DE102015219870A1 - Verfahren zum Betreiben einer Asynchronmaschine eines Aggregats sowie Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Asynchronmaschine eines Aggregats sowie Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Stator (6) und einen Rotor (7) aufweisenden Asynchronmaschine (2) eines Aggregats, dessen Getriebe (9) mittels eines Schmiermittels geschmiert wird, das die Asynchronmaschine (2) und daran anschließend das Getriebe (9) durchströmt, wobei die Asynchronmaschine (2) in einem Heizbetrieb betrieben wird, in welchem ein Schlupf der Asynchronmaschine (2) gezielt eingestellt wird, um dadurch das Schmiermittel in der Asynchronmaschine (2) zu erwärmen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Asynchronmaschine eines Aggregats sowie einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug.
  • Elektrische Maschinen in Form von Asynchronmaschinen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Eine solche Asynchronmaschine wird auch als Drehstrom Asynchronmaschine oder aber als Drehstrom-Induktionsmaschine bezeichnet und umfasst einen Stator sowie einen Rotor, welcher um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbar ist. Dabei wird der Rotor auch als Läufer bezeichnet, der sich relativ zum Stator drehen kann. Die Asynchronmaschine kann beispielsweise als Generator oder als Elektromotor betrieben werden. Bei dem Betrieb als Elektromotor wird der Stator beispielsweise mit elektrischem Strom versorgt, so dass der Stator ein Magnetfeld in Form eines sogenannten Drehfelds bereitstellt. Das Drehfeld ist ein Magnetfeld, das sich fortlaufend um eine Rotationsachse dreht. Diese Rotationsachse fällt dabei mit der zuvor genannten Drehachse des Rotors zusammen, so dass sich das Drehfeld um die Drehachse mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Drehzahl drehen kann. Da das Drehfeld von dem Stator bereitgestellt wird, wird das Drehfeld auch als Statorfeld oder Statordrehfeld bezeichnet. Bei dem Betrieb als Elektromotor läuft der Rotor dem Statordrehfeld nach. Bei dem Betrieb als Generator läuft der Rotor dem Statordrehfeld vor.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem der Verschleiß eines Aggregats, insbesondere eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, besonders gering gehalten werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, wobei der Verschleiß des Antriebsstrangs besonders gering gehalten werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Stator und einen Rotor aufweisenden Asynchronmaschine eines Aggregats. Das Aggregat kommt beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz, welches beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, ausgebildet ist. Alternativ ist es denkbar, dass das Aggregat bei anderen Anwendungen zum Einsatz kommt. Die Asynchronmaschine wird auch als Drehstrom Asynchronmaschine oder Drehstrom-Induktionsmaschine bezeichnet, wobei der Rotor um eine Drehachse relativ zum Stator drehbar ist. Beispielsweise ist das Aggregat eines Antriebsstrangs zum Antreiben des Kraftfahrzeugs.
  • Das Aggregat umfasst ein Getriebe, welches mittels eines Schmiermittels geschmiert wird. Dabei sind das Getriebe und die Asynchronmaschine beispielsweise Bestandteil des Antriebsstrangs. Bei dem Schmiermittel handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit wie beispielsweise Öl, welches auch als Schmieröl bezeichnet wird. Das Getriebe wird mit dem Schmiermittel versorgt, so dass beispielsweise Bauteile des Getriebes mittels des Schmiermittels geschmiert und/oder gekühlt werden. Insbesondere können Bauteile, welche sich während eines Betriebs des Getriebes relativ zueinander bewegen, mittels des Schmiermittels geschmiert und/oder gekühlt werden. Dabei durchströmt das Schmiermittel die Asynchronmaschine und das Getriebe.
  • Beispielsweise durchströmt das Schmiermittel die Asynchronmaschine und daran anschließend beziehungsweise und dann das Getriebe, sodass das Getriebe beispielsweise bezogen auf eine Strömungsrichtung des Schmiermittels stromab der Asynchronmaschine angeordnet ist. Beispielsweise ist ein von dem Schmiermittel durchströmbarer Schmiermittelkreislauf vorgesehen, wobei das Schmiermittel diesen Schmiermittelkreislauf in eine Strömungsrichtung durchströmt. Bezogen auf diese Strömungsrichtung kann das Getriebe stromab der Asynchronmaschine angeordnet sein.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Asynchronmaschine in einem Heizbetrieb betrieben wird, in welchem ein Schlupf der Asynchronmaschine gezielt eingestellt wird, um dadurch das Schmiermittel in der Asynchronmaschine zu erwärmen. Durch das Einstellen des Schlupfes der Asynchronmaschine werden Verluste in der Asynchronmaschine gezielt eingestellt beziehungsweise bewirkt, um mittels dieser Verluste das Schmiermittel in der Asynchronmaschine zu erwärmen. Dadurch ist es insbesondere möglich, bei einem Kaltstart des Aggregats, insbesondere des Kraftfahrzeugs, das Schmiermittel besonders schnell, das heißt in besonders kurzer Zeit zu erwärmen, so dass es nur kurze Zeit nach dem Kaltstart auf seine Betriebstemperatur gebracht werden kann. Dadurch weist das Schmiermittel eine vorteilhafte Schmierfähigkeit auf, so dass das Getriebe besonders gut geschmiert werden kann. Insbesondere können durch das schnelle Erwärmen des Schmiermittels übermäßige Reibungsverluste vermieden werden, welche sich ansonsten negativ auf die Lebensdauer von Bauteilen, insbesondere relativ zueinander beweglichen Bauteilen, des Aggregats, insbesondere des Kraftfahrzeugs, auf die Haltbarkeit des Schmiermittels und gegebenenfalls auf die Gesamtreichweite des Kraftfahrzeugs auswirken könnten. Insbesondere ist es möglich, die Viskosität des Schmiermittels besonders kurze Zeit nach dem Kaltstart auf einen vorteilhaften geringen Wert zu bringen, indem das Schmiermittel erwärmt wird, so dass übermäßige Verluste nach dem Kaltstart vermieden werden können.
