DE102016106472A1

DE102016106472A1 - Verfahren zum Regeln einer Leistungselektronik

Info

Publication number: DE102016106472A1
Application number: DE102016106472.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2017-10-12
Also published as: CN107276389A; CN107276389B; US20170294901A1; US10155489B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Leistungselektronik für ein Fahrzeug, bei dem unter Beibehaltung eines aktuellen Takts eines Modulators der Leistungselektronik ein Schaltzustand der Leistungselektronik aus einer Anzahl möglicher Schaltzustände der Leistungselektronik in Abhängigkeit mindestens einer im Voraus bereitzustellenden Anforderung an spektrale Eigenschaften eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik ausgewählt und in der Leistungselektronik eingestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Leistungselektronik für ein Fahrzeug sowie einen zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens geeigneten Modulator.
Beim Verwenden von Leistungselektroniken zur Steuerung von bspw. Elektromotoren werden von einer jeweiligen Leistungselektronik umfasste Leistungshalbleiter mit hoher Frequenz geschaltet, um verschiedene Zustände der Leistungselektronik abzubilden. Bedingt durch das Schalten der Leistungshalbleiter erzeugt die Leistungselektronik ein Fehlersignal, das in seiner Frequenz mit weiteren elektrischen Geräten, wie bspw. einem Radioempfänger, wechselwirken kann, wodurch Störgeräusche bzw. Störeffekte entstehen können. Insbesondere bei Steuerungen jeweiliger Leistungshalbleiter mittels Pulsweitenmodulatoren kommt es häufig zu harmonischen Oberschwingungen, die sich als Fehlersignale auf weitere elektrische Geräte auswirken.
Um einen Einfluss von schaltungsbedingten spektralen Änderungen von Leistungselektroniken zu reduzieren, sind im Stand der Technik Verfahren beschrieben, bei denen eine Taktung eines Modulators zum Schalten jeweiliger Leistungshalbleiter jeweiliger Leistungselektroniken geändert wird.
In der US-amerikanischen Druckschrift US 2001 0015 904 A1 wird ein Verfahren zum Verringern von Schaltverlusten beim Schalten von Leistungshalbleitern einer Leistungselektronik offenbart. Dabei werden Steuersignale für jeweilige Leistungshalbleiter in Abhängigkeit von Spannungen jeweiliger Motorphasen bestimmt.
Die US-amerikanische Druckschrift US 2003 0174 081 A1 offenbart einen Inverter mit einem Schaltmodul zur Kontrolle jeweiliger Leistungshalbleiter des Inverters.
Der US-amerikanischen Druckschrift US 2005 0254 265 A1 ist ein Verfahren zum Kontrollieren einer Ausgangsspannung eines Spannungswandlers, der Gleichspannung in eine von einer Kontrolleinheit vorgegebene Ausgangsspannung umwandelt, zu entnehmen.
Ein Frequenzteiler sowie eine Methode zur Frequenzverbreiterung eines Spektrums eines Stromrichters, bei der auf eine ursprüngliche Taktfrequenz ein zusätzliches Signal aufmoduliert wird, ist der US-amerikanischen Druckschrift US 2009 0033 374 A1 zu entnehmen.
Ein Pulsweitenmodulator, basierend auf einem Sigma-Delta Modulator, ist in der US-amerikanischen Druckschrift US 5 901 176 A offenbart.
In der US-amerikanischen Druckschrift US 6 559 698 B1 ist ein Schaltkreis zur Regelung einer Taktrate auf Grundlage eines durch einen Oszillator bereitgestellten Signals offenbart.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Regelung eines von einer Leistungselektronik erzeugten Fehlersignals unter Beibehaltung einer Taktrate zur Schaltung jeweiliger Leistungshalbleiter der Leistungselektronik bereitzustellen.
Es wird ein Verfahren zum Regeln einer Leistungselektronik für ein Fahrzeug vorgestellt, bei dem unter Beibehaltung eines aktuellen Takts eines Modulators der Leistungselektronik ein Schaltzustand der Leistungselektronik aus einer Anzahl möglicher Schaltzustände der Leistungselektronik in Abhängigkeit mindestens einer im Voraus bereitzustellenden Anforderung an spektrale Eigenschaften eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik ausgewählt und in der Leistungselektronik eingestellt wird.
Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen.
Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zum Regeln bzw. Steuern einer Leistungselektronik derart, dass spektrale Eigenschaften, d. h. Amplituden jeweiliger Frequenzen, einer Ausgangsspannung bzw. eines Fehlersignals der Ausgangsspannung der Leistungselektronik gemäß einer vorgegebenen Anforderung angepasst werden. Dazu ist insbesondere vorgesehen, dass in einem jeweiligen Spektrum eines Fehlersignals, d. h. einer Verzerrung der Ausgangsspannung der Leistungselektronik, das bzw. die durch einen Wechsel von Schaltzuständen der Leistungselektronik zustande kommt, mindestens eine spektrale Lücke erzeugt wird. Derartige Lücken sind bspw. für Notch-Filter typisch und entsprechend stark reduzierten Amplituden in einem jeweiligen ausgewählten Frequenzbereich.
