DE102019128473A1 - Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine und Antriebssystem für ein Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine (4), insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, mit einem ersten, insbesondere dreiphasigen, Wicklungssystem, welches durch einen ersten Umrichter (1) angesteuert wird und mit einem zweiten, insbesondere dreiphasigen, Wicklungssystem, welches durch einen zweiten Umrichter (2) angesteuert wird, wobei der erste Umrichter (1) mit Blockkommutierung betrieben wird und der zweite Umrichter (2) mit Pulsweitenmodulation, insbesondere Raumzeigermodulation, betrieben wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Antriebssystem, insbesondere Traktionsantriebssystem, für ein Fahrzeug.
  • In Traktionsantriebssystemen für Elektro- oder Hybridfahrzeug werden oftmals permanenterregte Synchronmaschinen als elektrische Maschinen verwendet. Zur Ansteuerung solcher Maschinen ist in der Regel ein Umrichter vorgesehen, welcher der Maschine eine mehrphasige Betriebsspannung bereitstellt. Der Umrichter wird typischerweise mit Raumzeigermodulation (engl. space vector modulation, SVM) betrieben. Bei diesem Betriebsverfahren des Umrichters werden pulsweitenmodulierte Betriebsspannungen für die elektrische Maschine bereitgestellt. Es ergeben sich gewisse Schalt- und Durchlassverluste in den Leistungshalbleitern. Die Umrichterspeisung führt neben der Grundschwingungsspannung weitere hochfrequente Spannungen. Diese führen zu erheblichen Verlusten im Stator (Eisen- und Stromwärmeverluste) und im Rotor (Eisen- und Magnetverluste). Hierdurch kann die Dauerleistung der elektrischen Maschine eingeschränkt werden. Zusätzliche Verluste führen bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen zu einer Reduktion der Reichweite.
  • Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, die Reichweite eines mit einer elektrischen Maschine angetriebenen Fahrzeugs zu erhöhen.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, mit einem ersten, insbesondere dreiphasigen, Wicklungssystem, welches durch einen ersten Umrichter angesteuert wird und mit einem zweiten, insbesondere dreiphasigen, Wicklungssystem, welches durch einen zweiten Umrichter angesteuert wird, wobei der erste Umrichter mit Blockkommutierung betrieben wird und der zweite Umrichter mit Pulsweitenmodulation, insbesondere Raumzeigermodulation, betrieben wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der erste Umrichter mit Blockkommutierung betrieben, wodurch Schaltverluste reduziert werden können. Unerwünschte Oberschwingungen im magnetischen Fluss, die beispielsweise durch den ersten Umrichter erzeugt werden, können ordnungs- oder frequenzbasiert durch den zweiten mit Pulsweitenmodulation, insbesondere Raumzeigermodulation, betriebenen Umrichter kompensiert werden. Insgesamt wird es somit möglich, die Effizienz des die elektrische Maschine umfassenden Antriebs zu steigern, so dass die Reichweite eines mit der Maschine angetriebenen Fahrzeugs erhöht werden kann.
  • Die elektrische Maschine ist bevorzugt als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Wicklungssystem parallelgeschaltet sind und der erste Umrichter und der zweite Umrichter gleichphasig betrieben werden. Unter einem gleichphasigen Betrieb wird dabei ein Betrieb verstanden, bei welchem jeweils eine Wicklung des ersten und eine Wicklung des zweiten Wicklungssystems gleichphasig angesteuert werden, wobei insbesondere die in diesen Wicklungen geführten Ströme dieselbe Stromrichtung aufweisen.
  • Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Wicklungssystem antiparallel geschaltet sind und der erste Umrichter und der zweite Umrichter gegenphasig betrieben werden. Unter einem gegenphasigen Betrieb wird dabei ein Betrieb verstanden, bei welchem jeweils eine Wicklung des ersten und eine Wicklung des zweiten Wicklungssystems gegenphasig angesteuert werden, wobei insbesondere die in diesen Wicklungen geführten Ströme entgegengesetzte Stromrichtungen aufweisen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass eine Taktfrequenz des zweiten Umrichters derart eingestellt wird, dass die Summe der Schaltverluste des ersten und zweiten Umrichters verringert wird, wobei bevorzugt unerwünschte Nebeneffekte, insbesondere Geräusche, nach definierten Kriterien, insbesondere einer Gewichtungsfunktion, ausgeregelt werden. Alternativ oder zusätzlich wird die Taktfrequenz des zweiten Umrichters derart eingestellt, dass die Oberschwingungsverluste optimal ausgeregelt werden.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Antriebssystem, insbesondere Traktionsantriebssystem, für ein Fahrzeug,
    • - mit einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, die ein erstes, insbesondere dreiphasiges, Wicklungssystem und ein zweites, insbesondere dreiphasiges, Wicklungssystem umfasst,
    • - mit einem ersten Umrichter, der mit dem ersten Wicklungssystem verbunden ist und mit einem zweiten Umrichter, der mit dem zweiten Wicklungssystem verbunden ist und
    • - mit einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den ersten Umrichter mit Blockkommutierung zu betreiben und den zweiten Umrichter mit Pulsweitenmodulation, insbesondere Raumzeigermodulation, zu betreiben.
