DE102019124926A1

DE102019124926A1 - Verfahren und Prüfstand zum Kalibrieren eines elektrischen Antriebsstranges mit einem Elektromotor

Info

Publication number: DE102019124926A1
Application number: DE102019124926.0A
Authority: DE
Inventors: Francesco Duchi; Stefan Scheidel; Hans-Michael Koegeler
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2018-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2020-03-19
Also published as: AT521752A1; AT521752B1

Abstract

Für eine einfache, schnelle und sichere Kalibrierung eines elektrischen Antriebstranges mit einem Elektromotor ist vorgesehen, dass eine Vielzahl von Statorstromvektoren (I) im d/q-Koordinatensystem eingestellt werden, indem ein Anfangs-Statorstromvektor (I) eingestellt wird, der innerhalb der kleinsten möglichen Spannungsbegrenzungsellipse endet und an der Spitze des Anfangs-Statorstromvektors (I) ein Variations-Stromvektor (ΔI) in Betrag (|ΔI|) und/oder Winkel (γ) innerhalb der jeweiligen Schnittfläche variiert wird und der einzustellende Statorstromvektor (I) jeweils aus der Vektorsumme des Anfangs-Statorstromvektor (I) und des variierten Variations-Stromvektors (ΔI) gebildet wird, bei jedem eingestellten Statorstromvektor (I) das Kalibrationsziel ermittelt wird und aus allen Statorstromvektoren (I), die zur bestimmten Drehzahl (ω) und Drehmomenten (T) Kombination des Elektromotors (2) führen, derjenige Statorstromvektor (I) mit der d-Komponente und der q-Komponente mit der besten Erfüllung des zumindest einen Kalibrationsziels ausgewählt wird und der für die bestimmte Drehzahl (ω) und Drehmoment (T) Kombination ausgewählte Statorstromvektor (I) in einem Kennfeld (10) hinterlegt wird.

Description

Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines elektrischen Antriebsstranges mit einem Elektromotor auf einem Prüfstand, auf dem der Elektromotor mit einem Dynamometer verbunden wird, wobei der Elektromotor durch Einstellen eines Statorstromvektors in einem d/q-Koordinatensystem geregelt wird und beim Kalibrieren für eine bestimmte Drehzahl und Drehmomenten Kombination des Elektromotors eine Kombination einer d-Komponente und einer q-Komponente des Statorstromvektors nach einem vorgegebenen Kalibrationsziel ausgewählt wird, wobei die Regelung des Elektromotors durch einen im d/q-Koordinatensystem vorgegebenen Strombegrenzungskreis und von der Drehzahl abhängigen Spannungsbegrenzungsellipsen begrenzt wird, indem die Kombination der d-Komponente und der q-Komponente des Statorstromvektors nur aus der Schnittfläche des Strombegrenzungskreises und der jeweiligen Spannungsbegrenzungsellipse ausgewählt wird. Die Erfindung betrifft ferner einen Prüfstand zur Durchführung der Kalibrierung.
Moderne elektrische Antriebskonzepte basieren auf, üblicherweise mehrphasigen, Elektromotoren, die von Stromrichtern, wie beispielsweise Umrichtern oder Wechselrichtern, versorgt werden. Ein Umrichter erzeugt aus einer, in der Regel mehrphasigen, AC-Versorgungsspannung (üblicherweise eine Wechselspannung) für jede Phase des Elektromotors eine Wechselspannung (AC), die an die Statorwicklungen des Elektromotors angelegt werden, um einen benötigten Phasenstrom zur Einstellung des benötigten Drehmoments zu bewirken. Ein Wechselrichter erzeugt aus einer DC-Versorgungsspannung, wie beispielsweise bei einer Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, eine gewünschte Wechselspannung (AC). Umrichter sind in verschiedenen Topologien bekannt, wobei die gängigste ein AC/AC-Wandler mit Gleichspannungszwischenkreis ist. Darin ist eingangsseitig ein AC/DC-Wandler vorgesehen, der die Versorgungsspannung auf eine Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises wandelt. Der Gleichspannungszwischenkreis versorgt eine ausgangsseitige Brückenschaltung (Voll- oder Halbbrücke) mit Halbleiterschaltern, wobei durch geregeltes Schalten der Halbleiterschalter die gewünschten Ausgangspannungen der benötigten Phasen erzeugt werden. Bei einem Wechselrichter entfallen im Wesentlichen der eingangsseitige Gleichrichter und der Gleichspannungszwischenkreis.
Der Stromrichter wird in der Regel in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors gesteuert, um ein gewünschtes Drehmoment zu erzeugen. Die Regelung des Drehmoments, oder auch die Regelung der Drehzahl, des Elektromotors erfolgt häufig in Form einer bekannten feldorientierten Regelung, in der eine d-Komponente und eine q-Komponente eines mit dem Rotor mitdrehenden Statorstromvektors geregelt werden. Die d-Komponente bildet die magnetische Flussdichte der magnetischen Erregung im Rotor ab, und die q-Komponente ist ein Ausdruck für das vom Rotor erzeugte Drehmoment. Dazu werden die Istwerte der einzelnen Phasenströme gemessen und mittels der bekannten Park-Transformation (auch als Clarke-Park-Transformation) in das d/q-Koordinatensystem transformiert. Im d/q-Koordinatensystem wird die Abweichung zwischen den Istwerten und vorgegebenen Sollwerte für die d-Komponente und q-Komponente des Statorstromvektors im d/q-Koordinatensystem ausgeregelt, was zu einzustellenden Spannungen im d/q-Koordinatensystem führt. Diese Spannungen werden mit der inversen Park-Transformation (auch inverse Park-Clarke-Transformation) in Statorwicklungspannungen umgerechnet, die dann an die Statorwicklungen angelegt werden. Häufig kommt dabei auch eine Pulsweitenmodulation (PWM) zur Ansteuerung der Halbleiterschalter der ausgangsseitigen Brückenschaltung des Stromrichters zur Anwendung.
