DE102018218451A1 - Improved efficiency for voltage transformers and consumers powered by them - Google Patents

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Abstract

Verfahren (100) zum Betreiben eines Spannungswandlers (1), der eine an seinem Gleichspannungstor (2) vorgelegte Eingangsspannung Uin eine drei- oder mehrphasige Wechselspannung U an seinem Wechselspannungstor (3) umwandelt, wobei die Phasen (3a-3c) des Wechselspannungstors (3) jeweils durch zeitlich getaktete Ansteuerung (4) von Schaltelementen (4a-4f) wechselweise mit dem Pluspol und dem Minuspol des Gleichspannungstors (2) verbunden werden (120), um im zeitlichen Mittel eine Konfiguration (3e) der Phasen (3a-3c) des Wechselspannungstors (3) zu erzeugen (130), die einem vorgegebenen Raumzeiger (3d) entspricht, wobei die Taktungsfrequenz fin Abhängigkeit der Eingangsspannung Ugewählt wird (110).Spannungswandler (1), Stromversorgung (20), Antriebsstrang (30) sowie zugehöriges Computerprogramm.Method (100) for operating a voltage converter (1) which converts an input voltage U presented at its DC voltage gate (2) into a three-phase or multi-phase AC voltage U at its AC voltage gate (3), the phases (3a-3c) of the AC voltage gate (3 ) are connected (120) alternately to the positive pole and the negative pole of the DC voltage gate (2) by timed control (4) of switching elements (4a-4f) in order to configure (3e) the phases (3a-3c) on average over time of the AC voltage gate (3) to generate (130), which corresponds to a predetermined space vector (3d), the clocking frequency fin being selected as a function of the input voltage U (110). Voltage converter (1), power supply (20), drive train (30) and associated computer program .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Spannungswandler, die eine Gleichspannung in eine drei- oder mehrphasige Wechselspannung wandeln, beispielsweise für den Antrieb von Elektromotoren für elektrisch angetriebene Fahrzeuge.The present invention relates to voltage converters that convert a DC voltage into a three-phase or multi-phase AC voltage, for example for driving electric motors for electrically powered vehicles.

Stand der TechnikState of the art

In einem elektrischen Antriebsstrang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs werden bevorzugt drei- oder mehrphasige Wechselstrommotoren verwendet, die einen guten Wirkungsgrad haben und im Gegensatz zu Gleichstrommotoren ohne verschleißanfällige Bürsten auskommen. Im Fahrzeug mitführbare elektrische Energiequellen, wie etwa Batterien oder Brennstoffzellen, liefern jedoch in der Regel eine Gleichspannung. Zur Wandlung dieser Gleichspannung in eine drei- oder mehrphasige Wechselspannung kommen Spannungswandler, wie etwa Inverter, zum Einsatz.In an electric drive train of an electrically driven vehicle, three-phase or multi-phase AC motors are preferably used, which have good efficiency and, in contrast to DC motors, do without brushes which are susceptible to wear. Electrical energy sources that can be carried in the vehicle, such as batteries or fuel cells, however, usually supply a DC voltage. Voltage converters, such as inverters, are used to convert this DC voltage into a three-phase or multi-phase AC voltage.

Dabei ändern sich im Fahrbetrieb permanent die Anforderungen an das Drehmoment und an die Drehzahl. So wird zum Beschleunigen eine höhere Drehzahl und zum Halten der Geschwindigkeit an einer Steigung ein höheres Drehmoment angefordert. Die DE 196 08 039 A1 offenbart eine Regelungsvorrichtung, mit der ein Wechselrichter so auf die wechselnden Anforderungen reagieren kann, dass der Wirkungsgrad des Elektromotors insbesondere im Teillastbereich verbessert werden kann.The requirements for torque and speed are constantly changing while driving. For example, a higher speed is required to accelerate and a higher torque is required to maintain the speed on an incline. The DE 196 08 039 A1 discloses a control device with which an inverter can react to changing requirements in such a way that the efficiency of the electric motor can be improved, in particular in the part-load range.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers entwickelt. Der Spannungswandler wandelt eine an seinem Gleichspannungstor vorgelegte Eingangsspannung UZK in eine drei- oder mehrphasige Wechselspannung U an seinem Wechselspannungstor um. Für diese Wandlung werden die Phasen des Wechselspannungstors jeweils durch zeitlich getaktete Ansteuerung von Schaltelementen wechselweise mit dem Pluspol und dem Minuspol des Gleichspannungstors verbunden, um im zeitlichen Mittel eine Konfiguration der Phasen des Wechselspannungstors zu erzeugen, die einem vorgegebenen Raumzeiger entspricht.In the context of the invention, a method for operating a voltage converter was developed. The voltage converter converts an input voltage presented at its DC voltage gate U ZK into a three or multi-phase AC voltage U at its AC gate. For this conversion, the phases of the AC voltage gate are alternately connected to the positive pole and the negative pole of the DC voltage gate by time-controlled actuation of switching elements, in order to generate, on average over time, a configuration of the phases of the AC voltage gate that corresponds to a predetermined space vector.

Der Spannungswandler kann insbesondere als Inverter ausgebildet sein.The voltage converter can in particular be designed as an inverter.

