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Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines Umrichters, ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrzeugs.
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Als Umrichter sind Geräte bekannt, die aus dem einphasigen oder mehrphasigen Wechselstromnetz, insbesondere mit 50 oder 60 Hz Netzfrequenz, versorgt werden und die versorgende Wechselspannung mittels eines Gleichrichters als Zwischenkreis einer Leistungsendstufe zur Verfügung stellen, deren Leistungshalbleiterschalter pulsweitenmoduliert von einer Signalelektronik angesteuert werden, so dass ausgangsseitig eine Drehspannung zur Speisung eines Elektromotors zur Verfügung steht. Die Pulsweitenmodulationsfrequenz beträgt dabei zwischen 1 kHz und 30 kHz. Der Elektromotor ist dabei als Asynchronmaschine, Synchronmaschine oder LSPM-Maschine oder einer Kombination hiervon ausführbar.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Elektrofahrzeug kostengünstig weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Verwendung eines Umrichters nach den in Anspruch 1, bei dem Elektrofahrzeug nach den in Anspruch 9 und bei dem Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrzeugs nach den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Verwendung sind, dass ein Umrichter mit integrierter Positioniersteuerungsfähigkeit in einem Fahrzeug als Umrichter eines umrichtergespeisten Elektroantriebs, der aus einem im Fahrzeug angeordneten Energiespeicher versorgbar ist, verwendet wird. Von Vorteil ist dabei, dass ein bekannter Umrichter ohne Abänderung in dem Fahrzeug einbaubar ist. Nur die elektrischen Anschlüsse und die Software sind anzupassen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umrichter einen Gleichrichter zur Energiezufuhr an einen Zwischenkreis des Umrichters auf und eine elektronische Schaltung, welche einen derart großen Speicher und derart leistungsfähigen Mikrocontroller aufweist, dass nicht nur die Regelung des Motorstroms und/oder der Motorspannung sondern auch die Steuerung und/oder Regelung von vom Umrichter unabhängiger Prozessgrößen ausführbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass keine weitere zusätzliche Schaltung notwendig ist sondern der Umrichter diese Aufgaben integriert ausführbar macht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Energiespeicher eine Hochvoltbatterie, also Hochvoltakku, die mit dem Zwischenkreis des Umrichters verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass Energie bidirektional zwischen Umrichter und Energiespeicher transportierbar ist. Zum Energiespeicher zählt hierbei auch eine zugeordnete Balancerschaltung, die die einzelnen Akkuzellen der Hochvoltakkus in ihren Sollzustand regelt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Prozessgrößen Zustandsgrößen des Energiespeichers, wie Ladezustand, Ladestrom, Entladestrom, Ladespannung, Temperatur des Energiespeichers oder einer Akkuzelle des Energiespeichers, oder das Batteriemanagement des Fahrzeugs betreffen. Von Vorteil ist dabei, dass der Umrichter das Lademanagement und das Batteriemanagement zusätzlich zur Antriebsregelung ausführbar macht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dem Energiespeicher aus dem Zwischenkreis des Umrichters Energie zuführbar, insbesondere bei generatorischem Betrieb des vom Umrichter gespeisten Elektromotors. Von Vorteil ist dabei, dass Energie rückspeisbar und speicherbar ist, insbesondere beim Abbremsen des Fahrzeugs.
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Wichtige Merkmale bei dem Elektrofahrzeug mit einem umrichtergespeisten Elektromotor als Fahrantrieb, insbesondere Traktionsantrieb, sind, dass das Elektrofahrzeug einen Energiespeicher aufweist zur Versorgung des Antriebs,
wobei eine Steuerung und/oder Regelung von Zustandsgrößen des Energiespeichers, wie Ladezustand, Ladestrom, Ladespannung, Temperatur des Energiespeichers oder einer Akkuzelle des Energiespeichers, oder das Batteriemanagement des Fahrzeugs von der elektronischen Schaltung ausführbar ist, insbesondere ausgeführt wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass zusätzliche elektronische Schaltungen einsparbar sind. Außerdem ist sogar derselbe Mikrocontroller wie bei der Umrichterregelung verwendbar. Dabei sind zwei Parametersätze bevorratbar, wobei der erste Parametersatz der Umrichterregelung zum Antreiben des Fahrzeugs dient und der zweite Parametersatz zum Laderegeln beim Beladen des Energiespeichers. Die zeitlich weniger kritische Laderegelung des Energiespeichers ist in Zeitabschnitten ausführbar, in welchen die zeitkritischere Antriebsregelung keinen Rechenbedarf hat.
