DE102014213985B4 - Verfahren zum Steuern eines felderregenden Stroms - Google Patents

Abstract

Verfahren (100) zum Betreiben eines elektrischen Antriebsmotors (EM) eines Fahrzeugs (FZ), wobei das Verfahren (100) folgende Schritte umfasst:- Vorhersagen (110) eines voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs (VAB) unter Berücksichtigung einer Information (INF) aus einem Fahrerassistenzsystem (FAS); und- Ermitteln (120) einer neuen Vorgabe (V) für einen felderregenden Strom (IF) des elektrischen Antriebsmotors (EM), der für ein Erzeugen eines Antriebsmoments (T) gemäß dem voraussichtlichen Antriebsmomentbedarf (VAB) erforderlich ist, wobei das Verfahren (100) auch den Schritt eines Vergleichens (115) des vorhergesagten voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs (VAB) mit einem ersten Antriebsmoment (AM1) umfasst, das mit einem felderregenden Strom (IF) gemäß einer aktuellen Vorgabe (V) des felderregenden Stroms (IF) maximal erreichbar ist, wobei das Ermitteln (120) der neuen Vorgabe (V) für den felderregenden Strom (IF) erfolgt, wenn der vorhergesagte voraussichtliche Antriebsmomentbedarf (VAB) größer ist als das erste Antriebsmoment (AM1), das mit dem felderregenden Strom (IF) gemäß der aktuellen Vorgabe (V) des felderregenden Stroms (IF) maximal erreichbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Flussmodus-Steuerung zum Steuern eines felderregenden Stroms für einen elektrischen Antriebsmotor eines Fahrzeugs. Die Flussmodus-Steuerung umfasst eine Erregerstrombedarf-Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln einer neuen Vorgabe für einen felderregenden Strom, der für ein Erzeugen eines Antriebsmoments erforderlich ist. Der elektrische Antriebsmotor kann ein Synchronmotor oder ein Asynchronmotor sein. Typischerweise ist der elektrische Antriebsmotor für ein Beschleunigen des Fahrzeugs ausgelegt. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass der elektrische Antriebsmotor für ein Verlangsamen (insbesondere zum Nutzbremsen) vorgesehen ist. Bei einem Hybridfahrzeug, das einen Hybridantrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine aufweist, ist der elektrische Antriebsmotor typischerweise eine Komponente des Hybridantriebs. Der elektrische Antriebsmotor, der im Folgenden auch als elektrische Maschine bezeichnet wird, ist typischerweise eine Drehfeldmaschine. Der elektrische Antriebsmotor kann beispielsweise ein Käfigläufer oder elektrische Maschine mit einer anderen Art von Läufer sein. Eine Alternative sieht vor, dass der elektrische Antriebsmotor ein Linearmotor ist. In diesem Fall entspricht das im Folgenden erwähnte Antriebsmoment einer Antriebskraft und die im Folgenden erwähnte Drehzahl einer Geschwindigkeit. Wenn der elektrische Antriebsmotor eine Asynchronmaschine ist, ist der felderregende Strom typischerweise eine feldbildende Komponente der Phasenströme. Wenn der elektrische Antriebsmotor eine teilweise oder vollständig fremderregte elektrische Maschine ist, ist der felderregende Strom typischerweise ein Erregerstrom, der durch eine Erregerwicklung des elektrischen Antriebsmotors fließt.
• Außerdem betrifft die Erfindung einen Erregerstromeinsteller zum Erzeugen eines felderregenden Stroms für einen elektrischen Antriebsmotor eines Fahrzeugs. Der Erregerstromeinsteller ist dazu ausgebildet, ein Antriebsmoment in einem Feldschwächebereich mittels Absenkens des felderregenden Stroms zu stellen. Der Erregerstromeinsteller weist eine Flussmodus-Steuerung zum Steuern eines felderregenden Stroms für einen elektrischer Antriebsmotor eines Fahrzeugs auf. Die Flussmodus-Steuerung umfasst eine Erregerstrombedarf-Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln einer neuen Vorgabe für einen felderregenden Strom, der für ein Erzeugen eines angeforderten Antriebsmoments erforderlich ist.
• Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das eine Flussmodus-Steuerung zum Steuern eines felderregenden Stroms für einen elektrischen Antriebsmotor eines Fahrzeugs aufweist, wobei die Flussmodus-Steuerung eine Erregerstrombedarf-Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln einer neuen Vorgabe für einen felderregenden Strom umfasst, der für ein Erzeugen eines Antriebsmoments erforderlich ist. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug (beispielsweise ein Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Schienenfahrzeug) oder ein Wasser- oder Luftfahrzeug sein.
• Darüberhinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsmotors eines Fahrzeugs, das folgende Schritte umfasst: Vorhersagen eines voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs und Ermitteln einer neuen Vorgabe für einen felderregenden Strom des elektrischen Antriebsmotors, der für ein Erzeugen eines Antriebsmoments gemäß dem voraussichtlichen Antriebsmomentbedarf erforderlich ist.
• Die DE 10 2010 050 344 A1 beschreibt ein Verfahren für eine feldorientierte Regelung einer Drehfeldmaschine, um für eine bestehende Drehzahl und unter Berücksichtigung eines Feldschwächebereichs ein gefordertes Lastmoment mit minimalem Leistungsbedarf bereitzustellen.
