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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von mindestens zwei in einem Fahrzeug angeordneten, elektrischen Maschinen, bevorzugt Elektromotoren, sowie einem System zum Ausführen eines solchen Verfahrens.
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Aus dem Stand der Technik sind Elektrofahrzeuge bekannt, welche einen einzelnen Elektromotor beliebiger Bauart aufweisen, der als Antriebseinheit für das Fahrzeug dient. Daneben sind ebenfalls Lösungen bekannt, in denen mehrere Elektromotoren gleichzeitig in einem Elektrofahrzeug als Antriebseinheiten angeordnet sind. Hierbei sind insbesondere Anordnungen von separaten Elektromotoren an den Achsen des Elektrofahrzeuges, sogenannter Achsantrieb oder von separaten Elektromotoren eingebaut in die Räder des Elektrofahrzeuges, sogenannte Radnabenmotoren, zu nennen.
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Üblicherweise weisen einzelne Elektromotoren jeweils einen eigenen Wechselrichter auf, welcher eine Gleichspannung von einer Gleichspannungsquelle, wie einer Batterie oder einer Brennstoffzelle, in eine Wechselspannung zum Betreiben des Elektromotors wandelt. So werden beispielsweise entsprechende Eingaben eines Fahrers von einer übergeordneten Motorsteuerung als Leistungssignale, welche Daten bezüglich der bereitzustellenden Leistung durch den Elektromotor umfassen, an die einzelnen Wechselrichter ausgegeben, welche in Antwort darauf ein Steuersignal an die zu steuernden Elektromotoren ausgeben. Dabei ist bekannt, dass diese Steuersignale in Form von pulsweitenmodulierten Signalen (PWM-Signalen) ausgegeben werden.
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Die genannten pulsweitenmodulierten Steuersignale, die durch die Wechselrichter an die Elektromotoren ausgegeben werden, laufen, die Zeitskala betreffend, frei gegeneinander bzw. zueinander, wobei ein (zeitlicher) Versatz (auch Phasenverschiebung genannt) variiert und nicht gesteuert wird. Dadurch kommt es zu zufälligen Deckungsgleichheiten oder Phasenverschiebungen der einzelnen Steuersignale zueinander. In diesem Zusammenhang können, insbesondere bei hoher Deckungsgleichheit bzw. geringer Phasenverschiebung der PWM-Signale, hohe Rippelströme (Stromwelligkeit) auftreten. Hohe Rippelströme sind insbesondere für die Batterie/Brennstoffzelle und das restliche Bordnetz problematisch, da über den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) eine Verlustleistung erzeugt wird, die in Wärme umgesetzt wird. Daher müssen die Gesamtsysteme bzw. die einzelnen Komponenten so ausgelegt werden, dass sie bei den auftretenden Ripple-Spannungen funktionsfähig sind und dies auch über einen längeren Zeitraum bleiben.
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Es ist demnach die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein entsprechendes System bereitzustellen, mittels welchen die genannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einem System gemäß Patentanspruch 10.
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Kerngedanke der Erfindung ist ein Verfahren zur Ansteuerung von mindestens zwei in einem Fahrzeug angeordneten, elektrischen Maschinen, bevorzugt Elektromotoren, umfassend die Schritte:
- a) Empfangen eines von einer übergeordneten Steuereinrichtung ausgegebenen Leistungssignals durch einen ersten Wechselrichter und mindestens einen zweiten Wechselrichter;
- b) Ausgeben eines einen ersten Signalparameter aufweisenden ersten pulsweitenmodulierten Steuersignals durch den ersten Wechselrichter an eine erste elektrische Maschine und mindestens eines einen zweiten Signalparameter aufweisenden zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignals durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter an mindestens eine zweite elektrische Maschine, wobei die Steuersignale basierend auf dem Leistungssignal moduliert werden;
- c) Ausgeben mindestens eines den ersten Signalparameter umfassenden Synchronisationssignals durch den ersten Wechselrichter an den mindestens einen zweiten Wechselrichter;
- d) Modulieren mindestens eines einen dritten Signalparameter aufweisenden dritten pulsweitenmodulierten Steuersignals durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter, wobei der dritte Signalparameter basierend auf dem ersten Signalparameter und einem vorgebbaren Synchronisationsparameter bestimmt wird;
- e) Ausgeben des mindestens einen den dritten Signalparameter aufweisenden dritten pulsweitenmodulierten Steuersignals durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter an die mindestens eine zweite elektrische Maschine, wobei das erste pulsweitenmodulierte Steuersignal und das mindestens eine dritte pulsweitenmodulierte Steuersignal eine durch den vorgebbaren Synchronisationsparameter vorgebbare Phasenbeziehung aufweisen.
