DE102019208889A1

DE102019208889A1 - Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer mehrphasigen Statorwicklung, elektrische Schaltungsanordnung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019208889A1
Application number: DE102019208889.9A
Authority: DE
Inventors: Mohamed Hammam; Nico Schobeß; Matthias Hartmann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-12-24

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (3) mit einer mehrphasigen Statorwicklung (8), wobei jede Phase der Statorwicklung (8) wenigstens eine Teilwicklung (9-14) aufweist und die Teilwicklungen (9-14) der Statorwicklung (8) über eine umschaltbare Schaltvorrichtung (4) in mehreren Verbindungszuständen verbindbar sind, wobei die elektrische Maschine (3) in einem Betriebszustand mit durch die jeweiligen Phasen der Statorwicklung (8) fließenden Phasenströmen betrieben wird, wobei die Phasenströme durch einen mehrphasigen Stromrichter (5) erzeugt werden, wobei in dem Betriebszustand während eines Umschaltvorgangs der Teilwicklungen (9-14) der Statorwicklung (8) von einem Verbindungszustand in einen weiteren Verbindungszustand zunächst die Phasenströme in Abhängigkeit des genutzten Betriebszustands derart geändert werden, dass eine Phasenspannung wenigstens einer Phase der Statorwicklung zum Zeitpunkt eines Nulldurchgangs des durch die Phase fließenden Phasenstromes verringert wird, wonach die einzelnen Phasen nacheinander, insbesondere jeweils während des Nulldurchgangs ihres jeweiligen Phasenstroms, umgeschaltet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer mehrphasigen Statorwicklung, wobei jede Phase der Statorwicklung wenigstens eine Teilwicklung aufweist und die Teilwicklungen der Statorwicklung über eine umschaltbare Schaltvorrichtung in mehreren Verbindungszuständen verbindbar sind, wobei die elektrische Maschine in einem Betriebszustand mit durch die jeweiligen Phasen der Statorwicklung fließenden Phasenströmen betrieben wird, wobei die Phasenströme durch einen mehrphasigen Stromrichter erzeugt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Schaltungsanordnung und ein Kraftfahrzeug.
Bei elektrischen Maschinen mit einer offenen Statorwicklung kann die Betriebscharakteristik der elektrischen Maschine durch ein Verändern einer Verschaltung der Teilwicklungen der Statorwicklung angepasst werden. Bei einer mehrphasigen elektrischen Maschine können die jeweils einer Phase zugeordneten Teilwicklungen der Statorwicklung in unterschiedlichen Konfigurationen betrieben werden, wodurch eine Anpassung des Maschinenverhaltens erreicht wird. Zum Betrieb der elektrischen Maschine in den unterschiedlichen Konfigurationen können beispielsweise zwei oder mehr mehrphasige Wechselrichter vorgesehen sein, über die die Teilwicklungen bestromt werden können. Die Verwendung von mehreren Wechselrichtern hat dabei jedoch den Nachteil, dass dies mit hohen Schaltverlusten einhergeht und dass der Betrieb einer elektrischen Maschine über zwei oder mehr Wechselrichter eine komplexe Regelung erfordert.
Aus US 2007/0210733 A1 ist ein elektronisch kommutierter Gleichspannungsmotor bekannt, welcher verschiedene Betriebsmodi bereitstellen kann. Die Phasenwicklungen des Motors können über eine Schaltvorrichtung zwischen einer Dreiecksschaltung und einer Sternschaltung umgeschaltet werden. In einer Ausgestaltung mit mehreren Phasenwicklungen pro Phase ist es möglich, die Phasenwicklungen parallel oder seriell zu verschalten. Zum Umschalten der Phasenwicklungen ist vorgesehen, dass diese zunächst kurzgeschlossen werden, so dass der Strom in den Phasenwicklungen auf null abfällt, woraufhin ein Umschalten der Phasenwicklungen erfolgt.
Aus DE 621 131 C ist eine Anordnung zur Verstärkung einer Erregung von asynchronen Blindleistungsmaschinen beschrieben. Dabei werden die Phasen der Blindleistungsmaschine zwischen einer Parallelschaltung und einer Reihenschaltung umgeschaltet, wenn die Netzspannung eines mit der Asynchronmaschine verbundenen Stromnetzes absinkt.
Aus EP 1 944 779 A2 ist ein Motorstarter bekannt, welcher auf einem mikro-elektromechanischen System basiert. Dabei wird eine erste Überspannungsschutzschaltung parallel mit einer zur Schaltung des mikro-elektromechanischen Systems vorgesehenen Schaltung verbunden. Durch diese erste Überspannungsschutzschaltung wird ein leitfähiger Pfad während Schaltvorgängen des mikro-elektromechanischen Systems erzeugt, so dass eine Lichtbogenbildung in dem mikro-elektromechanischen System während des Schaltens verhindert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer mehrphasigen Statorwicklung anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Betriebszustand während eines Umschaltvorgangs der Teilwicklungen der Statorwicklung von einem Verbindungszustand in einen weiteren Verbindungszustand zunächst die Phasenströme in Abhängigkeit des genutzten Betriebszustands derart geändert werden, dass eine Phasenspannung wenigstens einer Phase der Statorwicklung zum Zeitpunkt eines Nulldurchgangs des durch die Phase fließenden Phasenstromes verringert wird, wonach die einzelnen Phasen nacheinander, insbesondere jeweils während des Nulldurchgangs ihres jeweiligen Phasenstroms, umgeschaltet werden.
