seitens der Energiequelle 2 zur Verfügung gestellte Eingangsspannung UB ungewandelt als Ausgangsspannung UZK zur Verfügung stellen zu können, d. h. im Verhältnis 1:1. Für diesen Fall ist die Wandlerfunktion ausschaltbar, d. h. der DC/DC-Wandler 3 außer Betrieb. Der DC/DC-Wandler 3 ist erfindungsgemäß vorzugsweise dreisträngig ausgeführt, wobei es eine solche Topologie vorteilhaft erlaubt, den Wechselrichter 4 auch als Doppelwechselrichter einzusetzen. Der dreisträngige DC/DC-Wandler 3 ist z. B. mittels dreier getrennter Stellerdrosseln oder einer Summendrossel ausgeführt.
  • Weiterhin weist das Antriebssystem 1 wie oben erwähnt einen mit der Zwischenkreisspannung versorgbaren Wechselrichter 4 auf, welcher zu diesem Zweck mit dem DC/DC-Wandler 3 geeignet elektrisch verbunden ist, i. e. über den DC/DC-Wandler 3 mit elektrischer Energie der Energiequelle 2 versorgt wird. Der Wechselrichter 4 ist insbesondere als Spannungszwischenkreiswechselrichter ausgebildet, wobei der Wechselrichter 4 dazu vorgesehen ist, eine Ausgangsspannung in Form einer dreiphasigen Wechselspannung (Drehspannung) bereitzustellen. Der Wechselrichter 4 weist auf an sich bekannte Weise Ventile bzw. (Halbleiter-)Schalter auf, welche vorzugsweise als IGBTs oder z. B. als MOSFETs ausgebildet und jeweils mit Dioden parallel beschaltet sind. Die funktionale Einheit aus IGBT und einer zugeordneten Diode wird auch als asymmetrisch sperrender Halbleiterschalter bezeichnet, wie sie für Zwischenkreis-Wechselrichter notwendig sind. Je zwei Schalter sind in einem Brückenzweig angeordnet, wobei der Wechselrichter 4 drei Brückenzweige aufweist.
  • Weiterhin weist das elektrische Antriebssystem 1 eine dreiphasige Drehstrom- bzw. Drehfeldmaschine 5, insbesondere in Form einer Asynchronmaschine auf, welche mittels des Wechselrichters 4 mit Drehstrom versorgt wird.
  • Zum Betrieb des Antriebssystems 1 ist wenigstens eine Steuer- bzw. Regelvorrichtung vorgesehen (nicht dargestellt), welche insbesondere den DC/DC-Wandler 3 und z. B. den Wechselrichter 4 in Abhängigkeit des erfindungsgemäß vorgesehenen, gewünschten Betriebszustands bzw. der vorgesehenen Betriebsart geeignet ansteuert, insbesondere zur Einstellung einer Zwischenkreisspannung UZK bzw. zur Steuerung der Ventile des Wechselrichters 4.
  • Wie allgemein bekannt, ist ein Antriebssystem für verschiedene Einsatzszenarien eines Fahrzeugs auszulegen. Zum einen soll den Insassen bzw. dem Fahrer ein möglichst angenehmes und zügiges Beschleunigen des Fahrzeugs auf die Zielgeschwindigkeit ermöglicht werden, sowie ein möglichst umfänglich regeneratives Bremsen des Fahrzeugs. Diese Betriebszustände sind im Vergleich zum Betrieb bei konstanter Geschwindigkeit im Regelfall sehr kurze Ereignisse, i. e. in der Regel wenige Sekunden.