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Das Verfahren dient zur Ansteuerung von mindestens zwei in einem Fahrzeug angeordneten elektrischen Maschinen, wobei die genaue Anzahl variabel ist. Bevorzugt dient das Verfahren zur Ansteuerung von mindestens drei elektrischen Maschinen, weiter bevorzugt von mindestens vier elektrischen Maschinen und besonders bevorzugt von mindestens sechs elektrischen Maschinen. Bei den elektrischen Maschinen handelt es sich bevorzugt um Elektromotoren. Dies gilt analog für die Wechselrichter, wobei bevorzugt mindestens drei Wechselrichter, weiter bevorzugt mindestens vier Wechselrichter und besonders bevorzugt mindestens sechs Wechselrichter vorgesehen sind. Bevorzugt sind die Elektromotoren als Wechsel- oder Drehstrommotoren ausgebildet, wobei es sich besonders bevorzugt um einen Synchronmotor oder einen Asynchronmotor handelt. Weiter bevorzugt sind die durch das Verfahren gesteuerten elektrischen Maschinen, in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug mit Verbrennungs- und Elektromotor angeordnet, wobei es sich bei dem Fahrzeug beispielsweise um einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen handeln kann. Bevorzugt stellen die elektrischen Maschinen die Antriebseinheit des Fahrzeuges dar und sind bevorzugt jeweils mechanisch mit einer Achse des Fahrzeuges verbunden (Achsantrieb) oder jeweils in einem Rad des Fahrzeuges eingebaut (Radnabenmotor). Bevorzugt wird jede elektrische Maschine mittels eines separaten Wechselrichters angesteuert, bzw. ist mit einem eigenen Wechselrichter zumindest signaltechnisch, bevorzugt leistungselektronisch, verbunden.
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Bei einer übergeordneten Steuereinrichtung gemäß der Erfindung kann es sich beispielsweise um eine Motorsteuerung handeln, welche unter anderem die Steuerung, Regelung und Überwachung von Motorfunktionen übernimmt, oder um eine Wechselrichtersteuerung, welche speziell die Wechselrichter (an)steuert. Dabei kann es sich bevorzugt um Mikroprozessoren oder Mikrocontroller handeln. Bevorzugt erhält die übergeordnete Steuereinrichtung unter anderem die Eingaben eines Fahrers, wie ein Einschalten oder eine benötigte Leistung und gibt diese Eingaben mittels eines Leistungssignals an die elektrische Maschine bzw. an den Wechselrichter, der die Wechselspannung zum Betrieb der elektrischen Maschine ausgehend von der Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle, wie einer Batterie oder einer Brennstoffzelle, zur Verfügung stellt, weiter. Ein solches Leistungssignal, welches von der übergeordneten Steuereinrichtung an einen Wechselrichter, der die elektrische Maschine steuert/betreibt, umfasst generell die Daten bzw. Parameter, die der Wechselrichter benötigt um ein entsprechendes Steuersignal an die elektrische Maschine auszugeben und umfasst beispielsweise eine Angabe über die benötigte Leistung/Last, die die elektrische Maschine zur Verfügung stellen soll und die der Wechselrichter auf das Steuersignal umrechnet, oder bereits Parameter für das Steuersignal, wie eine Frequenz, einen Tastgrad/ein Tastverhältnis (engl. „Duty Cycle“), eine Periodendauer oder dergleichen. Folglich werden das erste Steuersignal und das mindestens eine zweite Steuersignal basierend auf dem Leistungssignal bzw. den Daten, die das Leistungssignal umfasst, moduliert, wobei es sich um eine bekannte Pulsweitenmodulation handelt (siehe hierzu im Folgenden).
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Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter ist bevorzugt zumindest signaltechnisch, bevorzugt leistungselektronisch, mit einer elektrischen Maschine, einer Spannungsquelle, bevorzugt einer Gleichspannungsquelle, wie einer Batterie oder einer Brennstoffzelle, sowie zumindest signaltechnisch mit der übergeordneten Steuereinrichtung verbunden. Unter einer leistungselektronischen Verbindung wird eine Verbindung verstanden mittels welcher zu dem Signal bzw. mit dem Signal auch eine Leistung übertragen wird. Bevorzugt handelt sich bei dem Wechselrichter, auch Inverter genannt, um einen aus dem Stand der Technik bekannten Wechselrichter, der geeignet ist, die Gleichspannung der Spannungsquelle in eine Wechselspannung zum Betrieb der elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen.
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Unter einem erfindungsgemäßen pulsweitenmodulierten Steuersignal wird ein Signal verstanden, welches von dem Wechselrichter an die damit zumindest signaltechnisch, bevorzugt leistungselektronisch, verbundene elektrische Maschine übermittelt wird und dazu ausgebildet ist, die elektrische Maschine anzusteuern, wobei über das pulsweitenmodulierten Steuersignal eine durch die elektrische Maschine erzeugte Leistung einstellen bzw. steuern . Die Pulsbreitenmodulation (Pulse-width Modulation = PWM) ist eine Modulationsart bei der eine Spannung, ein Strom oder dergleichen bei einer festen Frequenz zwischen zwei festen Werten wechselt. Die zu übertragene Information ist im Tastverhältnis/Tastgrad (engl. „Duty Cycle“) untergebracht. Eine Periode der Pulsweitenmodulation besteht aus dem Puls und der Pause. Der Modulationsgrad wird im Tastverhältnis der Pulslänge zur Periodendauer (Puls + Pause) in Prozent ausgedrückt. Üblicherweise steht eine der beiden Flanken des PWM-Signals fest, während die Position der anderen Flanke durch die Modulation variabel ist. So kann man ein PWM-Signal mit einer Modulation ausgehend von einer feststehenden Flanke (engl. „edge aligned“), z.B. der linken Flanke/steigende Flanke (engl. „left aligned“) oder der rechten Flanke/fallenden Flanke (engl. „right aligned“) erzeugen oder aber ausgehend von einem Mittelpunkt des Signals, wobei beide Flanken moduliert werden (engl. „center aligned“). Für die Pulsweitenmodulation muss also zumindest ein Referenzpunkt bekannt sein, wobei es sich bei den Referenzpunkten bevorzugt um einen Zeitpunkt handelt, zu dem die entsprechende Flanke oder Mittelpunkt des Signals auftritt. Die Erzeugung sowie Anwendung von pulsweitenmodulierten Signalen ist für einen Fachmann aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen werden soll.
