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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuervorrichtung zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs. Ferner betrifft die Erfindung einen elektrischen Antriebsstrang mit einer entsprechenden Steuervorrichtung, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Fahrzeuge mit einem elektrischen Antriebsstrang weisen eine Leistungselektronik auf, beispielsweise einen Inverter oder einen Pulswechselrichter. Die Leistungselektronik dient der Umwandlung einer Gleichspannung einer elektrischen Energiequelle, beispielsweise einer Batterie oder Brennstoffzelle, in eine Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung. Mittels der Wechselspannung wird eine elektrische Maschine für den Antrieb des Fahrzeugs gespeist. Der Wirkungsgrad der Leistungselektronik, insbesondere der darin befindlichen Schaltelemente, beispielsweise Leistungshalbleiterschalter wie IGBT’s, oder MOSFETs, ist von der Taktfrequenz, also von der Frequenz mit der die Schaltelemente ein- beziehungsweise ausgeschaltet werden, abhängig. Üblicherweise ist die Taktfrequenz konstant vorgewählt und beträgt einen Wert zwischen 5 und 10 kHz. Während des Öffnens und Schließens eines Schaltelements fließt der Strom nicht ungehindert durch das Schaltelement. Dabei entsteht Verlustwärme, die zur Erwärmung des Schaltelements führt und den Wirkungsgrad der Leistungselektronik reduziert. Daher nehmen die Verluste mit steigender Taktfrequenz, also mit zunehmender Häufigkeit des Ein- beziehungsweise Ausschaltens, zu. Der Wirkungsgrad der Leistungselektronik nimmt entsprechend mit steigender Taktfrequenz ab aufgrund der steigenden Verluste an den Schaltelementen. Dennoch ist der Betrieb bei hohen Taktfrequenzen beispielsweise bei 20 oder 40 kHz wünschenswert, da bei diesen Frequenzen die Geräuschemissionen der Schaltelemente oberhalb des für den Menschen hörbaren Frequenzspektrums sind. Weiter können bei einer höheren Taktfrequenz der Leistungselektronik die notwendigen Spulen und Kondensatoren verkleinert werden, da weniger Energie zwischengespeichert werden muss. Es besteht das Bedürfnis vorhandene Leistungselektronik oder Schaltelemente mit der für sie optimalen Frequenz zu betreiben.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs bereitgestellt. Der elektrische Antriebsstrang umfasst neben einem Inverter mindestens eine weitere elektrische Komponente. Die Taktfrequenz des Inverters ist verstellbar. Die weitere elektrische Komponente ist insbesondere eine elektrische Maschine. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bestimmen einer Taktfrequenz in Abhängigkeit der Verluste der Komponenten des elektrischen Antriebstrangs, insbesondere in Abhängigkeit der Verluste des Inverters und der mindestens einen weiteren elektrischen Komponente. Einstellen der bestimmten Taktfrequenz. Betreiben des Inverters mit der bestimmten Taktfrequenz. Insbesondere wird bei dem Bestimmen der Taktfrequenz die Taktfrequenz bestimmt, bei der sich die geringsten summierten Verluste der Komponenten des elektrischen Antriebstrangs ergeben
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Es wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem ein elektrischer Antriebsstrang, der mindestens einen Inverter und eine weitere elektrische Komponente umfasst, mit einer verstellbaren Taktfrequenz betrieben. Dabei wird eine Taktfrequenz in Abhängigkeit der Verluste des Inverters und der mindestens einen weiteren elektrischen Komponente bestimmt. Diese bestimmte Taktfrequenz wird eingestellt und der Inverter mit der bestimmten Taktfrequenz betrieben. Insbesondere wird die Taktfrequenz in Abhängigkeit der summierten Verluste des Inverters und der mindestens einen weiteren elektrischen Komponente bestimmt. Die Taktfrequenz eines Inverters gibt die Anzahl von möglichen Ein- und Ausschaltvorgängen eines Schaltelementes des Inverters pro Sekunde an. Diese Taktfrequenz ist mittels einer Ansteuerung des Inverter einstellbar. Je höher die Taktfrequenz, desto genauer kann aus einer Gleichspannung ein siinusförmiger Wechselspannnungsverlauf erzeugt werden. Für den Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs mit einem hohen Wirkungsgrad ist es notwendig, nicht nur den Wirkungsgrad einer Komponente, insbesondere des Inverters, des elektrischen Antriebsstrangs zu berücksichtigen, sondern auch die weiteren elektrischen Komponenten zu berücksichtigen, insbesondere die elektrische Maschine. Entgegen der Erhöhung der Verluste der Schaltelemente des Inverters mit steigender Taktfrequenz verringern sich die Verluste einer elektrischen Maschine mit steigender Taktfrequenz. Daher ist es notwendig für den Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs neben dem Wirkungsgrad oder den Verlusten des Inverters auch das Verhalten mindestens einer weiteren elektrischen Komponente in dem elektrischen Antriebsstrangs zu betrachten. In Abhängigkeit der Verluste des Inverters und der mindestens einen weiteren elektrischen Komponente wird eine Taktfrequenz bestimmt. Insbesondere wird eine Taktfrequenz in Abhängigkeit der summierten Verluste bestimmt, insbesondere die Taktfrequenz bei der die summierten Verluste minimal sind.
