DE102020117268A1 - Method for operating a drive train with an electrical machine, drive train, motor vehicle - Google Patents

Method for operating a drive train with an electrical machine, drive train, motor vehicle Download PDF

Info

Publication number
DE102020117268A1
DE102020117268A1 DE102020117268.0A DE102020117268A DE102020117268A1 DE 102020117268 A1 DE102020117268 A1 DE 102020117268A1 DE 102020117268 A DE102020117268 A DE 102020117268A DE 102020117268 A1 DE102020117268 A1 DE 102020117268A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
drive train
electrical machine
converter
voltage rise
pulse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020117268.0A
Other languages
German (de)
Inventor
Thomas Hubert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dr Ing HCF Porsche AG filed Critical Dr Ing HCF Porsche AG
Priority to DE102020117268.0A priority Critical patent/DE102020117268A1/en
Publication of DE102020117268A1 publication Critical patent/DE102020117268A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H02P27/085—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation wherein the PWM mode is adapted on the running conditions of the motor, e.g. the switching frequency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/02—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles characterised by the form of the current used in the control circuit
    • B60L15/08—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles characterised by the form of the current used in the control circuit using pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/42—Drive Train control parameters related to electric machines
    • B60L2240/421—Speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/52—Drive Train control parameters related to converters
    • B60L2240/527—Voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/52—Drive Train control parameters related to converters
    • B60L2240/529—Current
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges (10) mit einer elektrischen Maschine (1) vorgeschlagen, wobei ein Stator (2) der elektrischen Maschine (1) von einem Umrichter (3) des Antriebsstranges (10) mittels Pulsweitenmodulation betrieben wird, wobei eine Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Pulse zur Pulsweitenmodulation an eine Drehzahl und/oder einen lastabhängigen Betriebspunkt der elektrischen Maschine (1) angepasst wird. Weiterhin werden ein Antriebsstrang (10) sowie ein Kraftfahrzeug (100) vorgeschlagen.A method for operating a drive train (10) with an electrical machine (1) is proposed, a stator (2) of the electrical machine (1) being operated by a converter (3) of the drive train (10) by means of pulse width modulation, with a Voltage rise rate of the pulses for pulse width modulation at a speed and / or a load-dependent operating point of the electrical machine (1) is adapted. Furthermore, a drive train (10) and a motor vehicle (100) are proposed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges mit einer elektrischen Maschine, wobei ein Stator der elektrischen Maschine von einem Umrichter des Antriebsstranges mittels Pulsweitenmodulation betrieben wird.The present invention relates to a method for operating a drive train with an electrical machine, a stator of the electrical machine being operated by a converter of the drive train by means of pulse width modulation.

Üblicherweise werden zur Herstellung einer Wicklung Leiter im Stator der elektrischen Maschine angeordnet und miteinander elektrisch kontaktiert. Benachbarte Leiter, welche im Stator einer elektrischen Maschine zu Wicklungen angeordnet werden, weisen im Betrieb der elektrischen Maschine oft deutliche elektrische Potentialunterschiede zueinander auf. Ferner bestehen große Potentialdifferenzen zwischen den Leitern und dem Gehäuse der elektrischen Maschine. Daher werden die Leiter normalerweise mit einer elektrisch isolierenden Isolation versehen, so dass auch bei Auftreten der maximal möglichen Potentialdifferenz eine sichere elektrische Isolation gewährleistet ist.To produce a winding, conductors are usually arranged in the stator of the electrical machine and electrically contacted with one another. Adjacent conductors, which are arranged to form windings in the stator of an electrical machine, often have significant electrical potential differences from one another when the electrical machine is in operation. Furthermore, there are large potential differences between the conductors and the housing of the electrical machine. The conductors are therefore normally provided with electrically insulating insulation, so that safe electrical insulation is guaranteed even when the maximum possible potential difference occurs.

Die Wicklung einer elektrischen Maschine wird üblicherweise zum Betrieb durch einen Umrichter zumeist mit drei Phasen elektrisch gespeist. Die Spannungen, welche dabei an der Wicklung angelegt werden, variieren zeitlich. Die zeitliche Variation bewirkt hierbei ein zeitliches Variieren eines elektromagnetischen Feldes, welches einen Rotor der elektrischen Maschine antreibt.The winding of an electrical machine is usually fed electrically with three phases for operation by a converter. The voltages that are applied to the winding vary over time. The variation over time causes an electromagnetic field to vary over time, which drives a rotor of the electrical machine.