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Hierbei wird unter einem Signalparameter ein charakteristischer Parameter des zugehörigen pulsweitenmodulierten Steuersignals verstanden. Bevorzugt handelt es sich bei dem PWM-Signal um eine Spannung die zeitlich zwischen zwei Werten wechselt. Weiter bevorzugt kann es sich demnach bei dem Signalparameter um einen Zeitpunkt handeln, bei dem eine Flanke oder ein Mittelpunkt des PWM-Signals auftritt (sozusagen eine Position einer Flanke oder des Mittelpunkts), einem Tastgrad/Tastverhältnis, eine Periodendauer, eine Pulsdauer, eine Pausendauer, eine Spannung, ein Strom und/oder eine Frequenz.
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Der erfindungsgemäße vorgebbare Synchronisationsparameter gibt eine Phasenverschiebung, auch Phasendifferenz oder Phasenlage genannt, wieder, die zwischen dem ersten pulsweitenmodulierten Steuersignal und dem mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignal vorliegen soll. Dabei handelt es sich bevorzugt um einen Phasenverschiebungswinkel, eine Phasenverschiebungszeit, eine Phasenverschiebungslänge oder dergleichen. Somit kann bevorzugt basierend auf dem ersten Signalparameter des ersten pulsweitenmodulierten Steuersignals und dem vorgebbaren Synchronisationsparameter der dritte Signalparameter des dritten pulsweitenmodulierten Steuersignals bestimmt bzw. berechnet werden und das mindestens eine dritte pulsweitenmodulierte Steuersignal anstelle des mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignals durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter ausgegeben werden, während der erste Wechselrichter weiterhin das erste den ersten Signalparameter aufweisende pulsweitenmodulierte Steuersignal ausgibt und somit das erste pulsweitenmodulierte Steuersignal und das mindestens eine dritte pulsweitenmodulierte Steuersignal eine vorgebbare Phasenbeziehung aufweisen. Der Synchronisationsparameter ist dabei vorgebbar bzw. einstellbar und kann bevorzugt beliebig, auch während dem Betrieb des Fahrzeuges bzw. der elektrischen Maschinen geändert werden, wodurch die gewünschte Phasenverschiebung zwischen dem ersten pulsweitenmodulierten Steuersignal und dem mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignal durch die Ausgabe des mindestens einen dritten Steuersignals mit dem dritten Signalparameter anstatt der Ausgabe des mindestens einen zweiten Steuersignals mit dem zweiten Signalparameter variabel einstellbar ist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich also die Phasenverschiebung bzw. die Phasenbeziehung zwischen einem durch einen ersten Wechselrichter ausgegebenen pulsweitenmodulierten Steuersignals und mindestens einem durch mindestens einen zweiten Wechselrichter ausgegebenen pulsweitenmodulierten Steuersignal einstellen, was erfindungsgemäß als Synchronisation bezeichnet wird. Dies hat den Vorteil, dass dadurch Zwischenkreisströme über die Periodendauer der PWM-Signale verteilt werden, woraus eine höhere effektive Frequenz resultiert, die ein Zwischenkreiskondensator aufnimmt. Dies führt wiederrum dazu, dass eine geringere Zwischenkreiskapazität nötig ist, bevorzugt nur die halbe Zwischenkreiskapazität, und die auftretenden Rippelströme im Vergleich zu frei gegeneinander laufenden pulsweitenmodulierten Steuersignalen, deutlich reduziert sind. So werden die Ripple-Last im Bordnetz und die Anforderungen an den Kondensator reduziert, wodurch Bauteilkosten eingespart werden können.
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Folglich kann der erste Wechselrichter als „Master“ bezeichnet werden, der seinen ersten Signalparameter an den mindestens einen zweiten Wechselrichter, den sogenannten „Slave“ ausgibt. Dabei kann der Master-Wechselrichter einmal, beispielsweise während der Produktion des Fahrzeugs festgelegt werden oder die Master- bzw. Slave-Position wird bei jedem Einschalten des Fahrzeugs neu vergeben. Dies kann beispielsweise durch Übermitteln eines entsprechenden Master-Signals von einem Wechselrichter an die übrigen Wechselrichter erfolgen, dass dieser momentane Master-Wechselrichter ist. Die Slave-Wechselrichter bzw. der mindestens eine zweite Wechselrichter hält sich bevorzugt an die Vorgaben des Master-Wechselrichters bzw. des ersten Wechselrichters.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der vorgebbare Synchronisationsparameter als für den mindestens einen zweiten Wechselrichter abrufbare gespeicherte Information vor. Bevorzugt wird der vorgebbare Synchronisationsparameter durch die übergeordnete Steuereinrichtung an den mindestens einen zweiten Wechselrichter ausgegeben. Bevorzugt umfasst der Wechselrichter eine Speichereinheit oder kann auf eine Speichereinheit zugreifen, auf der der Synchronisationsparameter abgelegt ist. Dieser Synchronisationsparameter lässt sich bevorzugt variabel einstellen und ist änderbar. Weiter bevorzugt umfasst die übergeordnete Steuereinrichtung eine Speichereinheit oder kann auf eine Speichereinheit zugreifen, auf der der Synchronisationsparameter abgelegt ist und kann diesen an den mindestens einen zweiten Wechselrichter übermitteln. Dieser Synchronisationsparameter lässt sich bevorzugt variabel einstellen. Der Synchronisationsparameter kann bevorzugt als gespeicherte Information für den mindestens