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Es ist vorteilhaft, den elektrischen Antriebsstrang mit der in Abhänggigkeit der Verluste bestimmten Taktfrequenz zu betreiben. Bei dem Betrieb des Antriebsstrangs mit einer bestimmten Taktfrequenz, bei der die summierten Verluste minimal sind, wird der elektrische Antriebsstrang mit dem höchsten Wirkungsgrad betrieben.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die bestimmte Taktfrequenz in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebspunktes, einer Kennlinie oder eines Kennfeldes des elektrischen Antriebsstrangs, insbesondere des Inverters (10) und der mindestens einen weiteren elektrischen Komponente (20), bestimmt.
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Die Verluste des elektrischen Antriebsstrangs, insbesondere des Inverters und der mindestens einen weiteren Komponente, sind betriebspunktabhängig. Diese Verluste können in Kennlinien oder Kennfeldern abgespeichert sein. Die Verluste lassen sich auch mit geeigneten Messgeräten, Sensoren und Messmethoden online ermitteln. Die bestimmte Taktfrequenz wird daher in Abhängigkeit des aktuellen Betriebspunktes und der damit einhergehenden Verluste bestimmt. Betriebspunkte des elektrischen Antriebsstrangs sind beispielsweise das Drehmoment, welches am Abtrieb des elektrischen Antriebsstrangs zur Verfügung gestellt wird, die Drehzahl, mit der sich der elektrische Antriebsstrang am Abtrieb dreht, die elektrische Spannung, Phasenspannung oder der Strom oder der Phasenstrom, mit dem der elektrische Antriebsstrang momentan betrieben wird. Kennfelder beziehungsweise Kennlinien, in denen die Zusammenhänge zwischen Betriebspunkten und den Verlusten der einzelnen elektrischen Komponenten abgelegt sind, sind mittels Messungen oder Simulation vorab zu bestimmen.
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Vorteilhaft wird ein geeignetes Verfahren zur Bestimmung einer Taktfrequenz bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die bestimmte Taktfrequenz in Abhängigkeit ermittelter Verluste bestimmt. Insbesondere werden die Verluste mittels eines Verlustmodells des Inverters und der mindestens einen weiteren elektrischen Komponente ermittelt.
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Es besteht die Möglichkeit die Verluste, insbesondere aktuell, in Abhängigkeit des Betriebspunktes anhand eines Verlustmodells sowohl des Inverters als auch der mindestens einen weiteren elektrischen Komponente zu bestimmen. Die bestimmte Taktfrequenz wird dann in Abhängigkeit dieser ermittelten Verluste bestimmt. Vorteilhaft wird ein Verfahren zur Bestimmung der Verluste und somit zur Bestimmung der bestimmten Taktfrequenz bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren vor dem Einstellen der bestimmten Taktfrequenz einen weiteren Schritt auf: Anpassen der bestimmten Taktfrequenz auf eine Taktfrequenz, die innerhalb eines definierten Taktfrequenzbereiches liegt, wobei der definierte Taktfrequenzbereich in Abhängigkeit mindestens eines weiteren Parameters des elektrischen Antriebsstrangs definiert wird.
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In Abhängigkeit mindestens eines weiteren Parameters des elektrischen Antriebsstrangs werden Taktfrequenzbereiche definiert. Der Betrieb des elektrischen Antriebsstrangs soll nur mit Taktfrequenzen erfolgen, die innerhalb des definierten Taktfrequenzbereiches liegen. Ein solcher weiterer Parameter ist beispielsweise eine obere physikalische Grenze, ab der ein Ein- und Ausschalten der Schaltelemente nicht mehr möglich ist. Ein anderer weiterer Parameter ist beispielsweise die akustische Hörbarkeit beim Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs mit zu geringer Taktfrequenz. Aus diesem Grund werden beispielsweise definierte Taktfrequenzbereiche vorgegeben, die oberhalb einer Minimaltaktfrequenz und/oder unter einer Maximalfrequenz liegen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird für den Fall, dass eine nach dem bisher beschriebenen Verfahren bestimmte Taktfrequenz außerhalb des definierten Taktfrequenzbereiches liegt, die bestimmte Taktfrequenz auf eine Taktfrequenz angepasst, die innerhalb des definierten Taktfrequenzbereichs liegt. Das Anpassen der Taktfrequenz umfasst dabei das Anheben oder Absenken der Taktfrequenz, sodass diese innerhalb des definierten Taktfrequenzbereiches liegt. Insbesondere erfolgt das Anpassen nur in dem erforderlichen Maße, dass die angepasste Taktfrequenz gerade innerhalb des definierten Taktfrequenzbereiches ist. Vorteilhaft wird somit ein Verfahren bereit gestellt, mit dem ein Betrieb des elektrischen Antriebsstrangs innerhalb definierter Taktfrequenzbereiche ermöglicht wird.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein solcher weiterer Parameter des elektrischen Antriebsstrangs eine Übersetzung eines Getriebes, ein Betriebspunkt einer Energiespeichereinheit, ein Ansteuerverfahren des Inverters oder ein Betriebspunkt der weiteren elektrischen Komponente oder eine Kombination derartiger Parameter.