Oft kommt zur Regelung der zeitlichen Variation eine Pulsweitenmodulation (kurz PWM) zum Einsatz. Dazu werden Pulse, genauer gesagt Spannungspulse, erzeugt, deren Dauer die Höhe der Spannung regelt. Die Spannung der Pulse steigt dabei ausgehend von einem Nullwert mit der Zeit auf einen Sollwert an, verbleibt eine gewisse Dauer auf dem Sollwert und fällt anschließend wieder linear auf den Nullwert ab.Pulse width modulation (PWM for short) is often used to regulate the variation over time. For this purpose, pulses, more precisely voltage pulses, are generated, the duration of which regulates the level of the voltage. Starting from a zero value, the voltage of the pulses rises over time to a target value, remains at the target value for a certain period and then falls linearly to the zero value again.

Für den Betrieb eines derartigen Antriebsstranges ist es einerseits wünschenswert, den Antriebsstrang möglichst schonend zu betreiben, so dass nur wenig Alterungserscheinungen auftreten. Andererseits ist es wünschenswert, den Antriebsstrang möglichst effizient mit nur wenig Verlusten zu betreiben.For the operation of such a drive train, it is on the one hand desirable to operate the drive train as gently as possible so that only few signs of aging occur. On the other hand, it is desirable to operate the drive train as efficiently as possible with only a few losses.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges mit einer elektrischen Maschine bereitzustellen, welches die Gefahr von unerwünschten Überschlägen und die Belastung der Isolation der Leiter eines Stators der elektrischen Maschine verringert und somit zu weniger Alterungserscheinungen führt, es aber ebenfalls ermöglicht, den Antriebsstrang sehr effizient zu betreiben.It is therefore an object of the present invention to provide a method for operating a drive train with an electrical machine, which reduces the risk of undesired flashovers and the stress on the insulation of the conductors of a stator of the electrical machine and thus leads to fewer signs of aging, but it does too enables the drive train to operate very efficiently.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges mit einer elektrischen Maschine, wobei ein Stator der elektrischen Maschine von einem Umrichter des Antriebsstranges mittels Pulsweitenmodulation betrieben wird, wobei eine Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Pulse zur Pulsweitenmodulation an eine Drehzahl und/oder einen lastabhängigen Betriebspunkt der elektrischen Maschine angepasst wird.This object is achieved by a method for operating a drive train with an electrical machine, wherein a stator of the electrical machine is operated by a converter of the drive train by means of pulse width modulation Machine is adjusted.

Es hat sich gezeigt, dass die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit einen Einfluss auf die Effizienz des Betriebs des elektrischen Antriebs und auf Überspannungen und mögliche elektromagnetische Abstrahlungen und Teilentladungen und somit auf die Alterung der Isolation der Leiter der Wicklung hat. Eine höhere Spannungsanstiegsgeschwindigkeit erhöht in aller Regel die Effizienz des Antriebs durch geringere Schaltverluste. Allerdings kommt es bei einer hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, also bei einem Anstieg der Spannung der Pulse mit einer sehr steilen Flanke, ggf. ebenfalls zu größeren Spannungsüberhöhungen.It has been shown that the rate of voltage rise has an influence on the efficiency of the operation of the electric drive and on overvoltages and possible electromagnetic emissions and partial discharges and thus on the aging of the insulation of the winding conductors. A higher rate of voltage rise generally increases the efficiency of the drive due to lower switching losses. However, if there is a high rate of voltage rise, i.e. if the voltage of the pulses rises with a very steep edge, there may also be larger voltage peaks.

Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, oder auch Flankensteilheit, im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Maß für die Geschwindigkeit des Anstiegs und/oder des Abfalls einer elektrischen Spannung. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit um die Anstiegsgeschwindigkeit und/oder die Abfallgeschwindigkeit der Spannung, mathematisch ausgedrückt als du/dt. Flankensteilheit und Spannungsanstiegsgeschwindigkeit werden im Rahmen der Offenbarung der vorliegenden Erfindung synonym verwendet.Voltage rise speed, or also edge steepness, in the sense of the present invention is a measure of the speed of the rise and / or the fall of an electrical voltage. In other words, the rate of voltage rise is the rate of rise and / or rate of fall of the voltage, expressed mathematically as du / dt . Edge steepness and voltage rise rate are used synonymously in the context of the disclosure of the present invention.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.Advantageous configurations and developments of the invention can be found in the subclaims and the description with reference to the drawings.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation und die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit mit steigender Drehzahl erhöht und mit fallender Drehzahl verringert werden. Ein Betrieb mit hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten stellt sich in aller Regel durch geringere Schaltverluste als verlustärmer dar. Gegebenenfalls ist dieser aber mit größeren Spannungsüberhöhungen an den Maschinenklemmen bzw. mit einer nichtlinearen Verteilung der Spannung innerhalb der Wicklung der elektrischen Maschine verbunden. Die Spannungszeitfläche wird maximiert, was insbesondere bei hohen Drehzahlen zu einer Steigerung der Leistung, insbesondere bei einem Betrieb nahe der Leistungsgrenze, und zu weniger Verlusten durch feldschwächenden Strom führt. Die elektromagnetische Abstrahlung ist hoch. Ein Betrieb mit kleinen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten führt üblicherweise zu mehr Schaltverlusten im Halbleiter. Überspannungen beispielsweise durch Wanderwelleneffekte können aber weitestgehend vermieden werden, sofern die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit geringer als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle im Leiter ist. Das Isolationssystem der Wicklung wird durch geringere Spannungsüberhöhungen weniger stark belastet, wodurch Die Lebensdauer der elektrischen Maschine gesteigert werden kann. Insbesondere im Bereich kleiner Drehzahlen ist mit keiner signifikanten Leistungseinbuße zu rechnen, da hier nicht an der Spannungsgrenze gefahren wird. Die elektromagnetische Abstrahlung ist gering.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the clock frequency of the pulse width modulation and the rate of voltage rise are increased with increasing speed and are reduced with decreasing speed. Operation with high voltage rise speeds is generally shown to be lower loss due to lower switching losses. However, this may be associated with greater voltage increases at the machine terminals or with a non-linear distribution of the voltage within the winding of the electrical machine. The voltage-time area is maximized, which leads to an increase in power, especially at high speeds, especially when operating near the power limit, and to fewer losses due to field-weakening current. The electromagneti emittance is high. Operation with low voltage rise rates usually leads to more switching losses in the semiconductor. Overvoltages, for example due to traveling wave effects, can largely be avoided if the rate of voltage rise is less than the rate of propagation of the wave in the conductor. The insulation system of the winding is less stressed by lower voltage increases, which can increase the service life of the electrical machine. In the low speed range in particular, no significant performance losses are to be expected, since the voltage limit is not reached here. The electromagnetic radiation is low.

Gerade bei niedrigen Drehzahlen machen sich damit eine niedrige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit durch höhere Schaltverluste in dieser beispielhaften Ausführungsform der Erfindung nur sehr wenig negativ bemerkbar. Der Antriebsstrang kann somit bei niedrigen Drehzahlen sehr schonend betrieben werden. Bei höheren Drehzahlen fallen Schaltverluste aufgrund der höheren Anzahl an Schaltvorgängen eher ins Gewicht. Durch eine höhere Spannungsanstiegsgeschwindigkeit wird daher hier ein sehr effizienter Betrieb des Antriebsstranges sichergesellt.In this exemplary embodiment of the invention, in this exemplary embodiment of the invention, a low rate of voltage rise due to higher switching losses has very little negative impact, especially at low speeds. The drive train can therefore be operated very gently at low speeds. At higher speeds, switching losses are more significant due to the higher number of switching operations. A very efficient operation of the drive train is therefore ensured here by a higher rate of voltage rise.

