-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug und ein Verfahren zum Synchronisieren eines ersten Modulationssignals an einer ersten Invertereinrichtung in einem ersten Traktionsantrieb mit einem zweiten Modulationssignal an einer zweiten Invertereinrichtung in einem zweiten Traktionsantrieb in einem elektrischen Antriebssystem.
-
Stand der Technik
-
Elektrische Antriebe benötigen zur Ansteuerung eines Elektromotors eine Wechselspannung (Wechselstrom), welche meist aus einer Gleichspannung von einer Traktionsbatterie durch einen Inverter erzeugt wird. Hierbei wird üblicherweise eine Brückenschaltung von Schaltelementen im Inverter, etwa eine B6-Brücke, verwendet. Die Brückenschaltung, insbesondere deren Schaltelemente, kann dabei mit einem Modulationssignal, beispielsweise einem Pulsweitenmodulationssignal (PWM-Signal), angesteuert werden. Dabei ist der in der Brücke fließende Strom ebenfalls pulsförmig, vorteilhaft von einer Sinusform abweichend. Mittels eines Zwischenkreiskondensators im Inverter kann hierbei die Stärke der Oszillation (Ripple) des Stromes, welcher dann auch an der Traktionsbatterie anliegt, verringert werden, wodurch die Batterie besser vor Schäden geschützt werden kann, da der Zwischenkreiskondensator die Stärke der Oszillation des Stromes an der Batterie glättet. Der Spannungs-Ripple der Zwischenkreisspannung kann hierbei als Qualitätsmaß für die Schaltung betrachtet werden, wobei der Zwischenkreiskondensator derart ausgelegt werden kann, dass die Zwischenkreisspannung in den vorherbestimmten Betriebspunkten des Inverters eine vordefinierte Spannungswelligkeit nicht überschreitet. Nach einer beispielhaften Vorgabe kann ein maximal vorgesehener Spannungs-Ripple in der Zwischenkreisspannung im Dauerarbeitsbereich des Antriebs bei +- 8V liegen.
-
In der
US 6,392,905 B1 werden mehrere elektrische Maschinen mit Wechselrichtern beschrieben, bei welchen eine Regelung zur Verringerung eines Spannungs-Rippels erfolgt. Es erfolgt eine Regelung der Pulsweiten des ersten Wechselrichters und der Pulsweiten des zweiten Wechselrichters.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung schafft ein elektrisches Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Synchronisieren eines ersten Modulationssignals an einer ersten Invertereinrichtung in einem ersten Traktionsantrieb mit einem zweiten Modulationssignal an einer zweiten Invertereinrichtung in einem zweiten Traktionsantrieb in einem elektrischen Antriebssystem nach Anspruch 6 und 7.
-
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein elektrisches Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug anzugeben, wobei zwei oder mehrere Traktionsantriebe durch eine gemeinsame Traktionsbatterie angetrieben werden können. Mittels geeigneter Phasenverschiebung zwischen Modulationssignalen und einem Verfahren dazu, mit welchen die Inverter der elektrischen Maschinen angesteuert werden, können Oszillationen von Strömen oder Spannungen in der Verschaltung von Traktionsbatterie und Inverter an der Traktionsbatterie gering gehalten werden, wodurch die Traktionsbatterie besser vor stark oszillierenden Spannungen und/oder Strömen geschützt werden kann. Auf diese Weise können Spannungs-Ripple an der Traktionsbatterie gering gehalten werden und die Gefahr einer Schädigung der Batterie gering gehalten werden.
-
Erfindungsgemäß umfasst das elektrische Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug einen ersten elektrischen Traktionsantrieb mit einer ersten elektrischen Maschine und einer ersten Invertereinrichtung, wobei die erste Invertereinrichtung einen ersten Zwischenkreiskondensator, eine erste Steuerungseinrichtung und eine erste Leistungsschaltereinrichtung umfasst; einen zweiten elektrischen Traktionsantrieb mit einer zweiten elektrischen Maschine und einer zweiten Invertereinrichtung, wobei die zweite Invertereinrichtung einen zweiten Zwischenkreiskondensator, eine zweite Steuerungseinrichtung und eine zweite Leistungsschaltereinrichtung umfasst, oder einen Generatorantrieb oder einen Hybridantrieb; eine gemeinsame Traktionsbatterie, welche mit der ersten Invertereinrichtung und mit der zweiten Invertereinrichtung verschaltet ist, wobei die erste Invertereinrichtung mit der zweiten Invertereinrichtung elektrisch parallel verbunden ist; wobei mittels der ersten Steuerungseinrichtung die erste Invertereinrichtung mit einem ersten Modulationssignal und mittels der zweiten Steuerungseinrichtung die zweite Invertereinrichtung mit einem zweiten Modulationssignal ansteuerbar ist und für das erste Modulationssignal eine Phasendifferenz gegenüber dem zweiten Modulationssignal durch die erste Steuerungseinrichtung erzeugbar ist, wobei mittels der Phasendifferenz ein Oszillationsverhalten eines Betriebsstroms oder einer Betriebsspannung an der gemeinsamen Traktionsbatterie verringerbar ist.