Die Regelung eines Elektromotors erfolgt dabei häufig durch Vorgabe eines gewünschten Drehmoments, das dann anhand von hinterlegten Kennfeldern (z.B. in Form von Tabellen) in Abhängigkeit von anderen Einflussgrößen, wie beispielsweise der aktuellen Drehzahl, einer Zwischenkreisspannungen, Temperatur, usw., in Vorgaben für den Statorstromvektor im d/q-Koordinatensystem umgewandelt wird. Die Ermittlung dieser Kennfelder für einen bestimmten elektrischen Antriebsstrang, beispielsweise eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, ist in der Praxis aber schwierig und sehr (zeit)aufwendig. Die Bestimmung der Kennfelder ist aber für den Betrieb des Stromrichters und des Antriebsstranges essentiell. In der Regel erfolgt das durch Vermessen der Kennfelder, insbesondere der Kennfelder für die d-Komponente und die q-Komponente des Statorstromes im d/q-Koordinatensystem in Abhängigkeit vom gesamten möglichen Betriebsbereich der Drehzahl und des Drehmoments. Üblicherweise erfolgt in einem ersten Schritt eine Vorbedatung der Kennfelder durch eine rechnerische Simulation des Elektromotors, was zu einer bereits einigermaßen guten Vorbedatung führen kann. Die Genauigkeit ist allerdings auf die Genauigkeit der Simulationsmodelle beschränkt, was üblicherweise nicht ausreichend ist. Daher werden die Kennfelder, final oder überhaupt, auf einem Prüfstand bestimmt. Mit solchen Prüfläufen am Prüfstand können auch die Simulationsmodelle geprüft und verbessert werden. Bei dieser Vermessung am Prüfstand geht es darum, in Abhängigkeit vom Betriebsbereich des Elektromotors (Drehzahl, Drehmoment, Gleichspannungszwischenkreisspannung, DC-Versorgungsspannung, usw.) mögliche Betriebspunkte für die d-Komponente und die q-Komponente des Statorstromes, also mögliche Kombinationen des d- und q-Stromes, zu finden. Üblicherweise orientiert man sich dabei an sogenannten maximalem Drehmoment pro Ampere Kennlinien (MTPA-Kennlinien) oder maximalem Drehmoment pro Volt (MTPV-Kennlinien), um für jede Drehzahl / Drehmoment Kombination die d-Komponente und die q-Komponente des Statorstromes zu bestimmen. Man sucht also beispielsweise die d-Komponente und die q-Komponente, die bei einer bestimmten Drehzahl das maximale Drehmoment ergibt. Das Kennfeld liefert dann zu jeder Drehzahl / Drehmoment Kombination die d-Komponente und die q-Komponente des Statorstromes, die einzustellen ist. Dabei kann es für verschiedene weitere Einflussgrößen, wie beispielsweise einer DC Zwischenkreis- oder Versorgungsspannung, Temperatur, usw., auch verschiedene Kennfelder geben.
Erschwerend kommt bei der Kalibrierung am Prüfstand hinzu, dass der d-Strom und q-Strom selbst auch Beschränkungen unterliegen. Einerseits kann der Stromrichter hardwarebedingt nur bestimmte maximale Ströme zu Verfügung stellen, was zu einer Strombegrenzung führt.
Andererseits ergibt sich eine Spannungsbegrenzung aufgrund der Gegen-Elektromotorischen Spannung, die in den Statorwicklungen induziert wird. Würde die Gegen-Elektromotorische Spannung die Stromrichter-Ausgangsspannung übersteigen, kann das zur Beschädigung oder Zerstörung des Stromrichters führen. Die Strombegrenzung mit dem maximalen Statorstrom Imax kann für den Statorstrom im d/q-Koordinatensystem bekanntermaßen als Kreis um den Koordinatenursprung dargestellt werden, wie in 4 dargestellt. Die Spannungsbegrenzung kann auf den Statorstrom umgelegt im d/q-Koordinatensystem bekanntermaßen als Ellipse dargestellt werden, wobei die Größe der Ellipse drehzahlabhängig ist, wie in 4 dargestellt. 4 zeigt zwei Ellipsen der Spannungsbegrenzung für verschiedene Drehzahlen ω₁ , ω₂ . Damit können die d-Komponente und die q-Komponente des Statorstromes im Betrieb nicht beliebig variiert werden, sondern nur innerhalb der Schnittfläche des Strombegrenzungskreises und der jeweiligen Spannungsbegrenzungsellipse. Beim Kalibrieren durch das Vermessen der Kennfelder kann es auch um die Ermittlung dieser Grenzen gehen.
Zur Vermessung der Kennfelder wurden bisher die q-Komponente und die d-Komponente des Statorstromes im d/q-Koordinatensystem variiert. Der mögliche Variationsbereich lag für die q-Komponente zwischen +I_max und -I_max und für die d-Komponente zwischen 0 und -I_max . Es wurde ein Raster über diesen Variationsbereich gelegt und die einzelnen Rasterpunkte eingestellt und dabei das Drehmoment gemessen und geprüft, ob die Strombegrenzung oder die Spannungsbegrenzung verletzt wurde. Das musste für jede Einflussgrößenkombination (Drehzahl, DC-Versorgungsspannung, Temperatur, usw.) wiederholt werden. Das Raster durfte dabei nicht zu weit gewählt werden, um zu verhindern, dass eine Begrenzung zu massiv verletzt wird. Unabhängig von der Rasterweite sind die Schnittpunkte zwischen dem Strombegrenzungskreis und der Spannungsbegrenzungsellipse mit einem diskreten Raster schwer oder gar nicht zu finden. Zur Vermessung musste die Anfangskombination der d-Komponente und der q-Komponente, sowie der Variationsbereich ausgehend von dieser Anfangskombination sehr sorgfältig gewählt werden, was erfahrene Kalibrationsingenieure erforderte. Aufgrund der Komplexität dieser Kalibration waren auch zumindest zwei Kalibrationsingenieure erforderlich, um alle Parameter überwachen zu können. Für eine derartige Kalibration müssen der gesamte Antriebsstrang auf einem Prüfstand und zumindest zwei erfahrene Kalibrationsingenieure für die Dauer von mehreren Wochen zur Verfügung gestellt werden. Das macht eine derartige Kalibration sehr zeitaufwendig und teuer.