Dazu ist vorzugsweise vorgesehen, dass mittels der Pulsweitenmodulation ein oszillierendes pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird, wobei die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Pulse so angepasst wird, dass die Perioden des pulsweitenmodulierten Signales unabhängig von der Periodendauer von stets gleichvielen Pulsen erzeugt werden, wobei eine Periodendauer des pulsweitenmodulierten Signals vorzugsweise antiproportional zur Drehzahl ist. Dies ermöglicht einen sehr effizienten Betrieb des Antriebsstranges mit einer direkten und einfachen Regelung der Drehzahl der elektrischen Maschine.For this purpose, it is preferably provided that an oscillating pulse-width-modulated signal is generated by means of the pulse-width modulation, the rate of voltage rise of the pulses being adapted in such a way that the periods of the pulse-width-modulated signal are always generated independently of the period of the same number of pulses, with a period of the pulse-width-modulated signal preferably being inversely proportional to the speed is. This enables very efficient operation of the drive train with direct and simple regulation of the speed of the electrical machine.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit durch Regelung des Gate-Stromes der Leistungshalbleiter des Umrichters geregelt wird. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise ein genaues Anpassen der Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten. Die Regelung des Gate-Stromes kann sehr schnell geschehen, wodurch direkt auf sich verändernde Umstände reagiert werden kann.According to a further preferred embodiment of the invention it is provided that the rate of voltage rise is regulated by regulating the gate current of the power semiconductors of the converter. This advantageously enables the rates of voltage rise to be precisely matched. The regulation of the gate current can be done very quickly, which means that it is possible to react directly to changing circumstances.

Dazu ist vorzugsweise vorgesehen, dass zur Einstellung des Gate-Stromes eine variable Gate-Treiberspannung genutzt wird. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, den Gate-Strom und damit die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit effektiv zu regeln. Vorzugsweise weist der Umrichter auch variable Gate-Vorwiderstände auf.For this purpose, it is preferably provided that a variable gate driver voltage is used to set the gate current. It is thus advantageously possible to regulate the gate current and thus the rate of voltage rise effectively. The converter preferably also has variable gate series resistors.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass SiC- und/oder GaN-Halbleiter zur Erzeugung der Pulse verwendet werden. Aufgrund ihrer hohen Elektronenbeweglichkeit eignen sich diese Halbleiter hervorragend für sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that SiC and / or GaN semiconductors are used to generate the pulses. Due to their high electron mobility, these semiconductors are ideal for very high switching speeds.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Antriebsstrang, insbesondere Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, wobei der Antriebsstrang eine elektrische Maschine und einen Umrichter zum mittels Pulsweitenmodulation gesteuerten Speisen einer Wicklung der elektrischen Maschine aufweist, wobei der Umrichter dazu konfiguriert ist, Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten der Pulse zur Pulsweitenmodulation an eine Drehzahl und/oder einen lastabhängigen Betriebspunkt der elektrischen Maschine anzupassen. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung des Betriebes des Antriebsstranges, je nachdem ob ein schonender Betrieb oder ein Betrieb mit maximaler Effizienz bzw. Performance und wenig Schaltverlusten gefragt ist. Bei eher niedrigen Drehzahlen sind durch kleine Taktfrequenzen und niedrige Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten erhöhte Schaltverluste pro Schaltvorgang kaum merklich und fallen nicht ins Gewicht, so dass ein schonender Betrieb gewählt werden kann. Bei hohen Drehzahlen würden niedrige Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten aufgrund der hohen Anzahl an Schaltvorgängen zu hohen Schaltverlusten führen, so dass bei hohen Drehzahlen eher eine hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeit gewählt wird.Another object of the invention for solving the problem formulated at the beginning is a drive train, in particular a drive train for a motor vehicle, the drive train having an electrical machine and a converter for feeding a winding of the electrical machine controlled by means of pulse width modulation, the converter being configured to speed up voltage increases adapt the pulses for pulse width modulation to a speed and / or a load-dependent operating point of the electrical machine. This enables an optimal adaptation of the operation of the drive train, depending on whether a gentle operation or an operation with maximum efficiency or performance and little switching losses is required. At rather low speeds, increased switching losses per switching process are hardly noticeable due to small clock frequencies and low voltage rise speeds and are negligible, so that gentle operation can be selected. At high speeds, low voltage rise speeds would lead to high switching losses due to the high number of switching operations, so that at high speeds a high voltage rise speed is more likely to be selected.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Umrichter variable Gate-Treiberspannungen zur Regelung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten aufweist. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, die Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten zu regeln. Denkbar ist, dass der Umrichter SiC- und/oder GaN-Halbleiter aufweist. Vorzugsweise weist der Umrichter variable Gate-Vorwiderstände auf.According to a further preferred embodiment of the invention it is provided that the converter has variable gate driver voltages for regulating the rate of voltage rise. It is thus advantageously possible to regulate the rate of voltage rise. It is conceivable that the converter has SiC and / or GaN semiconductors. The converter preferably has variable gate series resistors.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Antriebsstrang dazu konfiguriert ist, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben zu werden.It is preferably provided that the drive train is configured to be operated with the method according to the invention.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, aufweisend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang.Another object of the invention for solving the object formulated at the beginning is a motor vehicle, in particular an electric vehicle or hybrid vehicle, having a drive train according to the invention.

