DE102020100961A1 - Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltung, elektrische Schaltung und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltung (2), wobei die elektrische Schaltung (2) einen Gleichspannungswandler (5), einen Inverter (4) und eine elektrische Maschine (3) umfasst, wobei der Inverter (4) auf der Gleichstromseite mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers (5) und auf der Wechselstromseite mit der elektrischen Maschine (3) verbunden ist, wobei die elektrische Maschine (3) mittels einer Drehmomentvorgabe und/oder einer Drehzahlvorgabe betrieben wird, wobei die Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (5) in Abhängigkeit einer aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder einer aktuellen Drehzahlvorgabe eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltung, wobei die elektrische Schaltung einen Gleichspannungswandler, einen Inverter und eine elektrische Maschine umfasst, wobei der Inverter auf der Gleichstromseite mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers und auf der Wechselstromseite mit der elektrischen Maschine verbunden ist, wobei die elektrische Maschine mittels einer Drehmomentvorgabe und/oder einer Drehzahlvorgabe betrieben wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Schaltung sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Bei Kraftfahrzeugen mit elektrischen Antrieben werden in der Regel elektrische Maschinen als Traktionselektromotoren eingesetzt. Diese werden beispielsweise aus einem Energiespeicher wie einer Batterie betrieben. Um einen von der Batterie erzeugten Gleichstrom in einen Wechselstrom zum Betrieb des Traktionsmotors zu wandeln, kann ein Inverter eingesetzt werden. Die maximal aus der Batterie entnehmbare elektrische Leistung und somit auch die maximale abgebbare mechanische Leistung des Traktionsmotors hängen dabei von dem Ladezustand der Batterie ab. Sinkt der Ladezustand der Batterie, so sinkt auch eine von der Batterie erzeugte Gleichspannung, welche als Zwischenkreisspannung am Inverter anliegt, so dass durch den Inverter eine geringere Leistung in einen Wechselstrom umgesetzt und zum Betrieb des Traktionsmotors verwendet werden kann. Bei sinkendem Ladezustand der Batterie ergeben sich somit Leistungseinbußen bei der vom Traktionsmotor erzeugbaren mechanischen Leistung. Zur Kompensation des Spannungsabfalls im Zwischenkreis bei abnehmendem Ladezustand der Batterie ist aus dem Stand der Technik der Einsatz eines Gleichspannungswandlers bekannt.
  • In DE 10 2018 203 015 B3 wird ein Verfahren zur Regelung eines Batteriestroms einer Traktionsbatterie eines Traktionssystems beschrieben. Dabei wandelt eine Gleichrichtereinheit des Traktionssystems eine Netzspannung mittels eines vorgebbaren Einspeisestroms in eine regelbare Zwischenkreisspannung eines Zwischenkreises des Traktionssystems. Durch einen Zwischenkreis-Spannungsregler wird ein Spannungsistwert der Zwischenkreisspannung auf einen Spannungssollwert der Zwischenkreisspannung geregelt. Die Anpassung der Zwischenkreisspannung kann dabei mit Hilfe eines Gleichstromstellers oder mit Hilfe einer Regelung eines Einspeisestroms in den Zwischenkreis erfolgen.
  • In DE 10 2013 211 302 A1 wird eine Energiespeichereinrichtung beschrieben. Die Energiespeichereinrichtung kann dabei in einem elektrischen Antriebssystem über einen Gleichspannungszwischenkreis mit einem Wechselrichter gekoppelt werden. Der Wechselrichter nimmt dabei die Versorgungsspannung einer Gleichspannungserzeugungseinrichtung der Energiespeichereinrichtung auf und wandelt diese in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung für eine elektrische Maschine. Dabei kann die Gleichspannungserzeugungseinrichtung über eine Steuereinrichtung derart eingestellt werden, dass Ausgangsspannungen und Ausgangsströme der Energiespeichereinrichtung weitgehend schwankungsfrei, insbesondere ohne Strom bzw. Spannungsrippel, gehalten werden können.
  • Aus DE 10 2007 061 729 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung eines elektrischen Fehlers in einem elektrischen Netzwerk eines Kraftfahrzeuges bekannt. Das Netzwerk umfasst dabei eine Batterie, einen Pulswechselrichter und einen Gleichspannungswandler. Dabei ist vorgesehen, dass ein der Batterie zugeordneter Batteriestrom mittels eines Batteriestromsensors und ein dem Gleichspannungswandler zugeordneter Gleichspannungswandlerstrom mittels eines Gleichspannungswandlerstromsensors ermittelt werden, wobei die Größe eines mit Hilfe der Sensoren ermittelten Zwischenkreisstromes auf das Überschreiten einer vorgebbaren Abweichung hin untersucht wird.