Das Umschalten der Teilwicklungen der Statorwicklung von dem Verbindungszustand in den weiteren Verbindungszustand erfolgt während des Betriebszustands, das heißt während die jeweiligen Phasen der Statorwicklung der elektrischen Maschine mit Phasenströmen bestromt werden. Um eine Belastung der elektrischen Maschine und/oder weiterer elektrischer Komponenten wie der umschaltbaren Schaltvorrichtung zu vermeiden, werden zunächst die Phasenströme in Abhängigkeit des genutzten Betriebszustandes, das heißt in Abhängigkeit der in dem Betriebszustand durch die jeweiligen Phasen der Statorwicklung fließenden Phasenströme, derart geändert, dass eine Phasenspannung wenigstens einer Phase der Statorwicklung zum Zeitpunkt eines Nulldurchgangs des durch die Phase fließenden Phasenstromes verringert wird. Zwischen der Phasenspannung und dem in der Phase fließenden Phasenstrom besteht aufgrund der Induktivität der wenigstens einen Teilwicklung der Phase ein Phasenversatz, so dass der Phasenstrom und die Phasenspannung nicht gleichzeitig null werden, beziehungsweise, so dass auch bei einem Phasenstrom von null über der wenigstens einen Teilwicklung eine Spannung abfällt. Insbesondere erfolgt die Anpassung der Phasenströme in Abhängigkeit des genutzten Betriebszustands derart, dass bei jeder der Phasen die Phasenspannung beim Nulldurchgang des jeweiligen Phasenstroms reduziert wird. Durch das Verändern der Phasenströme in Abhängigkeit des genutzten Betriebszustands wird es vorteilhaft ermöglicht, die Phasenspannung beim Nulldurchgang des durch die Phase fließenden Stroms zu verringern. Dies vereinfacht den Umschaltvorgang der Teilwicklungen durch die umschaltbare Schaltvorrichtung.
Das Umschalten der jeweils wenigstens einen Teilwicklung jeder Phase erfolgt nacheinander, insbesondere jeweils während des Nulldurchgangs ihres jeweiligen Phasenstroms beziehungsweise in der Nähe des jeweiligen Nulldurchgangs. Das Umschalten der Phasen nacheinander erfolgt insbesondere während zeitlich aufeinanderfolgender Nulldurchgänge der Phasenströme. Das Umschalten der Phasen kann insbesondere derart erfolgen, dass der Nulldurchgang des jeweiligen Phasenstroms innerhalb eines für das Umschalten erforderlichen Zeitintervalls liegt. Zwischen den jeweiligen Nulldurchgängen der Phasenströme kann eine zeitliche Differenz bestehen, welche von der Wechselstromfrequenz des Phasenstromes und/oder vom Phasenversatz zwischen den jeweiligen Phasenströmen abhängt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass durch das sukzessive Schalten der einzelnen Phasen nacheinander jeweils beim Zeitpunkt oder in der Nähe des Zeitpunkts des Nulldurchgangs des durch die Phase fließenden Phasenstroms keine Zugkraftunterbrechung der elektrischen Maschine während des Umschaltvorgangs auftritt. Es wird somit vorteilhaft ermöglicht, die Teilwicklungen der Statorwicklung im laufenden Betrieb der Elektromaschine durchzuführen. Durch die Reduzierung der Phasenspannung wenigstens einer Phase der Statorwicklung wird weiterhin vorteilhaft ermöglicht, dass Überspannungen während des Umschaltvorgangs reduziert werden. Dies ermöglicht eine Realisierung der umschaltbaren Schaltvorrichtung über eine kompaktere Elektronik und/oder mit der Verwendung von Halbleiterbauelementen, welche eine vergleichsweise geringere Sperrspannung aufweisen.
Die Phasenströme können über einen mehrphasigen Stromrichter erzeugt werden, beispielsweise über einen mehrphasigen Wechselrichter. Der mehrphasige Stromrichter kann insbesondere einen Stromregler umfassen oder mit einem solchen verbunden sein, wobei aufgrund der Reduzierung der Phasenspannung wenigstens einer Phase sichergestellt werden kann, dass der Stromregler auch während des Umschaltvorgangs im Stellbereich arbeitet.