Alle zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf das den erfindungsgemäßen Antriebsstrang und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.All details, features and advantages disclosed above in connection with the method for operating a drive train relate to also applies to the drive train according to the invention and the motor vehicle according to the invention.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.

  • 1 illustriert schematisch den Verlauf von elektrischen Spannungen am Ausgang eines Umrichters bzw. einer Wicklung eines Stators einer elektrischen Maschine beim Betrieb eines Antriebsstranges mit der elektrischen Maschine gemäß dem Stand der Technik.
  • 2 illustriert schematisch einen Antriebsstrang gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Further details, features and advantages of the invention emerge from the drawings and from the following description of preferred embodiments with reference to the drawings. The drawings merely illustrate exemplary embodiments of the invention, which do not restrict the concept of the invention.
  • 1 illustrates schematically the course of electrical voltages at the output of a converter or a winding of a stator of an electrical machine when operating a drive train with the electrical machine according to the prior art.
  • 2 schematically illustrates a powertrain according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 3 schematically illustrates a motor vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention

In 1 ist schematisch der Verlauf von elektrischen Spannungen U' an einem Ausgang eines Umrichters und von elektrischen Spannungen U an einer mit dem Umrichter kontaktierten Wicklung eines Stators einer elektrischen Maschine gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Während die Spannung U' am Ausgang des Umrichters in Form einer Rechteckschwingung (idealisiert) bereitgestellt wird, kommt es an den Klemmen der Maschine zu Spannungsüberhöhungen. Diese Spannungsüberhöhungen bringen die Gefahr von Teilentladungen und Spannungsüberschlägen mit sich. Der Umrichter wird mittels Pulsweitenmodulation betrieben. Es hat sich gezeigt, dass die Amplitude der Spannungsüberhöhungen durch eine Verringerung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Pulse der Pulsweitenmodulation deutlich reduziert werden kann.In 1 the course of electrical voltages U 'at an output of a converter and of electrical voltages U at a winding of a stator of an electrical machine in accordance with the prior art that is in contact with the converter is shown schematically. While the voltage U 'is provided at the output of the converter in the form of a square wave (idealized), the voltage increases at the terminals of the machine. These excess voltages bring with them the risk of partial discharges and voltage flashovers. The converter is operated by means of pulse width modulation. It has been shown that the amplitude of the excess voltage can be significantly reduced by reducing the rate of voltage rise of the pulses of the pulse width modulation.

In 2 ist schematisch ein Antriebsstrang 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Antriebsstrang 10 weist eine elektrische Maschine 1 mit einem Stator 2 auf. Anschlussklemmen (nicht gezeigt) des Stators 2 kontaktieren einen Umrichter 3 über eine Leitung mit einer Wicklung 2' des Stators 2. Der Umrichter 3 weist SiC-Halbleiter auf, welche sehr schnell und damit sehr effizient schalten können. Die Energieversorgung zum Betrieb des Umrichters 3 wird von einer Batterie 6 bereitgestellt.In 2 a powertrain 10 according to an exemplary embodiment of the present invention is shown schematically. The drive train 10 has an electrical machine 1 with a stator 2. Connection terminals (not shown) of the stator 2 contact a converter 3 via a line with a winding 2 'of the stator 2. The converter 3 has SiC semiconductors, which can switch very quickly and therefore very efficiently. The energy supply for operating the converter 3 is provided by a battery 6.

