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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, der wenigstens eine elektrische Maschine und eine die elektrische Maschine ansteuernde Leistungselektronik aufweist, wobei die elektrische Maschine wenigstens zwei Phasensysteme mit jeweils mindestens drei elektrischen Phasen umfasst, und wobei die Phasensysteme zeitlich versetzt zueinander unter Berücksichtigung mindestens eines Korrekturfaktors angesteuert werden.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben eines derartigen elektrischen Antriebs, die ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens aufweist.
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Stand der Technik
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Der Anteil an Kraftfahrzeugen mit elektrischen Antrieben, sei es als Zusatzantrieb oder als einziger Antrieb des Kraftfahrzeugs, nimmt deutlich zu. Daher ist es von Interesse, die Leistungsfähigkeit derartiger Antriebe zu verbessern. Eine der elektrischen Maschine zugeordnete Leistungselektronik steuert bekanntermaßen das Drehmoment und die Leistung der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von Soll-Vorgaben und einer Phasenstrommessung, die die tatsächlich auftretenden Phasenströme des jeweiligen Phasensystems überwacht. Zur Leistungssteigerung elektrischer Antriebe wird überlegt, anstelle eines einzigen Phasensystems mit drei Phasen mehrere derartige Phasensysteme mit jeweils der gleichen Anzahl von Phasen vorzusehen, die durch die Leistungselektronik, die dann entsprechend mehrfach ausgebildet ist, angesteuert werden. So wird beispielsweise über den Einsatz von sechs- oder neun-phasigen elektrischen Maschinen nachgedacht, wobei die Leistungselektronik entsprechend verdoppelt (sechs-phasig) oder verdreifacht (neun-phasig) wird. Die Phasensysteme werden dann zeitlich versetzt zueinander entsprechend ihrer Anordnung an der elektrischen Maschine angesteuert, um gemeinsam das gewünschte Drehmoment und/oder die gewünschte Drehzahl an der elektrischen Maschine bereitzustellen. Weil die Phasensysteme aufgrund von Fertigungstoleranzen und Bauteiletoleranzen bei gleicher Ansteuerung beispielsweise zu unterschiedlichen Drehmomenten führen können, ist es naheliegend, die Phasensysteme unter Berücksichtigung mindestens eines Korrekturfaktors anzusteuern, der derartige bauliche Unterschiede berücksichtigt, sodass ein optimaler Betrieb des elektrischen Antriebs gewährleistet werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Korrekturfaktor nicht auf Basis von Berechnungen, die die Bauteiletoleranzen oder Dergleichen berücksichtigen, bestimmt wird, sondern direkt aus der elektrischen Maschine, sodass bei der Herstellung und/oder Verwendung mehrerer elektrischer Antriebe antriebsindividuell Korrekturfaktoren bereitgestellt werden, die im Betrieb einen optimalen Lauf der jeweiligen elektrischen Maschine ermöglichen. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass in einem Freilaufbetrieb der elektrischen Maschine zumindest ein erstes der Phasensysteme für einen motorischen Betrieb und ein zweites der Phasensysteme für einen generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine angesteuert werden, und dass in Abhängigkeit von dabei auftretenden Phasenströmen zumindest des zweiten Phasensystems der Korrekturfaktor bestimmt wird. Durch das gegensinnige Ansteuern der beiden Phasensysteme werden Phasenströme in den jeweiligen Phasen erzeugt, die miteinander verglichen werden können. Weil die Phasensysteme insbesondere gleich ausgebildet sind, also gleich viele Phasen in einer gleichen Anordnung aufweisen, werden jeweils die Phasenströme der einander entsprechenden Phasen der beiden Phasensysteme miteinander verglichen, um den Korrekturfaktor beziehungsweise mehrere Korrekturfaktoren für die jeweiligen Phasenpaare zu bestimmen. Der oder die Korrekturfaktoren werden dann in den nicht flüchtigen Speicher hinterlegt, um im Normalbetrieb des elektrischen Antriebs bei der Ansteuerung der Phasensysteme berücksichtigt zu werden. Der Freilaufbetrieb der elektrischen Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass diese frei von externen Drehmomenten ist, also insbesondere nicht mit Antriebsrädern oder einem Getriebe oder einem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Das Verfahren wird insbesondere dann durchgeführt, wenn ein Freilaufbetrieb der elektrischen Maschine erkannt wird. Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass zur Durchführung des Verfahrens die Antriebseinrichtung mit dem elektrischen Antrieb in einen Freilaufbetrieb der elektrischen Maschine geschaltet wird, beispielsweise durch das Öffnen von einer oder mehreren Kupplungen, wenn das Fahrzeug steht, um den Korrekturfaktor oder die Korrekturfaktoren bestimmen zu können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zuerst zumindest ein erstes der Phasensysteme für einen motorischen Betrieb und ein zweites der Phasensysteme für einen generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine angesteuert werden, und dass anschließend das zweite Phasensystem für einen motorischen Betrieb und das erste Phasensystem für einen generatorischen Betrieb angesteuert werden, wobei in Abhängigkeit von den dabei erfassten Phasenströmen der Kennfaktor bestimmt wird, und dass das jeweilige Phasensystem im motorischen Betrieb mit einer konstanten Drehzahl und das jeweilige Phasensystem im generatorischen Betrieb mit einer Drehmomentregelung angesteuert werden. Diese Ausführungsform sieht also vor, dass für die Bestimmung des oder der Korrekturfaktoren die Phasensysteme abwechselnd motorisch oder generatorisch betrieben werden, sodass die gemessenen Phasenströme der Phasensysteme aus dem generatorischen Betrieb miteinander für die Bestimmung des Kennfaktors verglichen werden. Wie zuvor bereits erörtert, werden dabei insbesondere die Phasenströme entsprechender Phasenpaare der beiden Phasensysteme miteinander verglichen. Durch den Vergleich der Phasenströme im gleichen Betriebszustand (motorisch oder generatorisch) kann auf einfache Art und Weise auf Unterschiede bezüglich der Leistungsfähigkeit des jeweiligen Phasensystems geschlossen werden und entsprechend ein oder mehrere Korrekturfaktoren bestimmt werden, der/die diese Unterschiede kompensiert/-en.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem Vergleich der Phasenströme eine erste Phase des ersten Phasensystems und eine erste Phase des zweiten Phasensystems miteinander verglichen werden, und dass die Ansteuerung wenigstens eines der Phasensysteme derart verändert wird, dass die erfassten Phasenströme gleich oder nahezu gleich sind, wobei in Abhängigkeit von der Veränderung der Korrekturfaktor bestimmt wird. Wie bereits zuvor beschrieben, werden dadurch Phasenpaare bezüglich Phasenströme im gleichen Betriebszustand des jeweiligen Phasensystems miteinander verglichen. Durch die Veränderung der Ansteuerung werden die Phasenströme aneinander gepasst, wobei das Maß der Veränderung dann den zu speichernden und für den weiteren Betrieb zu verwendenden Kennfaktor bestimmt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Vergleich für alle Phasen der Phasensysteme durchgeführt wird. Somit wird für jede Phase zumindest eines Phasensystems ein individueller Korrekturfaktor bestimmt, der dann bei der Ansteuerung eine individuelle angepasste, insbesondere Fertigungstoleranzbedingte Leistungsunterschiede kompensierende Ansteuerung erfolgt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zur Bestimmung der Korrekturfaktoren die Ansteuerung des ersten Phasensystems beibehalten und die des zweiten Phasensystems verändert wird. Durch das Festhalten des Betriebs des ersten Phasensystems wird erreicht, dass durch eine Veränderung der Ansteuerung des zweiten Phasensystems die Phasenströme einfach angepasst werden können. Selbstverständlich wäre es auch möglich, das erste Phasensystem bezüglich des zweiten Phasensystems anzupassen oder die Phasenströme beider Phasensysteme aufeinander abzustimmen, wobei dadurch der Rechenaufwand und gegebenenfalls auch der zeitliche Aufwand unnötig vergrößert werden würde.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die jeweiligen Korrekturfaktoren mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen werden, um einen Defekt des elektrischen Antriebs zu erkennen. Weil den Korrekturfaktoren eine veränderte Ansteuerung des jeweiligen Phasensystems zum Erreichen eines gewünschten Betriebszustand zugrunde liegt, kann auf Basis der Korrekturfaktoren auch auf einen Defekt der elektrischen Maschine erkannt werden, wenn diese beispielsweise über ein kritisches Maß hinaus erhöht sind und auf einen insbesondere technischen Fehler des elektrischen Antriebs hindeuten.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die jeweiligen Korrekturfaktoren in vorgebbaren zeitlichen Abständen bestimmt werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass Kennfaktoren nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitdauer bestimmt werden, sobald sich die elektrische Maschine in dem zuvor beschriebenen Freilaufbetrieb befindet.
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Weiterhin ist bevorzug vorgesehen, dass die Korrekturfaktoren vor der Inbetriebnahme der elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug bestimmt und gespeichert werden. Somit wird beispielsweise bei der Fertigung und Montage am Bandende vor der ersten Inbetriebnahme die Bestimmung der Korrekturfaktoren durchgeführt, sodass diese dauerhaft im Weiterbetrieb des elektrischen Antriebs gespeichert sind und zur Verfügung stehen.