Unter spektralen Eigenschaften sind im Kontext der vorgestellten Erfindung insbesondere Amplituden eines jeweiligen Frequenzspektrums eines Fehlersignals der Ausgangsspannung einer jeweiligen Leistungselektronik zu verstehen. Da sich die Amplituden des Frequenzspektrums der Ausgangsspannung des Fehlersignals der Leistungselektronik in Abhängigkeit von Änderungen von Schaltzuständen der Leistungshalbleiter der Leistungselektronik ändern, sind unter spektralen Eigenschaften auch Amplituden eines Frequenzspektrums eines Fehlersignals jeweiliger Leistungshalbleiter der Leistungselektronik zu verstehen.
Unter einem Modulator ist im Kontext der vorliegenden Erfindung ein Modul zur Steuerung von Schaltzeiten jeweiliger Leistungshalbleiter einer Leistungselektronik, insbesondere ein Pulsweitenmodulator, zu verstehen.
Selbstverständlich kann es unter Verwendung des vorgestellten Verfahrens auch vorgesehen sein, die spektralen Eigenschaften einer jeweiligen Leistungselektronik bzw. jeweiliger Leistungshalbleiter der Leistungselektronik dadurch anzupassen, dass aus der Anzahl möglicher Schaltzustände der Leistungselektronik derjenige Schaltzustand ausgewählt wird, der ein Spektrum des Fehlersignals der Ausgangsspannung der Leistungselektronik gegenüber einem aktuellen Schaltzustand der Leistungselektronik derart ändert, dass ein ausgewählter Bereich mit einem bestimmten Faktor gedämpft, d. h. in seiner Amplitude reduziert wird und, dadurch bedingt, ein Einfluss entsprechender Frequenzen des ausgewählten Bereichs auf weitere elektronische Geräte reduziert, insbesondere minimiert wird.
Um einen Einfluss jeweiliger Frequenzen eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer Leistungselektronik auf weitere elektronische Geräte zu dämpfen bzw. zu minimieren, ist insbesondere vorgesehen, dass ausgehend von einer Anzahl vergangener Schaltzustände der Leistungselektronik, für eine Anzahl aktueller und/oder zukünftiger Schaltzustände der Leistungselektronik ein Frequenzspektrum eines entsprechenden Fehlersignals berechnet bzw. simuliert wird. Ausgehend von den simulierten Frequenzspektren der Anzahl Schaltzustände kann derjenige Schaltzustand der Leistungselektronik ausgewählt werden, der eine jeweilige Anforderung bestmöglich erfüllt, d. h. der ein Fehlersignal einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik bewirkt, das in seinen spektralen Eigenschaften der Anforderung entspricht oder eine unter allen alternativen Schaltzustände geringste Abweichung zu der Anforderung zeigt. Sobald der Schaltzustand, der die jeweilige Anforderung bestmöglich erfüllt, feststeht, kann die Leistungselektronik entsprechend eingestellt, d. h. können die jeweiligen Leistungshalbleiter der Leistungselektronik entsprechend geschaltet werden, wodurch eine durchschnittliche Schaltrate der Leistungshalbleiter gleichzeitig eingeregelt wird.
Das vorgestellte Verfahren ermöglicht durch Auswahl von an jeweilige Anforderungen angepassten Schaltzuständen der Leistungselektronik eine entsprechende Anpassung von durch eine Leistungselektronik erzeugten Fehlersignalen bzw. von jeweiligen spektralen Eigenschaften der Fehlersignale einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik, auch ohne dass ein Systemtakt einer Steuerung der Leistungselektronik verändert bzw. moduliert werden muss.
In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens eine Anforderung in Abhängigkeit einer aktuellen Position des Fahrzeugs gewählt wird.
Da sich Anforderungen an elektrische Geräte, wie bspw. CISPR-Grenzwerte in Abhängigkeit von Länderstandards, d. h. in Abhängigkeit einer aktuellen Position eines jeweiligen Fahrzeugs ändern können, ist in Ausgestaltung vorgesehen, jeweilige Anforderungen an ein Frequenzspektrum eines Fehlersignals eines auszuwählenden Schaltzustands einer Leistungselektronik in Abhängigkeit einer aktuellen Position des Fahrzeugs, die bspw. mittels eines GPS-Sensors ermittelt wird, auszuwählen.
Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass die jeweiligen Anforderungen dynamisch an Veränderungen jeweiliger Drittgeräte, wie bspw. an einen an einem Radioempfänger eingestellten Radiosender, angepasst werden. Dazu können bspw. mit einem an dem Radiosender eingestellten Frequenzband mitlaufende, d. h. sich entsprechend einer aktuellen Einstellung des Radiosenders ändernde, spektrale Lücken in einem Frequenzspektrum eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer jeweiligen Leistungselektronik als Grundlage zur Auswahl jeweiliger Anforderungen verwendet werden. Dies bedeutet, dass Schaltzustände einer Leistungselektronik in Abhängigkeit einer Anforderung ausgewählt werden, die sich dynamisch bspw. gemäß einem aktuell eingestellten Radiosender bzw. gemäß einem aktuellen Suchfenster eines Radioempfängers ändert.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens eine Anforderung in Abhängigkeit mindestens eines Fahrzeugparameters des Fahrzeugs gewählt wird.
Neben Veränderungen von Drittgeräten, wie bspw. Radioempfängern, können auch Veränderungen von Fahrzeugparametern, wie bspw. einer Geschwindigkeit, zur Auswahl bzw. zur Änderung einer jeweiligen Anforderung verwendet werden. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens eine Anforderung durch ein von dem Fahrzeug umfasstes Gerät und/oder durch ein einem Nutzer zugeordnetes Gerät vorgegeben wird.
Da auch einem jeweiligen Nutzer zugeordnete Geräte, wie bspw. Smartphones anfällig für Störsignale sind, ist in Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens vorgesehen, dass jeweilige Anforderungen durch ein einem Nutzer zugeordnetes Gerät an sich oder in Kombination mit einem weiteren Gerät, wie bspw. einem Radioempfänger eines jeweiligen Fahrzeugs, vorgegeben bzw. zur Auswahl jeweiliger Anforderungen verwendet werden. Entsprechend kann eine Anforderung dahingehend ausgestaltet sein, dass von einer Leistungselektronik erzeugte Frequenzen, die ein Empfangsfrequenzband des Radioempfängers von bspw. 101MhZ überlagern, d. h. Frequenzen im Bereich von 90MhZ bis 110MhZ, möglichst geringe Amplituden zeigen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass alle möglichen Schaltzustände der Leistungselektronik simuliert und auf ihren Einfluss auf eine Veränderung eines Frequenzspektrums eines Fehlersignals in einem vorgegebenen Zeitbereich des mindestens einen Leistungshalbleiters überprüft werden, wobei derjenige Schaltzustand aus den simulierten Schaltzuständen zur Umsetzung in der Leistungselektronik ausgewählt und in der Leistungselektronik eingestellt wird, der eine der mindestens einen Anforderung nächstkommende Veränderung des Frequenzspektrums bewirkt.
Zur Auswahl eines an einer jeweiligen Leistungselektronik einzustellenden Schaltzustands einer Leistungselektronik aus einer Anzahl simulierter Schaltzustände, ist vorgesehen, dass alle potentiell verfügbaren Schaltzustände simuliert werden und anhand eines Abgleichs von spektralen Eigenschaften von Fehlersignalen entsprechender Ausgangsspannungen der Leistungselektronik und einer vorgegebenen Anforderung derjenige Schaltzustand aus den simulierten Schaltzuständen ausgewählt und in der Leistungselektronik eingestellt wird, der die Anforderung bestmöglich erfüllt, d. h. eine Ausgangsspannung an der Leistungselektronik bewirkt, die die Anforderung bestmöglich erfüllt. Zur Simulation aller verfügbaren Schaltzustände einer Leistungselektronik können jeweilige Leistungshalbleiter in allen möglichen Schaltzuständen und in allen Kombinationen mit allen weiteren Leistungshalbleitern einer Leistungselektronik betrachtet werden. Ein Schaltzustand einer Leistungselektronik gibt insbesondere einen Zustand aller Leistungshalbleiter der entsprechenden Leistungselektronik an.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass das Fehlersignal eines jeden simulierten Schaltzustands der Leistungselektronik mittels einer Sigma-Delta Modulation vorverarbeitet wird, um eine Eignung eines jeweiligen Schaltzustands zur Erfüllung der mindestens einen Anforderung zu ermitteln, wobei als Integratorelement der Sigma-Delta Modulation eine exponentiell abnehmende Fensterfunktion gewählt wird, um einen Einfluss jeweiliger zurückliegender Schaltvorgänge bzw. Schaltzustände der mindestens einen Leistungselektronik auf die Veränderung des Fehlersignals der Leistungselektronik zu reduzieren und insbesondere Schwingungen in dem Fehlersignal zu unterdrücken.