Aus der WO 2017/192631 A1 ist daher schon ein Verfahren bekannt geworden, um die Kalibration eines Elektromotors zu beschleunigen. Die Kalibration zielt dabei darauf ab, Kennlinien mit maximalem Drehmoment pro Ampere (MTPA-Kennlinien) zu ermitteln. Dabei wird grundsätzlich zwischen dem Nicht-Feldschwächebereich und dem Feldschwächebereich unterschieden. Der Nicht-Feldschwächebereich erstreckt sich vom Koordinatenursprung im d/q-Koordinatensystem bis zur Spannungsbegrenzungsellipse und der Feldschwächebereich erstreckt sich entlang der Spannungsbegrenzungsellipse. Die MTPA Kennlinie im Nicht-Feldschwächebereich wird durch Variation der d-Komponente und q-Komponente des Statorstromes festgelegt. Um die MTPA Kennlinie im Nicht-Feldschwächebereich zu finden ist ein Regler vorgesehen, der die Differenz zwischen der Statorspannung im d/q-Koordinatensystem und einer vorgegebene Referenzspannung (vorzugsweise eine maximale Statorspannung) ausregelt. Dabei wird beispielsweise eine d-Komponente des Statorstromes im d/q-Koordinatensystem vorgegeben und die zugehörige q-Komponente gesucht, die die Differenz eliminiert. Dabei kann jeweils ein Strominkrement zur q-Komponente addiert werden, bis die Differenz ausreichend klein ist. Dabei kann eine Verletzung der Spannungsbegrenzung aber nicht ausgeschlossen werden. Abgesehen davon werden damit nur Betriebspunkte entlang der MTPA Kennlinie bestimmt, was die Berücksichtigung von anderen oder zusätzlichen Kalibrationszielen ausschließt.
Es ist eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ein Verfahren zur Kalibrierung eines elektrischen Antriebstranges anzugeben, das einfach und schnell durchgeführt werden kann und mit dem unzulässige Überschreitung von Strombegrenzungen und/oder Spannungsbegrenzungen vermieden werden können. Zusätzlich soll ermöglicht werden, Randbedingungen, die nur in einer Prüfumgebung messtechnisch erfassbar sind, wie beispielsweise Schall oder EMV Emissionen, in die Kalibrierung, also in die Bedatungsentscheidung, mit einfließen zu lassen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass für die Kalibrierung durch die Regelung eine Vielzahl von Statorstromvektoren im d/q-Koordinatensystem eingestellt werden, indem ein Anfangs-Statorstromvektor eingestellt wird, der innerhalb der kleinsten möglichen Spannungsbegrenzungsellipse endet und an der Spitze des Anfangs-Statorstromvektors ein Variations-Stromvektor in Betrag und/oder Winkel innerhalb der jeweiligen Schnittfläche variiert wird und der einzustellende Statorstromvektor jeweils aus der Vektorsumme des Anfangs-Statorstromvektor und des variierten Variations-Stromvektors gebildet wird, bei jedem eingestellten Statorstromvektor das Kalibrationsziel ermittelt wird und aus allen Statorstromvektoren, die zur bestimmten Drehzahl und Drehmomenten Kombination des Elektromotors führen, derjenige Statorstromvektor mit der d-Komponente und der q-Komponente mit der besten Erfüllung des Kalibrationsziel ausgewählt wird und der für die bestimmte Drehzahl und Drehmoment Kombination ausgewählte Statorstromvektor in einem Kennfeld hinterlegt wird. „Beste Erfüllung“ bedeutet dabei in der Regel eine Minimierung oder Maximierung des zumindest einen Kalibrationszieles oder einen bestmöglichen Kompromiss (im Sinne einer Pareto Optimalität) mehrerer Kalibrationsziele. Dieses Vorgehen stellt zum einen sicher, dass die Variation des Statorstromvektors im sicheren Bereich, innerhalb der Spannungsbegrenzungsellipse beginnt. Durch die Variation des Variations-Stromvektor nähert man sich der Spannungsbegrenzungsellipse von innen und in einem steilen Winkel (in etwa rechtwinkelig), was es vereinfacht den Schnittpunkt mit der Spannungsbegrenzungsellipse festzustellen. Auf diese Weise kann zum anderen eine Überschreitung von Strombegrenzungen und/oder Spannungsbegrenzungen sicherer vermieden werden. Zusätzlich kann dazu noch ein beliebiges Kalibrationsziel definiert werden, was die Kalibrierung auch flexibler macht, da man dabei nicht nur an MTPA oder MTPV Kennlinien gebunden ist. Das ermöglicht es insbesondere auch bei der Kalibrierung Randbedingungen zu berücksichtigen, die dann in die Bedatungsentscheidung, also welcher d- und q-Statorstrom in einem bestimmten Betriebspunkt hinterlegt wird, berücksichtigt werden kann.
Um einen sicheren Startpunkt für die Variation des Statorstromvektors sichrzustellen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Anfangs-Statorstromvektor im Bereich eines Zentrums der Spannungsbegrenzungsellipsen endet. Der Bereich des Zentrums ist jedenfalls eine zulässige Kombination der d-Komponenten und der q-Komponente des Statorstromvektors und man sicher sein, dass damit keine Grenzen verletzt werden.