  • In DE 10 2010 038 511 A1 wird eine elektrische Maschine beschrieben, welche über einen Pulswechselrichter betrieben wird, wobei durch den Pulswechselrichter eine Leistung und eine Betriebsart der elektrischen Maschine bestimmt werden. Zur Erhöhung einer den Pulswechselrichter speisenden Zwischenkreisspannung über die Nennspannung einer Batterie hinaus kann ein Gleichspannungswandler eingesetzt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltung anzugeben, welches insbesondere einen effizienteren Betrieb einer elektrischen Maschine der elektrischen Schaltung ermöglicht.
  • Zur Lösung der Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers in Abhängigkeit einer aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder einer aktuellen Drehzahlvorgabe eingestellt wird.
  • Die Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers hat dabei den Vorteil, dass Änderungen und insbesondere Verbesserungen des Betriebs der elektrischen Maschine vorgenommen werden können, ohne dass dazu Änderungen an der Gleichstromversorgung vorgenommen werden müssen. Beispielsweise können somit bei einer vorgegebenen Batterie, welche mit dem Gleichspannungswandler verbunden ist und über welche die elektrische Maschine betrieben wird, Anpassungen bzw. Verbesserungen beim Betrieb der elektrischen Maschine vorgenommen werden, ohne dass ein Austausch der Batterie, beispielsweise durch eine Batterie mit einer höheren Batteriespannung, erfolgen muss. Auf diese Weise kann vorteilhaft, insbesondere bei einer bereits vorgegebenen bzw. bestehenden elektrischen Schaltung, ein effizienterer Betrieb der elektrischen Maschine der elektrischen Schaltung erreicht werden. Dies ermöglicht beispielsweise, eine maschinentypenunabhängige Leistungskurve bei einem bereits festgelegten Batteriedesign zu erzeugen und/oder bei einem bereits festgelegten Batteriedesign eine Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebes zu steigern.
  • Die Anpassung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers erfolgt in Abhängigkeit einer aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder einer aktuellen Drehzahlvorgabe, nach der die elektrische Maschine aktuell betrieben wird bzw. betrieben werden soll. Durch die aktuelle Drehzahlvorgabe und/oder die aktuelle Drehmomentvorgabe wird ein Betriebspunkt der elektrischen Maschine vorgegeben, welcher eine einzustellende Drehzahl und/oder ein einzustellendes Drehmoment der elektrischen Maschine beschreibt. Bei einer beispielsweise als Traktionselektromotor eines Kraftfahrzeugs eingesetzten elektrischen Maschine können die Drehzahlvorgabe und/oder die Drehmomentvorgabe bzw. ein die Drehzahlvorgabe und/oder die Drehmomentvorgabe umfassender Betriebspunkt beispielsweise von einem Motorsteuergerät vorgegeben werden, wobei die aktuelle Drehzahlvorgabe die für einen aktuellen Fahrzustand des Kraftfahrzeugs einzustellende Drehzahl beschreibt und die elektrische Maschine entsprechend der aktuellen Drehzahlvorgabe betrieben wird und/oder die aktuelle Drehmomentvorgabe das für den aktuellen Fahrzustand des Kraftfahrzeugs einzustellende Drehmoment beschreibt und die elektrische Maschine entsprechend der aktuellen Drehmomentvorgabe betrieben wird. Die Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers erfolgt in Abhängigkeit der aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder der aktuellen Drehzahlvorgabe und somit auch in Abhängigkeit des aktuellen Betriebszustand und/oder des einzustellenden Betriebszustands der elektrischen Maschine.
  • Der Inverter der elektrischen Schaltung kann beispielsweise ein Pulswechselrichter sein. Der Inverter ist auf der Gleichstromseite mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers verbunden, so dass die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers eine Zwischenkreisspannung der elektrischen Schaltung darstellt. Auf der Gleichspannungsseite kann der Gleichspannungswandler beispielsweise mit einer Gleichstromquelle verbunden sein. Auf der Wechselstromseite ist der Inverter mit der elektrischen Maschine verbunden, so dass diese durch einen vom Inverter erzeugten Wechselstrom betrieben werden kann.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass durch die eingestellte Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers ein Drehmoment der elektrischen Maschine verändert, insbesondere erhöht, wird. Dabei kann in Abhängigkeit der aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder der aktuellen Drehzahlvorgabe die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers derart erhöht werden, dass das Drehmoment der elektrischen Maschine über den Wert hinaus erhöht wird, welcher ohne den Gleichspannungswandler beispielsweise durch eine Quellenspannung einer an der Gleichstromseite des Inverters angeschlossenen Gleichspannungsquelle möglich wäre. Die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers kann dabei derart eingestellt werden, dass die Zwischenkreisspannung erhöht wird, so dass über den Inverter ein größeres Drehmoment der elektrischen Maschine erzeugt werden kann. Der Betrag, um den das Drehmoment verändert, das heißt erhöht oder verringert, wird, kann sich dabei insbesondere nach dem Wert der aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder dem Wert der aktuellen Drehzahlvorgabe richten.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Drehmoment der elektrischen Maschine derart verändert wird, dass ein Drehmomentabfall der elektrischen Maschine oberhalb einer Eckdrehzahl zumindest teilweise kompensiert wird und/oder dass eine mechanische Leistung der elektrischen Maschine oberhalb der Eckdrehzahl zumindest abschnittsweise konstant ist und/oder oberhalb der Eckdrehzahl mit steigender Drehzahl insbesondere kontinuierlich zunimmt. Es ist bei elektrischen Maschinen bekannt, dass bauartbedingt bei Betrieb der elektrischen Maschine mit einer Drehzahl oberhalb einer Eckdrehzahl das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment abnehmen kann. Dadurch kann es bei elektrischen Maschinen auch zu einem Abfall der von ihnen erzeugten mechanischen Leistung beim Betreiben der elektrischen Maschine in einem Betriebspunkt mit einer Drehzahl oberhalb der Eckdrehzahl kommen.