-
Das erste und/oder das zweite Modulationssignal kann vorteilhaft ein PWM-Signal umfassen, beispielsweise mit einer Frequenz von 10 kHz.
-
Der erste und/oder der zweite Zwischenkreiskondensator beeinflussen vorteilhaft den Spannungs-Ripple am Schaltungsarm, in welchem der Zwischenkreiskondensator verschaltet ist, was sich vorteilhaft bis zur Traktionsbatterie auswirkt. Hierbei ist vorteilhaft der Spannungs-Ripple in diesem Bereich umgekehrt proportional zur Kapazität des Zwischenkreiskondensators, entweder allein betrachtet für den ersten und den zweiten Zwischenkreiskondensator oder für eine Gesamtkapazität aus beiden Zwischenkreiskondensatoren, vorteilhaft an Position der Traktionsbatterie. Ausgehend von einer Vorgabe für die Größe des Rippels, also von der Amplitude der Spannungsoszillation, kann somit zur Auslegung umgekehrt auf die benötigte Größe der Kapazität eines oder beider Zwischenkreiskondensatoren geschlossen werden und solche vorteilhaft verbaut werden. Beispielsweise können Zwischenkreiskondensatoren mit Kapazitäten von 400 µF bis 1,5 mF verwendet werden.
-
Der erste und der zweite elektrische Traktionsantrieb können separate Antriebe für eine Vorder- und für eine Hinterachse eines Fahrzeugs bereitstellen. Es ist jedoch auch möglich jegliche weitere Topologie von Antriebskonzepten zu verwirklichen, in welchen getrennte und gleichzeitig aktive Antriebe genutzt werden, beispielsweise bei Fahrzeugen mit zwei oder vier Radnabenantrieben mit jeweils eigenem Inverter und einer gemeinsamen Traktionsbatterie, etwa anstatt des zweiten Traktionsabtriebs einen Generatorantrieb oder einen Hybridantrieb. An der Traktionsbatterie ist hierbei vorteilhaft zur Auslegung der nötigen Kapazitäten der Zwischenkreiskondensatoren der aus beiden Traktionsabtrieben an der Batterie überlagerte gemeinsame Spannungs-Ripple zu berücksichtigen, insbesondere zur Einhaltung einer vorgegebenen maximalen Welligkeit (Amplitude der Spannung). Bei der gemeinsamen Betrachtung der Spannungs-Ripple der beiden Antriebe ist deren Summe (Summe der Amplituden bei gleichem Zeitpunkt) zu betrachten. Beträgt die maximale Amplitude einer vorgesehenen Spannungsoszillation des Ripple etwa +- 8V, so dürfte bei symmetrischer Aufteilung der Einzelripple, etwa bei gleichem Anteil und gleicher Frequenz, die Maximalamplitude eines Einzelrippels nur bis +- 4V betragen. Für den Fall von unsymmetrischen Anteilen, also ungleichen Einzelripple, kann die Aufteilung auch anders sein, etwa +- 3V und +-5V (addiert zu +- 8V) oder auch anders. Hierbei kann beispielsweise eine leistungsstärkere Hinterachse die +- 5V aufbringen. In einem System mit zwei Traktionsantrieben ist vorteilhaft jeder der Zwischenkreiskondensatoren größer auszulegen (in Kapazität), beispielsweise doppelt so groß, als bei einzelnen (nur einem) Antrieben.
-
Eine Synchronisation der Modulationen der Invertereinrichtungen erfolgt vorteilhaft mittels einer Hochvolt-Verbindungsleitung zwischen beiden Invertereinrichtungen, wobei eine der Invertereinrichtungen unverändert moduliert werden kann und die andere Invertereinrichtung basierend auf dem Modulationssignal des unveränderten Inverters eine Phasenverschiebung des Modulationssignals erfährt. Diese Signalverbindung erfolgt vorteilhaft über eine Hochvolt-Gleichstromleitung in oder zwischen den Traktionsantrieben. Die Synchronisation kann vorteilhaft durch einen Abgleich der Spannungen oder Ströme über die Hochvoltleitung zwischen den beiden Antrieben, vorteilhaft jene Leitungen, die zur Traktionsbatterie hinführen und miteinander in Kontakt stehen, erfolgen. Durch die Synchronisation ergibt sich vorteilhaft eine Verringerung des gemeinsamen Rippels an der Traktionsbatterie, wodurch die benötigten Zwischenkreiskondensatoren in deren Kapazität geringer ausgelegt werden können. Beispielsweise können die Kapazitäten der Zwischenkreiskondensatoren um die Hälfte reduziert werden, gegenüber einem nichtsynchronisierten Betrieb. Dadurch können erhebliche Kosten gespart werden, da die Zwischenkreiskondensatoren einen kostenintensive Komponente im Traktionsantrieb darstellen. Da lediglich auf beiden Seiten die Hochvoltleitung zur Traktionsbatterie zur Synchronisation genutzt werden kann, entfällt somit vorteilhaft ein zusätzlicher Verkabelungsaufwand zum Signalabgleich zwischen den Invertereinrichtungen.