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Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass das erste Phasensystem derart motorisch und das zweite Phasensystem derart generatorisch betrieben wird, dass sich eine Drehzahl der elektrischen Maschine von n = 0 ergibt. In diesem Zustand werden die Phasenströme erfasst und miteinander verglichen, um den oder die Kennfaktoren zu bestimmen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuergerät speziell dazu hergerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 einen elektrischen Antrieb in einer vereinfachten Darstellung,
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2 ein Ausführungsbeispiel einer Leistungselektronik des elektrischen Antriebs und
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Leistungselektronik.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen elektrischen Antrieb 1 eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Der Antrieb 1 weist eine elektrische Maschine 2 auf, die durch eine Leistungselektronik 4 angesteuert wird. Die Leistungselektronik 4 ist dabei mit einer Spannungsquelle, vorliegend in Form eines wiederaufladbaren Energiespeichers 5 verbunden. Der Energiespeicher 5 liefert eine Gleichspannung beziehungsweise einen Gleichstrom, der von der Leistungselektronik insbesondere pulsweitenmoduliert dazu benutzt wird, mehrere Phasen U, V, W eines Phasensystems P1 der elektrischen Maschine 2 zu betreiben. Im Betrieb der elektrischen Maschine 2 werden die in den Phasen U, V, W tatsächlich auftretenden Ströme erfasst und zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 2 mit einem gewünschten Drehmoment und/oder einer gewünschten Drehzahl berücksichtigt.
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2 zeigt eine Weiterbildung der Leistungselektronik 4 aus 1. Zum Ansteuern des Phasensystems P1 weist die Leistungselektronik 4 wie üblich eine Brückenschaltung auf, mit Halbleiterschaltern, die pulsweitenmoduliert angesteuert werden, um die jeweilige Phase U, V, W wie gewünscht zu bestromen. 2 zeigt eine detailliertere Darstellung des elektrischen Antriebs 1, aus welcher weiter hervorgeht, dass es sich bei den Brückenschaltungen um B6-Brücken handelt, und dass die drei Phasen U, V, W in der elektrischen Maschine 2 in Sternform miteinander verschaltet sind. In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Leistungselektronik 4 nicht nur einen Inverter 6, sondern zwei Inverter 6 P1 und 6 P2 aufweist, die jeweils einem von zwei Phasensystemen P1, P2 der elektrischen Maschine 2 zugeordnet sind. Die Phasensysteme P1, P2 sind grundsätzlich identisch ausgebildet, sodass jedes der Phasensysteme P1, P2 drei Phasen U1, V1, W1 beziehungsweise U2, V2, W2 umfasst. Die Phasen werden dabei von dem jeweiligen zugeordneten Inverter 6 P1, 6 P2 der Leistungselektronik 4 angesteuert, um die elektrische Maschine 2 zu betreiben. Durch das Vorsehen mehrerer Phasensysteme P1, P2 wird die Leistung der elektrischen Maschine 2 beziehungsweise des elektrischen Antriebs 1 erhöht.
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Um die Leistungselektronik korrekt ansteuern zu können, sodass ein optimaler Betrieb der elektrischen Maschine erfolgt, müssen auch bauteilbedingte und konstruktionsbedingte Toleranzen des elektrischen Antriebs 1 berücksichtigt werden. Hierzu ist vorliegend folgendes vorgesehen.
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Zunächst wird sichergestellt, dass sich die elektrische Maschine 2 in einem Freilaufbetrieb befindet, also unabhängig von weiteren Antriebselementen eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs drehbar ist. Insbesondere sind die elektrische Maschine 2 mit dem Antriebsstrang verbindende Kupplungen geöffnet. Falls dieser Zustand nicht sowieso gerade vorliegt, wie beispielsweise in einem Segelbetrieb des Kraftfahrzeugs, so wird dieser Betrieb bevorzugt zum Durchführen des Verfahrens eingestellt. Anschließend wird die elektrische Maschine 2 derart angesteuert, dass ein Abgleich des Drehmoments bei den beiden Phasensysteme P1, P2 erfolgen kann. Das heißt, Drehmomentunterschiede zwischen den Phasen U1, V1, W1 und U2, V2, W2 werden in dem Testbetrieb ermittelt und adaptiert, und im Normalbetrieb berücksichtigt.
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Zur Durchführung des Testbetriebs werden zunächst die Phasen U1, V1, W1 mit konstanter Drehzahl bei einem Motorbetrieb der elektrischen Maschine 2 mit Drehzahlregelung angesteuert. Gleichzeigt werden die Phasen U2, V2 und W2 für einen Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 2 mit Drehmomentregelung angesteuert. Außerdem werden die Phasenströme I_U1, I_U2, I_V1, I_V2, I_W1, I_W2 der Phasen der beiden Phasensysteme P1, P2 gemessen.
