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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren einer Überspannung in einem mit einer Asynchronmaschine verbundenen Zwischenkreis bei einem Lastabwurf.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 213 802 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überspannungsschutz für aktive Gleichrichter bei einem Lastabwurf beschrieben.
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Bekannt ist auch die Verwendung einer zusätzlichen Kommunikationseinrichtung zwischen Batterie und Wechselrichter zur Leistungsbegrenzung.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Reduzieren einer Überspannung in einem mit einer Asynchronmaschine verbundenen Zwischenkreis bei einem Lastabwurf, eine entsprechende Vorrichtung und ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass eine Überspannungsreduzierung bei einem Lastabwurf an einer Asynchronmaschine, etwa beim Trennen einer Batterie von der Asynchronmaschine, dadurch erreicht werden kann, dass in die Asynchronmaschine ein unter Verwendung einer im Zwischenkreis gespeicherten Energie bereitgestellter Strom eingeprägt wird. Auf diese Weise können Verluste in der Asynchronmaschine oder einem damit verbundenen Wechsel- oder Gleichrichter generiert werden, durch die die Überspannung im Zwischenkreis besonders schnell reduziert werden kann. Durch Nutzung der einzelnen Phasen der Asynchronmaschine als Widerstände kann die überschüssige Energie gezielt dissipiert werden. Vorteilhafterweise kann eine solche Überspannungsreduzierung als Softwarelösung ohne zusätzliche Hardware für beliebige Antriebe mit Asynchronmaschinen realisiert werden.
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Es wird ein Verfahren zum Reduzieren einer Überspannung in einem mit einer Asynchronmaschine verbundenen Zwischenkreis bei einem Lastabwurf vorgestellt, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst:
- Einprägen eines unter Verwendung des Zwischenkreises bereitgestellten Zwischenkreisstroms in zumindest einen Strang der Asynchronmaschine ansprechend auf ein Erkennen der Überspannung, um die Überspannung zu reduzieren.
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Unter einer Überspannung kann beispielsweise eine einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitende Zwischenkreisspannung verstanden werden. Unter einer Asynchronmaschine kann eine drei- oder mehrphasige Drehstrommaschine verstanden werden, deren Rotor typischerweise eine von einem Drehfeld eines Stators abweichende Drehzahl aufweist, wobei der Rotor dem Drehfeld des Stators im motorischen Betrieb der Asynchronmaschine nachläuft und im generatorischen Betrieb der Asynchronmaschine vorläuft. Eine Differenz zwischen der Drehzahl des Rotors und der Drehzahl des Drehfelds des Stators kann auch als Schlupf bezeichnet werden. Bei der Asynchronmaschine kann es sich beispielsweise um einen Antriebsmotor oder eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs handeln.
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Unter einem Zwischenkreis kann eine elektrische Einrichtung verstanden werden, die als Energiespeicher mehrere elektrische Netze auf einer zwischengeschalteten Strom- oder Spannungsebene über Umrichter elektrisch koppelt, beispielsweise ein Wechselspannungsnetz eines Antriebs eines Kraftfahrzeugs und ein Gleichspannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs.