einen zweiten Wechselrichter abrufbar vorliegen oder von der übergeordneten Steuereinrichtung an den mindestens einen zweiten Wechselrichter direkt ausgegeben werden (z.B. über das Leistungssignal, welches den Synchronisationsparameter umfassen kann), oder möglicherweise auch indirekt über den ersten Wechselrichter, der den Synchronisationsparameter mittels des Synchronisationssignals über die Synchronisationsleitung an den mindestens einen zweiten Wechselrichter überträgt. Auf diese Weise kann je nach Situation durch die Einstellung des Synchronisationsparameters die Phasenbeziehung bzw. -verschiebung eingestellt werden und so der Rippelstrom entsprechend reduziert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegen mehrere Synchronisationsparameter als abrufbare gespeicherte Information vor, wobei der zur Bestimmung des dritten Signalparameters verwendete Synchronisationsparameter aus den mehreren Synchronisationsparametern in Abhängigkeit von dem Leistungssignal und/oder dem ersten pulsweitenmodulierten Steuersignal und/oder dem zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignal ausgewählt wird. Bevorzugt können der zweite Wechselrichter, der erste Wechselrichter und/oder die übergeordnete Steuereinrichtung zur Bestimmung des dritten Signalparameters aus den mehreren gespeicherten Synchronisationsparametern auswählen. Bevorzugt erfolgt die Auswahl des zur Bestimmung des dritten Signalparameters verwendeten Synchronisationsparameters aus den mehreren Synchronisationsparametern in Abhängigkeit von dem Leistungssignal und/oder dem ersten und/oder dem zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignal. Weiter bevorzugt wird der Synchronisationsparameter zur Bestimmung des dritten Signalparameters aus den mehreren Synchronisationsparametern abhängig von der Leistung bzw. der Last der elektrischen Maschine ausgewählt, wobei die Leistung bzw. Last der elektrischen Maschine über das Leistungssignal und/oder das pulsweitenmodulierte Steuersignal bestimmt wird. Weiter bevorzugt wird der Synchronisationsparameter zur Bestimmung des dritten Signalparameters aus den mehreren Synchronisationsparametern abhängig von der Frequenz, dem Tastverhältnis bzw. dem Tastgrad und/oder der Spannung die dem Wechselrichter durch das Leistungssignal vorgegeben wird und/oder von dem Wechselrichter durch das pulsweitenmodulierten Steuersignal an die elektrische Maschine ausgegeben wird, welche bevorzugt die Leistung der elektrischen Maschine bestimmen. Es hat sich herausgestellt, dass für jede Leistung bzw. Last und dementsprechend dem Tastgrad/Tastverhältnis, Frequenz und/oder Spannung ein Synchronisationsparameter bzw. ein Wert für den Synchronisationsparameter vorliegt, der einen minimalen Rippelstrom zur Folge hat. Daher ist es denkbar, dass für jede Leistung/Last bzw. jeden Tastgrad/jedes Tastverhältnis, jede Frequenz, jede Spannung und/oder entsprechende Bereiche im Vorfeld, bevorzugt durch Experimente (z.B. auf einem Prüfstand) und/oder durch Simulation, ein Synchronisationsparameter bestimmt wird, welcher bei der Leistung/Last bzw. dem Tastgrad/Tastverhältnis, der Frequenz und/oder der Spannung einen minimalen Rippelstrom verursacht, wobei diese Synchronisationsparameter für den zweiten Wechselrichter, den ersten Wechselrichter und/oder die übergeordnete Steuereinrichtung abrufbar gespeichert werden. Auf diese Weise ergeben sich bevorzugt mehrere gespeicherte Synchronisationsparameter, die auch als Referenzwerte bezeichnet werden können, aus denen in Abhängigkeit von dem Leistungssignal und/oder dem ersten und/oder dem zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignal, ausgewählt werden kann, wobei die Auswahl des Synchronisationsparameters bevorzugt in Abhängigkeit des Tastverhältnisses bzw. des Tastgrades, der Frequenz und/oder der Spannung des pulsweitenmodulierten Steuersignals oder des für das pulsweitenmodulierte Steuersignal vorgesehenen Tastverhältnisses bzw. des Tastgrades, der Frequenz und/oder der Spannung erfolgt. So kann vorteilhaft davon ausgegangen werden, dass jedem Tastverhältnis bzw. Tastgrad, jeder Frequenz und/oder jeder Spannung oder jeden vorbestimmten Bereichen des Tastverhältnisses bzw. Tastgrades, der Frequenz und/oder der Spannung ein vorbestimmter Synchronisationsparameter zugeordnet ist und/oder wird. Bevorzugt kann in diesem Zusammenhang das Auswählen eines Synchronisationsparameters aus den mehreren Synchronisationsparametern zur Bestimmung des dritten Signalparameters als vorgeben des Synchronisationsparameters verstanden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellen die Signalparameter und der Synchronisationsparameter einen Zeitwert dar, wobei die Signalparameter jeweils einen Zeitpunkt einer Flanke oder eines Mittelpunkts des entsprechenden pulsweitenmodulierten Steuersignals angeben und wobei der Synchronisationsparameter eine Phasenverschiebungszeit oder einen Phasenverschiebungswinkel angibt. Bevorzugt können die Phasenverschiebungszeit und der Phasenverschiebungswinkel in bekannter Weise ineinander umgerechnet werden (Phasenverschiebungswinkel / 360° = Phasenverschiebungszeit / Periodendauer). Somit kann anhand des ersten Signalparameters und des Synchronisationsparameters auf einfache Weise der dritte Signalparameter bestimmt werden.
