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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine und einer Stromrichtereinrichtung zum Ansteuern der elektrischen Maschine.
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Bei elektrischen Antrieben für Kraftfahrzeuge wird üblicherweise ein Motor zusammen mit einer zugehörigen Leistungselektronik eingesetzt. Die Leistungselektronik dient zum Steuern bzw. Regeln der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine selbst ist in der Regel ohne eigene Steuerungs- und Regelungsmechanismen ausgeführt. Gegebenenfalls ist die elektrische Maschine mit einem oder mehreren Sensoren ausgestattet, die unverarbeitete Sensorsignale nach außen zur Leistungselektronik liefern.
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Nachteilig an einer üblichen Bauweise einer Motor-Leistungselektronik-Kombination ist, dass die einzelnen Komponenten nicht ohne Weiteres austauschbar sind. Die einzelnen Komponenten sind vielmehr speziell aufeinander abgestimmt. Es ist nicht ohne Weiteres möglich, eine dieser Komponenten ohne großen Aufwand auszutauschen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2013 218 621 A1 ist eine elektrische Maschine mit integriertem Filter bekannt. Es ist gezeigt, dass die elektrische Maschine an sich auch Steuer- und Regelbauteile enthalten kann. Insbesondere können in der elektrischen Maschine auch elektrische Filter oder die gesamte Leistungselektronik angeordnet sein. Speziell kann eine Filteranordnung in axialer Erstreckung des Gehäuseelements im Gehäusemantel angeordnet sein. Ähnliches gilt für die Leistungselektronik.
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Darüber hinaus offenbart die Druckschrift
DE 10 2004 020 025 A1 eine Leistungsverbesserung eines integrierten Starters und Drehstromgenerators durch Ändern der Statorwicklungsschaltung. In der elektrischen Maschine sind Schalter bzw. Schütze angeordnet, um eine Umschaltung zwischen Sternschaltung und Dreiecksschaltung zu gewährleisten. Ein Mikroprozessor, der mit den mehreren Dreieckschaltern und Sternschaltern in elektrischer Verbindung steht, ist betreibbar, um Anweisungen zu kommunizieren, um während eines Anlassens des Motors die Dreieckschalter zu schließen, die Sternschalter zu schließen, wenn der Motor gestartet ist und die Drehzahl der Rotorrotation der Leerlaufdrehzahl etwa entspricht, und die Dreieckschalter zu schließen, wenn die Drehzahl der Rotorrotation der Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl entspricht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung vorzuschlagen, deren Komponenten einfach austauschbar sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Entsprechend der Erfindung ist demnach eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine und einer Stromrichtereinrichtung zum Ansteuern der elektrischen Maschine vorgesehen. Mit einer solchen Antriebsvorrichtung kann ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug ausgestattet werden. Die elektrische Maschine ist als erstes Modul ausgebildet und weist eine erste Signalverarbeitungseinrichtung zur spezifischen Steuerung oder Regelung der elektrischen Maschine auf. Dabei ist ein Modul eine baulich separate Einheit, die leicht durch ein anderes Modul ersetzt oder ergänzt werden kann. Die Stromrichtereinrichtung ist als zweites Modul ausgebildet und weist eine zweite Signalverarbeitungseinrichtung zur spezifischen Steuerung oder Regelung der Stromrichtereinrichtung auf. Neben dem ersten Modul besitzt also auch das zweite Modul seine eigene Signalverarbeitungseinrichtung. Die beiden Module sind damit hinsichtlich der Verarbeitung der rein internen Signale voneinander unabhängig. Zur Kommunikation der beiden Module untereinander ist eine vorbestimmte Schnittstelle bereitgestellt. Über diese Schnittstelle ist gegebenenfalls auch der Leistungsfluss möglich.
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Vorzugsweise sind das erste Modul und das zweite Modul durch jeweils ein separates Gehäuse baulich voneinander getrennt. Dadurch erhält die Modularität erst die besonderen Vorzüge der einfachen Austauschbarkeit jedes der Module. Die Module sind in dem jeweiligen Gehäuse einfach handhabbar.
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Optional ist die erste Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, Parameter der elektrischen Maschine zu speichern und über die Schnittstelle bereitzustellen. Das erste Modul mit der elektrischen Maschine besitzt also seine eigene Speichereinheit, aus der separate Parameter bzw. maschinenspezifische Größen ausgelesen werden können.