-
Eine parallele Verschaltung beider Invertereinrichtungen ergibt sich vorteilhaft gegenüber der gemeinsamen Traktionsbatterie, mit welcher beide Invertereinrichtungen verschaltet sind.
-
Die Steuerungseinrichtungen können jeweils ein Bordnetz oder eine Computereinheit, beispielsweise eine Mikroprozessoreinrichtung mit Sensoreingängen, umfassen, welche im Fahrzeug verbaut sein kann und automatisch oder durch einen Nutzer gesteuert werden kann. Die entsprechenden Vorgaben an die maximalen Werte des gemeinsamen Spannungs-Ripple können in der ersten Steuerungseinrichtung bereits vorgespeichert sein oder nachträglich eingegeben oder gespeichert werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems umfasst die erste und/oder zweite Steuerungseinrichtung eine Phasenregelschleife.
-
Mittels der Phasenregelschleife kann vorteilhaft eine Phase eines Modulationssignals festgestellt oder eingestellt werden, wobei eine mathematische Implementierung (Bestimmung, Einrichtung) der Phase durch eine von der Steuerungseinrichtung beobachtete oder gemessene Zustandsgröße (Spannung, Strom) erfolgen kann. Hierzu können passive sowie aktive Bauelemente als Hardware realisiert werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems umfasst die erste und/oder zweite Steuerungseinrichtung eine Regelungseinrichtung für die Phasendifferenz zwischen dem ersten Modulationssignal und dem zweiten Modulationssignal, mittels welcher die Phasendifferenz variierbar ist.
-
Die Regelungseinrichtung kann dabei einen Regelungsalgorithmus umfassen und durchführen, wobei als eine Stellgröße die Phasenlage einer PWM-Periode, beispielsweise der Vorderachse, und als Regelgröße der Spannungs-Ripple, genutzt werden kann. Die Regelungseinrichtung wird vorteilhaft derart entworfen, dass diese die Phasen so einstellt, dass sich ein minimaler (gesamt) Spannungs-Ripple einstellt. Das anwendbare Regelkonzept kann beispielsweise einen Lyapunov-Regler, welcher die Energie des Spannungs-Rippels minimiert, oder einen LMS-Regler (least-mean-square) umfassen, welcher eine RMS-Wert einer Spannung in der Schaltungsanordnung minimiert. Unter RMS-Wert versteht man den Effektivwert einer Wechselgröße. Die Berechnung erfolgt durch Wurzelbildung des Integrals der quadrierten Größen (root-mean-square).
-
Des Weiteren ist es auch möglich, dass Signalinformationen (zur PWM-Frequenz und den wechselnden Modulationsverfahren an einem der Modulationssignale) mit der Hinterachse und der Steuerungseinrichtung zusätzlich ausgetauscht werden (CAN, Flexray), wenn diese mit einem frequenzvariablen PWM-Signal oder mit wechselnden Modulationsverfahren moduliert wird (SVPWM, Flattop). Ein solcher Austausch kann vorteilhaft über einen eigenen Verbindungskanal, insbesondere einer elektrischen Leitung, erfolgen.
-
Des Weiteren kann eine der Invertereinrichtungen, etwa an der Hinterachse, ein zusätzliches und vorteilhaft niederfrequentes, beispielsweise sinusförmiges, Spannungssignal auf die elektrische Verbindung mit der anderen Invertereinrichtung aufprägen, auf welches die andere Invertereinrichtung und deren Schaltungsanordnung mit Zwischenkreis synchronisierbar ist. Dies bietet sich vorteilhaft bei variablen Schaltmustern an den Invertern an, etwa beim Wechsel von Frequenzmustern beim Schalten der Leistungsschalter, wenn die Schaltfrequenz in jeder PWM-Periode in einer festen Abfolge von beispielsweise 256 Zufallszahlen variiert wird. Hierbei ermöglicht das niederfrequente Synchronisationssignal vorteilhaft, dass beide Antriebe die gleiche Abfolge der Schaltfrequenzen einhalten.