Die Schaltvorrichtung zum Umschalten der Teilwicklung der Statorwicklung in mehrere Verbindungszustände und/oder der Stromrichter können jeweils ein Teil der elektrischen Maschine sein oder mit dieser verbunden sein. Die umschaltbare Schaltvorrichtung kann eine Mehrzahl von Schaltelementen, beispielsweise IGBTs oder MOSFETs, umfassen. Durch diese Schaltelemente können die Teilwicklungen der Statorwicklung in verschiedenen Verbindungszuständen miteinander verbunden werden. Dabei können mehrere Teilwicklungen einer Phase in verschiedenen Verbindungszuständen verbunden werden und/oder es können die Phasen der Statorwicklung in unterschiedlichen Verbindungszuständen verbunden werden. Die verschiedenen Verbindungszustände ändern dabei die Betriebscharakteristik bzw. das Verhalten der elektrischen Maschine. Durch die verschiedenen Verbindungszustände kann beispielsweise der Effekt eines mit der elektrischen Maschine verbundenen mechanischen Getriebes simuliert werden, ohne dass ein solches tatsächlich vorhanden sein muss.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Phasenströme derart geändert werden, dass ein von der elektrischen Maschine im Betriebszustand erzeugtes Drehmoment konstant oder im Wesentlichen konstant bleibt. Dadurch, dass das Umschalten der einzelnen Phasen sukzessive während der Nulldurchgänge der Phasenströme erfolgt, wird ein Umschalten während des Betriebs ermöglicht. Die Änderung der Phasenströme zur Reduzierung der Phasenspannung der wenigstens einen Phase der Elektromaschine kann erfindungsgemäß derart erfolgen, dass das im Betriebszustand erzeugte Drehmoment der elektrischen Maschine konstant oder im Wesentlichen konstant bleibt. Dies hat den Vorteil, dass keine Zugkraftunterbrechung und/oder keine Drehmomentschwankungen auf einer mechanischen Abtriebseite der elektrische Maschine auftreten.
Im Wesentlichen konstant bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Änderungen des Drehmoments, welches von der elektrischen Maschine im Betriebszustand erzeugt wird, weniger als 20%, insbesondere weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5% und noch bevorzugter weniger als 2% betragen. Bei der Verwendung der elektrischen Maschine beispielsweise als Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs wird dadurch erreicht, dass der Umschaltvorgang der Teilwicklungen der Statorwicklungen keine oder zumindest keine für einen Fahrer des Kraftfahrzeugs spürbaren Auswirkungen auf das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs hat.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Stromrichter im Betriebszustand zumindest vor dem Umschalten der Phasen mittels einer dem Betriebszustand der elektrischen Maschine zugeordneten Sollstromvorgabe mit einer feldorientierten Regelung betrieben wird, wobei die Sollstromvorgabe zur Änderung der Phasenströme durch eine Erhöhung des Feldschwächstroms der Sollstromvorgabe angepasst wird. In einer feldorientierten Regelung erfolgt eine Ansteuerung einer mehrphasigen elektrischen Maschine mit Hilfe einer d/q-Transformation. Die dem Betriebszustand zugeordneten Phasenströme werden dabei in einen Feldstrom I_d sowie einen Drehmomentstrom I_q transformiert. Bei einer Erhöhung des Feldschwächstroms, also des negativen Feldstroms -I_d, kann eine entsprechende Verkleinerung des Drehmomentstroms I_q erfolgen, so dass das insgesamt von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment konstant oder im Wesentlichen konstant bleibt. Durch die Anpassung der Sollstromvorgabe können auch die phasenströme geändert werden. Das Ausmaß der jeweiligen Änderungen kann dabei insbesondere in Abhängigkeit eines Typs der elektrischen Maschine und/oder des aktuell genutzten Betriebszustandes der elektrischen Maschine erfolgen. Beispielsweise kann ein von der elektrischen Maschine insbesondere im genutzten Betriebszustand erzeugtes Reluktanzmoment berücksichtigt werden, um bei der Anpassung der Sollstromvorgabe das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment konstant oder im Wesentlichen konstant zu halten.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass während des Umschaltens der Phasen ein Betrieb des Stromrichters über eine Regelung der einzelnen Phasenströme erfolgt. Während des Umschaltens der Phasen erfolgt somit keine feldorientierte Regelung, sondern jeder einzelne Phasenstrom wird einzeln geregelt. Dadurch kann ein Einfluss der Anpassung der Sollstromvorgabe auf die feldorientierte Regelung bzw. den Stromregler und somit auf den Betrieb der elektrischen Maschine vermieden werden. Dies ermöglicht es, die unerwünschte Erzeugung von negativen Drehmomenten zu verhindern. Die Regelung jedes einzelnen Phasenstroms erfolgt während des Umschaltens der Phasen entsprechend den sich aus der geänderten Sollstromvorgabe ergebenden Phasenströmen. Nach Abschluss des Umschaltvorgangs kann wieder die feldorientierte Regelung der elektrischen Maschine aufgenommen werden. Je nach Ausgestaltung des Stromrichters und/oder eines mit dem Stromrichter verbundenen Stromreglers kann auch durchgehend eine Regelung der elektrischen Maschine in einer feldorientierten Regelung erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine elektrische Maschine verwendet wird, bei der jede Phase der Statorwicklung wenigstens zwei Teilwicklungen aufweist, wobei die unterschiedlichen Verbindungszustände eine Parallelschaltung der Teilwicklungen jeder Phase und eine Serienschaltung der Teilwicklungen jeder Phase beinhalten. Mittels