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Beispielhaft sind weitere Parameter angegeben, die für die Definition von nutzbaren definierten Taktfrequenzbereichen eingesetzt werden können. So sollte beispielsweise der definierte Taktfrequenzbereich höher sein, je höher die Übersetzung eines Getriebes ist. Bei höherer Übersetzung reduziert sich die Drehzahl der E-Maschine bei gleicher Raddrehzahl des Fahrzeugs, wodurch sich die Verluste der E-Maschine tendenziell verringern. Bei geringer E-Maschinendrehzahl muss unter Umständen die Taktfrequenz erhöht werden, um Drehmomentschwankungen zu vermeiden. Dies erhöht wiederum im Inverter die Verluste.
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In Abhängigkeit des Betriebspunkts einer Energiespeichereinheit, beispielsweise einer Batterie, ist der definierte Taktfrequenzbereich so zu wählen, dass die Energiespeichereinheit möglichst wenig altert. In Abhängigkeit der Ansteuerverfahren, beispielsweise Pulsweitenmodulation oder Block-Kommutierungsverfahren, ist ein entsprechend angepasster definierter Taktfrequenzbereich zu wählen. Aber auch in Abhängigkeit der Betriebspunkte der weiteren elektrischen Komponente ist ein definierte Taktfrequenzbereich zu wählen. Vorteilhaft werden Beispiele für Parameter bereit gestellt, die bei der Bestimmung definierter Taktfrequenzbereiche berücksichtigt werden.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren einen weiteren Schritt auf: Speichern der bestimmten Taktfrequenz und mindestens eines Parameters des dazugehörigen Betriebspunktes des elektrischen Antriebsstrangs.
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Es wird die bestimmte Taktfrequenz mit mindestens einem Parameter, der einen Betriebspunkt des elektrischen Antriebsstrangs kennzeichnet, abgespeichert. Diese mindestens zwei zusammen gehörenden und zusammen abgespeicherten Werte definieren Stützstellen einer Kennlinie oder eines Kennfeldes, welche einen Zusammenhang zwischen dem aktuellem Betriebspunkt des elektrischen Antriebsstrangs und der dazu bestimmten Taktfrequenz beschreibt. Bei einem erneuten Betreiben des elektrischen Antriebsstrangs ermöglichen derartig erzeugte Kennlinien, beziehungsweise Kennfelder, eine besonders schnelle Bestimmung der Taktfrequenz in Abhängigkeit der Verluste oder des Betriebspunkts des elektrischen Antriebsstrangs.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden die bestimmten Taktfrequenzen kontinuierlich eingestellt oder die bestimmten Taktfrequenzen nur schrittweise eingestellt.
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Je nach Umsetzung des Verfahrens, in einer elektronischen Hardwareschaltung oder in einer Software, besteht die Möglichkeit, die Taktfrequenzen schrittweise, insbesondere in 1 bis 2 kHz Schritten oder kontinuierlich einzustellen. Vorteilhaft werden alternative Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebsstrangs mit verstellbaren Taktfrequenzen bereitgestellt.
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Ferner wird ein Computerprogramm bereitgestellt, das dazu eingerichtet ist, das bisher dargestellte Verfahren auszuführen.
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Ferner wird ein maschinenlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Ferner wird eine Steuervorrichtung zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs bereitgestellt. Der elektrische Antriebsstrang umfasst einen Inverter und eine weitere elektrische Komponente. Die Taktfrequenz des Inverters ist verstellbar. Die weitere elektrische Komponente ist insbesondere eine elektrische Maschine. Die Steuervorrichtung weist insbesondere eine erste Einheit zum Bestimmen einer Taktfrequenz auf. Es wird die Taktfrequenz in Abhängigkeit der Verluste der Komponenten des elektrischen Antriebstrangs, insbesondere in Abhängigkeit der Verluste des Inverters und der mindestens einen weiteren elektrischen Komponente, bestimmt. Weiter weist die Steuervorrichtung eine zweite Einheit zum Einstellen der bestimmten Taktfrequenz auf. Weiter weist die Steuervorrichtung eine dritte Einheit auf, zum Betreiben des Inverters mit der bestimmten Taktfrequenz.