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Das erste Modul kann einen Sensor aufweisen, dessen Signal von der ersten Signalverarbeitungseinrichtung in eine Steuergröße oder Regelgröße (auch Steuerungs- oder Regelungsgröße genannt) für die elektrische Maschine oder die Stromrichtereinrichtung umsetzbar ist. In diesem Fall entspricht die Signalverarbeitungseinrichtung einer Steuerungseinrichtung oder einer Regelungseinrichtung, die direkt in das Modul der elektrischen Maschine integriert ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das erste Modul eine separate Fehleranalyseeinheit aufweisen. Dadurch lässt sich bereits modulintern ein Fehler aufspüren und gegebenenfalls beheben. Unter Umständen wird auch ein geeigneter Fehlercode aus dem Modul ausgegeben.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Sensor eine Strommesseinrichtung, eine Temperaturmesseinrichtung und/oder eine Positionserfassungseinrichtung bzw. Drehzahlerfassungseinrichtung aufweisen. Darüber hinaus kann das erste Modul auch einen anderen oder mehrere andere Sensoren aufweisen. Durch die Signalverarbeitungseinrichtung können die Sensorsignale dann modulintern verarbeitet werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die ein Blockschaltbild der modular aufgebauten Antriebsvorrichtung zeigt, wobei die Module durch eine vorbestimmte Schnittstelle miteinander verbunden sind.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Merkmale nicht nur in den geschilderten Kombinationen, sondern auch in anderen technisch sinnvollen Kombinationen oder in Alleinstellung ausgeführt werden können.
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Ausgangspunkt ist, wie oben bereits geschildert wurde, dass bei Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb zu jedem Motor eine zugehörige Leistungselektronik notwendig ist, die die elektrische Maschine an sich steuert und regelt. Dabei ist die elektrische Maschine aktuell einfach als „steuer- und regellose” Einheit ausgeführt und liefert meist nur unverarbeitete Sensorsignale nach außen zur Leistungselektronik. In der elektrischen Maschine sind bisher also ausschließlich Sensoren und keine „elektronische Intelligenz” (Mikrocontroller/DSP) verbaut. Der Datenaustausch muss somit zum Entwicklungszeitpunkt erfolgen und kann nicht erst später durchgeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung schlägt nun zur Verbesserung der allgemeinen Verwendbarkeit von Gleichteilen (Modulstrategie) vor, der elektrischen Maschine informationsverarbeitende Bauteile zuzuordnen, damit wesentliche, vor allem motorspezifische Informationen direkt in der elektrischen Maschine verarbeitet werden können und nicht eines externen Steuergeräts bedürfen, welches auf die elektrische Maschine speziell abgestimmt sein muss. Insbesondere wird vorgeschlagen, motorspezifische Steuer- und Regelbauteile in der elektrischen Maschine an sich anzuordnen, wobei hier nicht die gesamte Leistungselektronik in der elektrischen Maschine angeordnet werden soll. Der wesentliche, allgemein verwendbare Anteil der Leistungselektronik (die Umrichter oder Ähnliches) soll weiterhin als Teil der Leistungselektronik außerhalb der elektrischen Maschine verbleiben und eben auch als Modul so ausgestaltbar sein, dass ein identisches Bauteil der Leistungselektronik (welches zumindest die Umrichter enthält) mehreren verschiedenen Motoren zugeordnet werden kann. Diese unterschiedlichen Motoren können entsprechend ihren internen Informationen eben abhängig von den internen Teilen der Steuer- und Regelungseinheiten in der elektrischen Maschine betrieben werden.
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Das in der Figur dargestellte Beispiel einer Antriebsvorrichtung weist eine elektrische Maschine 1, z. B. einen Elektromotor, auf. Außerdem besitzt die Antriebsvorrichtung eine Stromrichtereinrichtung 2 zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 1. Der Stromrichter 2 wandelt hier beispielsweise den Gleichstrom eines Zwischenkreises 3 in einen Drehstrom für ein Dreiphasensystem 4.
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Die elektrische Maschine 1 ist hier in ein erstes Modul 5 integriert. Das erste Modul 5 weist neben der elektrischen Maschine 1 eine erste Signalverarbeitungseinrichtung 6 zur spezifischen Verarbeitung interner Informationen des ersten Moduls 5 auf.
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Die Stromrichtereinrichtung 2 ist in ein zweites Modul 7 integriert. Dieses zweite Modul 7 weist eine zweite Signalverarbeitungseinrichtung 8 auf, welche die Ausgangsspannungen im Drehstromsystem einstellt.
