DE102020118888A1 - Verfahren zur Ansteuerung von elektrischen Maschinen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von mindestens zwei in einem Fahrzeug angeordneten elektrischen Maschinen, umfassend die Schritte:
a) Empfangen eines von einer übergeordneten Steuereinrichtung ausgegebenen Leistungssignals durch mindestens eine Steuereinheit;
b) Bestimmen eines ersten Signalparameters und mindestens eines zweiten Signalparameters, wobei der erste Signalparameter, basierend auf dem Leistungssignal und der mindestens eine zweite Signalparameter, basierend auf dem Leistungssignal und einem vorgebbaren Synchronisationsparameter bestimmt wird;
c) Ausgeben eines den ersten Signalparameter umfassenden ersten Wechselrichtersteuersignals an einen ersten Wechselrichter und Ausgeben mindestens eines den mindestens einen zweiten Signalparameter umfassenden zweiten Wechselrichtersteuersignals an mindestens einen zweiten Wechselrichter;
d) Modulieren eines den ersten Signalparameter aufweisenden ersten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals durch den ersten Wechselrichter und Modulieren mindestens eines den mindestens einen zweiten Signalparameter aufweisenden zweiten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter;
e) Ausgeben des ersten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals an eine erste elektrische Maschine und Ausgeben des mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals an mindestens eine zweite elektrische Maschine.

Description

  • 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.
  • 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 Elektrofahrzeugs, ein sogenannter Achsantrieb oder von separaten Elektromotoren, eingebaut in die Räder des Elektrofahrzeuges, sogenannte Radnabenmotoren, zu nennen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einem System gemäß Patentanspruch 8.
  • Kerngedanke der Erfindung ist ein Verfahren zur Ansteuerung von mindestens zwei in einem Fahrzeug angeordneten, elektrischen Maschinen, bevorzugt Elektromotoren, umfassend die Schritte:
    1. a) Empfangen eines von einer übergeordneten Steuereinrichtung ausgegebenen Leistungssignals durch mindestens eine einen ersten Wechselrichter und mindestens einen zweiten Wechselrichter steuernde Steuereinheit;
    2. b) Bestimmen eines ersten Signalparameters und mindestens eines zweiten Signalparameters durch die mindestens eine Steuereinheit, wobei der erste Signalparameter basierend auf dem Leistungssignal und der mindestens eine zweite Signalparameter basierend auf dem Leistungssignal und einem vorgebbaren Synchronisationsparameter bestimmt wird;
    3. c) Ausgeben eines den ersten Signalparameter umfassenden ersten Wechselrichtersteuersignals an den ersten Wechselrichter durch die mindestens eine Steuereinheit und Ausgeben mindestens eines den mindestens einen zweiten Signalparameter umfassenden zweiten Wechselrichtersteuersignals an den mindestens einen zweiten Wechselrichter durch die mindestens eine Steuereinheit;
    4. d) Modulieren eines den ersten Signalparameter aufweisenden ersten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals durch den ersten Wechselrichter und Modulieren mindestens eines den mindestens einen zweiten Signalparameter aufweisenden zweiten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter; und
    5. e) Ausgeben des ersten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals durch den ersten Wechselrichter an eine erste elektrische Maschine und Ausgeben des mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter an mindestens eine zweite elektrische Maschine, wobei das erste pulsweitenmodulierte Maschinensteuersignal und das mindestens eine zweite pulsweitenmodulierte Maschinensteuersignal eine durch den vorgebbaren Synchronisationsparameter vorgebbare Phasenbeziehung aufweisen.
  • 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 vier elektrischen Maschinen und weiter bevorzugt von mindestens sechs elektrischen Maschinen. Bevorzugt wird jede vorhandene elektrische Maschine jeweils durch einen Wechselrichter gesteuert, wobei die Anzahl der elektrischen Maschinen und der Wechselrichter somit gleich ist, wobei bevorzugt mindestens zwei Wechselrichter, weiter bevorzugt mindestens vier Wechselrichter und besonders bevorzugt mindestens sechs Wechselrichter vorgesehen sind. Bei den elektrischen Maschinen handelt es sich bevorzugt um Elektromotoren. 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.
  • 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. Die mindestens eine Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Leistungssignale von der übergeordneten Steuereinrichtung zu empfangen und in geeigneter Weise an die vorhandenen Wechselrichter weiterzugeben. Die übergeordnete Steuereinrichtung und die mindestens eine Steuereinheit sind bevorzugt zumindest signaltechnisch miteinander verbunden. Dabei ist es denkbar, dass die mindestens eine Steuereinheit ausschließlich die Wechselrichter ansteuert und demnach auch als Wechselrichtersteuereinheit bezeichnet werden könnte. Bevorzugt steuert die mindestens eine Steuereinheit mindestens zwei Wechselrichter (den ersten Wechselrichter und den mindestens einen zweiten Wechselrichter). Es wäre auch möglich, dass mehrere Steuereinheiten vorgesehen sind, die jeweils mindestens zwei Wechselrichter nach dem erfindungsgemäßen Verfahren steuern. Es wäre jedoch auch denkbar, dass die mindestens eine Steuereinheit als Teil der übergeordneten Steuereinrichtung ausgebildet ist und entsprechend zur Steuerung der Wechselrichter eingerichtet ist. Bei der übergeordneten Steuereinrichtung und der mindestens einen Steuereinheit kann es sich bevorzugt um Mikroprozessoren oder Mikrocontroller handeln.
  • Bevorzugt erhält die übergeordnete Steuereinrichtung unter anderem die Eingaben eines Fahrers, wie ein Einschalten des Fahrzeuges oder eine benötigte Leistung durch Betätigung des Gaspedals und gibt diese Eingaben mittels des Leistungssignals an die mindestens eine Steuereinheit weiter. Die Generierung eines solchen Leistungssignals basierend auf den Eingaben des Fahrers und der davon umfassten Daten sind aus dem Stand der Technik bekannt und sollen an dieser Stelle nicht weiter dargelegt werden. Ein solches Leistungssignal, welches von der übergeordneten Steuereinrichtung an die mindestens eine Steuereinheit, übermittelt bzw. ausgegeben wird, umfasst bevorzugt generell die Daten bzw. Parameter über die benötigte Leistung/Last, die die elektrische Maschine zur Verfügung stellen soll. Diese benötigte Leistung kann das Leistungssignal beispielsweise auch in Form einer Frequenz, einem Tastverhältnis/Tastgrad und/oder der Spannung für das später modulierte Maschinensteuersignal umfassen. Ferner kann das Leistungssignal auch andere Daten bzw. Parameter umfassen, die von der mindestens einen Steuereinheit entsprechend umgerechnet werden können.
  • Die mindestens eine Steuereinheit bestimmt basierend auf dem Leistungssignal bzw. den Daten die das Leistungssignal umfasst, einen ersten Signalparameter und basierend auf dem Leistungssignal bzw. den Daten die das Leistungssignal umfasst und dem Synchronisationsparameter mindestens einen zweiten Signalparameter. Bevorzugt stellen die Signalparameter allgemein Parameter dar, die für die Modulation der pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals durch die Wechselrichter benötigt werden bzw. auf deren Basis die Modulation der pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignal durchgeführt werden soll. Die mindestens eine Steuereinheit übermittelt die bestimmten Signalparameter anschließend, umfasst von einem Wechselrichtersteuersignal, an die entsprechenden Wechselrichter. Bevorzugt ist die mindestens eine Steuereinheit und der erste und der mindestens zweite Wechselrichter zumindest signaltechnisch verbunden. Die Wechselrichtersteuersignale können darüber hinaus noch weitere Signalparameter und/oder Signaldaten umfassen. Bevorzugt werden mittels des Wechselrichtersteuersignals Parameter/Daten/Informationen an die Wechselrichter übermittelt, welches die anzusteuernden Wechselrichter benötigen, um ein entsprechendes pulsweitenmoduliertes Maschinensteuersignal zu modulieren und an die elektrische Maschine auszugeben. Bevorzugt umfasst das erste Wechselrichtersteuersignal zumindest den ersten Signalparameter und das mindestens eine zweite Wechselrichtersteuersignal umfasst zumindest den mindestens einen zweiten Signalparameter. Das Wechselrichtersteuersignal umfasst beispielsweise eine Angabe über die benötigte Leistung/Last, die die elektrische Maschine zur Verfügung stellen soll und die der Wechselrichter auf das Maschinensteuersignal umrechnet, und/oder bereits Parameter für das Maschinensteuersignal, wie eine Spannung, eine Frequenz, einen Tastgrad/ein Tastverhältnis (engl. „Duty Cycle“), eine Periodendauer oder dergleichen. Folglich wird das erste Maschinensteuersignal, basierend auf dem ersten Wechselrichtersteuersignal oder zumindest dem ersten Signalparameter und das mindestens eine zweite Maschinensteuersignal, basierend auf dem mindestens einen zweiten Wechselrichtersteuersignal oder zumindest dem mindestens einen zweiten Signalparameter moduliert, wobei es sich bevorzugt um eine bekannte Pulsweitenmodulation handelt (siehe hierzu im Folgenden). Bevorzugt geben der erste Signalparameter, der zweite Signalparameter und der Synchronisationsparameter die gleiche Größe wieder, beispielsweise jeweils eine Zeit, eine Frequenz, eine Spannung oder dergleichen. Auf diese Weise ist mittels des Synchronisationsparameters vorteilhaft einfach möglich, die Phasenbeziehung zwischen dem ersten pulsweitenmodulierten Steuersignal und dem mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignal einzustellen. Bevorzugt weist die mindestens eine Steuereinheit den ersten Wechselrichter und den mindestens einen zweiten Wechselrichter mittels des entsprechenden Wechselrichtersteuersignals an, ein pulsweitenmoduliertes Maschinensteuersignal, basierend auf den Daten/Parametern, welches das Wechselrichtersteuersignal umfasst (zumindest den ersten Signalparameter bzw. zumindest den mindestes einen zweiten Signalparameter), an die mit dem etwaigen Wechselrichter verbundene elektrische Maschine auszugeben.
  • Es wäre ebenfalls denkbar, dass das Leistungssignal den ersten Signalparameter bereits umfasst und das Bestimmen des ersten Signalparameters, basierend auf dem Leistungssignal ein Auslesen aus dem Leistungssignal darstellt, wobei das Bestimmen des mindestens zweiten Signalparameters, basierend auf dem Leistungssignal und dem Synchronisationsparameter ein Bestimmen, basierend auf dem vom ersten Leistungssignal umfassten ersten Signalparameters und des Synchronisationsparameters darstellt.
  • 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 mindestens einen Steuereinheit 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. Der Wechselrichter ist dazu ausgebildet, basierend auf dem Wechselrichtersteuersignal, welches zumindest einen Signalparameter umfasst, ein pulsweitenmoduliertes Maschinensteuersignal zu modulieren, sodass das pulsweitenmodulierte Maschinensteuersignal den Signalparameter aufweist und das modulierte Maschinensteuersignal an die elektrische Maschine auszugeben.
  • Unter einem erfindungsgemäßen pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignal 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 pulsweitenmodulierte Maschinensteuersignal eine durch die elektrische Maschine erzeugte Leistung eingestellt bzw. gesteuert werden kann. Die Pulsweitenmodulation (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.
  • Hierbei wird unter einem Signalparameter ein charakteristischer Parameter des zugehörigen pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals verstanden. Weiter bevorzugt wird unter einem Signalparameter eine Größe verstanden, welche das pulsweitenmodulierte Maschinensteuersignal aufweist bzw. aufweisen kann. 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, 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 handeln. Bevorzugt geben der erste Signalparameter und der mindestens eine zweite Signalparameter die gleiche Größe wieder.
  • Der erfindungsgemäße vorgebbare Synchronisationsparameter gibt eine Phasenverschiebung, auch Phasendifferenz oder Phasenlage genannt wieder, die zwischen dem ersten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignal und dem mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignal vorliegen soll. Dabei handelt es sich bevorzugt um einen Phasenverschiebungswinkel, eine Phasenverschiebungszeit, eine Phasenverschiebungslänge oder dergleichen. Somit kann bevorzugt basierend auf dem Leistungssignal und dem vorgebbaren Synchronisationsparameter der mindestens zweite Signalparameter des mindestens zweiten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals bestimmt bzw. berechnet werden. Auf diese Weise können das erste pulsweitenmodulierte Maschinensteuersignal und das mindestens eine zweite pulsweitenmodulierte Maschinensteuersignal eine vorgebbare Phasenbeziehung aufweisen, indem der erste Signalparameter und der mindestens eine zweite Signalparameter diese Phasenbeziehung bzw. Phasenverschiebung 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 Maschinensteuersignal und dem mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignal variabel einstellbar ist.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich also die Phasenverschiebung bzw. die Phasenbeziehung zwischen einem durch einen ersten Wechselrichter ausgegebenen pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals und mindestens einem durch mindestens einen zweiten Wechselrichter ausgegebenen pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals einstellen, was erfindungsgemäß als Synchronisation bezeichnet wird. Dies hat den Vorteil, dass dadurch Zwischenkreisströme über die Periodendauer der PWM-Signale verteilt werden können, 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 oder überlagernden, deutlich reduziert sind. So werden die Ripple-Last im Bordnetz und die Anforderungen an den Kondensator reduziert, wodurch Bauteilkosten eingespart werden können.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der vorgebbare Synchronisationsparameter als für die mindestens eine Steuereinheit abrufbare gespeicherte Information vor. Bevorzugt wird der vorgebbare Synchronisationsparameter durch die übergeordnete Steuereinrichtung an die mindestens eine Steuereinheit ausgegeben. Bevorzugt umfasst die mindestens eine Steuereinheit 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 die mindestens eine zweite Steuereinheit übermitteln. Dieser Synchronisationsparameter lässt sich bevorzugt variabel einstellen. Der Synchronisationsparameter kann bevorzugt als gespeicherte Information, für die mindestens eine zweite Steuereinheit abrufbar vorliegen oder von der übergeordneten Steuereinrichtung an die mindestens eine zweite Steuereinheit direkt ausgegeben werden, bevorzugt über das Leistungssignal, welches den Synchronisationsparameter umfassen kann. Auf diese Weise kann je nach Situation durch die Einstellung des Synchronisationsparameters die Phasenbeziehung bzw. -verschiebung zwischen dem ersten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignal und dem mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignal eingestellt werden und so der Rippelstrom situationsabhängig entsprechend reduziert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegen mehrere Synchronisationsparameter als durch die mindestens eine Steuereinheit und/oder die übergeordnete Steuereinrichtung abrufbare gespeicherte Information vor. Auf diese Weise können die Phasenbeziehung bzw. - verschiebung zwischen dem ersten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignal und dem mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignal variabel eingestellt werden, indem mehrere Synchronisationsparameter vorliegen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der zur Bestimmung des zweiten Signalparameters verwendete Synchronisationsparameter aus den mehreren Synchronisationsparametern in Abhängigkeit von dem Leistungssignal durch die mindestens eine Steuereinheit und/oder die übergeordnete Steuereinrichtung ausgewählt. Weiter bevorzugt wird der Synchronisationsparameter zur Bestimmung des zweiten Signalparameters aus den mehreren Synchronisationsparametern abhängig von der Leistung bzw. der Last die durch die elektrische Maschine erbracht werden soll ausgewählt, wobei die Leistung bzw. Last der elektrischen Maschine über das Leistungssignal bestimmt wird. Weiter bevorzugt wird der Synchronisationsparameter zur Bestimmung des zweiten Signalparameters aus den mehreren Synchronisationsparametern abhängig von der Frequenz, dem Tastverhältnis bzw. dem Tastgrad und/oder der Spannung die durch das Leistungssignal vorgegeben bzw. über das Leistungssignal an die mindestens eine Steuereinheit übermittelt wird und 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. Das heißt, das bevorzugt eine bestimmte Phasenbeziehung bzw. Phasenverschiebung des ersten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals und des mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignals einen minimalen Rippelstrom im System 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 die mindestens eine Steuereinheit 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 oder auch möglicherweise dem ersten Signalparameter, der von dem Leistungssignal umfasst sein kann, ausgewählt werden kann. Die Auswahl des Synchronisationsparameters erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit des für das pulsweitenmodulierte Maschinensteuersignal vorgesehenen Tastverhältnisses bzw. des Tastgrades, der Frequenz und/oder der Spannung. 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 zweiten Signalparameters als Vorgeben des Synchronisationsparameters verstanden werden.
  • 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 Maschinensteuersignals 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 Leistungssignals oder dem durch die mindestens eine Steuereinheit umgerechneten Leistungssignals und des Synchronisationsparameters auf einfache Weise der zweite Signalparameter bestimmt werden.
  • Bevorzugt erfolgt die Bestimmung des zweiten Signalparameters, basierend auf dem Leistungssignal und dem vorgebbaren Synchronisationsparameter, mittels einer Addition des durch die mindestens eine Steuereinheit anhand des Leistungssignals bzw. basierend auf dem Leistungssignal bestimmten Zeitpunkts und der durch den Synchronisationsparameter angegebenen Phasenverschiebungszeit/Phasenverschiebungswinkel. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Phasenverschiebungswinkel, den der Synchronisationsparameter wiedergeben kann, zunächst in die Phasenverschiebungszeit umgerechnet wird.
  • 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, wobei jeweils die Leistung der elektrischen Maschine bzw. die Signalparameter des pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals zu berücksichtigen sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die mindestens eine Steuereinheit, der erste Wechselrichter und der mindestens eine zweite Wechselrichter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei es sich um einen Doppelwechselrichter handelt. Die mindestens eine Steuereinheit steuert auf diese Weise mindestens zwei Wechselrichter und kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens den Wechselrichtern bzw. den PWM-Maschinensteuersignalen durch den Synchronisationsparameter eine bestimmte Phasenbeziehung vorgeben.
  • Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein System zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend eine erste und mindestens eine zweite elektrische Maschine, eine übergeordnete Steuereinrichtung, einen ersten Wechselrichter und mindestens einen zweiten Wechselrichter und eine den ersten und den mindestens zweiten Wechselrichter steuernde Steuereinheit.
  • Die obigen Ausführungen und Merkmale bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen mutatis mutandis auch für das erfindungsgemäße System und umgekehrt gelten.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • 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;
    • 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • 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.
  • Das System 1000 umfasst eine übergeordnete Steuereinrichtung 1, welche zumindest signaltechnisch mit einer Steuereinheit 6 verbunden ist. Die Steuereinheit 6 ist dazu ausgebildet, einen ersten Wechselrichter 2 und einen zweiten Wechselrichter 3 anzusteuern und ist mit den Wechselrichtern 2, 3 zumindest signaltechnisch verbunden. 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 leistungselektronisch verbundene elektrische Maschinen 4, 5 vorgesehen, wobei die Anzahl an Wechselrichtern und damit zumindest signaltechnisch verbundenen Wechselrichtern variabel ist.
  • Die dargestellte bevorzugte Ausführungsform zeigt einen sog. Doppelinverter, bei welchem die Steuereinheit 6, der erste Wechselrichter 2 und der zweite Wechselrichter 3 innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind.
  • Die übergeordnete Steuereinrichtung 1 ist dazu ausgebildet, ein Leistungssignal an die Steuereinheit 6 auszugeben. Basierend auf dem Leistungssignal ist durch die Steuereinheit 6 ein erster Signalparameter bestimmbar. Ferner ist durch die Steuereinheit 6, basierend auf dem Leistungssignal und einem Synchronisationsparameter, ein zweiter Signalparameter bestimmbar. Die Steuereinheit 6 ist ausgebildet, ein erstes Wechselrichtersteuersignal umfassend den ersten Signalparameter an den ersten Wechselrichter 2 auszugeben. Weiterhin ist die Steuereinheit 6 dazu ausgebildet, ein zweites Wechselrichtersteuersignal, umfassend den zweiten Signalparameter, an den zweiten Wechselrichter 3 auszugeben. Der erste Wechselrichter 2 ist dazu ausgebildet, ein den ersten Signalparameter aufweisendes erstes pulsweitenmoduliertes Maschinensteuersignal zu modulieren und an die erste elektrische Maschine 4 ausgegeben. Der zweite Wechselrichter 2 ist dazu ausgebildet, ein den zweiten Signalparameter aufweisendes erstes pulsweitenmoduliertes Maschinensteuersignal zu modulieren und an die zweite elektrische Maschine 4 ausgegeben. Hiernach sind der erste 2 und der zweite Wechselrichter 3 dazu ausgebildet, das jeweilige pulsweitenmodulierte Steuersignal, basierend auf dem Wechselrichtersteuersignal, zu modulieren. Der Synchronisationsparameter gibt dabei bevorzugt einen Phasenverschiebungswinkel oder eine Phasenverschiebungszeit an, welche vorgebbar bzw. auswählbar ist, wodurch eine gewünschte Phasenbeziehung bzw. Phasenverschiebung zwischen dem ersten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignal und dem zweiten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignal einstellbar ist.
  • Es ist denkbar, dass die Steuereinheit 6 eine hier nicht dargestellte Speichereinheit aufweist oder auf eine hier nicht dargestellte Speichereinheit zugreifen kann, auf welcher der Synchronisationsparameter durch die Steuereinheit 6 abrufbar gespeichert vorliegt. Weiter wäre es denkbar, dass die übergeordnete Steuereinrichtung 1 eine hier nicht dargestellte Speichereinheit aufweist oder auf eine hier nicht dargestellte Speichereinheit zugreifen kann, auf welcher der Synchronisationsparameter durch die übergeordnete Steuereinrichtung 1 abrufbar gespeichert vorliegt und über das Leistungssignal an die Steuereinheit 6 übermittelbar ist.
  • In 2 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.
  • In einem Schritt S1, welcher dem Schritt a) entspricht, gibt eine übergeordnete Steuereinrichtung 1, bevorzugt eine Motorsteuerung, ein Leistungssignal aus, welches durch mindestens eine Steuereinheit 6 empfangen wird. Das Leistungssignal umfasst bevorzugt Daten bzw. Parameter, die in Antwort auf eine Eingabe eines Fahrers erzeugt werden, und eine Leistung/Last die durch die elektrischen Maschinen 4, 5 erzeugt werden sollen, wiedergeben.
  • In einem darauffolgenden Schritt S2, entspricht Schritt b), bestimmt die Steuereinheit basierend auf dem Leistungssignal einen ersten Signalparameter und basierend auf dem Leistungssignal sowie einem vorgebbaren Synchronisationsparameter mindestens einen zweiten Signalparameter. Durch diesen Schritt wird die Phasenbeziehung bzw. der Phasenversatz der Signalparameter, welche nachfolgend die pulsweitenmodulierten Steuersignale aufweisen, eingestellt.
  • In einem Schritt S3, entsprechend Schritt c), werden durch die Steuereinheit 6 ein erstes Wechselrichtersteuersignal an den ersten Wechselrichter 2 ausgegeben und mindestens ein zweites Wechselrichtersteuersignal an den mindestens einen zweiten Wechselrichter 3. Das erste Wechselrichtersteuersignal umfasst dabei zumindest den ersten Signalparameter und das mindestens eine zweite Wechselrichtersteuersignal umfasst zumindest den mindestens einen zweiten Signalparameter.
  • Nach dem Schritt S3, wird gemäß einem Schritt S4, entsprechend Schritt d), durch den ersten Wechselrichter 2 ein erstes pulsweitenmoduliertes Maschinensteuersignal, bevorzugt basierend auf dem Wechselrichtersteuersignal moduliert, welches den ersten Signalparameter aufweist. Weiterhin wird durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter 3 mindestens ein zweites pulsweitenmoduliertes Maschinensteuersignal moduliert, bevorzugt basierend auf dem mindestens einen zweiten Wechselrichtersteuersignal, welches den mindestens einen zweiten Signalparameter aufweist. Somit weisen die Maschinensteuersignale eine vorgebbare Phasenbeziehung bzw. Phasenverschiebung auf, welche durch die jeweiligen Signalparameter, bestimmt in Schritt b), gewährleistet wird.
  • In einem abschließenden Schritt S5, gemäß Schritt e), wird das erste pulsweitenmodulierte Maschinensteuersignal durch den ersten Wechselrichter 2 an die erste elektrische Maschine 4 ausgegeben und das mindestens eine zweite pulsweitenmodulierte Maschinensteuersignal durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter 3 an die mindestens eine zweite elektrische Maschine 5.
  • Die verschiedenen Ausführungsformen mit all ihren Merkmalen sind dabei beliebig kombinierbar und austauschbar.
  • Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Verfahren
    1000
    System
    1
    übergeordnete Steuereinrichtung
    2
    erster Wechselrichter
    3
    zweiter Wechselrichter
    4
    erste elektrische Maschine
    5
    zweite elektrische Maschine
    6
    Steuereinheit

Claims (8)

  1. Verfahren (100) zur Ansteuerung von mindestens zwei in einem Fahrzeug angeordneten elektrischen Maschinen, bevorzugt Elektromotoren, umfassend die Schritte: a) Empfangen eines von einer übergeordneten Steuereinrichtung (1) ausgegebenen Leistungssignals durch mindestens eine einen ersten Wechselrichter (2) und mindestens einen zweiten Wechselrichter (3) steuernde Steuereinheit (6); b) Bestimmen eines ersten Signalparameters und mindestens eines zweiten Signalparameters durch die mindestens eine Steuereinheit (6), wobei der erste Signalparameter, basierend auf dem Leistungssignal und der mindestens eine zweite Signalparameter, basierend auf dem Leistungssignal und einem vorgebbaren Synchronisationsparameter bestimmt wird; c) Ausgeben eines den ersten Signalparameter umfassenden ersten Wechselrichtersteuersignals an den ersten Wechselrichter (2) durch die mindestens eine Steuereinheit und Ausgeben mindestens eines den mindestens einen zweiten Signalparameter umfassenden zweiten Wechselrichtersteuersignals an den mindestens einen zweiten Wechselrichter (3) durch die mindestens eine Steuereinheit (6); d) Modulieren eines den ersten Signalparameter aufweisenden ersten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals durch den ersten Wechselrichter (2) und Modulieren mindestens eines den mindestens einen zweiten Signalparameter aufweisenden zweiten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter (3); und e) Ausgeben des ersten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals durch den ersten Wechselrichter (2) an eine erste elektrische Maschine (4) und Ausgeben des mindestens einen zweiten pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals durch den mindestens einen zweiten Wechselrichter (3) an mindestens eine zweite elektrische Maschine (5), wobei das erste pulsweitenmodulierte Maschinensteuersignal und das mindestens eine zweite pulsweitenmodulierte Maschinensteuersignal eine durch den vorgebbaren Synchronisationsparameter vorgebbare Phasenbeziehung aufweisen.
  2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Synchronisationsparameter als für die mindestens eine Steuereinheit (6) abrufbare gespeicherte Information vorliegt und/oder der vorgebbare Synchronisationsparameter durch die übergeordnete Steuereinrichtung (1) an die mindestens eine Steuereinheit (6) ausgegeben wird.
  3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Synchronisationsparameter als durch die mindestens eine Steuereinheit (6) und/oder die übergeordnete Steuereinrichtung (1) abrufbare gespeicherte Information vorliegen.
  4. Verfahren (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Bestimmung des zweiten Signalparameters verwendete Synchronisationsparameter aus den mehreren Synchronisationsparametern in Abhängigkeit von dem Leistungssignal durch die mindestens eine Steuereinheit (6) und/oder die übergeordnete Steuereinrichtung (1) ausgewählt wird.
  5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalparameter und der Synchronisationsparameter einen Zeitwert darstellen, wobei die Signalparameter jeweils einen Zeitpunkt einer Flanke oder eines Mittelpunkts des entsprechenden pulsweitenmodulierten Maschinensteuersignals angeben und wobei der Synchronisationsparameter eine Phasenverschiebungszeit oder einen Phasenverschiebungswinkel angibt.
  6. Verfahren (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenverschiebungswinkel einen Wert im Bereich von ± 180°oder einen Wert im Bereich von ± (90° bis 120°) aufweist.
  7. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinheit (6), der erste Wechselrichter (2) und der mindestens eine zweite Wechselrichter (3) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei es sich um einen Doppelwechselrichter handelt.
  8. System (1000) zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend eine erste elektrische Maschine (4) und mindestens eine zweite elektrische Maschine (5), eine übergeordnete Steuereinrichtung (1), einen ersten Wechselrichter (2) und mindestens einen zweiten Wechselrichter (3) und eine den ersten (2) und den mindestens zweiten Wechselrichter (3) steuernde Steuereinheit (6).
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DE102018220809A1 (de) 2018-12-03 2020-06-04 Audi Ag Verfahren zum Betrieb von wenigstens zwei mit einem Gleichstromnetzwerk verbundenen Pulswechselrichtern, Schaltungsanordnung und Kraftfahrzeug
DE102019202335A1 (de) 2019-02-21 2020-08-27 Audi Ag Verfahren zum Betrieb von wenigstens zwei mit einem Gleichstromnetzwerk verbundenen Pulswechselrichtern, Schaltungsanordnung und Kraftfahrzeug

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