Wenn der Anfangs-Statorstromvektor nur eine d-Komponente aufweist, kann sichergestellt werden, dass die Kalibrierung mit dem drehmomentenfreien Elektromotor gestartet werden kann, was vorteilhaft für die Durchführung der Kalibrierung ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zuerst der Statorstromvektor durch Variation des Variations-Stromvektors variiert und dabei Messdaten des Antriebsstranges ermittelt werden, die anschließend hinsichtlich des Kalibrationsziels ausgewertet werden. Dadurch kann die Messwerterfassung und die eigentliche Kalibrierung durch Auswertung der Messdaten zeitlich getrennt werden, womit die Kalibrierung offline erfolgen kann.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

1 ein elektrischer Antriebsstrang mit Ansteuerung,
2 eine feldorientierte Regelung eines elektrischen Antriebsstranges,
3 ein möglicher Betriebsbereich eines Elektromotors,
4 den Strombegrenzungskreis und Spannungsbegrenzungsellipsen in einem d/q-Koordinatensystem,
5 die erfindungsgemäße Variation des Statorstromvektors im d/q-Koordinatensystem zur Kalibrierung und
6 eine Umsetzung der Kalibrierung des Antriebsstranges auf einem Prüfstand.

1 zeigt beispielhaft einen elektrischen Antriebsstrang 1 mit einem Elektromotor 2, der eine Last 3 antreibt. Der Elektromotor 2 und die Last 3 können durch eine Verbindungswelle 4 miteinander verbunden sein, der Elektromotor 2 könnte aber auch direkt an die Last 3 angeflanscht sein. Die Last 3 wird beispielsweise durch die Antriebsstrangkomponenten gebildet, die vom Elektromotor angetrieben werden, also beispielsweise ein mechanischer Antriebsstrang bei einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Der Elektromotor 2 wird von einem Stromrichter 5, beispielsweise ein Umrichter oder ein Wechselrichter, mit elektrischer Energie versorgt. Der Elektromotor 2 ist beispielsweise ein dreiphasiger Elektromotor, wobei der Stromrichter 5 für jede Phase eine elektrische Spannung Uu, Uv, Uw für die Statorwicklungen erzeugt. Der Stromrichter 5 wird von einer Spannungsversorgung 6 mit elektrischer Energie in Form einer Versorgungsspannung Vs versorgt. Die Spannungsversorgung 6 kann ein elektrischer Energiespeicher, z.B. eine Sekundärbatterie, oder auch ein elektrisches Versorgungsnetz (auch mehrphasig) sein. Im Fall eines Energiespeichers wird die Versorgungsspannung Vs eine Gleichspannung (DC) sein und im Fall eines Versorgungsnetzes eine (mehrphasige) Wechselspannung (AC). Der elektrische Antriebsstrang 1 ist beispielsweise ein Hybridantriebsstrang eines Hybridfahrzeugs oder ein elektrischer Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs. In diesem Fall wäre die Spannungsversorgung 6 die Fahrzeugbatterie. Der Stromrichter 5 wird von einer Steuereinheit 7 (Hardware und/oder Software) gesteuert. Der Steuereinheit 7 wird beispielsweise ein gewünschtes Drehmoment T_D des Elektromotors 2 vorgegeben, beispielsweise von einer übergeordneten Steuereinheit 8, z.B. einer Hybridantriebsstrang-Steuereinheit, in der Regel mit Batteriemanagementsystem im Falle eines Batterie als Spannungsversorgung 6. Anstelle eines Drehmoments T_D kann natürlich auch eine Drehzahl vorgegeben werden. Aus einem hinterlegten Kennfeld 10 werden bei einer üblichen feldorientierten Regelung die Stromkomponenten I_d , I_q im d/q-Koordinatensystem ausgelesen, die für das gewünschte Drehmoment T_D (oder die gewünschte Drehzahl) einzustellen sind. Gleichzeitig erhält die Steuereinheit 7 in der Regel Istwerte der Statorströme I_U , I_V , I_W , die üblicherweise gemessen werden. Ebenso wird üblicherweise auch eine Drehzahl ω des Elektromotors 2 gemessen, beispielsweise mit einem Drehzahlsensor 9, und der Steuereinheit 7 zur Verfügung gestellt. Aus diesen Größen berechnet die Steuereinheit 7 die Statorspannungen Uu, Uv, Uw, die durch den Stromrichter 5 einzustellen sind.
Eine beispielhafte, an sich bekannte, Ausgestaltung der Steuereinheit 7 mit feldorientierter Regelung wird anhand der 2 kurz erläutert. Die gemessenen Statorströme Iu, Iv, Iw werden in einer ersten Transformationseinheit 11 in das mit dem Stator mitrotierende d/q-Koordinatensystem transformiert, beispielsweise mit der bekannten Parke-Transformation (auch Parke-Clarke-Transformation). Dazu erhält die erste Transformationseinheit 11 auch die aktuelle Drehzahl ω des Elektromotors 2. Aus Vorgaben für den Elektromotor 2, beispielsweise ein gewünschtes Drehmoment T_D , und der aktuellen Drehzahl ω werden aus dem hinterlegten Kennfeld 10 die einzustellenden Stromkomponenten I_dD , I_qD im d/q-Koordinatensystem ausgelesen. Dabei können auch noch andere Einflussgrößen, wie beispielsweise eine Versorgungspannung Vs der Spannungsversorgung 7 wie in 2 strichliert angedeutet, oder auch eine Temperatur des Elektromotors 2 (die z.B. ebenfalls gemessen werden kann), berücksichtigt werden. In diesem Fall müssten die Kennfelder 10 natürlich ebenfalls in Abhängigkeit von diesen weiteren Einflussgrößen gespeichert sein oder die ausgelesenen Stromkomponenten I_d , I_q im d/q-Koordinatensystem ausgelesen und mit entsprechenden Korrekturfaktoren korrigiert werden. Aus den Abweichungen e_d , e_q zwischen den Sollwerten für die Stromkomponenten I_dD , I_qD und den aktuellen Stromkomponenten I_d , I_q werden in jeweils einem Regler R_d , R_q die benötigten d- und q-Komponenten der Statorspannung V_d , V_q im d/q-Koordinatensystem berechnet. Dabei kann ein beliebiger Regler R_d , R_q implementiert sein, beispielsweise ein PI- oder PID-Regler. Die benötigten d- und q-Komponenten der Statorspannung V_d , V_q im d/q-Koordinatensystem werden in einer zweiten Transformationseinheit 12 in die Statorspannungen Uu, Uv, Uw der einzelnen Statorwicklungen des Elektromotors 2 transformiert. Hierzu kommt beispielsweise die umgekehrte Parke-Transformation (auch umgekehrte Clarke-Parke-Transformation) zur Anwendung. Diese Statorspannungen Uu, Uv, Uw, oder repräsentative Größen, werden dann an den Stromrichter 5 übergeben. Die Steuereinheit 7 kann als Mikroprozessor ausgeführt sein, auf dem die erste Transformationseinheit 11, die zweite Transformationseinheit 12 und die Regler R_d , R_q als Software implementiert sind. Das Kennfeld 10 kann in einer Speichereinheit hinterlegt sein. Es kann aber auch jede der erwähnten Einheit separat und getrennt von der Steuereinheit 7 ausgeführt sein, beispielsweise als eigenständige Hardware und/oder Software. Ebenso sei angemerkt, dass die Drehzahl ω nicht unbedingt gemessen werden muss, sondern dass auch ein Beobachter implementiert sein kann, beispielsweise in der Steuereinheit 7 als Software oder auch als eigenständige Hardware mit Software, in dem die Drehzahl ω aus anderen bekannten Größen, beispielsweise den gemessenen Statorströmen I_U , I_V , I_W , geschätzt wird.