  • Zum anderen soll die Energiequelle nach Erreichen der Zielgeschwindigkeit bekannterweise möglichst wenig belastet werden. Bei Betrieb des Fahrzeugs in der Zielgeschwindigkeit ist allerdings die Leistungsanforderung an den Antrieb sehr gering. Bei niedriger Geschwindigkeit, z. B. im Stadtverkehr, ist ein momentenfreies Rollen auf ebener Straße oder bei leicht abschüssiger Straße häufig ausreichend. Unabhängig vom Typ des Zyklus (Normzyklus oder kundenrelevanter Zyklus, d. h. inklusive aller Beschleunigungsvorgänge) ist der gemittelte Momentenbedarf nur ca. 10% bis 20% des installierten Beschleunigungsmoments des Antriebs. Herkömmliche Antriebe sind jedoch derart ausgelegt, dass das Wirkungsgradmaximum bei Werten größer 50% der maximalen Leistung liegt, z. B. bei 70% bis 90%. Nicht selten ist es auch so, dass das Wirkungsgradmaximum zudem in niedrigen Geschwindigkeitsbereichen liegt, bei denen naturgegeben der Leistungsbedarf des Fahrzeugs klein ist und daher der Effekt des guten Wirkungsgrads auf den Energiebedarf gering ist.
  • Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, das Wirkungsgradmaximum des Antriebssystems 1 bzw. eines Fahrzeugs in den Teillastbereich, insbesondere in einen niedrigen Teillastbereich zu verschieben, welcher einem Momentenbedarf bzw. einem Drehmomentbedarf von unter 30% des maximal möglichen, installierten Moments des Antriebssystems 1 entspricht, insbesondere in eine Region, welche mit einem Momentenbedarf korrespondiert, welcher 10% bis 20% des maximal möglichen Moments entspricht. Durch die Verschiebung des Wirkungsgradmaximums in o. a. Bereich können Energieverluste gegenüber dem Stand der Technik minimiert und das Antriebssystem 1 effizient betrieben werden. Ferner wird das Wirkungsgradmaximum in einen höheren Geschwindigkeitsbereich verschoben, so dass dieses Wirkungsgradmaximum mit dem dort höheren Leistungsbedarf korrespondiert.
  • Zur Verschiebung des Wirkungsgradmaximums bei einhergehendem energieverbrauchsarmen Betrieb des Antriebssystems 1 über insbesondere dessen gesamten Einsatzbereich wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems 1 vorgeschlagen, wobei in einer ersten Betriebsart die Zwischenkreisspannung UZK, welche am Eingang des Wechselrichters 4 anliegt, in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs der Drehfeldmaschine 5 geführt ist.
  • Erfindungsgemäß wird – mit anderen Worten – die Zwischenkreisspannung UZK in der ersten Betriebsart an den Leistungsbedarf der Drehfeldmaschine 5 angepasst, i. e. den aktuellen Leistungsbedarf, insbesondere ständig und weiterhin insbesondere jeweils verzugslos. Dabei wird die Zwischenkreisspannung UZK insbesondere auf den kleinstmöglichen Wert eingestellt bzw. auf diesen geführt, i. e. durch die Steuer- bzw. Regelvorrichtung, welche dazu insbesondere mit dem DC/DC-Wandler 3 zusammenwirkt. Hieraus resultiert z. B. insbesondere eine geringere Eisenverlustleistung als auch eine geringere Stromwärmeverlustleistung und darüber hinaus die kleinstmögliche Verlustleistung des Stromrichters bestehend aus DC/DC-Wandler 3 und Wechselrichter 4.
  • Zur Einstellung bzw. Führung der Zwischenkreisspannung UZK wird z. B. eine Kennfeldsteuerung bzw. ein Kennfeld verwendet, mittels welchem die einzustellende Zwischenkreisspannung UZK ermittelt wird, z. B. ein Drehmoment/Drehzahl-Kennfeld. Die Zwischenkreisspannung UZK kann hierdurch sehr schnell in Abhängigkeit des notwendigen Leistungsbedarfs der Drehfeldmaschine 5 für insbesondere einen Antrieb bzw. zu einer Beschleunigung geführt bzw. eingestellt werden, i. e. durch Einstellung mittels des DC/DC-Wandlers 3, wodurch insbesondere geringe Energieverluste resultieren. Ein Kennfeld kann insbesondere als Algorithmus vorliegen oder als Tabelle.