Mittels einer exponentiell abnehmenden Fensterfunktion als Integratorelement einer Sigma-Delta Modulation ist es möglich, einen Einfluss zurückliegender Schaltzustände der Leistungselektronik zu reduzieren und, dadurch bedingt, eine Stabilität der Vorverarbeitung zu erhöhen und einen Einfluss von Schwingungen, die häufig zu Störungen in Drittgeräten führen, auf die Sigma-Delta Modulation zu reduzieren. Die Schaltzustände der Leistungselektronik definieren sich dabei durch Zusammenschau bzw. Zusammenwirken der jeweiligen Schaltzustände der einzelnen Leistungshalbleiter der Leistungselektronik. Zur Veranschaulichung dieses Ansatzes kann das Integratorelement als ein Filter interpretiert werden, der das Fehlersignal gewichtet, um einen spektralen Strafterm, der die Werte von Amplituden ausgewählter Frequenzen, wie bspw. diejenigen von hohen Frequenzen dämpft, zu bilden. Dabei kann der Filter insbesondere einem Zielspektrum gemäß einer jeweiligen Anforderung entsprechen, wobei der Strafterm derart gewählt ist, dass jeweilige Frequenzen derart gedämpft werden, dass sich ein entsprechend gefiltertes Spektrum dem Zielspektrum bestmöglich nähert, indem bspw. Schwingungen in dem Fehlersignal minimiert werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass für den Fall, dass mehrere Anforderungen vorgegeben werden, mittels mindestens eines vorgegebenen Gewichtungsfaktors ein Zielspektrum ermittelt wird, das als Vorgabe zur Auswahl eines jeweiligen Schaltzustands der Leistungselektronik aus den möglichen simulierten Schaltzuständen der Leistungselektronik verwendet wird.
Mittels eines oder mehrerer Gewichtungsfaktoren können unterschiedliche oder sogar gegenläufige Anforderungen gleichzeitig berücksichtigt werden, wie beispielhaft durch Gleichung (1) gezeigt. Dabei werden die beiden Anforderungen "minimale Schaltverluste" und "hohe Genauigkeit", die sich in der Regel gegenläufig verhalten, mittels der Gewichtungsfaktoren Κ und λ gewichtet, so dass beide Anforderungen gemeinsam bzw. zeitgleich bei der Auswahl eines jeweiligen Schaltzustands einer Leistungselektronik berücksichtigt werden können.
Dabei steht
für eine Dichte jeweiliger Schaltaktionen, die einer Dichte jeweiliger Schaltverluste entspricht, λ und Κ für Gewichtungsfaktoren bzw. Ausgleichsparameter, mittels derer zwischen jeweiligen Anforderungen ausbalanciert wird und
für eine spektrale Abweichung bzw. ein Fehlersignal. Weiterhin steht F(ω) für ein Zielspektrum des Fehlersignals, ε ~_s(ω) für ein frequenztransformiertes, d. h. insbesondere Fourier transformiertes Fehlersignal. Ferner gilt Gleichung (2):
Dabei steht (t – t) für ein exponentiell abflachendes Zeitfenster, y_target (t)für ein angestrebtes Ausgangsprofil und y ~_s(t) für ein quantifiziertes Ausgangssignal, bei dem Tilda und der Index s auf Vorhersagewerte für einen auf einen aktuellen Schaltzustand einer jeweiligen Leistungselektronik folgenden Schaltzustand hinweisen, wobei für s bspw. gilt: s ∊{–1,1} für einen 2-Level Inverter. Mittels der p-Norm sind zusätzliche Abstimmungen möglich.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass das Fehlersignal des mindestens einen Leistungshalbleiters mittels einer Filterfunktion vorverarbeitet wird, um eine Eignung eines jeweiligen Schaltzustands zur Erfüllung der mindestens einen Anforderung zu ermitteln.
Um einen jeweiligen optimalen bzw. einen zu einer jeweiligen Anforderung am besten passenden Schaltzustand aus einer Anzahl simulierter Schaltzustände einer Leistungselektronik zu ermitteln, ist vorgesehen, die Fehlersignale der simulierten Schaltzustände hinsichtlich ihrer spektralen Eigenschaften zu untersuchen und im Hinblick auf die jeweilige Anforderung auszuwählen. Zur Beurteilung der Eignung eines jeweiligen Schaltzustands einer Leistungselektronik zur Erfüllung der jeweiligen Anforderung ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass die Fehlersignale der simulierten Schaltzustände der Leistungselektronik mittels einer Filterfunktion vorverarbeitet werden. Als Filterfunktion kann bspw. ein Bandpass bzw. Bandbreitenfilter oder ein Notch-Filter (Kerbfilter bzw. Frequenzsperrfilter) gewählt werden, der ein Frequenzspektrum eines Fehlersignals eines jeweiligen Schaltzustands einer Leistungselektronik an eine durch die Anforderung bestimmte Zielvorgabe annähert, indem bspw. ein bestimmter Frequenzbereich in seiner Amplitude gesenkt wird.