  • Unter dem Schlupf der Asynchronmaschine ist eine Drehzahl-Differenz zwischen der Drehzahl des Drehfelds des Stators und der Drehzahl des Rotors zu verstehen. Der Schlupf wird gezielt eingestellt, um in der Asynchronmaschine Verluste, insbesondere Rotorkupferverluste, gezielt zu bewirken, so dass dadurch das Schmiermittel effektiv erwärmt werden kann. Diese Verluste sind Stromwärmeverluste, mittels welchen das Schmiermittel erwärmt wird. Dadurch kann eine sich an den Kaltstart anschließende Warmlaufphase besonders kurz gehalten werden. Ein solcher Schlupf ist zur Drehmomentbildung in der Asynchronmaschine vorgesehen. Durch den Betrag des Schlupfes können die Aufteilung der Verluste zwischen Stator und Rotor sowie der Wirkungsgrad beeinflusst werden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dies gezielt ausgenutzt um das Schmiermittel zu erwärmen.
  • Der Erfindung liegt insbesondere die Idee zugrunde, bei der Asynchronmaschine den Freiheitsgrad hinsichtlich des Schlupfes beziehungsweise der Einstellung, insbesondere Regelung, des Schlupfes zu nutzen, um den Schlupf zwischen dem Rotor und dem Stator gezielt einzustellen, insbesondere zu regeln. Mit anderen Worten wird der Schlupf in der Regelung der Asynchronmaschine gezielt eingestellt, um dadurch gegenüber einem Betrieb mit einem im Vergleich zum Heizbetrieb geringeren Schlupf hohe Stromwärmeverluste im Rotor zu bewirken, ohne dabei die Momentenbildung, das heißt das von der Asynchronmaschine bereitgestellte Drehmoment negativ zu beeinflussen. Dadurch nehmen beispielsweise Insassen des Kraftfahrzeugs den Heizbetrieb nicht wahr. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird beispielsweise durch wenigstens eine Randbedingung gezielt die Verluste beeinflusst, wobei von einem wirkungsgradoptimalen Betrieb der Asynchronmaschine abgewichen wird, um gegenüber dem wirkungsgradoptimalen Betrieb höhere Verluste gezielt einzustellen und dadurch das Schmiermittel zu erwärmen.
  • Um einen besonders effizienten Betrieb zu realisieren, wird die Asynchronmaschine nach dem Heizbetrieb in einem weiteren Betriebszustand, insbesondere in einem Normalzustand, betrieben. In dem weiteren Betriebszustand wird bei gleichbleibendem, von der Asynchronmaschine bereitgestelltem Drehmoment ein gegenüber dem Heizbetrieb größerer, aus dem Drehfeld des Stators resultierender Rotorfluss eingestellt. Mit anderen Worten ist der Rotorfluss, der aus dem Drehfeld des Stators resultiert, in dem weiteren Betriebszustand größer als in dem Heizbetrieb, so dass der Schlupf der Asynchronmaschine in dem weiteren Betriebszustand geringer als in dem Heizbetrieb ist. Hintergrund dieser Ausführungsform ist, die Asynchronmaschine in dem Heizbetrieb so lange und vorzugsweise nur so lange zu betreiben, bis das Schmiermittel seine vorteilhafte Betriebstemperatur erreicht hat. Um danach die Verluste der Asynchronmaschine gering zu halten, wird von dem Heizbetrieb zu dem weiteren Betriebszustand gewechselt. Da sich durch das schnelle Erwärmen des Schmiermittels der Verschleiß sowie die Verluste, insbesondere Reibungsverluste, des Aggregats, insbesondere des Antriebsstrangs beziehungsweise des Kraftfahrzeugs insgesamt, besonders gering halten lassen, kann durch das Einstellen des sich an den Heizbetrieb anschließenden, weiteren Betriebszustands ein besonders effizienter und somit energieverbrauchsarmer Betrieb des Antriebsstrangs realisiert werden.
  • Dabei ist es vorgesehen, dass die Asynchronmaschine sowohl in dem Heizbetrieb als auch in dem weiteren Betriebszustand das gleiche Drehmoment, das heißt den gleichen Wert des Drehmoments bereitstellt, so dass beispielsweise sich im Innenraum des Kraftfahrzeugs aufhaltende Insassen, insbesondere der Fahrer des Kraftfahrzeugs, den Wechsel vom Heizbetrieb in den weiteren Betriebszustand nicht wahrnehmen kann. Bei dem Heizbetrieb und bei dem weiteren Betriebszustand handelt es sich um jeweilige Betriebszustände, in denen die Asynchronmaschine auf unterschiedliche Weise betrieben, insbesondere geregelt, wird, jedoch stellt die Asynchronmaschine in beiden Betriebszustanden das gleiche Drehmoment bereit, so dass der Fahrer des Kraftfahrzeugs die unterschiedlichen Betriebszustände beziehungsweise den Unterschied zwischen den Betriebszuständen bei der Fahrt nicht wahrnehmen kann.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn in dem Heizbetrieb eine gegenüber dem weiteren Betriebszustand größere Drehzahl des Drehfelds des Stators eingestellt wird. Hintergrund dieser Ausführungsform ist folgende Erkenntnis: Da der Schlupf der Asynchronmaschine in dem Heizbetrieb größer als in dem weiteren Betriebszustand ist, rotiert der Rotor bei gleicher Drehzahl des Statordrehfelds im Heizbetrieb mit einer geringeren Drehzahl als im weiteren Betriebszustand. Um diesen Drehzahlunterschied zu vermeiden oder zumindest gering zu halten, wird im Heizbetrieb im Vergleich zu dem weiteren Betriebszustand eine größere Drehzahl des Statorfelds (Drehfeld des Stators) eingestellt, so dass sich im Innenraum des Kraftfahrzeugs aufhaltende Insassen den Unterschied zwischen den beiden Betriebszuständen nicht wahrnehmen können. Darüber hinaus können dadurch unterschiedliche Verhalten, insbesondere Fahrverhalten, des Kraftfahrzeugs in den Betriebszuständen vermieden werden.