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Unter einem Lastabwurf kann eine infolge eines plötzlichen Ab- oder Wegfallens einer Last an der Asynchronmaschine auftretende Spannungsspitze in der Asynchronmaschine, in einem damit verbundenen Wechsel- oder Gleichrichter oder im Zwischenkreis verstanden werden. Beispielsweise kann die Spannungsspitze auftreten, wenn die Asynchronmaschine im generatorischen Betrieb von einer Batterie in einem Kraftfahrzeugbordnetz getrennt wird, sodass sich die Last schlagartig verringert, da dann der von der Asynchronmaschine abgegebene Strom nicht mehr von der Batterie aufgenommen werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Einprägens ein Zwischenkreisstrom eingeprägt werden, der zumindest gleich einem bei einem generatorischen Betrieb der Asynchronmaschine durch den Strang fließenden Phasenstrom ist. Dadurch kann erreicht werden, dass elektrische Energie im Zwischenkreis abgebaut wird. Speziell kann der eingeprägte Strom betragsmäßig gleich dem bei einem bei einem generatorischen Betrieb der Asynchronmaschine durch den Strang fließenden Phasenstrom sein und/oder eine umgekehrte Polarität des bei einem bei einem generatorischen Betrieb der Asynchronmaschine durch den Strang fließenden Phasenstroms haben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Einprägens ein Zwischenkreisstrom eingeprägt werden, der zumindest gleich einem Zwanzigfachen insbesondere dem Fünzigfachen, bevorzugt dem Einhundertfachen des Phasenstroms oder höchstens gleich einem zulässigen maximalen Phasenstrom ist. Dadurch kann die Effizienz des Verfahrens gesteigert werden.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn im Schritt des Einprägens ein einen Schlupf der Asynchronmaschine repräsentierender Schlupfwert oder, zusätzlich oder alternativ, ein ein Drehmoment der Asynchronmaschine repräsentierender Drehmomentwert gegen null reduziert wird. Unter einem Drehmomentwert kann ein zeitlich konstanter, ein vom Rotor erzeugtes Drehmoment abbildender q-Wert einer d/q-Transformation verstanden werden. Durch diese Ausführungsform kann eine Überschreitung einer zulässigen maximalen Zwischenkreisspannung beim Lastabwurf wirksam verhindert werden.
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Von Vorteil ist auch, wenn im Schritt des Einprägens ansprechend auf das Erkennen zumindest ein unter Verwendung des Zwischenkreises bereitgestellter weiterer Zwischenkreisstrom in zumindest einen weiteren Strang der Asynchronmaschine eingeprägt wird, um die Überspannung zu reduzieren. Beispielsweise können zumindest zwei weitere Zwischenkreisströme in zwei weitere Stränge der Asynchronmaschine eingeprägt werden, sofern es sich bei der Asynchronmaschine um eine dreiphasige Drehstrommaschine mit insgesamt drei Strängen handelt. Hierbei kann das Einprägen der weiteren Zwischenkreisströme auf eine analoge Art wie das zuvor genannte Einprägen des Zwischenkreisstroms auf einen (ersten) Strang erfolgen. Analog dazu kann die Asynchronmaschine auch mit mehr als zwei weiteren Zwischenkreisströmen beaufschlagt werden, sofern die Asynchronmaschine mehr als drei Phasen bzw. Stränge aufweist. Dadurch können mehrere Stränge gleichzeitig mit einem Zwischenkreisstrom beaufschlagt werden. Somit kann die Effizienz des Verfahrens deutlich gesteigert werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch die Vorrichtung eine Steuerung eines Fahrzeugs. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise auf Sensorsignale wie Beschleunigungs-, Druck-, Lenkwinkel- oder Umfeldsensorsignale zugreifen. Die Ansteuerung kann über entsprechende Aktoren wie Brems- oder Lenkaktoren oder ein Motorsteuergerät des Fahrzeugs erfolgen.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung aus 1;
- 3 ein Diagramm zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer Zwischenkreisspannung eines Zwischenkreises aus 1;
- 4 ein Diagramm zur Darstellung zeitlicher Verläufe dreier Phasenströme einer Asynchronmaschine aus 1;
- 5 ein Diagramm zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Drehmoments einer Asynchronmaschine aus 1;
- 6 ein Diagramm zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Wertepaars Id/Iq einer Asynchronmaschine aus 1; und
- 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einer Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielhaft weist das Fahrzeug 100 einen Antriebsmotor in Form einer Asynchronmaschine 104 auf, die über einen Wechselrichter 105 und einen Zwischenkreis 106 mit der Vorrichtung 102 verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Vorrichtung 102 direkt mit der Asynchronmaschine 104 elektrisch leitfähig verbunden. Die Vorrichtung 102 ist ausgebildet, um ansprechend auf ein Erkennen einer Überspannung im Zwischenkreis 106, wie sie insbesondere bei einem Lastabwurf auftritt, einen unter Verwendung des Zwischenkreises 106 bereitgestellten Zwischenkreisstrom sowie des Wechselrichters 105 in die Asynchronmaschine 104 einzuprägen, genauer in einen oder mehrere Stränge der Asynchronmaschine 104, um den jeweiligen Strang als Widerstand zu nutzen und somit die im Zwischenkreis 106 vorhandene elektrische Energie teilweise zu dissipieren. Dies hat den Effekt, dass die Spannung im Zwischenkreis 106, nachfolgend auch Zwischenkreisspannung Uzk genannt, sehr schnell sinkt.