  • Zur Bereitstellung einer aufzubringenden Leistung entsprechend eines aktuellen Leistungsbedarfs wird die Zwischenkreisspannung UZK in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs angehoben, i. e. mittels des DC/DC-Wandlers. Wird keine Leistung gefordert, wird der Wert der Zwischenkreisspannung UZK erfindungsgemäß vorzugsweise wieder reduziert, z. B. kann das Antriebssystem 1 erfindungsgemäß in der ersten Betriebsart vorzugsweise abgeschaltet werden oder z. B. die Spannungsanhebung reduziert werden, i. e. ausgehend von einem aktuellen Spannungswert, welcher zur Bereitstellung der geforderten Leistung eingestellt wurde, tiefgestellt werden. Bei einer erneuten Anforderung von Leistung bzw. einem Leistungsbedarf zu Antriebszwecken bzw. zur Beschleunigung kann die Zwischenkreisspannung UZK somit ausgehend von dem nunmehr eingestellten niedrigen Wert leistungsbedarfabhängig wieder auf einen neuen optimalen Betriebspunkt geführt, insbesondere hochgestellt werden. Die Ausgangsspannung UB der Energiequelle 2 ist insofern vorzugsweise möglichst niedrig gewählt.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Drehfeldmaschine 5, i. e. mittels des Antriebssystems 1 bzw. des Wechselrichters 4, in der ersten Betriebsart in Grundfrequenztaktung zu betreiben, üblicherweise auch als Vollblocktaktung, Square-Wave-Mode oder Blockcommutation bezeichnet. Bei Grundfrequenztaktung, bei welcher auf Zwischentakte vollkommen verzichtet wird und die Drehfeldmaschine 4 eine treppenförmige Spannung sieht bzw. von einer treppenförmige Spannung versorgt wird, entfallen die Schaltverluste aufgrund der fehlenden Taktung des Wechselrichters 4 weitgehend und die reduzierten Durchlassverluste können unmittelbar genutzt werden. Hierdurch ergibt sich insbesondere ein verlustleistungsarmer Betrieb des Wechselrichters 4. Die Drehfeldmaschine 4 hat, richtige Dimensionierung vorausgesetzt, nur wenig Verlustleistung abzuführen. Bei Grundfrequenztaktung richtet sich die Ausgangsspannung des Wechselrichters 4 streng nach der Zwischenkreisspannung UZK, d. h. in einem festen Verhältnis. Für den Wechselrichter 4 bzw. dessen Ventile ergibt sich ein fester Aussteuergrad, welcher insbesondere mit dem maximalen Wert korrespondiert. In dieser ersten Betriebsart ist die Zwischenkreisspannung UZK quasi leistungsbedarfsabhängig an die Ausgangsspannung UB der Energiequelle 2 gekoppelt.
  • Durch die Leistungsführung der Zwischenkreisspannung UZK erhöht sich die Lebensdauer des Wechselrichters 4 im Vergleich zum Stand der Technik, da zeitlich weitaus überwiegend die Zwischenkreisspannung UZK auf ihrem kleinsten Wert gehalten werden kann. Die erfindungsgemäße Reduktion der mittleren Betriebsspannung des Wechselrichters 4 und eine mögliche Absenkung der Taktfrequenz aufgrund des Block- bzw. Grundfrequenztakt-Betriebs in insbesondere der ersten Betriebsart führen hierbei zu einer signifikanten Entlastung der Isolationsfähigkeit der Wicklung der Drehfeldmaschine 5 sowohl die Spannungshöhe betreffend als auch die Anzahl der Schaltvorgänge.
  • Erfindungsgemäß ist zum effizienten Betrieb des Antriebssystems 1 mittels einer Verschiebung des Wirkungsgradmaximums ferner vorgesehen, dass das Antriebssystem 1 bzw. der Wechselrichter 4 in einer zweiten, von der ersten Betriebsart unabhängigen Betriebsart, mit PWM, d. h. pulsweitenmoduliert getaktet, betrieben wird. In dieser zweiten Betriebsart ist der DC/DC-Wandler 3 insbesondere außer Funktion, so dass dessen Eingangsspannung UB im Verhältnis 1:1 am Eingang des Wechselrichters 4 als Gleichspannung UZK zur Verfügung steht, d. h. ungewandelt. Eine Spannungsanhebung bzw. eine leistungsbedarfsabhängige Führung der Zwischenkreisspannung UZK ist in der zweiten Betriebsart somit nicht vorgesehen.