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Beide Parametersätze sind sogar bei derselben Regelungsstruktur verwendbar, wobei die Regelungsstruktur ein Maschinenmodell einer Elektromaschine als Grundlage aufweist. Es wird also nicht nur bei der Umrichterregelung zum Antrieben sondern auch bei der Laderegelung dieselbe Regelung verwendet, wobei unterschiedliche Parametersätze verwendet werden.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrzeugs mit einem umrichtergespeisten Elektromotor als Fahrantrieb, insbesondere Traktionsantrieb, sind, dass das Elektrofahrzeug einen Energiespeicher aufweist zur Versorgung des Antriebs, wobei eine Steuerung und/oder Regelung von Zustandsgrößen des Energiespeichers, wie Ladezustand, Ladestrom, Ladespannung, Temperatur des Energiespeichers oder einer Akkuzelle des Energiespeichers, oder das Batteriemanagement des Fahrzeugs von der elektronischen Schaltung ausgeführt wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass zusätzliche elektronische Schaltungen einsparbar sind. Außerdem ist sogar derselbe Mikrocontroller wie bei der Umrichterregelung verwendbar. Die zeitlich weniger kritische Laderegelung des Energiespeichers ist in Zeitabschnitten ausführbar, in welchen die zeitkritischere Antriebsregelung keinen Rechenbedarf hat.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist der Antrieb eines Fahrzeugs schematisch skizziert. Dabei ist ein Umrichter verwendet zur Speisung eines Elektromotors.
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Ein Energiespeicher 7, insbesondere aufweisend in Reihe geschaltete Akkuzellen, ist mit einer Balancerschaltung verbunden, die für jede Akkuzelle einen Soll-Ladezustand einregelt. Hierbei weist die Balancerschaltung eine Schnittstelle für eine Datenaustauschverbindung zur Signalelektronik des Umrichters auf. Somit sind Sollwerte von der Balancerschaltung an die Signalelektronik übertragbar. Außerdem wird zumindest eine Temperatur im Energiespeicher 7 erfasst und dieser Wert ebenfalls über die Datenaustauschverbindung oder eine andere Übertragungsstrecke an die Signalelektronik übertragen.
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Der Energiespeicher 7 ist mit dem Zwischenkreis des Umrichters über einen Schalter 2 verbindbar. Außerdem werden aus dem Zwischenkreis oder aus dem Energiespeicher 7 auch die Balancerschaltung und eine Überwachungseinrichtung 8 versorgt, wobei die Überwachungseinrichtung auf Überlastung de Umrichters, auf einen Isolationsfehler, auf Leitungsschutz und/oder auf Vorhandensein eines Freigabesignals überwacht und im Fehlerfall den Zwischenkreis des Umrichters auftrennt, so dass keine Energiezufuhr in den Zwischenkreis erfolgt.
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Die Datenaustauschverbindung ist vorzugsweise als Analogbus und/oder Zweidrahtbus ausgeführt. Es ist auch ein CAN-Bus, ein Interbus, ein Profibus oder anderer Feldbus einsetzbar.
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Das Fahrzeug weist auch eine Steuerung 1 auf, die Anzeigemittel und Eingabemittel aufweist, die eine Freigabe oder Sperre für den Umrichter vorgibt, insbesondere in Abhängigkeit von auftretenden Fehlermeldungen und mittels der Eingabemittel eingegebenen Parametern. Insbesondere wird der Ladezustand des Energiespeichers angezeigt, insbesondere auch Ladestrom, Entladestrom, Ladespannung für den Energiespeicher, Temperatur, beim Fahren entnommene Energie und beim Laden zugeführte Energiemenge, Motordrehzahl, Motorleistung, Umrichtertemperatur und Umrichterauslastung,
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Im generatorischen Betrieb des Motors wird vom Umrichter Energie über die Leistungselektronik dem Zwischenkreis zugeführt. Auch hierzu werden die Leistungshalbleiterschalter der Leistungsendstufe der Leistungselektronik des Umrichters pulsweitenmoduliert angesteuert.