  • Um einen besonders effizienten Betrieb zu realisieren, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Asynchronmaschine in dem weiteren Betriebszustand mittels MTPA-Regelung betrieben wird. Dabei ist „MTPA” eine Abkürzung für „Maximum Torque per Ampere” und bezeichnet das maximale Drehmoment/Strom-Verhältnis der Asynchronmaschine, so dass die MTPA-Regelung auch als Regelung hinsichtlich des maximalen Drehmoment/Strom-Verhältnisses bezeichnet wird. Hierdurch ist ein besonders energieeffizienter Betrieb der Asynchronmaschine darstellbar. Im Heizbetrieb weicht der Betrieb, insbesondere die Regelung, der Asynchronmaschine, von der MTPA-Regelung ab, so dass sich im Vergleich zum weiteren Betriebszustand höhere Verluste der Asynchronmaschine einstellen, um das Schmiermittel mittels dieser Verluste zu erwärmen.
  • Der weitere Betriebszustand ist ein Normalbetrieb der Asynchronmaschine, welche zeitlich überwiegend in dem Normalbetrieb betrieben wird, um einen effizienten Betrieb der Asynchronmaschine und somit des Aggregats insgesamt zu realisieren.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Asynchronmaschine in dem weiteren Betriebszustand entlang einer die MTPA-Regelung charakterisierende MTPA-Kennlinie betrieben, insbesondere geregelt. Mit anderen Worten weist das Kennfeld der Asynchronmaschine die MTPA-Kennlinie auf, welche auch als Kennlinie des maximalen Drehmoment/Strom-Verhältnisses und als wirkungsgradoptimale Kurve bezeichnet wird.
  • Um einen besonders vorteilhaften Betrieb der Asynchronmaschine zu realisieren, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Asynchronmaschine in dem Heizbetrieb entlang einer von der MTPA-Kennlinie unterschiedlichen Heizkennlinie betrieben wird. Die von der MTPA-Regelung abweichende Regelung, mit welcher die Asynchronmaschine im Heizbetrieb betrieben wird, wird auch als MTPF-Regelung bezeichnet (MTPF – Maximum Torque per Flux).
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Heizbetrieb in Abhängigkeit von einem Faktor eingestellt wird, welcher vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 0 bis einschließlich +1 liegt. Beispielsweise werden Abweichungen von der MTPA-Regelung beziehungsweise von der wirkungsgradoptimalen Kurve berechnet. Diese Abweichungen können die Heizkennlinie ergeben. Die Abweichungen werden beispielsweise mit dem Faktor, welcher in einem Bereich von einschließlich 0 bis einschließlich 1 liegt, multipliziert, um dadurch das Maß beziehungsweise die Stärke der durch die Verluste bewirkten Erwärmung des Schmiermittels einzustellen. Durch Verwenden des Faktors, insbesondere durch Multiplizieren der Abweichungen mit dem Faktor, und durch das bedarfsgerechte Einstellen des Faktors, insbesondere des Werts, in einem Bereich von einschließlich 0 bis einschließlich 1 ist es möglich, den Heizbetrieb, insbesondere die MTPF-Regelung, und somit beispielsweise die Heizkennlinie in dem Kennfeld der Asynchronmaschine einfach zu verschieben, so dass dann die Asynchronmaschine abweichend von der MTPA-Regelung, insbesondere entlang der Heizkennlinie, betrieben werden kann. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, die Heizkennlinie im gesamten möglichen Betriebsbereich zu verschieben, um dadurch jeweilige Heizkennlinien zu bilden, entlang derer die Asynchronmaschine betrieben werden kann.
  • Mittels des Faktors kann auf einfache Weise zwischen dem Normalbetrieb (MTPA-Regelung) und dem Heizbetrieb (MTPF-Regelung) verschoben beziehungsweise gewichtet werden. Der Faktor ist dabei als ein Prozentsatz der maximal möglichen Heizleistung zu verstehen. Beträgt der Faktor 1 (100%), so ist dadurch die maximal mögliche Heizleistung eingestellt. Ist der Faktor 0 (0%), so wird dadurch der Normalbetrieb (MTPA-Regelung) eingestellt. Somit ist der Faktor ein Maß für die Abweichung vom Normalbetrieb im Heizbetrieb.
