DE102012222220A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Traktionsantriebssystems und dazugehörige Steuerungsvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Traktionsantriebssystems und dazugehörige Steuerungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Traktionsantriebssystems (10), bei dem eine permanent erregte Synchronmaschine (28) gemäß einer feldorientierten Regelung (30, 60) angesteuert und im Normalbetrieb mittels einer Batterie (11) über einen Gleichspannungszwischenkreis (16) versorgt wird. Bei einem Fehlerbetrieb (31) des Traktionsantriebssystems (10) wird die Batterie (11) von dem Gleichspannungszwischenkreis (16) getrennt. Dabei wird in dem Fehlerbetrieb (31) die Synchronmaschine (28) mittels in dem Gleichspannungszwischenkreis (16) gespeicherter elektrischer Energie weiter gemäß einer feldorientierten Regelung (30, 60) betrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Traktionsantriebssystems, bei dem eine permanent erregte Synchronmaschine gemäß einer feldorientierten Regelung angesteuert und im Normalbetrieb mittels einer Batterie über einen Gleichspannungszwischenkreis versorgt wird, wobei in einem Fehlerbetrieb die Batterie von dem Gleichspannungszwischenkreis getrennt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine dazugehörige Vorrichtung zur Steuerung eines Traktionsantriebssystems und ein Fahrzeug, das ein Traktionsantriebssystem mit einer permanent erregten Synchronmaschine und eine Batterie zur Versorgung der Synchronmaschine aufweist.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, die in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden und die als Traktionsbatterien bezeichnet werden, da sie für die Speisung elektrischer Antriebe verwendet werden. In der 1 ist ein Prinzipschaltbild eines herkömmlichen Traktionsantriebssystems, wie es beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen zum Einsatz kommt, dargestellt. Das Traktionsantriebssystem 10 weist eine Batterie (Traktionsbatterie) 11 auf, die an einen durch einen Kondensator 17 gepufferten Gleichspannungszwischenkreis 16 angeschlossen ist. Der Gleichspannungszwischenkreis 16 ist hier integriert mit einem Pulswechselrichter beziehungsweise Inverter 18, der über schaltbare Halbleiterventile 19 und Dioden 22 an drei Phasenausgängen 21 gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines Elektromotors 22 bereitstellt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in der Zeichnung nur ein Halbleiterventil 19 und eine Diode 20 mit Bezugszeichen versehen. Die Kapazität des Kondensators 17 ist hinreichend groß gewählt, um die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis 16 für eine Zeitdauer, in der eines der schaltbaren Halbleiterventile 19 durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. Die Halbleiterventile 19 können als Bipolartransistoren mit isolierten Gate-Elektroden (IGBT) ausgeführt sein. Als Elektromotoren 22 werden in solchen Traktionsantriebssystemen 10 üblicherweise Drehstrommotoren eingesetzt. Meist handelt es sich dabei um Asynchronmotoren, permanent erregte beziehungsweise geregelte Synchronmotoren oder fremderregte Synchronmotoren. Die Batterie 11 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 12 sowie eine Lade- und Trenneinrichtung mit einem Ladeschütz 14, einem dem Ladeschütz 14 vorgeschalteten Ladewiderstand 15, und Hauptschützen 13.
  • Es wird im Folgenden unterstellt, dass die Synchronmaschine mit einer sogenannten feldorientierten Führung betrieben wird, wie sie bei modernen, leistungsfähigen Antriebssystemen Stand der Technik ist. Das Prinzipschaltbild eines kaskadisch ausgeführten, feldorientierten Drehzahlreglers ist in 2 dargestellt. Bei dieser Art der Maschinenführung erfolgt die Regelung der Statorströme in einem rotorfesten, feldorientierten Koordinatensystem mit den Achsen (Komponente) d und q, das eine Trennung zwischen dem sogenannten feldbildenden beziehungsweise flussbildenden Statorstrom (d-Achse) und einem Drehmoment bildenden Statorstrom (q-Achse) ermöglicht. Diese Entkopplung vereinfacht die Führung der Maschine erheblich.