Durch die Vorverarbeitung der Fehlersignale aller simulierten Schaltzustände einer Leistungselektronik kann ein jeweiliger am besten geeigneter Schaltzustand identifiziert und zur Einstellung an einer jeweiligen Leistungselektronik ausgewählt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass als Filterfunktion eine für hohe Frequenzen zu jeweiligen Amplituden einer Anzahl ausgewählter Frequenzen umgekehrt proportional fallende Cut-Off Funktion gewählt wird.
Mittels einer für hohe Frequenzen bzw. entsprechenden Amplituden der hohen Frequenzen umgekehrt proportional fallende Cut-Off Funktion ist es möglich, eine Filtercharakteristik zu erzeugen, wie sie für einen Bandpass typisch ist. Dies bedeutet, dass mittels der für hohe Frequenzen umgekehrt proportional fallenden Cut-Off Funktion eine Flanke eines Spektrums eines Fehlersignals eines Leistungshalbleiters abgeschnitten bzw. in seiner Amplitude stark reduziert werden kann, so dass Einflüsse der hohen Frequenzen minimiert werden. Durch die Anwendung einer Cut-Off Funktion auf ein Spektrum eines Fehlersignals ist es möglich, einen vorgegebenen Frequenzbereich des Spektrums "abzuschneiden" bzw. das Spektrum derart zu filtern, dass der vorgegebene Frequenzbereich in seinen entsprechenden Amplituden gedämpft wird.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass ausgewählte Werte des Frequenzspektrums mittels einer mathematischen Funktion in ihrer Amplitude unter einen vorgegebenen Schwellenwert reduziert werden.
Um für Drittgeräte, wie bspw. Radioempfänger eines Fahrzeugs störende Frequenzen beim Betrieb einer Leistungselektronik, bspw. zur Steuerung eines Elektromotors, zu vermeiden, ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass ausgewählte Frequenzen bzw. Frequenzbereiche, von bspw. 40Hz bis 60Hz mittels einer mathematischen Funktion, wie bspw. einer Filterfunktion, gedämpft, bzw. in ihrer Amplitude reduziert, d. h. in ihrer Intensität geschwächt werden. Durch eine Schwächung von ausgewählten Frequenzbereichen in ihrer Intensität entstehen sogenannte "spektrale Lücken", die insbesondere derart gewählt werden, dass diese in Betriebsbereichen von Drittgeräten gelegt werden, um jeweilige Anforderungen von bspw. den Drittgeräten zu erfüllen. Durch eine selektive Dämpfung ausgewählter Frequenzen ist es möglich, ausgewählte Bereiche eines jeweiligen Frequenzspektrums eines Fehlersignals eines Schaltzustands der Leistungselektronik zu filtern bzw. zu dämpfen, so dass Störungen in den Drittgeräten reduziert bzw. komplett vermieden werden können.
Selbstverständlich ist es möglich, eine Vielzahl von Bereichen in dem jeweiligen Frequenzspektrum mittels der mathematischen Funktion zu filtern bzw. zu dämpfen, wobei jeweilige Bereiche auch dynamisch in Abhängigkeit einer aktuellen Einstellung mindestens eines Drittgeräts des Fahrzeugs gewählt werden können.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass als Schwellenwert eine Amplitude von 40dB gewählt wird.
Erfahrungsgemäß hat sich ein Schwellenwert von 40dB als Schwellenwert für eine Dämpfung jeweiliger Frequenzen bewährt, da bei einer Intensität unterhalb dieses Schwellenwerts ein Einfluss auf Drittgeräte signifikant reduziert wird.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Modulator für eine Leistungselektronik, wobei der Modulator mindestens ein Steuergerät umfasst, das dazu konfiguriert ist, einen Schaltzustand der Leistungselektronik in Abhängigkeit eines Vergleichs von durch mindestens eine Vorgabe vorgegebenen spektralen Anforderungen und jeweiliger Frequenzspektren von Fehlersignalen einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik, die jeweils einem simulierten Schaltzustand der Leistungselektronik entsprechen, auszuwählen und bei gleichbleibender Taktung jeweiliger Schaltraten der Leistungselektronik aus der Anzahl simulierter Schaltzustände an der Leistungselektronik einzustellen.
Der Schaltzustand der Leistungselektronik wird dabei durch ein Zusammenwirken jeweiliger Schaltzustände von durch die Leistungselektronik umfassten Leistungshalbleitern definiert. Die Leistungselektronik umfasst mindestens einen, in der Regel eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern.
Der vorgestellte Modulator dient insbesondere zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens.
In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Modulators ist vorgesehen, dass das Steuergerät weiterhin dazu konfiguriert ist, in dem Frequenzspektrum mittels der mathematischen Funktion in Abhängigkeit der mindestens einen Anforderung spektrale Lücken zu erzeugen.