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Die Leistungshalbleiterschalter der Leistungsendstufe sind dabei in Halbbrücken angeordnet.
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Zum Beladen des Energiespeichers ist der sowieso im Umrichter vorhandene Gleichrichter verwendbar, über den somit Wechselspannung aus einem einphasigen oder mehrphasigen Wechselstromnetz 10, insbesondere mit 50 oder 60 Hz Netzfrequenz, gleichrichtbar und somit dem Zwischenkreis als unipolare Spannung zuführbar ist. Zur Verbindung mit dem Wechselstromnetz 10 ist eine Steckverbindung vorgesehen. Somit ist das Fahrzeug nur beim Parken, also im Stillstand, beladbar. Bei Verwendung eines Range-Extenders ist eine größere Reichweite erreichbar beziehungsweise der Energiespeicher sogar während der Fahrt beladbar, indem die vom Range-Extender dem Zwischenkreis zugeführte Energie dem Energiespeicher und/oder dem Motor zuführbar ist.
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Aus dem Zwischenkreis wird eine Leistungsendstufe versorgt, deren Leistungshalbleiterschalter pulsweitenmoduliert von der Signalelektronik angesteuert werden, so dass ausgangsseitig eine Drehspannung zur Speisung des Elektromotors 11 zur Verfügung steht. Die Pulsweitenmodulationsfrequenz beträgt dabei zwischen 1 kHz und 50 kHz. Vorzugsweise wird eine Frequenz von über 12 kHz verwendet, da das menschliche Ohr somit weniger belastet ist. Der Elektromotor ist dabei als Asynchronmaschine, Synchronmaschine oder LSPM-Maschine oder einer Kombination hiervon ausführbar.
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Somit ist also ein Umrichter nach Stand der Technik verwendbar als den Fahrantrieb eines Elektrofahrzeugs speisender Umrichter. Dabei wird der Parametersatz P1 für den geregelten Betrieb des Motors 11 verwendet. In der Signalelektronik ist ein Regler angeordnet, der gemäß einem Maschinenmodell arbeitet, das den Motor 11 abbildet. Hierbei umfasst dann der Parametersatz P1 Parameter, denen die den Motor 11 beschreibenden Parameterwerte zugeordnet werden.
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Zum Bremsen des Motors 11 bei Ausführung als Synchronmotor ist ein geregeltes Abführen der generatorisch erzeugten Energie an den Zwischenkreis mit Energiespeicher ausführbar. Hierzu wird wiederum die pulsweitenmodulierte Endstufe verwendet. Wenn allerdings die so erzeugte Bremskraft nicht ausreicht, ist auch ein Kurzschließen der Motorzuleitungen mittels eines Schützes, also eines Schalters, ausführbar. Der Umrichter-Ausgangsstrom wird dabei unterbrochen und die Motorzuleitungen kurzgeschlossen. Das Steuersignal hierzu ist mit Bezugszeichen 2 bezeichnet. Dieses Kurzschließen erzeugt bei einem Synchronmotor insbesondere in Zusammenwirkung mit dem Polrasten und/oder Nutrasten des Synchronmotors eine genügend große Bremskraft, um ein unkontrolliertes Wegrollen des Fahrzeuges zu verhindern – zumindest bei geringer Steigung der Fahrbahn, auf der die Räder des Fahrzeuges angeordnet sind, und ausreichender Getriebeübersetzung des vom Motorangetriebenen Getriebes.
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Ein Steuergerät 5, das auch mit Sensoren verbunden ist, ist in der Lage den Umrichter sicher abzuschalten, also ein STO Signal zu senden, das als Steuersignal 9 in der 1 bezeichnet ist. Hierzu werden die Leistungshalbleiter aufgetrennt und der Motor 11 dreht frei, also ohne bestromten Stator. Diese Abschaltung des Antriebs erfolgt beispielsweise um ein an den Motor angeschlossenes Schaltgetriebe zu schalten, so dass also eine mechanische Kupplung ersetzbar ist durch dieses elektronische Freischalten des Motors. Zusätzlich oder alternativ ist auch ein Abschalten auslösbar von einer Steuerung, welche im Steuergerät 5 vorgesehen ist, wie beispielsweise von einer handbetätigbare Notaus-Steuerung und/oder ESP-Steuerung, von einer Airbagsteuerung, von einer mit einem Querbeschleunigungssensor verbundenen Steuerung.