  • Tritt in der Batterie 11 eines solchen Traktionsantriebssystems 10 ein technisches Problem auf, welches entweder direkt zu einem Ausfall einer Batteriezelle 12 führt oder bei weiterem Betrieb der Batterie 11 zu einem sicherheitsrelevanten Zustand der Batterie 11 führen kann, wird die Batterie 11 mittel eines Batteriemanagementsystems (nicht dargestellt) des Traktionsantriebssystems 10 in einen sicheren Zustand überführt. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batteriesystemen wird dieser Zustand wie oben beschrieben dadurch hergestellt, indem die Batterie 11 durch Öffnen der Schütze 13, 14 der Lade- und Trenneinrichtung vom Gleichspannungszwischenkreis 16 abgetrennt wird. Das Führungssystem des Traktionsantriebssystems 10 muss in einem solchen Fall dann mit der Situation zurechtkommen, dass die Batterie 11 schlagartig nicht mehr als Energiespeicher zur Verfügung steht. Im Gleichspannungszwischenkreis des Antriebssystems steht statt der Batterie jetzt nur noch der in 1 dargestellte Zwischenkreiskondensator als Energiespeicher zur Verfügung. Abhängig vom Betriebszustand des Elektromotors 22 beziehungsweise der Elektromaschine einerseits und von der Art der Elektromaschine andererseits kann das Führungssystem in einem solchen Fall bestenfalls noch erreichen, dass es zu keiner Zerstörung des Inverters 18, insbesondere der Halbleiterschalter 19, kommt, was beispielsweise durch einen unzulässig starken Anstieg der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 16 und eine Überschreitung der Sperrspannungsgrenze verursacht werden könnte.
  • So wird in heutigen Traktionsantriebssystemen mit permanent erregter Synchronmaschine bei einem Abschaltvorgang der Batterie, der beispielsweise aufgrund eines technischen Problems der Batterie durchgeführt wird, im Inverter der sogenannte aktive Kurzschluss eingestellt. Darunter versteht man einen Zustand, in dem in den drei Inverterzweigen jeweils die unteren Schalter eingeschaltet werden. Alternativ ist es auch denkbar, dass die jeweils oberen Schalter eingeschaltet werden, dies ist jedoch eher unüblich. Durch das Einstellen des aktiven Kurzschlusses kann somit wirksam verhindert werden, dass der Inverter durch unzulässig hohe Spannungen zerstört wird, da keine Energie mehr in den Gleichspannungszwischenkreis zurückgespeist wird.
  • Eine Zerstörung des Inverters kann insbesondere dann eintreten, wenn eine permanent erregte Synchronmaschine im sogenannten Feldschwächbereich bei hohen Drehzahlen betrieben wird. Dann weisen die in der Maschine induzierten Spannungen nämlich Werte auf, die deutlich über der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises liegen.
  • Durch den oben erwähnten aktiven Kurzschluss stellen sich allerdings in nicht geregelter Weise Statorströme in der Synchronmaschine ein, welche dazu führen können, dass die Synchronmaschine starke negative Momente (Bremsmomente) an der Antriebswelle ausübt. Das Führungssystem nimmt dabei keine Rücksicht auf ein fahrdynamisch sinnvolles Verhalten des Traktionsantriebs. Die Konsequenz aus diesem Verhalten ist, dass der Antrieb aus fahrdynamischer Sicht unerwünschte oder gar unzulässige Drehmomente, beispielsweise plötzlich auftretende, große negative Momente (Bremsmomente) abgibt. Dies muss in dem Gesamtkonzept des Fahrzeugantriebs dann durch zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise einem mechanischen Freilauf, beherrscht werden. Diese Zusatzmaßnahmen sind aufwendig und unerwünscht, da sie nur im Falle eines technischen Fehlers in der Batterie benötigt werden und daher üblicherweise nie oder nur sehr selten zum Einsatz kommen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Traktionsantriebssystems zur Verfügung gestellt, bei dem eine permanent erregte Synchronmaschine gemäß einer feldorientierten Regelung angesteuert und im Normalbetrieb mittels einer Batterie über einen Gleichspannungszwischenkreis versorgt wird. In einem Fehlerbetrieb wird die Batterie von dem Gleichspannungszwischenkreis getrennt. Dabei wird die Synchronmaschine in dem Fehlerbetrieb mittels von in dem Gleichspannungszwischenkreis gespeicherter elektrischer Energie weiter gemäß einer feldorientierten Regelung betrieben.