• Die feldorientierte Regelung beeinträchtigt eine Dynamik, da die feldorientierte Regelung nach einer schnellen Erhöhung des geforderten Drehmoments eine gewisse Einregelzeit benötigt, bis das stärkere Erregerfeld aufgebaut ist, das eine Voraussetzung zum Bereitstellen des höheren Drehmoments darstellt.
• Die DE 10 2009 046 568 A1 zeigt ein Verfahren zum Betrieb von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb, wobei der elektrische Antrieb mit einer von einer zurückzulegenden Fahrtstrecke abhängigen Regelungsstrategie betrieben wird.
• Dokument DE 10 2010 050 344 A1 offenbart ein Verfahren zum Entwerfen einer Reglerstruktur zur feldorientierten Regelung einer Drehfeldmaschine, insbesondere einer Synchronmaschine mit Schenkelpolverhalten, mit den Schritten: Erstellen eines mathematischen Modells der Drehfeldmaschine, Erstellen einer Zielfunktion, mittels der sich ein globales Optimum des Wirkungsgrades der Drehfeldmaschine ermitteln lässt; Erstellen eines nichtlinearen mathematischen Optimierungsproblems unter Verwendung des mathematischen Modells, der Zielfunktion und von nichtlinearen Nebenbedingungen, Anwenden eines Optimierungsalgorithmus auf das Optimierungsproblem, wobei der Optimierungsalgorithmus dazu in der Lage ist, die Nebenbedingungen zu linearisieren, und Ableiten von optimierten Steuermatrizen zur Ansteuerung der Drehfeldmaschine aus dem Ergebnis des Optimierungsalgorithmus.
• Aus der EP 2 177 390 B1 ist eine Vorrichtung bekannt, die Folgendes umfasst: eine Motorsteuerung zum Empfangen einer Benutzereingabe und/oder einer Fahrzeuginformation; Auswählen eines von mehreren verfügbaren Flussmodi unter Verwendung von mindestens einer der Benutzereingaben oder der Fahrzeuginformationen; und Berechnen eines Steuersignals unter Verwendung des ausgewählten Flussmodus, um einen Motor eines Elektrofahrzeugs zu steuern.
• Die DE 199 31 161 A1 offenbart ein Verfahren zum abstandssensitiven geschwindigkeitsgeregelten Fahrbetrieb bei Kraftfahrzeugen, bei welchem mit Hilfe einer Abstandssensorik automatisch auf die Beschleunigung und die Bremse eingewirkt wird, wobei zusätzlich prädiktive Streckendaten mitberücksichtigt werden, derart, dass automatische Beschleunigung und automatische Bremse auf Vorhalt generiert werden können.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Dynamik eines Antriebs mit einer feldorientierten Regelung zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
• Die Flussmodus-Steuerung zum Steuern eines felderregenden Stroms für einen elektrischen Antriebsmotor eines Fahrzeugs umfasst eine Antriebsmoment-Voraussagevorrichtung zum Vorhersagen eines voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs und eine Erregerstrombedarf-Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln einer neuen Vorgabe für einen felderregenden Strom, der für ein Erzeugen eines Antriebsmoments gemäß dem voraussichtlichen Antriebsmomentbedarf erforderlich ist. Die Antriebsmoment-Voraussagevorrichtung ist dazu ausgebildet, den voraussichtlichen Antriebsmomentbedarf unter Berücksichtigung einer Information aus einem Fahrerassistenzsystem vorherzusagen.
• Entsprechend ist ein Erregerstromeinsteller zum Erzeugen eines felderregenden Stroms für einen elektrischen Antriebsmotor eines Fahrzeugs dazu ausgebildet, ein Antriebsmoment in einem Feldschwächebereich mittels eines Absenkens des felderregenden Stroms zu stellen, wobei der Erregerstromeinsteller eine erfindungsgemäße Flussmodus-Steuerung aufweist. Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Erregerstromeinsteller dazu ausgebildet ist, das Antriebsmoment in einem Grundstellbereich mit einem drehmomentunabhängigen Fluss des Erregerfeldes zu stellen.
• Ein Fahrzeug weist eine erfindungsgemäße Flussmodus-Steuerung und/oder einen erfindungsgemäßen Erregerstromeinsteller auf.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsmotors eines Fahrzeugs umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt wird ein voraussichtlicher Antriebsmomentbedarf vorhergesagt. In einem zweiten Schritt wird eine neue Vorgabe für einen felderregenden Strom ermittelt, der für ein Erzeugen eines Antriebsmoments gemäß dem voraussichtlichen Antriebsmomentbedarf erforderlich ist. Das Vorhersagen des voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs erfolgt unter Berücksichtigung einer Information aus einem Fahrerassistenzsystem.
• Ein Konzept der Erfindung kann darin gesehen werden, dass zum Ermitteln einer neuen Vorgabe für einen felderregenden Strom eines elektrischen Antriebsmotors der voraussichtliche Antriebsmomentbedarf unter Berücksichtigung einer Information aus einem Fahrerassistenzsystem vorhergesagt wird. Mittels Berücksichtigung der Information aus dem Fahrerassistenzsystem erfolgt für den felderregenden Strom eine Vorsteuerung, die eine Dynamik eines Antriebssystems mit dem elektrischen Antriebsmotor verbessert.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die von dem Fahrerassistenzsystem bereitgestellte Information eine Streckeninformation über eine Fahrstrecke, die von dem Fahrzeug voraussichtlich innerhalb einer Einregelzeit des felderregenden Stroms befahren wird. In der Praxis haben bestimmte Streckeneigenschaften einen Einfluss auf einen Antriebsmomentbedarf. Somit können vorausschauende Informationen über Eigenschaften eines Streckenabschnitts, der voraussichtlich als nächstes befahren wird, dazu beitragen, die Flussmodus-Steuerung auf einen voraussichtlichen Antriebsmomentbedarf für den als nächstes zu befahrenden Streckenabschnitt vorzubereiten.
