DE102018205514A1 - Regelungsvorrichtung zur Stromregelung einer Drehfeldmaschine eines Kraftfahrzeugs, Verfahren zur Stromregelung, Antriebseinheit sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelungsvorrichtung (3) zur Stromregelung einer Drehfeldmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, mit- einem Stromregler (4) zum Bestimmen einer Grundschwingung (u1, u2, u3) einer Ausgangsspannung für einen jeweiligen Arbeitspunkt,- einer Steuereinrichtung (6) zum Modulieren der Ausgangsspannung durch Ansteuern eines Stromrichters (5) der Regelungsvorrichtung (3) basierend auf einem für den jeweiligen Arbeitspunkt offline-optimierten Pulsmuster (P), und- einem Stromsensor (8) zum Abtasten eines aus dem verwendeten Pulsmuster (P) resultierenden, oberschwingungsbehafteten Ausgangsstroms (ir1, ir2, ir3) des Stromrichters (5) und zum Rückführen des abgetasteten Ausgangsstroms zu dem Stromregler (4), wobei Abtastzeitpunkte (A1, A2, A3, A4, A5, A6) zum Abtasten des Ausgangsstroms (ir1, ir2, ir3) pulsmusterspezifisch offline-optimiert sind und als diejenigen Zeitpunkte vorbestimmt sind, bei welchen eine Abweichung zwischen dem oberschwingungsbehafteten Ausgangsstrom (ir1, ir2, ir3) und einer Grundschwingung (i1) des Ausgangsstroms kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren, eine Antriebseinheit (1) sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Regelungsvorrichtung zur Stromregelung einer Drehfeldmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Regelungsvorrichtung weist einen Stromregler auf, welcher dazu ausgelegt ist, für einen jeweiligen Arbeitspunkt eine Grundschwingung einer Ausgangsspannung zu bestimmen. Außerdem weist die Regelungsvorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, die Ausgangsspannung durch Ansteuern eines Stromrichters der Regelungsvorrichtung basierend auf einem vorbestimmten Pulsmuster zu modulieren, welches für den jeweiligen Arbeitspunkt hinsichtlich eines minimalen Stromoberschwingungsgehalts offline-optimiert ist. Ferner umfasst die Regelungsvorrichtung einen Stromsensor, welcher dazu ausgelegt ist, einen aus dem verwendeten Pulsmuster resultierenden, oberschwingungsbehafteten Ausgangsstrom des Stromrichters abzutasten und dem Stromregler rückzuführen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Stromregelung, eine Antriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug.
• Vorliegend richtet sich das Interesse auf drehzahlvariable Drehfeldmaschinen bzw. Drehstrommaschinen, welche beispielsweise als Antriebsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge eingesetzt werden können. Eine solche Drehfeldmaschine kann beispielsweise eine Dreiphasen-Drehfeldmaschine sein, deren drei Phasen mittels eines Stromrichters zum Bereitstellen einer bestimmten Drehzahl mit einem bestimmten Sollstrom bestromt werden. Dazu weist der Stromrichter eine mit der Anzahl an Phasen korrespondierende Anzahl an Stromrichterhalbbrücken mit steuerbaren Schaltern auf. Zum drehzahlvariablen Betreiben der Drehfeldmaschine können die Schalter beispielsweise auf Basis der Raumzeigermodulation angesteuert werden. Mittels der Raumzeigermodulation werden Ausgangsspannungen der Stromrichterhalbbrücken mit einer durch einen Stromregler für einen jeweiligen Arbeitspunkt vorgegebenen Grundschwingung erzeugt. Die Raumzeigermodulation ist jedoch für bestimmte Arbeitspunkte nicht geeignet, da sie oberschwingungsbehaftete Ausgangsströme bzw. Stromverzerrungen zur Folge hat. Solche Arbeitspunkte sind durch einen hohen Aussteuergrad sowie eine niedrige Schaltfrequenz der Schalter des Stromrichters gekennzeichnet.