  • Die zweite Betriebsart gelangt erfindungsgemäß dabei in einem in Bezug auf die Drehfeldmaschine 5 niedrigen Drehzahlbereich bzw. niedrigen Teillastbereich zur Anwendung, die erste Betriebsart in einem relativ zur zweiten Betriebsart höheren und insbesondere auch hohen Drehzahlbereich. In diesem Bereich ist statistisch mit einem höheren Leistungsbedarf zu rechnen.
  • In der zweiten Betriebsart, welche für einen Antrieb eines Fahrzeugs in einem niedrigen Teillastbereich vorgesehen ist, ist somit statistisch häufig auch der DC/DC-Wandler 3, der zur Spannungsanhebung vorgesehen ist, nicht in Betrieb und produziert keine Verlustleistung. Somit kann das Wirkungsgradmaximum des Antriebssystems 1 zu einem effizienteren Betrieb in den niedrigen Teillastbereich verschoben werden. Die notwendige Leistung wird durch den Wechselrichter 4 zur Verfügung gestellt, der mit PWM getaktet ist und verlustarm quasi als Tiefsetzsteller wirken kann.
  • Erfindungsgemäß erfolgt ein Übergang von der zweiten in die erste Betriebsart oder umgekehrt z. B. in Abhängigkeit des Verhältnisses von Ausgangsspannung UB der Energiequelle 2 zur Systemspannung, i. e. zur maximalen Zwischenkreisspannung UZK, wobei weitere Übergangskriterien denkbar sind.
  • Insbesondere bei einem Fahrzeug bzw. einem elektrischen Fahrzeugantrieb bestimmt sich die Taktfrequenz im Stand der Technik auch nach akustischen Kriterien. Das typische hörbare Pfeifen soll nicht wahrnehmbar sein. Das führt bei einer üblichen PWM zu Taktfrequenzen von mindestens 8 kHz, wobei die Hörbarkeitsschwelle bei 16 kHz liegt. Bei dieser hohen Taktfrequenz sind die Schaltverluste im Wechselrichter 4 bei den heute üblichen Halbleitertechnologien größer als die Durchlassverluste, insbesondere im Teillastbereich. Durch die erfindungsgemäße Grundfrequenztaktung in der ersten Betriebsart, insbesondere in 180-Grad-Blockbetrieb, bei welcher die Schalter des Wechselrichters 4 nur einmal pro Halbwelle geschaltet werden, kann, bei Wahl einer funktional ausreichenden niedrigen Frequenz, ein, insbesondere unter Berücksichtigung der niedrigen Zwischenkreisspannung UZK, erheblich angenehmeres Geräuschniveau des Antriebssystems 1 einhergehend mit reduzierten Verlusten erzielt werden. Bei erfindungsgemäßer Wahl einer möglichst bzw. ausreichend kleinen Batteriespannung kann auch eine Vorladung für den Zwischenkreis entfallen, da für den Wechselrichter 4 gefährliche transiente Spannungen nicht auftreten.
  • Insbesondere ist, wie oben bereits ausgeführt, erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, dass bei einem Leistungsbedarf bzw. einer Drehmomentanforderung nahe Null das Antriebssystem 1 bzw. der Wechselrichter 4 abgeschaltet wird. Die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs kann jetzt im gewünschten Maße durch eine Regelvorrichtung, z. B. einen Zweipunktregler stabil gehalten oder angepasst werden, wobei die Regelvorrichtung das Antriebssystem 1 bzw. den Wechselrichter 4 periodisch ein- und ausschaltet. In den Einschaltphasen kann das Antriebssystem 1 in einem wirkungsgradgünstigeren Betriebspunkt betrieben werden.
  • Zur Auslegung des Antriebssystems 1 wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Wechselrichter 4 und/oder eine Drehfeldmaschine 5 im Rahmen des Antriebssystems 1 vorzusehen, dessen/deren Bemessungsspannung, i. e. maximaler oberer Spannungswert, mit der maximalen Zwischenkreisspannung UZK bzw. Systemspannung korrespondiert. Somit kann die Leistungsfähigkeit des Wechselrichters 4 optimal ausgenutzt werden, insbesondere als die typische Blockierspannung der Halbleiterelemente bzw. Schalter unabhängig von der Ausgangsspannung UB der Energiequelle 2 bei Maximalleistung ausgenutzt wird. Die magnetischen Komponenten, die für den DC/DC-Wandler 3 notwendig sind, dienen erfindungsgemäß gleichzeitig zu EMV-Zwecken. Im Umkehrschluss heißt das, dass die Komponenten, welche im Stand der Technik als EMV-Maßnahmen vorgesehen sind, für eine Funktion im DC/DC-Wandler 3 vorteilhaft nicht oder lediglich geringfügig angepasst werden müssen.