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Die Steuervorrichtung weist insbesondere mindestens eine Logikeinheit oder einen Mikroprozessor auf, die die Funktionen zur Bestimmung einer Taktfrequenz, zum Einstellen der Taktfrequenz und zum Betreiben des Inverters mit der bestimmten Taktfrequenz ausführen. In Abhängigkeit der Verluste der Komponenten des elektrischen Antriebstrangs wird die Taktfrequenz bestimmt. Insbesondere wird die Taktfrequenz in Abhängigkeit der geringsten summierten Verluste des Inverters und der mindestens einen weiteren elektrischen Komponente bestimmt. Vorteilhaft wird eine Steuervorrichtung zum Betrieb des Antriebsstrangs mit einer verstellbaren Taktfrequenz bereitgestellt.
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Ferner wird ein elektrischer Antriebsstrang mit einer beschriebenen Steuervorrichtung bereitgestellt wobei der elektrische Antriebsstrang weiter einen Inverter, dessen Taktfrequenz verstellbar ist, sowie mindestens eine weitere elektrische Komponente, insbesondere eine elektrische Maschine, umfasst.
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Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend auf die erfindungsgemäße Steuervorrichtung, bzw. auf den elektrischen Antriebsstrang und umgekehrt zutreffen, bzw. anwendbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
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1: einen elektrischen Antriebsstrang;
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2: ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs.
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Ausführungsformen der Erfindung:
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Die 1 zeigt einen elektrischen Antriebsstrang 100. Der Antriebsstrang umfasst eine Leistungselektronik 10, beispielsweise einen Inverter oder Pulswechselrichter, und eine weitere elektrische Komponente 20, insbesondere eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine 20 wird dreiphasig von dem Inverter 10 gespeist. Der Inverter 10 wiederum wird mit Energie aus einer Energiesquelle oder Energiespeichereinrichtung 30 mit einer Gleichspannung versorgt. Weiter umfasst der elektrische Antriebsstrang 100 eine Steuervorrichtung 110, welche zur Ansteuerung des Inverters 10 und zur Entgegennahme von Messsignalen geeignet mit dem Inverter 10 gekoppelt ist. Die Steuervorrichtung 110 empfängt Signale beziehungsweise Daten bezüglich des Betriebspunktes des elektrischen Antriebsstrangs 100. In 1 umfasst die Steuervorrichtung 110 mindestens drei Einheiten 120, 130, 140, beziehungsweise Funktionseinheiten. Eine erste Einheit ist zum Bestimmen einer Taktfrequenz TFB eine zweite Einheit 130 zum Einstellen der bestimmten Taktfrequenz TFB und eine dritte Einheit 140 zum Betreiben des Inverters 10 mit der bestimmten Taktfrequenz TFB eingerichtet. Auch hierzu sind geeignete Steuerverbindungen zu dem Inverter 10 vorhanden. Die Steuervorrichtung 110 kann außerhalb des Inverters aber auch innerhalb des Inverters 10 angeordnet sein. Die drei Einheiten können einstückig oder verteilt im System angeordnet sein.
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2 zeigt ein Verfahren 300 zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs 100. Mit Schritt 310 startet das Verfahren. In Schritt 320 wird eine Taktfrequenz bestimmt. Es wird eine Taktfrequenz in Abhängigkeit der Verluste der Komponenten des elektrischen Antriebstrangs bestimmt. Insbesondere wird die Taktfrequenz bestimmt, bei der sich die geringsten summierten Verluste des Inverters 10 und der mindestens einen weiteren elektrischen Komponente 20 des Antriebsstrangs 100 ergeben. Im Folgenden Schritt 330 wird die bestimmte Taktfrequenz TFB gegebenenfalls auf eine Taktfrequenz angepasst, die innerhalb eines definierten Taktfrequenzbereiches TFR liegt. Der definierte Taktfrequenzbereich TFR wird in Abhängigkeit mindestens eines weiteren Parameters des elektrischen Antriebsstrangs 100 definiert. In Schritt 340 wird die bestimmte oder für den Fall, dass die Taktfrequenz angepasst wurde, die angepasste Taktfrequenz eingestellt. In Schritt 350 wird die bestimmte oder die angepasste Taktfrequenz zusammen mit einem Parameter des dazugehörigen Betriebspunktes des elektrischen Antriebsstrangs 100 abgespeichert. Im folgenden Schritt 360 wird der Inverter 10 mit der bestimmten Taktfrequenz oder der angepassten Taktfrequenz betrieben. Mit Schritt 370 endet das Verfahren.