  • Ferner wird eine entsprechende Vorrichtung zur Steuerung eines Traktionsantriebssystems zur Verfügung gestellt, das eine permanent erregte Synchronmaschine und einen Gleichspannungszwischenkreis zum Verbinden des Synchronmotors mit einer Batterie umfasst. Dabei weist die Vorrichtung eine Regelungsschaltung zur Durchführung einer feldorientierten Führung des Synchronmotors auf, wobei die Regelungsschaltung dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
  • Gemäß noch einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug geschaffen, das ein Traktionsantriebssystem mit einer permanent erregten Synchronmaschine und eine Batterie zur Versorgung der Synchronmaschine umfasst, wobei das Traktionsantriebssystem des Fahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung versehen ist.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die in einem Fehlerfall vorliegende Situation der Abtrennung der Batterie beziehungsweise der Energiequelle ohne erheblichen Zusatzaufwand sinnvoll beherrscht werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Synchronmaschine erfindungsgemäß im Fehlerbetrieb weiter gemäß einer feldorientierten Regelung betrieben wird, wodurch eine Steuerung der Synchronmaschine als auch eine Einstellung der Zwischenkreisspannung ermöglicht wird, die unkritisch sind, insbesondere hinsichtlich einer erzeugten Drehmomentabgabe der Maschine als auch der im Traktionsantriebssystem herrschenden elektrischen Spannungen. So entfällt auch die Notwendigkeit von aufwendigen zusätzlichen Maßnahmen, wie beispielsweise die Installation eines mechanischen Freilaufs. Es wird auf besonders komfortable Weise auch im Fehlerbetrieb ermöglicht, dass das Führungssystem des Traktionsantriebs die Zwischenkreisspannung derart begrenzt, dass der Inverter nicht durch unzulässig hohe Spannungen zerstört werden kann. Es wird ferner vorteilhaft ermöglicht, dass der Antrieb als Folge der Abschaltung der Batterie ausgehend vom aktuellen Betriebszustand möglichst rasch in einen Zustand überführt werden kann, in dem er kein Drehmoment (idealer Leerlauf) oder nur ein geringes Drehmoment abgibt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei der feldorientierten Regelung im Fehlerbetrieb eine aktuelle Drehzahl der Synchronmaschine als Steuergröße zur Ermittlung einer flussbildenden Stromkomponente und einer Drehmoment bildenden Stromkomponente eines Statorstromsollwerts verwendet. Ferner kann eine Regelung einer Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises durchgeführt werden. Somit kann besonders vorteilhaft erreicht werden, dass der Antrieb oder die Synchronmaschine nach Herbeiführung eines Leerlaufs oder eines Betriebs mit kleinen Drehmomenten auch bei abgeschalteter Batterie dem Betrage nach sehr begrenzte Momente auf die Antriebsachse gibt, unabhängig von einer Änderung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die sich zum Beispiel durch einen Bremsvorgang ändern kann, beziehungsweise unabhängig von der Drehzahl des Antriebs. Dies wird bei der vorteilhaften Weiterbildung insbesondere auch dadurch erreicht, indem keine Drehzahl oder Drehzahländerung mehr vorgegeben, sondern dass stattdessen die aktuelle Drehzahl zur Einstellung von Größen des Traktionsantriebssystems mit verwendet wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die flussbildende Stromkomponente des Statorstromsollwerts in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl ermittelt. Dies kann insbesondere gemäß einer gespeicherten Tabellenfunktion bewerkstelligt werden. Dadurch kann auf besonders zuverlässige Weise ein Leerlauf der Synchronmaschine erreicht werden, wobei das Traktionsantriebssystem insbesondere bei hohen Drehzahlen auf sichere und unkritische Weise beherrscht wird, was sich gemäß dem Stand der Technik zumindest als schwierig erweist.