• Eine erste Weiterbildung sieht vor, dass die Streckeninformation eine Information über eine Steigung der Fahrstrecke umfasst. Um eine Geschwindigkeit beizubehalten, ist bei einer positiven Steigung (Anstieg) ein umso höheres Antriebsmoment erforderlich je größer die Steigung ist. Bei einem Gefälle ist ein umso höheres Bremsmoment (d.h. umso höherer Betrag eines negatives Antriebsmoments) erforderlich, je stärker das Gefälle ist.
• Eine zweite davon unabhängige Weiterbildung sieht vor, dass die Streckeninformation eine Information über eine Kurvigkeit der Fahrstrecke umfasst. In einer kurvenreichen Strecke findet typischerweise vor und/oder beim Einfahren in jede Kurve ein Verlangsamen des Fahrzeugs und zum Ende einer jeden Kurve ein Beschleunigen des Fahrzeugs statt. Das Beschleunigen des Fahrzeugs erfordert deshalb in der Regel ein höheres Antriebsmoment als ein Fahren mit gleicher Geschwindigkeit auf einer weitgehend geraden Strecke. Entsprechende Überlegungen gelten für Nutzbremsungen vor und/oder beim Einfahren in Kurven.
• Besondere Vorteile hat es, wenn die Antriebsmoment-Voraussagevorrichtung dazu ausgebildet ist, beim Vorhersagen des voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs eine Information über eine Beladung des Fahrzeugs zu berücksichtigen. Die Beladung des Fahrzeugs hat typischerweise einen Einfluss auf die zu beschleunigende und abzubremsende Gesamtmasse des gesamten Gefährts (d.h. des Fahrzeugs einschließlich Ladung). Unabhängig davon können Form und Abmessungen einer auf dem Fahrzeug angeordneten Ladung einen Einfluss auf einen Strömungswiderstandskoeffizienten des gesamten Gefährts und damit auch auf den Antriebsmomentbedarf haben.
• Das Fahrerassistenzsystem, dessen Information zur Vorhersage des voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs berücksichtigt wird, kann beispielsweise eine Geschwindigkeitsregelung, einen Spurwechselassistenten, einen Bremsassistenten, ein Bremsregelsystem, eine adaptive Fahrwerkregelung, ein Hill-Descent-Control, eine dynamische Stabilitätskontrolle, ein Anti-Blockiersystem, eine Dynamic-Traction-Control, eine Navigationsvorrichtung, eine prädiktive Fahrzeugbetriebsführung, eine energetisch optimierte Längsführung, einen Ampelassistenten, eine Car2Car-Kommunikation und/oder eine Geschwindigkeitsregelung umfassen. Hierdurch können Informationen, die aus anderen Gründen in einem oder mehreren der genannten Fahrerassistenzsysteme ohnehin erzeugt werden, für eine Verbesserung einer Fahrdynamik des Fahrzeugs mitgenutzt werden.
• In Bezug auf das Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsmotors eines Fahrzeugs ist es besonders bevorzugt, wenn das Verfahren auch den Schritt eines Vergleichens des vorhergesagten voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs mit einem ersten Antriebsmoment umfasst, das mit einem felderregenden Strom gemäß einer aktuellen Vorgabe des felderregenden Stroms maximal erreichbar ist, wobei das Ermitteln der neuen Vorgabe für den felderregenden Strom erfolgt, wenn der vorhergesagte voraussichtliche Antriebsmomentbedarf größer ist als das erste Antriebsmoment, das mit dem felderregenden Strom gemäß der aktuellen Vorgabe des felderregenden Stroms maximal erreichbar ist. Dieses Merkmal kann zu einer Energieeinsparung und/oder zu einer Vermeidung einer Neigung zu Regelschwingungen beitragen, indem eine Änderung der Vorgabe (Sollgröße) für den felderregenden Strom vermieden wird, wenn sie zur Verbesserung der Fahrdynamik nicht erforderlich ist.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
• 1 ein erstes schematisches Blockschaltbild eines Fahrzeugs mit einem Fahrerassistenzsystem, einem elektrischen Antriebsmotor und einem Erregerstromeinsteller;
• 2 eine zweites schematisches Blockschaltbild eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebsmotor und einer Fahrzeugregelungsvorrichtung;
• 3 schematisch für zwei Drehzahlen innerhalb eines Drehzahlbereichs eines elektrischen Antriebsmotors Kennlinien einer Gleichstromleistungsaufnahme sowie von Stromaufnahmen und Verlustleistungen des elektrischen Antriebsmotors in Abhängigkeit von einem Erregerfluss;
• 4 ein schematisches Blockschaltbild mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem Wechselrichter mit einer Stromregelung, an dem der elektrische Antriebsmotor angeschlossen ist; und
• 5 schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Antriebsmotors.
• In den Figuren werden für entsprechende Komponenten jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet. Bezugszeichenbezogene Erläuterungen gelten daher auch figurenübergreifend, sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt.