Der Umrichter 3 speist die Wicklung 2' mit einer zeitlich variierenden Spannung. Die zeitliche Variation führt zu einem zeitlich variierenden elektromagnetischen Feld im Stator 2, welches einen Rotor (hier nicht sichtbar) der elektrischen Maschine 1 in Bewegung setzt. Zur Herstellung der zeitlich variierenden Spannung wird der Umrichter 3 mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren betrieben. Dazu werden Pulse, genauer gesagt Spannungspulse, erzeugt, deren Dauer die Höhe der Spannung regelt, mit welcher die Wicklung 2 gespeist wird. Die Spannung der Pulse steigt dabei ausgehend von einem Nullwert mit der Zeit auf einen Sollwert an, verbleibt eine gewisse Dauer auf dem Sollwert und fällt anschließend wieder auf den Nullwert ab.The converter 3 feeds the winding 2 'with a voltage that varies over time. The time variation leads to a time-varying electromagnetic field in the stator 2, which sets a rotor (not visible here) of the electrical machine 1 in motion. To produce the voltage that varies over time, the converter 3 is operated with a pulse width modulation method. For this purpose, pulses, more precisely voltage pulses, are generated, the duration of which regulates the level of voltage with which winding 2 is fed. Starting from a zero value, the voltage of the pulses rises over time to a target value, remains at the target value for a certain period and then falls back to the zero value.

Wie in der 1 bereits gezeigt und an entsprechender Stelle diskutiert, kommt es zu Spannungsüberhöhungen an den Anschlussklemmen des Stators 2 im Betrieb der elektrischen Maschine 1, welche Überschläge verursachen und die Isolation der Leiter der Wicklung 2' altern lassen können. Es hat sich gezeigt, dass die Amplitude der Spannungsüberhöhungen mit sinkender Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Pulse der Pulsweitenmodulation sinkt. Dies ist zum einen sehr vorteilhaft, da die Gefahr von Überschlägen und die Alterung der Isolation verringert werden. Zum anderen bedeuten niedrige Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten oder Spannungsabfallgeschwindigkeiten aber höhere Schaltverluste in den Halbleitern des Umrichters 3.Like in the 1 already shown and discussed at the appropriate point, there are excess voltages at the connection terminals of the stator 2 during operation of the electrical machine 1, which can cause flashovers and age the insulation of the conductors of the winding 2 '. It has been shown that the amplitude of the voltage peaks decreases as the voltage increase rate of the pulses of the pulse width modulation decreases. On the one hand, this is very advantageous because the risk of flashovers and the aging of the insulation are reduced. On the other hand, low voltage rise or voltage drop speeds mean higher switching losses in the semiconductors of the converter 3.

Im Betrieb des Antriebsstranges wird daher die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit anhand der Drehzahl bzw. des Betriebspunktes der elektrischen Maschine 1 geregelt. Bei niedrigen Drehzahlen werden die Taktfrequenz und die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit rezufiert. Eine niedrige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit fällt dann nicht ins Gewicht und der Antriebsstrang 10 kann daher bei niedrigen Drehzahlen mit niedrigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten schonend mit nur geringen Spannungsüberhöhungen betrieben werden. Wird die Drehzahl erhöht, so machen sich Schaltverluste bei niedrigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten bemerkbar. Daher werden bei steigenden Drehzahlen höhere Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten zur Erhöhung der Spannungszeitfläche und höhere Taktfrequenzen gewählt.When the drive train is in operation, the rate of voltage rise is therefore regulated on the basis of the speed or the operating point of the electrical machine 1. At low speeds, the clock frequency and the rate of voltage rise are reduced. A low rate of voltage rise is then insignificant and the drive train 10 can therefore be operated gently at low speeds with low voltage rise rates with only slight voltage increases. If the speed is increased, switching losses become noticeable at low voltage rise speeds. Therefore, with increasing speeds, higher voltage rise speeds to increase the voltage time area and higher clock frequencies are selected.

Vorzugsweise wird die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Pulse so angepasst, dass die Perioden des oszillierenden pulsweitenmodulierten Signales, welches der zeitlichen Variation der an der Wicklung angelegten Spannung dient, unabhängig von der Periodendauer von stets gleichvielen Pulsen erzeugt werden. Eine Periodendauer des pulsweitenmodulierten Signals ist hierbei vorzugsweise antiproportional zur Drehzahl.The rate of voltage rise of the pulses is preferably adapted in such a way that the periods of the oscillating pulse-width-modulated signal, which is used to vary the voltage applied to the winding over time, are always generated from the same number of pulses independently of the period duration. A period of the pulse-width-modulated signal is preferably inversely proportional to the speed.