  • Gemäß noch einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann zur Ermittlung der Drehmoment bildenden Stromkomponente des Statorstromsollwerts ein Sollwert für die Zwischenkreisspannung in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl berechnet wird. Dadurch wird die Stabilität und Zuverlässigkeit der Regelung weiter erhöht. So kann gemäß der Erfindung vermieden werden, dass eine induzierte Spannung der permanent erregten Synchronmaschine aufgrund eines Betriebs im sogenannten „Feldschwächbereich” höhere Werte aufweist als die zulässige Sperrspannung der Halbleiterschalter.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird aus einem Wert einer Regelabweichung der Zwischenkreisspannung eine dem Zwischenkreiskondensator zuzuführende oder dem Zwischenkreiskondensator zu entnehmende elektrische Leistung berechnet.
  • Ferner kann aus der dem Zwischenkreiskondensator zuzuführenden oder zu entnehmenden elektrischen Leistung ein Drehmomentsollwert für ein inneres Drehmoment des Synchronmotors ermittelt wird, wobei die Drehmoment bildende Stromkomponente des Statorstromsollwerts aus dem berechneten Drehmomentsollwert ermittelt werden kann.
  • Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren auf besonders vorteilhafte Weise derart durchführbar, dass in einer Übergangsphase, beispielsweise bis ein Leerlauf erreicht ist, das Moment, ausgehend vom Zustand zum Zeitpunkt der Abschaltung der Batterie, dem Betrage nach reduziert wird, ohne dass die Richtung des Moments sich ändert. Insbesondere kann, ausgehend von einem positiven Antriebsmoment, verhindert werden, dass schlagartig ein Bremsmoment auf eine Antriebsachse wirkt.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann basierend auf einen ermittelten aktuellen Statorstrom der Synchronmaschine und der aktuellen Drehzahl zusätzlich ein vorgesteuerter innerer Drehmomentanteil des Synchronmotors ermittelt werden. Dadurch kann eine weitere Erhöhung der Sicherheit und Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden, bei dem beispielsweise auch der aktuelle Statorstrom als Steuergröße direkt mit berücksichtigt wird.
  • Das Verfahren ist vorteilhafterweise auch für solche Traktionsantriebe speziell geeignet, die einen Zwischenkreiskondensator mit deutlich geringerer Kapazität aufweisen, als heute Stand der Technik ist, wobei gemäß dem Stand der Technik die Kapazität im Bereich von 470 μF bis 1 mF liegt. Die Verringerung der Kapazität kann beispielsweise bei einer Verbesserung der Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batteriezellen bezüglich der Verringerung der Alterung bei Betrieb mit hochfrequenten Strömen realisiert werden. Es hat sich gezeigt, dass das hier vorgestellte Verfahren dynamisch derart hochwertig ist, dass es auch bei Zwischenkreiskondensatoren im Bereich von 100 μF bis 470 μF oder darunter eingesetzt werden kann.
  • Der oben erwähnte Drehmomentsollwert kann als Summe des ermittelten vorgesteuerten inneren Drehmomentanteils und einer Abweichung des Drehmomentsollwerts von dem inneren Drehmomentanteil berechnet werden.
  • Dadurch kann die Dynamik des verwendeten Regelsystems noch einmal deutlich verbessert werden, ohne dass eine unerwünschte Systemunruhe verursacht wird.