Die Konfiguration der Phasen und der Raumzeiger, der hiermit nachzubilden ist, beziehen sich allgemein auf jede den Phasen jeweils zuzuordnende Größe, die der Bedingung genügt, dass in einem Dreiphasensystem die Werte dieser Größe für zwei Phasen auch den Wert dieser Größe für die dritte Phase eindeutig festlegen. Diese Größe kann beispielsweise ein magnetischer Fluss, eine Spannung oder ein Strom sein.The configuration of the phases and the space pointer which is to be simulated hereby generally relate to each variable to be assigned to the phases in each case, which satisfies the condition that in a three-phase system the values of this variable for two phases also unambiguously the value of this variable for the third phase establish. This quantity can be, for example, a magnetic flux, a voltage or a current.

Die Taktungsfrequenz fT wird in Abhängigkeit der Eingangsspannung UZK gewählt. Dabei kann die Taktungsfrequenz fT beispielsweise gemäß einer Funktionsvorschrift aus der Eingangsspannung UZK berechnet werden. Die Taktungsfrequenz fT kann aber auch beispielsweise aus einem oder mehreren Kennfeldern abgerufen werden, die in dem Spannungswandler hinterlegt sind. Derartige Kennfelder können beispielsweise für eine bestimmte Eingangsspannung UZK jedem Paar aus einer gewünschten Frequenz und maximalen Stromstärke am Wechselspannungstor eine Taktungsfrequenz fT zuordnen, wobei es mehrere solcher Kennfelder gibt, die jeweils für bestimmte Eingangsspannungen UZK , und/oder Intervalle von Eingangsspannungen UZK , gültig sind. Es kann dann also beispielsweise im ersten Schritt anhand der Eingangsspannung UZK das passende Kennfeld ermittelt werden, bevor im zweiten Schritt aus diesem Kennfeld die Taktungsfrequenz fT ermittelt wird.The clock frequency f T becomes dependent on the input voltage U ZK chosen. The clocking frequency f T for example according to a functional specification from the input voltage U ZK be calculated. The clock frequency f T can also be called up, for example, from one or more characteristic diagrams that are stored in the voltage converter. Such maps can, for example, for a certain input voltage U ZK a clock frequency for each pair of a desired frequency and maximum current at the AC voltage gate f T assign, where there are several such maps, each for specific input voltages U ZK , and / or intervals of input voltages U ZK , are valid. In the first step, for example, it can then be based on the input voltage U ZK the appropriate map is determined before the clocking frequency is derived from this map in the second step f T is determined.

Es wurde erkannt, dass eine Anforderung an einen von dem Spannungswandler gespeisten Wechselstromverbraucher, wie etwa eine Last- oder Drehmomentanforderung an einen Elektromotor, im Spannungswandler letztendlich auf eine Anforderung hinausläuft, eine Choreographie aufeinanderfolgender Raumzeiger der für die Ansteuerung des Wechselstromverbrauchers relevanten Größe zu erzeugen. Jeder dieser Raumzeiger ist wiederum ein Zeitmittel, das aus der zeitlich getakteten Ansteuerung der Schaltelemente im Spannungswandler resultiert. Es gibt also eine Vielzahl von Möglichkeiten, durch die zeitliche Taktung ein und denselben Raumzeiger bis auf eine vorgegebene Genauigkeit anzunähern.It was recognized that a request to an AC consumer fed by the voltage converter, such as a load or torque request to an electric motor, in the voltage converter ultimately results in a request to generate a choreography of successive space pointers of the size relevant for the control of the AC consumer. Each of these space pointers is in turn a time average that results from the timed activation of the switching elements in the voltage converter. There are a multitude of possibilities to use the timing to bring the same space pointer closer to a specified accuracy.

Dabei ist der Raum dieser Möglichkeiten von der Eingangsspannung UZK abhängig. So ist beispielsweise ein Raumzeiger, der in etwa die Winkelhalbierende zwischen durch die Ansteuerung der Schaltelemente tatsächlich realisierbaren Raumzeigern bildet, bei geringeren Eingangsspannungen UZK mit geringeren Taktungsfrequenzen fT realisierbar als bei höheren Eingangsspannungen UZK .The space of these possibilities is the input voltage U ZK dependent. For example, a space pointer, which roughly forms the bisector between space pointers that can actually be realized by activating the switching elements, is at lower input voltages U ZK with lower clock frequencies f T feasible than with higher input voltages U ZK .

Es wurde nun weiterhin erkannt, dass der Wirkungsgrad η des Spannungswandlers, und/oder eines hiervon gespeisten Wechselstromverbrauchers, von der Taktungsfrequenz fT abhängt.It has now been recognized that the efficiency η of the voltage converter, and / or an AC load fed thereby, from the clocking frequency f T depends.

Wird beispielsweise ein Spannungswandler auf der Basis von Halbleiter-Schaltelementen isoliert betrachtet, so werden dessen Verluste durch die bei jedem Schaltvorgang eines Schaltelements entstehenden Verluste dominiert, d.h., jeder Schaltvorgang hat einen energetischen Preis. Insgesamt steigen die Verluste somit mit der Taktungsfrequenz fT an.If, for example, a voltage converter based on semiconductor switching elements is considered in isolation, its losses are dominated by the losses that occur during each switching operation of a switching element, ie each switching operation has an energetic price. Overall, the losses increase with the clocking frequency f T at.