• Dazu ist aus der DE 196 26 447 A1 bekannt, die Ausgangsspannungen auf Basis optimierter Pulsmuster zu modulieren. Diese optimierten Pulsmuster werden abhängig von dem bereitzustellenden Arbeitspunkt vorbestimmt und resultieren in Ausgangsströmen des Stromrichters mit einem geringeren Stromoberschwingungsgehalt. Wird dieser Ausgangsstrom nun zu Zeitpunkten abgetastet, an welchen Stromoberschwingungen bzw. Stromrippel auftreten, und wird dieser ungünstig abgetastete Ausgangsstrom dem Stromregler zurückgeführt, so versucht dieser, die Abweichungen zwischen dem Sollstrom und dem abgetasteten Ausgangsstrom durch Anpassen der Ausgangsspannung auszugleichen. Dies ist jedoch nicht zielführend, da die durch die Stromoberschwingungen verursachten Abweichungen nicht durch den Stromregler beeinflusst werden können. Daher schlägt die DE 196 26 447 A1 außerdem vor, den Ausgangsstrom zunächst synchron mit dem Pulsmuster abzutasten. Zum Korrigieren des Ausgangsstroms werden die Anteile des Stromrippels, welche von dem optimierten Pulsmuster abhängen, von dem abgetasteten Ausgangsstrom subtrahiert und der so korrigierte Ausgangsstrom wird der Stromregelung zugeführt. Dazu müssen die Anteile des Stromrippels geschätzt und parametrisiert werden, was zu ungenauen Ergebnissen führen.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Lösung zum Bereitstellen einer zuverlässigen Stromregelung für eine Drehfeldmaschine eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Regelungsvorrichtung, ein Verfahren, eine Antriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
• Eine erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung dient zur Stromregelung einer Drehfeldmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Regelungsvorrichtung umfasst einen Stromregler, welcher dazu ausgelegt ist, für einen jeweiligen Arbeitspunkt eine Grundschwingung einer Ausgangsspannung zu bestimmen. Außerdem umfasst die Regelungsvorrichtung eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die Ausgangsspannung durch Ansteuern eines Stromrichters der Regelungsvorrichtung basierend auf einem vorbestimmten Pulsmuster zu modulieren, welches für den jeweiligen Arbeitspunkt hinsichtlich eines minimalen Stromoberschwingungsgehalts offline-optimiert ist. Ein Stromsensor der Regelungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, einen aus dem verwendeten Pulsmuster resultierenden, oberschwingungsbehafteten Ausgangsstrom des Stromrichters abzutasten und dem Stromregler rückzuführen. Darüber hinaus sind Abtastzeitpunkte zum Abtasten des Ausgangsstroms hinsichtlich des verwendeten Pulsmuster offline-optimiert und als diejenigen Zeitpunkte vorbestimmt, bei welchen eine Abweichung zwischen dem oberschwingungsbehafteten Ausgangsstrom und einer Grundschwingung des Ausgangsstroms kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
• Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Stromregelung einer Drehfeldmaschine eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Verfahren wird durch einen Stromregler für einen jeweiligen Arbeitspunkt eine Grundschwingung einer Ausgangsspannung bestimmt. Mittels eines Stromrichters wird die Ausgangsspannung basierend auf einem vorbestimmten Pulsmuster moduliert, welches für den jeweiligen Arbeitspunkt hinsichtlich eines minimalen Stromoberschwingungsgehalts offline-optimiert ist. Außerdem wird durch einen Stromsensor ein aus dem verwendeten Pulsmuster resultierender, oberschwingungsbehafteter Ausgangsstrom des Stromrichters abgetastet und dem Stromregler rückgeführt. Darüber hinaus werden Abtastzeitpunkte zum Abtasten des Ausgangsstroms hinsichtlich des verwendeten Pulsmuster offline-optimiert und für die Stromregelung im Betrieb der Drehfeldmaschine bereitgestellt. Die Abtastzeitpunkte werden als diejenigen Zeitpunkte vorbestimmt, bei welchen eine Abweichung zwischen dem oberschwingungsbehafteten Ausgangsstrom und einer Grundschwingung des Ausgangsstroms kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
• Die Drehfeldmaschine und die Regelungsvorrichtung mit dem Stromrichter bilden einen Regelkreis. Die Drehfeldmaschine ist insbesondere eine drehzahlvariable, mehrphasige Drehfeldmaschine, welche als eine Antriebsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Zum Bestromen von Phasen der elektrischen Maschine ist der Stromrichter vorgesehen, welcher eine mit der Anzahl an Phasen korrespondierende Anzahl an Stromrichterhalbbrücken mit steuerbaren Schaltern aufweist. Solche Schalter sind insbesondere Halbleiterschalter in Form von Leistung-MOSFETs oder IGBTs. Die Drehfeldmaschine und der Stromrichter der Regelungsvorrichtung bilden die Regelstrecke des Regelkreises aus.