  • Bei einer günstigen Weiterbildung der Erfindung wird der Betrag des Drehmomentsollwerts durch einen vorgegeben oberen Grenzwert begrenzt. Falls dabei der Betrag des Drehmomentsollwerts dem vorgegebenen Grenzwert entspricht, wird eine entsprechende Anpassung der flussbildenden Stromkomponente des Statorstromsollwerts durchgeführt.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, bei den erfindungsgemäßen Schritten zur Ermittlung der flussbildenden Stromkomponente und/oder der Drehmoment bildenden Stromkomponente jeweils von der Auslegung der Synchronmaschine abhängige Berechnungsfaktoren mit einzurechnen, um die Regelgrößen und/oder Steuergrößen möglichst genau zu ermitteln.
  • Erfindungsgemäß kann die Batterie insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie sein.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Traktionsantriebssystems mit einem Elektromotor, der über einen Gleichspannungszwischenkreis und einen Inverter mit einer Batterie verbunden ist,
  • 2 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten kaskadisch ausgeführten, feldorientierten Drehzahlreglers,
  • 3 ein Prinzipschaltbild eines kaskadisch ausgeführten, feldorientierten Statorstromreglers mit einer für einen Fehlerbetrieb angepassten Statorstrom-Sollwertermittlung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • 4 eine als Prinzipschaltbild dargestellte Detailansicht einer beispielhaften Implementierung der Statorstrom-Sollwertermittlung des in 1 gezeigten Statorstromreglers nach der ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • 5 eine andere beispielhafte Implementierung der erfindungsgemäßen Statorstrom-Sollwertermittlung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei eine flussbildende Komponente des Statorstrom-Sollwerts an eine Drehmoment bildende Komponente des Statorstrom-Sollwerts entsprechend angepasst wird, und
  • 6 noch eine andere beispielhafte Implementierung der erfindungsgemäßen Statorstrom-Sollwertermittlung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, wobei ferner ein vorgesteuerter innerer Drehmomentanteil des Synchronmotors ermittelt wird.
  • Ausführungsform der Erfindung
  • In der 3 ist ein Prinzipschaltbild eines kaskadisch ausgeführten, feldorientierten Statorstromreglers 25 mit einer für einen Fehlerbetrieb 31 angepassten Statorstrom-Sollwertermittlung 32, 40 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, dass der feldorientiert arbeitende Statorstromregler des Regelsystems im Fehlerbetrieb weiterhin eingesetzt wird. Wie aus der 3 ersichtlich ist, unterscheidet sich das Führungssystem für den Fehlerbetrieb 31 gegenüber dem Normalbetrieb, der in 2 dargestellt ist, um die Einheit zur Vorgabe der Statorstromsollwerte beziehungsweise die Statorstrom-Sollwertermittlung, die in 3 mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnet wird. Diese Vorgabe erfolgt gemäß dem Stand der Technik aus dem Drehzahlregler.
  • Die Synchronmaschine 28 wird im Fehlerbetrieb 31 bei abgeschalteter Batterie 11 weiterhin feldorientiert geführt, so dass die Synchronmaschine 28 keine unzulässig hohen Momente an der Welle abgibt. Ferner wird die Spannung UZk im Gleichspannungszwischenkreis 16 über eine Regelung so eingestellt, dass keine unzulässig hohen Spannungen UZk auftreten, die zu einer Zerstörung der im Inverter 18 angeordneten Halbleiterschalter 19 oder des Zwischenkreiskondensators 17 führen könnten.