  • Durch die Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers in Abhängigkeit einer aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder einer aktuellen Drehzahlvorgabe kann erreicht werden, dass dieser Drehmomentabfall der elektrischen Maschine oberhalb der Eckdrehzahl zumindest teilweise kompensiert wird. Beispielsweise kann durch eine Anpassung der Ausgangsspannung, insbesondere eine Erhöhung der Ausgangsspannung, erreicht werden, dass durch die elektrische Maschine ein größeres Drehmoment erzeugt wird, so dass der bauartbedingt zu erwartende Drehmomentabfall teilweise oder vollständig kompensiert werden kann.
  • Es ist auch möglich, dass die Höhe der Ausgangsspannung derart angepasst wird, dass die mechanische Leistung der elektrischen Maschine für alle oder zumindest einen Teil der Drehzahlen oberhalb der Eckdrehzahlen konstant ist. Für jede zulässige Drehmomentvorgabe und/oder Drehzahlvorgabe, mit welcher die elektrische Maschine sinnvoll betrieben werden kann, kann somit die Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers derart angepasst werden, dass die jeweils aus der eingestellten Drehzahl der elektrischen Maschine sowie des dabei unter Anpassung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers erzeugten Drehmoments der elektrischen Maschine bestimmte mechanische Leistung für alle oder zumindest einen Teil der zulässigen Drehzahlen oberhalb der Eckdrehzahl konstant ist. Dies ermöglicht beispielsweise einen Betrieb der elektrischen Maschine entlang einer Zugkrafthyperbel, welche ab der Eckdrehzahl oder zumindest ab einer Drehzahl oberhalb der Eckdrehzahl eine über die Drehzahl konstante mechanische Leistung der elektrischen Maschine vorsieht.
  • Es ist auch möglich, die Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers derart anzupassen, dass die mechanische Leistung der elektrischen Maschine ausgehend von der mechanischen Leistung bei der Eckdrehzahl für alle zulässigen Drehzahlen oberhalb der Eckdrehzahl zunimmt. Dabei kann die Höhe der Ausgangsspannung derart angepasst werden, dass die aus der jeweiligen Drehzahl und dem durch die Anpassung der Ausgangsspannung eingestellten jeweiligen Drehmoment bestimmte mechanische Leistung der elektrischen Maschine ab der Eckdrehzahl kontinuierlich ansteigt, so dass bei höheren Drehzahlen durch die elektrische Maschine auch eine höhere mechanische Leistung erzeugt wird. Dies ermöglicht beispielsweise einen Betrieb der elektrischen Maschine entlang einer weiteren Zugkrafthyperbel, welche ab der Eckdrehzahl oder ab einer Drehzahl oberhalb der Eckdrehzahl eine über die Drehzahl insbesondere kontinuierlich ansteigende mechanische Leistung der elektrischen Maschine vorsieht.
  • Durch die Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung ist es beispielsweise möglich, dass die elektrische Maschine entlang einer Kennlinie betrieben wird, welche ab der Eckdrehzahl für alle oder zumindest einen Teil der oberhalb der Eckdrehzahl liegenden, zulässigen Drehzahlen der elektrischen Maschine eine konstante mechanische Leistung vorsieht. Entsprechend ist auch ein Betrieb entlang einer weiteren Kennlinie möglich, welche oberhalb der Eckdrehzahl für alle zulässigen Drehzahlen ein Ansteigen der mechanischen Leistung der elektrischen Maschine bei steigenden Drehzahlen vorsieht. Das erfindungsgemäß vorgesehene Anpassen der Höhe der Ausgangsspannung kann somit als ein Betrieb der elektrischen Maschine gemäß einer neuen Grenzkennlinie mit konstanter oder erhöhter mechanischer Leistung aufgefasst werden. Weiterhin ist auch eine Kombination möglich, in der die mechanische Leistung der elektrischen Maschine oberhalb der Eckdrehzahl abschnittsweise konstant und abschnittsweise zunehmend verläuft.