Die obigen Ausführungen zum Stromrichter 5 und zur Steuereinheit 7 sind hinlänglich bekannt und sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Die Art und Weise der Regelung des Elektromotors 2 auf Basis eines Kennfeldes 10 kann im Rahmen der Erfindung auch beliebig anders ausgestaltet sein.
Ein Elektromotor 2 kann in einem Vier-Quadrantenbetrieb in einem breiten Bereich der Drehzahl ω, zwischen einer positiven und negativen maximalen Drehzahl ±ω_max (äquivalent ±n_max ), und des Drehmoments T, zwischen einem positiven und negativem maximalen Drehmoment ±T_max , betrieben werden, wie in 3 dargestellt. Jeder Punkt in diesem Betriebsbereich kann durch eine Kombination der Stromkomponenten I_d , I_q im d/q-Koordinatensystem repräsentiert werden. Bei der Kalibrierung gilt es nun diese Kombinationen in Abhängigkeit vom Drehmoment T und der Drehzahl ω (und gegebenenfalls auch von anderen Einflussgrößen wie der Versorgungsspannung Vs) zu finden und in zumindest einem Kennfeld 10 zu speichern, um im Betrieb des Elektromotors 2 darauf zurückgreifen zu können.
Zur Kalibrierung wird der Elektromotor 2 auf einem Prüfstand 20 mit einem Dynamometer 21, in der Regel ein Elektromotor, verbunden, der das vom Elektromotor 2 erzeugte Drehmoment aufnimmt, wie nachfolgend mit Bezugnahme auf die 6 noch näher erläutert wird. Dazu kann der Elektromotor 2 am Prüfstand 20 direkt mit dem Dynamometer 21 verbunden werden oder indirekt, indem der Dynamometer 21 mit der vom Elektromotor 2 angetriebenen Last 3 verbunden wird. Für die Kalibrierung kann am Prüfstand 20 ein Drehmomentensensor 27 vorgesehen sein, der ein aktuell eingestelltes Drehmoment T_M des Elektromotors 2 erfasst.
4 zeigt die bekannte Strombegrenzung des Statorstromes im d/q-Koordinatensystem als Kreis mit Radius Imax um den Ursprung des d/q-Koordinatensystem. In 4 ist ebenso die bekannte Spanungsbegrenzung aufgrund der Gegen-Elektromotorischen Spannung als Ellipse für verschiedene Drehzahlen ω₁ , ω₂ dargestellt. Die Größe der Spannungsbegrenzungsellipse sinkt mit Anstieg der Drehzahl ω. Für den Betrieb des Elektromotors 2 dürfen die Stromkomponenten I_d , I_q im d/q-Koordinatensystem nur innerhalb der Schnittfläche (schraffiert angedeutet in 4) zwischen dem Strombegrenzungskreis und der Spannungsbegrenzungsellipse (für eine bestimmte Drehzahl ω) variiert werden. Zur Schnittfläche gehört aber jedenfalls auch der Strombegrenzungskreis und die Spannungsbegrenzungsellipse, da diese Grenzlinien durchaus interessante Einstellungen für die d-Komponente und q-Komponente des Statorstromvektors I sind. Aus der 4 erkennt man ferner, dass bei bestimmten Drehzahlen selbst bei Null Drehmoment eine d-Komponente I_d des Statorstromes im d/q-Koordinatensystem einzustellen ist, was die Kalibrierung für solche Drehzahlen noch weiter erschwert.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren anhand der 5 näher erläutert. Bei der Kalibrierung wird ein Statorstromvektor I im d/q-Koordinatensystem mit Stromkomponenten I_d , I_q variiert, sowohl hinsichtlich des Betrages, als auch hinsichtlich des Winkels θ.
Um einen sicheren Startpunkt für die Kalibrierung sicherzustellen, wird die Kalibrierung mit einem Anfangs-Statorstromvektor I₀ gestartet, dessen Spitze innerhalb der kleinsten Spannungsbegrenzungsellipse, also für die größte Drehzahl ω, endet. Die kleinste Spannungsbegrenzungsellipse kann aus den bekannten Motordaten oder einer Vorbedatung abgeschätzt werden, könnte aber auch simuliert werden und kann als bekannt vorausgesetzt werden. Vorzugsweise endet die Spitze des Statorstromvektors I₀ im Bereich des Zentrums Z der Spannungsbegrenzungsellipse und somit innerhalb jeder Spannungsbegrenzungsellipsen für die verschiedenen Drehzahlen ω. Das Zentrum Z der Spannungsbegrenzungsellipse, das für alle Drehzahlen ω gleich ist, ist bekanntermaßen gegeben durch $- \frac{Ψ_{M}}{L_{d}},$
mit dem magnetischen Statorfluss Ψ_M aus der Flussverkettung und dem d-Anteil der Statorinduktivität L_d . Die Werte für den magnetischen Statorfluss Ψ_M und dem d-Anteil der Statorinduktivität L_d sind Motorparameter und können als bekannt vorausgesetzt werden, beispielsweise aus einer Vorbedatung oder einem Datenblatt des Elektromotors 1. Gegebenenfalls können diese Werte aus bekannten Motordaten auch geschätzt werden. Der Anfangs-Statorstromvektor I₀ hat dabei vorzugsweise nur eine d-Stromkomponente. An der Spitze des Anfangs-Statorstromvektors I₀ , vorzugsweise im Zentrum Z der Spannungsbegrenzungsellipse, wird nun ein Variations-Stromvektor ΔI angesetzt, dessen Betrag |ΔI| und Winkel γ variiert wird.