  • Insbesondere ermöglicht die Verwendung des Faktors, insbesondere dessen Einstellung zwischen einschließlich 0 und einschließlich 1, eine zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Verschiebung des Betriebs des Asynchronmaschine zwischen dem Normalbetrieb (Faktor = 0) und der maximal möglichen Heizleistung im Heizbetrieb (Faktor = 1). Hierdurch kann eine bedarfsgerechte und effektive Erwärmung des Schmiermittels realisiert werden.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Asynchronmaschine als Traktionsmaschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Das Kraftfahrzeug ist dabei beispielsweise als Elektrofahrzeug oder Hybrid-Fahrzeug ausgebildet und mittels der Asynchronmaschine antreibbar. Dabei ist die Asynchronmaschine beispielsweise in einem Motorbetrieb als Elektromotor betreibbar. In dem Motorbetrieb wird der Stator mit elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom versorgt, wobei der Stator beispielsweise mit elektrischem Strom aus einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einer Batterie, des Kraftfahrzeugs versorgt wird. Mittels der Asynchronmaschine wird in dem Motorbetrieb zumindest ein Teil des elektrischen Stroms in mechanische Energie umgewandelt, so dass die Asynchronmaschine in ihrem Motorbetrieb über den Rotor Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellt.
  • Ferner ist es denkbar, dass die Asynchronmaschine in einem Generatorbetrieb und somit als Generator betreibbar ist. In dem Generatorbetrieb wird die Asynchronmaschine beispielsweise von dem sich bewegenden Kraftfahrzeug, das heißt mittels kinetischer Energie des Kraftfahrzeugs angetrieben, wobei beispielsweise die Asynchronmaschine über Räder des Kraftfahrzeugs angetrieben wird. Diese Räder rollen beispielsweise auf einer Fahrbahn, entlang welcher sich das Kraftfahrzeug bewegt, ab. Mittels der Asynchronmaschine wird in dem Generatorbetrieb zumindest ein Teil der kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs in elektrische Energie beziehungsweise elektrischen Strom umgewandelt, wobei die Asynchronmaschine in dem Generatorbetrieb die elektrische Energie bereitstellt. Die elektrische Energie kann beispielsweise einem elektrischen Verbraucher zugeführt werden, so dass der elektrische Verbraucher mit der elektrischen Energie versorgt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, die elektrische Energie dem zuvor genannten Energiespeicher zuzuführen und in dem Energiespeicher zu speichern.
  • Um den Verschleiß und die Verluste des Antriebsstrangs besonders gering zu halten, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Schmiermittel den Rotor der Asynchronmaschine durchströmt. Dadurch kann das Schmiermittel besonders schnell erwärmt werden. Ferner kann dadurch der Rotor selbst gekühlt werden, so dass Überhitzungen des Rotors und somit der Asynchronmaschine insgesamt vermieden werden können.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit einer einen Stator und einen Rotor aufweisenden Asynchronmaschine und mit einem Getriebe. Das Getriebe ist mittels eines die Asynchronmaschine und anschließend das Getriebe durchströmenden Schmiermittels zu schmieren. Der Antriebsstrang umfasst ferner eine Recheneinrichtung, welche auch als Steuergerät bezeichnet und zum Betreiben, insbesondere Regeln, der Asynchronmaschine verwendet wird beziehungsweise ausgebildet ist. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgebildet, die Asynchronmaschine in einem Heizbetrieb zu betreiben, in welchem die Recheneinrichtung einen Schlupf der Asynchronmaschine gezielt einstellt, um dadurch das Schmiermittel in der Asynchronmaschine zu erwärmen. Vorteile und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs anzusehen und umgekehrt.
  • Durch das gezielte Einstellen des Schlupfes der Asynchronmaschine werden in der Asynchronmaschine gezielt Verluste, insbesondere Rotorkupferverluste, bewirkt, so dass das die Asynchronmaschine durchströmende Schmiermittel effektiv aufgeheizt beziehungsweise erwärmt werden kann. Dadurch kann das Schmiermittel besonders kurze Zeit nach einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs auf eine vorteilhafte Betriebstemperatur gebracht werden, so dass das Schmiermittel eine vorteilhafte Viskosität und Schmierfähigkeit aufweist. Somit können übermäßige Reibung und somit übermäßige Reibungsverluste vermieden werden, so dass der Verschleiß des Antriebsstrangs gering gehalten werden kann bei gleichzeitiger Realisierung eines nur geringen Energieverbrauchs des Antriebsstrangs. Insgesamt ist es somit möglich, das Kraftfahrzeug mittels des Antriebsstrangs besonders energieeffizient beziehungsweise energiegünstig anzutreiben.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug, mit einer Asynchronmaschine und einem Getriebe, welches mittels eines Schmiermittels geschmiert wird, das die Asynchronmaschine und daran anschließend das Getriebe durchströmt, wobei die Asynchronmaschine in einem Heizbetrieb betrieben wird, in welchem ein Schlupf der Asynchronmaschine gezielt eingestellt wird, um dadurch das Schmiermittel in der Asynchronmaschine zu erwärmen;
  • 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben der Asynchronmaschine;
  • 3 ein weiteres Diagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens; und
  • 4 ein Diagramm zum Veranschaulichen einer Temperatur des Schmiermittels, welches durch das gezielte Einstellen des Schlupfes der Asynchronmaschine besonders effektiv und schnell erwärmt werden kann.
  • In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Antriebsstrang 1 für ein Kraftfahrzeug. Der Antriebsstrang 1 umfasst eine elektrische Maschine in Form einer Asynchronmaschine 2, welche auch als Drehstrom-Asynchronmaschine oder Drehstrom-Induktionsmaschine bezeichnet wird. Dabei ist die Asynchronmaschine 2 eine Traktionsmaschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug antreibbar ist. Die Asynchronmaschine 2 ist beispielsweise in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar, wobei die Asynchronmaschine 2 in dem Motorbetrieb Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellt.