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Bevorzugt erfolgt die Bestimmung des dritten Signalparameters, basierend auf dem ersten Signalparameter und dem vorgebbaren Synchronisationsparameter, mittels einer Addition des durch den ersten Signalparameter angegebenen Zeitpunkts und der durch den Synchronisationsparameter angegebenen Phasenverschiebungszeit. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Phasenverschiebungswinkel, den der Synchronisationsparameter wiedergeben kann, zunächst in die Phasenverschiebungszeit umgerechnet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Phasenverschiebungswinkel einen Wert im Bereich von ± 180°oder einen Wert im Bereich von ± (90° bis 120°) auf. Weiterhin wäre es denkbar, dass der Phasenverschiebungswinkel einen Wert im Bereich von ± π (Kreiszahl) aufweist. Innerhalb der genannten Winkelbereiche des Phasenverschiebungswinkels des Synchronisationsparameters lassen sich die auftretenden Rippelströme am wirkungsvollsten reduzieren. Es hat sich gezeigt, dass sich in diesen Winkelbereichen ein Minimum für die auftretenden Rippelströme erreichen lässt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die durch den Synchronisationsparameter angegebene Phasenverschiebungszeit in mindestens zwei Phasenverschiebungszeitabschnitte unterteilt, wobei die Schritte d) und e) für jeden der mindestens zwei Phasenverschiebungszeitabschnitte einzeln nacheinander durchgeführt wird, um einen stufenweisen Übergang von dem mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignal zu dem mindestens einen dritten pulsweitenmodulierten Steuersignal zu gewährleisten. Je größer die Phasenverschiebungszeit bzw. der Phasenverschiebungswinkel ist in desto mehr Phasenverschiebungszeitabschnitte wird diese/dieser unterteilt, um einen möglichst sanften Übergang von dem mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignal zu dem mindestens einen dritten pulsweitenmodulierten Steuersignal zu gewährleisten und eine abrupte Signaländerung und entsprechende Leistungsänderung der mindestens einen zweiten Maschine zu verhindern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen der erste Wechselrichter und der mindestens eine zweite Wechselrichter jeweils einen Taktgenerator auf, wobei der Taktgenerator des mindestens einen zweiten Wechselrichters basierend auf dem ersten Signalparameter und dem Synchronisationsparameter vor, während oder nach dem Schritt d) gestimmt wird, um einen synchronen Takt des ersten Wechselrichters und des mindestens einen zweiten Wechselrichters für die Ausgabe der pulsweitenmodulierten Steuersignale zu gewährleisten. Ein Taktgenerator gibt die Arbeitsfrequenz von Prozessoren und taktabhängiger Peripherie vor und ist aus dem Stand der Technik bekannt. Durch das Stimmen des Taktgenerators des mindestens einen zweiten Wechselrichters basierend auf dem ersten Signalparameter und dem Synchronisationsparameter kann dessen Arbeitsfrequenz auf die Arbeitsfrequenz des ersten Wechselrichters bzw. dem Taktgenerator des ersten Wechselrichters abgestimmt bzw. synchronisiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Synchronisationssignal von dem ersten Wechselrichter an den mindestens einen zweiten Wechselrichter über eine separate Synchronisationsleitung ausgegeben, welche den ersten Wechselrichter und den mindestens einen zweiten Wechselrichter signaltechnisch verbindet. Bevorzugt ist die separate Synchronisationsleitung eine Gegentaktleitung, eine Eintaktleitung oder eine Funkverbindung. Insbesondere bevorzugt handelt es sich bei der Synchronisationsleitung um eine Verbindung, welche eine Kommunikation zwischen dem ersten Wechselrichter und dem mindestens einen zweiten Wechselrichter im Nanosekunden-Bereich ermöglicht. Weiter bevorzugt wird über die separate Synchronisationsleitung eine bidirektionale Verbindung zwischen dem ersten Wechselrichter und dem mindestens einen zweiten Wechselrichter hergestellt. Auf diese Weise können Signale von dem ersten Wechselrichter an den mindestens einen zweiten Wechselrichter und umgekehrt übermittelt werden, wodurch beispielsweise ein sog. Handshake durchgeführt werden kann und die vorhandenen Wechselrichter sich gegenseitig erkennen und mögliche Defekte an der Synchronisationsleitung erkennbar wären, Fehlermeldungen übertragen werden können. Es wäre ebenfalls denkbar, dass die separate Synchronisationsleitung ausschließlich zur Übertragung des Synchronisationssignals verwendet wird.
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Bevorzugt ist der erste Wechselrichter (Master) mit dem mindestens einen zweiten Wechselrichter (Slave) bzw. jedem vorhandenen zweiten Wechselrichter (Slaves) über eine separate Synchronisationsleitung zumindest signaltechnisch verbunden, wodurch der erste Wechselrichter das Synchronisationssignal jeweils an jeden vorgesehenen zweiten Wechselrichter über die jeweilige Synchronisationsleitung einzeln ausgeben kann (direkte Synchronisationssignal-Übertragung). Folglich wäre also der erste Wechselrichter mit jedem zweiten über eine eigene Synchronisationsleitung zumindest signaltechnisch verbunden, wobei die vorhandenen zweiten Wechselrichter untereinander nicht über eine Synchronisationsleitung signaltechnisch verbunden wären. Auf diese Weise kann eine schnelle und einfache Signalübertragung ermöglicht werden. Es wäre jedoch auch denkbar, dass der erste Wechselrichter nur mit einem zweiten Wechselrichter oder mit zwei zweiten Wechselrichtern mittels einer Synchronisationsleitung signaltechnisch verbunden wäre und die zweiten Wechselrichter untereinander mit mindestens einem, bevorzugt mindestens zwei, weiter bevorzugt genau zwei weiteren zweiten Wechselrichtern jeweils über eine separate Synchronisationsleitung signaltechnisch verbunden wären. So könnte das Synchronisationssignal von dem ersten Wechselrichter an den damit signaltechnisch durch die Synchronisationsleitung verbundenen zweiten Wechselrichter ausgegeben werden und über den zweiten Wechselrichter weiter an den mindestens einen damit signaltechnisch über die Synchronisationsleitung verbundenen weiteren zweiten Wechselrichter (indirekte Synchronisationssignal-Übertragung), wobei das Synchronisationssignal jeweils den ersten Signalparameter des ersten pulsweitenmodulierten Steuersignals umfasst. Auf diese Weise könnten Material und Kosten gespart werden. Weiter wäre es auch denkbar, dass die Synchronisationsleitung als Funkverbindung ausgebildet ist, wobei jeder vorhandene Wechselrichter über eine entsprechende Sende-/Empfangseinheit verfügt mittels welcher das Synchronisationssignal ausgegeben und/oder empfangen werden kann.
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Bevorzugt könnte bei jedem Einschalten des Fahrzeuges ein Handshake, bevorzugt mittels einer Ausgabe eines Initialisierungssignals, zwischen den vorhandenen (ersten und zweiten) Wechselrichtern über die jeweils vorgesehenen Synchronisationsleitungen stattfinden, wobei bei einem Feststellen eines nicht möglichen Handshakes durch einen Wechselrichter mit einem verbundenen Wechselrichter eine Fehlermeldung an die übergeordnete Steuereinrichtung ausgegeben wird, dass kein Handshake über die entsprechende Synchronisationsleitung und damit keine Synchronisation möglich ist. Folglich könnte bei einer Fehlermeldung von zwei über eine Synchronisationsleitung verbundenen Wechselrichtern, dass kein Handshake bzw. keine Übertragung eines Initialisierungssignals möglich ist, darauf geschlossen werden, dass die entsprechende Synchronisationsleitung defekt ist. Bevorzugt könnte bei Vorliegen einer defekten Synchronisationsleitung versucht werden, das Synchronisationssignal über eine indirekte Synchronisationssignal-Übertragung an den/die jeweiligen Wechselrichter zu übertragen. Weiter bevorzugt findet ein Handshake bzw. eine Initialisierungssignal-Übertragung zwischen den vorgesehenen Wechselrichtern vor oder während dem Schritt a) statt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform finden die Schritte b) und c) gleichzeitig oder unmittelbar nacheinander statt. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass der erste Wechselrichter und der mindestens eine zweite Wechselrichter so schnell wie möglich in einen synchronen Zustand überführt werden bzw. die Phasenbeziehung zwischen dem ersten PWM-Steuersignal und dem mindestens einen dritten PWM-Steuersignal eingestellt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der erste Wechselrichter mit einer einstellbaren Schaltfrequenz betrieben, welche durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter erkannt wird und von diesem übernommen wird. Auf diese Weise kann zum einen die Schaltfrequenz des ersten Wechselrichters bzw. der Leistungsschalter des ersten Wechselrichters variabel eingestellt werden, wobei der mindestens eine zweite Wechselrichter die Schaltfrequenz des ersten Wechselrichters erkennt, bevorzugt mittels eines geeigneten Sensors erfasst, und die erkannte bzw. erfasst Schaltfrequenz des ersten Wechselrichters selbst übernimmt bzw. mit der Schaltfrequenz des ersten Wechselrichters schaltet. Bevorzugt kann die variable Einstellung der Schaltfrequenz des ersten Wechselrichters mit einer Schaltsteuerstrategie erfolgen, wobei entsprechende Schaltsteuerstrategien mit variablen Frequenzen aus dem Stand der Technik bekannt sind. Somit kann auch eine Synchronisation hinsichtlich der Frequenz der Steuersignale der Wechselrichter gewährleistet werden.
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Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein System zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend eine erste und mindestens eine zweite elektrische Maschine, eine übergeordnete Steuereinrichtung, einen ersten Wechselrichter und mindestens einen zweiten Wechselrichter, wobei der erste Wechselrichter und der mindestens eine zweite Wechselrichter über eine separate Synchronisationsleitung signaltechnisch verbunden sind.
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Die obigen Ausführungen und Merkmale bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen mutatis mutandis auch für das erfindungsgemäße System und umgekehrt gelten.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Weitere Ziele, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der vorliegenden Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen zu entnehmen. Hierbei zeigen:
- 1 ein System gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
- 2a-d verschiedene System-Ausschnitte gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung;
- 3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 ist ein System 1000 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das System 1000 ist bevorzugt vollständig in einem Fahrzeug angeordnet, wobei das Fahrzeug und weitere Komponenten aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind.
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Das System 1000 umfasst eine übergeordnete Steuereinrichtung 1, welche zumindest signaltechnisch mit einem ersten Wechselrichter 2 und einem zweiten Wechselrichter 3 verbunden ist. Der erste Wechselrichter 2 ist weiterhin zumindest leistungselektronisch mit einer ersten elektrischen Maschine 4 und der zweite Wechselrichter 3 ist zumindest leistungselektronisch mit einer zweiten elektrischen Maschine 5 verbunden. Gemäß der gezeigten Ausführungsform sind jeweils zwei Wechselrichter 2, 3 und zwei damit signaltechnisch verbundene elektrische Maschinen 4, 5 vorgesehen, wobei die Anzahl an Wechselrichtern und damit zumindest signaltechnisch verbundenen Wechselrichtern variabel ist.
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Die übergeordnete Steuereinrichtung 1 ist dazu ausgebildet, ein Leistungssignal an den ersten Wechselrichter 2 und den zweiten Wechselrichter 3 auszugeben, auf dessen Basis durch den ersten Wechselrichter 2 ein einen ersten Signalparameter aufweisendes erstes pulsweitenmoduliertes Steuersignal moduliert und an die erste elektrische Maschine 4 ausgegeben und durch den zweiten Wechselrichter 3 ein einen zweiten Signalparameter aufweisendes zweites pulsweitenmoduliertes Steuersignal moduliert und an die zweite elektrische Maschine 5 ausgegeben wird.
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Weiter sind der erste Wechselrichter 2 und der zweite Wechselrichter 3 durch eine bevorzugt bidirektionale Synchronisationsleitung 6 zumindest signaltechnisch verbunden. Dabei ist der erste Wechselrichter ausgebildet über die Synchronisationsleitung 6 ein Synchronisationssignal, welches den ersten Signalparameter des ersten pulsweitenmodulierten Steuersignals umfasst, an den zweiten Wechselrichter zu übermitteln. Bevorzugt ist die Synchronisationsleitung so ausgebildet, dass eine Übermittlung des Synchronisationssignals im Nanosekunden(ns)-Bereich gewährleistet ist. Beispielsweise ist die Synchronisationsleitung als Gegentaktleitung, Eintaktleitung oder als Funkverbindung ausgebildet. Gemäß dieser Ausführungsform ist der erste Wechselrichter 2 als Master und der zweite Wechselrichter 3 als Slave vorgesehen, wobei das pulsweitenmodulierte Steuersignal, welches durch den zweiten Wechselrichter 3 ausgegeben wird, mittels des Synchronisationssignals mit dem ersten pulsweitenmodulierten Steuersignal ausgegeben, durch den ersten Wechselrichter 2 synchronisiert wird bzw. die Phasenbeziehung bzw. die Phasenverschiebung eingestellt wird.
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Ferner ist der zweite Wechselrichter 3 dazu ausgebildet, basierend auf dem empfangenen ersten Signalparameter und einem Synchronisationsparameter ein einen dritten Signalparameter aufweisendes drittes pulsweitenmoduliertes Steuersignals zu modulieren und anstelle des zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignals auszugeben, während das erste pulsweitenmodulierte Steuersignal weiterhin durch den ersten Wechselrichter ausgegeben wird. Der Synchronisationsparameter gibt dabei bevorzugt einen Phasenverschiebungswinkel oder eine Phasenverschiebungszeit an, welche vorgebbar bzw. einstellbar ist, wodurch eine gewünschte Phasenbeziehung bzw. Phasenverschiebung zwischen dem ersten pulsweitenmodulierten Steuersignal und dem dritten pulsweitenmodulierten Steuersignal einstellbar ist.
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In den 2a-d sind unterschiedliche bevorzugte Ausführungsformen für Anordnungen von Wechselrichtern und elektrischen Maschinen dargestellt, welche für das erfindungsgemäße System verwendet werden können und die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind. Die Bezugszeichen aus 1 sind analog in den 2a-d verwendet worden, wobei die Ausführungen zum System gemäß 1 mutatis mutandis für die Systeme gemäß der 2a-d gelten sollen.
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Die 2a-d zeigen jeweils nur Ausschnitte der Systeme, umfassend die elektrischen Maschinen 4, 5, die Wechselrichter 2, 3 und die Synchronisationsleitungen 6.
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Hierbei zeigt 2a ein System mit einem ersten Wechselrichter 2 und einem zweiten Wechselrichter 3, wobei der erste Wechselrichter 2 leistungselektronisch mit einer ersten elektrischen Maschine 4 und der zweite Wechselrichter 3 leistungselektronisch mit einer zweiten elektrischen Maschine 5 verbunden ist. Der erste 2 und der zweite Wechselrichter 3 sind mittels einer Synchronisationsleitung 6 zumindest signaltechnisch verbunden. Der erste 2 und der zweite Wechselrichter 3 sind in separaten Gehäusen angeordnet und arbeiten in separaten Zwischenkreisen. Es kann demnach von zwei Einzelantrieben gesprochen werden. Diese Anordnung entspricht der Anordnung in 1
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Die 2b zeigt einen ersten Wechselrichter 2 und einen zweiten Wechselrichter 3, wobei der erste Wechselrichter 2 leistungselektronisch mit einer ersten elektrischen Maschine 4 und der zweite Wechselrichter 3 leistungselektronisch mit einer zweiten elektrischen Maschine 5 verbunden ist. Der erste 2 und der zweite Wechselrichter 3 sind mittels einer Synchronisationsleitung 6 zumindest signaltechnisch verbunden. Der erste 2 und der zweite Wechselrichter 3 sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und arbeiten in einem gemeinsamen Zwischenkreis. Hierbei kann es sich um eine E-Achse mit zwei Einzelantrieben handeln.
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Die 2c zeigt einen ersten Wechselrichter 2 und einem zweiten Wechselrichter 3, wobei der erste Wechselrichter 2 leistungselektronisch mit einer ersten elektrischen Maschine 4 und der zweite Wechselrichter 3 leistungselektronisch mit einer zweiten elektrischen Maschine 5 verbunden ist. Der erste 2 und der zweite Wechselrichter 3 sind mittels einer Synchronisationsleitung 6 zumindest signaltechnisch verbunden. Der erste 2 und der zweite Wechselrichter 3 sind jeweils in einem separaten Gehäuse angeordnet und arbeiten in getrennten Zwischenkreisen. Hierbei kann es sich um zwei E-Achsen mit je einem Einzelantrieb an der Vorder- und an der Hinterachse handeln.
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Die 2d zeigt einen ersten Wechselrichter 2 und drei zweite Wechselrichter 3, wobei der erste Wechselrichter 2 leistungselektronisch mit einer ersten elektrischen Maschine 4 und die drei zweiten Wechselrichter 3 jeweils leistungselektronisch mit einer zweiten elektrischen Maschine 5 verbunden sind. Der erste Wechselrichter 2 ist jeweils mittels einer Synchronisationsleitung 6 mit den drei zweiten Wechselrichtern 3 zumindest signaltechnisch verbunden. Der erste Wechselrichter 2 gibt das Synchronisationssignal an jeden der drei zweiten Wechselrichter 3 aus. Es wäre auch denkbar, dass die zweiten Wechselrichter 3 ebenfalls mittels Synchronisationsleitungen miteinander verbunden sind. Hierbei kann es sich um zwei E-Achsen mit je zwei Einzelantrieben an der Vorder- und an der Hinterachse handeln
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In 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zur Ansteuerung von mindestens zwei in einem Fahrzeug angeordneten elektrischen Maschinen 4, 5, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
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In einem Schritt S1, welcher dem Schritt a) entspricht, gibt eine übergeordnete Steuereinrichtung 1, bevorzugt eine Motorsteuerung, ein Leistungssignal aus, welches durch einen ersten Wechselrichter 2 und mindestens einen zweiten Wechselrichter 3 empfangen wird.
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In einem darauffolgenden Schritt S2, entspricht Schritt b), werden basierend auf dem Leistungssignal bzw. den Daten/Parametern, die das Leistungssignal umfasst, durch den ersten Wechselrichter 2 ein einen ersten Signalparameter aufweisendes erstes pulsweitenmoduliertes Steuersignal an eine erste elektrische Maschine 4 ausgegeben und durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter 3 ein einen zweiten Signalparameter aufweisendes zweites pulsweitenmoduliertes Steuersignal an eine zweite elektrische Maschine 5 ausgegeben.
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In einem Schritt S3, entsprechend Schritt c), wird direkt nach oder während dem Schritt S2, ein Synchronisationssignal, welches den ersten Signalparameter umfasst, von dem ersten Wechselrichter 2 an den mindestens einen zweiten Wechselrichter 3 über eine Synchronisationsleitung 6 ausgegeben.
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Nach dem Schritt S3, wird gemäß einem Schritt S4, entsprechend Schritt d), mindestens ein einen dritten Signalparameter aufweisendes drittes pulsweitenmoduliertes Steuersignal durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter moduliert und anstelle des zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignals durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter ausgegeben. Dabei wird der dritte Signalparameter basierend auf dem ersten Signalparameter und einem vorgebbaren Synchronisationsparameter bestimmt. Der Synchronisationsparameter kann bevorzugt als gespeicherte Information für den mindestens einen zweiten Wechselrichter abrufbar vorliegen oder von der übergeordneten Steuereinrichtung 1 an den mindestens einen zweiten Wechselrichter 3 direkt ausgegeben werden (z.B. über das Leistungssignal, welches den Synchronisationsparameter umfassen kann), oder möglicherweise auch indirekt über den ersten Wechselrichter 2, der den Synchronisationsparameter mittels des Synchronisationssignals über die Synchronisationsleitung 6 an den mindestens einen zweiten Wechselrichter 3 überträgt.
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In einem nächsten Schritt S5, gemäß Schritt e), wird das mindestens eine den dritten Signalparameter aufweisende dritte pulsweitenmodulierte Steuersignal durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter 3 anstatt des den zweiten Signalparameter aufweisenden zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignals an die mindestens eine zweite elektrische Maschine 5 ausgegeben. Durch die Modulation des mindestens einen dritten pulsweitenmodulierten Steuersignals mit dem dritten Signalparameter, der auf dem ersten Signalparameter und dem Synchronisationsparameter basiert, kann die Phasenbeziehung bzw. die Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem mindestens einen dritten pulsweitenmodulierten Steuersignal eingestellt bzw. vorgegeben werden.
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Die verschiedenen Ausführungsformen mit all ihren Merkmalen sind dabei beliebig kombinierbar und austauschbar.
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Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Verfahren
- 1000
- System
- 1
- übergeordnete Steuereinrichtung
- 2
- erster Wechselrichter
- 3
- zweiter Wechselrichter
- 4
- erste elektrische Maschine
- 5
- zweite elektrische Maschine
- 6
- Synchronisationsleitung