der Schaltvorrichtung kann folglich in dem Umschaltvorgang eine Parallelschaltung der Teilwicklungen einer oder jeder Phase der Statorwicklung zu einer Reihenschaltung der Teilwicklung einer oder jeder Phase der Statorwicklung erfolgen. Umgekehrt kann durch die Schaltvorrichtung auch ein Umschalten einer Reihenschaltung der Teilwicklungen einer oder jeder Phase der Statorwicklungen zu einer Parallelschaltung der Teilwicklungen einer oder jeder der Statorwicklungen erfolgen. Bei einer Statorwicklung, bei welcher jede Phase mehr als zwei Teilwicklungen umfasst, können auch ein Verbindungszustand oder mehrere Verbindungszustände vorgesehen sein, in dem oder denen jeweils zwei oder mehr der Teilwicklungen parallel geschaltet und diese mit einer oder mehr in Reihe oder parallel geschalteten weiteren Teilwicklungen in Reihe geschaltet sind.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass eine dreiphasige elektrische Maschine verwendet wird, wobei die unterschiedlichen Verbindungszustände eine Sternschaltung der Phasen und eine Dreieckschaltung der Phasen beinhalten. Bei jeweils einer Teilwicklung pro Phase können die Phasen der elektrischen Maschine zwischen einer Sternschaltung und einer Dreieckschaltung umgeschaltet werden. Bei einer dreiphasigen elektrischen Maschine, bei welcher die Statorwicklung zwei oder mehr Teilwicklungen umfasst, kann neben einer Umschaltung zwischen einer Sternschaltung und einer Dreieckschaltung auch eine Umschaltung zwischen einer Reihenschaltung und/oder einer Parallelschaltung der jeweiligen Teilwicklungen der Phasen erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist diese eine dreiphasige elektrische Maschine, welche zwei Teilwicklungen pro Phase umfasst. In dieser Ausgestaltung sind bevorzugt vier mögliche Verbindungszustände vorgesehen, nämlich eine Sternschaltung der Phasen mit parallel geschalteten Teilwicklungen jeder Phase, eine Sternschaltung der Phasen mit seriell geschalteten Teilwicklungen jeder Phase, eine Dreieckschaltung der Phasen mit parallel geschalteten Teilwicklungen jeder Phase und eine Dreieckschaltung der Phasen mit seriell geschalteten Teilwicklungen jeder Phase.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass als elektrische Maschine ein Wechselstrommotor, insbesondere ein permanenterregter Synchronmotor oder eine Asynchronmaschine, verwendet wird. Auch die Verwendung eines anderen Typs von Wechselstrommotor als elektrische Maschine ist möglich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als elektrische Maschine ein Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs verwendet wird. Dabei kann es sich bei einem Betriebszustand der elektrischen Maschine insbesondere um einen Fahrbetrieb oder einen Rekuperationsbetrieb des Kraftfahrzeugs handeln. Durch das Umschalten der Teilwicklungen der Statorwicklung kann beispielsweise der Effekt eines mechanischen Zweiganggetriebes simuliert werden, da sich durch das Umschalten der Teilwicklungen der elektrischen Maschine deren Betriebscharakteristik ändert. Das erfindungsgemäße Umschalten bei den Phasennulldurchgängen, welches durch die reduzierten Phasenspannungen vorteilhaft durchgeführt werden kann, ermöglicht es, dass während des Fahrbetriebs oder des Rekuperationsbetriebs des Kraftfahrzeugs ein Umschalten der Teilwicklungen der Statorwicklung vorgenommen werden kann. Neben der Simulation eines mechanischen Getriebes kann beispielsweise ein Umschalten der Teilwicklungen auch bei einem Wechsel zwischen einem Fahrbetrieb und einem Rekuperationsbetrieb der elektrischen Maschine vorgenommen werden.
Für eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass diese einen mehrphasigen Stromrichter, eine umschaltbare Schaltvorrichtung und eine elektrische Maschine mit einer mehrphasigen Statorwicklung umfasst, wobei jede Phase der Statorwicklung wenigstens eine Teilwicklung aufweist und die Teilwicklungen der Statorwicklung über die Schaltvorrichtung in mehreren Verbindungszuständen verbindbar sind, wobei die elektrische Maschine in einem Betriebszustand mit durch die jeweiligen Phasen der Statorwicklung fließenden Phasenströmen betreibbar ist, wobei die Phasenströme durch den mehrphasigen Stromrichter erzeugt werden, wobei die elektrische Schaltungsanordnung eine mit der Schaltvorrichtung und dem Stromrichter verbundene Steuereinrichtung umfasst, welche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Die Steuereinrichtung kann dabei der Regelung des Stromrichters dienen und einen Stromregler umfassen. Die Schaltvorrichtung und/oder die Steuereinrichtung können als Teil der elektrischen Maschine ausgebildet sein und beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse mit der elektrischen Maschine angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass die Schaltvorrichtung und/oder die Steuereinrichtung ein gemeinsames Bauteil bilden. Durch die Steuereinrichtung kann eine Regelung, insbesondere eine feldorientierte Regelung und/oder eine Regelung der Phasenströme des Stromrichters, erfolgen. Weiterhin kann die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, die mit den Teilwicklungen der Statorwicklung der elektrischen Maschine verbundene Schaltvorrichtung anzusteuern und abhängig von einem Betriebszustand der elektrischen Maschine und/oder abhängig von einer an die Steuereinrichtung übermittelten Information einzustellen.
Sämtliche im Bezug zu dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend für die elektrische Schaltungsanordnung.
Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung umfasst. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass es sich bei der elektrischen Maschine der Schaltungsanordnung um einen Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs handelt. Sämtliche vorangehend in Bezug zu der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung und/oder zum erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung,
3 ein erstes Diagramm, welches den Verlauf von drei Phasenströmen über der Zeit darstellt,
4 ein zweites Diagramm, welches den Verlauf von drei Phasenspannungen ohne eine Änderung der Phasenströme über der Zeit darstellt,
5 ein drittes Diagramm, welches den Verlauf von drei Phasenspannungen mit einer Änderung der Phasenströme über der Zeit darstellt,
6-9 einzelne Schritte eines Umschaltens von seriell geschalteten Teilwicklungen auf parallel geschaltete Teilwicklungen, sowie
10-13 einzelne Schritte eines Umschaltens von in Sternschaltung verschalteten Phasen zu in Dreieckschaltung verschalteten Phasen.

In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst eine elektrische Schaltungsanordnung 2, welche eine elektrische Maschine 3, eine Schaltvorrichtung 4, einen Stromrichter 5 sowie eine Steuereinrichtung 6 umfasst. Die elektrische Maschine 3 bildet dabei einen Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs 1. Die elektrische Maschine 3 wird aus einer Batterie 7 gespeist, deren Gleichstrom mittels dem Stromrichter 5 in einen dreiphasigen Wechselstrom zum Betrieb der elektrischen Maschine 3 gewandelt wird. Die elektrische Maschine 3 ist eine Wechselstrommaschine, beispielsweise eine Asynchronmaschine oder eine permanenterregte Synchronmaschine.
Durch die Schaltvorrichtung 4 kann, wie nachfolgend noch detailliert erläutert wird, ein Umschalten von jeder der drei Phasen des dreiphasigen Wechselstroms zugeordneten Teilwicklungen einer Statorwicklung der elektrischen Maschine 3 erfolgen. Die Steuereinrichtung 6 ist mit dem Stromrichter 5 sowie der Schaltvorrichtung 4 verbunden. Durch die Steuereinrichtung 6 erfolgt eine Stromregelung der von dem Stromrichter 5 erzeugten Phasenströme. Weiterhin erfolgt durch die Steuereinrichtung 6 ein Ansteuern der Schaltvorrichtung 4 zum Einstellen von verschiedenen Verbindungszuständen der Teilwicklungen der Statorwicklung der elektrischen Maschine 3. Dieses Umschalten kann in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustandes der elektrischen Maschine 3 und/oder in Abhängigkeit einer beispielsweise über eine Datenverbindung (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeuges an die Steuereinrichtung 6 übermittelten Information erfolgen.
In 2 ist die Schaltungsanordnung 2 dargestellt. Die elektrische Maschine 3 umfasst eine Statorwicklung 8, welche sechs offene Teilwicklungen 9 bis 14 umfasst. Durch den Stromrichter 5 wird ein dreiphasiger Wechselstrom mit den Phasen U, V und W erzeugt. Dabei sind die Teilwicklungen 9 und 10 der Phase U zugeordnet, die Teilwicklungen 11 und 12 der Phase V sowie die Teilwicklungen 13 und 14 der Phase W.
Über Messmittel 15, 16, 17 der Steuereinrichtung 6 werden die in den jeweiligen Phasen U, V beziehungsweise W fließenden Phasenströme I_U , I_V und I_W gemessen. Die Messmittel 15, 16, 17 sind mit der Steuereinrichtung 6 verbunden. Abhängig von einem genutzten Betriebszustand der elektrischen Maschine 3, also abhängig von den in den Phasen U, V, W fließenden Phasenströmen, kann ein Umschalten der Teilwicklungen 9 - 14 der Statorwicklung 8 der elektrischen Maschine 3 erfolgen. Die Teilwicklungen 9 - 14 können dabei in verschiedenen Verbindungszuständen verschaltet werden.
Zum Beispiel können als ein Verbindungszustand eine Reihenschaltung der Teilwicklungen 9 und 10 für die Phase U, eine Reihenschaltung der Teilwicklungen 11 und 12 für die Phase V sowie eine Reihenschaltung der Teilwicklungen 13 und 14 für die Phase W vorgesehen sein. Als zweiter Verbindungszustand kann eine Parallelschaltung der Teilwicklungen 9 und 10 für Phase U, eine Parallelschaltung der Teilwicklungen 11 und 12 für Phase V sowie eine Parallelschaltung der Teilwicklungen 13 und 14 für die Phase W vorgesehen sein. Ein Umschalten zwischen den Verbindungszuständen erfolgt über die Schaltvorrichtung 4. Diese kann dazu eine Mehrzahl von Schaltelementen, beispielsweise von schaltbaren Halbleiterbauelementen wie IGBTs oder MOSFETs, umfassen. Um die Schaltspannungen der Elemente der Schaltvorrichtung 4 zu reduzieren, werden die jeweiligen Phasen während der Zeitpunkte umgeschaltet, an denen die Phasenströme I_U , I_V und I_W in den jeweiligen Phasen null sind. Weiterhin wird zum Reduzieren einer Phasenspannung während des Umschaltens vor dem Umschalten eine Änderung der Phasenströme I_U , I_V und I_W in den Phasen in Abhängigkeit des genutzten Betriebszustandes, das heißt in Abhängigkeit des aktuell vorliegenden Betriebszustandes der elektrischen Maschine 3, vorgenommen. Aufgrund des Phasenversatzes zwischen den Phasenströmen I_U , I_V und I_W des vom Stromrichters 5 erzeugten dreiphasigen Wechselstroms findet ein Umschalten der Teilwicklungen der einzelnen Phasen zu aufeinander folgenden Zeitpunkten statt.