-
Es kann weiterhin auch eine Synchronisation mit einem Pulssignal erfolgen, wobei in regelmäßigen Abständen ein Synchronisationspuls von einer der Invertereinrichtungen, etwa von der Hinterachse aus, in die Leitung zum anderen Inverter oder zur anderen Steuerungseinrichtung eingebracht wird.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems umfasst dieses einen Lichtleiter, über welchen die erste Steuerungseinrichtung mit der ersten Invertereinrichtung und mit der zweiten Invertereinrichtung verbunden ist, und über welchen das erste Modulationssignal mit dem zweiten Modulationssignal synchronisierbar ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems ist der erste Traktionsantrieb mit dem zweiten Traktionsantrieb über eine elektrische Leitung verbunden, über welche durch die erste Invertereinrichtung und/oder durch die zweite Invertereinrichtung ein Abgleichsignal zum Ermitteln der ersten Phase und der zweiten Phase aufprägbar ist.
-
Die Synchronisation kann vorteilhaft über einen dedizierten Synchronisationskanal erfolgen, etwa einen Lichtleiter, oder einer eigenen Leitung zwischen beiden Invertern.
-
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Synchronisieren eines ersten Modulationssignals an einer ersten Invertereinrichtung in einem ersten Traktionsantrieb mit einem zweiten Modulationssignal an einer zweiten Invertereinrichtung in einem zweiten Traktionsantrieb; oder einem Generatorantrieb oder einem Hybridantrieb in einem elektrischen Antriebssystem, bei welchem die erste Invertereinrichtung und die zweite Invertereinrichtung mit einer gemeinsamen Traktionsbatterie verbunden sind, in einem Verfahrensschritt S1 ein Ansteuern der ersten Invertereinrichtung mit dem ersten Modulationssignals mittels einer ersten Steuerungseinrichtung und der zweiten Invertereinrichtung mit dem zweiten Modulationssignal mittels einer zweiten Steuerungseinrichtung, wobei die erste Steuerungseinrichtung mit der ersten Invertereinrichtung und die zweite Steuerungseinrichtung mit der zweiten Invertereinrichtung verbunden ist. In einem weiteren Verfahrensschritt S2 erfolgt ein Ermitteln eines ersten Betriebsstroms oder einer ersten Betriebsspannung an der ersten Invertereinrichtung durch die erste Steuerungseinrichtung. In einem weiteren Verfahrensschritt S3 erfolgt ein Ermitteln eines ersten Oszillationsverhaltens des ersten Betriebsstroms oder der ersten Betriebsspannung durch die erste Steuerungseinrichtung und eines zweiten Oszillationsverhaltens eines zweiten Betriebsstroms oder einer zweiten Betriebsspannung an der zweiten Invertereinrichtung durch die erste Steuerungseinrichtung. In einem weiteren Verfahrensschritt S4 erfolgt ein Vergleichen des ersten Oszillationsverhaltens mit dem zweiten Oszillationsverhalten durch die erste Steuerungseinrichtung und, basierend darauf, ein Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen einer ersten Phase des ersten Modulationssignals und einer zweiten Phase des zweiten Modulationssignals durch die erste Steuerungseinrichtung derart, dass ein aus dem ersten Oszillationsverhalten und dem zweiten Oszillationsverhalten überlagertes Oszillationsverhalten eines an der gemeinsamen Traktionsbatterie anliegenden Stroms oder Spannung verringert wird, In einem weiteren Verfahrensschritt S5 erfolgt ein Einstellen der Phasendifferenz zwischen dem ersten Modulationssignal und dem zweiten Modulationssignal, wobei mittels der ersten Steuerungseinrichtung das erste Modulationssignal und/oder das zweite Modulationssignal zeitlich versetzt wird.
-
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Synchronisieren eines ersten Modulationssignals an einer ersten Invertereinrichtung in einem ersten Traktionsantrieb mit einem zweiten Modulationssignal an einer zweiten Invertereinrichtung in einem zweiten Traktionsantrieb oder einem Generatorantrieb oder einem Hybridantrieb in einem elektrischen Antriebssystem, bei welchem die erste Invertereinrichtung und die zweite Invertereinrichtung mit einer gemeinsamen Traktionsbatterie verbunden sind, ein Ansteuern der ersten Invertereinrichtung mit dem ersten Modulationssignal mittels einer ersten Steuerungseinrichtung und der zweiten Invertereinrichtung mit dem zweiten Modulationssignal mittels einer zweiten Steuerungseinrichtung, wobei die erste Steuerungseinrichtung mit der ersten Invertereinrichtung und die zweite Steuerungseinrichtung mit der zweiten Invertereinrichtung verbunden ist. Des Weiteren erfolgt ein Ermitteln eines ersten Betriebsstroms oder einer ersten Betriebsspannung an der ersten Invertereinrichtung durch die erste Steuerungseinrichtung; ein Ermitteln eines ersten Oszillationsverhaltens des ersten Betriebsstroms oder der ersten Betriebsspannung durch die erste Steuerungseinrichtung; und ein Einstellen einer Phasendifferenz zwischen dem ersten Modulationssignal und dem zweiten Modulationssignal, wobei mittels der ersten Steuerungseinrichtung das erste Modulationssignal gegenüber dem zweiten Modulationssignal zeitlich versetzt wird, bis sich ein Minimum des ersten Oszillationsverhaltens einstellt.