  • Die Spannung UB der Energiequelle 2 kann dabei an sich beliebig sein, unter der Einschränkung, dass diese mittels des DC/DC-Wandlers 3 auf die notwendige Zwischenkreisspannung UZK geeignet eingestellt, insbesondere hochgestellt werden kann. Vorzugsweise wird erfindungsgemäß eine Energiequelle mit möglichst geringer Ausgangsspannung UB verwendet, da neben oben beschriebenen Vorteilen somit die Kosten für eine solche gegenüber einer Energiequelle größerer Ausgangsspannung signifikant reduziert werden können, i. e. im Falle einer Batterie insbesondere aufgrund einer geringeren Anzahl benötigter Zellen.
  • Erfindungsgemäß wird auch vorgeschlagen, die Systemspannung bzw. die maximale Zwischenkreisspannung UZK gegenüber dem Stand der Technik um den Faktor zwei zu erhöhen. Hierdurch kann die Drehfeldmaschine 5 anders ausgelegt werden und benötigt für ein gleiches Moment bzw. Drehmoment nur ca. 50% des bisher benötigten Stromes. Da insbesondere Halbleiterschalter in Form von IGBTs und darüber hinaus auch alle anderen Halbleiterschalter eine prinzipbedingte minimale Durchlassspannung haben, die sich zwischen den verschiedenen Spannungsklassen der Halbleiterschalter nicht deutlich unterscheidet, kann man die Durchlassverluste der Halbleiterschalter durch diese Maßnahme unmittelbar deutlich reduzieren. Beispielsweise führt insbesondere ein Wechsel eines IGBTs 700 V auf einen IGBT 1200 V zu einer nur geringfügigen Änderung der Durchlassspannung.
  • Ferner ist die Schaltverlustleistung der Halbleiterschalter überproportional von der Spannung abhängig, gegen die der Schaltvorgang ausgeführt werden muss. Durch die erfindungsgemäße höhere Systemspannung und damit korrespondierend gewählte Halbleiter ergibt sich bei Betrieb dieser Halbleiter im Teillastbetrieb bei weniger als 50% der Systemspannung eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduzierte Schaltverlustleistung.
  • Durch die Anhebung der Spannung kann der Strombedarf der Drehfeldmaschine 5 für eine gegebene Leistung deutlich reduziert werden. Daher ist die notwendige stromtragende Halbleiterfläche für die Funktion Wechselrichter 4 so klein wie durch Spannungsebene und Leistungsanforderung möglich. Die dadurch eingesparte Fläche kann erfindungsgemäß für die Funktion DC/DC-Wandler 3 Verwendung finden, wobei beide Funktionen konstruktiv z. B. auf dem gleichen Kühler, im gleichen Modul angeordnet sind. Die Abmessungen eines solchen Moduls ändern sich gegenüber einer einfachen Wechselrichterschaltung nicht oder nur wenig. Einziges nach außen sichtbares Merkmal ist die Anzahl von Anschlusskontakten.
