DE102016220541A1 - Method for operating a drive system for a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems (10) für ein Fahrzeug, umfassend eine Batterie (14) zur Speicherung elektrischer Energie, einen Zwischenkreiskondensator (16) und mindestens einen Hauptschalter (21, 22), mittels welchem der Zwischenkreiskondensator (16) parallel zu der Batterie (14) schaltbar sowie von der Batterie (14) trennbar ist. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte Vorladen des Zwischenkreiskondensators (16), Schließen des mindestens einen Hauptschalters (21, 22) und Messen einer elektrischen Ladung, welche in einem definierten Zeitintervall durch den mindestens einen Hauptschalter (21, 22) fließt.The invention relates to a method for operating a drive system (10) for a vehicle, comprising a battery (14) for storing electrical energy, a DC link capacitor (16) and at least one main switch (21, 22), by means of which the DC link capacitor (16) in parallel switchable to the battery (14) and from the battery (14) is separable. The method comprises the steps of precharging the intermediate circuit capacitor (16), closing the at least one main switch (21, 22) and measuring an electrical charge which flows through the at least one main switch (21, 22) in a defined time interval.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems für ein Fahrzeug, wobei das Antriebssystem eine Batterie zur Speicherung elektrischer Energie, einen Zwischenkreiskondensator und mindestens einen Hauptschalter umfassend, mittels welchem der Zwischenkreiskondensator parallel zu der Batterie schaltbar sowie von der Batterie trennbar ist.The invention relates to a method for operating a drive system for a vehicle, wherein the drive system comprises a battery for storing electrical energy, an intermediate circuit capacitor and at least one main switch, by means of which the intermediate circuit capacitor is switchable parallel to the battery and separable from the battery.
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Fahrzeugen wie Elektrofahrzeugen (EV), Hybridfahrzeugen (HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (PHEV) vermehrt elektrische und elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Solche Fahrzeuge weisen Antriebssysteme zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebsmotors auf, welcher zum Antrieb des Fahrzeugs dient.It is becoming apparent that in the future, especially in vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HEV) and plug-in hybrid vehicles (PHEV), more and more electrical and electronic systems are being used that combine new energy storage technologies with electric drive technology. Such vehicles have drive systems for controlling an electric drive motor, which serves to drive the vehicle.
Ein gattungsgemäßes Antriebssystem umfasst beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie zur Speicherung elektrischer Energie, welche mehrere Batteriezellen umfasst, sowie eine Leistungselektronik. Der Antriebsmotor ist üblicherweise als dreiphasiger Elektromotor ausgeführt und mittels der Leistungselektronik ansteuerbar. Die Leistungselektronik ist beispielsweise als Wechselrichter ausgeführt, welcher auch als Inverter bezeichnet wird. In dem Inverter wird eine von der Batterie gelieferte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet.A generic drive system includes, for example, a rechargeable battery for storing electrical energy, which comprises a plurality of battery cells, and power electronics. The drive motor is usually designed as a three-phase electric motor and controlled by the power electronics. The power electronics is designed, for example, as an inverter, which is also referred to as an inverter. In the inverter, a DC voltage supplied by the battery is converted to a three-phase AC voltage.
Ein gattungsgemäßes Antriebssystem umfasst ferner einen Hauptschalter, mittels welchem die Batterie zu dem übrigen Antriebssystem zuschaltbar sowie von dem übrigen Antriebssystem abschaltbar ist. Der Hauptschalter ist insbesondere als Schütz, also als ein ansteuerbares elektromechanisches Relais, ausgeführt.A generic drive system further comprises a main switch, by means of which the battery can be switched to the rest of the drive system and switched off from the rest of the drive system. The main switch is designed in particular as a contactor, so as a controllable electromechanical relay.
Zur Stabilisierung der von der Batterie gelieferten Gleichspannung ist ein Zwischenkreiskondensator vorgesehen, welcher parallel zu Eingängen der Leistungselektronik geschaltet ist. Mittels des Hauptschalters ist somit der Zwischenkreiskondensator parallel zu der Batterie schaltbar sowie von der Batterie trennbar.To stabilize the DC voltage supplied by the battery, an intermediate circuit capacitor is provided, which is connected in parallel to inputs of the power electronics. By means of the main switch thus the DC link capacitor can be connected in parallel with the battery and disconnected from the battery.
Der Hauptschalter weist elektrische Kontakte auf, welche einem Verschleiß unterliegen. Ein solcher Verschleiß äußert sich beispielsweise durch ein Verkleben der Kontakte, wodurch der Hauptschalter nicht mehr sicher geschlossen sowie geöffnet werden kann. Der Hauptschalter sollte daher ausgewechselt werden, bevor ein solcher Ausfall durch Verschleiß der Kontakte auftritt. Ein solcher Verschleiß ist insbesondere von dem Schaltstrom abhängig, also von dem Strom, der unmittelbar nach dem Schließen des Hauptschalters durch die Kontakte fließt.The main switch has electrical contacts which are subject to wear. Such wear manifests itself, for example, by sticking of the contacts, whereby the main switch can not be securely closed and opened. The main switch should therefore be replaced before such failure due to wear of the contacts occurs. Such wear is particularly dependent on the switching current, that is, the current flowing through the contacts immediately after closing the main switch.
Aus der
Das Dokument
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems für ein Fahrzeug vorgeschlagen, wobei das Antriebssystem eine Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie, einen Zwischenkreiskondensator und mindestens einen Hauptschalter umfasst. Mittels des Hauptschalters ist der Zwischenkreiskondensator parallel zu der Batterie schaltbar sowie von der Batterie trennbar. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei mehrere Schritte, welche nachfolgend erläutert werden.A method is proposed for operating a drive system for a vehicle, wherein the drive system comprises a battery for storing electrical energy, an intermediate circuit capacitor and at least one main switch. By means of the main switch, the DC link capacitor can be connected in parallel with the battery and disconnected from the battery. The inventive method comprises several steps, which are explained below.
In einem Schritt a) erfolgt ein Vorladen des Zwischenkreiskondensators. Dabei wird eine elektrische Ladung auf den Zwischenkreiskondensator aufgebracht, indem an den Zwischenkreiskondensator eine elektrische Spannung angelegt wird. Das Vorladen geschieht in einem Zeitraum von weniger als einer Sekunde.In a step a), the intermediate circuit capacitor is pre-charged. In this case, an electrical charge is applied to the DC link capacitor by applying an electrical voltage to the DC link capacitor. The pre-charging takes place in a period of less than a second.
Nach dem Vorladen liegt an dem Zwischenkreiskondensator eine Kondensatorspannung an, welcher annähernd der Spannung der Batterie entspricht.After precharging, a capacitor voltage, which approximately corresponds to the voltage of the battery, is applied to the intermediate circuit capacitor.
In einem nachfolgenden Schritt b) wird der mindestens eine Hauptschalter geschlossen. Die Spannung der Batterie ist zu diesem Zeitpunkt noch geringfügig höher als die Kondensatorspannung des Zwischenkreiskondensators. Daher fließt nun ein Schaltstrom von der Batterie durch den Hauptschalter zu dem Zwischenkreiskondensator. Dadurch fließt eine elektrische Ladung von der Batterie auf den Zwischenkreiskondensator, und die Kondensatorspannung des Zwischenkreiskondensators wird somit weiter an die Spannung der Batterie angeglichen.In a subsequent step b), the at least one main switch is closed. The voltage of the battery is at this time still slightly higher than the capacitor voltage of the DC link capacitor. Therefore, now a switching current flows from the battery through the Main switch to the DC link capacitor. As a result, an electric charge from the battery flows to the link capacitor, and the capacitor voltage of the link capacitor is thus further adjusted to the voltage of the battery.
In einem nachfolgenden Schritt c) wird dann eine elektrische Ladung gemessen, welche in einem definierten Zeitintervall durch den mindestens einen Hauptschalter von der Batterie auf den Zwischenkreiskondensator fließt. Die gemessen elektrische Ladung ist dabei von dem zeitlichen Verlauf des Schaltstroms abhängig.In a subsequent step c), an electrical charge is then measured, which flows through the at least one main switch from the battery to the intermediate circuit capacitor in a defined time interval. The measured electrical charge is dependent on the time course of the switching current.
Vorteilhaft umfasst das Antriebssystem des Fahrzeugs ferner einen Vorladewiderstand und einen Vorladeschalter. Dabei wird in dem vorstehend genannten Schritt a) der Zwischenkreiskondensator vorgeladen, indem der Vorladeschalter geschlossen wird, wodurch ein Vorladestrom von der Batterie zu dem Zwischenkreiskondensator fließt. Durch den Vorladewiderstand wird die Höhe des Vorladestroms begrenzt.Advantageously, the drive system of the vehicle further includes a precharge resistor and a precharge switch. In this case, in the aforementioned step a), the intermediate circuit capacitor is precharged by the precharge switch is closed, whereby a precharge current flows from the battery to the intermediate circuit capacitor. The precharge resistor limits the amount of precharge current.
Der Zwischenkreiskondensator muss jedoch nicht zwingend von der erwähnten Batterie des Antriebssystems vorgeladen werden. Es ist auch denkbar, dass zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators eine andere Batterie in dem Fahrzeug oder außerhalb des Fahrzeugs verwendet wird.However, the DC link capacitor does not necessarily have to be precharged by the mentioned battery of the drive system. It is also conceivable that another battery in the vehicle or outside the vehicle is used to pre-charge the DC link capacitor.
Vorzugsweise sind der Vorladewiderstand und der Vorladeschalter dabei parallel zu dem mindestens einen Hauptschalter geschaltet. Der Vorladestrom fließt somit parallel zu dem Hauptschalter. Nach Schließen des Hauptschalters fließt der Schaltstrom durch den Hauptschalter, welcher einen deutlichen geringeren Widerstand als der Vorladewiderstand aufweist und diesen somit überbrückt. Vorteilhaft wird der Vorladeschalter dann nach Schließen des mindestens einen Hauptschalters im Schritt b) geöffnet. Somit kann die Batterie später durch Öffnen des Hauptschalters abgeschaltet werden.Preferably, the precharge resistor and the precharge switch are connected in parallel to the at least one main switch. The precharge current thus flows parallel to the main switch. After closing the main switch, the switching current flows through the main switch, which has a significantly lower resistance than the pre-charging resistor and thus bridges it. Advantageously, the precharge switch is then opened after closing the at least one main switch in step b). Thus, the battery can be turned off later by opening the main switch.
Bevorzugt umfasst das Antriebssystem einen weiteren Hauptschalter. Beispielsweise ist dabei ein erster Hauptschalter mit einem positiven Terminal der Batterie verbunden, und ein zweiter Hauptschalter ist mit einem negativen Terminal der Batterie verbunden. Dabei wird zunächst der weitere Hauptschalter geschlossen, bevor der Zwischenkreiskondensator in dem Schritt a) vorgeladen wird.The drive system preferably comprises a further main switch. For example, a first main switch is connected to a positive terminal of the battery, and a second main switch is connected to a negative terminal of the battery. In this case, the other main switch is first closed before the intermediate circuit capacitor is pre-charged in step a).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in dem Schritt c) die elektrische Ladung gemessen, indem ein Schaltstrom, der durch den mindestens einen Hauptschalter fließt, über das definierte Zeitintervall integriert wird. Das bedeutet, es werden Messwerte des Schaltstroms gemessen, und die besagten Messwerte des Schaltstroms werden dann über das definierte Zeitintervall integriert.According to an advantageous embodiment of the invention, in step c) the electrical charge is measured by integrating a switching current flowing through the at least one main switch over the defined time interval. This means that measured values of the switching current are measured, and the said measured values of the switching current are then integrated over the defined time interval.
Insbesondere wird der Schaltstrom integriert, indem der Schaltstrom abgetastet wird, und dadurch erhaltene Stromabtastwerte zu einem Ladungswert addiert werden. Der so erhaltene Ladungswert stellt ein Maß für die elektrische Ladung dar, die in dem definierten Zeitintervall durch den mindestens einen Hauptschalter geflossen ist.In particular, the switching current is integrated by sampling the switching current and thereby adding current samples obtained to a charge value. The charge value thus obtained represents a measure of the electrical charge that has flowed through the at least one main switch in the defined time interval.
Um den Ladungswert und damit die in dem definierten Zeitintervall durch den mindestens einen Hauptschalter geflossene elektrische Ladung verhältnismäßig exakt zu bestimmen ist es empfehlenswert, eine ausreichend hohe Anzahl von Stromabtastwerten zu erhalten, also den Schaltstrom mit einer ausreichend hohen Abtastfrequenz abzutasten. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Schaltstrom mit einer Abtastfrequenz von mindestens 20 kHz abgetastet wird.In order to determine the charge value and thus the electrical charge which has flowed through the at least one main switch in the defined time interval, it is advisable to obtain a sufficiently high number of current sampled values, that is to sample the switching current with a sufficiently high sampling frequency. It has proven to be advantageous if the switching current is sampled at a sampling frequency of at least 20 kHz.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden der Schritt a), der Schritt b) und der Schritt c) wiederholt ausgeführt. Dabei werden die jeweils erhaltenen Ladungswerte zu einem Gesamtladungswert addiert. Besonders bevorzugt werden dabei der Schritt a), der Schritt b) und der Schritt c) stets ausgeführt, wenn das Antriebssystem eingeschaltet wird, und das Fahrzeug gestartet wird.According to a preferred embodiment of the invention, step a), step b) and step c) are carried out repeatedly. The charge values obtained in each case are added to a total charge value. Particularly preferably, step a), step b) and step c) are always executed when the drive system is switched on and the vehicle is started.