Durch Erzeugen "spektraler Lücken", d. h. einer Dämpfung von ausgewählten Frequenzen in einem Frequenzspektrum eines Fehlersignals eines Schaltzustands einer Leistungselektronik, ist es möglich, eine jeweilige Leistungselektronik so zu betreiben, dass jeweilige Drittgeräte eines Fahrzeugs bzw. eines Nutzers nicht in ihrem Betrieb beeinträchtigt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens, bei dem in Abhängigkeit einer aktuellen Position eines jeweiligen Fahrzeugs eine Vorgabe zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens ausgewählt wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufs einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
3 zeigt Auswirkungen verschieden gewählter Gewichtungsfaktoren bei der Berechnung eines Frequenzspektrums eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer Leistungselektronik gemäß einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
4 zeigt Auswirkungen einer Filterfunktion zur Überlagerung eines Frequenzspektrums eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer Leistungselektronik gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
5 zeigt Auswirkungen einer weiteren Filterfunktion zur Überlagerung eines Frequenzspektrum eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer Leistungselektronik gemäß noch einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
In 1 ist ein Fahrzeug 1 dargestellt, das ein Drittgerät in Form eines Radioempfängers 3 sowie eine Leistungselektronik zur Steuerung eines Elektromotors des Fahrzeugs umfasst.
Da der Radioempfänger 3 in Abhängigkeit einer aktuellen Position des Fahrzeugs eingestellt wird, um bspw. nationalen Vorgaben zu entsprechen, wird die aktuelle Position des Fahrzeugs 1 mittels eines GPS-Systems 5 erfasst. Mittels der aktuellen Position des Fahrzeugs 1 werden entsprechende nationale Vorgaben aus einer Datenbank 7 abgefragt und Vorgaben an ein Fehlersignal einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik erzeugt. In Abhängigkeit der Vorgaben wird ein Zielwert für ein Spektrum des Fehlersignals der Ausgangsspannung der Leistungselektronik erzeugt. Dieser Zielwert bzw. ein entsprechendes Zielspektrum 9 wird als Ausgangswert für einen Vergleich verwendet, bei dem alle möglichen Schaltzustände der Leistungselektronik simuliert und auf ihre spektralen Auswirkungen auf die Ausgangsspannung der Leistungselektronik hin untersucht werden. Dies bedeutet, dass jedes Frequenzspektrum eines Fehlersignals einer gemäß einem jeweiligen simulierten Schaltzustands einer Leistungselektronik erzeugten Ausgangsspannung mit dem Zielspektrum 9 verglichen wird und der Schaltzustand aus der Anzahl simulierter Schaltzustände ausgewählt wird, der eine Ausgangsspannung bewirkt, die dem Zielspektrum bestmöglich entspricht.
Um jeweilige Anforderungen zu erfüllen, kann das Zielspektrum 9 insbesondere spektrale Lücken aufweisen, in denen die Amplituden jeweiliger Frequenzen besonders stark gedämpft sind.
Bei dem in 2 dargestellten Ablauf sind Sollwerte 21 durch jeweilige spezifizierte Anforderungen und vergangene Werte 23 aus einer Historie von Schaltzuständen einer Leistungselektronik bekannt. Ausgehend von den vergangenen Werten 23 werden alle möglichen alternativen Schaltzustände der Leistungselektronik in einem Alternativenbildungsschritt 25 ermittelt. Für jeden Schaltzustand der in dem Alternativenbildungsschritt 25 ermittelten Schaltzustände wird unabhängig voneinander ein entsprechendes Fehlersignal in einem Schritt 27 bzw. 27' ermittelt und in Frequenztransformationsschritten 28 und 29 bzw. 28' und 29', bei denen eine Fouriertransformation eines ausgewählten Zeitbereichs berechnet wird, auf seine spektralen Bestandteile hin untersucht. Selbstverständlich können die Frequenztransformationsschritte 28 und 29 bzw. 28' und 29' unter Verwendung von Kurzzeitfrequenzanalysen, wie bspw. Wavelets, zu einem Schritt 30 zusammengefasst werden. Auf die jeweiligen durch die Frequenztransformationsschritte 28 und 29 bzw. 28' und 29' berechneten Frequenzspektren werden in einem Schritt 31 bzw. 31' ausgewählte mathematische Funktionen, wie bspw. Filter und/oder Normfunktionen angewandt, um deren Entsprechung zu jeweiligen Anforderungen zu beurteilen und in einem Auswahlschritt 33 den Schaltzustand der Leistungselektronik auszuwählen, der eine Ausgangsspannung der Leistungselektronik bewirkt, die die Anforderungen bestmöglich erfüllt und diesen entsprechend mittels eines Modulators, wie bspw. eines Pulsweitenmodulators in einem Stellschritt 35 an der Leistungselektronik einzustellen. Zur Beurteilung, ob ein jeweiliges Frequenzspektrum eine jeweilige Anforderung bestmöglich erfüllt, kann bspw. eine Differenz zwischen einem der Anforderung entsprechenden Spektrum und einem jeweiligen Spektrum, das einem bestimmten Schaltzustand aus den in Schritt 25 ermittelten alternativen Schaltzuständen zugeordnet ist, berechnet werden.
