-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verteiltes Echtzeitsystem, welches mittels eines modularen Multilevel-Konverters verwirklicht ist.
-
In Elektrofahrzeugen werden als Energieversorgung eines Elektromotors Wechselrichter eingesetzt, welche eine Gleichspannung einer Traktionsbatterie in eine gewünschte Wechselspannung umsetzen. Moderne Wechselrichter werden bspw. durch modulare Multilevelkonverter gebildet, bei denen mehrere elektrisch verbundene Module, die jeweils mindestens einen Energiespeicher und mehrere Halbleiterschalter zum Verschalten der Energiespeicher zwischen den Modulen aufweisen, in mindestens einem Modulstrang angeordnet sind. Durch eine dynamische Verschaltung kann so aus einer Gleichspannung der Energiespeicher eine Wechselspannung bspw. zum Betreiben einer elektrischen Maschine erzeugt werden. Ein Beispiel stellt der von R. Marquardt in der Druckschrift
US 2018/0109202 offenbarte modulare Multilevelkonverter, auch als MMC oder M2C abgekürzt, dar. Meist steuert ein zentrales Steuergerät die jeweilige Verschaltung der Module.
-
Die Druckschrift
US 2014/0111123 A1 führt eine Antriebseinheit für einen elektrischen Motor ein, welche einen Multilevelinverter und eine Batterie mit mindestens einem Modulstrang von in Serie geschalteten Batteriemodulen mit jeweils einer Koppeleinheit umfasst. Die Koppeleinheit wird durch Steuersignale geschaltet.
-
In der Druckschrift
US 2019/0288617 A1 wird ein Verfahren zur Auslegung einer Batterie mit mehreren Energiemodulen für den Betrieb mindestens zweier N-phasiger Elektromaschinen beschrieben. Die Energiemodule werden gemäß einer Schätzung des jeweiligen Energieverbrauchs der jeweiligen Elektromaschinen zu jeweiligen Gruppen zusammengefasst.
-
Die US-amerikanische Druckschrift
US 2016164399 offenbart einen modularen mehrstufigen Stromrichter, bei welchem jedes Modul einzeln angesteuert wird. Der Stromrichter ist zur Blindleistungskompensation einer mehrphasigen Netzspannung vorgesehen.
-
Mit wachsender Zahl an Modulen bzw. Schaltern in den Modulen steigt auch die Vielzahl an Steuersignalen, um eine jeweilig gewünschte Verschaltung umzusetzen, während natürlich unverändert die Steuersignale die jeweiligen Schalter in Echtzeit erreichen müssen. Außerdem befinden sich bei einigen tausend Umdrehungen pro Minute der Traktionsmaschine die Schaltzeiten der Batteriemodule zum Erzeugen einer möglichst sinusförmigen Wechselspannung schnell im Mikrosekundenbereich.
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System für einen Traktionselektromotor vorzustellen, bei dem die Batterie durch einen modularen Multilevelkonverter gebildet ist und dessen Steuerung die Zustände der jeweiligen Module in Echtzeit diagnostizieren und kontrollieren kann.
-
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Traktionssystem mit einem modularen Multilevelkonverter vorgeschlagen, bei welchem das Traktionssystem mindestens einen mindestens einphasigen Elektromotor, einen mindestens einphasigen modularen Multilevelkonverter, einen zentralen Kontroller, welcher den mindestens einphasigen modularen Multilevelkonverter steuert, und eine Vielzahl von Sensoren, welche Messdaten zum Betrieb des Traktionssystems bereitstellen, umfasst. Der mindestens einphasige Multilevelkonverter weist für eine jeweilige Phase einen jeweiligen Strang mit einer Mehrzahl N an Modulen auf, bei denen ein jeweiliges Modul mindestens einen Energiespeicher, eine Anzahl an M Halbleiterschaltern zur Verschaltung des mindestens einen Energiespeichers innerhalb eines jeweiligen Strangs, und eine Kontrolleinheit aufweist. Die jeweilige Kontrolleinheit ist dazu konfiguriert, einen durch Schaltstellungen der jeweiligen M Halbleiterschalter gebildeten jeweiligen Modulschaltzustand zu diagnostizieren und zu kontrollieren. Das Traktionssystem weist mindestens einen Hochgeschwindigkeitsbus auf, über welchen der zentrale Kontroller mit den jeweiligen Kontrolleinheiten und den jeweiligen Sensoren kommuniziert bzw. kommunizieren kann. Das Traktionssystem ist dazu ausgelegt, dass zu jedem Schalttakt der zentrale Kontroller allen Modulen einen jeweiligen Modulschaltzustand vorgibt, der Hochgeschwindigkeitsbus die vorgegebenen jeweiligen Modulschaltzustände an die jeweiligen Module überträgt, und die jeweilige Kontrolleinheit eines jeweiligen Moduls den jeweilig vorgegebenen Modulschaltzustand durch Steuerung der Schaltstellungen umsetzt. Die vorgegebenen Modulschaltzustände verwirklichen dabei eine Wechselspannung für die durch den jeweiligen Strang gebildete Phase zum Betrieb des mindestens einphasigen Elektromotors.