• Zum Bereitstellen eines bestimmten Arbeitspunktes, zu welchem die Drehfeldmaschine eine bestimmte Drehzahl aufweist, werden die einzelnen Phasen mit bestimmten Sollströmen bestromt, welche als Ausgangsströme des Stromrichters bereitgestellt werden. Zum Bereitstellen dieser Sollströme werden Sollwerte für die Grundschwingungen der Ausgangsspannungen durch den Stromregler bestimmt und vorgegeben. Diese Sollwerte sind insbesondere Sollwerte für die Grundschwingungsamplitude und die Grundschwingungsfrequenz der Ausgangsspannungen. Diese Ausgangsspannungen werden durch den Stromrichter moduliert und werden am Ausgang der Stromrichterhabbrücken bereitgestellt.
• Zum Modulieren bzw. Erzeugen der Ausgangsspannungen wird eine sogenannte Pulsmustermodulation durchgeführt. Dazu werden offline, also beispielsweise bei einem herstellerseitigen Testbetrieb der Drehfeldmaschine, arbeitspunktspezifische Pulsmuster bestimmt. Das Pulsmuster wird dabei durch Schaltwinkel für die Schalter des Stromrichters charakterisiert bzw. beschrieben und ist derart bestimmt, dass ein aus dem Pulsmuster resultierender Ausgangsstrom reduzierte Oberschwingungen bzw. Verzerrungen aufweist. Ein Arbeitspunkt kann beispielsweise durch einen bestimmten Aussteuergrad der Drehfeldmaschine sowie ein Pulsverhältnis beschrieben werden. Der Aussteuergrad bzw. Modulationsgrad ist das Verhältnis zwischen der zum Einstellen der Drehzahl bereitzustellenden Grundschwingungsamplitude der Ausgangsspannung des Stromrichters und der physikalisch maximal möglichen Grundschwingungsamplitude der Ausgangsspannung des Stromrichters. Das Pulsverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Schaltfrequenz der Schalter des Stromrichters und der zum Einstellen der Drehzahl bereitzustellenden Grundschwingungsfrequenz der Ausgangsspannung des Stromrichters. Das Pulsverhältnis legt beispielsweise die Anzahl an möglichen Schaltwinkeln innerhalb einer Viertelschwingung des Pulsmusters fest.
• Um nun einen bestimmten Arbeitspunkt zu realisieren, wird also das zu diesem Arbeitspunkt korrespondierende offline-optimierte Pulsmuster bereitgestellt, indem die Schalter des Stromrichters entsprechend der offline-optimierten Schaltwinkel dieses Pulsmusters angesteuert werden. Die am Ausgang des Stromrichters bereitgestellten, pulsförmigen Ausgangsspannungen der Stromrichterhalbbrücken resultieren aufgrund der Phasenwicklungen der Drehfeldmaschine in nahezu sinusförmigen Ausgangsströmen, welche jedoch nach wie vor oberschwingungsbehaftet sein können. Diese oberschwingungsbehafteten Ausgangsströme werden nun abgetastet, um den abgetasteten Ausgangsstrom dem Stromregler rückführen zu können. Die Abtastung erfolgt dabei am Ausgang des Stromrichters mittels eines Stromsensors. Würde nun zu Zeitpunkten abgetastet, zu welchen Oberschwingungen auftreten, so würde der Stromregler eine oberschwingungsbedingte Abweichung zwischen dem Ausgangsstrom und dem Sollstrom erkennen. Obwohl der Stromregler die Oberschwingungen nicht beeinflussen kann, würde er zur Stromregelung die Grundschwingung der Ausgangsspannung anpassen.
• Daher werden zusätzlich zu dem offline-optimierten Pulsmuster auch pulsmusterspezifische Abtastzeitpunkte vorbestimmt und als offline-optimierte Abtastzeitpunkte für die Abtastung bereitgestellt. Dazu werden diejenigen Zeitpunkte bestimmt, zu welchen die Abweichung zwischen dem oberwellenbehafteten Ausgangsstrom und der Grundschwingung des Ausgangsstroms minimal ist. Solche Zeitpunkte werden insbesondere bei Schnittpunkten zwischen dem oberwellenbehafteten Ausgangsstrom und der Grundschwingung des Ausgangsstroms bestimmt. Bei diesen Zeitpunkten sind die Stromverzerrungen nämlich minimal. Der Schwellwert beträgt also in etwa Null. Im Betrieb der Drehfeldmaschine wird also zunächst das für den bereitzustellenden Arbeitspunkt notwendige offline-optimierte Pulsmuster bereitgestellt und der Stromrichter basierend auf dem Pulsmuster betrieben. Dann werden die zu dem verwendeten Pulsmuster korrespondierenden, oberschwingungsminimalen Abtastzeitpunkte bereitgestellt. Der oberschwingungsbehaftete Ausgangsstrom wird zu diesen Abtastzeitpunkten abgetastet und dem Stromregler für einen Vergleich mit dem Sollstrom rückgeführt.