In 3 ist der Verlauf der Phasenströme I_U , I_V und I_W über der Zeit dargestellt. Das Umschalten der Teilwicklungen 9, 10 der Phase U erfolgt zum Zeitpunkt t₁, bei dem I_U null ist. Entsprechend erfolgt das Umschalten der Teilwicklungen 11, 12 zum Zeitpunkt t₂, an dem I_V null ist, sowie das Umschalten der Teilwicklungen 13 und 14 zum Zeitpunkt t₃, an dem I_W null ist. Der zeitliche Versatz zwischen den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ entspricht bezogen auf die Position eines Rotors der elektrischen Maschine 3 jeweils einem Versatz der Rotorlage um 120°.
In 4 ist der Verlauf der Phasenspannungen Uu, Uv und Uw dargestellt. Dabei bezeichnet U_U die durch die Teilwicklungen 9, 10 beeinflusste Phasenspannung der Phase U, U_V die durch die Teilwicklungen 11, 12 beeinflusste Phasenspannung der Phase V sowie Uw die durch die Teilwicklungen 13, 14 beeinflusste Phasenspannung der Phase W. Die in 4 abgebildete Situation stellt die Phasenspannungen ohne eine betriebszustandsabhängige Anpassung der Phasenströme I_U , I_V und I_W dar. Ersichtlich weist die Phasenspannung U_U zum Zeitpunkt t₁, an dem der Phasenstrom I_U null ist, vorliegend einen Wert von ca. 12,5 V auf. Entsprechend trifft dies auch auf die Phasenspannungen Uv und Uw zu den Zeitpunkten t₂ bzw. t₃ zu.
In 5 ist der Verlauf der Phasenspannungen Uu, Uv und Uw mit einer Anpassung der Phasenströme I_U , I_V und I_W dargestellt. Ersichtlich weisen die Phasenspannungen Uu, Uv und Uw zu den Zeitpunkten t₁, t₂ und t₃ jeweils einen geringeren Wert von ca. 6 V auf. Diese Verringerung der Phasenspannungen zu den Umschaltzeitpunkten t₁, t₂ und t₃ wird durch eine Anpassung der Phasenströme I_U , I_V und I_W in Abhängigkeit des Betriebszustands der elektrischen Maschine 3 erreicht. Dazu werden über die Messmittel 15, 16, 17 durch die Steuereinrichtung 6 die aktuellen, den Betriebszustand der elektrischen Maschine 3 definierenden Phasenströme I_U , I_V , I_W gemessen. Abhängig von dem genutzten Beriebszustand und/oder von einer beispielsweise von einem weiteren Steuergerät des Kraftfahrzeugs 1 an die Steuereinrichtung 6 übermittelten Information kann in Abhängigkeit des Betriebszustands der elektrischen Maschine 3 ein Umschalten der Teilwicklungen 9 bis 14 der Statorwicklung 8 der elektrischen Maschine 3 gestartet werden. Dazu wird durch die Steuereinrichtung 6 zunächst eine Anpassung der Phasenströme I_U , I_V und I_W in Abhängigkeit des aktuell genutzten Betriebszustands der elektrischen Maschine 3 vorgenommen.
Eine Anpassung der Phasenströme I_U , I_V und I_W erfolgt dadurch, dass eine Sollstromvorgabe der Steuereinrichtung 6 an den Stromrichter 5 angepasst wird. Beim Betreiben des Stromrichters 5 durch die Steuereinrichtung 6 mit einer feldorientierten Regelung kann die Anpassung der Sollstromvorgabe beispielsweise durch eine Änderung der für die feldorientierten Regelung eingesetzten Stromvektoren, also von I_d und/oder I_q erfolgen. Die Änderung erfolgt dabei derart, dass ein von der elektrischen Maschine 3 erzeugtes Drehmoment auch bei angepassten Phasenströmen I_U , I_V und I_W gleichbleibt. Dabei kann beispielsweise ein negativer Feldschwächstrom -I_d vergrößert und der Drehmomentstrom I_q verkleinert werden. Das Ausmaß der Vergrößerung des Feldschwächstroms -I_d sowie der Verkleinerung des Drehmomentstroms I_q erfolgt dabei in Abhängigkeit des Typs der elektrischen Maschine 3, so dass ein von der elektrischen Maschine 3 erzeugtes Drehmoment auch nach der Änderung der Sollstromvorgabe konstant bleibt. Weiterhin erfolgt das Einstellen der Sollstromvorgabe derart, dass eine Reduktion wenigstens einer der Phasenspannungen Uu, Uv und Uw zu den Zeitpunkten t₁ und/oder t₂ und/oder t₃ erfolgt.