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Insbesondere ist die Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um die Asynchronmaschine 104 beim Erkennen der Überspannung durch Umsteuern der Asynchronmaschine 104 auf eine synchrone Grundschwingungsfrequenz von einem Generatorbetrieb in einen Synchronbetrieb umzusteuern. Dabei wird ein Schlupf s der Asynchronmaschine 104 gegen null geregelt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung 102 dabei die Wertepaare Id/Iq von einer optimalen Paarung hin zu anderen Paarungen bis hin zu reinem Id mit hoher Sättigung bei maximalem zulässigem Phasenstrom umsteuert. Dabei bildet der Wert Id die magnetische Flussdichte der magnetischen Erregung im Rotor der Asynchronmaschine 104 ab, während der Wert Iq das vom Rotor erzeugte Drehmoment abbildet.
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Erkennt die Vorrichtung 102 die Überspannung, erfolgt zunächst ein Umschalten von einer Id/Iq-Regelung, d. h. vom Generatorbetrieb, in einen I/f-Modus mit s = 0, in dem der Zwischenkreisstrom bei einer bestimmten Synchronfrequenz eingeprägt wird. Dabei wird der I/f-Modus mit mindestens dem gleichen Phasenstrom wie im Generatorbetrieb umgesetzt, beispielsweise sqrt(Id 2 + Iq 2) = Id. Beispielsweise wird dieses Verhalten durch einen sehr schnellen Regler mit einem Sollwert Id* = Istrmax und einem Sollwert Iq* = 0 umgesetzt, wobei Istrmax für einen zulässigen maximalen Phasenstrom je Strang steht. Dadurch können Regelungszeiten von 125 µs oder weniger erreicht werden. Wichtig ist hierbei, dass nicht nur einfach der Schlupf s zu null gesetzt wird, sondern mindestens der gleiche Phasenstrom wie vorher fließt, idealerweise sogar so viel Strom wie möglich, d. h. reiner Id bei starker Sättigung der Asynchronmaschine 104. Dieses Verhalten führt zum Abbau elektrischer Energie im Zwischenkreis 106. Zusammen mit dem dynamischen Vorgang (teilweise motorisch) führt dies zur Begrenzung der Zwischenkreisspannung Uzk .
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 102 aus 1. Die Vorrichtung 102 umfasst eine Einprägeeinheit 210, die ausgebildet ist, um unter Verwendung eines Erkennungssignals 212, das die erkannte Überspannung im Zwischenkreis repräsentiert, ein Einprägesignal 214 zum Einprägen eines entsprechenden Zwischenkreisstroms in zumindest einen Strang der Asynchronmaschine auszugeben.
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Die in den 3 bis 6 dargestellten Diagramme zeigen beispielhaft Messergebnisse im Verlauf einer Überspannungsreduzierung mittels der Vorrichtung 102 mit folgenden Parametern: Id* = 594, Iq* = 0 (sehr schneller Regler) bei Uzk > 500 Vdc, - 190 Nm, 4000 rpm, 325 Vdc, 420 Arms, ca. -75 kWdc.
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3 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufs 300 einer Zwischenkreisspannung Uzk eines Zwischenkreises aus 1. Zu Beginn der Messung beträgt die Zwischenkreisspannung Uzk beispielhaft 325 Vdc. Nach etwa 1 Sekunde erfolgt ein Lastabwurf, etwa durch Abtrennen einer Batterie von der Asynchronmaschine, bei dem die Zwischenkreisspannung Uzk sehr schnell auf einen Wert von größer 500 Vdc ansteigt. Durch Einprägen des Zwischenkreisstroms kann diese Überspannung im Zwischenkreis abgebaut werden, was im Diagramm durch einen raschen Abfall der Zwischenkreisspannung direkt nach dem Lastabwurf und ein nachfolgendes Einschwingen um den Anfangswert von 325 Vdc erkennbar ist.