  • Die konstruktive Ausführung eines Stromrichters im Stand der Technik ist stark von seinem Nennstrom abhängig, z. B. im Wesentlichen betreffend die stromführenden Komponenten Halbleiterschalter, Zwischenkreiskondensator, interne Verkabelung/Verschienung, Stromwandler, elektrische Anschlusspunkte. Durch die vorgeschlagene Lösung ist es erfindungsgemäß nun möglich, auf Basis eines einheitlichen konstruktiven Konzepts verschiedene Leistungsklassen von aus DC/DC-Wandler 3 und Wechselrichter 4 gebildeten Stromrichtern bereitzustellen, indem in konstruktiv gleichen Halbleitermodulen unterschiedliche Halbleiterschalter verbaut sind, i. e. für unterschiedliche Spannungsklassen. Die Leistungsanpassung erfolgt also nicht mehr durch die Strom-, sondern durch die Spannungsanpassung ohne (im Niederspannungsbereich < 1000 Veff) Auswirkung auf die konstruktive Lösung. Es ist dabei durchaus möglich, am Einbauort der Leistungshalbleiterchips die IGBT-Technologie durch MOSFET-Technologie zu ersetzen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrisches Antriebssystem
    2
    Energiequelle
    3
    DC/DC-Wandler
    4
    Wechselrichter
    5
    Drehfeldmaschine
    UB
    Ausgangsspannung Energiequelle
    UZK
    Zwischenkreisspannung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005041825 A1 [0003]
    • DE 4013506 C3 [0003]

Claims (16)

  1. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Antriebssystem (1) eine Energiequelle (2) aufweist, aus der über einen DC/DC-Wandler (3), welcher insbesondere als Hochsetzsteller betreibbar ist ist, sowie einen Wechselrichter (4) jeweils des Antriebssystems (1) eine Drehfeldmaschine (5) desselben mit elektrischer Energie versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Betriebsart eine Zwischenkreisspannung (UZK), welche am Eingang des Wechselrichters (4) anliegt, in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs der Drehfeldmaschine (5) geführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen einer Führung der Zwischenkreisspannung (UZK) in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs der Drehfeldmaschine (5) in der ersten Betriebsart ein Hochstellen und/oder ein Tiefstellen der Zwischenkreisspannung (UZK) oder ein Ausschalten des Antriebssystems (1), insbesondere des Wechselrichters (4) oder des DC/DC-Wandlers (3), vorgesehen ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisspannung (UZK) in der ersten Betriebsart in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs der Drehfeldmaschine (5) jeweils auf einen kleinstmöglichen Wert geführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisspannung (UZK) in der ersten Betriebsart mittels des DC/DC-Wandlers (3) eingestellt, insbesondere hochgestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldmaschine (5) in der ersten Betriebsart in Grundfrequenztaktung betrieben wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldmaschine (5) in einer zweiten Betriebsart mit PWM betrieben wird, insbesondere derart, dass der DC/DC Wandler (3) außer Funktion ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Betriebsart in einem in Bezug auf den Betrieb der Drehfeldmaschine (5) niedrigen Drehzahlbereich zur Anwendung gelangt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsart in einem relativ zur zweiten Betriebsart höheren und/oder hohem Drehzahlbereich zur Anwendung gelangt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der ersten zur zweiten Betriebsart in Abhängigkeit des Verhältnisses einer Ausgangsspannung (UB) der Energiequelle zur Zwischenkreisspannung (UZK) erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisspannung (UZK) in der ersten Betriebsart mittels eines Kennfeldes in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs geführt wird.
  11. Antriebssystem (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Antriebssystem (1) eine Energiequelle (2) aufweist, aus der über einen DC/DC-Wandler (3), welcher insbesondere als Hochsetzsteller betreibbar ist, sowie einen Wechselrichter (4) jeweils des Antriebssystems (1) eine Drehfeldmaschine (5) desselben mit elektrischer Energie versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  12. Antriebssystem (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels des DC/DC-Wandlers (3) und der Energiequelle (2) einstellbare maximale Zwischenkreisspannung (UZK) mit der Bemessungsspannung des Wechselrichters (4) und/oder der Drehfeldmaschine (5) korrespondiert.
  13. Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, aufweisend ein elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 11 und 12.
  14. Fahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkungsgradmaximum des elektrischen Antriebssystems (1) in einem niedrigen Teillastbereich erreicht wird, insbesondere in der zweiten Hälfte des Geschwindigkeitsbereichs des Fahrzeugs.
  15. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkungsgradmaximum bei einem Momentenbedarf erreicht wird, welcher dem gemittelten Momentenbedarf des Fahrzeugs angepasst ist, insbesondere dem quadratisch gemittelten Momentenbedarf.
  16. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkungsgradmaximum bei einem Momentenbedarf erreicht wird, welcher bei unter 30%, insbesondere bei 10% bis 20% des maximal möglichen Moments liegt.
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