  • In den Figuren werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Dabei wird, wie bereits erwähnt, mit UZk die Zwischenkreisspannung beziehungsweise deren Istwert bezeichnet. Sollwerte werden mit * gekennzeichnet, so ist beispielsweise
    Figure DE102012222220A1_0002
    der Sollwert der Zwischenkreisspannung. Die Statorspannung wird mit u →S und der Statorstrom mit i →S bezeichnet. Ferner bezeichnet der hochgestellte Index φ eine Angabe im feldorientierten System, wobei die Indizes 1, 2, 3 auf eine Angabe im statororientierten System hinweisen. Mit d, q werden im feldorientieren System eine flussbildende beziehungsweise Drehmoment bildende Komponente bezeichnet. In den 3 bis 6 weisen die Anzahlen von Querstrichen „/”, „//”, oder „///” auf eine, zwei oder drei Komponenten hin, wobei sich die Anzahl der Komponenten auch von dem aktuellen Koordinatensystem abhängt. Ferner werden in den 2, 3 mit ν ein Rotorpositionswinkel und mit Zp die Polpaaranzahl bezeichnet.
  • Bei der hier diskutierten ersten Ausführungsform der Erfindung kann die Ermittlung der Statorstromsollwerte
    Figure DE102012222220A1_0003
    gemäß der in 4 dargestellten Vorgehensweise erfolgen. Dabei wird die Statorstromsollwertkomponente
    Figure DE102012222220A1_0004
    drehzahlabhängig so vorgegeben, dass der Feldschwächbetrieb beziehungsweise Spannungsminderungsbetrieb oberhalb der Grenzdrehzahl des sogenannten Grunddrehzahlbereichs aufrechterhalten bleibt. Dies bedeutet, dass
    Figure DE102012222220A1_0005
    im Grunddrehzahlbereich den Wert
    Figure DE102012222220A1_0006
    = 0 annimmt und bei Drehzahlen, die dem Betrage nach oberhalb der Grenzdrehzahl liegen, insbesondere über eine Tabellenfunktion so vorgegeben werden, dass die daraus resultierenden Statorspannungen uS mit der gegebenen Zwischenkreisspannung UZk eingestellt werden können und dabei nicht zu große Werte annehmen.
  • Der Sollwert für die Drehmoment bildende Statorstromkomponente
    Figure DE102012222220A1_0007
    wird über eine Spannungsregelung für den Gleichspannungszwischenkreis ermittelt. Zunächst wird ein drehzahlabhängiger Sollwert für die Gleichspannungszwischenkreisspannung
    Figure DE102012222220A1_0008
    ermittelt. Dies kann beispielsweise wieder über eine Tabellenfunktion erfolgen. Aus dem Vergleich mit der tatsächlich vorliegenden Zwischenkreisspannung UZk kann ein Sollwert für die elektrische Leistung PZk, welche dem Zwischenkreiskondensator 17 zu- bzw. abgeführt werden soll, ermittelt werden. Aus dieser Leistung P kann bei Kenntnis der Drehzahl n und des von der Auslegung der Maschine abhängigen Faktors
    Figure DE102012222220A1_0009
    ein Drehmomentsollwert
    Figure DE102012222220A1_0010
    für das innere Drehmoment der Maschine ermittelt werden. Dieser Sollwert wird anschließend begrenzt, damit die Maschine keine für die Fahrdynamik unzulässigen Grenzwerte abgibt.
  • Aus dem gegebenenfalls begrenzten Sollwert Grenzwert
    Figure DE102012222220A1_0011
    für das innere Drehmoment wird über einen von der Auslegung der Maschine abhängigen Faktor
    Figure DE102012222220A1_0012
    der Sollwert
    Figure DE102012222220A1_0013
    für den Querstrom der Synchronmaschine 28 ermittelt. Die beiden Sollwerte
    Figure DE102012222220A1_0014
    und
    Figure DE102012222220A1_0015
    werden zum Raumvektor für den Sollwert
    Figure DE102012222220A1_0016
    der Statorströme zusammengefügt und an den Statorstromregler 25 übergeben.
  • Mit dem beschriebenen Verfahren zur Vorgabe der beiden Sollwerte
    Figure DE102012222220A1_0017
    und
    Figure DE102012222220A1_0018
    kann somit eine permanent erregte Synchronmaschine 28 bei abgeschalteter Batterie so betrieben werden, dass sowohl unkritische Zwischenkreisspannungen UZk als auch keine oder nur geringe unerwünschte Drehmomentabgaben der Synchronmaschine 28 erzeugt werden.