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Eine vorbestimmte Schnittstelle 9 ist zwischen dem ersten Modul 5 und dem zweiten Modul 7 bereitgestellt. Über diese Schnittstelle 9 kann Leistung von dem zweiten Modul 7 in das erste Modul 5 oder umgekehrt fließen. Hierzu kann die Schnittstelle 9 beispielsweise Anschlüsse für ein Dreiphasensystem vorsehen. Außerdem können in die Schnittstelle 9 einer oder mehrere Signalanschlüsse 10 integriert sein, über die ein Signalaustausch zwischen der ersten Signalverarbeitungseinrichtung 6 und der zweiten Signalverarbeitungseinrichtung 8 erfolgen kann.
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Im ersten Modul 5, genauer in der erste Signalverarbeitungseinrichtung 6, kann die Motorregelung an sich erfolgen und über die Signalanschlüsse 10 von dem zweiten Modul 7 die Spannungen im Drehstromsystem 4 anfordert. Ebenfalls ist es möglich dass das erste Modul 5 verarbeitete Sensordaten und Motordaten dem zweiten Modul 7 bereitstellt und die Motorregelung in Modul 8, genauer in der zweite Signalverarbeitungseinrichtung 8, erfolgt.
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Jedes der beiden Module 5 und 7 kann ein separates Gehäuse aufweisen. In dem Beispiel der Figur können die Rechtecke, die mit dem Bezugszeichen 5 und 7 versehen sind, solche Gehäuse symbolisieren. Die Gehäuse sorgen für eine bauliche Trennung beider Module. Der Leistungs- und Signalaustausch erfolgt über die Schnittstelle 9 zwischen den beiden Modulen.
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Das erste Modul 5 besitzt die erste Signalverarbeitungseinrichtung, um beispielsweise spezifische Kenngrößen der elektrischen Maschine 1 an sich und/oder interne Kennfelder bzw. Steuer- und Regelungsgrößen bereitzuhalten, zu speichern und gegebenenfalls auch nach außen an das zweite Modul auszugeben. Die Signalverarbeitungseinrichtung kann also auch Speicher- und Kommunikationselemente umfassen.
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Des Weiteren kann das erste Modul 5 Sensoren 11, 12 aufweisen, die beispielsweise als Resolver oder Temperatursensoren oder Spannungssensoren ausgebildet sein können. Diese Sensorsignale werden hier nicht mehr als reiner Messstrom oder als reine Spannung nach außen abgegeben, was zur Bestimmung von Parametern entsprechende Sensorzuordnungen und Umrechnungen erfordern würde. Vielmehr werden die Signale erfindungsgemäß direkt intern durch die Signalverarbeitungseinrichtung 6 beispielsweise zu Steuer- bzw. Regelgrößen umgerechnet und dann als Parameter direkt nach außen gegeben, sodass die Leistungselektronik bzw. das zweite Modul 7 nicht wissen muss, wie und anhand welcher Arten von Sensoren und auch nicht an welcher Stelle genau im Motor der Sensor angeordnet ist. Das zweite Modul 7 erhält somit direkt die wesentliche Größe wie z. B. die Rotortemperatur oder die Magnettemperatur und kann auf diese Größen eine Steuerung des Stromrichters (z. B. der Antriebsleistung) abstellen. Prinzipiell kann dabei noch ein höherer Abstrahierungsgrad erreicht werden, wenn die elektrische Maschine nach außen nur die Zustandsinformation „Temperatur OK”, „Temperatur hoch” oder „Temperatur zu hoch – Leistung reduzieren” oder sogar „Notlauf/Fail Safe” rückmeldet. Ähnlich können auch andere Sensorinformationen vor- oder vollverarbeitet werden und nur die Ergebnisse nach außen mitgeteilt werden. Beispielsweise kann so die (relative) Winkellage oder Drehzahl oder dergleichen unmittelbar nach außen gegeben werden.
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Ebenso können auch andere maschinenspezifische Größen intern durch die erste Signalverarbeitungseinrichtung 6 verarbeitet werden. Die Leistungselektronik bzw. das zweite Modul 7 und insbesondere die zweite Signalverarbeitungseinrichtung 8 müsste dann nur die notwendigsten Steuer- und Regelgrößen kennen, um den Stromrichter 2 einzustellen.
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Zur Sicherheit könnten interne Bestimmungssysteme in einer oder beiden Signalverarbeitungseinrichtungen 6, 8 über eine eigene „OBD”-Fehleranalyse und/oder eigenen Fail Safe verfügen. Alternativ könnte auch eine doppelte Absicherung vorgesehen sein, um einen Sensorfehler detektieren und beheben zu können.