  • Der Antriebsstrang 1 umfasst auch Bodenkontaktelemente in Form von Rädern 3 einer Achse 4, wobei die Achse 4 beispielsweise eine Vorderachse oder Hinterachse des Antriebsstrangs 1 und somit des Kraftfahrzeugs insgesamt ist. Die Asynchronmaschine 2 weist ein Gehäuse 5 auf, an welchem ein Stator 6 der Asynchronmaschine 2 festgelegt ist. Ferner umfasst die Asynchronmaschine 2 einen in dem Gehäuse 5 aufgenommenen Rotor 7, welcher um eine Drehachse 8 relativ zu dem Stator 6 und somit relativ zu dem Gehäuse 5 drehbar ist. Der Antriebsstrang 1 umfasst ferner ein Getriebe 9, über welches die Räder 3 von der Asynchronmaschine 2, insbesondere in dem Motorbetrieb, antreibbar sind. Die Räder 3 sind Bodenkontaktelemente, über welche das Kraftfahrzeug auf einer Fahrbahn abrollt, wenn das Kraftfahrzeug entlang der Fahrbahn gefahren wird. Durch Antreiben der Räder 3 wird das Kraftfahrzeug insgesamt entlang der Fahrbahn antrieben.
  • Der Rotor 7 ist mit einer Welle 10 drehfest verbunden, so dass die Asynchronmaschine 2 in ihrem Motorbetrieb die Drehmomente zum Antreiben der Räder 3 und somit des Kraftfahrzeugs insgesamt über die Welle 9 und somit über den Rotor 7 bereitstellt. Das Getriebe 9 umfasst eine erste Welle 11 in Form einer Eingangswelle sowie eine zweite Welle 12 in Form einer Ausgangswelle, wobei die Ausgangswelle über die Eingangswelle von der Asynchronmaschine 2, insbesondere im Motorbetrieb, antreibbar ist. Dabei ist die Welle 11 von der Welle 10 antreibbar. Hierzu sind die Wellen 10 und 11 beispielsweise drehfest miteinander verbunden. Die Welle 12 ist mit einer weiteren Welle 13 des Antriebsstrangs 1 drehfest verbunden oder verbindbar, so dass die Welle 13 über die Wellen 11 und 12 von der Asynchronmaschine 2 antreibbar ist. Der Achse 4 ist ein Differentialgetriebe 14 zugeordnet, über welches die Räder 3 antreibbar sind. Das Differentialgetriebe 14 ist ein Ausgleichsgetriebe, welches über die Wellen 11, 12 und 13 von der Asynchronmaschine 2 antreibbar ist. Das Differentialgetriebe 14 ist mit Wellen 15 gekoppelt, über welche die Räder 3 antreibbar sind. Die Wellen 15 sind beispielsweise Gelenkwellen, welcher über das Differentialgetriebe 14 und die Wellen 10, 11, 12 und 13 von der Asynchronmaschine 2 antreibbar sind. Somit sind die Räder 13 und somit das Kraftfahrzeug insgesamt über die Wellen 15, das Differentialgetriebe 14 und die Wellen 11, 12 und 13 von der Asynchronmaschine 2 in dem Motorbetrieb antreibbar.
  • Ferner ist es denkbar, dass die Asynchronmaschine 2 in einem Generatorbetrieb und somit als Generator betreibbar ist. Im Generatorbetrieb wird die Asynchronmaschine 2, insbesondere der Rotor 7, über die Wellen 10, 11, 12 und 13 sowie über das Differentialgetriebe 14 und die Wellen 15 von den Rädern 3 und dadurch mittels kinetischer Energie des sich bewegenden Kraftfahrzeugs angetrieben. Dabei wird mittels der Asynchronmaschine 2 in dem Generatorbetrieb zumindest ein Teil der kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs in elektrischen Strom beziehungsweise elektrische Energie umgewandelt, wobei die Asynchronmaschine 2 diese elektrische Energie bereitstellt. Die elektrische Energie kann beispielsweise in einer elektrischen Speichereinrichtung, insbesondere in Form einer Batterie, gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, wenigstens einen elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs mit der elektrischen Energie zu versorgen, um den elektrischen Verbraucher zu betreiben. In dem Motorbetrieb wird die Asynchronmaschine 2 mit elektrischem Strom, insbesondere aus der Batterie, versorgt, so dass die Asynchronmaschine 2 zumindest einen Teil der elektrischen Energie in mechanische Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs umwandelt.
  • Der Antriebsstrang 1 umfasst ferner eine Schmiermittelversorgungseinrichtung 16 mit einem von einem Schmiermittel durchströmbaren Schmiermittelkreislauf 17. Bei dem Schmiermittel handelt es sich insbesondere um eine Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit beispielsweise ein Öl ist. Dieses Öl wird auch als Schmieröl bezeichnet.
  • Die Schmiermittelversorgungseinrichtung 16 umfasst eine Pumpe 18, welche auch als Ölpumpe bezeichnet wird. Mittels der Ölpumpe wird das Öl durch den Schmiermittelkreislauf 17 gefördert, so dass das Öl den Schmiermittelkreislauf 17 in eine in 1 durch Richtungspfeile veranschaulichte Strömungsrichtung durchströmt. Bezogen auf diese Strömungsrichtung des Öls durch den Schmiermittelkreislauf 17 ist die Asynchronmaschine 2 stromauf des Getriebes 9 angeordnet, so dass das Getriebe 9 stromab der Asynchronmaschine 2 angeordnet ist. Dies bedeutet, dass das Öl zunächst die Asynchronmaschine 2 und vorliegend den Rotor 7 und daran anschließend das Getriebe 9 durchströmt. Dadurch werden Bauteile des Getriebes 9 mit dem Schmiermittel (Öl) versorgt, so dass diese Bauteile mittels des Öls geschmiert und/oder gekühlt werden. Nach dem Schmieren und/oder Kühlen der Bauteile sammelt sich das Öl in einem Ölsumpf 19, von welchem es mittels der Pumpe 18 angesaugt wird.