Der d-Anteil dieses Stromvektors ΔI ergibt sich dann zu |ΔI| · cos (γ) und der q-Anteil zu |ΔI|· sin (γ). Der eigentlich gesuchte Statorstromvektor I ergibt sich dann als Vektorsumme des Anfangs-Statorstromvektors I₀ und des Variations-Stromvektors ΔI. Falls der Anfangs-Statorstromvektor I₀ keine q-Komponente aufweist können die Werte für die Stromkomponenten I_d , I_q des Statorstromvektor I im d/q-Koordinatensystem anhand der Beziehungen $I_{d} = I_{0} + | Δ I | \cdot cos (γ)$
$I_{q} = | Δ I | \cdot sin (γ)$
berechnet werden.
Der Winkel γ wird dabei im Bereich von 0° bis 180° variiert, da die Werte für 180° bis 360° einfach gespiegelt werden können. Natürlich könnte aber auch der gesamte Winkelbereich von 0 bis 360° variiert werden, beispielsweise wenn der Anfangs-Statorstromvektor I₀ eine q-Komponente beinhaltet. Für jeden Winkel γ wird der Betrag |ΔI| ausgehend von einem vorgegebenen Startwert variiert, beispielswiese in dem der Betrag |ΔI| jeweils um ein vorgegebenes Strominkrement, oder auch kontinuierlich, erhöht wird. Dabei wird beobachtet, ob die Spannungsbegrenzungsellipse erreicht wurde. Falls nicht, wird der Betrag |ΔI| weiter erhöht. Andernfalls wird der Betrag |ΔI| nicht weiter erhöht. Der Vorteil dieser Methode liegt auch darin, dass die Spannungsbegrenzungsellipse vom Variations-Stromvektor ΔI in etwa in einem Winkel von 90° geschnitten wird. Ein solcher steiler Winkel ermöglicht eine sicherere Überprüfung, ob die Spannungsbegrenzungsellipse erreicht wurde, als bei einem flachen Winkel, wie es beim Statorstromvektor I der Fall wäre.
Die Art und Weise wie der der Variations-Stromvektor ΔI variiert wird kann grundsätzlich frei gewählt werden. Hierbei können auch Methoden der statistischen Versuchsplanung (Design of Experiments) angewendet werden, um mit möglichst wenigen Variationen möglichst viel Information zu erhalten. Ebenso kann dabei Vorabwissen berücksichtigt werden, um Regionen innerhalb der Spannungsbegrenzungsellipse zu identifizieren, die interessanter sind als andere und auf die daher bevorzugt abgezielt werden kann. Grundsätzlich kann aber der gesamte mögliche Bereich (Schnittfläche der Spannungsbegrenzungsellipse und der Strombegrenzungskreises) auch mit einem regelmäßigen Raster abgedeckt werden, sowohl in einem kartesischen Koordinatensystem als auch in einem Polarkoordinatensystem.
Für die Kalibrierung ist nun für jede Drehzahl ω und Drehmoment T Kombination, und gegebenenfalls auch in Abhängigkeit von weiteren Einflussgrößen wie der Versorgungsspannung Vs oder der Temperatur des Elektromotors 1, eine d-Komponente und q-Komponente des Statorstromes I auszuwählen, die dann im Kennfeld 10 hinterlegt werden. Dazu kann zumindest ein Kalibrationsziel definiert sein, gemäß dem aus den möglichen d/q Kombinationen des Statorstromes I genau eine ausgewählt wird.
Ein mögliches Kalibrationsziel ist die MTPA oder MTPV Kennlinie, also jene d/q Kombinationen des Statorstromes I die bezogen auf Strom oder Spannung jeweils das maximale Moment liefert. Ein anderes Kalibrationsziel ist beispielsweise ein maximaler Wirkungsgrad des Antriebsstranges 1, beispielsweise als Verhältnis der erzeugten mechanischen Leistung (z.B. an der Schnittstelle zwischen Antriebsstrang 1 am Prüfstand 20 und dem Dynamometer 21) zur aufgewendeten elektrischen Leistung. Die mechanische Leistung kann durch Messen entsprechender Größen am Prüfstand, beispielsweise eines Drehmoments an einer Welle, ermittelt werden. Die mechanische Leistung könnte aber auch berechnet oder simuliert werden, beispielsweise, wenn der Dynamometer 21 den gesamten mechanischen Teil des Antriebsstranges 1 nachbildet. Die elektrischen Größen für die Ermittlung der elektrischen Leistung können ebenfalls gemessen werden. Oftmals wird am Prüfstand 20 für einen elektrischen Antriebsstrang anstelle der realen Fahrzeugbatterie auch ein Batterieemulator 24 verwendet. Die elektrische Leistung kann dann beispielswiese auch vom Batterieemulator 24 oder von dessen Steuereinheit erhalten werden. Ein anderes Kalibrationsziel kann auch die Geräuschentwicklung des Elektromotors 2 oder des Antriebsstranges 1 sein. Hierfür könnte am Prüfstand zumindest ein Mikrofon vorgesehen sein, um die Geräusch aufzunehmen und auswerten zu können. Weitere mögliche Kalibrationsziele sind beispielsweise die EMV Emission, also Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen, des Elektromotors 2, die durch das Messen elektromagnetischer Felder im Umfeld des Elektromotors 2 erfasst werden können. Daneben kann es natürlich noch eine Reihe weiterer möglicher Kalibrationsziele geben. Maßgebend für ein Kalibrationsziel ist, dass ein Kennwert für das Kalibrationsziel am Prüfstand messtechnisch erfasst werden kann, oder aus messtechnische erfassbaren Größen abgeleitet werden kann, um für die Kalibrierung ausgewertet werden zu können.