Einem jeweiligen Schaltzustand der Leistungselektronik ist eine oder eine Mehrzahl von Konfigurationen von Schaltzuständen der von der Leistungselektronik umfassten Leistungshalbleiter zugeordnet. Dies bedeutet, dass ein jeweiliger Schaltzustand der Leistungselektronik durch eine bestimmte Konfiguration von Schaltzuständen der einzelnen Leistungshalbleiter der Leistungselektronik realisiert wird. Dabei ist es denkbar, dass es zur Realisierung eines Schaltzustands der Leistungselektronik mehrere alternative Konfigurationen von Schaltzuständen der Leistungshalbleiter gibt.
In 3 sind ein erstes Spektrum 31 und ein zweites Spektrum 33 dargestellt, wobei das erste Spektrum 31 und das zweite Spektrum 33 jeweils in einem Diagramm eingetragen sind, das sich auf der Abszisse über eine Frequenz in [Hz] und auf der Ordinate über eine normierte relative Amplitude erstreckt.
Das erste Spektrum 31 zeigt Auswirkungen unterschiedlich gewählter Gewichtungsfaktoren auf eine Gleichung, mittels derer zwei Anforderungen simultan bei der Berechnung eines Spektrums eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung einer Leistungselektronik berücksichtigt werden. Mittels der Gewichtungsfaktoren werden Faktoren der Gleichung gemäß der zwei Anforderungen derart anpasst, dass ein entsprechendes Spektrum den zwei Anforderungen bestmöglich entspricht, d. h. geringstmögliche Abweichungen von durch die zwei Anforderungen vorgegebenen Zielspektren zeigt. Vorliegend zeigt das erste Spektrum 31 die Auswirkungen der Auswahl von kleinen Werten bei der Bestimmung eines ersten Gewichtungsfaktors, so dass niedrige Frequenzen, bspw. in einem Bereich 35 im Vergleich zu höheren Frequenzen in einem Bereich 37 verhältnismäßig stark gedämpft werden. Durch den Einfluss des zweiten Gewichtungsfaktors kommt es jedoch im Bereich 35 zu einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Ausreißern 39, die zu Störungen in Drittgeräten führen könnten.
Der verhältnismäßig große Ausreißer 41, der ebenfalls in den 4 und 5 zu sehen ist, resultiert aus einem 50Hz -Brummen, das unabhängig von einem Schaltzustand der Leistungselektronik vorliegt und ist daher nicht Gegenstand der Untersuchung.
Der Fall, dass große Werte zur Bestimmung des ersten Gewichtungsfaktors gewählt werden, so dass niedrige Werte eines jeweiligen Störsignals toleriert bzw. höhere Werte des Störsignals gedämpft werden, ist durch das zweite Spektrum 33 dargestellt, das insbesondere bei hohen Frequenzen gedämpft wird, wobei einzelne sehr starke Ausreißer 39 auftreten, die als Störsignale Einfluss auf Drittgeräte haben könnten. Es hat sich herausgestellt, dass eine Möglichkeit zur Reduktion der Ausreißer 39 darin besteht, eine Anzahl von Simulationsschritten von Schaltzuständen der Leistungselektronik und damit verbunden von jeweiligen Schaltzuständen der Leistungshalbleiter, die bei der Berechnung des zweiten Spektrums 33 berücksichtigt werden, zu erhöhen. Dies bedeutet, dass eine Simulation von einer Vielzahl, wie bspw. 2, 5, 10 oder 100 in der Zukunft liegenden Schaltzuständen, die Ausreißer reduziert bzw. minimiert.
In 4 ist ein Spektrum 43 dargestellt, das in ein Diagramm eingetragen wurde, das sich auf der Abszisse über eine Frequenz in [Hz] und auf der Ordinate über eine normierte relative Amplitude erstreckt. Durch Anwendung einer Filterfunktion wurde ein dem Spektrum 43 zugrundeliegendes Fehlersignal derart aufbereitet, dass das Spektrum 43 einen stark abflachenden Randbereich 45 zeigt, durch den jeweilige Störfrequenzen gemäß einer jeweiligen Anforderung herausgefiltert bzw. unterdrückt werden können.