  • Die Asynchronmaschine 2 weist eine erste Seite 20 sowie eine zweite Seite 21 auf, wobei die zweite Seite 21 in axialer Richtung der Asynchronmaschine 2 der ersten Seite 20 gegenüberliegt. Dabei fällt die axiale Richtung der Asynchronmaschine 2 und somit des Getriebes 9 mit der Drehachse 8 zusammen. Die zweite Seite 21 ist eine sogenannte A-Seite der Asynchronmaschine 2, da die Asynchronmaschine 2 auf dieser A-Seite die Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs über die Welle 10 bereitstellt. Die der A-Seite gegenüberliegende, erste Seite 20 wird auch als B-Seite bezeichnet. Somit strömt das Öl von der B-Seite der Asynchronmaschine 2 durch die A-Seite in das Getriebe 9, schmiert dieses und sammelt sich in dem Ölsumpf 19, von welchem es mittels der Ölpumpe angesaugt und durch den Schmiermittelkreislauf 17 zurück zur B-Seite gefördert wird.
  • Das Kraftfahrzeug kann als Hybrid-Fahrzeug ausgebildet sein, so dass dann der Antriebsstrang 1 eine in 1 nicht gezeigte Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, zum Antreiben des Kraftfahrzeugs aufweist. Alternativ ist es denkbar, dass das Kraftfahrzeug als Elektrofahrzeug ausgebildet ist, so dass der Antriebsstrang 1 keine Verbrennungskraftmaschine aufweist und somit das Kraftfahrzeug rein elektrisch antreibbar ist. Die Pumpe 18 ist beispielsweise eine elektrische Ölpumpe. Die Welle 10 ist beispielsweise eine Hohlwelle, so dass der Rotor 7 als Hohlwellen-Rotor beziehungsweise die Welle 10 als Rotor-Hohlwelle ausgebildet ist. Dabei ist die Rotor-Hohlwelle in einem Direktverbund mit dem Getriebe 9 angeordnet, wobei der Antriebsstrang 1 nach der sogenannten HEAT-Topologie ausgebildet ist (HEAT – Hochintegrierte elektrische Antriebstopologie).
  • Der Antriebsstrang 1 umfasst ferner eine Recheneinrichtung 36, welche vorliegend elektrisch mit der Asynchronmaschine 2 verbunden ist und auch als Steuergerät bezeichnet wird. Das Steuergerät (Recheneinrichtung 36) wird zum Betreiben, insbesondere Regeln, der Asynchronmaschine 2 genutzt. Das Steuergerät ist beispielsweise dazu ausgebildet, die Asynchronmaschine 2 gemäß der MTPA-Regelung zu betreiben, das heißt zu regeln. Dadurch kann ein besonders energieeffizienter Betrieb der Asynchronmaschine 2 realisiert werden (MTPA – Maximum Torque per Ampere). Im Rahmen der MTPA-Regelung wird die Asynchronmaschine 2, insbesondere in ihrem Motorbetrieb, hinsichtlich des maximalen Drehmoment/Strom-Verhältnisses geregelt. Dabei weist das Kennfeld der Asynchronmaschine 2 die sogenannte MTPA-Kennlinie auf, welche auch als Kennlinie des maximalen Drehmoment/Strom-Verhältnisses oder als wirkungsgradoptimale Kurve bezeichnet wird. Im Rahmen der MTPA-Regelung wird die Asynchronmaschine 2 in ihrem Motorbetrieb entlang der MTPA-Kennlinie betrieben.
  • Würde die Asynchronmaschine 2 nun stets energieoptimal nach der MTPA-Regelung geregelt, so würde sich das Öl, insbesondere nach einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs, nur sehr langsam auf seine ideale Betriebstemperatur erwärmen. Insbesondere bei geringen Starttemperaturen würde es dann insbesondere in einer Startphase nach dem Kaltstart des Kraftfahrzeugs zu Reibungsverlusten und in der Folge zu mechanischen Abnutzungen im Antriebsstrang 1, insbesondere im Getriebe 9, kommen. Dies wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der Bauteile, die Haltbarkeit des Öls und gegebenenfalls auf die Gesamtreichweite des Kraftfahrzeugs aus.
  • Um nun den Verschleiß des Antriebsstrangs 1 besonders gering zu halten sowie einen besonders energieeffizienten Betrieb zu ermöglichen, ist es im Rahmen eines Verfahren zum Betreiben der Asynchronmaschine 2 vorgesehen, dass die Asynchronmaschine 2, insbesondere bei einem Kaltstart, in einem Heizbetrieb betrieben wird, in welchem ein Schlupf der Asynchronmaschine 2 gezielt eingestellt wird, um dadurch das Schmiermittel in der Asynchronmaschine 2 zu erwärmen. Bei dem Kaltstart beziehungsweise während einer sich an den Kaltstart anschließenden Warmlaufphase wird von der MTPA-Regelung abgewichen, so dass die Asynchronmaschine 2 mittels der Recheneinrichtung 36 nicht nach der MTPA-Regelung, sondern nach einer davon unterschiedlichen Regelung, insbesondere nach einer sogenannten MTPF-Regelung betrieben, insbesondere geregelt, wird.