-
Um das Minimum zu ermitteln kann durch die erste Steuereinrichtung ein Ausprobieren der Phasendifferenz (oder Abschätzen von Größen am zweiten Inverter) erfolgen, bis sich das Minimum einstellt, wobei auf eine Berechnung oder mathematische Konstruktion von Hilfsgrößen verzichtet werden kann oder als Unterstützung erfolgen kann. Das zweite Oszillationsverhalten ist aus Spannungen und Strömen (erster Betriebsstrom oder erste Betriebsspannung) an der ersten Invertereinrichtung konstruierbar.
-
Das Verfahren zeichnet sich vorteilhaft durch die bereits in Verbindung mit dem Antriebssystem beschriebenen Merkmale und deren Vorteile aus und umgekehrt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens umfassen das erste Modulationssignal und das zweite Modulationssignal eine Pulsweitenmodulation.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens sind das erste Modulationssignal und das zweite Modulationssignal periodisch und die Phasendifferenz zwischen dem ersten Modulationssignal und dem zweiten Modulationssignal beträgt ein Viertel einer Periode des ersten Modulationssignals oder des zweiten Modulationssignals.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird im Verfahrensschritt S2 als erster Betriebsstrom ein Eingangsstrom an einem ersten Eingang der ersten Invertereinrichtung gemessen, wobei der erste Eingang der ersten Invertereinrichtung mit der gemeinsamen Traktionsbatterie verbunden ist. Entsprechend kann dies für einen zweiten Eingang der zweiten Invertereinrichtung, welcher vorteilhaft mit der gemeinsamen Traktionsbatterie verbunden ist, und einem dort am zweiten Eingang messbaren oder rekonstruierbaren zweiten Betriebsstrom erfolgen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird ein erster Arbeitsstrom an der ersten Leistungsschaltereinrichtung gemessen und von dem ersten Betriebsstrom subtrahiert oder ein zweiter Arbeitsstrom an der zweiten Leistungsschaltereinrichtung gemessen und von dem zweiten Betriebsstrom subtrahiert, wobei der zweite Betriebsstrom als ein Eingangsstrom an der zweiten Invertereinrichtung gemessen wird.
-
Beim Ermitteln von Signalen, insbesondere Spannungen oder Strömen, für den Ripple in der Schaltungsanordnung des elektrischen Antriebssystems, kann vorteilhaft auf gemessene Größen und auf aus Phasenströmen und Schaltmustern zusammengesetzte, oder geschätzte, Größen zurückgegriffen werden. Hierbei können aus gemessenen Größen, etwa aus den Betriebsströmen, mittels bekannter Übertragungsfunktionen (aus dem Systemaufbau bekannter Verhalten von Größen in der Schaltung), weitere Teilsignale und Größen abgeleitet oder konstruiert werden. Dies kann vorteilhaft über die erste Steuerungseinrichtung erfolgen, welcher auch eine Rolle eines Zustandsbeobachters zukommen kann.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die erste Phase und/oder die zweite Phase mittels einer Regelungseinrichtung für die Phasendifferenz bestimmt und eingestellt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens prägen die erste Invertereinrichtung und/oder die zweite Invertereinrichtung ein Abgleichsignal zum Ermitteln der ersten Phase und der zweiten Phase auf eine elektrische Leitung auf, über welche der erste Traktionsantrieb mit dem zweiten Traktionsantrieb verbunden ist.
-
Die Phasenbestimmung, deren Einstellung, die Signalermittlung, und das Ablesen des aufgeprägten Abgleichsignals kann vorteilhaft durch die erste Steuerungseinrichtung erfolgen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird ein Abgleichsignal zum Ermitteln der ersten Phase und der zweiten Phase über einen Lichtleiter zwischen der ersten Invertereinrichtung und der zweiten Invertereinrichtung übermittelt.
-
Erfindungsgemäß wird ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug verwendet.