In 5 ist ein Spektrum 51 dargestellt, das in ein Diagramm eingetragen wurde, das sich auf der Abszisse über eine Frequenz in [Hz] und auf der Ordinate über eine normierte relative Amplitude erstreckt. Durch Anwendung einer mathematischen Filterfunktion wurde ein Bereich 53 innerhalb des Spektrums 51, bei ca. 5000Hz mit einer Breite von ca. 400 Hz gedämpft, um eine spektrale Lücke in dem Spektrum 51 zu erzeugen, so dass ein Drittgerät, dass sensitiv für Störsignale im Bereich von 5000Hz ist, störungslos parallel zu einer entsprechend geregelten Leistungselektronik betrieben werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20010015904 A1 [0004]
US 20030174081 A1 [0005]
US 20050254265 A1 [0006]
US 20090033374 A1 [0007]
US 5901176 A [0008]
US 6559698 B1 [0009]

Claims

Verfahren zum Regeln einer Leistungselektronik für ein Fahrzeug, bei dem unter Beibehaltung eines aktuellen Takts eines Modulators der Leistungselektronik ein Schaltzustand der Leistungselektronik aus einer Anzahl möglicher Schaltzustände der Leistungselektronik in Abhängigkeit mindestens einer im Voraus bereitzustellenden Anforderung an spektrale Eigenschaften eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik ausgewählt und in der Leistungselektronik eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Anforderung in Abhängigkeit einer aktuellen Position des Fahrzeugs gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die mindestens eine Anforderung in Abhängigkeit mindestens eines Fahrzeugparameters des Fahrzeugs gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Anforderung durch ein von dem Fahrzeug umfasstes Gerät und/oder durch ein einem Nutzer zugeordnetes Gerät vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem alle möglichen Schaltzustände der Leistungselektronik simuliert und auf ihren Einfluss auf eine Veränderung eines Frequenzspektrums des Fehlersignals der Ausgangsspannung der Leistungselektronik in einem vorgegebenen Zeitbereich überprüft werden, und wobei derjenige Schaltzustand aus den simulierten Schaltzuständen zur Umsetzung in der Leistungselektronik ausgewählt und in der Leistungselektronik eingestellt wird, der die mindestens eine Anforderung bestmöglich erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Fehlersignal eines jeden simulierten Schaltzustands der Leistungselektronik mittels einer Sigma-Delta Modulation vorverarbeitet wird, um eine Eignung eines jeweiligen Schaltzustands der Leistungselektronik zur Erfüllung der mindestens einen Anforderung zu ermitteln, wobei als Integratorelement der Sigma-Delta Modulation eine exponentiell abnehmende Fensterfunktion gewählt wird, um einen Einfluss jeweiliger vorausgegangener Schaltzustände der Leistungselektronik auf die Veränderung des Fehlersignals zu reduzieren und insbesondere Schwingungen zu unterdrücken.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem für den Fall, dass mehrere Anforderungen vorgegeben werden, mittels mindestens eines vorgegebenen Gewichtungsfaktors ein Zielspektrum ermittelt wird, das als Vorgabe zur Auswahl eines jeweiligen Schaltzustands der Leistungselektronik aus den möglichen simulierten Schaltzuständen der Leistungselektronik verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Fehlersignal der Ausgangsspannung der Leistungselektronik mittels einer Filterfunktion vorverarbeitet wird, um eine Eignung eines jeweiligen Schaltzustands der Leistungselektronik zur Erfüllung der mindestens einen Anforderung zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem als Filterfunktion eine für hohe Frequenzen zu jeweiligen Amplituden einer Anzahl ausgewählter Frequenzen umgekehrt proportional fallende Cut-Off Funktion gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ausgewählte Werte des Frequenzspektrums mittels einer mathematischen Funktion in ihrer Amplitude unter einen vorgegebenen Schwellenwert reduziert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem als Schwellenwert eine Amplitude von 40dB gewählt wird.
Modulator für eine Leistungselektronik, wobei der Modulator mindestens ein Steuergerät umfasst, das dazu konfiguriert ist, einen Schaltzustand der Leistungselektronik aus einer Anzahl simulierter Schaltzustände in Abhängigkeit eines Vergleichs von mindestens einer im Voraus bereitzustellenden Anforderung an spektrale Eigenschaften (9) eines Fehlersignals einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik mit jeweiligen Frequenzspektren (31, 33, 43, 51) von Fehlersignalen einer Ausgangsspannung der Leistungselektronik, die jeweils einem simulierten Schaltzustand der Leistungselektronik entsprechen, auszuwählen und bei gleichbleibender Taktung jeweiliger Schaltraten der Leistungselektronik an der Leistungselektronik einzustellen.
Modulator nach Anspruch 12, wobei das Steuergerät weiterhin dazu konfiguriert ist, in einem jeweiligen Frequenzspektrum (31, 33, 43, 51) mittels mindestens einer mathematischen Funktion in Abhängigkeit der mindestens einen Anforderung spektrale Lücken (53) zu erzeugen.