DE102011089755A1

DE102011089755A1 - Fahrzeugelektromotorsteuerung in Abhängigkeit von einer Fahranforderung

Info

Publication number: DE102011089755A1
Application number: DE102011089755A
Authority: DE
Inventors: Moritz Märgner; Friedrich Graf
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-27

Abstract

Verfahren und Motorsteuerung (100) zum Ansteuern eines einen Stator (111) und einen Rotor (107) aufweisenden Elektromotors (106) eines Fahrzeuges, wobei das Verfahren aufweist: Erhalten eines Signals (121), welches für ein angefordertes von dem Elektromotor zu lieferndes Drehmoment (TRef) indikativ ist; Erkennen einer Fahranforderung (147); Bestimmen einer einen Statorstrom und einen Rotorstrom definierenden Stromkonfiguration (149, 151, 153) in Abhängigkeit von der erkannten Fahranforderung; und Steuern des Elektromotors (106) basierend auf der bestimmten Stromkonfiguration (149, 151, 153) und dem Signal (121).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Motorsteuerung zum Ansteuern eines einen Stator und einen Rotor aufweisenden Elektromotors eines Fahrzeuges, wobei eine Fahranforderung berücksichtigt wird.
Neuerdings werden Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftfahrzeuge oder Lastkraftfahrzeuge, mit Elektroantrieben, insbesondere Synchronelektromotoren, angetrieben.
Es ist jedoch beobachtet worden, dass mit Elektromotoren ausgestattete Fahrzeuge häufig Unzulänglichkeiten hinsichtlich einer Fahrbarkeit zeigen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Motorsteuerung für einen Elektromotor bereitzustellen und insbesondere ein mit einem Elektromotor ausgestattetes Fahrzeug hinsichtlich einer Fahrbarkeit zu verbessern bzw. die Fahrbarkeit zu erweitern.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Spezifische Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß der Erfindung ist bereitgestellt ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Stator und einen Rotor aufweisenden Elektromotors eines Fahrzeuges, wobei das Verfahren aufweist: Erhalten eines Signals, welches für ein angefordertes von dem Elektromotor zu lieferndes Drehmoment indikativ ist; Erkennen einer Fahranforderung; Bestimmen einer einen Statorstrom und einen Rotorstrom definierenden Stromkonfiguration in Abhängigkeit von der erkannten Fahranforderung; und Steuern des Elektromotors basierend auf der bestimmten Stromkonfiguration und dem Signal.
Der Elektromotor kann insbesondere eine Synchronmaschine, das heißt ein Synchronelektromotor sein, wobei eine Leistungselektronik unabhängige Endstufen aufweisen kann, um den (insbesondere einphasigen) Rotorstrom unabhängig von dem (insbesondere drei-phasigen) Statorstrom (insbesondere einem ersten Statorstrom und einem zweiten Statorstrom) steuern zu können. Die Leistungselektronik kann dabei insbesondere einen Konverter (auch Wechselrichter genannt) aufweisen, welcher eine elektrische Energie aus einer Fahrzeugbatterie, welche eine Gleichspannung liefert, in eine Wechselspannung gewünschter Frequenz umwandelt, mit welcher der Stator betrieben wird. Der Rotor kann insbesondere durch eine unabhängige Gleichstromquelle mit Energie versorgt werden.
Das Fahrzeug kann ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Zug, wie etwa ein Personenzug, oder ein Lastzug oder irgendein anderes Fahrzeug sein, was auf einer Erdoberfläche oder auf einer Wasseroberfläche zur Fortbewegung betrieben werden kann.
Das Signal, welches für das angeforderte von dem Elektromotor zu liefernde Drehmoment indikativ ist, kann etwa auf einer Stellung eines Gaspedals bzw. eines Schalters oder eines Hebels beruhen, welcher von einem Fahrer betätigt werden kann, um einen gewünschten Schub oder Antrieb oder Drehmoment für das Fahrzeug zu definieren. Das Signal kann beispielsweise ein elektrisches und/oder optisches Signal sein.
Die Fahranforderung kann eine von dem Elektromotor oder dem Fahrzeug oder dem Fahrer geforderte Leistung oder Last (oder eine zeitliche Änderung der geforderten Leistung oder Last) sein oder umfassen. Fine Fahrbedingung (wie etwa Autobahnfahrt, Landstraßenfahrt, Stadtfahrt, Winterfahrt) gekennzeichnet etwa durch Geschwindigkeit, Beschleunigung des Fahrzeuges, Steigung der Fahrbahn, Fahrbahnbeschaffenheit, wie etwa Reibungseigenschaften, Ebenheit, Rauhigkeit, oder andere äußere Bedingungen oder ABS/ESP Eingriffe kann die Fahranforderung weiter charakterisieren. Weiter kann ein Fahrertemperament (etwas dynamisches oder ökologisch orientiertes Fahrerverhalten) die Fahranforderung weiter charakterisieren.
Das Erkennen der Fahranforderung kann das Erkennen einer Last und/oder das Erkennen eines Fahrerverhaltens umfassen oder aufweisen. Dabei kann die Last beispielsweise über das angeforderte Drehmoment gegeben oder definiert oder ableitbar sein, das heißt insbesondere durch die Stellung des Gaspedals bzw. des entsprechenden Hebels oder Schalters.
Das Bestimmen der Stromkonfiguration kann ein Bestimmen des Statorstroms und des Rotorstroms derart umfassen, dass das angeforderte von dem Elektromotor zu liefernde Drehmoment tatsächlich von dem Elektromotor (insbesondere an einer Ausgabewelle) geliefert wird. Dabei kann sich insbesondere die Stromkonfiguration in Abhängigkeit von der erkannten Fahranforderung ändern, falls sich etwa die Fahranforderung von einer ersten Fahranforderung auf eine zweite Fahranforderung ändert. Die erste Fahranforderung kann dabei beispielsweise eine langsame Bergfahrt sein und die zweite Fahranforderung kann dabei insbesondere eine schnelle, insbesondere lang anhaltende, Autobahnfahrt, etwa auf ebener Strecke sein.
Das Steuern des Elektromotors kann dabei ein Zuführen (etwa über zwei separate, unabhängige Leistungsendstufen) des (insbesondere mehrphasigen, insbesondere drei-phasigen) Statorstroms zu dem Stator und ein Zuführen des (insbesondere einphasigen) Rotorstroms zu dem Rotor aufweisen, wobei der Statorstrom durch Wicklungen auf dem Stator fließt und der Rotorstrom durch Wicklungen oder eine Wicklung auf dem Rotor fließt. Insbesondere kann der Statorstrom unabhängig von dem Rotorstrom gesteuert werden.
Insbesondere können konventionelle Steuerverfahren eine zuvor basierend auf der Fahranforderung bestimmte Stromkonfiguration vernachlässigen, was im Stand der Technik zu ungenügenden Fahrleistungen bzw. ungenügenden Fahrbarkeiten geführt hat.
Somit verbessert ein Berücksichtigen der Fahranforderung zur Bestimmung einer darauf angepassten Stromkonfiguration die Fahrbarkeit eines Elektrofahrzeuges.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Steuerverfahren ausgeführt, wobei Steuern des Elektromotors ein Steuern eines ersten Statorstromes, und/oder ein Steuern eines zweiten Statorstromes und/oder ein Steuern eines Rotorstromes aufweist, wobei der erste Statorstrom, der zweite Statorstrom und der Rotorstrom derart gewählt werden, dass das angeforderte Drehmoment von dem Elektromotor geliefert wird.
Der erste Statorstrom kann dabei einen d-Strom des Stators entsprechen und der zweite Statorstrom kann dabei einen q-Strom des Stators entsprechen. Insbesondere kann Fließen des d-Stroms durch den Stator zu einem Magnetfeld führen, welches parallel zu dem Magnetfeld ist, welches durch den (rotierenden) Rotor bei Durchströmen mit dem Rotorstrom erzeugt ist. Insbesondere kann der q-Strom zu einem von dem Stator aufgebauten Magnetfeld führen, welches senkrecht zu dem Rotormagnetfeld ist, welches durch den Rotorstrom erzeugt ist, welcher durch den Rotor fließt, bzw. durch Rotorwicklungen fließt. Der erste und zweite Statorstrom können auch einem bestimmten drei-phasigen Statorstrom entsprechen, oder daraus ableitbar sein, oder umgekehrt. Es kann eine „Feldorientierte Regelung“ durchgeführt werden, um das angefordert Drehmoment von dem Elektromotor zu erhalten.
Insbesondere können verschiedene Tripel von erstem Statorstrom, zweitem Statorstrom, Rotorstrom zu demselben Drehmoment führen, welches von dem Elektromotor geliefert wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird somit eine Flexibilität hinsichtlich der Wahl des Stromtripels ausgenutzt, um eine Fahrbarkeit des Fahrzeugs zu verbessern. Insbesondere können durch verschiedene Stromtripel verschiedene Fahrcharakteristiken erreicht werden, um beispielsweise sportliches Fahren zu unterstützen oder ökonomisches Fahren zu unterstützen oder auch um sehr effektives Fahren mit höchstem Wirkungsgrad zu unterstützen, oder auch, insbesondere in Gefahrsituationen oder unter extremen Fahrsituationen, Fahrsituationen zu unterstützen, welche ein Betreiben des Elektromotors außerhalb eines optimalen Arbeitspunktes erfordern, etwa bei Extremströmen.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Steuerverfahren ausgeführt, wobei der erste Statorstrom um zwischen 5% und 80%, insbesondere um zwischen 10% und 60%, weiter insbesondere um zwischen 20% und 50%, verschieden ist von einem optimalen ersten Statorstrom, wobei der zweite Statorstrom um zwischen 5% und 80%, insbesondere um zwischen 10% und 60%, weiter insbesondere um zwischen 20% und 50%, verschieden ist von einem optimalen zweiten Statorstrom, wobei der Rotorstrom um zwischen 5% und 80%, insbesondere um zwischen 10% und 60%, weiter insbesondere um zwischen 20% und 50%, verschieden ist von einem optimalen Rotorstrom, wobei ein Tripel aus dem ersten optimalen Statorstrom, dem zweiten optimalen Statorstrom und dem optimalen Rotorstrom eine optimale Stromkonfiguration definiert, bei dem das angeforderte Drehmoment von dem Elektromotor mit höchstem Wirkungsgrad geliefert wird, insbesondere unter Berücksichtigung von Verlusten von Leistungselektronik der Elektromotor und mechanischen Verlusten des Elektromotors.
Wenn der Elektromotor mit höchstem Wirkungsgrad betrieben wird, kann eine vom Elektromotor abgegebene mechanische Leistung (etwa an einer Ausgabewelle des Elektromotors) (bei gegebener elektrischer Eingabeleistung) am Höchsten sein, wenn er mit der optimalen Stromkonfiguration betrieben wird, das heißt, wenn der Statorstrom durch den ersten optimalen Statorstrom und den zweiten optimalen Statorstrom definiert ist (oder damit assoziiertem dreiphasigen Statorstrom) und wenn der Rotorstrom durch den optimalen Rotorstrom definiert ist. Bei der Definition der optimalen Stromkonfiguration können Verluste von anderen mechanischen Teilen, wie etwa Reifen oder Verluste bei der Energiequelle, das heißt der Batterie, unberücksichtigt bleiben.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Steuerverfahren betrieben, wobei das Erkennen der Fahranforderung auf dem Signal und/oder einer Geschwindigkeit des Fahrzeuges und/oder einer zeitlichen Änderung des Signals und/oder auf einer, insbesondere longitudinalen und/oder transversalen, Beschleunigung des Fahrzeuges und/oder auf einer Lenkbewegung des Fahrzeuges und/oder auf einer Ortserkennung des Fahrzeuges basiert.
Basierend auf dem Signal und/oder der Geschwindigkeit und/oder der zeitlichen Änderung des Signals und/oder der Beschleunigung und/oder der Lenkbewegung und/oder der Ortserkennung kann beispielsweise eine Bergfahrt, eine schnelle Autobahnfahrt oder auch eine Fahrweise des Fahrers erkannt werden. Damit kann das Erkennen der Fahranforderung verbessert bzw. vereinfacht werden. Somit kann die Fahrbarkeit verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Steuerverfahren ausgeführt, wobei je schneller eine Änderung des angeforderten Drehmoments ist, desto stärker, verglichen mit der Änderung des Rotorstroms, der erste und/oder zweite Statorstrom verändert wird, wobei insbesondere der Rotorstrom konstant gehalten wird, falls die Änderung des angeforderten Drehmoments einen Schwellwert übersteigt und/oder eine Frequenz hat, welche eine Schwellwertfrequenz übersteigt.
Insbesondere kann der Statorstrom aufgrund der Konstitution des Elektromotors schneller verändert werden als der Rotorstrom, da der Rotor zur Steuerung (bzw. Reaktion auf einen geänderten Rotorstrom) eine höhere oder größere Zeitkonstante aufweisen kann. Somit kann ein sich rasch änderndes angefordertes Drehmoment vorteilhaft durch Änderung des ersten und/oder des zweiten Statorstroms erzielt werden. Dies kann insbesondere bei Durchführung einer ABS-Prozedur oder bei Durchführung einer EPS-Prozedur verwendet werden. Damit können diese sicherheitsrelevanten Prozeduren zuverlässiger ausgeführt werden. Dazu kann eine Stromkonfiguration bestimmt oder ausgewählt werden, welche ein angefordertes sich schnell änderndes Drehmoment vornehmlich durch eine Änderung des Statorstroms erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Steuerverfahren durchgeführt, wobei bei vorgegebenem angeforderten Drehmoment, der Rotorstrom mit ansteigender Geschwindigkeit abfällt, wobei der erste und/oder der zweite Statorstrom mit ansteigender Geschwindigkeit ansteigt.
Bei einer schnellen Autobahnfahrt etwa könnte der Rotor, welcher nicht durch ein spezielles Kühlmittel gekühlt wird, zu heiß werden, falls er über lange Zeit bei hohen Rotorströmen betrieben würde. Daher ist es bei schneller Autobahnfahrt insbesondere vorteilhaft, den Rotorstrom herunterzuregeln und entsprechend den Statorstrom, insbesondere den ersten Statorstrom und/oder den zweiten Statorstrom, heraufzuregeln, um das angeforderte Drehmoment vom Elektromotor zu liefern.
Im Gegensatz dazu kann bei langsamer Bergfahrt der Statorstrom, insbesondere der erste Statorstrom und/oder der zweite Statorstrom, heruntergeregelt werden, um den Wechselrichter oder Konverter weniger zu belasten. Entsprechend muss bei langsamer Bergfahrt der Rotorstrom hochgeregelt werden, um das angeforderte Drehmoment zu liefern. Damit können Komponenten des Elektromotors geschont werden, während gleichzeitig eine Fahrbarkeit verbessert ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Steuerverfahren ausgeführt, wobei das Bestimmen der Stromkonfiguration ferner in Abhängigkeit von einer Temperatur des Rotors und/oder des Stators erfolgt, und/oder wobei das Bestimmen der Stromkonfiguration ein Auswählen einer Stromkonfiguration aus einem Satz von vordefinierten Stromkonfigurationen, insbesondere Stromtabellen, aufweist.
Insbesondere kann der Rotorstrom erniedrigt werden, falls bestimmt wird, dass die Temperatur des Rotors einen Schwellwert übersteigt. Insbesondere kann der Statorstrom, insbesondere der erste Statorstrom und/oder der zweite Statorstrom, erniedrigt werden, falls bestimmt wird, dass die Temperatur des Stators einen Schwellwert übersteigt. Damit können die Komponenten des Elektromotors geschont werden und/oder die Lebensdauer der Komponenten des Elektromotors kann verlängert werden.
Insbesondere kann eine Vielzahl von Stromkonfigurationen in einem Speicher, wie etwa einem elektronischen Speicher, abgelegt sein, insbesondere in Form von Stromtabellen, welche ein Stromtripel aus erstem Statorstrom, zweitem Statorstrom und Rotorstrom für ein gegebenes Solldrehmoment, eine gegebene Dreh- zahl des Motors und eine gegebene Batteriespannung auflisten oder enthalten. Die Stromkonfiguration bzw. die Vielzahl der Stromkonfigurationen kann in irgendeiner anderen Form oder in einem beliebigen elektronischen Datenformat verfügbar oder gespeichert sein.
Insbesondere kann eine Vielzahl von vordefinierten Stromkonfigurationen für eine Vielzahl von interessierenden Fahranforderungen vorgehalten bzw. gespeichert sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Steuerverfahren ausgeführt, wobei das Erhalten des Signals und/ oder das Erkennen der Fahranforderung auf aufeinanderfolgenden Zeitpunkten erfolgt, welche insbesondere zwischen 1 ms und 100 s, weiter insbesondere zwischen 50 ms und 5 s, beabstandet sind. Damit kann auf ein Ändern der Fahranforderung reagiert werden, um die Fahrbarkeit weiter zu verbessern.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Steuerverfahren ausgeführt, wobei das Erkennen der Fahranforderung ein Durchführen einer Straßenklassifizierung, und/oder Durchführen einer Fahrerklassifizierung aufweist. Die Straßenklassifizierung kann dabei auch basierend auf Bilddaten, Audiodaten und/oder Videodaten durchgeführt werden und/oder die Fahrerklassifizierung kann von einem Expertensystem vorgenommen werden.
Es sollte verstanden werden, dass Merkmale (individuell oder in irgendeiner Kombination), welche im Zusammenhang mit einem Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors offenbart, erwähnt, beschrieben, erklärt oder angewendet worden sind, auch (individuell oder in jeder Kombination) auf eine Motorsteuerung zum Ansteuern eines einen Stator und einen Rotor aufweisenden Elektromotors eines Fahrzeugs angewendet, eingesetzt, bereitgestellt werden können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oder umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist bereitgestellt eine Motorsteuerung zum Ansteuern eines einen Stator und einen Rotor aufweisenden Elektromotors eines Fahrzeuges, wobei die Motorsteuerung aufweist: einen Eingangsanschluss zum Erhalten eines Signals, welches für ein angefordertes Drehmoment indikativ ist; einen Prozessor, welcher ausgebildet ist: eine Fahranforderung zu erkennen; eine Stromkonfiguration in Abhängigkeit von der erkannten Fahranforderung zu bestimmen; und den Elektromotor basierend auf der ausgewählten Stromkonfiguration und dem Signal zu steuern.
Der Prozessor kann beispielsweise ein Halbleiter-Mikroprozessor oder Halbleiter-Mikrocontroller sein, welcher insbesondere programmierbar sein kann. Der Prozessor kann dabei insbesondere eine Rotorendstufe ansteuern, welche schließlich dem Rotor den Rotorstrom zuführen kann. Der Prozessor kann ferner insbesondere eine Wechselrichterendstufe oder Konverterendstufe ansteuern, welche wiederum dem Stator den Statorstrom, insbesondere einem Dreiphasenstatorstrom zuführen kann, welcher einem bestimmten ersten Statorstrom und zweiten Statorstrom entsprechen kann. Insbesondere kann der Rotorstrom beispielsweise zwischen 0 Ampere und 20 Ampere liegen und der Statorstrom kann beispielsweise zwischen –300 Ampere und 300 Ampere liegen.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein System bereitgestellt, welches eine Synchronmaschine umfasst, welche einen Rotor, einen Stator aufweist, sowie eine Ansteuerungselektronik, welche die Motorsteuerung wie oben beschrieben aufweist, wobei die Motorsteuerung den Rotor und den Stator hinsichtlich eines Rotorstroms bzw. eines Statorstroms ansteuert.
Die Ansteuerungselektronik kann dabei insbesondere eine Rotorendstufe sowie eine Konverterendstufe aufweisen, um die entsprechenden Ströme basierend auf Steuersignalen der Motorsteuerung zu erzeugen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
1 zeigt schematisch eine Motorsteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche eine Rotorendstufe und eine Inverter- oder Konverterendstufe zur Ansteuerung einer Synchronmaschine steuert, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 zeigt Details der in 1 illustrierten Motorsteuerung.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
1 zeigt eine Motorsteuerung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche eine Rotorendstufe 103 und eine Konverterendstufe oder Wechselrichterendstufe 105 ansteuert, welche wiederum einen Rotor 107 mit einer Rotorspule 109 bzw. einen Stator 111 mit Statorspulen 113, 115 und 117 zur Stromversorgung mit Strömen versorgen.
Die Motorsteuerung 100 hat einen Eingangsanschluss 119 zum Erhalten eines Signals 121, welches für ein angefordertes Drehmoment indikativ ist. Das Signal 121 kann beispielsweise eine Stellung eines Gaspedals oder eine Stellung eines Vortriebhebels oder Vortriebschalters anzeigen, wobei das Signal 121 insbesondere durch einen Fahrer eines Fahrzeugs hervorgerufen bzw. veranlasst worden ist, welcher ein Fahrzeug führt, welches durch die Synchronmaschine 106 angetrieben ist, welche vom Rotor 107 sowie dem Stator 111 mit Strom versorgt wird.
Intern weist die Motorsteuerung 100 einen Prozessor 123 auf, welcher ausgebildet ist, eine Fahranforderung zu erkennen. Um die Fahranforderung zu erkennen, weist die Motorsteuerung 100 einen weiteren Eingabeanschluss 125 auf, an dem Daten 127 eingegeben werden, basierend auf welchen die Fahranforderung erkannt werden kann. Die Daten 127 werden dazu intern dem Prozessor 123 zugeführt.
Der Prozessor 123 ist ferner ausgebildet, eine Stromkonfiguration zum Ansteuern der Rotorendstufe 103 bzw. der Konverterendstufe 105 in Abhängigkeit von der erkannten Fahranforderung zu bestimmen und Steuersignale 129, welche indikativ für einen Rotorstrom sind, an die Rotorendstufe 103 auszugeben, sowie Steuersignale 131, welche für einen oder mehrere Statorströme indikativ sind, an die Konverterendstufe 105 auszugeben.
Nach Erhalt der Daten 129, welche für den Rotorstrom indikativ sind, erzeugt die Rotorendstufe 103 den angeforderten Rotorstrom und führt der Rotorspule 109 über Anschlüsse 133, 135 den angeforderten(einphasigen) Rotorstrom zu.
Wie aus 1 ersichtlich ist, können der Rotor 107 bzw. die Rotorspule 109 und der Stator 111 bzw. seine Statorspulen 113, 115, 117 unabhängig voneinander angesteuert werden.
Aufgrund der erhaltenen Daten 131, welche für einen oder mehrere Statorströme indikativ sind, erzeugt die Konverterendstufe 105 den einen oder die mehreren gewünschten Statorströme und gibt an den Anschlüssen 137, 139, 141 Leistungsströme in drei Phasen an die Statorspulen 113, 115 bzw. 117 aus.
Insbesondere führt das Ansteuern der Synchronmaschine 106 über die Motorsteuerung 100 und über die Rotorendstufe 103 und die Konverterendstufe 105 dazu, dass die Synchronmaschine 106 ein Drehmoment erzeugt, welches dem Drehmoment entspricht bzw. gleicht, für welches das Signal 121 indikativ ist. Damit wird also gemäß der Anforderung des Fahrers das gefahrene Fahrzeug mit dem angeforderten Drehmoment angetrieben.
Dabei beruht die Stromkonfiguration, mit welcher die Synchronmaschine 106 angesteuert wird, nicht nur auf dem für das angeforderte Drehmoment indikativen Signal 121, sondern auch auf den Daten 127, aus welchen eine Fahranforderung von dem Prozessor 123 bestimmt wird.
Damit kann für eine bestimmte Fahranforderung eine solche Stromkonfiguration verwendet werden, welche eine Fahrbarkeit des durch die Synchronmaschine 106 angetriebenen Fahrzeugs verbessert.
Ein bestimmter Arbeitspunkt nämlich (was einem bestimmten angeforderten Drehmoment entsprechen kann bei einer vorgegebenen Drehzahl und Zwischenkreis-Versorgungsspannung (z.B. der Hochvoltbatterie) kann bei einer Synchronmaschine in gewissen Grenzen mit verschiedenen Rotor- und Statorströmen erreicht werden. Durch diese Aufteilung zwischen Rotor- und Statorstrom kann die Erwärmung der Einzelkomponenten, das heißt zum Beispiel des Rotors 107 oder/und des Stators 111, auch gezielt beeinflusst werden, um beispielsweise eine Überhitzung zu vermeiden.
Die Stromkonfiguration kann beispielsweise derart gewählt werden (insbesondere in einem Normalbetrieb), dass eine maximale Effizienz bzw. minimale Verluste erreicht werden. Erreicht jedoch eine Komponente etwa eine spezifische Temperaturgrenze, kann entweder der entsprechende Strom reduziert werden oder auch das Gesamtdrehmoment reduziert werden. Jede Stromkonfiguration kann dabei einem Betriebsmodus der Motorsteuerung 100 entsprechen.
Herkömmlicherweise werden die Einzelkomponenten, etwa der Rotor 107 und der Stator 111 situationsabhängig unterschiedlich belastet. So wird beispielsweise die Konverterendstufe 105 für den Statorstrom herkömmlicher Weise bei Hochfahren eines Bordsteins mit hohem Drehmoment aufgrund der Schaltverluste und ungleichmäßiger Belastung der Leistungshalbleiter besonders belastet, wodurch oder weswegen ein Derating (Herabregeln) der Leistungsendstufe herkömmlicher Weise auftreten kann.
Weiter können der Rotor und die Rotorendstufe in bestimmten Dauerlastpunkten die begrenzenden, zuerst überhitzenden Komponenten sein und gemäß herkömmlichen Steuerverfahren ein Derating bedingen.
Somit treten herkömmlicher Weise situationsabhängig oder abhängig von einer Fahranforderung Deratings (Herabstufungen der entsprechenden Ströme) komplementär auf, was eine Drehmomentrücknahme zur Folge hat, was wiederum die Fahrbarkeit des Fahrzeugs verschlechtert.
Daher wird gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Fahranforderung erkannt und eine Stromkonfiguration in Abhängigkeit von der erkannten Fahranforderung bestimmt.
Dabei kann beispielsweise eine vorsorgliche Verschiebung der Ströme hin zu einem Extremum (Rotorstrom maximal/Statorstrom maximal) vorgenommen werden. Weiter kann die Stromkonfiguration derart bestimmt werden, dass vom Wirkungsgradoptimum abgewichen wird an einer thermischen Grenze einer Komponente, was beispielsweise eine Verschiebung hin zum Rotor oder zum Stator und deren zugehörigen Endstufen umfassen kann, um ein angefordertes Drehmoment zuverlässiger oder länger liefern zu können (was somit ein Derating hinauszögern kann). Dazu kann beispielsweise ein Algorithmus mit entsprechender Zielgröße (zum Beispiel Temperatur-Marge) implementiert werden.
Insbesondere kann die Stromkonfiguration eine Umschaltung zwischen verschiedenen Kennfeldern der Ströme oder eine Interpolation bzw. andersartige Gewichtung zwischen Rotor und Stator mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus umfassen.
Auch kann eine maximale Reichweite durch bestmögliche Rekuperation durch Erkennung der Fahrsituation bzw. Fahranforderung (Bremsen/Bergfahrt) erhöht werden.
2 zeigt die Motorsteuerung 100 in größerem Detail. Die Motorsteuerung 100 umfasst ein Erkennungssystem 143, eine Datenbank 145, sowie den Prozessor 123, um die Steuersignale 129 für die Rotorendstufe 103 und die Steuersignale 131 für die Konverterendstufe 105 zu bestimmen, basierend auf welchen schließlich die Synchronmaschine 106 gesteuert bzw. betrieben wird. Als Eingangsdaten erhält dazu die Motorsteuerung 100 das Signal 121, welches für das angeforderte Drehmoment indikativ ist, sowie die Daten 127, aus denen die Fahranforderung erkennbar ist. Das Signal 121 kann beispielsweise eine Gaspedalstellung bzw. eine Geschwindigkeit umfassen.
Das Signal 127 bzw. die Daten 127 können beispielsweise Fahrdynamikanforderungen (zum Beispiel ESP); Fahrzeuginformationen (Navigationssystem, Raddrehzahlen, Gear-Rate, ESP-/ASR-Eingriff) umfassen. Aufgrund der Signale bzw. Daten 121, 127 erkennt das Erkennungssystem 143, was beispielsweise ein Fuzzy-System umfassen kann, die Fahranforderung, welche als Daten oder Signal 147 angedeutet ist. Das Erkennungsmodul 143 kann auch in dem Prozessor 123 integriert sein.
Der Prozessor 123 ist weiter in Kommunikation (über Leitungen 144 in 2 illustriert) mit der Datenbank 145, welche verschiedene Stromkonfigurationen für verschiedene Fahranforderungen bereithalten kann. In dem illustrierten Beispiel sind die verschiedenen Stromkonfigurationen in Form von Stromtabellen gespeichert, wobei die Stromtabellen 149, 151 und 153 exemplarisch dargestellt sind, wobei jedoch viele weitere Stromtabellen umfasst sein können, um verschiedenen Fahranforderungen gerecht werden zu können. In jeder der Stromtabellen wird ein erster Statorstrom Id, ein zweiter Statorstrom Iq und ein Rotorstrom If als eine Funktion von dem angeforderten Drehmoment T_Ref, der Drehzahl n der Synchronmaschine 106 und der Batteriespannung U_DC bestimmt. In der Stromtabelle 149 sind beispielsweise eine Stromkonfiguration für maximale Statorströme hinterlegt. In der Stromtabelle 151 sind beispielsweise eine Stromkonfiguration für minimale Verlustleistung hinterlegt. In der Stromtabelle 153 sind beispielsweise eine Stromkonfiguration für maximale Rotorströme hinterlegt.
Der Prozessor 123 (und auch die Motorsteuerung 100) kann weitere Eingabedaten 155 und 157 bei der Auswahl oder der Bestimmung der Stromkonfiguration berücksichtigen. Beispielsweise können die Daten 155 einen Fahrerwunsch anzeigen, wie etwa eine Anforderung, besonders energiebewusst zu fahren („Eco“-Wunsch) oder im Winterbetrieb zu fahren („Winter“-Wunsch). Die Daten 157 können dabei Signale oder Daten umfassen, welche indikativ für eine Temperaturtoleranz des Rotors und/oder des Stators und/oder der dazugehörigen Endstufen sind.
Im Folgenden werden einige Beispiele ausgewählter Stromkonfigurationen näher erläutert:

1. Eine Stromkonfiguration kann zur Verbesserung beim Hochfahren einer Bordsteinkante oder beim Anfahren am Berg vorgesehen sein. Dabei wird gegenüber einer herkömmlichen Ansteuerung die Motorsteuerungsstrategie verändert, wobei ein höherer Rotorstrom wegen ungleichmäßiger Belastung der Leistungshalbleiter gewählt wird und dementsprechend ein geringerer Statorstrom. Damit kann ein Abregeln (Derating) gegenüber herkömmlichen Verfahren erst später eintreten. Auch können sich die thermischen Belastungen im Konverter 105 im gewissen Umfang verlagern. Bei niedrigen Drehzahlen n und hohen Drehmomentanforderungen T_Ref werden im Falle eines Herabregelns der Statorströme die Sollströme so gewählt, dass eine Kompensation über einen höheren Rotorstrom erfolgt als gemäß herkömmlichen Verfahren (in der zeitlichen Nähe eines Herabregelns des Statorstroms). Dazu ist ein Straßen-/Situationsklassifikator erforderlich, der entweder über Beschleunigungsvergleich mit Ebene die Steigung des Berges erkennt oder Information aus digitaler Karte verbunden mit präziser Standortbestimmung erhält bzw. bestimmt.
2. Bei einer schnellen Autobahnfahrt oder schneller, langer Bergauffahrt kann eine Stromkonfiguration vorgesehen sein, einen gegenüber einem herkömmlichen Verfahren höheren Statorstrom vorzusehen, um den Rotor insbesondere hinsichtlich einer Erwärmung zu entlasten. Wieder kann die Erkennung der Fahrsituation bzw. Fahranforderung über Signale erfolgen, welche ein Fahrerverhalten und/oder eine Last anzeigen.
3. Eine weitere Stromkonfiguration kann für einen sportlichen Fahrer vorgesehen sein, um eine gleichmäßige thermische Auslastung abweichend von einer Wirkungsgrad optimierten Stromkonfiguration zu erhalten, beispielsweise im Falle eines Überholvorgangs. Der Überholvorgang kann zum Beispiel durch einen Fahrer- und Fahrsituationsklassifikator erkannt werden. Damit kann erreicht werden, dass solch ein Fahrmanöver nicht abgebrochen werden muss, was die Fahrbarkeit und auch die Sicherheit erhöhen kann. Abhängig von einem Ergebnis der Fahrerklassifikation kann hin zu mehr Rotorstrom (und somit geringerem Statorstrom) oder hin zu höherem Statorstrom (und somit niedrigerem Rotorstrom) gewichtet werden.
4. Drücken eines Schalters („Eco“-Schalter), welcher anzeigt, dass besonders ökonomisch gefahren werden soll, kann zu einer festen Auswahl einer solchen Stromkonfiguration führen, welche zu einem minimalen Verlust bzw. zu einem höchsten Wirkungsgrad führt, wobei dabei das Risiko eines frühen Abregelns in Kauf genommen wird.
5. Eine weitere Stromkonfiguration kann über einen „Winter“-Schalter ausgewählt werden, die zu höchster Drehmomentdynamik über eingegrenzte Variabilität des Rotorstroms und Umsetzung des Drehmoments hauptsächlich über die Statorströme führt. Damit können Fahrdynamikregelsysteme wie ASR/ABS/ESP optimal eingreifen.

Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
Bezugszeichenliste

100: Motorsteuerung
103: Rotorendstufe
105: Konverterendstufe
106: Synchronmaschine
107: Rotor
109: Rotorspule
111: Stator
113, 115, 117: Statorspulen
119: Eingangsanschluss
121: drehmomentindikatives Signal
123: Prozessor
125: weiterer Eingangsanschluss
127: für eine Bestimmung einer Fahranforderung geeignete Daten
129, 131: Steuersignale
133, 135: Rotorendstufe-Ausgabeanschlüsse
137, 139, 141: Konverterendstufe-Ausgabeanschlüsse
143: Erkennungsmodul
147: fahranforderungsindikative Daten
149, 151, 159: Stromtabellen bzw. Stromkonfigurationen
145: Datenbank
155, 157: weitere Eingangsdaten

Claims

Verfahren zum Ansteuern eines einen Stator (111) und einen Rotor (107) aufweisenden Elektromotors (106) eines Fahrzeuges, wobei das Verfahren aufweist: Erhalten eines Signals (121), welches für ein angefordertes von dem Elektromotor zu lieferndes Drehmoment (T_Ref) indikativ ist; Erkennen einer Fahranforderung (147); Bestimmen einer einen Statorstrom und einen Rotorstrom definierenden Stromkonfiguration (149, 151, 153) in Abhängigkeit von der erkannten Fahranforderung; und Steuern des Elektromotors (106) basierend auf der bestimmten Stromkonfiguration (149, 151, 153) und dem Signal (121).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Steuern des Elektromotors ein Steuern eines ersten Statorstromes (Id), und/oder ein Steuern eines zweiten Statorstromes (Iq) und/oder ein Steuern eines Rotorstromes (If) aufweist, wobei der erste Statorstrom, der zweite Statorstrom und der Rotorstrom derart gewählt werden, dass das angeforderte Drehmoment (T_Ref) von dem Elektromotor geliefert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der erste Statorstrom um zwischen 5% und 80%, insbesondere um zwischen 10% und 60%, weiter insbesondere um zwischen 20% und 50%, verschieden ist von einem optimalen ersten Statorstrom, wobei der zweite Statorstrom um zwischen 5% und 80%, insbesondere um zwischen 10% und 60%, weiter insbesondere um zwischen 20% und 50%, verschieden ist von einem optimalen zweiten Statorstrom, wobei der Rotorstrom um zwischen 5% und 80%, insbesondere um zwischen 10% und 60%, weiter insbesondere um zwischen 20% und 50%, verschieden ist von einem optimalen Rotorstrom, wobei ein Tripel aus dem ersten optimalen Statorstrom, dem zweiten optimalen Statorstrom und dem optimalen Rotorstrom eine optimale Stromkonfiguration definiert, bei dem das angeforderte Drehmoment von dem Elektromotor mit höchstem Wirkungsgrad geliefert wird, insbesondere unter Berücksichtigung von Verlusten von Leistungselektronik des Elektromotors und mechanischen Verlusten des Elektromotors.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erkennen der Fahranforderung auf dem Signal und/oder einer Geschwindigkeit des Fahrzeuges und/oder einer zeitlichen Änderung des Signals und/oder auf einer, insbesondere longitudinalen und/oder transversalen, Beschleunigung des Fahrzeuges und/oder auf einer Lenkbewegung des Fahrzeuges und/oder auf einer Ortserkennung des Fahrzeuges basiert.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei je schneller eine Änderung des angeforderten Drehmoments ist, desto stärker, verglichen mit der Änderung des Rotorstroms, der erste und/oder zweite Statorstrom verändert wird, wobei insbesondere der Rotorstrom konstant gehalten wird, falls die Änderung des angeforderten Drehmoments einen Schwellwert übersteigt und/oder eine Frequenz hat, welche eine Schwellwertfrequenz übersteigt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei vorgegebenem angeforderten Drehmoment, der Rotorstrom mit ansteigender Fahrzeuggeschwindigkeit abfällt, wobei der erste und/oder der zweite Statorstrom mit ansteigender Geschwindigkeit ansteigt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Stromkonfiguration ferner in Abhängigkeit von einer Temperatur des Rotors und/oder des Stators erfolgt, und/oder wobei das Bestimmen der Stromkonfiguration ein Auswählen einer Stromkonfiguration aus einem Satz von vordefinierten Stromkonfigurationen, insbesondere Stromtabellen, aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erhalten des Signals und/oder das Erkennen der Fahranforderung auf aufeinanderfolgenden Zeitpunkten erfolgt, welche insbesondere zwischen 1 ms und 100 s, weiter insbesondere zwischen 50 ms und 5 s, beabstandet sind.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erkennen der Fahranforderung ein Durchführen einer Straßenklassifizierung, und/oder Durchführen einer Fahrerklassifizierung aufweist.
Motorsteuerung (100) zum Ansteuern eines einen Stator (111) und einen Rotor (107) aufweisenden Elektromotors (106) eines Fahrzeuges, wobei die Motorsteuerung aufweist: einen Eingangsanschluss (119) zum Erhalten eines Signals (121), welches für ein angefordertes Drehmoment (T_Ref) indikativ ist; einen Prozessor (123), welcher ausgebildet ist: eine Fahranforderung (147) zu erkennen; eine Stromkonfiguration (149, 151, 153) in Abhängigkeit von der erkannten Fahranforderung zu bestimmen; und den Elektromotor (106) basierend auf der ausgewählten Stromkonfiguration (149, 151, 153) und dem Signal (121) zu steuern.