Zum Einstellen der Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten verändert eine Steuereinheit 5 die Gate-Treiberspannungen des Umrichters 3 oder regelt die Gate-Ströme der Halbleiter des Umrichters 3.To set the rate of voltage rise, a control unit 5 changes the gate drive voltages of the converter 3 or regulates the gate currents of the semiconductors of the converter 3.

Die so betriebene elektrische Maschine 1 treibt mit einem Abtrieb 7 ein (nicht gezeigtes) Getriebe an, welches wiederum für eine Traktion eines Kraftfahrzeugs (siehe 3) sorgt, in welchem der Antriebsstrang 10 verbaut ist.The electric machine 1 operated in this way drives a transmission (not shown) with an output 7, which in turn is used for traction of a motor vehicle (see FIG 3 ) ensures in which the drive train 10 is installed.

3 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Antriebsstrang 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 schematically illustrates a motor vehicle 100 according to an exemplary embodiment of the present invention with a drive train 10 according to an exemplary embodiment of the present invention.

Claims (10)

Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges (10) mit einer elektrischen Maschine (1), wobei ein Stator (2) der elektrischen Maschine (1) von einem Umrichter (3) des Antriebsstranges (10) mittels Pulsweitenmodulation betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Pulse zur Pulsweitenmodulation an eine Drehzahl und/oder einen lastabhängigen Betriebspunkt der elektrischen Maschine (1) angepasst wird.Method for operating a drive train (10) with an electrical machine (1), wherein a stator (2) of the electrical machine (1) is operated by a converter (3) of the drive train (10) by means of pulse width modulation, characterized in that a voltage rise rate the pulse for pulse width modulation is adapted to a speed and / or a load-dependent operating point of the electrical machine (1). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation und die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit mit steigender Drehzahl erhöht und mit fallender Drehzahl verringert werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a clock frequency of the pulse width modulation and the voltage rise speed are increased with increasing speed and are reduced with falling speed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Pulsweitenmodulation ein oszillierendes pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird, wobei die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Pulse so angepasst wird, dass die Perioden des pulsweitenmodulierten Signales unabhängig von der Periodendauer von stets gleichvielen Pulsen erzeugt werden, wobei eine Periodendauer des pulsweitenmodulierten Signals vorzugsweise antiproportional zur Drehzahl ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an oscillating pulse-width-modulated signal is generated by means of the pulse-width modulation, the voltage rise rate of the pulses being adapted so that the periods of the pulse-width-modulated signal are always generated independently of the period of the same number of pulses, with one period of the pulse-width modulated signal is preferably inversely proportional to the speed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit durch Regelung des Gate-Stromes der Leistungshalbleiter des Umrichters (3) geregelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the rate of voltage rise is regulated by regulating the gate current of the power semiconductors of the converter (3). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des Gate-Stromes eine variable Gate-Treiberspannung genutzt wird.Procedure according to Claim 4 , characterized in that a variable gate drive voltage is used to adjust the gate current. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass SiC- und/oder GaN-Halbleiter zur Erzeugung der Pulse verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that SiC and / or GaN semiconductors are used to generate the pulses. Antriebsstrang (10), insbesondere Antriebsstrang (10) für ein Kraftfahrzeug (100), wobei der Antriebsstrang (10) eine elektrische Maschine (1) und einen Umrichter (3) zum mittels Pulsweitenmodulation gesteuerten Speisen einer Wicklung (2') der elektrischen Maschine (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (3) dazu konfiguriert ist, Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten der Pulse zur Pulsweitenmodulation an eine Drehzahl und/oder einen lastabhängigen Betriebspunkt der elektrischen Maschine (1) anzupassen.Drive train (10), in particular drive train (10) for a motor vehicle (100), the drive train (10) having an electric machine (1) and a converter (3) for feeding a winding (2 ') of the electric machine ( 1), characterized in that the converter (3) is configured to adapt the voltage rise speeds of the pulses for pulse width modulation to a speed and / or a load-dependent operating point of the electrical machine (1). Antriebsstrang nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (3) variable Gate-Treiberspannungen zur Regelung der Gate-Ströme und damit der Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten aufweist.Powertrain after Claim 7 , characterized in that the converter (3) has variable gate driver voltages for regulating the gate currents and thus the rate of voltage rise. Antriebsstrang (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (10) dazu konfiguriert ist, mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche betrieben zu werden.Drive train (10) according to one of the Claims 7 until 8th , characterized in that the drive train (10) is configured to be operated with a method according to one of the preceding claims. Kraftfahrzeug (100), insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, aufweisend einen Antriebsstrang (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.Motor vehicle (100), in particular an electric vehicle or hybrid vehicle, having a drive train (10) according to one of the Claims 7 until 9 .
DE102020117268.0A 2020-07-01 2020-07-01 Method for operating a drive train with an electrical machine, drive train, motor vehicle Pending DE102020117268A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020117268.0A DE102020117268A1 (en) 2020-07-01 2020-07-01 Method for operating a drive train with an electrical machine, drive train, motor vehicle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020117268.0A DE102020117268A1 (en) 2020-07-01 2020-07-01 Method for operating a drive train with an electrical machine, drive train, motor vehicle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020117268A1 true DE102020117268A1 (en) 2022-01-05