In den 6 - 9 wird schematisch das Umschalten der Teilwicklungen 9 - 14 von einer Serienschaltung der jeweils einer der Phasen U, V, W zugeordneten Teilwicklungen 9 - 14 zu einer Parallelschaltung der Teilwicklungen 9 - 14 gezeigt. Dabei stellt 6 den Ausgangszustand zu einem Zeitpunkt t₀ dar, in dem die Teilwicklungen 9, 10 der Phase U sowie die Teilwicklungen 11, 12 der Phase V und die Teilwicklungen 13, 14 der Phase W jeweils in Serie geschaltet sind. Weiterhin befinden sich die Phasen U, V und W in einer Sternschaltung. Die in 6 dargestellte Situation stellt einen ersten Verbindungszustand dar. Bei einem Umschaltvorgang in einen zweiten Verbindungszustand erfolgt zunächst die Änderung der Phasenströme in Abhängigkeit des genutzten Betriebszustands derart, dass die Phasenspannungen U_U , U_V und U_W der Phasen U, V, W der Statorwicklung 8 zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des durch die jeweilige Phase fließenden Phasenstromes I_U , I_V und I_W verringert werden.
7 stellt die Situation zum Zeitpunkt t₁ dar, bei dem durch die Schaltvorrichtung 4 die Teilwicklungen 9, 10 der Phase U in eine Parallelschaltung umgeschaltet werden. Das Umschalten erfolgt während der in der Phase U fließende Phasenstrom I_U null und die in der Phase U auftretende Phasenspannung U_U aufgrund der vorangehenden Anpassung der Phasenströme reduziert ist.
In 8 ist die Situation zum Zeitpunkt t₂ dargestellt, in dem auch die Teilwicklungen 11, 12 der Phase V in eine Parallelschaltung umgeschaltet werden. Das Umschalten erfolgt zu dem Zeitpunkt, in dem der Phasenstrom I_V null ist und die Phasenspannung U_V aufgrund der immer noch erfolgten Änderung der Phasenströme reduziert ist.
9 stellt die Situation zum Zeitpunkt t₃ dar, in dem auch die Teilwicklungen 13, 14 der Phase W in einer Parallelschaltung geschaltet sind. Das Umschalten der Teilwicklungen 13, 14 erfolgt zu dem Zeitpunkt, in dem der Phasenstrom I_W null ist und die Phasenspannung U_W aufgrund der Änderung der Phasenströme reduziert ist. Zum Zeitpunkt t₃ sind nun alle Teilwicklungen 9 - 14 der Phasen jeweils für die Phasen U, V und W parallel geschaltet. Dies stellt den zweiten Verbindungszustand dar. Nach dem Zeitpunkt t₃ kann die zum Zeitpunkt t₀ erfolgte Anpassung der Phasenströme wieder rückgängig gemacht werden. Es ist insbesondere möglich, dass zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₃, von einer feldorientierten Regelung, bei der der Stromrichter 5 von der Steuereinrichtung 6 betrieben wird, auf eine Regelung der einzelnen Phasenströme I_U , I_V und I_W durch die Steuereinrichtung 6 umgestellt wird. Dadurch werden Einflüsse der Änderung der Phasenströme auf die Stromregelung der Phasenströme durch die Steuereinrichtung 6 vermieden.
Zusätzlich oder alternativ zu der Umschaltung zwischen einem ersten Verbindungszustand, in dem die Teilwicklungen jeder Phase in Reihe geschaltet sind, und einem zweiten Verbindungszustand, in dem die Teilwicklungen jeder Phase parallel geschaltet sind, kann auch eine Umschaltung der Phasen zwischen einer Sternschaltung und einer Dreieckschaltung erfolgen.
10 zeigt in Sternschaltung mit einem Sternpunkt 18 verschaltete Phasen U, V, W zu einem Zeitpunkt t₀. Die Teilwicklungen 9, 10 beziehungsweise 11, 12 oder 13, 14 können dabei jeweils seriell oder parallel verschaltet sein und werden der Übersichtlichkeit halber im Folgenden schematisch als ein einzelner Widerstand dargestellt.
In 11 ist die Situation zum Zeitpunkt t₁ dargestellt, zu dem die Phase U von dem Sternpunkt 18 getrennt und mit dem Eingang der Phase W verbunden wird. Das Umschalten erfolgt während der in der Phase U fließende Phasenstrom I_U null und die in der Phase U auftretende Phasenspannung Uu aufgrund der vorangehenden Anpassung der Phasenströme reduziert ist.
Entsprechend ist in 12 die Situation zum Zeitpunkt t₂ dargestellt, zu dem die Phase V vom Sternpunkt 18 getrennt und mit dem Eingang der Phase U verbunden wird. In 13 ist die Situation zum Zeitpunkt t₃ dargestellt, bei dem die Phase W vom Sternpunkt 18 getrennt und mit dem Eingang der Phase V verschaltet wird. Die Phasen U, V und W sind zum Zeitpunkt t₃ nun in einer Dreiecksschaltung verschaltet. Auch das Umschalten zwischen der Sternschaltung und der Dreieckschaltung und umgekehrt wird durch die Schaltvorrichtung 4 umgesetzt. Weiterhin erfolgt das Umschalten der einzelnen Phasen jeweils, wie vorangehend beschrieben, zu den Nulldurchgängen der jeweiligen Phasenströme.