• Die Regelungsvorrichtung bzw. das Verfahren ermöglichen die Kombination aus optimalen Pulsmustern und bestmöglichen Abtastzeitpunkten. Durch die Vorgabe der verzerrungsminimalen Abtastzeitpunkte kann außerdem auf eine aufwändige und ungenaue Parametrisierung von Stromrippeln verzichtet werden. So können auf einfache Weise Stromverzerrungen minimiert werden und eine zuverlässige Stromregelung kann bereitgestellt werden.
• Vorzugsweise ist das vorbestimmte Pulsmuster ein offline-optimiertes Pulsmuster mit Viertelschwingungssymmetrie. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, die Schalter des Stromrichters basierend auf dem offline-optimierten Pulsmuster mit Viertelschwingungssymmetrie anzusteuern. Das Plusmuster kann außerdem zusätzlich eine Halbschwingungssymmetrie aufweisen. Durch ein solches Pulsmuster werden Oberschwingungen bzw. Harmonische gerader Ordnung reduziert bzw. eliminiert. Zusätzlich zur vorgegebenen Viertelschwingungssymmetrie ist durch das Pulsverhältnis die Anzahl an Schaltwinkeln pro Viertelschwingung vorgegeben, sodass das Pulsmuster durch das Schaltwinkelintervall [0, π/2] vollständig definiert ist.
• Es erweist sich als vorteilhaft, wenn Zuordnungen von Arbeitspunkten und offline-optimierten Pulsmustern vorbestimmt sind und in einer Speichereinrichtung hinterlegt sind, und die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, dasjenige offline-optimierte Pulsmuster zum Ansteuern der Schalter aus den Zuordnungen auszuwählen, welches mit dem jeweiligen Arbeitspunkt korrespondiert. Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn Zuordnungen von offline-optimierten Pulsmustern und oberschwingungsminimalen Abtastzeitpunkten vorbestimmt sind und in einer Speichereinrichtung hinterlegt sind, und die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, diejenigen Abtastzeitpunkte aus den Zuordnungen auszuwählen und für den Stromsensor zum Abtasten des oberschwingungsbehafteten Ausgangsstroms bereitzustellen, welche mit dem aktuell verwendeten Pulsmuster korrespondieren.
• Die Regelungsvorrichtung kann beispielsweise die Speichereinrichtung aufweisen, in welcher die Zuordnungen in Form von Umsetzungstabellen bzw. Lookup-Tabellen hinterlegt ist. Dazu sind verschiedenen Arbeitspunkten in Form von unterschiedlichen Kombinationen aus Aussteuergraden und Pulsverhältnissen jeweilige vorbestimmte offline-optimierte Pulsmuster bzw. deren Schaltwinkel zugeordnet. Diesen offline-optimierten Pulsmustern bzw. den offline-optimierten Schaltwinkel können wiederum vorbestimmte offline-optimierte, verzerrungsminimale Abtastzeitpunkte zugeordnet sein. Die in der Speichereinrichtung abgespeicherte Umsetzungstabelle wird dann im Betrieb der Drehfeldmaschine von der Steuereinrichtung ausgelesen, welche daraufhin die Schalter des Stromrichters sowie den Stromsensor ansteuern kann. Somit kann eine besonders einfache und unaufwändige Stromregelung der Drehfeldmaschine bereitgestellt werden.
• Auch kann vorgesehen sein, dass eine Abtastrate vorgegeben ist, und die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, eine mit der Abtastrate korrespondierende Anzahl an zu verwendenden pulsmusterspezifischen Abtastzeitpunkten pro Grundschwingung aus den Zuordnungen auszuwählen. Die Anzahl an Abtastzeitpunkten ist also frei wählbar und kann im Betrieb der Drehfeldmaschine verändert werden.
• In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Arbeitspunkt durch einen von einer Grundschwingungsamplitude der Ausgangsspannung abhängigen Aussteuergrad und durch ein Pulsverhältnis aus einer vorbestimmten Schaltfrequenz für Schalter des Stromrichters und einer Grundschwingungsfrequenz der Ausgangsspannung bestimmt, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die Pulsmustermodulation bereitzustellen, falls ein Aussteuergrad größer als ein vorbestimmter Aussteuergrad-Schwellwert ist und/oder ein Pulsverhältnis kleiner als ein vorbestimmter Pulsverhältnis-Schwellwert ist, und andernfalls eine Raumzeigermodulation für dem Stromrichter bereitzustellen. Die Steuereinrichtung kann also den Stromrichter auf Basis der Raumzeigermodulation und auf Basis der Pulsmustermodulation betreiben. Der Aussteuergrad-Schwellwert kann beispielsweise 0,91 betragen. Der Pulsverhältnis-Schwellwert kann beispielsweise 20 betragen. Bei niedrigen Aussteuergraden und bei großen Pulsverhältnissen wird insbesondere die Raumzeigermodulation verwendet. Dies ist besonders vorteilhaft, weil die Raumzeigermodulation einfach zu implementieren ist und ein lineares Verhalten aufweist. Bei hohen Aussteuergraden und kleinen Pulsverhältnissen wird die Pulsmustermodulation verwendet. Bei diesen hohen Aussteuergraden und niedrigen Pulsverhältnissen liefert die Raumzeigermodulation ein nichtlineares Verhalten sowie hohe Stromverzerrungen. In diesem Fall wird auf die Pulsmustermodulation umgeschaltet, welche diese Nachteile behebt.
• Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer Drehfeldmaschine und einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung oder einer Ausführungsform davon.
• Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Antriebseinheit. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen in Form von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet, welches mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit antreibbar ist.
• Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren, für die erfindungsgemäße Antriebseinheit sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
• Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit;
• 2 eine schematische Darstellung einer Drehfeldmaschine mit einem Stromrichter;
• 3 eine schematische Darstellung von Verläufen einer Ausgangsspannung eines Stromrichters sowie einer Phasenspannung einer Drehfeldmaschine; und
• 4 eine schematische Darstellung von verschiedenen Signalverläufen.
• In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt eine Ausführungsform einer Antriebseinheit 1 für ein hier nicht gezeigtes, elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Die Antriebseinheit 1 weist eine Drehfeldmaschine 2 sowie eine Regelungsvorrichtung 3 zur Stromregelung der Drehfeldmaschine 2 auf. Die Drehfeldmaschine 2 ist hier eine Dreiphasendrehfeldmaschine, welche als eine Antriebsmaschine für das Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Die Drehfeldmaschine 2 mit den drei Phasen U, V, W, welche hier in einem gemeinsamen Sternpunkt N verschaltet sind, ist in 2 gezeigt. Die Regelungsvorrichtung 3 weist einen Stromregler 4 auf, welcher zum Bereitstellen von bestimmten, arbeitspunktspezifischen Sollströmen für Phasen der Drehfeldmaschine 2 Grundschwingungen u1, u2, u3 für Ausgangsspannungen bestimmen kann. Durch die Sollströme kann eine bestimmte, arbeitspunktspezifische Drehzahl der Drehfeldmaschine 2 eingestellt werden.
• Diese Grundschwingungen u1, u2, u3 der Ausgangsspannungen mit einer jeweiligen arbeitspunktspezifischen Grundschwingungsfrequenz und einer jeweiligen arbeitspunktspezifischen Grundschwingungsamplitude werden durch einen Stromrichter 5 der Regelungsvorrichtung 3 moduliert. Dazu weist der Stromrichter 5, wie in 2 gezeigt, für jede Phase U, V, W der Drehfeldmaschine 2 eine Stromrichterhalbbrücke HB1, HB2, HB3 mit steuerbaren Schaltern S auf. Der Stromrichter 5 ist mit einem Zwischenkreis ZK verbunden, in welchem elektrische Energie in Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 zwischengespeichert ist. Dazu sind die Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 mit einer jeweiligen Gleichspannung +U_dc/2, -U_dc/2 aufgeladen, aus welcher der Stromrichter 5 modulierte, pulsförmige und rechteckförmige Ausgangsspannungen u1', u2', u3' (siehe auch 3) erzeugt. Diese am Ausgang des Stromrichters 5 bereitgestellten Ausgangsspannungen u1', u2', u3' resultieren in Phasenspannungen uph1, uph2, uph3 sowie aufgrund einer induktiven Filterwirkung von Wicklungen der Phasen U, V, W der Drehfeldmaschine 2 in nahezu sinusförmigen, jedoch oberschwingungsbehafteten Ausgangsströmen ir1, ir2, ir3.