  • In Zusammenhang mit 5 wird eine Weiterbildung der Erfindung gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Wie in 5 gezeigt wird, wird die Vorgabe der Statorstromkomponente
    Figure DE102012222220A1_0019
    derart erweitert, dass die Synchronmaschine auch bei einer Begrenzung des Drehmomentsollwertes so betrieben werden kann, dass die beiden oben genannten Effekte erreicht werden. Wird das Drehmoment begrenzt, erfolgt, wie in 5 veranschaulicht wird, eine Korrektur beziehungsweise Anpassung 51 des Sollwertes
    Figure DE102012222220A1_0020
    für die Statorstromkomponente, die proportional zur Differenz zwischen dem unbegrenzten Drehmomentsollwert
    Figure DE102012222220A1_0021
    und dem begrenzten Drehmomentsollwert
    Figure DE102012222220A1_0022
    für das innere Drehmoment ist.
  • Bei noch einer anderen Weiterbildung der Erfindung nach einer dritten Ausführungsform wird ferner ein vorgesteuerter innerer Drehmomentanteil des Synchronmotors ermittelt. Dabei wird ein deutlich komplexeres Verfahren eingesetzt, das in 6 dargestellt wird, mit dem auf eine besondere Weise dynamisch ausgesprochen hohe Anforderungen an das Regelverfahren erfüllt werden können. Das Verfahren ist dabei auch für Zwischenkreiskondensatoren mit deutlich geringerer Kapazität geeignet, als bei heutigem Stand der Technik.
  • Das Verfahren gemäß 6 wird so durchgeführt, dass der Drehmomentsollwert
    Figure DE102012222220A1_0023
    als Summe des ermittelten vorgesteuerten inneren Drehmomentanteils und einer Abweichung
    Figure DE102012222220A1_0024
    des Drehmomentsollwerts
    Figure DE102012222220A1_0025
    von dem inneren Drehmomentanteil berechnet wird.
  • Dieser vorgesteuerte Drehmomentsollwert kompensiert die elektrischen Verluste im Stator, welche im Statorwiderstand von den Statorströmen hervorgerufen werden. Diese Verluste werden berechnet und in ein zur Kompensation dieser Verluste erforderliches Drehmoment umgerechnet. Aufgrund der Vorsteuerung kann die Dynamik des Regelsystems deutlich verbessert werden, ohne dabei eine unerwünschte Systemunruhe zu verursachen. Dies stellt weiterhin eine erhebliche Verbesserung dar.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Traktionsantriebssystems (10), bei dem eine permanent erregte Synchronmaschine (28) gemäß einer feldorientierten Regelung (30, 60) angesteuert und im Normalbetrieb mittels einer Batterie (11) über einen Gleichspannungszwischenkreis (16) versorgt wird, wobei in einem Fehlerbetrieb (31) die Batterie (11) von dem Gleichspannungszwischenkreis (16) getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fehlerbetrieb (31) die Synchronmaschine (28) mittels in dem Gleichspannungszwischenkreis (16) gespeicherter elektrischer Energie weiter gemäß einer feldorientierten Regelung (30, 60) betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der feldorientierten Regelung (30, 60) im Fehlerbetrieb (31) eine aktuelle Drehzahl (n) der Synchronmaschine (28) als Steuergröße zur Ermittlung (41) einer flussbildenden Stromkomponente
    Figure DE102012222220A1_0026
    und einer Drehmoment bildenden Stromkomponente
    Figure DE102012222220A1_0027
    eines Statorstromsollwerts
    Figure DE102012222220A1_0028
    verwendet und eine Regelung einer Zwischenkreisspannung (UZk) des Gleichspannungszwischenkreises (16) durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die flussbildende Stromkomponente
    Figure DE102012222220A1_0029
    des Statorstromsollwerts
    Figure DE102012222220A1_0030