-
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
-
Figurenliste
-
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische elektrische Schaltungsanordnung eines elektrischen Antriebssystems für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2a eine schematische Darstellung eines Oszillationsverhaltens von Betriebsströmen an den Invertereinrichtungen und eines überlagerten Oszillationsverhaltens an der Traktionsbatterie gemäß eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung;
- 2b eine schematische Darstellung eines Oszillationsverhaltens von Betriebsströmen an den Invertereinrichtungen und eines überlagerten Oszillationsverhaltens an der Traktionsbatterie gemäß eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung; und
- 3 ein Blockbild der Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
-
1 zeigt eine schematische elektrische Schaltungsanordnung eines elektrischen Antriebssystems für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
Das elektrische Antriebssystem 1 weist eine Leistungselektronik auf, welche in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug F zwei unterschiedliche Traktionsantriebe antreiben kann, beispielsweise einen ersten Traktionsantrieb TR1 an der Vorderachse und einen zweiten Traktionsantrieb TR2 oder Generatorantrieb oder Hybridantrieb an der Hinterachse des Fahrzeugs F. Der erste Traktionsantrieb TR1 umfasst eine erste elektrische Maschine EM1 mit einer ersten Invertereinrichtung INVI, welche eine erste Leistungsschaltereinrichtung Li1, einen ersten Zwischenkreiskondensator C1z und eine erste Steuerungseinrichtung SE1 umfasst, und der zweite Traktionsantrieb TR2 umfasst eine zweite elektrische Maschine EM2 mit einer zweiten Invertereinrichtung INV2, welche eine zweite Leistungsschaltereinrichtung Li2, einen zweiten Zwischenkreiskondensator C2z und eine zweite Steuerungseinrichtung SE2 umfasst. Die beiden Invertereinrichtungen sind mit einer gemeinsamen Traktionsbatterie B verschaltet. Die beiden Zwischenkreiskondensatoren C1z und C2z sind, vorzugsweise parallel mit der Traktionsbatterie B verschaltet. Diese Zwischenbereiche zwischen der Traktionsbatterie B und den Invertereinrichtungen mit den Zwischenkreiskondensatoren werden auch als erster Zwischenkreis ZK1 und zweiter Zwischenkreis ZK2 bezeichnet. Die Schaltungsknoten am ersten und zweiten Zwischenkreis, welche zur Traktionsbatterie B hingewandt sind, werden als erster Eingang E1 und zweiter Eingang E2 bezeichnet.
-
Sowohl die erste Invertereinrichtung INV1 als auch die zweite Invertereinrichtung INV2 umfasst vorteilhaft eine Anordnung von sechs Leistungsschaltereinrichtungen Li, welche in einer Brückenschaltung angeordnet sein können. Die Leistungsschaltereinrichtungen Li können vorteilhaft alle gleich ausgestaltet sein und einen Transistor und eine Diode umfassen. Die ersten Leistungsschaltereinrichtung Lilwird mit einem ersten Modulationssignal M1 und die zweite Leistungsschaltereinrichtung Li2 wird mit einem zweiten Modulationssignal M2 angesteuert, um die Gleichspannung der Traktionsbatterie B in eine Wechselspannung für die jeweilige elektrischen Maschine EM1 oder EM2 umzuwandeln.
-
Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst weiterhin eine erste Steuerungseinrichtung SE1 in der ersten Invertereinrichtung INV1 und eine zweite Steuerungseinrichtung SE2 in der zweiten Invertereinrichtung INV2, um dort jeweils Spannungen und Ströme messen können, und an die Leistungsschaltereinrichtungen Li der ersten Invertereinrichtung INV1 das erste Modulationssignal M1 und an die Leistungsschaltereinrichtungen Li der zweiten Invertereinrichtung INV2 das zweite Modulationssignal M2 anlegen zu können. In der 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich die Verbindung der Steuerungseinrichtungen SE1 und SE2 mit nur einer der Leistungsschaltereinrichtungen Li in jeder Invertereinrichtung gezeigt, obwohl tatsächlich alle Leistungsschaltereinrichtungen Li einzeln mit der jeweiligen Steuerungseinrichtung SE1/SE2 verbunden sein und in jedem Inverter mit den jeweiligen Modulationssignalen M1 oder M2 angesteuert werden können.
-
Betreffend eine Berücksichtigung eines Effekts der Synchronisation von Modulationssignalen (Spannungen) an den Invertereinrichtungen, den Zwischenkreisen und der Traktionsbatterie, können vorteilhaft die Kabelwiderstände und -induktivitäten in der Schaltungsanordnung vernachlässigt werden und angenommen werden, dass sich die Widerstände, Induktivitäten und Kapazitäten linear verhalten, woraus auf die resultierende Zwischenkreisspannung aus Überlagerungen von Effekten (Ripple) der einzelnen Antriebe geschlossen werden kann.
-
Die erste Steuerungseinrichtung SE1 kann vorteilhaft das erste Modulationssignal M1 mit dem zweiten Modulationssignal M2 synchronisieren, nachdem diese ein Signal (Strom, Spannung) an der ersten Invertereinrichtung mit einem Signal (Strom, Spannung) an der zweiten Invertereinrichtung verglichen hat. Dazu kann beispielsweise ein erster Betriebsstrom IB1 oder eine erste Betriebsspannung UB1 an der ersten Invertereinrichtung INV1 und ein zweiter Betriebsstroms IB2 oder einer zweite Betriebsspannung UB2 an der zweiten Invertereinrichtung INV2 mittels der ersten Steuerungseinrichtung SE1 ermittelt und verglichen werden. Dabei kann ein erstes Oszillationsverhalten des ersten Betriebsstroms oder der ersten Betriebsspannung und ein zweites Oszillationsverhalten des zweiten Betriebsstroms oder der zweiten Betriebsspannung analysiert werden.