Es können auch mehrere Kalibrationsziele gleichzeitig berücksichtigt werden, beispielsweise größtmöglicher Wirkungsgrad oder maximales Moment bei kleinstmöglicher Geräuschentwicklung. In diesem Fall kann es auch sein, dass nicht alle Kalibrationsziele gleichzeitig optimiert, beispielsweise maximiert oder minimiert, werden können, sondern dass die Kalibration einen (oftmals Pareto-optimalen genannten) Kompromiss der, sich beispielswiese widersprechenden, Kalibrationsziele darstellt. Man kann dabei ein Kalibrationsziel auch als Hauptziel verstehen, beispielsweise maximaler Wirkungsgrad oder maximales Moment, und weitere Kalibrationsziel als Randbedingungen, beispielsweise minimale Schall- oder EMV-Abstrahlung. Letztendlich sind aber alle Kalibrationsziele.
Für die Kalibrierung kann auch vorgesehen sein, dass zuerst durch die oben genannte Variation des Variations-Stromvektors ΔI hinreichend viele Daten gesammelt werden (beispielswiese durch hinreichende Abdeckung der Schnittfläche zwischen Strombegrenzungskreis und Spannungsbegrenzungsellipse), die dann anschließend unter Zuhilfenahme von Auswertetools, beispielsweise in Form mathematischer Modelle, hinsichtlich des zumindest einen Kalibrationszieles ausgewertet werden, um die d/q Kombination des Statorstromes I für die jeweilige Drehzahl ω und Drehmoment T Kombination zu ermitteln.
Mit 6 wird eine mögliche Implementierung des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens auf einem Prüfstand 20 erläutert. Am Prüfstand 20 ist der Antriebsstrang 1 mit dem Elektromotor 2 und hier auch mit der Last 3 (z.B. ein mechanischer Teil eines Fahrzeugantriebsstranges) angeordnet. Der Antriebsstrang 1, und damit auch der Elektromotor 2, ist mit einem Dynamometer 21 verbunden, der das vom Antriebsstrang 1 erzeugte Drehmoment T_A aufnimmt. Der Dynamometer 21 stellt eine von einer Prüfstandsteuereinheit 25 (Hardware und Software) vorgegebene Drehzahl ein, und damit auch eine Drehzahl ω des Elektromotors 2. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Dynamometer 21 ein Drehmoment T_A einstellt und der Elektromotor 2, oder der Antriebsstrang 1, eine Drehzahl ω. Am Prüfstand 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Batterieemulator 24 vorgesehen, der eine Fahrzeugbatterie simuliert, wobei aber natürlich auch eine Fahrzeugbatterie vorgesehen sein könnte. Der Batterieemulator 24 wird ebenfalls von der Prüfstandsteuereinheit 25 gesteuert, beispielsweise um eine bestimmte Versorgungsspannung Vs einzustellen. Der Batterieemulator 24 kann auch aktuelle elektrische Leistungsdaten, beispielsweise eine bereitgestellt Versorgungsspannung Vs und Momentanwerte des elektrischen Stromes an die Prüfstandsteuereinheit 25 bereitstellen. Alternativ könnten solche elektrischen Leistungswerte auch messtechnisch erfasst werden. Damit kann in der Prüfstandsteuereinheit 25 beispielsweise eine momentane Batterieleistung ermittelt werden.
In der Prüfstandsteuereinheit 25 ist eine Variationseinheit 26 (Hardware und/oder Software) vorgesehen, in der der Statorstromvektor I wie oben beschrieben variiert wird. Die mit dem Statorstromvektor I in Zusammenhang stehenden Phasenspannungen Uu, Uv, Uw werden vom Stromrichter 5 des Elektromotors 2 eingestellt. Dabei kann jeweils das Drehmoment T_M des Elektromotors 2 gemessen werden, beispielsweise mit einem Drehmomentensensor 27, oder aus anderen verfügbaren Größen, beispielsweise den Phasenströmen Iu, Iv, Iw, berechnet werden.
Am Prüfstand 20 können auch noch weitere Größen gemessen werden, beispielsweise das vom Antriebsstrang 1 erzeugte Drehmoment T_A mit einem Drehmomentensensor 22 oder eine Geräuschentwicklung G des Elektromotors 2 mit einem Mikrofon 23.
