DE102018213467A1 - PWM Verfahren mit Übermodulation - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Erhöhen einer Leistung einer elektrischen Maschine eines elektrischen Fahrzeugs anhand einer Pulsbreitenmodulation, umfassend: Ausgeben von pulsbreitenmodulierten Spannungsraumzeigern, wobei die Spannungsraumzeiger mittels eines Raumzeigerdiagramms bestimmt sind; Übermodulation der Ausgangsspannung, so dass der Spannungsraumzeiger innerhalb eines nichtlinearen Bereichs im Raumzeigerdiagramm bewegt wird, wobei der nichtlineare Bereich zwischen einem Sechseck und einem Kreis im Raumzeigerdiagramm liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen einer Leistung einer elektrischen Maschine eines elektrischen Fahrzeugs anhand einer Pulsbreitenmodulation und ein Kraftfahrzeug zum Anwenden des Verfahrens.
  • Antriebe mit Wechselspannung benötigen eine entsprechend hohe Energieversorgung mit variabler Spannung. PWM (Pulsbreitenmodulation) Technologie wird verwendet, um mit Wechselrichtern, beispielsweise DC-AC, eine 3-phasige Wechselspannung aus einer Gleichstromquelle zu erzeugen. Die verfügbare Spannung aus der Gleichstromquelle kann damit etwa zur Hälfte genutzt werden.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, so dass die zur Verfügung stehende Spannung zur Erzeugung einer 3-phasigen Wechsel Spannung für eine elektrische Maschine effektiver genutzt wird.
  • Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Der Erfindung liegen folgende Kenntnisse zugrunde. Wechselrichter werden oft eingesetzt um beispielsweise einen 3-phasigen Induktionsmotor mit einer variablen Frequenz und variabler Spannung für Anwendungen mit variablem Drehmoment zu versorgen.
  • Rotierende elektrische Maschinen können mittels Pulsbreitenmodulation (PWM) gesteuert werden. Ein solches Verfahren wird auch als Raumzeigermodulation bezeichnet. Ein Mehrphasendrehstromsystem wird elektronisch so nachgebildet, wie es von einer elektrischen Maschine benötigt wird. Mit anderen Worten, ein Wechselrichter wird so geschaltet, dass die benötigte Wechselspannung (AC) für die elektrische Maschine erzeugt wird. Durch die Raumzeigerdarstellung genügen zwei Größen zur Kennzeichnung der ausgegebenen Spannung, nämlich der Winkel des Raumzeigers und dessen Betrag.
  • Bei der Pulsbreitenmodulation, auch als SVPWM („space vector based puls width modulation“) bezeichnet, wird eine drehende Spannungsreferenz als Referenz für die Spannung verwendet. Die Größe und die Frequenz der motorseitigen Spannung wird über die Größe und Frequenz des Referenzspannungsvektors gesteuert. Die 3-phasige vom Wechselrichter ausgegebene Spannung kann als rotierender Spannungsraumzeiger angegeben werden.
  • Für die Ausgabe einer 3-phasigen Spannung, werden drei Halbbrücken eines Wechselrichters geschaltet. Jede Halbbrücke kann zwei verschiedene Schalterstellungen annehmen, so dass sich 8 mögliche Schaltzustände ergeben. Bei jeder Schalterstellung ergibt sich eine andere Spannungskonstellation zwischen den Phasen und damit auch ein anderer Grundspannungsraumzeiger. Für eine kontinuierliche Kommutation der elektrischen Maschine wird die Pulsbreitenmodulation angewandt, bei der die jeweiligen Spannungsraumzeiger für eine bestimmte Dauer angelegt werden. Die Dauer hängt von der Schaltfrequenz bei der Pulsbreitenmodulation ab.