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Anschließend werden die Phasen U2, V2, W2 des zweiten Phasensystems P2 mit konstanter Drehzahl für einen Motorbetrieb mit Drehzahlregelung angesteuert und die Phasen U1, V1, W1 des ersten Phasensystems P1 für einen Generatorbetrieb mit Drehmomentregelung. Auch hier werden die Phasenströme I_U1, U_U2, I_V1, I_V2, I_W1 und I_W2 gemessen.
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Im Anschluss werden Korrekturfaktoren, beispielsweise der Phasen U mit KFU = Strom_effektiv_U1/Strom_effektiv_U2 bestimmt, die unter Umständen außerdem abhängig von weiteren Parametern wie der aktuellen Spannung und/oder Betriebstemperatur sein können, für die Ansteuerung der Phasenströme, sodass die gemessenen Phasenströme im Generatorbetrieb der beiden Phasensysteme gleich sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Stromstärke von U1 konstant gehalten wird, während U2 so lange im Vergleich zu U1 erhöht oder erniedrigt wird, bis die Stromstärken gleich sind, um den Korrekturfaktor in Abhängigkeit von der Erhöhung oder Erniedrigung, also der Veränderung zu bestimmen. Der entsprechend ermittelte Korrekturfaktor KF wird in einem nicht flüchtigen Speicher eines die Leistungselektronik 4 ansteuernden Steuergeräts (hier nicht dargestellt) gespeichert und im Normalbetrieb des elektrischen Antriebs 1 bei der Ansteuerung der Leistungselektronik 4 berücksichtigt, sodass die Phasen U, V, W der unterschiedlichen Phasensysteme P1, P2 optimal angetrieben/angesteuert werden.
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Vorteilhafterweise wird der oder werden die Korrekturfaktoren KF mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen, sodass bei Überschreiten des Grenzwertes durch den Korrekturfaktor auf einen Fehler beziehungsweise einen Defekt des elektrischen Antriebs 1 geschlossen werden kann. Insbesondere kann durch den Vergleich mit einem Grenzwert eine Diagnose von Stromsensoren der Leistungselektronik 4 durchgeführt werden. Das Verfahren zur Ermittlung des Korrekturfaktors wird bevorzugt zyklisch beziehungsweise in zeitlich vorgebbaren Abständen wiederholt, um auf Alterungseffekte des elektrischen Antriebs 1 zu erkennen.
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3 zeigt in eine vorteilhafte Weiterbildung des elektrischen Antriebs 1, der drei Phasensysteme P1, P2 und P3 umfasst, die jeweils einen Inverter 6 P1, 6 P2, 6 P3 der Leistungselektronik 4 umfassen. Im Testbetrieb wird das Verfahren derart ausgeführt, dass die Phasen aller Phasensysteme P1, P2, P3 miteinander abgeglichen und entsprechende Korrekturfaktoren ermittelt werden.
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Anstelle einer reinen Betrachtung des Strom-Effektivwertes kann auch der Strom- und Spannungsverlauf einer Spule der elektrischen Maschine 2 über eine Umdrehung von beispielsweise U1 zu U2 ausgewertet werden. Durch die genaue Auflösung der Signale über eine Umdrehung kann zum Beispiel die Diagnose einer defekten Spule oder eines defekten Magneten erfolgen.
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Das beschriebene Verfahren wird bevorzugt am Ende einer Montagereihe durchgeführt, sodass der oder die Korrekturwerte noch vor Inbetriebnahme der elektrischen Maschine 2 beziehungsweise des elektrischen Antriebs 1 im Kraftfahrzeug ermittelt und dauerhaft gespeichert werden, sodass sie bereits beim ersten Betrieb des elektrischen Antriebs 1 zur Verfügung stehen.
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Auch ist es denkbar, die unterschiedlichen Phasensysteme P1, P2, P3 derart gegeneinander anzusteuern, sodass sich eine Drehzahl von n = 0 der elektrischen Maschine 2 ergibt. Vorzugsweise werden dazu nacheinander jeweils nur zwei der Phasensysteme P1 bis P3 gegensinnig angesteuert. Aus den Stromwerten der einzelnen Phasen U1, U2 und gegebenenfalls V1, V2 und W1 und W2 kann dann eine Asymmetrie erkannt und ein entsprechender Korrekturfaktor bestimmt werden. Selbstverständlich ist auch diese Variante auf mehr als zwei Phasensysteme P1, P2 erweiterbar.