  • Bei dem Antriebssystem können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine beschrieben worden sind.
  • Bevorzugt weist der zweite Umrichter Halbleiterschalter mit einer höheren maximal möglichen Schaltfrequenz auf als der erste Umrichter. Hierdurch können in dem ersten Umrichter Halbleiterschalter mit höheren Schaltverlusten verwendet und die Materialkosten für den ersten Umrichter gesenkt werden. Besonders bevorzugt weist der zweite Umrichter SiC- oder GaN-Halbleiterschalter, beispielsweise SiC-MOSFETs oder GaN-FETs, auf. Der erste Umrichter kann Si- Halbleiterschalter, beispielsweise Si-IGBTs aufweisen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Antriebssystem einen gemeinsamen Zwischenkreis, insbesondere mit einem gemeinsamen Zwischenkreiskondensator, aufweist, der mit dem ersten Umrichter und dem zweiten Umrichter verbunden ist. Hierdurch wird eine kompakte und kostengünstige Ausgestaltung des Antriebssystems ermöglicht.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die elektrische Maschine einen Stator mit mehreren Nuten aufweist, wobei in jeder der Nuten mindestens ein erster Phasenleiter des ersten Wicklungssystems und ein zweiter Phasenleiter des zweiten Wicklungssystems angeordnet ist.
  • In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, dass in den Nuten mehrere Radialpositionen zur Anordnung von Phasenleitern vorgesehen sind, wobei der erste Phasenleiter in einer ersten Nut in einer anderen Radialposition angeordnet ist als in einer zweiten Nut. Besonders bevorzugt ist der erste Phasenleiter in sämtlichen Radialpositionen angeordnet.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem vorstehend beschriebenen Antriebssystem. Bei dem Fahrzeug können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine und dem Antriebssystem beschrieben worden sind.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen anhand der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierein zeigt:
    • 1 ein Antriebssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem schematischen Blockdiagramm;
    • 2 die elektrische Maschine des Antriebssystems nach 1 in einer schematischen Schnittdarstellung;
    • 3. ein Antriebssystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem schematischen Schaltbild;
    • 4. ein Antriebssystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem schematischen Schaltbild;
    • 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs in einer schematischen Darstellung.
  • In der 1 ist ein als Traktionsantriebssystem für ein Fahrzeug ausgebildetes Antriebssystem 10 dargestellt, welches eine elektrische Maschine 4 aufweist, die als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 4 wird durch zwei separate, jeweils dreiphasige, Wicklungssysteme gespeist. Insofern umfasst die elektrische Maschine 4 ein erstes dreiphasiges Wicklungssystem und ein zweites dreiphasiges Wicklungssystem.
  • Als weitere Bestandteile des Antriebssystems 10 sind ein erster Umrichter 1 und ein zweiter Umrichter 2 vorgesehen, die über eine Steuereinrichtung 5 des Antriebssystems 10 angesteuert werden. Der erste Umrichter 1 ist mit dem ersten Wicklungssystem verbunden und der zweite Umrichter 2 ist mit dem zweiten Wicklungssystem verbunden. Um die Schaltverluste des Umrichters 1 zu reduzieren und damit die Reichweite des mit der elektrischen Maschine 4 angetriebenen Fahrzeugs zu erhöhen, ist die Steuereinrichtung 5 dazu eingerichtet, den ersten Umrichter 1 mit Blockkommutierung zu betreiben und den zweiten Umrichter 2 mit Pulsweitenmodulation, insbesondere Raumzeigermodulation, zu betreiben.