Es ist möglich, dass zum Zeitpunkt t₁ sowohl zwischen einer Sternschaltung und einer Dreieckschaltung (oder umgekehrt) der Phasen als auch zwischen einer Parallelschaltung und einer Seriellschaltung (oder umgekehrt) der Teilwicklungen umgeschaltet wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zwischen insgesamt vier Verbindungszuständen umgeschaltet werden kann, nämlich zwischen einer Dreieckschaltung der Phasen U, V, W mit einer Seriellschaltung der Teilwicklungen jeder Phase, einer Dreieckschaltung der Phasen mit einer Parallelschaltung der Teilwicklungen jeder Phase, einer Sternschaltung der Phasen mit einer Reihenschaltung der Teilwicklungen jeder Phase und einer Sternschaltung der Phasen mit einer Parallelschaltung der Teilwicklungen jeder Phase. Durch ein derartiges Umschalten zwischen verschiedenen Verbindungszuständen kann die Charakteristik der elektrischen Maschine 3 verändert werden. Dies ermöglicht es beispielsweise, bei einer als Traktionsmotor in einem Kraftfahrzeug 1 eingesetzten elektrischen Maschine 3 die Effekte eines mechanischen Schaltgetriebes zu simulieren ohne dass dafür mechanische Komponenten im Antriebsstrang erforderlich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0210733 A1 [0003]
DE 621131 C [0004]
EP 1944779 A2 [0005]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (3) mit einer mehrphasigen Statorwicklung (8), wobei jede Phase der Statorwicklung (8) wenigstens eine Teilwicklung (9-14) aufweist und die Teilwicklungen (9-14) der Statorwicklung (8) über eine umschaltbare Schaltvorrichtung (4) in mehreren Verbindungszuständen verbindbar sind, wobei die elektrische Maschine (3) in einem Betriebszustand mit durch die jeweiligen Phasen der Statorwicklung (8) fließenden Phasenströmen betrieben wird, wobei die Phasenströme durch einen mehrphasigen Stromrichter (5) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Betriebszustand während eines Umschaltvorgangs der Teilwicklungen (9-14) der Statorwicklung (8) von einem Verbindungszustand in einen weiteren Verbindungszustand zunächst die Phasenströme in Abhängigkeit des genutzten Betriebszustands derart geändert werden, dass eine Phasenspannung wenigstens einer Phase der Statorwicklung zum Zeitpunkt eines Nulldurchgangs des durch die Phase fließenden Phasenstromes verringert wird, wonach die einzelnen Phasen nacheinander, insbesondere jeweils während des Nulldurchgangs ihres jeweiligen Phasenstroms, umgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenströme derart geändert werden, dass ein von der elektrischen Maschine (3) im Betriebszustand erzeugtes Drehmoment konstant oder im Wesentlichen konstant bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (5) im Betriebszustand zumindest vor dem Umschalten der Phasen mittels einer dem Betriebszustand der elektrischen Maschine (3) zugeordneten Sollstromvorgabe mit einer feldorientierten Regelung betrieben wird, wobei die Sollstromvorgabe zur Änderung der Phasenströme durch eine Erhöhung eines Feldschwächstroms der Sollstromvorgabe angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Umschaltvorganges ein Betrieb der Stromrichters (5) über eine Regelung der einzelnen Phasenströme erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Maschine (3) verwendet wird, bei der jede Phase der Statorwicklung wenigstens zwei Teilwicklungen (9-14) aufweist, wobei die unterschiedlichen Verbindungszustände eine Parallelschaltung der Teilwicklungen (9-14) jeder Phase und eine Serienschaltung der Teilwicklungen (9-14) jeder Phase beinhalten.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dreiphasige elektrische Maschine (3) verwendet wird, wobei die unterschiedlichen Verbindungszustände eine Sternschaltung der Phasen und eine Dreieckschaltung der Phasen beinhalten.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Maschine (3) ein Wechselstrommotor, insbesondere ein permanenterregter Synchronmotor oder eine Asynchronmaschine, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Maschine (3) ein Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs (1) verwendet wird.
Elektrische Schaltungsanordnung, umfassend einen mehrphasigen Stromrichter (5), eine umschaltbare Schaltvorrichtung (4) und eine elektrische Maschine (3) mit einer mehrphasigen Statorwicklung (8), wobei jede Phase der Statorwicklung wenigstens eine Teilwicklung (9-14) aufweist und die Teilwicklungen (9-14) der Statorwicklung (8) über die Schaltvorrichtung (4) in mehreren Verbindungszuständen verbindbar sind, wobei die elektrische Maschine (3) in einem Betriebszustand mit durch die jeweiligen Phasen der Statorwicklung (8) fließenden Phasenströmen betreibbar ist, wobei die Phasenströme durch den mehrphasigen Stromrichter (5) erzeugt werden, wobei die elektrsiche Schaltungsanordnung (2) eine mit der Schaltvorrichtung (4) und dem Stromrichter (5) verbundene Steuereinrichtung (6) umfasst, welche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Schaltungsanordnung (2) nach Anspruch 9.