  • Durch das Anpassen der Höhe der Ausgangsspannung, also das gezielte Anpassen der Zwischenkreisspannung des Inverters über den Gleichspannungswandler, kann somit vorteilhaft die maximale mechanische Leistung der elektrischen Maschine gesteigert werden und/oder eine Formung einer drehzahlabhängigen Drehmomentkennlinie oder einer drehzahlabhängigen Leistungskennlinie vorgenommen werden, was auch als Performance Shaping bezeichnet werden kann. Diese Abhängigkeiten können beispielsweise in Form einer Kennlinie und/oder eines mehrere Kennlinien umfassenden Kennfeldes in einer mit dem Gleichspannungswandler verbundenen Steuerungseinrichtung hinterlegt werden. Der Betrieb der elektrischen Maschine gemäß einer von mehreren möglichen Kennlinien kann beispielsweise von einem Motorsteuergerät des Kraftfahrzeugs vorgegeben werden und/oder von einer Benutzerauswahl eines Fahrers des Kraftfahrzeugs abhängen.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers derart eingestellt wird, dass ein Wirkungsgrad der elektrischen Maschine für einen die aktuelle Drehmomentvorgabe und/oder die aktuelle Drehzahlvorgabe umfassenden Betriebspunkt der elektrischen Maschine erhöht wird.
  • Dies ist insbesondere möglich, wenn in dem Betriebspunkt der elektrischen Maschine nicht ein maximales Drehmoment abgerufen wird bzw. nicht durch die Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung ein maximal erhöhtes Drehmoment erzeugt wird. In einem solchen Betriebspunkt kann in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahlvorgabe und/oder der aktuellen Drehmomentvorgabe des Betriebspunkts eine Verbesserung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine durch eine Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers erreicht werden. Die elektrische Maschine kann somit in dem die aktuelle Drehmomentvorgabe und/oder die aktuelle Drehzahlvorgabe umfassenden Betriebspunkt vorteilhaft mit einem erhöhten Wirkungsgrad betrieben werden. Somit kann insbesondere für alle Betriebspunkte unterhalb der für die jeweilige aktuelle Drehmomentvorgabe bzw. die aktuelle Drehzahlvorgabe jeweils möglichen maximalen mechanischen Leistung die Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers derart angepasst, das heißt erhöht oder verringert, werden, dass der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine in dem jeweiligen Betriebspunkt gegenüber einem Betrieb ohne angepasster Ausgangsspannung verbessert ist. Auch diese Abhängigkeiten können beispielsweise in Form einer Kennlinie und/oder eines mehrere Kennlinien umfassenden Kennfeldes in einer mit dem Gleichspannungswandler verbundenen Steuerungseinrichtung hinterlegt werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Gleichspannungswandler verwendet wird, dessen Eingang mit einer Gleichstromquelle, insbesondere einer Brennstoffzelle oder einer Batterie, verbunden ist, wobei die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers in Abhängigkeit einer Spannung der Gleichstromquelle und/oder eines maximal zulässigen Entladestroms der Gleichstromquelle eingestellt wird. Bei einem mit einer Gleichstromquelle verbundenen Gleichspannungswandler kann zusätzlich zu der Abhängigkeit der Ausgangsspannung von einer der aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder der aktuellen Drehzahlvorgabe auch die Spannung der Gleichstromquelle berücksichtigt werden, so dass auch ein Kompensieren des Einflusses eines aktuellen Ladezustands der Gleichstromquelle erfolgen kann. Durch das Berücksichtigen eines maximal zulässigen Entladestroms der Gleichstromquelle bei der Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung kann berücksichtigt werden, welche elektrische Leistung der Gleichstromquelle maximal entnommen werden kann. Dies ermöglicht es, dass bei der Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers die eine physikalische Grenze darstellende, insgesamt zur Verfügung stehende elektrische Leistung als eine Randbedingung berücksichtigt werden kann. Dadurch kann vorteilhaft vermieden werden, dass durch eine Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers mehr elektrische Energie benötigt werden würde als der Gleichstromquelle entnommen werden kann.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers in Abhängigkeit einer maximal zulässigen Betriebsspannung der elektrischen Maschine eingestellt wird. Insbesondere kann dabei die eine physikalische Grenze darstellende, maximal zulässige Betriebsspannung der elektrischen Maschine als ein Grenzwert für eine Erhöhung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers herangezogen werden. Auf diese Weise kann vorteilhaft vermieden werden, dass über den Gleichspannungswandler eine Ausgangsspannung bereitgestellt wird, welche oberhalb der maximal zulässigen Betriebsspannung der elektrischen Maschine liegt, so dass nach Wechselrichtung des Gleichstromes durch den Inverter keine Beschädigungen der elektrischen Maschine durch einen mit zu hoher Spannung erzeugten Wechselstrom zu befürchten sind.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass als Inverter ein Pulswechselrichter verwendet wird und/oder dass als elektrische Maschine eine Asynchronmaschine, eine permanenterregte Synchronmaschine oder eine fremderregte Synchronmaschine verwendet wird.