• Zum Bereitstellen der modulierten Ausgangsspannungen u1', u2', u3' bei gleichzeitig minimalem Oberschwingungsgehalt der Ausgansströme ir1, ir2, ir3 steuert eine Steuereinrichtung 6 der Regelungsvorrichtung 3 die Schalter S der Stromrichterhalbbrücken HB1, HB2, HB3 des Stromrichters 5 entsprechend eines für den bereitzustellenden Arbeitspunkt offline-optimierten Pulsmusters P (siehe 3) an. Das Pulsmuster P ist dabei hinsichtlich des Oberschwingungsgehaltes der Ausgangsströme ir1, ir2, ir3 des Stromrichters 5 für den jeweiligen Arbeitspunkt optimiert. Dazu kann beispielsweise in einer Speichereinrichtung 7 der Regelungsvorrichtung 3 eine Umsetzungstabelle hinterlegt sein, in welcher verschiedenen Arbeitspunkten die zugehörigen verzerrungsminimalen, optimalen Pulsmuster P zugeordnet sind. Die Pulsmuster P können beispielsweise in einem Testbetrieb der Drehfeldmaschine 2 herstellerseitig bestimmt werden und in der Speichereinrichtung 7 für einen kundenseitigen Betrieb der Drehfeldmaschine 2 hinterlegt werden. Diese Speichereinrichtung 7 kann von der Steuereinrichtung 6 ausgelesen werden, um aus der Umsetzungstabelle das zu dem jeweiligen Arbeitspunkt korrespondierende offline-optimierte Pulsmuster P auszuwählen.
• Ein solches Pulsmuster P ist, wie in 3 gezeigt, über Schaltwinkel α₁ , α₂ für die Schalter S des Stromrichters 5 definiert. Durch diese Schaltwinkel α₁ , α₂ wird hier die modulierte Ausgangsspannung u1' erzeugt, welche die Werte +U_dc/2 und -U_dc/2 der Zwischenkreisspannung U_dc des mit dem Stromrichter 5 verbundenen Zwischenkreises ZK annehmen kann. Über eine Grundschwingung im Grundschwingungsintervall [0; 2π] sind die Schaltwinkel α₁ , α₂ hier derart bestimmt, dass das Pulsmuster P eine Viertelschwingungssymmetrie aufweist. Das Pulsmuster im Viertelschwingungsintervall [0; π/2] ist also symmetrisch zum Pulsmuster P im Viertelschwingungsintervall [π/2; π], usw. Außerdem ist das Pulsmuster P im Halbschwingungsintervall punktsymmetrisch. Somit ist das Pulsmuster P durch die Schaltwinkel α₁ , α₂ im Viertelschwingungsintervall [0; π/2] vollständig definiert. In 3 ist zusätzlich die aus der modulierten Ausgangsspannung u1' resultierende Phasenspannung uph1 an der zugehörigen Phase U der Drehfeldmaschine 2 dargestellt.
• In 4 sind bei einem bestimmten Arbeitspunkt p, M Verläufe der Grundschwingung u1 der Ausgangsspannung, der modulierten Ausgangsspannung u1', des oberschwingungsbehafteten Ausgangsstroms ir1 sowie einer Grundschwingung i1 des Ausgangstroms über ein Grundschwingungsintervall [0; 2π] gezeigt. Der Arbeitspunkt p, M ist hier bestimmt durch ein Pulsverhältnis p sowie durch einen Aussteuergrad M. Das Pulsverhältnis p ist ein Verhältnis zwischen einer Schaltfrequenz f_s der Schalter des Stromrichters 5 und einer Grundschwingungsfrequenz f₀ der Grundschwingung u1, u2, u3 der Ausgangsspannung. Die Schaltfrequenz f_s der Schalter ist begrenzt und kann beispielsweise höchstens 10 kHz betragen. Die Grundwellenfrequenz f0 ist abhängig von der bereitzustellenden Drehzahl und steigt mit der Drehzahl an. Dadurch verringert sich das Pulsverhältnis p bei hohen Drehzahlen. Der Aussteuergrad M ist durch das Verhältnis zwischen Grundschwingungsamplitude U1 und physikalisch möglicher Grundschwingungsamplitude gebildet.
• Der aus der gepulsten modulierten Ausgangsspannung u1' resultierende Ausgangsstrom ir1 ist oberschwingungsbehaftet und weicht von einer Grundschwingung i1 des Ausgangsstroms ab. Dieser oberschwingungsbehaftete Strom ir1, sowie die oberschwingungsbehafteten Ströme ir2, ir3 der anderen Stromrichterhalbbrücken HB1, HB2, HB3 des Stromrichters 5 (siehe 1 und 2) werden nun mittels eines Stromsensors 8 der Regelungsvorrichtung 3 abgetastet. Der abgetastete Strom wird dem Stromregler 4 rückgeführt, welcher daraufhin den abgeasteten Storm mit dem Sollstrom vergleich und gegebenenfalls die Grundschwingung u1, u2, u3 der Ausgangsspannungen anpasst. Dabei wird der Strom ir1 zu Abtastzeitpunkten A1, A2, A3, A4, A5, A6 bzw. Abtastwinkeln abgetastet, zu welchen eine Abweichung zwischen dem oberschwingungsbehafteten Strom ir1 und der Grundschwingung i1 des Ausgangsstroms minimal, insbesondere in etwa Null, ist. Die Abtastzeitpunkte A1, A2, A3, A4, A5, A6 sind dabei insbesondere nicht äquidistant, sondern abhängig von dem aktuell verwendeten Pulsmuster P. Diese Zeitpunkte, zu welchen die Abweichungen minimal sind, werden abhängig vom Pulsmuster P vorbestimmt und sind somit ebenfalls offline-optimiert. Diese pulsmusterspezifischen Abtastzeitpunkte A1, A2, A3, A4, A5, A6 können ebenfalls in der Umsetzungstabelle in der Speichereinrichtung 7 hinterlegt und durch die Steuereinrichtung 6 in Abhängigkeit von dem zu dem aktuellen Arbeitspunkt p, M verwendeten Pulsmuster P ausgelesen werden.
• Bezugszeichenliste