Wird beispielsweise ein System aus dem Spannungswandler und einem Elektromotor betrachtet, arbeiten zwei Effekte gegeneinander. Zum einen bleibt es dabei, dass die Verluste des Spannungswandlers mit der Taktungsfrequenz fT ansteigen. Zum anderen führt jedoch eine höhere Taktungsfrequenz fT dazu, dass sich der Verlauf der Wechselspannung auf den Phasen des Wechselspannungstors jeweils besser der gewünschten Sinusform annähert. Je besser wiederum die Sinusform angenähert wird, desto weniger Ummagnetisierungsverluste werden durch die Restwelligkeit (Ripple) der Wechselspannung im Stator des Elektromotors erzeugt. Es gibt dann irgendwo zwischen der niedrigsten und der höchsten möglichen Taktungsfrequenz fT eine optimale Taktungsfrequenz fT , die die Verluste des Gesamtsystems minimiert und somit den Gesamtwirkungsgrad ηs des Systems aus Spannungswandler und Elektromotor maximiert.If, for example, a system consisting of a voltage converter and an electric motor is considered, two effects work against each other. For one thing, it remains that the losses of the voltage converter with the clocking frequency f T increase. On the other hand, however, a higher clock frequency results f T to the fact that the course of the AC voltage on the phases of the AC voltage gate in each case better approximates the desired sinusoidal shape. The better the sinusoidal shape is approximated, the less magnetic losses are generated by the ripple of the AC voltage in the stator of the electric motor. Then there is somewhere between the lowest and the highest possible clock frequency f T an optimal clock frequency f T , which minimizes the losses of the overall system and thus the overall efficiency η s of the system of voltage converter and electric motor maximized.

Somit kann durch eine Anpassung der Taktungsfrequenz fT an eine sich ändernde Eingangsspannung UZK des Spannungswandlers der Gesamtwirkungsgrad ηs verbessert und beispielsweise die Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, das einen begrenzten Energievorrat mitführt, verbessert werden.Thus, by adjusting the clock frequency f T to a changing input voltage U ZK of the voltage converter the overall efficiency η s improved and, for example, the range of an electrically powered vehicle that carries a limited amount of energy can be improved.

Eine Hauptursache dafür, dass sich die Eingangsspannung UZK am Gleichspannungstor des Spannungswandlers überhaupt ändert, liegt darin, dass gerade in Fahrzeugen häufig Batterien als Energiespeicher verwendet werden. Die von einer Batterie abgegebene Spannung ändert sich mit dem Ladungszustand. Wenn bei jeder Änderung dieser Spannung die Taktungsfrequenz fT jeweils konsequent auf den Wert nachgeführt wird, mit dem unter der Randbedingung einer hinreichend genauen Nachbildung des Raumzeigers der Wirkungsgrad maximiert werden kann, kann insgesamt eine erhebliche Energiemenge eingespart werden.A main cause that the input voltage U ZK at the DC voltage gate of the voltage converter changes, is that batteries are often used as energy storage in vehicles. The voltage delivered by a battery changes with the state of charge. If the clock frequency changes every time this voltage is changed f T Consistently tracking the value with which the efficiency can be maximized under the boundary condition of a sufficiently accurate replication of the spatial pointer, a considerable amount of energy can be saved overall.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird in Abhängigkeit der Eingangsspannung UZK eine Menge an Taktungsfrequenzen fT ausgewählt, mit denen Konfigurationen der Phasen des Wechselspannungstors erzeugt werden können, die im zeitlichen Mittel bis auf eine vorgegebene Genauigkeit dem vorgegebenen Raumzeiger entsprechen. Innerhalb dieser Menge kann dann anschließend eine Taktungsfrequenz fT , die hinsichtlich eines Wirkungsgrades η oder eines anderen Kriteriums optimal ist, ausgewählt werden. Die Genauigkeit, mit der der Raumzeiger nachgebildet wird, hat also Priorität.In a particularly advantageous embodiment, depending on the input voltage U ZK a lot of clock frequencies f T selected with which configurations of the phases of the AC voltage gate can be generated, which correspond to the predetermined space vector on average over a predetermined accuracy. A clocking frequency can then subsequently be contained within this quantity f T that in terms of efficiency η or another criterion is optimal. The accuracy with which the room pointer is simulated has priority.

Wie zuvor erläutert, wird vorteilhaft eine Taktungsfrequenz fT ausgewählt, die im Hinblick auf den Wirkungsgrad ηl des Spannungswandlers, und/oder auf den Gesamtwirkungsgrad ηs des Systems aus dem Spannungswandler und einer mit dem Wechselspannungstor verbundenen Last, optimiert ist.As explained above, a clock frequency is advantageous f T selected in terms of efficiency η l of the voltage converter, and / or on the overall efficiency η s of the system from the voltage converter and a load connected to the AC voltage gate is optimized.