  • Bei Anwendung einer Pulsbreitenmodulation, wird die Gleichspannung (DC), beispielsweise aus einer Batterie, effizienter verwendet und es werden weniger harmonische Verzerrungen, also Oberschwingungen, im Wechselrichter generiert als bei einer sinusoidalen PWM. Für die Pulsbreitenmodulation im Stand der Technik ist es entscheidend, dass die PWM-Abtastfrequenz viel größer als die maximale elektrische Frequenz der elektrischen Maschine ist, was zu zusätzlichen Oberschwingungen führt, welche wiederum zu Verlusten in der elektrischen Maschine führen. Eine stabile Steuerung ist damit erschwert. Die maximale Amplitude der ersten Harmonischen welche mit der sinusoidalen PWM erreicht werden kann ist nur 50% von der angelegten Gleichspannung. Mit der Raumzeigermodulation kann dieser Anteil um 15,5% erhöht werden.
  • Die Spannungsreferenzen, welche an die elektrische Maschine ausgegeben werden, sind mittels des Raumzeigerdiagramms bestimmbar. Siehe auch 1. Das Raumzeigerdiagramm 1 ist ein Sechseck 3 in welchem die acht Grundspannungsraumzeiger V0 , V1 , V2 , V3 , V4 , V5 , V6 , V7 gezeigt sind. V0 und V7 , sind Nullvektoren. Die Spannungsreferenz Vref wird aus den Spannungsraumzeigern V1' und V2' erzeugt, welche ein Teil des Betrages des jeweiligen Grundspannungsraumzeiger V1 bzw. V2 sind. Wenn der ausgegebene Spannungsraumzeiger entlang des Kreises 7 ist, erlaubt dies einen sinusförmigen Verlauf der Ausgangsspannung Vref .
  • Im Sechseck 3 aus 1 sind zwei Bereiche definiert: ein linearer Bereich 5 innerhalb des Kreises 7 im Sechseck 3; ein nichtlinearer Bereich 6 zwischen dem Kreis 7 und dem Sechseck 3. Der nichtlineare Bereich 6 ist der Bereich der Übermodulation.
  • Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein Verfahren zum Erhöhen einer Leistung einer elektrischen Maschine eines elektrischen Fahrzeugs anhand einer Pulsbreitenmodulation angegeben. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Ausgeben von pulsbreitenmodulierten Spannungsraumzeigern, wobei die Spannungsraumzeiger mittels eines Raumzeigerdiagramms bestimmt sind; Übermodulation der Ausgangsspannung, so dass der Spannungsraumzeiger innerhalb eines nichtlinearen Bereichs im Raumzeigerdiagramm bewegt wird, wobei der nichtlineare Bereich zwischen einem Sechseck und einem Kreis im Raumzeigerdiagramm liegt.
  • Durch das Verfahren wird die Leistung einer elektrischen Maschine eines elektrischen Fahrzeugs erhöht. Die elektrische Maschine wird auf Basis der Pulsbreitenmodulation gesteuert.
  • Durch das Verfahren wird ein sanfter Übergang der ausgegebenen Spannungsraumzeiger im linearen Bereich zum nichtlinearen Bereich gewährleistet. Damit wird die gesamte verfügbare Batteriespannung für die mehrphasigen Systeme verwendet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Steigerung der Nutzung der Batteriespannung um einen Faktor von bis zu 27% ermöglicht. Zum Vergleich, bei einer sinusoidalen PWM kann 50% der verfügbaren Batteriespannung genutzt werden.
  • Das Verfahren umfasst eine Übermodulation der Ausgangsspannung, so dass der Spannungsraumzeiger innerhalb eines nichtlinearen Bereichs im Raumzeigerdiagramm bewegt wird. Durch die Übermodulation wird die Leistung der elektrischen Maschine erhöht. Der Spannungsraumzeiger befindet sich in einem Bereich zwischen dem Sechseck und dem Kreis im Raumzeigerdiagramm. Die Ausgangsspannungen sind mit Oberschwingungen überlagert, deren Anteil beim erfindungsgemäßen Verfahren jedoch gering sind, so dass auch die Verluste in der elektrischen Maschine gering sind.