  • Dabei ist „MTPF” eine Abkürzung, welche „Maximum Torque per Flux” bedeutet. Im Rahmen der MTPF-Regelung wird die Asynchronmaschine 2 in ihrem Motorbetrieb so lange mit Minimalfluss betrieben beziehungsweise gefahren, bis das Öl seine vorteilhafte Betriebstemperatur erreicht hat. Im Rahmen der MTPF-Strategie wird elektrischer Strom über der Hauptinduktivität der Asynchronmaschine 2 sehr weit reduziert und der drehmomentbildende Rotorstrom auf den notwendigen Wert erhöht, so dass in der Multiplikation das Drehmoment im Vergleich zur MTPA-Regelung gleich bleibt. Dadurch erhöhen sich die Stromwärmeverluste in der Asynchronmaschine 2, insbesondere im Rotor 7, im Vergleich zur MTPA-Regelung erheblich, so dass dem Öl, das die Asynchronmaschine 2 durchströmt, Energie zugeführt wird. Mittels dieser zugeführten Energie kann das Öl besonders schnell nach dem Kaltstart auf eine vorteilhafte Temperatur gebracht werden.
  • Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Asynchronmaschine 2 nach dem Heizbetrieb in einem weiteren Betriebszustand betrieben wird, wobei die Asynchronmaschine 2 in dem weiteren Betriebszustand nach der MTPA-Regelung betrieben wird. In diesem weiteren Betriebszustand wird bei gleichbleibendem, von der Asynchronmaschine 2 bereitgestelltem Drehmoment ein gegenüber dem Heizbetrieb größerer, aus dem Drehfeld des Stators 6 resultierender Rotorfluss eingestellt. Der zuvor genannte Begriff „Minimalfluss” bezieht sich somit auf den Fluss durch den Stator sowie auf den aus dem Drehfeld des Stators 6 resultierenden Fluss des Rotors 7.
  • Im Vergleich zur MTPA-Regelung kann das Öl während der Warmlaufphase, in welcher die Asynchronmaschine 2 nach der MTPF-Regelung betrieben wird, wesentlich schneller erwärmt werden und dadurch wesentlich schneller seine Betriebstemperatur erreichen, wodurch die mechanischen Abnutzungen gering gehalten werden können. Die Haltbarkeit des als Getriebeöl verwendeten Öls wird erhöht und je nach konkretem Anwendungsfall kann sich auch ein Vorteil in der Gesamtenergiebilanz nach dem Kaltstart ergeben. Die Umsetzung ist dabei rein funktional, hardwarekostenneutral und für den Fahrer des Kraftfahrzeugs nicht spürbar und trägt zur Qualitätserhöhung und Robustheit bei.
  • Insgesamt ist erkennbar, dass bei der Asynchronmaschine 2 der einstellbare Schlupf in der Regelung genutzt wird, um eine Erhöhung der Stromwärmeverluste gegenüber der MTPA-Regelung im Rotor 7 zu erhöhen, ohne dabei die Momentenbildung negativ zu beeinflussen. Der Fahrer spürt somit keinen Unterschied zwischen dem Heizbetrieb und dem sich daran anschließenden weiteren Betriebszustand.
  • 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Betreiben der Asynchronmaschine 2. Auf der Abszisse 22 des in 2 gezeigten Diagramms ist die flussbildende Stromkomponente der Asynchronmaschine 2, insbesondere des Rotors 7, gezeigt, wobei auf der Ordinate 23 die drehmomentbildende Stromkomponente aufgetragen ist. Ein Verlauf 24 veranschaulicht den maximal möglichen Strom, welcher durch die elektrische Maschine 2, insbesondere den Stator 6 beziehungsweise den Rotor 7, geleitet werden kann. Ferner veranschaulicht ein Verlauf 25 die MTPA-Regelung, wobei ein Verlauf 26 die MTPF-Regelung veranschaulicht. Durch die MTPA-Regelung können die Verluste in der Asynchronmaschine 2 minimiert werden, was in dem weiteren Betriebszustand vorgesehen Ist. Bei dem weiteren Betriebszustand handelt es sich vorzugsweise um einen Normalbetrieb.
  • 3 zeigt ein weiteres Diagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens zum Betreiben der Asynchronmaschine 2. Auf der Abszisse 27 des in 3 gezeigten Diagramms ist das Drehmoment aufgetragen, welches von der Asynchronmaschine 2 über den Rotor 7 und die Welle 10 in dem Motorbetrieb bereitgestellt wird. Ferner ist auf der Ordinate 28 des in 3 gezeigten Diagramms der Rotorfluss der Asynchronmaschine 2, insbesondere in der Einheit Voltsekunden, aufgetragen. Dabei veranschaulicht ein Verlauf 29 die MTPA-Regelung, wobei ein Verlauf 30 die MTPF-Regelung veranschaulicht. Im Rahmen der MTPF-Regelung wird ein minimaler Rotorfluss gefahren beziehungsweise eingestellt. Somit ist gegenüber der MTPA-Regelung eine höhere drehmomentbildende Komponente beziehungsweise ein höherer drehmomentbildender Strom erforderlich, um im Heizbetrieb und im Normalbetrieb das gleiche Drehmoment bereitzustellen. Somit erhöht sich in der MTPF-Regelung gegenüber der MTPA-Regelung der Schlupf und somit die Rotorfeldfrequenz und die Rotorkupferverluste, wobei jedoch das Drehmoment gleich bleibt. Das von der Asynchronmaschine 2 in ihrem Motorbetrieb bereitgestellte Drehmoment wird mit M bezeichnet und ergibt sich zu: M = 3/2 × zp × lq × ΨM
  • Dabei bezeichnet zp die Polpaarzahl, lq die drehmomentbildende Stromkomponente, ld die flussbildende Stromkomponente, Lm die Hauptinduktivität der Asynchronmaschine 2 und ΨM den Hauptfluss der Asynchronmaschine 2. Der Hauptfluss ΨM ergibt sich zu: ΨM = Lm × ld