    in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl (n), insbesondere gemäß einer gespeicherten Tabellenfunktion, ermittelt wird, wobei, wenn die aktuelle Drehzahl (n) innerhalb eines Grunddrehzahlbereichs liegt, der flussbildenden Stromkomponente
    Figure DE102012222220A1_0031
    der Wert Null zugewiesen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei zur Ermittlung der Drehmoment bildenden Stromkomponente
    Figure DE102012222220A1_0032
    des Statorstromsollwerts
    Figure DE102012222220A1_0033
    ein Sollwert
    Figure DE102012222220A1_0034
    für die Zwischenkreisspannung (UZk) in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl (n) berechnet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei aus einem Wert einer Regelabweichung der Zwischenkreisspannung (UZk) eine einem Zwischenkreiskondensator (17) zuzuführende oder dem Zwischenkreiskondensator (17) zu entnehmende elektrische Leistung (PZk) berechnet wird und ein Drehmomentsollwert
    Figure DE102012222220A1_0035
    für ein inneres Drehmoment der Synchronmaschine (28) aus der dem Zwischenkreiskondensator (17) zuzuführenden beziehungsweise zu entnehmenden elektrischen Leistung (PZk) ermittelt wird, wobei die Drehmoment bildende Stromkomponente
    Figure DE102012222220A1_0036
    des Statorstromsollwerts
    Figure DE102012222220A1_0037
    aus dem berechneten Drehmomentsollwert
    Figure DE102012222220A1_0038
    ermittelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei basierend auf einen ermittelten aktuellen Statorstrom
    Figure DE102012222220A1_0039
    der Synchronmaschine und der aktuellen Drehzahl (n) ein vorgesteuerter innerer Drehmomentanteil der Synchronmaschine (28) ermittelt und der Drehmomentsollwert
    Figure DE102012222220A1_0040
    als Summe des ermittelten vorgesteuerten inneren Drehmomentanteils und einer Abweichung
    Figure DE102012222220A1_0041
    des Drehmomentsollwerts
    Figure DE102012222220A1_0042
    von dem inneren Drehmomentanteil berechnet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Betrag des Drehmomentsollwerts
    Figure DE102012222220A1_0043
    durch einen vorgegeben oberen Grenzwert
    Figure DE102012222220A1_0044
    begrenzt wird, wobei, falls der Betrag des Drehmomentsollwerts dem vorgegebenen Grenzwert
    Figure DE102012222220A1_0045
    entspricht, eine Anpassung der flussbildenden Stromkomponente
    Figure DE102012222220A1_0046
    des Statorstromsollwerts
    Figure DE102012222220A1_0047
    entsprechend durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei bei zur Ermittlung der flussbildenden Stromkomponente
    Figure DE102012222220A1_0048
    und/oder der Drehmoment bildenden Stromkomponente
    Figure DE102012222220A1_0049
    durchgeführten Schritten jeweils von der Auslegung der Synchronmaschine (28) abhängige Berechnungsfaktoren (Kp, Kmi, Kisg, Kpνsi, Kmi,isd) mit eingerechnet werden.
  9. Vorrichtung zur Steuerung eines Traktionsantriebssystems (10), das eine permanent erregte Synchronmaschine (28) und einen Gleichspannungszwischenkreis (16) zur Verbindung der Synchronmaschine (28) mit einer Batterie (11) umfasst, wobei die Vorrichtung eine Regelungsschaltung zur Durchführung einer feldorientierten Führung (30, 60) der Synchronmaschine aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsschaltung dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
  10. Kraftfahrzeug, das ein Traktionsantriebssystem (10) mit einer permanent erregten Synchronmaschine (28) und eine Batterie (11) zur Versorgung der Synchronmaschine (28) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Traktionsantriebssystem (10) mit der Vorrichtung nach Anspruch 9 ausgestattet ist.
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