  • In einer Weiterentwicklung ist ein Verhältnis einer Abtastfrequenz für die pulsbreitenmodulierten Spannungsraumzeiger zur Frequenz der elektrischen Maschine klein ist, das Verhältnis von 12 oder 6 umfassend. Auch bei niedrigen Abtastfrequenzen kann das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden und die verfügbare Gleichspannung effizient genutzt werden. Schaltverluste werden reduziert und die Regelung der elektrischen Maschine des elektrischen Fahrzeugs wird stabilisiert.
  • In einer Weiterentwicklung wird die Pulsbreitenmodulation synchron ausgeführt. Wenn die Spannungsraumzeiger im linearen Bereich des Raumzeigerdiagramms liegen, ist der Ort des Spannungsraumzeigers bestimmt durch V = V a ⋅ e i θ ,  wobei  θ=15 ° + k ⋅ 30 ° ,  k = 0,1,2 …
    Figure DE102018213467A1_0001
  • Die Amplitude Va der Spannung wird über den Modulationsindex bei der Pulsbreitenmodulation bestimmt. Der Modulationsindex, mit ModIndex oder m bezeichnet, ist definiert als: m = V1_ist / V1_RZM, wobei V1_ist die Amplitude von der ersten Oberwelle der angelegten Spannung ist und V1_RZM die Amplitude der maximalen Spannung mit der Raumzeigermodulation ist.
  • In einer Weiterentwicklung ist die Abtastfrequenz so bestimmt, dass sich der Spannungsraumzeiger entlang des Sechsecks des Raumzeigerdiagramms bewegt. Die Abtastfrequenz wird entsprechend angepasst. Während einer Schaltperiode ist der Positionswechsel des Spannungsraumzeigers 30° bei einer Winkelfrequenz ωe. Das heißt die Abtastfrequenz TS ist angegeben als TS = 30°/ωe. Mit Schaltperiode ist das Schalten der Halbbrücken im Wechselrichter gemeint. Schaltvorgänge werden somit reduziert. Dies führt zu reduzierten Schaltverlusten.
  • In einer Weiterentwicklung wird eine maximale Spannung erreicht, wenn der Spannungsraumzeiger auf dem Sechseck liegt. Wenn die maximal erhältliche Spannung im linearen Bereich Vlin ist, bestimmt sich die Amplitude der maximalen Spannung bei Erreichen des Sechsecks als: V a_MAX = V lin / cos ( 15 ° )
    Figure DE102018213467A1_0002
  • In einer Weiterentwicklung bewegt sich der Spannungsraumzeiger nach Erreichen des Sechsecks zur nächstgelegenen Ecke des Sechsecks. Mit anderen Worten, sobald der Spannungsraumzeiger bei der Übermodulation das Sechseck erreicht, wird er auf dem Sechseck weiterbewegt in Richtung der nächstgelegenen Ecke. Damit stellt das Verfahren beste Linearität zur Verfügung, insbesondere verglichen mit den üblichen Modulationsverfahren. Diese Linearität ist wichtig für die Regelung der elektrischen Maschine, weil die Regelung sehr vereinfacht werden kann und somit eine stabile Steuerung ermöglicht.
  • In einer Weiterentwicklung sind gemäß dem Verfahren Oberschwingungen für die ausgegebene 3-phasige Spannung im Wesentlichen vernachlässigbar. Die Oberschwingungen sind minimal. Dadurch sind auch die Verluste in der elektrischen Maschine minimal bzw. vernachlässigbar.
  • In einer Weiterentwicklung wird die Pulsbreitenmodulation ohne Sprünge oder Diskontinuitäten im linearem als auch im nichtlinearem Bereich bis zur maximalen verfügbaren Gleichspannung ausgeführt.
  • Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftfahrzeug, angegeben. Das Kraftfahrzeug weist wenigstens eine elektrische Maschine, eine Gleichstromquelle, eine Sensorik-Vorrichtung und eine Steuerungseinheit auf. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, dass Verfahren auszuführen. Die Steuereinheit umfasst wenigstens einen Microcontroller oder einen digitalen Signalprozessor und einen Wechselrichter.
  • Andere Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen zu entnehmen, die im Folgenden anhand der Figuren beschrieben wird. Es zeigen:
    • 1: ein Raumzeigerdiagramm;
    • 2: ein Sechseck eines Raumzeigerdiagramms;
    • 3: Abtastmuster für die Pulsbreitenmodulation;
    • 4: weitere Abtastmuster für die Pulsbreitenmodulation;
    • 5: graphische Darstellung der Linearität des Verfahrens;
    • 6: Abtastmuster gemäß einer Sechs-Schritt Pulsbreitenmodulation.
  • In 2 zeigt ein Sechseck 3 eines Raumzeigerdiagramms 1. Die pulsbreitenmodulierten Spannungsraumzeiger sind nur ihrem Betrag nach mit einem Kreis an der Spitze des jeweiligen Spanungsraumzeigers angegeben. Die in 2 gezeigte Pulsbreitenmodulation ist synchron mit einer Tastrate von 12 pro Schaltperiode. In 2 sind die zugehörigen Kreise mit 1) bezeichnet.
  • Die Spannungsraumzeiger liegen im linearen Bereich des Raumzeigerdiagramms. Der Ort des jeweiligen Spannungsraumzeigers ist bestimmt durch V = Va · eiθ, wobei θ = 15° + k · 30°, k = 0,1,2,... Die Amplitude Va der Spannung wird über den Modulationsindex bei der Pulsbreitenmodulation bestimmt.
  • Die Abtastfrequenz ist so gewählt, dass sich der Spannungsraumzeiger, bzw. dessen hier als Kreis gezeigte Spitze, entlang des Sechsecks 3 des Raumzeigerdiagramms 1 bewegt. Die Abtastfrequenz wird entsprechend angepasst. Während einer Schaltperiode ist der Positionswechsel des Spannungsraumzeigers 30° bei einer Winkelfrequenz ωe. Das heißt die Abtastfrequenz TS ist angegeben als TS = 30°/ωe.
  • Die maximale Spannung wird erreicht, wenn der Spannungsraumzeiger bzw. dessen als Kreis gezeigte Spitze auf dem Sechseck 3 liegt. Dieser Bereich ist mit 2) angegeben und ist beispielhaft für eine Seite des Sechsecks 3 angegeben. Jede Seite des Sechsecks 3 weist einen entsprechenden Bereich 2) auf. Die Amplitude der maximalen Spannung bei Erreichen des Sechsecks ist: Va_MAX= Vlin / cos (15°).
  • Die Spannungsraumzeiger bewegen sich nach Erreichen des Sechsecks 3 zur nächstgelegenen Ecke des Sechsecks 3. Damit stellt das Verfahren beste Linearität zur Verfügung. Diese Linearität ist wichtig für die Regelung einer elektrischen Maschine, weil die Regelung sehr vereinfacht und stabil ist.
  • Ua und Ub bezeichnen die Ualpha und Ubeta Spannungen in einem 2-phasigen System und berechnen sich aus den bekannten Spannungen Uu, Uy, Uw für ein Raumzeigerdiagramm.
  • 3 und 4 zeigen Abtastmuster für die Pulsbreitenmodulation für verschiedene Modulationsindices ModIndex = 0,5 bis 1,04. Bei einem Modulationsindex von 1,0 ist die maximal verfügbare Spannung für die Pulsbreitenmodulation erreicht.
  • Bei einem Modulationsindex zwischen 1,03 und 1,04 liegt die Spitze des Spannungsraumzeigers auf dem Sechseck 3. Beim Abtasten fallen manche der Pulse aus, was beim Modulationsindex von 1,04 am deutlichsten gezeigt ist.