  • 4 zeigt ein weiteres Diagramm zum Veranschaulichen einer Temperatur des Öls in einem Vergleich zwischen der MTPA-Regelung und der MTPF-Regelung. Auf der Abszisse 31 des in 4 gezeigten Diagramms ist die Zeit insbesondere in der Einheit Sekunden aufgetragen, wobei auf der Ordinate 32 des in 4 gezeigten Diagramms die Temperatur des Öls in der Einheit Grad Celsius aufgetragen ist. Zwei nahezu zusammenfallende Verläufe 33 veranschaulichen die Temperatur des Öls im Vorlauf und im Rücklauf bei der MTPA-Regelung. Ein Verlauf 34 veranschaulicht die Temperatur des Öls im Rücklauf bei der MTPF-Regelung, wobei ein Verlauf 35 die Temperatur des Öls im Vorlauf bei der MTPF-Regelung zeigt. Zu einem Zeitpunkt t erfolgt eine Leistungswegnahme, da beispielsweise die Temperatur des Stators 6 einen vorgebbaren Schwellenwert von beispielsweise 180 Grad Celsius erreicht hat. Die Zeitkonstante des Stators 6 ist wesentlich schneller als die des Öls, das heißt durch eine Abfolge von MTPF-Regelungen kann das Öl schneller als mittels der MTPA-Regelung erhitzt werden. Bei der MTPF-Regelung kann beispielsweise eine manuelle Vorgabe der Flussstrategie erfolgen. Ferner ist es denkbar, die Flussstrategie in Abhängigkeit vom Sollmoment vorzugeben. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft und einfach erwiesen, jeweilige Abweichungen zur wirkungsgradoptimalen Kurve zu berechnen und mit einem Faktor zwischen einschließlich 0 und einschließlich +1 zu multiplizieren, um dadurch das Maß, das heißt die Stärke des Heizbetriebs und somit der durch diesen bewirkten Erwärmung, insbesondere im Kennfeld der Asynchronmaschine 2, bedarfsgerecht und präzise einstellen zu können. Dadurch wird beispielsweise der positive beziehungsweise gewünschte Faktor aufaddiert, so dass die Flussstrategie im gesamtmöglichen Betriebsbereich verschoben werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antriebsstrang
    2
    Asynchronmaschine
    3
    Rad
    4
    Achse
    5
    Gehäuse
    6
    Stator
    7
    Rotor
    8
    Drehachse
    9
    Getriebe
    10
    Welle
    11
    Welle
    12
    Welle
    13
    Welle
    14
    Differentialgetriebe
    15
    Welle
    16
    Schmiermittelversorgungseinrichtung
    17
    Schmiermittelkreislauf
    18
    Pumpe
    19
    Ölsumpf
    20
    erste Seite
    21
    zweite Seite
    22
    Abszisse
    23
    Ordinate
    24
    Verlauf
    25
    Verlauf
    26
    Verlauf
    27
    Abszisse
    28
    Ordinate
    29
    Verlauf
    30
    Verlauf
    31
    Abszisse
    32
    Ordinate
    33
    Verläufe
    34
    Verlauf
    35
    Verlauf
    36
    Recheneinrichtung
    t
    Zeitpunkt

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer einen Stator (6) und einen Rotor (7) aufweisenden Asynchronmaschine (2) eines Aggregats, dessen Getriebe (9) mittels eines Schmiermittels geschmiert wird, das die Asynchronmaschine (2) und das Getriebe (9) durchströmt, wobei die Asynchronmaschine (2) in einem Heizbetrieb betrieben wird, in welchem ein Schlupf der Asynchronmaschine (2) gezielt eingestellt wird, um dadurch das Schmiermittel in der Asynchronmaschine (2) zu erwärmen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Asynchronmaschine (20) nach dem Heizbetrieb in einem weiteren Betriebszustand betrieben wird, in welchem bei gleich bleibendem, von der Asynchronmaschine (2) bereitgestelltem Drehmoment ein gegenüber dem Heizbetrieb größerer, aus dem Drehfeld des Stators (6) resultierender Rotorfluss eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Heizbetrieb eine gegenüber dem weiteren Betriebszustand größere Drehzahl des Drehfelds des Stators (6) eingestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Asynchronmaschine (2) in dem weiteren Betriebszustand mittels MTPA-Regelung betrieben wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Asynchronmaschine (2) in dem weiteren Betriebszustand entlang einer die MTPA-Regelung charakterisierenden MTPA-Kennlinie betrieben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Asynchronmaschine (2) in dem Heizbetrieb entlang einer von der MTPA-Kennlinie unterschiedlichen Heizkennlinie betrieben wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbetrieb in Abhängigkeit von einem Faktor eingestellt wird, welcher vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 0 bis einschließlich +1 liegt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Asynchronmaschine (2) als Traktionsmaschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel den Rotor (7) der Asynchronmaschine (2) durchströmt.
  10. Antriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer einen Stator (6) und einen Rotor (7) aufweisenden Asynchronmaschine (2), einem Getriebe (9), welches mittels eines die Asynchronmaschine (2) und anschließend das Getriebe (9) durchströmenden Schmiermittels zu schmieren ist, und mit einer Recheneinrichtung (36) zum Betreiben der Asynchronmaschine (2), wobei die Recheneinrichtung (36) dazu ausgebildet ist, die Asynchronmaschine (2) in einem Heizbetrieb zu betreiben, in welchem die Recheneinrichtung (36) einen Schlupf der Asynchronmaschine (2) gezielt einstellt, um dadurch das Schmiermittel in der Asynchronmaschine (2) zu erwärmen.
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