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4 zeigt ein Diagramm zur Darstellung zeitlicher Verläufe 400, 402, 404 dreier Phasenströme Iph einer Asynchronmaschine aus 1, bei der es sich dementsprechend um eine dreiphasige Asynchronmaschine handelt. Zu Beginn der Messung weisen die Phasenströme einen sinusförmigen Verlauf auf. Beim Lastabwurf steigt der Phasenstrom desjenigen Strangs, in den der Zwischenkreisstrom eingeprägt wird, mit nur kurzer Verzögerung steil an und verbleibt kurzzeitig auf einem hohen Wert, der mindestens dem maximalen Phasenstrom vor dem Lastabfall entspricht. Die übrigen Phasenströme, hier durch die Verläufe 402, 404 repräsentiert, fallen zum Zeitpunkt des Lastabfalls ebenfalls schlagartig ab. Hierbei ist zu einer Verhältnismäßigkeit zwischen dem Zwischenkreisstrom und Phasenstrom zu beachten, dass im Allgemeinen der Zwischenkreisstrom (Izk , Idc ) immer deutlich kleiner als der Phasenstrom (Iac ) ist. Ursächlich ist, dass in einem Fahrantrieb üblicherweise aus einer konstanten Batterie- bzw. Zwischenkreisspannung eine variable Wechselspannung generiert wird, die naturgemäß nicht höher sein kann als die Speisespannung. Um das Leistungsgleichgewicht zu erhalten, sollte der Zwischenkreisstrom kleiner oder maximal gleich groß als der Wechselstrom auf der Wechselspannungsseite des Wechselrichtes sein.
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5 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufs 500 eines Drehmoments Trq einer Asynchronmaschine aus 1. Das Drehmoment Trq weist zu Beginn der Messung beispielhaft einen negativen Wert von -190 Nm auf, d. h., die Asynchronmaschine befindet sich im bremsenden Generatorbetrieb. Beim Lastabwurf schwingt das Drehmoment kurzzeitig in den positiven Wertebereich über und pendelt sich dann um die Nulllinie ein.
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6 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines Wertepaars Id/Iq einer Asynchronmaschine aus 1. Gezeigt sind ein dem Wert Iq zugeordneter erster Verlauf 600 und ein dem Wert Id zugeordneter zweiter Verlauf 602. Es ist zu erkennen, dass kurz nach dem Lastabwurf der Wert Iq von einem annähernd konstanten negativen Wert sprunghaft gegen null ansteigt und sich dort einpendelt und zum gleichen Zeitpunkt der Wert Iq von einem annähernd konstanten positiven Wert sprunghaft auf einen noch höheren positiven Wert ansteigt und sich dort einpendelt.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 700 zum Reduzieren einer Überspannung in einem mit einer Asynchronmaschine verbundenen Zwischenkreis bei einem Lastabwurf kann beispielsweise unter Verwendung einer vorangehend anhand der 2 bis 6 beschriebenen Vorrichtung ausgeführt werden. Dabei wird in einem optionalen Schritt 710 zunächst festgestellt, ob die Überspannung im Zwischenkreis vorliegt. Ist dies der Fall, so wird in einem weiteren Schritt 720 ein geeigneter Zwischenkreisstrom in den betreffenden Strang der Asynchronmaschine eingeprägt, um Verluste in der Asynchronmaschine zu generieren und so die Überspannung im Zwischenkreis abzubauen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Fahrzeug
- 102
- Vorrichtung zum Reduzieren einer Überspannung
- 104
- Asynchronmaschine
- 105
- Wechselrichter
- 106
- Zwischenkreis
- 210
- Einprägeeinheit
- 212
- Erkennungssignal
- 214
- Einprägesignal
- 300
- zeitlicher Verlauf einer Zwischenkreisspannung
- 400
- zeitlicher Verlauf eines ersten Phasenstroms
- 402
- zeitlicher Verlauf eines zweiten Phasenstroms
- 404
- zeitlicher Verlauf eines dritten Phasenstroms
- 500
- zeitlicher Verlauf eines Drehmoments
- 600
- zeitlicher Verlauf eines Iq-Werts
- 602
- zeitlicher Verlauf eines Id-Werts
- 700
- Verfahren zum Reduzieren einer Überspannung
- 710
- Schritt des Erkennens
- 720
- Schritt des Einprägens
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013213802 A1 [0002]