  • Der erste Umrichter 1 weist Halbleiterschalter auf, deren maximale Schaltfrequenz geringer ist als die Halbleiterschalter des zweiten Umrichters 2. Daher können in dem ersten Umrichter 1 deutlich günstigere Halbleiterschalter verwendet werden als in dem zweiten Umrichter 2. Beispielsweise sind die Halbleiterschalter des ersten Umrichters als Si-Halbleiterschalter und die Halbleiterschalter des zweiten Umrichters als SiC- oder GaN-Halbleiterschalter ausgebildet.
  • Im Betrieb des Antriebssystems wird der zweite Umrichter durch die Steuereinheit mit einer Taktfrequenz betrieben, so dass betriebspunktabhängig die Summe der Schaltverluste minimal wird und gleichzeitig durch den ersten Umrichter erzeugte niederfrequente Oberschwingungen im magnetischen Fluss kompensiert werden. Dabei sind die Taktfrequenzen des zweiten Umrichters 2 über das Betriebspunktkennfeld variabel.
  • Die Darstellung in 2 zeigt die elektrische Maschine 4 des Antriebssystems 10 aus 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die elektrische Maschine 4 umfasst einen Rotor 11 mit einem Permanentmagnet, der einen Nordpol N und einen Südpol S umfasst. Die elektrische Maschine 4 umfasst ferner einen Stator 12 mit mehreren, hier genau zwölf Nuten 13. Die Nuten13 weisen jeweils zwei Radialpositionen auf, in denen Phasenleiter der Wicklungssysteme angeordnet sind. Die Phasenleiter sind mit den Bezugszeichen a-f und A-F bezeichnet, wobei Großbuchstaben ein erstes Ende eines Phasenleiters und Kleinbuchstaben ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende eines Phasenleiters bezeichnen. Die Phasenleiter a-c bzw. A-C sind die Phasenleiter der ersten Wicklungssystems und die Phasenleiter d-f bzw. D-F sind die Phasenleiter des zweiten Wicklungssystems.
  • Bei der in 2 gezeigten elektrischen Maschine 4 ist ein erster Phasenleiter a bzw. A in einer ersten Nut 13' in einer anderen Radialposition angeordnet als in einer zweiten Nut 13". Somit ist der erste Phasenleiter a bzw. A in sämtlichen Radialpositionen angeordnet, welche die Nuten des Stators 12 vorsehen. Ferner sind die übrigen Phasenleiter b-f bzw. B-F derart in den Nuten 13 angeordnet, dass in jeder der Nuten 13 mindestens ein erster Phasenleiter a-c bzw. A-C des ersten Wicklungssystems und ein zweiter Phasenleiter d-f bzw. D-F des zweiten Wicklungssystems angeordnet ist.
  • In der 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Antriebssystems 10 gemäß der Erfindung in einem Schaltbild dargestellt, wobei die Halbleiterschalter des ersten Umrichters 1 neben den Halbleiterschaltern des zweiten Umrichters 2 dargestellt sind. In dem Kreis K ist exemplarisch ein Halbleiterschalter S' des ersten Umrichters 1 neben einem Halbleiterschalter S'' des zweiten Umrichters 2 gezeigt. Die Phasenleiter der beiden Wicklungssysteme sind mit den Bezugszeichen a'-f' bezeichnet. Bei dem Antriebssystem 10 nach 3 sind das erste Wicklungssystem a', b', c' und das zweite Wicklungssystem d', e', f' antiparallel geschaltet. Der erste Umrichter 1 und der zweite Umrichter 2 werden gegenphasig betrieben. Die Schalter S' und S'' weisen unterschiedliche Schaltzustände auf. Dadurch werden z. B. die Phasenleiter a' und d' der beiden Wicklungssysteme gegenphasig angesteuert, so dass in diesen Phasenleitern a' und d' Ströme mit entgegengesetzter Stromrichtung fließen. Durch die antiparallele Verschaltung wird ein magnetischer Fluss in der gleichen Richtung erzeugt.
  • Die beiden Umrichter 1, 2 sind mit einen gemeinsamen Zwischenkreis 3, insbesondere mit einem gemeinsamen Zwischenkreiskondensator verbunden.
  • In der 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Antriebssystems 10 gemäß der Erfindung in einem Schaltbild dargestellt. Das dritte Antriebssystem 10 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei allerdings das erste Wicklungssystem a', b', c' und das zweite Wicklungssystem d', e', f' parallelgeschaltet sind und der erste Umrichter 1 und der zweite Umrichter 2 gleichphasig betrieben werden. Die Schalter S' und S'' weisen gleiche Schaltzustände auf.