Der Gesamtladungswert stellt dabei ein Maß für die elektrische Ladung dar, die in den besagten mehreren Zeitintervallen, vorzugsweise nach jedem Starten des Fahrzeugs, durch den mindestens einen Hauptschalter geflossen ist. Damit ist der Gesamtladungswert auch ein Maß für die Summe der Ströme, die in den besagten Zeitintervallen durch den mindestens einen Hauptschalter geflossen sind.The total charge value represents a measure of the electrical charge that has flowed through the at least one main switch in the said plurality of time intervals, preferably after each start of the vehicle. Thus, the total charge value is also a measure of the sum of the currents that have flowed through the at least one main switch in the said time intervals.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der so erhaltene Gesamtladungswert mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen. Der Schwellwert ist dabei ein Erfahrungswert, welcher ein Maß für den Verschleiß der Kontakte des Hauptschalters darstellt. Insbesondere ist der besagte Schwellwert derart vorgegeben, dass bei Erreichen des Schwellwerts ein Austausch des Hauptschalters vorgeschlagen wird, um einen Ausfall des Hauptschalters durch Verkleben der Kontakte zu verhindern.According to a preferred embodiment of the invention, the total charge value thus obtained is compared with a predetermined threshold value. The threshold is an empirical value, which represents a measure of the wear of the contacts of the main switch. In particular, the said threshold value is predetermined in such a way that, when the threshold value is reached, an exchange of the main switch is proposed in order to prevent a failure of the main switch by gluing the contacts.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).The method according to the invention advantageously finds use in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV) or in a plug-in hybrid vehicle (PHEV).
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind Ströme sowie elektrische Ladungen, die unmittelbar nach dem Schließen des Hauptschalters durch die Kontakte des Hauptschalters fließen, sehr genau erfassbar. Der Verschleiß der Kontakte des Hauptschalters ist somit sehr genau bestimmbar. Insbesondere kann ein Ausfall des Hauptschalters rechtzeitig vor einem Verkleben der Kontakte prognostiziert werden, und somit kann rechtzeitig ein Austausch des Hauptschalters vorgeschlagen werden.The inventive method are currents and electrical charges, the flowing directly after closing the main switch through the contacts of the main switch, very accurately detectable. The wear of the contacts of the main switch is thus very accurately determined. In particular, a failure of the main switch can be predicted in good time before sticking of the contacts, and thus a timely replacement of the main switch can be proposed.
Zur Ausführung des Verfahrens können Messgeräte und Steuereinheiten verwendet werden, die bereits in dem Antriebssystem sowie in dem Fahrzeug vorhanden sind. Es fallen also keine Kosten für zusätzliche Hardware an. Die besagten Messgeräte und Steuereinheiten verfügen dabei über leistungsfähige Analog-Digital-Wandler und Recheneinheit sowie Speicher. Dadurch sind die Abtastung des Schaltstroms, die Integration sowie die Addition und auch der Vergleich mit dem Schwellwert verhältnismäßig einfach aber trotzdem präzise durchführbar.For carrying out the method, measuring devices and control units already present in the drive system and in the vehicle can be used. So there are no costs for additional hardware. The said measuring devices and control units have powerful analog-to-digital converters and arithmetic unit and memory. As a result, the sampling of the switching current, the integration and the addition as well as the comparison with the threshold value are relatively simple but nevertheless precise.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems und -
2 einen beispielhaften Zeitverlauf von Strom und Kondensatorspannung des Antriebssystems aus1 , -
3 ein beispielhaftes Zeitdiagramm des Antriebssystems aus1 .
-
1 a schematic representation of a drive system and -
2 an exemplary time course of current and capacitor voltage of the drive system1 . -
3 an exemplary timing diagram of the drive system1 ,
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, wherein a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.
In
Das Antriebssystem
Das Antriebssystem
Das Antriebssystem
Das Antriebssystem
Die Steuereinheit
Teil
Nach dem Schließen des Vorladeschalters
Zu einem ersten Zeitpunkt t1 ist der Vorladestrom
Zu dem ersten Zeitpunkt t1 wird der erste Hauptschalter
Unmittelbar vor dem Schließen des ersten Hauptschalters
Die Strommessung ist in Teil
Nach dem zweiten Zeitpunkt t2, zu welchem die Strommessung endet, wird der Ladungszähler des integrierten Schaltkreises mittels des in Teil
Während des besagten Zeitintervalls
Der integrierte Schaltkreis in der Steuereinheit
Das beschriebene Verfahren wird zu jedem Starten des Fahrzeugs wiederholt. Dabei werden die jeweils erhaltenen Ladungswerte zu einem Gesamtladungswert addiert. Der Gesamtladungswert wird ebenfalls in dem integrierten Schaltkreis der Steuereinheit
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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