Family

ID=79019694

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020117268.0A Pending DE102020117268A1 (en) 2020-07-01 2020-07-01 Method for operating a drive train with an electrical machine, drive train, motor vehicle

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102020117268A1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2865084B1 (en) Method and device for actuating an inverter
DE102010041059A1 (en) A method for setting a desired output voltage of a power supply branch of a controllable energy storage
EP0178446A1 (en) Semiconductor type chopper device
DE3025827A1 (en) METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING THE OPERATION OF AN ELECTRIC MOTOR
DE102020117268A1 (en) Method for operating a drive train with an electrical machine, drive train, motor vehicle
EP3078113B1 (en) Electric motor comprising a device for generating a sequence of signals
DE102020117821B3 (en) Control unit for generating PWM pulses for an inverter, in particular for an inverter of a drive train, drive train with an electrical machine, method for operating a drive train, motor vehicle
DE3150396A1 (en) Control method for braking three-phase motors which are supplied from converters having a DC intermediate circuit, preferably pulse-controlled AC converters
DE102019127289A1 (en) Method for operating an electrical machine, method for operating a drive train with an electrical machine, drive train, motor vehicle
EP3174204A1 (en) Method and device for controlling an electric or electronic switching element
EP1386789A2 (en) Apparatus and method for controlling a vehicle power supply network
EP2338227B1 (en) Method and device for reducing electromagnetic emissions during the switch-on of a power semiconductor
DE102012210664A1 (en) Method for controlling inverter by space pointer pulse width modulation to control electric machine in motor vehicle drive strand, involves switching inverter by first switching state and by last switching state in voltage states
DE102022201511B4 (en) Method for controlling power semiconductors of an inverter, computer program, device for data processing, inverter, electric drive and vehicle
WO2018095921A1 (en) Driver circuit, in particular for a pockels cell, and a method for driving a driver circuit
EP3718202B1 (en) Method for operating a drive device for a motor vehicle, and corresponding drive device for a motor vehicle
EP2550196B1 (en) Method for operating a ship propulsion motor fed by at least one pulse width modulated inverter and ship propulsion system
DE102021119485A1 (en) Method and device for operating an electrical machine with a clocked control voltage
DE102011006764A1 (en) Piezotransformer, method for producing a piezotransformer and inverter with a piezotransformer
DE2248122C2 (en) Anti-skid device for an electric traction vehicle
DE102009001507A1 (en) Electrical servo-steering system operating method for car, involves recognizing voltage fluctuations produced from control device into electrical system of motor vehicle, and changing control of electric motor during overvoltage
DE102020111168A1 (en) Power consumption reduction of a relay circuit for electric vehicles at high operating voltages
DE102021119238A1 (en) Method for controlling a charging current for an energy store of a motor vehicle with an electric drive with setpoint current adjustment
DE102020111170A1 (en) Power consumption reduction of a relay circuit for electric vehicles at high operating voltages
DE102020111171A1 (en) Power consumption reduction of a relay circuit for electric vehicles at high operating voltages

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings