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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine im Motoranlaufbetrieb mittels einer Leistungselektronik, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, wobei die Leistungselektronik eine Mehrzahl von steuerbaren Leistungsschaltern aufweist, die dazu ausgebildet sind, die elektrische Maschine mittels elektrischem Strom zu versorgen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Ansteuern einer elektrischen Maschine im Motoranlaufbetrieb, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug mittels einer Leistungselektronik, die eine Mehrzahl von steuerbaren Leistungsschaltern aufweist, die dazu ausgebildet sind, die elektrische Maschine mit elektrischem Strom zu versorgen.
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Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung und mit einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art.
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Stand der Technik
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Es ist allgemein bekannt, elektrische Drehstrommaschinen mittels eines Wechselrichters anzusteuern, der von einer Gleichspannungsquelle mit elektrischer Energie versorgt wird und der mittels einer Mehrzahl von Leistungsschaltern die Gleichspannung in eine Wechselspannung umrichtet und dadurch die elektrische Maschine mit elektrischer Energie bzw. mit elektrischem Strom versorgt. Die Leistungsschalter werden dabei entsprechend der elektrischen Frequenz der Maschine und somit entsprechend der Drehzahl angesteuert bzw. geschaltet. Im Anlaufbetrieb der elektrischen Maschine fließen üblicherweise durch die angesteuerten Phasenstränge große Ströme, und durch die geringe elektrische Frequenz bei geringen Drehzahlen werden die entsprechenden Leistungsschalter über einen verhältnismäßig langen Zeitraum durch den entsprechenden Phasenstrom belastet. Diese hohe Belastung kann die Leistungsschalter des Wechselrichters beschädigen, so dass Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die Belastung der Leistungsschalter zu begrenzen.
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Bei herkömmlichen Verfahren wird bei Erreichen der Belastungsgrenze der Leistungsschalter die Leistung heruntergeregelt, um die Belastung der Leistungsschalter zu begrenzen und eine Beschädigung der Leistungsschalter zu vermeiden. Dieses abrupte Abregeln des bereitgestellten Drehmoments ist unkomfortabel und kann bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug zu sicherheitskritischen Situationen führen, da die gewünschte bzw. angeforderte Leistung unvorhergesehen nicht zur Verfügung steht. Durch das abrupte Abregeln des bereitgestellten Drehmoments wird der Antriebsstrang abrupt entspannt, wodurch Schwingungen im Antriebsstrang auftreten können, die den Fahrkomfort zusätzlich stark beeinträchtigen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine im Motoranlaufbetrieb mittels einer Leistungselektronik, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, bereitgestellt, wobei die Leistungselektronik eine Mehrzahl von steuerbaren Leistungsschaltern aufweist, die dazu ausgebildet sind, die elektrische Maschine mit elektrischem Strom zu versorgen, wobei eine zum Erreichen einer vordefinierten Drehzahl benötigte Gesamtenergie und eine Zeitdauer zum Erreichen der vordefinierten Drehzahl geschätzt wird, wobei ein Solldrehmoment zum Anlauf der elektrischen Maschine auf der Grundlage der geschätzten Gesamtenergie und der geschätzten Zeitdauer bestimmt wird und wobei die Leistungselektronik entsprechend dem so bestimmten Solldrehmoment angesteuert wird.
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Ferner wird daher erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Ansteuern einer elektrischen Maschine im Motoranlaufbetrieb, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, bereitgestellt, mit einer Leistungselektronik, die eine Mehrzahl von steuerbaren Leistungsschaltern aufweist, die dazu ausgebildet sind, eine elektrische Maschine mit elektrischem Strom zu versorgen, und mit einer Steuereinheit zum Ansteuern der Leistungselektronik, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
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Schließlich wird daher erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung und mit einer Vorrichtung zum Ansteuern der elektrischen Maschine der oben beschriebenen Art bereitgestellt.
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Unter Motoranlaufbetrieb wird vorliegend ein Drehzahlbereich der elektrischen Maschine verstanden, bei dem die entsprechende elektrische Frequenz der elektrischen Maschine so gering ist, dass die Leistungsschalter der Leistungselektronik für einen Zeitraum belastet werden, der zu einer Überbelastung der Leistungsschalter führt.
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Vorteile der Erfindung
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Dadurch, dass die Zeit bis zum Erreichen einer vordefinierten Drehzahl und die benötigte Energie bis zum Erreichen der vordefinierten Drehzahl geschätzt wird, kann ein Drehmoment zum Durchfahren des Anlaufbetriebs bzw. des kritischen Drehzahlbereichs im Motoranlauf bestimmt werden, so dass die vordefinierte Drehzahl erreicht werden kann, ohne dass die Belastungsgrenze der Leistungsschalter überschritten wird und somit der kritische Drehzahlbereich vollständig ohne Abregelung durchfahren werden kann. Ferner kann durch das Abschätzen der benötigten Energie zum Durchfahren des kritischen Drehzahlbereichs auf aufwändige Integration von Temperatursensoren in den Leistungsschaltern verzichtet werden, da die in den Leistungsschaltern umgesetzte elektrische Energie ebenfalls auf der Grundlage der Schätzwerte bestimmt werden kann.
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Im Allgemeinen kann somit bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug ein abruptes Abregeln des bereitgestellten Drehmoments im Anlaufbetrieb vermieden werden, wodurch sowohl der Komfort als auch die Sicherheit erhöht wird.
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Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn ein Energieverlauf für einen stetigen Verlauf des Solldrehmoments für die geschätzte Zeitdauer bestimmt wird.
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Dadurch kann ein besonders komfortabler Anlaufbetrieb ohne Drehmomentsprünge erreicht werden.
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Es ist ferner bevorzugt, wenn die Verlustleistung der Leistungselektronik für die geschätzte Zeitdauer geschätzt wird und der Energieverlauf auf der Grundlage der Verlustleistung bestimmt wird.
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Dadurch kann auf aufwändige Temperatursensoren in der Leistungselektronik zur Bestimmung der Verlustleistung verzichtet werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn eine mechanische Last der elektrischen Maschine bestimmt wird und die benötigte Gesamtenergie und/oder die Zeitdauer auf der Grundlage der bestimmten Last geschätzt wird.
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Dadurch werden die Schätzwerte besonders präzise, da sie an die jeweilige Situation angepasst sind.
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Es ist dabei von besonderem Vorzug, wenn bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug die Last auf der Grundlage einer Steigung der Fahrstrecke, eines Hindernisses, einer Anfahrbewegung des Kraftfahrzeugs, eines Reibwerts des Untergrundes und/oder eines Fahrzeuggewichts bestimmt wird.
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Dadurch können die Haupteinflussgrößen der geschätzten Anfahrparameter erfasst werden und die Schätzwerte besonders präzise ermittelt werden.
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Es ist von besonderem Vorzug, wenn ein maximal zulässiges Drehmoment auf der Grundlage der geschätzten Gesamtenergie, der Zeitdauer und der Verlustleistung der Leistungselektronik bestimmt wird.
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Dadurch kann ein maximales Drehmoment individuell ermittelt und bereitgestellt werden, ohne dass die Leistungselektronik und/oder die elektrische Maschine überlastet wird.
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Dabei ist es von besonderem Vorzug, wenn das maximal zulässige Drehmoment mit einem angeforderten Drehmoment zum Antreiben der elektrischen Maschine verglichen wird und das Solldrehmoment entsprechend dem niedrigeren der beiden Drehmomente eingestellt wird.
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Dadurch kann entweder ein Drehmoment entsprechend dem Fahrerwunsch oder ein maximal zulässiges Drehmoment bereitgestellt werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn ein maximal zulässiger Phasenstrom der elektrischen Maschine auf der Grundlage eines maximal zulässigen elektrischen Stroms der Leistungselektronik in Abhängigkeit der Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt wird.
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Dadurch kann eine Überlastung und eine damit verbundene Beschädigung der Leistungsschalter vermieden werden.
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Es ist dabei von besonderem Vorzug, wenn eine Leistungsreserve der elektrischen Maschine bestimmt wird auf der Grundlage einer Differenz zwischen einem geschätzten Phasenstrom der elektrischen Maschine für die geschätzte Zeitdauer und dem maximal zulässigen Phasenstrom.
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Je nach Bedarf kann dadurch ein zusätzliches Drehmoment bereitgestellt werden, sofern die Leistungselektronik und/oder die elektrische Maschine für den geschätzten Anlaufbetrieb nicht an der Leistungsgrenze betrieben wird.
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Es versteht sich, dass die Merkmale und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anzuwenden sind bzw. auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zutreffen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Form einen Wechselrichter zum Antreiben einer elektrischen Drehstrommaschine;
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2 zeigt in schematischer Form einen Drehmomentverlauf und einen Drehzahlverlauf einer elektrischen Maschine im Anlaufbetrieb nach dem Stand der Technik;
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3 zeigt in schematischer Form ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen eines Solldrehmomentes für die elektrische Maschine im Anlaufbetrieb;
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4 zeigt einen Drehmomentverlauf und einen Drehzahlverlauf einer elektrischen Maschine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
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5 zeigt den Verlauf eines Phasenstroms in Abhängigkeit der elektrischen Frequenz einer Drehstrommaschine.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Wechselrichter zum Ansteuern einer elektrischen Maschine schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet.
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Der Wechselrichter 10 ist mit einer Gleichspannungsquelle 12 verbunden und dient dazu, eine elektrische Drehstrommaschine 14 dreiphasig zu bestromen. Die elektrische Maschine 14 dreht entsprechend mit einer Drehzahl n. Der Wechselrichter 10 weist drei Halbbrücken 16, 18, 20 auf, die parallel zu der Gleichspannungsquelle 12 geschaltet sind und jeweils zwei Schalter aufweisen. Zwischen den Schaltern ist jeweils ein Halbbrückenabgriff 22 gebildet, der jeweils mit einem Phasenleiter der elektrischen Maschine 14 verbunden ist.
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Durch wechselndes Öffnen und Schließen der Schalter wird zwischen den Phasenleitern jeweils eine Ansteuerspannung angelegt, so dass sich entsprechend jeweils ein Phasenstrom einstellt, der hier allgemein als I_s bezeichnet ist und die elektrische Maschine 14 antreibt.
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Der Wechselrichter 10 ist vorzugsweise mittels Halbleiterschaltern ausgebildet, wobei üblicherweise parallel zu den Halbleiterschaltern jeweils eine Freilaufdiode geschaltet ist. Die Halbleiterschalter sind vorzugsweise als IGBTs ausgebildet.
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Die Schalter des Wechselrichters 10 werden mittels einer hier lediglich schematisch dargestellten Steuereinheit 24 angesteuert und entsprechend wechselnd geöffnet und geschlossen, um die Phasenspannung und entsprechend den Phasenstrom I_s mit einem bestimmten Verlauf bereitzustellen und die elektrische Maschine 14 mit dem Phasenstrom I_s zu bestromen.
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In 2 ist ein Drehmomentverlauf und ein Drehzahlverlauf im Anlaufbetrieb einer elektrischen Maschine schematisch in Abhängigkeit der Zeit dargestellt. Der Anlaufbetrieb ist dabei ein Bereich bis zu einem Zeitpunkt t_0, zu dem eine kritische Drehzahl n_krit erreicht wird. Die kritische Drehzahl n_krit ist die Drehzahl, bei der die elektrische Frequenz der elektrischen Maschine 14 so hoch ist, dass eine einzelne Belastung eines einzelnen Leistungsschalters des Wechselrichters 10 so kurz ist, dass die durchschnittliche thermische Belastung des jeweiligen Schalters gering ist. Der Anlaufbetrieb der elektrischen Maschine 14 bildet demnach den Bereich bis zum Zeitpunkt t_0.
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In dem Diagramm aus 2 sind das bereitgestellte Drehmoment M, die Drehzahl n und die maximal zulässige Verlustleistung 25 in Abhängigkeit der Zeit dargestellt. Die umgesetzte Energie ist dabei die Fläche, die zwischen dem Drehmoment M und der zulässigen Verlustleistung 25 gebildet ist. Zunächst wird ein konstantes Drehmoment M bereitgestellt, bis eine maximal zulässige Verlustenergie erreicht ist. Diese maximal zulässige Verlustenergie ist in 2 schraffiert dargestellt und allgemein mit 26 bezeichnet. Bei Erreichen der maximal zulässigen Verlustenergie wird nach dem bekannten Verfahren das Drehmoment abrupt abgeregelt, wie es bei t_A gezeigt ist.
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Der Verlauf der Drehzahl nimmt entsprechend bei dem konstanten Drehmoment M linear zu. Zum Zeitpunkt t_A nimmt die Drehzahl durch die Abregelung des Drehmoments abrupt ab und nimmt erst wieder zu, wenn das Drehmoment M wieder hochgeregelt wird. Die maximal zulässige Verlustleistung 25 ist abhängig von der Drehzahl n und nimmt ab einer vordefinierten Drehzahl zu einem Zeitpunkt t_B linear zu, bis zu dem Zeitpunkt t_0, bei dem die kritische Drehzahl n_krit erreicht ist. Die maximal zulässige Verlustleistung 25 ist für höhere Drehzahlen n entsprechend höher, da bei diesen Drehzahlen n die Leistungsschalter nur kurzzeitig den Phasenstrom I_s tragen müssen und somit die durchschnittliche thermische Belastung der Schalter gering ist. Da die maximal zulässige Verlustleistung 25 ab dem Zeitpunkt t_B zunimmt, kann auch ein entsprechend steigendes Drehmoment M bereitgestellt werden, so dass die Drehzahl n weiter zunimmt, bis die kritische Drehzahl n_krit erreicht ist. Durch das abrupte Abregeln des Drehmoments M zum Zeitpunkt t_A können unkomfortable Schwingungen im Antriebsstrang auftreten. Diese Schwingungen sind in 2 durch die schwankende Drehzahl n in diesem Bereich angedeutet.
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In 3 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt und allgemein mit 30 bezeichnet. Das Verfahren 30 ist beispielhaft auf ein Kraftfahrzeug mit Elektroantrieb gerichtet und beginnt mit einem Fahrerwunsch zum Anfahren des Kraftfahrzeugs, wie es bei 32 gezeigt ist. Dieser Fahrerwunsch kann beispielsweise durch das Betätigen eines Gaspedals erfasst bzw. eingeleitet werden. Aus dem so erhaltenen Fahrerwunsch wird bei 34 ein Drehmomentsollwert M_s für die elektrische Maschine 14 berechnet. Ferner werden bei 36 Fahrzeugzustandsgrößen ermittelt, um eine entsprechende Anfahrcharakteristik zu bestimmen. Derartige Zustandsgrößen sind beispielsweise Neigung der Fahrstrecke, Hindernisse wie zum Beispiel eine Bordsteinkante, vorhandene Rollgeschwindigkeit des Fahrzeugs in Vorwartsrichtung oder Rückwärtsrichtung, die Masse des Fahrzeugs durch unterschiedliche Beladung, ein Reibwert des Untergrundes. Bei 38 wird aus den Fahrzeugzustandsgrößen und dem Drehmomentsollwert M_s eine benötigte Energie und der Zeitpunkt t_0 für die Erreichung der kritischen Drehzahl n_krit für den Anfahrvorgang geschätzt. Aus diesen Schätzwerten werden Verluste in den Leistungsschaltern für den Anfahrvorgang bis zum Erreichen des Zeitpunkts t_0 geschätzt, wie es bei 40 gezeigt ist. Aus den Schätzwerten für die benötigte Energie und dem Zeitpunkt t_0 bzw. der Zeitdauer für den Anlaufbetrieb der elektrischen Maschine 14, die bei 38 geschätzt wurden, und den geschätzten Verlusten in den Leistungsschaltern, wie sie bei 40 bestimmt wurden, wird eine Energieverteilung der Antriebsenergie für den Anfahrvorgang bis zum Zeitpunkt t_0 und ein entsprechender Drehmomentverlauf für den Anfahrvorgang bis zum Erreichen des Zeitpunkts t_0 bzw. der kritischen Drehzahl n_krit berechnet, wie es bei 42 gezeigt ist. Dadurch wird ein Verlauf eines maximal zulässigen Drehmoments M_max bestimmt. Bei 44 wird das maximal zulässige Drehmoment M_max und das Solldrehmoment M_s verglichen und der entsprechend geringere Wert ausgewählt, wie es bei 44 gezeigt ist. Aus dem Vergleich des maximal zulässigen Drehmoments und des Drehmomentsollwerts M_s wird ein Solldrehmoment M zum Antreiben der elektrischen Maschine 14 bestimmt, wie es bei 46 gezeigt ist. Entsprechend wird die elektrische Maschine 14 über den Wechselrichter 10 angesteuert bzw. bestromt, um das so bestimmte Solldrehmoment M bereitzustellen.
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Dadurch, dass die benötigte Energie zum Erreichen der kritischen Drehzahl n_krit und die Zeitdauer t_0 zum Erreichen der kritischen Drehzahl n_krit geschätzt wird auf der Grundlage der Fahrzeugzustandsgrößen, wird entsprechend ein Drehmomentverlauf zum Erreichen der kritischen Drehzahl n_krit berechnet bzw. bestimmt, so dass kein abruptes Abregeln durch Überbelastung notwendig wird. Das Solldrehmoment M im Anlauf kann dadurch geringer sein als beim Stand der Technik, jedoch wird dadurch kein abruptes Abregeln notwendig, um die Leistungsschalter vor einer Überbelastung zu schützen.
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Dabei wird die Differenz aus der berechneten Verlustleistung und einer zuvor bestimmten maximal zulässigen Verlustleistung über die Zeit integriert, so dass die für den Antrieb der elektrischen Maschine 14 zur Verfügung stehende Energie berechnet werden kann und daraus das verfügbare Drehmoment M bestimmt werden kann.
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Im Ergebnis kann somit die elektrische Maschine 14 ein stetiges Drehmoment im Anlaufbetrieb bereitstellen, ohne dass die Leistungsschalter des Wechselrichters 10 überbelastet werden und ein Abregeln und ein damit verbundener abrupter Drehmomenteinbruch notwendig ist.
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In 4 sind ein Drehmomentverlauf M und eine Drehzahl n schematisch dargestellt, wie sie durch das erfindungsgemäße Verfahren im Anlaufbetrieb bereitgestellt wird. Dabei ist gestrichelt schematisch der Verlauf der maximal zulässigen Verlustleistung 48 dargestellt, die mit zunehmender Drehzahl n zunimmt. Die berechnete Verlustleistung für den Anlaufbetrieb ergibt sich aus dem berechneten Drehmomentverlauf M. Die Differenz zwischen der berechneten und der maximal zulässigen Verlustleistung integriert über die Zeit des Maschinenanlaufs bis zum Zeitpunkt t_0 ergibt die zur Verfügung stehende Energie zum Antreiben der elektrischen Maschine 14. In 4 ist diese zur Verfügung stehende Energie als schraffierte Fläche dargestellt und allgemein mit 50 bezeichnet. Der Drehmomentverlauf M ist in 4 stetig und nimmt ab einer bestimmten Drehzahl zum Zeitpunkt t_B zu, da zu diesem Zeitpunkt auch die maximal zulässige Energie entsprechend der höheren elektrischen Frequenz der elektrischen Maschine 14 zunimmt. Ab dem Zeitpunkt t_0 entspricht das bereitgestellte Drehmoment M der maximal zulässigen Verlustleistung. Für den Anlaufbetrieb bis zum Zeitpunkt t_0 kann somit die benötigte Energie bestimmt werden und ein entsprechender Drehmomentverlauf M zum Erreichen der kritischen Drehzahl n_krit bestimmt werden. Durch diese Schätzung bedarf es keiner Abregelung des Drehmoments M, wodurch bis zum Zeitpunkt t_0 eine linear zunehmende Drehzahl n erreicht wird. Die kritische Drehzahl n_krit ist abhängig von den Eigenschaften (zum Beispiel Polzahl) der elektrischen Maschine 14 und kann beispielsweise 300 U/min betragen.
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In 5 ist der maximal zulässige Phasenstrom I_s dargestellt, der auf den maximal zulässigen Strom I_max des Wechselrichters 10 normiert ist und entsprechend den Faktor k bildet. Der maximal zulässige Phasenstrom I_s ist in 5 in Abhängigkeit der elektrischen Frequenz f_EL der elektrischen Maschine 14 dargestellt. Für eine elektrische Frequenz f_EL unter 10 beträgt der maximal zulässige Phasenstrom etwa 0,4 des maximal zulässigen Wechselrichterstroms. Ab einer elektrischen Frequenz von 40 ist der maximal zulässige Phasenstrom I_s gleich dem maximal zulässigen Strom I_max der Leistungsschalter. Zwischen der elektrischen Frequenz 10 und der elektrischen Frequenz 40 nimmt der maximal zulässige Phasenstrom I_s linear zu, da mit zunehmender elektrischer Frequenz f_EL die Dauer der Belastung der Leistungsschalter geringer und die thermische Belastung somit reduziert ist.
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Entsprechend ist die maximale Energie, die über die Halbleiter umgesetzt werden kann, ohne dass die so gebildete Stromgrenze überschritten wird: E_EM = w(t)·3·pP·phi·k·I_s(t_0 – t_Start), wobei w die Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine 14, pP die Polpaarzahl der elektrischen Maschine 14 und phi der magnetische Fluss ist.
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Über diese Energie E_EM ist gemäß Stand der Technik keine weitere Energie zum Anfahren der elektrischen Maschine 14 verfügbar bzw. zulässig. Bei Erreichen dieser Energie wird nach dem Stand der Technik entsprechend das Drehmoment M abgeregelt, wie es in 2 dargestellt ist.
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Da erfindungsgemäß die Zeit t_0 und die benötigte Energie 50 geschätzt werden und gleichmäßig über die Zeit bis t_0 verteilt wird, kann ein zusätzlicher Phasenstrom I_Diff bestimmt werden, der zur Leistungssteigerung im Anfahren der elektrischen Maschine 14 genutzt werden kann. Dadurch kann entsprechend eine Leistungsreserve ermittelt werden.
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Die zusätzliche Energie ergibt sich aus: E_zus = w(t)·3pP·phi·I_Diff(t)·(t_0 – t_start). mit I_Diff = I_s – (k·I_smax)
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Diese zusätzliche Energie kann beim Anfahren der elektrischen Maschine 14 genutzt werden. Die Gesamtenergie zum Anfahren der elektrischen Maschine 14 ergibt sich aus: E_EM + E_zus = E_Gesamt.
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Die Energieverteilung für den Anfahrvorgang bis zum Zeitpunkt t_0 werden bestimmt auf der Grundlage der benötigten Energie für den Anfahrvorgang, der möglichen Energie entsprechend E_EM und der zusätzlichen Energie E_zus, die bei Bedarf verteilt werden kann.
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Die Steuereinheit 24 verteilt die Leistung entsprechend so, dass bei einem großen Leistungsbedarf die Energie E_EM so verläuft, dass der Anfahrvorgang stetig und komfortabel ist.