  • Für eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung ist vorgesehen, dass sie eine Steuerungseinrichtung, einen Gleichspannungswandler, einen Inverter und eine elektrische Maschine umfasst, wobei der Inverter auf der Gleichstromseite mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers und auf der Wechselstromseite mit der elektrischen Maschine verbunden ist, wobei die elektrische Maschine mittels einer Drehmomentvorgabe und/oder einer Drehzahlvorgabe betreibbar ist, wobei die Steuerungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
  • Die Steuerungseinrichtung kann dabei beispielsweise eine Speichereinrichtung umfassen, in der wenigstens eine Kennlinie und/oder wenigstens ein mehrere Kennlinien umfassendes Kennfeld zum Betrieb der elektrischen Maschine gespeichert sind. Die Kennlinien können dabei einen Betrieb der elektrischen Maschine mit einem durch Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers veränderten Drehmoment und/oder einen durch Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers für einen oder mehrere Betriebspunkte der elektrischen Maschine erhöhten Wirkungsgrad umfassen. Es ist auch möglich, dass die Steuerungseinrichtung zum Regeln der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers eingerichtet ist. Die Steuerungseinrichtung kann beispielsweise mit einem Motorsteuergerät des Kraftfahrzeuges über eine Kommunikationsleitung verbunden sein, so dass beispielsweise eine durch das Motorsteuergerät vorgegebene aktuelle Drehmomentvorgabe und/oder eine durch das Motorsteuergerät vorgegebene aktuelle Drehzahlvorgabe und/oder ein die aktuelle Drehmomentvorgabe und/oder die aktuelle Drehzahlvorgabe umfassender Betriebspunkt von der Steuerungseinrichtung ausgewertet und zur Einstellung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers herangezogen werden kann.
  • Die vorangehend in Bezug zum erfindungsgemäßen Verfahren dargestellten Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäße elektrische Schaltung.
  • Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung umfasst.
  • Dabei kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine ein Traktionselektromotor des Kraftfahrzeuges ist und/oder dass der Gleichspannungswandler an seinem Eingang mit einem, insbesondere als Hochvoltbatterie oder als Brennstoffzelle, ausgeführten Traktionsenergiespeicher des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  • Sämtliche vorangehend in Bezug zum erfindungsgemäßen Verfahren bzw. in Bezug zur erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend für das erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
    • 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
    • 2 ein erstes Diagramm zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 3 ein zweites Diagramm zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
    • 4 ein drittes Diagramm zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In 1 ist eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung 2. Die elektrische Schaltung 2 umfasst eine elektrische Maschine 3, einen Inverter 4, einen Gleichspannungswandler 5 sowie eine Gleichstromquelle 6. Dabei ist der Inverter 4 mit seiner Wechselstromseite mit der elektrischen Maschine 3 verbunden. Die Gleichstromseite des Inverters 4 ist mit dem Gleichspannungswandler 5 verbunden. Der Gleichspannungswandler 5 ist weiterhin mit der Gleichstromquelle 6 verbunden. Der Inverter 4 ist als ein Pulswechselrichter ausgeführt und die elektrische Maschine 3 ist als eine Asynchronmaschine, eine permanenterregte Synchronmaschine oder eine fremderregte Synchronmaschine ausgebildet.
  • Der Gleichstromquelle 6 kann ein Gleichstrom entnommen werden, welcher über den Inverter 4 in einen Wechselstrom zum Betrieb der elektrischen Maschine 3 umgewandelt wird. Die elektrische Maschine 3 stellt dabei einen Traktionselektromotor des Kraftfahrzeuges 1 dar, über den das Kraftfahrzeug 1 in einem elektrischen Fahrbetrieb bewegt werden kann. Die Gleichstromquelle 6 stellt einen Traktionsenergiespeicher des Kraftfahrzeuges 1 dar und kann beispielsweise als ein Hochvoltenergiespeicher, wie eine Hochvoltbatterie oder eine Brennstoffzelle, ausgeführt sein. Die Gleichstromquelle kann dabei insbesondere eine Nennspannung zwischen 400 V und 840 V, insbesondere von 400V, 800V oder 840V, aufweisen. Die von der Gleichstromquelle 6 bereitgestellte Spannung stellt die Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 dar. Diese Eingangsspannung kann durch den Gleichspannungswandler 5 in eine Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 gewandelt werden, wobei die Ausgangsspannung größer oder kleiner als die Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 sein kann. Die durch den Gleichspannungswandler 5 erzeugte Ausgangsspannung stellt die Eingangsspannung auf der Gleichstromseite des Inverters 4 bzw. eine Zwischenkreisspannung der elektrischen Schaltung 2 dar.