• Die 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Fahrzeugs FZ mit einem Fahrerassistenzsystem FAS, einem elektrischen Antriebsmotor EM und einem erfindungsgemäßen Erregerstromeinsteller EE. Der Erregerstromeinsteller EE umfasst eine Erregerstrom-Stellvorrichtung ESV zum Bereitstellen eines felderregenden Stroms I_F und eine Flussmodus-Steuerung FMS zum Steuern der Erregerstrom-Stellvorrichtung ESV. Das Fahrerassistenzsystem FAS stellt eine Information INF bereit, die beispielsweise eine fahrerabhängige Information FAI und/oder eine Fahrzeugzustandsinformation FZI und/oder eine Streckeninformation SI umfasst. Die Erregerstromsteuerung EE umfasst eine Antriebsmoment-Voraussagevorrichtung AMV zum Voraussagen eines voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs VAB und eine Erregerstrombedarf-Ermittlungsvorrichtung BEV zum Bereitstellen eines Flussmodussignals FM als Vorgabe V für eine Höhe eines vorgebenen felderregenden Stroms I_F. Der von der Erregerstrom-Stellvorrichtung ESV bereitgestellte felderregende Strom I_F wird dem elektrischen Antriebsmotor EM zwecks Erzeugung und/oder Beeinflussung eines magnetischen Erregerfeldes Ψ zugeführt.
• Die Flussmodussteuerung FMS kann beispielsweise für eine der beiden folgende Regelverfahren vorbereitet sein:
• - Genaues Regeln des Erregerflusses Ψ;
• - Abklingen-lassen des Erregerflusses Ψ.
• Mittels Abklingen-lassen des Erregerflusses Ψ kann zusätzlich Energie gespart werden. In der Wahl der Flussregelung liegt also ein weiterer Freiheitsgrad. In der Variante Abklingen-lassen sinkt der Erregerfluss Ψ in dem elektrischen Antriebsmotor EM bis zum energetischen Optimum ab (falls das energetische Optimum des Erregerflusses Ψ niedriger als der aktuelle Erregerfluss Ψ ist). Die drehmomentbildende Stromkomponente I_T wird entsprechend nachgeregelt.
• Auch eine Kombination der beiden Regelungsvarianten ist möglich. Mittels Erfassung von Betriebsdaten auf einem Prüfstand oder im Nutzbetrieb eines Fahrzeugs kann die optimale Auswahl oder Kombination der beiden Regelungsvarianten ermittelt werden und aufgrund dieser Erfahrungswerte manuell oder selbsttätig eingestellt oder nachgeregelt werden.
• Die 1 zeigt schematisch oder als Piktogramm eine Abklingvorrichtung AKV für das Flussmodussignal FM und/oder die Vorgabe V. Die Abklingvorrichtung AKV ist gestrichelt gezeichnet, da sie optional ist. Die Abklingvorrichtung AKV kann mittels einer analogen, digitalen oder hybriden Schaltung realisiert sein. Mit Abklingvorrichtung AKV wird hier eine Vorrichtung bezeichnet, die nach Erhöhung einer Vorgabe V, FM für den felderregenden Strom I_F an ihrer Eingangsseite AKVe schnell auf ihrer Ausgangsseite AKVa eine entsprechende Vorgabe V', FM' für einen höheren felderregenden Strom I_F bereitstellt und die nach Verringerung einer Vorgabe V, FM für den felderregenden Strom I_F an ihrer Eingangsseite AKVe zeitlich verzögert auf ihrer Ausgangsseite AKVa eine entsprechende Vorgabe V', FM' für einen niedrigeren felderregenden Strom I_F bereitstellt. Die Abklingvorrichtung AKF reagiert auf Vorgaben V, FM für einen höheren felderregenden Strom I_F schnell, aber auf Vorgaben V, FM für einen niedrigeren felderregenden Strom I_F mit zeitlicher Verzögerung.
• Eine Ausführungsform der Flussmodussteuerung FMS sieht vor, dass ein Wertebereich des Flussmodussignals FM, FM' und/oder der Vorgabe V, V' ein digitaler Vorgabebereich mit mindestens drei Vorgabestufen oder ein analoger Vorgabebereich ist. Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Flussmodussignale FM, FM' und/oder Vorgaben V, V' binär sind. In diesem Fall kann die Abklingvorrichtung AKV ein analoger oder digitaler Monoflop sein, der sich nach einer vorgegebenen Karenzzeit (von beispielsweise 10 s) selbsttätig zurücksetzt.
• Alternativ oder zusätzlich sind weitere Ausführungsformen zur Rückkehr in den wirkungsgradoptimierten Modus für eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen vorbereitet:
• - Rückkehr in den wirkungsgradoptimierten Modus nach Ablauf einer Karenzzeit (beispielsweise Begrenzung des Erregerflusses Ψ oder des felderregenden Stroms I_F innerhalb von 2 s auf 50% eines Maximalwerts des Erregerflusses Ψ bzw. des felderregenden Stroms I_F);
• - periodisches Überprüfen der Zweckmäßigkeit des aktuellen Flussmodus FM' (beispielsweise alle 10 s);
• - sofortiges Verlassen des Leistungsmodus nach definierten Kriterien (beispielsweise bei Gaspedalstellung von weniger als 10 % einer Maximalauslenkung des Gaspedals);
• - sofortiges Verlassen des Leistungsmodus unter Berücksichtigung eines Minimums des Erregerflusses Ψ oder des felderregenden Stroms I_F, das nicht unterschritten werden soll.
• Der wirkungsgradoptimierte Modus kann auch als Energiesparmodus oder als Feldschwächemodus bezeichnet werden.
• Optional kann für einzelne oder jede der vorgenannten Ausführungsvarianten eine eigene Rückfalltiefe auf eine niedrigere Vorgabe V' für den Erregerstrom I_F vorgegeben sein und/oder variieren. In der Flussmodussteuerung FMS kann ein Minimum für den Erregerfluss Ψ voreingestellt sein, um ein Mindestmaß an Dynamik zu gewährleisten.