1

Antriebseinheit

2

Drehfeldmaschine

3

Regelungsvorrichtung

4

Stromregler

5

Stromrichter

6

Steuereinrichtung

7

Speichereinrichtung

8

Stromsensor

U, V, W

Phasen

N

Sternpunkt

HB1, HB2, HB3

Stromrichterhalbbrücken

S

Schalter

ZK

Zwischenkreis

C1, C2

Zwischenkreiskondensatoren

u1, u2, u3

Grundschwingungen der Ausgansspannung

u1', u2', u3'

modulierte Ausgangsspannungen

uph1, uph2, uph3

Phasenspannung

Udc

Zwischenkreisspannung

U1

Grundschwingungsamplitude

ir1, ir2, ir3

oberschwingungsbehaftete Ausgangsströme

P

Pulsmuster

α₁, α₂

Schaltwinkel

M

Aussteuergrad

p

Pulsverhältnis

f_s

Schaltfrequenz

f₀

Grundschwingungsfrequenz

A1, A2, A3, A4, A5, A6

Abtastzeitpunkte

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 19626447 A1 [0003]

Claims (9)

1. Regelungsvorrichtung (3) zur Stromregelung einer Drehfeldmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, mit - einem Stromregler (4), welcher dazu ausgelegt ist, für einen jeweiligen Arbeitspunkt eine Grundschwingung (u1, u2, u3) einer Ausgangsspannung zu bestimmen, - einer Steuereinrichtung (6), welche dazu ausgelegt ist, die Ausgangsspannung durch Ansteuern eines Stromrichters (5) der Regelungsvorrichtung (3) basierend auf einem vorbestimmten Pulsmuster (P) zu modulieren, welches für den jeweiligen Arbeitspunkt hinsichtlich eines minimalen Stromoberschwingungsgehalts offline-optimiert ist, und - einem Stromsensor (8), welcher dazu ausgelegt ist, einen aus dem verwendeten Pulsmuster (P) resultierenden, oberschwingungsbehafteten Ausgangsstrom (ir1, ir2, ir3) des Stromrichters (5) abzutasten und dem Stromregler (4) rückzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass Abtastzeitpunkte (A1, A2, A3, A4, A5, A6) zum Abtasten des oberschwingungsbehafteten Ausgangsstroms (ir1, ir2, ir3) hinsichtlich des verwendeten Pulsmuster (P) offline-optimiert sind und als diejenigen Zeitpunkte vorbestimmt sind, bei welchen eine Abweichung zwischen dem oberschwingungsbehafteten Ausgangsstrom (ir1, ir2, ir3) und einer Grundschwingung (i1) des Ausgangsstroms kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
2. Regelungsvorrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Pulsmuster (P) ein offline-optimiertes Pulsmuster mit Viertelschwingungssymmetrie ist und die Steuereinrichtung (6) dazu ausgelegt ist, Schalter des Stromrichters (5) basierend auf dem offline-optimierten Pulsmuster mit Viertelschwingungssymmetrie anzusteuern.
3. Regelungsvorrichtung (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Zuordnungen von Arbeitspunkten und offline-optimierten Pulsmustern (P) vorbestimmt sind und in einer Speichereinrichtung (7) hinterlegt sind, und die Steuereinrichtung (6) dazu ausgelegt ist, dasjenige offline-optimierte Pulsmuster (P) zum Ansteuern der Schalter aus den Zuordnungen auszuwählen, welches mit dem jeweiligen Arbeitspunkt korrespondiert.
4. Regelungsvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zuordnungen von offline-optimierten Pulsmustern (P) und Abtastzeitpunkten (A1, A2, A3, A4, A5, A6) vorbestimmt sind und in einer Speichereinrichtung (7) hinterlegt sind, und die Steuereinrichtung (6) dazu ausgelegt ist, diejenigen Abtastzeitpunkte (A1, A2, A3, A4, A5, A6) aus den Zuordnungen auszuwählen und für den Stromsensor (8) zum Abtasten des Ausgangsstroms (ir1, ir2, ir3) bereitzustellen, welche mit dem aktuell verwendeten Pulsmuster (P) korrespondieren.
5. Regelungsvorrichtung (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastrate vorgegeben ist, und die Steuereinrichtung (6) dazu ausgelegt ist, eine mit der Abtastrate korrespondierende Anzahl an zu verwendenden Abtastzeitpunkten (A1, A2, A3, A4, A5, A6) pro Grundschwingungsintervall aus den Zuordnungen auszuwählen, welche mit dem aktuell verwendeten Pulsmuster (P) korrespondieren.
6. Regelungsvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt durch einen von einer Grundschwingungsamplitude (U1) der Ausgangsspannung abhängigen Aussteuergrad (M) und durch ein Pulsverhältnis (p) aus einer vorbestimmten Schaltfrequenz (f_s) für Schalter (S) des Stromrichters (5) und einer Grundschwingungsfrequenz (f₀) der Ausgangsspannung bestimmt ist, wobei die Steuereinrichtung (6) dazu ausgelegt ist, die Pulsmustermodulation bereitzustellen, falls der Aussteuergrad (M) größer als ein vorbestimmter Aussteuergrad-Schwellwert ist und/oder ein Pulsverhältnis (p) kleiner als ein vorbestimmter Pulsverhältnis-Schwellwert ist, und andernfalls eine Raumzeigermodulation für den Stromrichter (5) bereitzustellen.
7. Verfahren zur Stromregelung einer Drehfeldmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, bei welchem - durch einen Stromregler (4) für einen jeweiligen Arbeitspunkt eine Grundschwingung (u1, u2, u3) einer Ausgangsspannung bestimmt wird, - mittels eines Stromrichters (5) die Ausgangsspannung basierend auf einem vorbestimmten Pulsmuster (P) moduliert wird, welches bei dem jeweiligen Arbeitspunkt hinsichtlich eines minimalen Stromoberschwingungsgehalts offline-optimiert ist, und - durch einen Stromsensor (8) ein aus dem verwendeten Pulsmuster (P) resultierender, oberschwingungsbehafteter Ausgangsstrom (ir1, ir2, ir3) des Stromrichters (5) abgetastet wird und dem Stromregler (4) rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Abtastzeitpunkte (A1, A2, A3, A4, A5, A6) zum Abtasten des Ausgangsstroms (ir1, ir2, ir3) hinsichtlich des verwendeten Pulsmuster (P) offline-optimiert und für die Stromregelung im Betrieb der Drehfeldmaschine (2) bereitgestellt werden, und als diejenigen Zeitpunkte vorbestimmt werden, bei welchen eine Abweichung zwischen dem oberschwingungsbehafteten Ausgangsstrom (ir1, ir2, ir3) und einer Grundschwingung (i1) des Ausgangsstroms kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
8. Antriebseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer Drehfeldmaschine (2) und einer Regelungsvorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
9. Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit (1) nach Anspruch 8.

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