-
In weiterer Folge kann ein Vergleichen des ersten Oszillationsverhaltens mit dem zweiten Oszillationsverhalten durch die erste Steuerungseinrichtung erfolgen und, basierend darauf, ein Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen einer ersten Phase P1 des ersten Modulationssignals M1 und einer zweiten Phase P2 des zweiten Modulationssignals M2 durch die erste Steuerungseinrichtung derart, dass ein aus dem ersten Oszillationsverhalten und dem zweiten Oszillationsverhalten überlagertes Oszillationsverhalten eines an der gemeinsamen Traktionsbatterie anliegenden Stroms IBat oder Spannung UBat verringert wird. Dabei wird vorteilhaft die Phasendifferenz zwischen dem ersten Modulationssignal und dem zweiten Modulationssignal eingestellt, wobei mittels der Steuerungseinrichtung das erste Modulationssignal zeitlich versetzt werden kann.
-
Die eingestellte Phasendifferenz kann vorteilhaft ein Viertel einer Periode des ersten Modulationssignals M1 oder des zweiten Modulationssignals M2 betragen oder auch eine andere Phasendifferenz umfassen.
-
Des Weiteren kann in der ersten und/oder in der zweiten Invertereinrichtung zwischen dem Eingang E1 oder E2 und der jeweiligen Anordnung von Leistungsschaltereinrichtungen Li1 oder Li2 innerhalb des jeweiligen Inverters ein erster Arbeitsstrom I1, anliegend an den ersten Zwischenkreis ZK1, oder ein zweiter Arbeitsstrom 12, anliegend an den zweiten Zwischenkreis ZK2, an der jeweiligen Anordnung von Leistungsschaltereinrichtungen Li gemessen und jeweils von dem ersten Betriebsstrom IB1 oder von dem zweiten Betriebsstrom IB2 subtrahiert werden (IB1 -I1 oder IB2 - 12), um eine Auskunft über den am entsprechenden Zwischenkreiskondensator (erster oder zweiter) anliegenden Strom (oder Spannung) zu erhalten und auf den dortigen oder gemeinsamen Ripple rückzuschließen. Danach kann eine entsprechende Phasendifferenz zur Verringerung des Rippels erfolgen. Es können hierbei auch beide Ripple aus dem ersten und zweiten Zwischenkreis gleichzeitig berücksichtigt werden. Andererseits kann etwa auch IB1 gemessen werden, I1 konstruiert und subtrahiert werden, und auf den Strom an C1z rückgeschlossen werden (dynamisches System), wodurch der Ripple an ersten Zwischenkreis ermittelbar ist.
-
Hierbei können manche der Größen, etwa die Spannungen an den Zwischenkreiskondensatoren, aus einem dynamischen System (mathematisch) unter Berechnungen anderer Spannungen, Ströme und Zustandsgrößen der Bauteile hergeleitet statt gemessen werden und zur Berechnung oder Ermittlung weiterer Größen, welche zur Beurteilung der Rippel nötig sind, herangezogen werden. Hierbei ist die Zuhilfenahme unterschiedlicher mathematischer Modelle oder Näherungsansätze möglich.
-
Alternativ dazu ist es möglich, dass ein Einstellen einer Phasendifferenz zwischen dem ersten Modulationssignal und dem zweiten Modulationssignal erfolgt, wobei mittels der ersten Steuerungseinrichtung das erste Modulationssignal gegenüber dem zweiten Modulationssignal zeitlich versetzt wird, bis sich ein Minimum des ersten Oszillationsverhaltens einstellt.
-
Des Weiteren ist vorteilhaft zum Abgleich von Signalen an den beiden Invertereinrichtungen ein Lichtleiter L zwischen diesen und den Steuerungseinrichtungen SE1/SE2 angeordnet, über welchen ein Abgleichsignal AS übermittelt werden kann.
-
2a zeigt eine schematische Darstellung eines Oszillationsverhaltens von Betriebsströmen an den Invertereinrichtungen und eines überlagerten Oszillationsverhaltens an der Traktionsbatterie gemäß eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung.
-
Falls keine Synchronisation, also keine Phasenverschiebung der beiden Modulationssignale, erfolgt, können sich die beiden Einzelrippel mit deren ersten Oszillationsverhalten O1, etwa für den ersten Betriebsstrom IB1 (oberes Bild), und dem zweiten Oszillationsverhalten 02, etwa für den zweiten Betriebsstrom IB2 (mittleres Bild), derart überlagern, dass sich zu gleichen Zeiten hohe Amplituden addieren und einen hohen Gesamtripple uDc (unteres Bild) ergeben.