  • Die Darstellung in 5 zeigt ein Fahrzeug 100 mit einem Antriebssystem 10, das gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgestaltet sein kann. Bei dem Fahrzeug 100 handelt es sich um ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Das Antriebssystem 10 kann derart vorgesehen sein, dass mit dem Antriebssystem Räder einer Vorderachse oder Räder einer Hinterachse oder Räder sowohl einer Vorder- und einer Hinterachse antreibbar sind. Weiter Alternativ ist es möglich, dass mit dem Antriebssystem genau ein Rad antreibbar ist.
  • Gemäß einer Abwandlung der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele kann die Polpaarzahl der elektrischen Maschine 4 größer sein als 1, wobei der Rotor insbesondere mehrere Südpole S und Nordpole N umfasst. Beispielsweise können an dem Rotor mehrere Permanentmagnete angeordnet sein.
  • Eine weitere Abwandlung der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sieht vor, dass die Polpaarzahl 1 ist, der Rotor 11 sechs Nuten umfasst und die Lochzahl 1 ist, wobei die Lochzahl die Anzahl der Nuten pro Polzahl und Strang bezeichnet.
  • Eine weitere Abwandlung sieht vor, dass die Polpaarzahl 1 ist und der Rotor 11 zwölf Nuten umfasst.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine (4), insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, mit einem ersten, insbesondere dreiphasigen, Wicklungssystem, welches durch einen ersten Umrichter (1) angesteuert wird und mit einem zweiten, insbesondere dreiphasigen, Wicklungssystem, welches durch einen zweiten Umrichter (2) angesteuert wird, wobei der erste Umrichter (1) mit Blockkommutierung betrieben wird und der zweite Umrichter (2) mit Pulsweitenmodulation, insbesondere Raumzeigermodulation, betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Wicklungssystem parallelgeschaltet sind und der erste Umrichter (1) und der zweite Umrichter (2) gleichphasig betrieben werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Wicklungssystem antiparallel geschaltet sind und der erste Umrichter (1) und der zweite Umrichter (2) gegenphasig betrieben werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Taktfrequenz des zweiten Umrichters (2) derart eingestellt wird, dass die Summe der Schaltverluste des ersten und zweiten Umrichters (1, 2) verringert wird, wobei bevorzugt unerwünschte Nebeneffekte, insbesondere Geräusche, nach definierten Kriterien, insbesondere einer Gewichtungsfunktion, ausgeregelt werden.
  5. Antriebssystem, insbesondere Traktionsantriebssystem, für ein Fahrzeug (100), - mit einer elektrischen Maschine (4), insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, die ein erstes, insbesondere dreiphasiges, Wicklungssystem und ein zweites, insbesondere dreiphasiges, Wicklungssystem umfasst, - mit einem ersten Umrichter (1), der mit dem ersten Wicklungssystem verbunden ist und mit einem zweiten Umrichter (2), der mit dem zweiten Wicklungssystem verbunden ist und - mit einer Steuereinrichtung (5), die dazu eingerichtet ist, den ersten Umrichter (1) mit Blockkommutierung zu betreiben und den zweiten Umrichter (2) mit Pulsweitenmodulation, insbesondere Raumzeigermodulation, zu betreiben.
  6. Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Umrichter (2) Halbleiterschalter mit einer höheren maximal möglichen Schaltfrequenz aufweist als der erste Umrichter (1).
  7. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Zwischenkreis (3), insbesondere mit einem gemeinsamen Zwischenkreiskondensator, der mit dem ersten Umrichter (1) und dem zweiten Umrichter (2) verbunden ist.
  8. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (4) einen Stator mit mehreren Nuten aufweist, wobei in jeder der Nuten mindestens ein erster Phasenleiter des ersten Wicklungssystems und ein zweiter Phasenleiter des zweiten Wicklungssystems angeordnet ist.
  9. Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Nuten mehrere Radialpositionen zur Anordnung von Phasenleitern vorgesehen sind, wobei der erste Phasenleiter in einer ersten Nut in einer andere Radialposition angeordnet ist als in einer zweiten Nut, wobei der erste Phasenleiter bevorzugt in sämtlichen Radialpositionen angeordnet ist.
  10. Fahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Antriebssystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 9.
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