• Beispiel: Wird ein Eingriff ESP (oder auch Torque Vectoring) benötigt, wird der Leistungsmodus aktiv (ESP = Electronic Stability Control). Auch wenn (mit dem Ziel, eine Energienutzung zu optimieren) der Leistungsmodus nach einem ESP-Regelvorgang sofort verlassen wird, wird für eine definierte Karenzzeit noch ein Minimum des Erregerflusses Ψ aufrecht erhalten.
• Dieses Konzept wird nun mit folgendem Zahlenbeispiel erläutert: Nach einem ESP-Regelvorgang soll der Erregerfluss Ψ einen suboptimalen Flusswert Ψso (von beispielsweise 80% des Nennflusses) nicht unterschreiten. Ist das Optimum Ψo des Erregerflusses Ψ beispielsweise 50%, wird vorerst nicht dieser optimale Flusswert Ψo als Vorgabe V' verwendet, sondern nur der suboptimale Flusswert Ψso. Der Leistungsmodus wird erst nach Ablauf einer Karenzzeit (von beispielsweise 10 s) vollständig verlassen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der suboptimale Flusswert Ψso nicht konstant ist, sondern einer Abklingfunktion folgt.
• Alternativ oder zusätzlich zu jeder der vorgenannten Ausführungsformen kann das vollständige Verlassen des Leistungsmodus davon abhängig gemacht werden, dass die Gaspedalstellung eine vorgegebene Zwischenstellung (von beispielsweise 20% der maximalen Gaspedalauslenkung) nicht überschreitet, so dass die Flussmodus-Einstellvorrichtung ESV erst dann angewiesen wird, das aktuelle Optimum Ψo des Erregerflusses Ψ anzustreben.
• Die 2 zeigt ein Fahrzeug FZ mit einem elektrischen Antriebsmotor EM und einer Fahrzeugregelungsvorrichtung FRV. Die Fahrzeugregelungsvorrichtung FRV weist einen Wirkungsgradoptimierer WGO, eine elektronische Stabilitätssteuerung ESS, eine Bremssteuerung BrS, eine Batteriesteuerung BaS und einen Wechselrichter WR auf. Der Wirkungsgradoptimierer WGO, die elektronische Stabilitätssteuerung ESS, die Bremssteuerung BrS, die Batteriesteuerung BaS und der Wechselrichter WR sind miteinander über einen Datenbus DB verbunden. An einer Abtriebswelle AW des elektrischen Antriebsmotors EM ist ein Drehzahlfühler DF angeordnet (der - anders als in der Figur eingezeichnet - auch der Fahrzeugregelungsvorrichtung FRV zugerechnet werden kann). Von dem Drehzahlfühler DF ermittelte Drehzahlinformation DI wird dem Wechselrichter WR zugeführt. Außerdem wird dem Wechselrichter WR Information TS über eine Statortemperatur des elektrischen Antriebsmotors EM zugeführt.
• Der Wirkungsgradoptimierer WGO steuert den Wechselrichter WR mittels eines Flussmodussignals FM und einer Soll-Drehmomentvorgabe DMA. Zur Erzeugung des Flussmodussignals FM umfasst der Wirkungsgradoptimierer WGO eine Flussmodussteuerung FMS. Die Flussmodussteuerung FMS weist eine Antriebsmoment-Voraussagevorrichtung AMV zum Voraussagen eines voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs VAB und eine Erregerstrombedarf-Ermittlungsvorrichtung BEV zum Bereitstellen des Flussmodussignals FMS als Vorgabe V für eine Höhe oder eine Mindesthöhe eines vorgegebenen felderregenden Stroms I_F auf.
• Zur Ermittlung des voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs VAB erhält der Wirkungsgradoptimierer WGO zumindest eine Teilmenge folgender Informationen von anderen Fahrzeugkomponenten: Fahrzeuggeschwindigkeitsinformation FG, Gaspedalposition PP, Bremspedalposition BP, Umgebungstemperaturinformation TU, Routendaten RD, Geschwindigkeitsreglerinformation GRI. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Wirkungsgradoptimierer WGO eine Teilmenge dieser Informationen oder alle diese Informationen (von den betreffenden Fahrerassistenzsystemen FAS) über den Datenbus DB erhält.
• Der obere Teil der 3 zeigt für zwei Drehzahlen w1, ω2 Kennlinien der von dem Wechselrichter WR aufgenommenen Gleichstromleistung P_GS sowie von Stromaufnahmen I_T, I_F des elektrischen Antriebsmotors EM in Abhängigkeit von einem Erregerfluss Ψ. Der untere Teil der 3 zeigt für dieselben Drehzahlen ω1, ω2 Verläufe von Verlustleistungen P_loss, V_Cu, V_WR, V_Fe des elektrischen Antriebsmotors EM in Abhängigkeit von dem Erregerfluss Ψ. Für jede Drehzahl ω innerhalb eines Betriebsbereiches des elektrischen Antriebsmotors EM bestehen entsprechende Abhängigkeiten der Gleichstromleistung P_GS, der Ströme I_T, I_F und der Verlustleistungen P_loss, V_Cu, V_WR, V_Fe von dem Erregerfluss Ψ und können entsprechende Diagramme gezeichnet werden.
• Mit einer feldorientierten Regelung (von der ein Schaltungsbeispiel in 4 dargestellt ist) kann Erregerfluss Ψ und drehmomentbildender Strom I_T des elektrischen Antriebsmotors EM (beispielsweise einer Asynchronmaschine) getrennt geregelt werden. Heutzutage ist in hochdynamischen Antriebssystemen eine Regelung üblich, in der der Erregerfluss Ψ in einem Grundstellbereich konstant ist und in einem Feldschwächebereich abgesenkt ist.
• Mit folgender Gleichung kann das Drehmoment T des elektrischen Antriebsmotors EM, der in diesem Ausführungsbeispiel eine Asynchronmaschine ist, (in vereinfachter Form) berechnet werden: $$\text{T}\left({\text{I}}_{\text{F}},{\text{ I}}_{\text{T}}\right)=\frac{3}{2}\cdot \frac{{\text{L}}_{\text{m}}}{{\text{L}}_{\text{R}}}\cdot \text{p}\cdot \mathrm{\Psi }\left({\text{I}}_{\text{F}}\right)\cdot {\text{I}}_{\text{T}}$$