Dabei wird vorteilhaft die Abhängigkeit des Wirkungsgrades ηl des Spannungswandlers von der Taktungsfrequenz fT mindestens anhand der Schaltverluste der Schaltelemente ermittelt und/oder modelliert. Die Verluste des Spannungswandlers sind hauptsächlich Schaltverluste.The dependence of the efficiency becomes advantageous η l of the voltage converter from the clock frequency f T determined and / or modeled at least on the basis of the switching losses of the switching elements. The losses of the voltage converter are mainly switching losses.

Alternativ oder auch in Kombination hierzu wird ein Elektromotor als Last gewählt. Die Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrades ηs von der Taktungsfrequenz fT wird mindestens anhand von Ummagnetisierungsverlusten in einem Stator des Elektromotors ermittelt und/oder modelliert. Wie zuvor erläutert, ist die Abhängigkeit dieser Verluste von der Taktungsfrequenz fT im Vergleich zu den Schaltverlusten des Spannungswandlers gegenläufig. Werden beide Arten von Verlusten berücksichtigt, gibt es somit ein Optimum, das zwischen der minimalen und der maximalen möglichen Taktungsfrequenz fT liegt.Alternatively or in combination, an electric motor is selected as the load. The dependence of the overall efficiency η s from the clock frequency f T is determined and / or modeled at least on the basis of magnetic reversal losses in a stator of the electric motor. As previously explained, these losses are dependent on the clock frequency f T in opposite to the switching losses of the voltage converter. If both types of losses are taken into account, there is an optimum between the minimum and the maximum possible clock frequency f T lies.

Der Raumzeiger wird vorteilhaft aus der Kombination einer Drehzahlanforderung und einer Drehmomentanforderung an den Elektromotor ermittelt. Die Drehzahlanforderung bestimmt die benötigte Frequenz der Wechselspannung, also die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich der Raumzeiger um den Koordinatenursprung dreht. Aus der Drehmomentanforderung folgt die benötigte Stromstärke in den Statorspulen des Elektromotors, also bei einem Raumzeiger, der Stromstärken repräsentiert, die Länge dieses Raumzeigers.The space pointer is advantageously determined from the combination of a speed request and a torque request to the electric motor. The speed requirement determines the required frequency of the AC voltage, i.e. the angular speed at which the space pointer rotates around the origin of the coordinates. The required current in the stator coils of the electric motor, that is to say in the case of a space vector that represents current, the length of this space vector follows from the torque requirement.

Ein Spannungswandler, der in der beschriebenen Weise seine Taktungsfrequenz fT der Eingangsspannung UZK anpasst, ist ein eigenständiges Produkt. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf einen Spannungswandler mit einem Gleichspannungstor, einem drei- oder mehrphasigen Wechselspannungstor und einer Anordnung aus Schaltelementen, über die jede Phase des Wechselspannungstors wahlweise mit dem Pluspol oder dem Minuspol des Gleichspannungstors verbindbar ist. Es ist eine Ansteuerschaltung für die zeitlich getaktete Ansteuerung der Schaltelemente vorgesehen. Diese Ansteuerschaltung ist dazu ausgebildet, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.A voltage converter, its clocking frequency in the manner described f T the input voltage U ZK adapts is an independent product. The invention therefore also relates to a voltage converter with a DC voltage gate, a three-phase or multi-phase AC voltage gate and an arrangement of switching elements by means of which each phase of the AC voltage gate can optionally be connected to the positive pole or the negative pole of the DC voltage gate. A control circuit is provided for the timed control of the switching elements. This control circuit is designed to carry out the previously described method.

Wie zuvor erläutert, kommen die Vorteile des Spannungswandlers in besonderem Maße zum Tragen, wenn ein drei- oder mehrphasiger Wechselstromverbraucher mittels des Spannungswandlers aus einer Batterie versorgt wird, deren Spannung sich mit dem Ladungszustand ändert. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf eine Stromversorgung für einen drei- oder mehrphasigen Wechselstromverbraucher, die neben dem Spannungswandler auch mindestens eine Batterie zur Speisung des Gleichspannungstors des Spannungswandlers umfasst.As explained above, the advantages of the voltage converter are particularly evident when a three-phase or multi-phase AC consumer is supplied by the voltage converter from a battery, the voltage of which changes with the state of charge. Therefore, the invention also relates to a power supply for a three-phase or multi-phase AC consumer, which in addition to the voltage converter also comprises at least one battery for supplying the DC voltage gate of the voltage converter.

Wie zuvor erläutert, kommen in einem Fahrzeug mehrere Umstände zusammen, die den Einsatz des zuvor beschriebenen Spannungswandlers besonders vorteilhaft machen. Die dort eingesetzten Batterien ändern nicht nur mit dem Ladezustand ihre Klemmenspannung, sondern sind häufig auch der begrenzende Faktor für die Reichweite des Fahrzeugs. Auch bietet gerade das Zusammenspiel eines Spannungswandlers, der tendenziell bei tieferen Taktungsfrequenzen fT effizienter arbeitet, mit einem Elektromotor, der tendenziell bei höheren Taktungsfrequenzen fT effizienter arbeitet, ein besonderes Optimierungspotential hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrades ηs . Daher bezieht sich die Erfindung auch auf einen elektrischen Antriebsstrang für ein Fahrzeug mit mindestens einem drei- oder mehrphasigen Elektromotor als Wechselstromverbraucher sowie der zuvor beschriebenen Stromversorgung (einfach oder auch mehrfach) zur Speisung des Elektromotors.As explained above, several circumstances come together in a vehicle, which make the use of the voltage converter described above particularly advantageous. The batteries used there not only change their terminal voltage with the state of charge, but are often also the limiting factor for the range of the vehicle. The interaction of a voltage converter, which tends to operate at lower clock frequencies, also offers f T works more efficiently with an electric motor that tends to operate at higher clock frequencies f T works more efficiently, a particular optimization potential with regard to the overall efficiency η s . The invention therefore also relates to an electric drive train for a vehicle with at least one three-phase or multi-phase electric motor as an AC consumer and the previously described power supply (single or multiple) for supplying the electric motor.

Das beschriebene Verfahren kann insbesondere auch ohne hardwaremäßige Änderung des Spannungswandlers in einer Software implementiert werden, die insbesondere als Update oder Upgrade zu einem bestehenden Spannungswandler vertreibbar ist und bei ihrem Einsatz einen unmittelbaren Kundennutzen in Form von Energieeinsparung bewirkt. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogramm, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, und/oder auf einer Ansteuerschaltung, und/oder auf einem Embedded-System, ausgeführt werden, einen mit dem Computer, der Ansteuerschaltung, bzw. dem Embedded-System gekoppelten Spannungswandler zu dem zuvor beschriebenen Spannungswandler aufwerten, und/oder den Computer, die Ansteuerschaltung, bzw. das Embedded-System dazu veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen. Ebenso bezieht sich die Erfindung auch auf einen maschinenlesbaren Datenträger oder ein Downloadprodukt mit dem Computerprogramm.The described method can in particular also be implemented in software without hardware modification of the voltage converter, which can be marketed in particular as an update or upgrade to an existing voltage converter and, when used, brings direct customer benefits in the form of energy savings. Therefore, the invention also relates to a computer program containing machine-readable instructions which, when executed on a computer and / or on a control circuit and / or on an embedded system, a with the computer, the control circuit or Upgrading the voltage converter coupled to the embedded system to the previously described voltage converter, and / or causing the computer, the control circuit or the embedded system to carry out the previously described method. The invention also relates to a machine-readable data carrier or a download product with the computer program.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention are described in more detail below together with the description of the preferred exemplary embodiments of the invention with reference to figures.

FigurenlisteFigure list

Es zeigt:

  • 1 Beispielhaftes Ablaufdiagramm des Verfahrens 100;
  • 2 Beispielhafter elektrischer Antriebsstrang 30 für ein Fahrzeug 50 mit Stromversorgung 20 und Spannungwandler 1;
  • 3 Beispielhafte Änderung möglicher Kombinationen aus Drehzahl N und Drehmoment M in Abhängigkeit der Eingangsspannung UZK am Spannungswandler 1.
It shows:
  • 1 Exemplary flow chart of the method 100 ;
  • 2nd Exemplary electric drive train 30th for a vehicle 50 with power supply 20th and voltage converter 1 ;
  • 3rd Exemplary change of possible combinations of speed N and torque M depending on the input voltage U ZK on the voltage converter 1 .

Nach 1 wird in Schritt 110 des Verfahrens 100 in Abhängigkeit der Eingangsspannung UZK des Spannungswandlers 1 eine Taktungsfrequenz fT für die Taktung der Schaltelemente 4a-4f im Spannungswandler 1 ermittelt. In Schritt 120 werden die Schaltelemente 4a-4f mit einer Ansteuerung 4 unter dieser Taktungsfrequenz fT angesteuert. In Schritt 130 wird daraufhin im zeitlichen Mittel eine Konfiguration 3e der Phasen 3a-3c des Wechselspannungstors 3 des Spannungswandlers 1 erzeugt, die einem vorgegebenen Raumzeiger 3d entspricht.To 1 will in step 110 of the procedure 100 depending on the input voltage U ZK of the voltage converter 1 a clock frequency f T for the timing of the switching elements 4a-4f in the voltage converter 1 determined. In step 120 become the switching elements 4a-4f with a control 4th below this clock frequency f T controlled. In step 130 thereupon becomes a configuration on average 3e of phases 3a-3c of the AC voltage gate 3rd of the voltage converter 1 generates a given space pointer 3d corresponds.

Die Ermittlung der Taktungsfrequenz fT ist innerhalb des Kastens 110 im Detail dargestellt. Gemäß Block 111 wird in Abhängigkeit der Eingangsspannung UZK eine Menge F an Taktungsfrequenzen fT ausgewählt, mit der Konfigurationen 3e erzeugt werden können, die im zeitlichen Mittel bis auf eine vorgegebene Genauigkeit dem vorgegebenen Raumzeiger 3d entsprechen. Aus dieser Menge F wird gemäß Block 112 eine Taktungsfrequenz fT ausgewählt.The determination of the clock frequency f T is inside the box 110 presented in detail. According to block 111 becomes dependent on the input voltage U ZK a set F of clock frequencies f T selected with the configurations 3e can be generated, the average over time to a predetermined accuracy of the predetermined space pointer 3d correspond. From this set F becomes block 112 a clock frequency f T selected.

Dabei werden innerhalb von Block 112 die die Abhängigkeit ηi(fT) des Wirkungsgrades ηl des Spannungswandlers 1 von der Taktungsfrequenz fT , und/oder die Abhängigkeit ηs(fT) des Gesamtwirkungsgrades ηs eines den Spannungswandler 1 enthaltenden Systems von der Taktungsfrequenz fT , berücksichtigt. Die Abhängigkeit ηl(fT) wird in Block 113 mindestens anhand der Schaltverluste der Schaltelemente 4a-4f ermittelt und/oder modelliert. Die Abhängigkeit ηs(fT) wird mindestens anhand von Ummagnetisierungsverlusten in einem Stator 61 eines Elektromotors 6, der von dem Spannungswandler 1 gespeist wird, ermittelt und/oder modelliert. Dabei wird in diesem Beispiel der vorgegebene Raumzeiger 3d in Block 115 aus der Kombination einer Drehzahlanforderung und einer Drehmomentanforderung an den Elektromotor 6 ermittelt.Doing so within block 112 the dependency η i (f T ) of efficiency η l of the voltage converter 1 from the clock frequency f T , and / or the dependency η s (f T ) the overall efficiency η s one the voltage converter 1 containing system from the clock frequency f T , considered. The dependence η l (f T ) is in block 113 at least based on the switching losses of the switching elements 4a-4f determined and / or modeled. The dependence η s (f T ) is based at least on magnetic reversal losses in a stator 61 an electric motor 6 by the voltage converter 1 is fed, determined and / or modeled. The given room pointer is used in this example 3d in block 115 from the combination of a speed request and a torque request to the electric motor 6 determined.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Spannungswandlers 1 sowie dessen sukzessive Einbettung in eine Stromversorgung 20, einen elektrischen Antriebsstrang 30 und schließlich ein Fahrzeug 50 als nächstgrößere Baugruppen. 2nd shows an embodiment of the voltage converter 1 as well as its successive embedding in a power supply 20th , an electric drivetrain 30th and finally a vehicle 50 as the next largest assemblies.

Der Spannungswandler 1 hat ein Gleichspannungstor 2 und ein Wechselspannungstor 3 mit drei Phasen 3a-3c. Jede Phase 3a-3c des Wechselspannungstors 3a-3c kann über je eines von zwei dieser Phase zugeordneten Schaltelemente 4a, 4b; 4c, 4d; 4e, 4f wahlweise mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol des Gleichspannungstors verbunden werden. Dies wird durch eine Ansteuerschaltung 11 bewerkstelligt, die eine mit der Taktungsfrequenz fT getaktete Ansteuerung 4 auf die Schaltelemente 4a-4f gibt. Die Ansteuereinheit 11 ermittelt in diesem Beispiel aus der Eingangsspannung UZK in Verbindung mit dem vorgegebenen Raumzeiger 3d die Taktungsfrequenz fT und eine mit dieser Taktungsfrequenz fT getaktete Ansteuerung 4. Durch die Ansteuerung 4 entsteht am Wechselspannungstor 3 eine dreiphasige, näherungsweise sinusförmige Wechselspannung U.The voltage converter 1 has a DC voltage gate 2nd and an AC gate 3rd with three Phases 3a-3c . Every phase 3a-3c of the AC voltage gate 3a-3c can use one of two switching elements assigned to this phase 4a , 4b ; 4c , 4d ; 4e , 4f either with the positive pole or with the negative pole of the DC voltage gate. This is done by a control circuit 11 accomplished, the one with the clock frequency f T clocked control 4th on the switching elements 4a-4f gives. The control unit 11 in this example determined from the input voltage U ZK in connection with the given room pointer 3d the clock frequency f T and one with this clock frequency f T clocked control 4th . Through the control 4th arises at the AC voltage gate 3rd a three-phase, approximately sinusoidal AC voltage U .

In der Stromversorgung 20 ist der Spannungswandler 1 mit einer Batterie 21 zusammengefasst, die das Gleichspannungstor 2 speist.In the power supply 20th is the voltage converter 1 with a battery 21 summarized the the DC voltage gate 2nd feeds.

In dem elektrischen Antriebsstrang 30 ist die Stromversorgung 20 mit einem Elektromotor 6 als Wechselstromverbraucher zusammengefasst. Der Elektromotor 6 hat einen dreiphasigen Stator 61 mit Magnetspulen 61a-61c. Jede der Magnetspulen 61a-61c ist mit der ihr zugeordneten Phase 3a-3c des Wechselspannungstors 3 einerseits und mit einem allen Magnetspulen 61a-61c gemeinsamen Sternpunkt andererseits verbunden.In the electric drivetrain 30th is the power supply 20th with an electric motor 6 summarized as an AC consumer. The electric motor 6 has a three-phase stator 61 with magnetic coils 61a-61c . Each of the solenoids 61a-61c is with the phase assigned to it 3a-3c of the AC voltage gate 3rd on the one hand and with one all solenoids 61a-61c common star point connected on the other hand.

Der Stator 61 des Elektromotors 6 enthält ferromagnetisches Material. Bei einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses durch die Magnetspulen 61a-61c wird das Material ummagnetisiert, wobei Energieverluste entstehen. Gewisse Verluste sind unvermeidlich, wenn der Elektromotor 6 durch ein Drehfeld angetrieben wird. Wenn die Wechselspannung U, mit der der Elektromotor 6 gespeist wird, jedoch zusätzlich zur erwünschten Sinusform noch eine höherfrequente Restwelligkeit aufweist, trägt diese Restwelligkeit zur Antriebsleistung nichts bei, bewirkt aber trotzdem Ummagnetisierungsverluste. Daher soll die zeitliche Choreographie der Raumzeiger 3d, die die erwünschte Sinusform angibt, durch die vom Spannungswandler 1 gelieferten Konfigurationen 3e der Phasen 3a-3c so genau wie möglich nachgebildet werden.The stator 61 of the electric motor 6 contains ferromagnetic material. If the magnetic flux through the magnetic coils changes over time 61a-61c the material is remagnetized, causing energy losses. Certain losses are inevitable when the electric motor 6 is driven by a rotating field. If the AC voltage U with which the electric motor 6 is fed, but in addition to the desired sinus shape has a higher frequency ripple, this ripple does not contribute to the drive power, but still causes magnetic losses. Hence the temporal choreography of the space pointer 3d , which indicates the desired sinusoidal shape, by the voltage converter 1 supplied configurations 3e of phases 3a-3c be reproduced as accurately as possible.

In 3 sind beispielhaft mögliche Kombinationen aus Drehzahlen N und Drehmomenten M, die über den Spannungswandler 1 vom Elektromotor 6 angefordert werden können, unter zusätzlicher Berücksichtigung der Abhängigkeit von der Eingangsspannung UZK am Gleichspannungstor 2 des Spannungswandlers 1 aufgetragen. Zusätzlich ist für einige Kombinationen von Drehzahlen N und Drehmomenten M angegeben, ob der Spannungswandler 1

  • • in der Raumzeiger-Pulsweitenmodulation mit Taktzahl q >> 3 betrieben wird (Bereich A),
  • • in der Blocktaktung mit Taktzahl q=1 betrieben wird (Bereiche B) oder
  • • in der Synchrontaktung mit Taktzahl q > 3 betrieben wird (Bereich C).
In 3rd are examples of possible combinations of speeds N and torques M that about the voltage converter 1 from the electric motor 6 can be requested, taking into account the dependence on the input voltage U ZK at the DC voltage gate 2nd of the voltage converter 1 applied. In addition, for some combinations of speeds N and torques M indicated whether the voltage transformer 1
  • • is operated in the space vector pulse width modulation with number of pulses q >> 3 (range A ),
  • • is operated in the block cycle with cycle number q = 1 (ranges B ) or
  • • is operated in synchronous clocking with cycle number q> 3 (range C. ).

Abhängig von der Eingangsspannung UZK kann die Umschaltung zwischen den Betriebsarten anders gesteuert werden, um insgesamt den Wirkungsgrad η zu optimieren oder aber sehr hohe Drehmomente M zu stellen.Depending on the input voltage U ZK the switching between the operating modes can be controlled differently in order to improve the overall efficiency η to optimize or very high torques M deliver.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 19608039 A1 [0003]DE 19608039 A1 [0003]

Claims (10)

Verfahren (100) zum Betreiben eines Spannungswandlers (1), der eine an seinem Gleichspannungstor (2) vorgelegte Eingangsspannung UZK in eine drei- oder mehrphasige Wechselspannung U an seinem Wechselspannungstor (3) umwandelt, wobei die Phasen (3a-3c) des Wechselspannungstors (3) jeweils durch zeitlich getaktete Ansteuerung (4) von Schaltelementen (4a-4f) wechselweise mit dem Pluspol und dem Minuspol des Gleichspannungstors (2) verbunden werden (120), um im zeitlichen Mittel eine Konfiguration (3e) der Phasen (3a-3c) des Wechselspannungstors (3) zu erzeugen (130), die einem vorgegebenen Raumzeiger (3d) entspricht, wobei die Taktungsfrequenz fT in Abhängigkeit der Eingangsspannung UZK gewählt wird (110).Method (100) for operating a voltage converter (1) which converts an input voltage U ZK presented at its DC voltage gate (2) into a three-phase or multi-phase AC voltage U at its AC voltage gate (3), the phases (3a-3c) of the AC voltage gate (3) are connected (120) alternately to the positive pole and the negative pole of the DC voltage gate (2) by timed control (4) of switching elements (4a-4f) in order to configure (3e) the phases (3a- 3c) of the AC voltage gate (3) to generate (130) which corresponds to a predetermined space vector (3d), the clocking frequency f T being selected as a function of the input voltage U ZK (110). Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei in Abhängigkeit der Eingangsspannung UZK eine Menge F an Taktungsfrequenzen fT ausgewählt wird (111), mit denen Konfigurationen (3e) der Phasen (3a-3c) des Wechselspannungstors (3) erzeugt werden können, die im zeitlichen Mittel bis auf eine vorgegebene Genauigkeit dem vorgegebenen Raumzeiger (3d) entsprechen.Method (100) according to Claim 1 , wherein depending on the input voltage U ZK, a set F of clocking frequencies f T is selected (111), with which configurations (3e) of the phases (3a-3c) of the AC voltage gate (3) can be generated, which on average over one time The specified accuracy corresponds to the specified room pointer (3d). Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei eine Taktungsfrequenz fT ausgewählt wird (112), die im Hinblick auf den Wirkungsgrad ηl des Spannungswandlers (1), und/oder auf den Gesamtwirkungsgrad ηs des Systems aus dem Spannungswandler (1) und einer mit dem Wechselspannungstor (3) verbundenen Last (5), optimiert ist.Method (100) according to one of the Claims 1 to 2nd , wherein a clocking frequency f T is selected (112) which, with regard to the efficiency η l of the voltage converter (1) and / or the overall efficiency η s of the system, consists of the voltage converter (1) and one with the AC voltage gate (3) connected load (5), is optimized. Verfahren (100) nach Anspruch 3, wobei die Abhängigkeit des Wirkungsgrades ηl des Spannungswandlers (1) von der Taktungsfrequenz fT mindestens anhand der Schaltverluste der Schaltelemente (4a-4f) ermittelt und/oder modelliert wird (113).Method (100) according to Claim 3 The dependency of the efficiency η l of the voltage converter (1) on the clocking frequency f T is determined and / or modeled (113) at least on the basis of the switching losses of the switching elements (4a-4f). Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei ein Elektromotor (6) als Last (5) gewählt wird und wobei die Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrades ηs von der Taktungsfrequenz fT mindestens anhand von Ummagnetisierungsverlusten in einem Stator (61) des Elektromotors (6) ermittelt und/oder modelliert wird (116).Method (100) according to one of the Claims 3 to 4th , wherein an electric motor (6) is selected as the load (5) and the dependence of the overall efficiency η s on the clock frequency f T is determined and / or modeled (116) at least on the basis of magnetic reversal losses in a stator (61) of the electric motor (6) ). Verfahren (100) nach Anspruch 5, wobei der vorgegebene Raumzeiger (3d) aus der Kombination einer Drehzahlanforderung und einer Drehmomentanforderung an den Elektromotor (6) ermittelt wird (115).Method (100) according to Claim 5 , wherein the predetermined space vector (3d) is determined from the combination of a speed request and a torque request to the electric motor (6) (115). Spannungswandler (1) mit einem Gleichspannungstor (2), einem drei- oder mehrphasigen Wechselspannungstor (3) und einer Anordnung aus Schaltelementen (4a-4f), über die jede Phase (3a-3c) des Wechselspannungstors (3) wahlweise mit dem Pluspol oder dem Minuspol des Gleichspannungstors (2) verbindbar ist, wobei eine Ansteuerschaltung (11) für die zeitlich getaktete Ansteuerung der Schaltelemente (4a-4f) vorgesehen ist und wobei die Ansteuerschaltung (11) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.Voltage converter (1) with a DC voltage gate (2), a three-phase or multi-phase AC voltage gate (3) and an arrangement of switching elements (4a-4f), via which each phase (3a-3c) of the AC voltage gate (3) either with the positive pole or The negative pole of the DC voltage gate (2) can be connected, a control circuit (11) being provided for the timed control of the switching elements (4a-4f) and the control circuit (11) being designed to implement a method (100) according to one of the Claims 1 to 6 to execute. Stromversorgung (20) für einen drei- oder mehrphasigen Wechselstromverbraucher (5, 6), umfassend einen Spannungswandler (1) nach Anspruch 7 sowie mindestens eine Batterie (21) zur Speisung des Gleichspannungstors (2) des Spannungswandlers (1).Power supply (20) for a three-phase or multi-phase AC consumer (5, 6), comprising a voltage converter (1) Claim 7 and at least one battery (21) for feeding the DC voltage gate (2) of the voltage converter (1). Elektrischer Antriebsstrang (30) für ein Fahrzeug (50), umfassend mindestens einen drei- oder mehrphasigen Elektromotor (6) als Wechselstromverbraucher (5, 6) sowie mindestens eine Stromversorgung (20) nach Anspruch 8 zur Speisung des Elektromotors (6).Electrical drive train (30) for a vehicle (50), comprising at least one three-phase or multi-phase electric motor (6) as an AC consumer (5, 6) and at least one power supply (20) Claim 8 to feed the electric motor (6). Computerprogramm, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, und/oder auf einer Ansteuerschaltung, und/oder auf einem Embedded-System, ausgeführt werden, einen mit dem Computer, der Ansteuerschaltung (11), bzw. dem Embedded-System gekoppelten Spannungswandler (1) zu einem Spannungswandler (1) nach Anspruch 7 aufwerten, und/oder den Computer, die Ansteuerschaltung (11), bzw. das Embedded-System dazu veranlassen, ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.Computer program containing machine-readable instructions which, when executed on a computer and / or on a control circuit and / or on an embedded system, execute one with the computer, the control circuit (11) or the embedded system coupled voltage converter (1) to a voltage converter (1) after Claim 7 upgrade, and / or cause the computer, the control circuit (11), or the embedded system, a method (100) according to one of the Claims 1 to 6 to execute.
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