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Durch die separaten Signalverarbeitungseinrichtungen könnten alle Informationen bereits abstrahiert, analysiert, umgerechnet bzw. spezifiziert nach außen abgegeben werden und über einen eigenen Fehlercode verfügen.
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In einem konkreten Beispiel könnte die Antriebsvorrichtung folgende Funktionsgruppen aufweisen:
- a) Spannungssteller (Leistungsschalter inklusive Modulation/Ansteuerung) bzw. Stromrichter 2b
- b) Zwischenkreis-Spannungserfassung, z. B. mit Spannungsmesser 13c
- c) Regelung und Motormodell
- d) Strommessung
- e) Temperatur- und Positions-/Drehzahlerfassung
- f) elektromagnetischer Energiewandler (elektrische Maschine) und
- g) Kommunikation mit übergeordneter Steuerung (Längsdynamikregler).
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Die Teile bzw. Funktionsgruppen c) bis g) können nun beispielsweise in das erste Modul 5 integriert werden und nur durch eine Kommunikation mit dem zweiten Modul, welches die Funktionsgruppen a) und b) aufweist, die notwendige AC-Spannung anfordern.
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Schlägt man alle maschinenspezifischen Komponenten und Steuer- und Regeleinheiten direkt der elektrischen Maschine 1 zu, dann kann die Leistungselektronik bzw. das zweite Modul 7 so allgemein gültig ausgelegt werden, dass es ohne spezifische Anpassung an einen jeweiligen Motor alleine durch die vom Motor bereitgestellten Parameter eine Steuerung/Regelung der elektrischen Maschine leisten kann. Entsprechend können so Kosten eingespart werden, da nur eine Leistungselektronik bzw. ein zweites Modul für viele verschiedene Motoren bzw. erste Module 5 entwickelt werden muss. Das zweite Modul ist dann in hoher Stückzahl auch für alle Motorvarianten einsetzbar. Umgekehrt muss weder der Bauraum für die Leistungselektronik im Motor bereitgestellt werden, noch wirken sich Öl und Hitze im Motor nachteilig auf die Leistungselektronik (Stromrichter) bzw. das zweite Modul 7 aus.
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Eine Anpassung der jetzigen Motoren an dieses Konzept ist einfach möglich, da der Bauraumbedarf für wenige kleine, motorspezifische Komponenten gering ist und diese in den bestehenden Motorkonzepten untergebracht werden könnten (entgegen der gesamten Leistungselektronik, was ein Neudesign der Motoren mit Leistungselektronik erfordern würde).
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Auch weisen heutige Motoren meist neben den weiterhin notwendigen drei HV-Anschlüssen eine Sensorleitung auf, die bisher die Sensorinformationen im Wesentlichen unverarbeitet an die Leistungselektronik nach außen übermittelt hatte, und nun einfach die verarbeiteten Informationen übermitteln kann. Dies kann dann auch analog (verschiedene Frequenzen) oder digital oder auch über bekannte BUS-Systeme erfolgen.
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Durch die Auftrennung der Leistungselektronik in einen maschinenspezifischen Anteil, der dem Motor zugeordnet und in diesen integriert ist, und einen allgemeinen Anteil der Leistungselektronik, der für viele unterschiedliche Motoren einsetzbar ist, können eine hohe Modularität und größere Freiheitsgrade in der Anordnung und Kombination der Bauteile erreicht werden.
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Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere darin, dass die notwendigen Informationen über die benachbarte Komponente bzw. das benachbarte Modul auf ein Minimum reduziert werden können. Beispielsweise muss der Temperatursensortyp im Elektromotor dem Stromrichter nicht mehr bekannt sein, da dieser direkt ausgewertet wird. Ebenfalls ist es optional nicht mehr notwendig, das thermische Modell des Motors und seine Derating-Anforderungen auszutauschen und jeweils deren Umsetzung zu validieren. Diese weitgehende Unabhängigkeit erlaubt eine einfache Wiederverwendung in weiteren Fahrzeugen mit anderen Komponenten (elektrische Maschine oder Inverter) und einen einfacheren Wechsel der jeweiligen Lieferanten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Stromrichtereinrichtung
- 3
- Zwischenkreis
- 4
- Dreiphasensystem
- 5
- Modul
- 6
- Signalverarbeitungseinrichtung
- 7
- Modul
- 8
- Signalverarbeitungseinrichtung
- 9
- Schnittstelle
- 10
- Signalanschluss
- 11
- Sensor
- 12
- Sensor
- 13
- Spannungsmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013218621 A1 [0004]
- DE 102004020025 A1 [0005]