  
• L_m bezeichnet eine Hauptinduktivität des elektrischen Antriebsmotors EM, L_R eine Rotorinduktivität und p eine Polpaarzahl.
• Der Strom I_phase, der pro Phase in den elektrischen Antriebsmotor EM fließt, kann (entsprechend der Raumzeigertheorie) als Vektorsumme des flussbildenden Anteils I_F des Stromes I_phase und des drehmomentbildenden Anteils I_T des Stroms I_Phase berechnet werden: $${\text{I}}_{\text{phase}}=\sqrt{{\text{I}}_{\text{F}}^2+{\text{I}}_{\text{T}}^2}.$$

  
• Die Gesamtverluste P_loss des elektrischen Antriebsmotors EM können als Funktion des drehmomentbildenden Anteils I_T des Stromes I_phase und des flussbildenden Anteils I_F des Stromes I_phase formuliert werden: $${\text{P}}_{\text{loss}}=\text{f}\left({\text{I}}_{\text{F}},{\text{ I}}_{\text{T}}\right).$$

  
• Mittels Optimierung kann daher für jede zulässige Kombination von Drehzahl ω und Drehmoment T im Betriebsbereich des elektrischen Antriebsmotors EM ein wirkungsgradoptimiertes Stromwertepaar I_T und I_F berechnet werden. Mittels Regelung der optimierten Stromwertepaare I_T und I_F kann also eine (drehzahlabhängige) Optimierung des Wirkungsgrads des elektrischen Antriebsmotors EM erfolgen. Wenn der flussbildende Anteil I_F des Stromes I_phase variiert wird, muss der drehmomentbildende Anteil I_T des Stromes I_phase zur Beibehaltung des Drehmomentes T ebenfalls verändert werden. Die Optimierung kann mittels Offline-Optimierung oder mittels Online-Optimierung erfolgen. Bei Offline-Optimierung müssen Entscheidungen auf der Grundlage vorausbekannter Daten getroffen werden; Daten, die erst in der Zukunft ermittelbar sind, können dabei nicht berücksichtigt werden.
• Wenn der Wirkungsgradoptimierer WGO einen hohen Drehmomentgradienten dT/dt anfordert, muss der Fluss Ψ(I_F) zur Erfüllung der Soll-Drehmomentvorgabe DMA erhöht werden. Die Soll-Drehmomentvorgabe DMA wird allerdings erst erfüllt, wenn der Fluss Ψ(I_F) einen Wert erreicht hat, der zur Erfüllung der Soll-Drehmomentvorgabe DMA ausreicht.
• Eine Änderung von I_F hat eine Änderung des für die Drehmomentbildung verantwortlichen Flusses Ψ gemäß $$\mathrm{\Psi }\left(\text{IF}\right)=\frac{{\text{L}}_{\text{m}}}{1+\text{s}\cdot {\mathrm{\tau }}_{\text{R}}}\cdot {\text{I}}_{\text{F}}\text{ mit }{\tau }_{\text{R}}=\frac{{\text{L}}_{\text{R}}}{{\text{R}}_{\text{R}}}$$