  • Das Kraftfahrzeug 1 umfasst weiterhin eine Steuerungseinrichtung 7, durch welche die Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 in Abhängigkeit einer aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder in Abhängigkeit einer aktuellen Drehzahlvorgabe und/oder eines die aktuelle Drehmomentvorgabe und/oder die aktuelle Drehzahlvorgabe umfassenden Betriebspunkts der elektrischen Maschine 3 eingestellt werden kann. Die aktuelle Drehmomentvorgabe und/oder die aktuelle Drehzahlvorgabe und/oder der Betriebspunkt kann beispielsweise von einem Motorsteuergerät (hier nicht dargestellt) des Kraftfahrzeuges an die Steuerungseinrichtung 7 übermittelt werden.
  • Die beispielsweise von dem Motorsteuergerät vorgegebene aktuelle Drehmomentvorgabe und/oder Drehzahlvorgabe dient dazu, die elektrische Maschine in einem von dem Motorsteuergerät bestimmten Betriebspunkt zu betreiben. Durch eine Anpassung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 in Abhängigkeit der aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder der aktuellen Drehzahlvorgabe durch die Steuerungseinrichtung 7 kann ein Betrieb der elektrischen Maschine 3 mit einem veränderten Drehmoment erfolgen. Insbesondere ist ein Betrieb der elektrischen Maschine 3 mit einem erhöhten Drehmoment, einer konstanten und/oder erhöhten mechanischen Leistung oberhalb der Eckdrehzahl und/oder einem erhöhten Wirkungsgrad möglich, wie nachfolgend erläutert wird.
  • In 2 ist ein erstes Diagramm dargestellt, in dem auf der Abszisse eine Drehzahl n der elektrischen Maschine 3 und auf der Ordinate ein Drehmoment M und eine mechanische Leistung P der elektrischen Maschine 3 aufgetragen sind. Das Drehmoment M der elektrischen Maschine 3 wird dabei durch die jeweils durchgezogenen dargestellten Kurven und die mechanische Leistung P der elektrischen Maschine 3 durch die jeweils gestrichelt dargestellten Kurven abgebildet.
  • Erkennbar weist die elektrische Maschine 3 in dem Drehzahlbereich zwischen 0 und einer Eckdrehzahl nEck ein konstantes Drehmoment Ma auf. Durch das konstante Drehmoment Ma im Bereich zwischen 0 und nEck steigt die mechanische Leistung P der elektrischen Maschine 3 in dem Bereich zwischen 0 und nEck entsprechend konstant an.
  • Dargestellt sind zwei Drehmomentkurven 8, 9, welche jeweils den Verlauf des Drehmomentes M über die Drehzahl n darstellen. Dabei zeigt die Kurve 8 beispielhaft den Verlauf des Drehmomentes einer permanenterregten Synchronmaschine und die Kurve 9 den Drehmomentverlauf einer Asynchronmaschine jeweils ohne Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5. Die sich jeweils aus dem Drehmoment M und der Drehzahl n ergebende mechanische Leistung P ist für die permanenterregte Synchronmaschine in Kurve 10 und für die Asynchronmaschine entsprechend in Kurve 11 über die Drehzahl n aufgetragen. Bauartbedingt fallen oberhalb der Eckdrehzahl nEck das Drehmoment der permanenterregten Synchronmaschine sowie das Drehmoment der Asynchronmaschine ab. Entsprechend ergibt sich auch aus den Leistungskurven 10 und 11 eine für höhere Drehzahlen abnehmende mechanische Leistung P der elektrischen Maschine 3.
  • Dieses Abfallen des Drehmomentes bzw. das Abfallen der mechanischen Leistung kann durch eine Anpassung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 zumindest teilweise kompensiert werden. Dies ist in 3 dargestellt.
  • In 3 ist ein zweites Diagramm dargestellt, wobei die Achsen und die Darstellungsform dem ersten Diagramm aus 2 entsprechen. In 3 sind zwei Leistungskurven 12, 13 abgebildet, welche die mechanische Leistung P der elektrischen Maschine 3 über die Drehzahl n darstellen. Dabei zeigt die erste Leistungskurve 12 einen Verlauf, bei dem die mechanische Leistung der elektrischen Maschine 3 oberhalb der Eckdrehzahl nEck konstant bleibt. Die konstante mechanische Leistung wird dadurch erzeugt, dass in Abhängigkeit der aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder der aktuellen Drehzahlvorgabe der elektrischen Maschine 3 die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 derart angepasst wird, dass das Drehmoment der elektrischen Maschine 3 in Abhängigkeit der Drehzahl erhöht wird, so dass sich für alle zulässigen Drehzahlen oberhalb der Eckdrehzahl nEck eine konstante mechanische Leistung der elektrischen Maschine 3 ergibt. Die zur ersten Leistungskurve 12 gehörende Drehmomentkurve ist als erste Drehmomentkurve 14 dargestellt.