In der Prüfstandsteuereinheit 25, oder allgemein in einer darin oder separat implementierten Kalibrationseinheit 28 (Hardware und/oder Software), können die erfassten Größen hinsichtlich zumindest eines vorgegebenen Kalibrationsziels ausgewertet werden, vorzugsweise nach der vorgesehenen Variation des Statorstromvektors I. Aus dem Drehmoment T_A des Antriebsstranges 1 kann beispielsweise eine mechanische Antriebsleistung des Antriebsstranges 1 (als Produkt aus Drehmoment T_A und Drehzahl n) ermittelt werden. Aus den Phasenspannungen U_U , U_V , U_W und Phasenströmen I_U , I_V , I_W kann wiederum eine bereitgestellte elektrische Leistung ermittelt werden. Ebenso kann eine elektrische Leistung aus der vom Batterieemulator 24, oder eine Fahrzeugbatterie, bereitgestellten Spannung und dem bereitgestellten Strom ermittelt werden. Damit kann ein Wirkungsgrad als Verhältnis zwischen der erzeugten mechanischen Antriebsleistung und der elektrischen Leistung berechnet werden. Als Kalibrationsziel kann beispielsweise die Maximierung eines solchen Wirkungsgrades verfolgt werden und für jede Drehzahl ω und Drehmoment T_M Kombination des Elektromotor 2 der Statorstromvektor ausgewählt werden, der den besten Wirkungsgrad besitzt, der das Kalibrationsziel also am besten erfüllt. Ebenso kann als, auch als mögliches zusätzliches, Kalibrationsziel eine Geräuschentwicklung G ausgewertet werden, beispielsweise hinsichtlich Frequenzbereich und Schalldruckpegel, und für jede Drehzahl ω und Drehmoment T_M Kombination des Elektromotor 2 der Statorstromvektor ausgewählt werden, der über einen bestimmten Frequenzbereich den geringsten Schalldruckpegel besitzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/192631 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Kalibrieren eines elektrischen Antriebsstranges (1) mit einem Elektromotor (2) auf einem Prüfstand (20), auf dem der Elektromotor (2) mit einem Dynamometer (21) verbunden wird, wobei der Elektromotor (2) durch Einstellen eines Statorstromvektors (I) in einem d/q-Koordinatensystem geregelt wird und beim Kalibrieren für eine bestimmte Drehzahl (ω) und Drehmomenten (T) Kombination des Elektromotors (2) eine Kombination einer d-Komponente und einer q-Komponente des Statorstromvektors (I) nach einem vorgegebenen Kalibrationsziel ausgewählt wird, wobei die Regelung des Elektromotors (2) durch einen im d/q-Koordinatensystem vorgegebenen Strombegrenzungskreis und von der Drehzahl (ω) abhängigen Spannungsbegrenzungsellipsen begrenzt wird, indem die Kombination der d-Komponente und der q-Komponente des Statorstromvektors (I) nur aus der Schnittfläche des Strombegrenzungskreises und der jeweiligen Spannungsbegrenzungsellipse ausgewählt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kalibrierung durch die Regelung eine Vielzahl von Statorstromvektoren (I) im d/q-Koordinatensystem eingestellt werden, indem ein Anfangs-Statorstromvektor (I₀) eingestellt wird, der innerhalb der kleinsten möglichen Spannungsbegrenzungsellipse endet und an der Spitze des Anfangs-Statorstromvektors (I₀) ein Variations-Stromvektor (ΔI) in Betrag (|ΔI|) und/oder Winkel (γ) innerhalb der jeweiligen Schnittfläche variiert wird und der einzustellende Statorstromvektor (I) jeweils aus der Vektorsumme des Anfangs-Statorstromvektor (I₀) und des variierten Variations-Stromvektors (ΔI) gebildet wird, dass bei jedem eingestellten Statorstromvektor (I) das Kalibrationsziel ermittelt wird und aus allen Statorstromvektoren (I), die zur bestimmten Drehzahl (ω) und Drehmomenten (T) Kombination des Elektromotors (2) führen, derjenige Statorstromvektor (I) mit der d-Komponente und der q-Komponente mit der besten Erfüllung des zumindest einen Kalibrationsziels ausgewählt wird und dass der für die bestimmte Drehzahl (ω) und Drehmoment (T) Kombination ausgewählte Statorstromvektor (I) in einem Kennfeld (10) hinterlegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangs-Statorstromvektor (I₀) im Bereich eines Zentrums (Z) der Spannungsbegrenzungsellipsen endet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangs-Statorstromvektor (I₀) nur eine d-Komponente aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst der Statorstromvektor (I) durch Variation des Variations-Stromvektors (ΔI) variiert wird und dabei Messdaten des Antriebsstranges (1) ermittelt werden, die anschließend hinsichtlich des Kalibrationsziels ausgewertet werden.
Prüfstand zum Kalibrieren eines elektrischen Antriebsstranges (1) mit einem Elektromotor (2), wobei der Elektromotor (2) mit einem Dynamometer (21) verbunden ist und eine Prüfstandsteuereinheit (25) vorgesehen ist, die den Elektromotor (2) durch Einstellen eines Statorstromvektors (I) in einem d/q-Koordinatensystem regelt, wobei ein im d/q-Koordinatensystem vorgegebenen Strombegrenzungskreis und eine von der Drehzahl (ω) abhängige Spannungsbegrenzungsellipse die Regelung begrenzt, und beim Kalibrieren für eine bestimmte Drehzahl (ω) und Drehmomenten (T) Kombination des Elektromotors (2) eine Kombination einer d-Komponente und einer q-Komponente des Statorstromvektors (I) aus der Schnittfläche des Strombegrenzungskreises und der jeweiligen Spannungsbegrenzungsellipse auswählbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Variationseinheit (26) vorgesehen ist, die eine Vielzahl von Statorstromvektoren (I) im d/q-Koordinatensystem einstellt, indem diese einen Anfangs-Statorstromvektor (I₀) einstellt, der innerhalb der kleinsten möglichen Spannungsbegrenzungsellipse endet und an der Spitze des Anfangs-Statorstromvektors (I₀) einen Variations-Stromvektor (ΔI) in Betrag (|ΔI|) und/oder Winkel (γ) innerhalb der jeweiligen Schnittfläche variiert, wobei sich der einzustellende Statorstromvektor (I) jeweils aus der Vektorsumme des Anfangs-Statorstromvektor (I₀) und des variierten Variations-Stromvektors (ΔI) ergibt, dass eine Kalibrationseinheit (28) vorgesehen ist, die bei jedem eingestellten Statorstromvektor (I) das Kalibrationsziel ermittelt und aus allen Statorstromvektoren (I), die zur bestimmten Drehzahl (ω) und Drehmomenten (T) Kombination des Elektromotors (2) führen, derjenige Statorstromvektor (I) mit der d-Komponente und der q-Komponente mit der besten Erfüllung des zumindest einen Kalibrationsziels auswählt und dass die Kalibrationseinheit (28) den für die bestimmte Drehzahl (ω) und Drehmoment (T) Kombination ausgewählten Statorstromvektor (I) in einem Kennfeld (10) hinterlegt.