  

  zur Folge.
• Daraus folgt, dass die Erhöhungsgeschwindigkeit dT/dt des Drehmoments T bei reduziertem Fluss Ψ(I_F) begrenzt ist. Denn aufgrund einer Rotorzeitkonstante τ_R kann der felderregende Strom I_F nur mit beschränkter Änderungsgeschwindigkeit dw/dt erhöht werden. Abhängig vom Motordesign liegt die Rotorzeitkonstante τ_R zwischen 10 bis einigen 100 ms. Die entspricht bei beispielsweise 180 km/h (= 50 m/s) einer Fahrstrecke von beispielsweise 20 Metern.
• Dies hat zur Folge, dass eine Dynamikeinschränkung zu erwarten ist, die vom Fahrer wahrnehmbar und natürlich auch objektiv messbar ist, wenn eine wirkungsgradoptimierte Regelung gemäß dem Stand der Technik ausgeführt wird. Für den Fahrer bedeutet dies, dass sich der Antrieb weicher also weniger griffig anfühlt.
• Die Stromregelung des elektrischen Antriebsmotors EM kann also wahlweise in einem wirkungsgradoptimierten Betrieb oder in einem Hochleistungsbetrieb erfolgen. In dem wirkungsgradoptimierten Betrieb ist eine Energienutzung (Energieausbeute) hoch, aber die Dynamik des Antriebs verringert. In dem Hochleistungsbetriebs ist die Energienutzung niedrig, aber die Dynamik des Antriebs hoch.
• Um eine Dynamik des Fahrzeugantriebs zu erhöhen (also zu verbessern), wird vorgeschlagen, in der Flussmodus-Steuerung FMS eine Vorsteuerung vorzusehen, mit der erfassbares Fahrer- und/oder Fahrzeugverhalten vorausschauend in der Ermittlung einer Vorgabe V für den felderregenden Strom I_F berücksichtigt wird. Dazu werden Informationen FG, PP, BP, TU, RD, GRI über das Fahrer- und/oder Fahrzeugverhalten im Wirkungsgradoptimierer WGO oder auf einem anderen Steuergerät ausgewertet und/oder vorausgesagt, das an dem Datenbus DB angeschlossen ist. In Abhängigkeit der Auswertungs- und/oder Voraussageergebnisse wird von dem Wirkungsgradoptimierer WGO und/oder dem anderen Steuergerät der Zustand eines Flussmodus-Signal FM (Flux-Mode-Signals) festgelegt. Das Flussmodus-Signal FM wird dazu genutzt, direkt in die Regelung des Wechselrichters WR einzugreifen (siehe 2 und 4). Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Flussregelung je Zustand des Flussmodus-Signals FM auf andere Lookup-Tabellen zugreift oder Sollwertesignale im Regler überlagert. Die Vorgabe V für den felderregenden Strom I_F, der für ein Erzeugen eines Antriebsmoments AM gemäß dem voraussichtlichen Antriebsmomentbedarf VAB erforderlich ist, erfolgt hier mittels Übermittlung eines Flussmodus-Signals FM zu einer Stromregelungsschaltung eines Wechselrichters WR.
• Die 4 zeigt ein Blockschaltbild mit einem Beispiel für einen Wechselrichter WR und mit einem elektrischen Antriebsmotor EM, der an dem Wechselrichter WR betrieben wird. Der Wechselrichter WR weist eine typische Stromregelung mit Auswahlmöglichkeit des Flussmodus auf. Abgesehen von der Art der Berücksichtigung des Flussmodus-Signals FM sind dem Fachmann solche Wechselrichterschaltungen bekannt und aufgrund der darin eingetragenen Bezeichnungen auch selbsterklärend.
• Das in 5 dargestellte Verfahren 100 zum Betreiben eines elektrischen Antriebsmotors EM umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt 110 wird ein voraussichtlicher Antriebsmomentbedarf VAB vorhergesagt. In einem zweiten Schritt 120 wird eine neue Vorgabe V für einen felderregenden Strom I_F des elektrischen Antriebsmotors EM ermittelt, der für ein Erzeugen eines Antriebsmoments T gemäß dem voraussichtlichen Antriebsmomentbedarf VAB erforderlich ist. Das Vorhersagen 110 des voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs VAB erfolgt unter Berücksichtigung einer Information INF aus einem Fahrerassistenzsystem FAS.
• In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren 100 auch den Schritt 115 eines Vergleichens des vorhergesagten voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs VAB mit einem ersten Antriebsmoment AM1, das mit einem felderregenden Strom I_F gemäß einer aktuellen Vorgabe V des felderregenden Stroms I_F maximal erreichbar ist. Hierbei erfolgt das Ermitteln 120 der neuen Vorgabe V für den felderregenden Strom I_F, wenn der vorhergesagte voraussichtliche Antriebsmomentbedarf VAB größer ist als das erste Antriebsmoment AM1, das mit dem felderregenden Strom I_F gemäß der aktuellen Vorgabe V des felderregenden Stroms I_F maximal erreichbar ist.
• Erstes Anwendungsbeispiel 1: Ein Fahrzeug FZ mit elektrischem Antrieb bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einer Autobahn. Aufgrund der konstanten Geschwindigkeit und aktivierten Geschwindigkeitsregler befindet sich die Stromregelung im wirkungsgradoptimierten Modus und hat den Fluss Ψ auf ein (energetisches) Wirkungsgradoptimum eingeregelt. Wenn der Fahrer nun möchte, dass sein Fahrzeug FZ beschleunigt, um einen LKW zügig zu überholen, wird er den Blinker setzen und entsprechend zügig die Gaspedalstellung verändern. Der Wirkungsgradoptimierer WGO erkennt, dass die Gaspedalstellung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und veranlasst, dass der wirkungsgradoptimierte Modus sofort verlassen wird, die Stromregelung in den Leistungsmodus geschaltet wird und damit wieder ein hoher Fluss Ψ aufgebaut wird. Es ist möglich, aber nicht zwingend, dass die Aktivierung dieses (kick-down-artigen) Vorgangs von einem vorherigen Setzen des Blinkers abhängig gemacht wird.
• Zweites Anwendungsbeispiel: Anhand von Navigationsdaten RD erkennt der Wirkungsgradoptimierer WGO, dass voraussichtlich nach 10 m weiterer Fahrstrecke eine höhere Antriebsdynamik wünschenswert ist, weil in eine Bergstraße mit starker Steigung eingefahren wird. Der Wirkungsgradoptimierer WGO veranlasst, dass der wirkungsgradoptimierte Modus sofort verlassen wird, die Stromregelung in den Leistungsmodus geschaltet wird und damit wieder ein hoher Fluss Ψ aufgebaut wird.
• Drittes Anwendungsbeispiel: Der ESP-Regler (Electronic Stability Control) ESS fordert vom elektrischen Antriebsmotor EM eine schnelle Drehmomentänderung an. Infolgedessen veranlasst der Wirkungsgradoptimierer WGO für die Zeit des ESP-Eingriffes, dass der wirkungsgradoptimierte Modus sofort verlassen wird, die Stromregelung in den Leistungsmodus geschaltet wird und damit wieder ein hoher Fluss Ψ aufgebaut wird.
• Eine mit allen erwähnten Ausführungsformen kombinierbare Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Fahrerassistenzsystem FAS (beispielsweise ein elektronisches Stabilitätssystem ESS oder ein Geschwindigkeitsregler) über den aktuellen Flussmodus und/oder über veranlasste und/oder geplante Änderungen des Flussmodus informiert wird, damit das Fahrerassistenzsystem FAS in der Berechnung seiner Anweisungen eine aktuelle und/oder voraussichtliche Dynamik des Antriebssystems berücksichtigen kann.
• Bezugszeichen und Abkürzungsliste:

AM

Antriebsmoment

AM1

mit aktuellem Erregerstrom maximal erreichbares Antriebsmoment

AMV

Antriebsmoment-Voraussagevorrichtung

BaS

Batteriesteuerung

BEV

Erregerstrombedarf-Ermittlungsvorrichtung

BP

Bremsposition

BrS

Bremssteuerung

DB

Datenbus

DI

Drehzahlinformation

DMA

Soll-Drehmomentvorgabe

EE

Erregerstromeinsteller

EM

elektrische Maschine

ESS

Elektronikstabilitätssteuerung

ESV

Erregerstrom-Stellvorrichtung

FAI

fahrerabhängige Information

FAS

Fahrerassistenzsystem

FG

Fahrgeschwindigkeit

FM

Flussmodus

FMS

Flussmodus-Steuerung

FZ

Fahrzeug

FZI

Fahrzeugzustandsinformation

GRI

Geschwindigkeitsregelungsinformationen

IF

felderregender Strom; flussbildende Komponente des Stroms; Erregerstrom

INF

vom Fahrerassistenzsystem bereitgestellte Information

IT

drehmomentbildender Strom

PGS

vom Wechselrichter aufgenommene Gleichstromleistung

PP

Gaspedalposition

RD

Routendaten

SI

Streckeninformation

T

Drehmoment

TU

Umgebungstemperaturinformation

V

Vorgabe

VAB

voraussichtlicher Antriebsmomentbedarf

VCu

ohmsche Verlustleistung

VFe

Eisenverluste

VWR

Verlustleistung des Wechselrichters

WGO

Wirkungsgradoptimierer

Ψ

Erregerfeld

ω

Drehzahl

ω1

erste Drehzahl

ω2

zweite Drehzahl

100

Verfahren

110

Vorhersagen eines voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs

115

Vergleichen eines Antriebsmomentbedarfs mit einem ersten Antriebsmoment

120

Ermitteln einer neuen Vorgabe für den Erregerstrom

Claims (1)

1. Verfahren (100) zum Betreiben eines elektrischen Antriebsmotors (EM) eines Fahrzeugs (FZ), wobei das Verfahren (100) folgende Schritte umfasst: - Vorhersagen (110) eines voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs (VAB) unter Berücksichtigung einer Information (INF) aus einem Fahrerassistenzsystem (FAS); und - Ermitteln (120) einer neuen Vorgabe (V) für einen felderregenden Strom (I_F) des elektrischen Antriebsmotors (EM), der für ein Erzeugen eines Antriebsmoments (T) gemäß dem voraussichtlichen Antriebsmomentbedarf (VAB) erforderlich ist, wobei das Verfahren (100) auch den Schritt eines Vergleichens (115) des vorhergesagten voraussichtlichen Antriebsmomentbedarfs (VAB) mit einem ersten Antriebsmoment (AM1) umfasst, das mit einem felderregenden Strom (I_F) gemäß einer aktuellen Vorgabe (V) des felderregenden Stroms (I_F) maximal erreichbar ist, wobei das Ermitteln (120) der neuen Vorgabe (V) für den felderregenden Strom (I_F) erfolgt, wenn der vorhergesagte voraussichtliche Antriebsmomentbedarf (VAB) größer ist als das erste Antriebsmoment (AM1), das mit dem felderregenden Strom (I_F) gemäß der aktuellen Vorgabe (V) des felderregenden Stroms (I_F) maximal erreichbar ist.

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