  • 2 zeigt die Pulsbreitenmodulation im räumlichem Bereich und 3, 4 im zeitlichem Bereich. Die 3, 4 zeigen normierte Darstellungen. Auf der horizontalen Achse ist die Zeit in Sekunden, d.h. die Zeit ist jeweils in Millisekunden (10-3 s), angegeben.
  • Auf der vertikalen Achse ist die normierte angelegte Spannung als dimensionsloser p.u. Wert angegeben.
  • 5 zeigt eine graphische Darstellung der Linearität des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auf der horizontalen Achse ist der Modulationsindex als dimensionsloser p.u. Wert angegeben. Auf der vertikalen Achse ist die Ausgangsspannung, also die Amplitude der Grundwelle pro Einheit angegeben. Der Maximalwert ist bei 2/π = 0,64 erreicht mit einem Modulationsindex von 1,16.
  • Bei hohen Modulationsindices weist das Verfahren eine minimale Abweichung von der Linearität bei den niedrigeren Modulationsindices auf. Diese minimale Abweichung kann jedoch vernachlässigt werden in der Steuerung der elektrischen Maschine. Falls erwünscht, kann sie auch einfach kompensiert werden.
  • 6 zeigt ein Abtastmuster gemäß einer Sechs-Schritt Pulsbreitenmodulation wie im Stand der Technik. Wenn der Modulationsindex größer als 1,15 ist, wird das sogenannte Sechs-Schritt Verfahren erreicht. Bei diesem Verfahren werden nur die Eckpunkte des Sechsecks erreicht.
  • Zusammenfassend ist festzuhalten, dass durch die beschriebenen Maßnahmen ein Verfahren zum Erhöhen einer Leistung einer elektrischen Maschine eines elektrischen Fahrzeugs anhand einer Pulsbreitenmodulation angegeben ist, durch das eine gesamte verfügbare Batteriespannung verwendet wird.
  • Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mitanderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Erhöhen einer Leistung einer elektrischen Maschine eines elektrischen Fahrzeugs anhand einer Pulsbreitenmodulation, umfassend: - Ausgeben von pulsbreitenmodulierten Spannungsraumzeigern, wobei die Spannungsraumzeiger mittels eines Raumzeigerdiagramms bestimmt sind, - Übermodulation der Ausgangsspannung, so dass der Spannungsraumzeiger innerhalb eines nichtlinearen Bereichs im Raumzeigerdiagramm bewegt wird, wobei der nichtlineare Bereich zwischen einem Sechseck und einem Kreis im Raumzeigerdiagramm liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis einer Abtastfrequenz für die pulsbreitenmodulierten Spannungsraumzeiger zur Frequenz der elektrischen Maschine klein ist, das Verhältnis von 12 oder 6 umfassend.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Pulsbreitenmodulation synchron ausgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abtastfrequenz so bestimmt ist, dass sich der Spannungsraumzeiger entlang des Sechsecks des Raumzeigerdiagramms bewegt.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine maximale Spannung erreicht wird, wenn der Spannungsraumzeiger auf dem Sechseck liegt.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Spannungsraumzeiger nach Erreichen des Sechsecks sich zur nächstgelegenen Ecke des Sechsecks bewegt.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Oberschwingungen für die ausgegebene 3-phasige Spannung im Wesentlichen vernachlässigbar sind.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Pulsbreitenmodulation ohne Sprünge oder Diskontinuitäten im linearen als auch im nichtlinearen Bereich bis zur maximal verfügbaren Gleichspannung ausgeführt wird.
  9. Steuerungseinheit zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftfahrzeug, zum Anwenden eines Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Kraftfahrzeug wenigstens eine elektrische Maschine, eine Gleichstromquelle, eine Sensorik-Vorrichtung und eine Steuerungseinheit nach Anspruch 9 aufweist.
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