-
Im unteren Bild ist das Oszillationsverhalten des summierten (überlagerten) Spannungs-Ripple über die Zeit dargestellt, welche in den Kreis der Traktionsbatterie eingespeist wird und sich aus den beiden Einzelrippel der oberen Bilder ergibt.
-
2b zeigt eine schematische Darstellung eines Oszillationsverhaltens von Betriebsströmen an den Invertereinrichtungen und eines überlagerten Oszillationsverhaltens an der Traktionsbatterie gemäß eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung.
-
Wird für die Betrachtung aus der 2a eine entsprechende Phasendifferenz vorteilhaft zur Minimierung des Ripples an der Batterie, etwa von einer Viertel Periode, am ersten Modulationssignal angelegt, so kann eine destruktive Überlagerung der Amplituden des ersten und zweiten Oszillationsverhaltens O1 und 02, etwa am Beispiel des ersten Betriebsstroms IB1 (oberes Bild) und des zweiten Betriebsstroms IB2 (mittleres Bild), erfolgen, so dass der Gesamtripple uDC verringert wird. Bei den gezeigten ersten Betriebsstrom IB1 (oberes Bild) und zweiten Betriebsstrom IB2 wird beispielsweise ein Arbeitspunkt von 150 Nm an der Vorderachse und 250 Nm an der Hinterachse bei 3000 rpm angenommen.
-
3 zeigt ein Blockbild der Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
Bei dem Verfahren zum Synchronisieren eines ersten Modulationssignals an einer ersten Invertereinrichtung in einem ersten Traktionsantrieb mit einem zweiten Modulationssignal an einer zweiten Invertereinrichtung in einem zweiten Traktionsantrieb oder einem Generatorantrieb oder einem Hybridantrieb in einem elektrischen Antriebssystem, bei welchem die erste Invertereinrichtung und die zweite Invertereinrichtung mit einer gemeinsamen Traktionsbatterie verbunden sind, erfolgt in eine ersten Verfahrensschritt S1 ein Ansteuern der ersten Invertereinrichtung mit dem ersten Modulationssignal mittels einer ersten Steuerungseinrichtung und der zweiten Invertereinrichtung mit dem zweiten Modulationssignal mittels einer zweiten Steuerungseinrichtung, wobei die erste Steuerungseinrichtung mit der ersten Invertereinrichtung und die zweite Steuerungseinrichtung mit der zweiten Invertereinrichtung verbunden ist. In einem weiteren Verfahrensschritt S2 erfolgt ein Ermitteln eines ersten Betriebsstroms oder einer ersten Betriebsspannung an der ersten Invertereinrichtung durch die erste Steuerungseinrichtung. In einem weiteren Verfahrensschritt S3 erfolgt ein Ermitteln eines ersten Oszillationsverhaltens des ersten Betriebsstroms oder der ersten Betriebsspannung durch die erste Steuerungseinrichtung und eines zweiten Oszillationsverhaltens eines zweiten Betriebsstroms oder einer zweiten Betriebsspannung an der zweiten Invertereinrichtung durch die erste Steuerungseinrichtung. In einem weiteren Verfahrensschritt S4 erfolgt ein Vergleichen des ersten Oszillationsverhaltens mit dem zweiten Oszillationsverhalten durch die erste Steuerungseinrichtung und, basierend darauf, ein Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen einer ersten Phase des ersten Modulationssignals und einer zweiten Phase
des zweiten Modulationssignals durch die erste Steuerungseinrichtung derart, dass ein aus dem ersten Oszillationsverhalten und dem zweiten Oszillationsverhalten überlagertes Oszillationsverhalten eines an der gemeinsamen Traktionsbatterie anliegenden Stroms oder Spannung verringert wird. In einem weiteren Verfahrensschritt
S5 erfolgt ein Einstellen der Phasendifferenz zwischen dem ersten Modulationssignal und dem zweiten Modulationssignal, wobei mittels der ersten Steuerungseinrichtung das erste Modulationssignal und/oder das zweite Modulationssignal zeitlich versetzt wird.
-
Alternativ dazu ist es möglich, dass ein Ermitteln (S3) eines ersten Oszillationsverhaltens des ersten Betriebsstroms oder der ersten Betriebsspannung durch die erste Steuerungseinrichtung; und ein Einstellen (S4a) einer Phasendifferenz zwischen dem ersten Modulationssignal und dem zweiten Modulationssignal erfolgt, wobei mittels der ersten Steuerungseinrichtung das erste Modulationssignal gegenüber dem zweiten Modulationssignal zeitlich versetzt wird, bis sich ein Minimum des ersten Oszillationsverhaltens einstellt.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
-
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
-