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Der Ausgang des Umrichters 6 ist über einen Schalter und einem nachfolgenden Ausgangsfilter 3 sowie einem Gleichrichter 4 mit dem Energiespeicher verbindbar. Somit ist ein Beladen des Energiespeichers ausführbar, wobei von der Endstufe des Umrichters statt eines Elektromotors das Ausgangsfilter 3 und der nachfolgende Gleichrichter 4 mit Energiespeicher 7 mit Energie beladbar. Dabei wird der Parametersatz P2 anstatt des Parametersatzes P1 verwendet, wobei der Parametersatz P1 für den geregelten Betrieb des Motors 11 verwendet wird. Der Parametersatz P2 beschreibt also die Parameter der Laderegelung, wobei dasselbe Maschinenmodell dem Regler der Signalelektronik zugrunde liegt wie bei der Betriebsart mit Parametersatz P1. Anstatt einer erfassten beziehungsweise von der Signalelektronik bestimmten Drehzahl des Motors wird der erfasste Ladezustand als Istwert für Drehzahl dem Regler der Signalelektronik zugeführt und die Strombegrenzung auf den zulässigen Ladestrom des Energeisepichers gesetzt, so dass sich bei entladenem Energiespeicher anfangs die vom Umrichter gestellte Ausgangsspannung von der Energiespeicher-Istspannung auf die Ladeschlussspannung einstellt.
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Als Regler ist beispielsweise ein U/f Regler, also Ucf-Regler, verwendbar, bei dem also eine Kennlinie verwendet wird, die einen Zusammenhang zwischen Spannung und Frequenz beschreibt und zumindest einen linearen Teilabschnitt enthält.
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Die Regelungssoftware ist also für beide Betriebsarten unverändert verwendbar. Die Betriebsarten Motorregelung und Laderegelung unterscheiden also nur durch die Parametersätze P1 und P2 sowie die Schalterstellungen der abhängig von der Betriebsart entsprechend betätigten Schalter.
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Die gezeigte Anordnung ist auch als Retrofit verwendbar, also auch in einem Fahrzeug bei Ersetzen eines Verbrennungsmotors durch einen Elektromotor.
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Mittels der Kommunikationsverbindung zwischen Energiespeicher 7 mit Balancerschaltung und Umrichter 6 sind Ladeprozessparameter regelbar, wie beispielsweise Ladestrom, Ladespannung, Akkutemperatur. Außerdem ist eine Fehlerauswertung und Ladeunterbrechung ausführbar.
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Mittels der Balancerschaltung ist der Energiespeicher klimatisierbar, also seine Temperatur in einem Soll-Temperaturbereich bringbar.
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Da im Umrichter ein derart großer Speicher und derartiger Mikrocontroller integriert sind, sind auch die genannten Aufgaben, wie Regelung und/oder Fehlerauswertung vom Umrichter ausführbar. Somit ist also ein Umrichter mit integrierter Positioniersteuerungsfähigkeit verwendbar in einem Fahrzeug, dessen Verbrennungsmotorantrieb ersetzt werden soll durch einen umrichtergespeisten Elektroantrieb, der aus einem Energiespeicher versorgbar ist.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die Energie ans Fahrzeug induktiv übertragen, also vom Versorgungsnetz aus eine Einspeisung versorgt, welche einen Wechselstrom in einen Primärleiter einprägt, an den eine Sekundärwicklung des Fahrzeugs induktiv koppelbar ist, insbesondere in resonanter Betriebsweise.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuerung, aufweisend Anzeigemittel und Eingabemittel
- 2
- Steuersignal Bremse
- 3
- Ausgangsfilter
- 4
- Gleichrichter
- 5
- Steuergerät
- 6
- Umrichter und/oder elektronische Schaltung, aufweisend Signalelektronik und Leistungselektronik
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- 7
- Energiespeicher, insbesondere aufweisend in Reihe geschaltete Akkuzellen
- 8
- Überwachungseinrichtung
- 9
- Steuersignal, insbesondere STO-Leitung
- 10
- Versorgungsquelle
- 11
- Elektromotor
- P1
- Parametersatz für das geregelte Betreiben des Motors 11
- P2
- Parametersatz für die Laderegelung