  • Es ist auch möglich, dass die Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 derart angepasst wird, dass ausgehend von der mechanischen Leistung Pa bei der Drehzahl nEck eine erhöhte mechanische Leistung der elektrischen Maschine 3 erzeugt wird. Dabei wird die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 derart angepasst, dass die mechanische Leistung entsprechend der zweiten Leistungskurve 13 für Drehzahlen oberhalb der Eckdrehzahl nEck kontinuierlich mit der Drehzahl ansteigt. Die zur zweiten Leistungskurve 13 gehörende Drehmomentkurve ist als Kurve 15 dargestellt.
  • Ersichtlich kann durch die Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 ein Abfall des Drehmomentes der elektrischen Maschine 3 oberhalb der Eckdrehzahl zumindest teilweise kompensiert werden bzw. eine mechanische Leistung der elektrischen Maschine oberhalb der Eckdrehzahl konstant gehalten bzw. insbesondere für alle zulässigen Drehmomentvorgaben und/oder Drehzahlvorgaben in Bezug zu der mechanischen Leistung bei der Eckdrehzahl nEck erhöht werden.
  • Bei Betriebspunkten des Kraftfahrzeuges, welche unterhalb einer maximal möglichen mechanischen Leistung der elektrische Maschine 3 liegen, kann die Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 derart angepasst werden, dass sich für den jeweiligen Betriebspunkt ein verbesserter Wirkungsgrad ergibt. Beispielhaft dargestellt ist ein Betriebspunkt 16, welcher eine aktuelle Drehzahlvorgabe ni sowie eine aktuelle Drehmomentvorgabe Mi umfasst. Durch die Steuerungseinrichtung 7 wird dabei in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahlvorgabe ni und der aktuellen Drehmomentvorgabe Mi eine Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 derart vorgenommen, dass die elektrische Maschine 3 in dem Betriebspunkt 16 mit einem verbesserten Wirkungsgrad betrieben wird. Der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 3 ist dabei gegenüber einem Betrieb der elektrischen Maschine 3 in dem Betriebspunkt 16 ohne Anpassung der Ausgangsspannung erhöht.
  • Neben einem ab der Eckdrehzahl konstant verlaufenden Leistungskurve ist auch ein gekrümmter Verlauf der Kurve entsprechend einer Zugkrafthyperbel möglich, bei dem sich zumindest für einen Teil der zulässigen Drehzahlen oberhalb der Eckdrehzahl nEck eine konstante mechanische Leistung der elektrischen Maschine 3 ergibt. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 4 als eine dritte Leistungskurve 17 dargestellt, wobei die Achsen und die Darstellungsform den vorangehenden Diagrammen entsprechen. Auch für die mechanische Leistung sind neben einem konstanten Anstieg ab der Eckdrehzahl auch andere, beispielsweise nichtlineare Kurvenverläufe möglich, bei denen die mechanische Leistung erst ab einer Drehzahl oberhalb der Eckdrehzahl mit der Drehzahl mit einer konstanten Steigung zunimmt. Ein solches Ausführungsbeispiel ist als vierte Leistungskurve 18 dargestellt. Auch ein Kurvenverlauf entsprechend einer Zugkrafthyperbel, bei dem die mechanische Leistung kontinuierlich mit variabler Steigung ansteigt ist möglich. Die zur dritten Leistungskurve 17 gehörende Drehmomentkurve ist als Kurve 19 dargestellt und die zur vierten Leistungskurve 18 gehörende Drehmomentkurve als Kurve 20.
  • Der jeweilige Verlauf der Leistungskurven 12, 13, 17, 18 und/oder die dazugehörigen Werte für die Höhe der Ausgangsspannung 5 können beispielsweise als Kennlinien in einer Speichereinrichtung der Steuerungseinrichtung 7 des Kraftfahrzeuges 1 gespeichert werden. Ein Betrieb der elektrischen Maschine 3 nach einer der Leistungskurven 12, 13, 17, 18 kann beispielsweise von einem Motorsteuergerät des Kraftfahrzeug 1 vorgegeben werden und/oder in Abhängigkeit einer Benutzereingabe umgeschaltet werden.
  • Die Anpassung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 erfolgt dabei stets unter Berücksichtigung eines maximalen Entladestroms der Gleichspannungsquelle 6 sowie einer maximal zulässigen Betriebsspannung der elektrischen Maschine 3. Dadurch kann erreicht werden, dass die elektrische Maschine 3 stets innerhalb der zulässigen physikalischen Grenzen betrieben wird. Zusätzlich ist es möglich, dass die Anpassung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 auch in Abhängigkeit einer Spannung der Gleichstromquelle 6 erfolgt, so dass zusätzlich auch eine durch ein Abnehmen des Ladungszustands abfallende Spannung der Gleichstromquelle 6 beim Betrieb der elektrischen Maschine 3 kompensiert werden kann.
  • Durch die Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 in Abhängigkeit der aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder der aktuellen Drehzahlvorgabe wird ein verbesserter Betrieb der elektrischen Maschine 3 ermöglicht. Zum einen kann der Wirkungsgrad des Betriebes der elektrischen Maschine 3 verbessert werden und zum anderen ist ein Betrieb der elektrischen Maschine 3 mit einem insbesondere höheren Drehmoment möglich als es bei Verwendung einer unveränderten Spannung der Gleichstromquelle 6 als Zwischenkreisspannung des Inverters 4 möglich wäre. Weiterhin wird durch die Anpassung der Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 ein Betrieb der elektrischen Maschine 3 entlang von anpassbaren Kennlinien mit verbesserter Effizienz und/oder Leistung der elektrischen Maschine 3 (Performance Shaping) ermöglicht. Dies ermöglicht beispielsweise, eine maschinentypenunabhängige Leistungskurve bei einem bereits festgelegten Batteriedesign zu erzeugen und/oder bei einem bereits festgelegten Batteriedesign eine Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebes eines Kraftfahrzeugs 1 zu steigern.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltung (2), wobei die elektrische Schaltung (2) einen Gleichspannungswandler (5), einen Inverter (4) und eine elektrische Maschine (3) umfasst, wobei der Inverter (4) auf der Gleichstromseite mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers (5) und auf der Wechselstromseite mit der elektrischen Maschine (3) verbunden ist, wobei die elektrische Maschine (3) mittels einer Drehmomentvorgabe und/oder einer Drehzahlvorgabe betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (5) in Abhängigkeit einer aktuellen Drehmomentvorgabe und/oder einer aktuellen Drehzahlvorgabe eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die eingestellte Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (5) ein Drehmoment der elektrischen Maschine (3) verändert, insbesondere erhöht, wird.
  3. Verfahren nach 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment der elektrischen Maschine (3) derart verändert wird, dass ein Drehmomentabfall der elektrischen Maschine (3) oberhalb einer Eckdrehzahl zumindest teilweise kompensiert wird und/oder dass eine mechanische Leistung der elektrischen Maschine (3) oberhalb der Eckdrehzahl zumindest abschnittsweise konstant ist und/oder oberhalb der Eckdrehzahl mit steigender Drehzahl insbesondere kontinuierlich zunimmt.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (5) derart eingestellt wird, dass ein Wirkungsgrad der elektrischen Maschine (3) für einen die aktuelle Drehmomentvorgabe und/oder die aktuelle Drehzahlvorgabe umfassenden Betriebspunkt der elektrischen Maschine (3) erhöht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichspannungswandler (5) verwendet wird, dessen Eingang mit einer Gleichstromquelle (6), insbesondere einer Brennstoffzelle oder einer Batterie, verbunden ist, wobei die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (5) in Abhängigkeit einer Spannung der Gleichstromquelle (6) und/oder eines maximal zulässigen Entladestroms der Gleichstromquelle (6) eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (5) in Abhängigkeit einer maximal zulässigen Betriebsspannung der elektrischen Maschine (3) eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Inverter (4) ein Pulswechselrichter verwendet wird und/oder dass als elektrische Maschine (3) eine Asynchronmaschine, eine permanenterregte Synchronmaschine oder eine fremderregte Synchronmaschine verwendet wird.
  8. Elektrische Schaltung, umfassend eine Steuerungseinrichtung (7), einen Gleichspannungswandler (5), einen Inverter (4) und eine elektrische Maschine (3), wobei der Inverter (4) auf der Gleichstromseite mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers (5) und auf der Wechselstromseite mit der elektrischen Maschine (3) verbunden ist, wobei die elektrische Maschine (3) mittels einer Drehmomentvorgabe und/oder einer Drehzahlvorgabe betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (7) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
  9. Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Schaltung (2) nach Anspruch 8.
  10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) ein Traktionselektromotor des Kraftfahrzeugs ist und/oder dass der Gleichspannungswandler (5) an seinem Eingang mit einem, insbesondere als Hochvoltbatterie oder als Brennstoffzelle, ausgeführten Traktionsenergiespeicher des Kraftfahrzeugs (1) verbunden ist.
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