-
Der zentrale Kontroller gibt zwar eine genaue Konfiguration der jeweiligen Schaltstellungen in einem jeweiligen Modul vor, muss aber diese jeweilige Konfiguration mit all ihren einzelnen Schalterstellungen nicht an die jeweiligen Module kommunizieren, sondern sendet erfindungsgemäß lediglich den jeweiligen Modulschaltzustand an das jeweilige Modul. Damit wird vorteilhaft der pro Schalttakt zu bewältigende Kommunikationsaufwand minimiert und durch diesen geringeren Kommunikationsaufwand eine sichere Umsetzung gewährleistet. Insbesondere bei einer Mehrzahl an Strängen, bspw. 3 bei 3 Phasen, einer Vielzahl von Modulen pro Strang, bspw. N=6, und mehrerer Schalter pro Modul, bspw. M=8, wird durch das erfindungsgemäße Zusammenspiel von zentralem Kontroller mit Vorgabe aller Modulschaltzustände, im Beispiel sind das 3 mal 6 gleich 18, und den jeweiligen Kontrolleinheiten zur Verschaltung der Module eine Echtzeitsteuerung innerhalb des Traktionssystems, also von 3 mal 6 mal 8 gleich 144 Schaltern pro Schaltakt (im Mikrosekundenbereich) erst realisierbar. Damit handelt es sich hierbei um ein verteiltes Echtzeitsystem, bei dem in Echtzeit die vorgegebenen Modulschaltzustände übertragen und zeitgleich umgesetzt werden, d. h. alle Schaltvorgänge werden zu jedem Schalttakt vollzogen. Ein Schalttakt im Mikrosekundenbereich, bspw. etwa 7 Mikrosekunden bei einer Schaltfrequenz von 140 kHz, ergibt sich dabei aus den Anforderungen einem pro Phase möglichst sinusförmigen Wechselspannungsverlauf zum Betrieb des mindestens einphasigen Elektromotors (Drehstrommotor im Beispiel von 3 Phasen).
-
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems ergeben die jeweiligen Schaltstellungen des jeweiligen Moduls folgende Modulschaltzustände: seriell-plus, seriell-minus, parallel, bypass-plus, bypass-minus, passiv. Der jeweilige Modulschaltzustand eines jeweiligen Moduls bestimmt, wie der vom jeweiligen Modul umfasste mindestens eine Energiespeicher mit den weiteren Energiespeichern des Multilevelkonverters verschaltet ist. Im zentralen Kontroller bildet ein Scheduler aus den möglichen Modulschaltzuständen für ein ihm von einem Modulator quantisiertes und übergebenes Spannungslevel einen Gesamtschaltzustand, der durch die jeweiligen Modulschaltzustände definiert ist bzw. sein kann. So werden bei einem Beispiel-Modul mit M=8 Schaltern (siehe 2 und die zugehörige Beschreibung) insgesamt sechs Modulschaltzustände festgelegt. Die Modulschaltzustände lauten: „seriell-plus“ für serielle Verschaltung mit positiver Polarität, „seriell-minus“ für serielle Verschaltung mit negativer Polarität, „parallel“ für parallele Verschaltung, „bypass-plus“ für Umgehung des Energiespeichers mit positiver Polarität und „bypass-minus“ für Umgehung des Energiespeichers mit negativer Polarität. Dabei bedeutet die positive bzw. negative Polarität, welche Polarität zweier Anschlüsse auf einer ersten Seite des Moduls auf zwei Anschlüsse auf einer zweiten Seite des Moduls durchgeschaltet wird. Beim Bypass bzw. einer Modulumgehung ist dies gleichbedeutend mit Durchschaltung über eine Hochvoltseite oder eine Niedervoltseite von in Halbbrücken angeordneten Halbleiterschalter des Beispiel-Moduls. Die voranstehend genannten Modulschaltzustände seriell-plus, seriell-minus, parallel, bypass-plus und bypass-minus sind für einen motorischen- und /oder generatorischen Betrieb relevant. Demgegenüber sind bei dem Modulschaltzustand „passiv“ alle Schalter des Moduls geöffnet, wodurch ein sogenannter sicherer Zustand des Moduls gebildet wird. Dabei ist die Umdrehungszahl des Rotors gleich Null, bspw. während einem Bootvorgang oder im ausgeschalteten System. Je nach Zahl an Modulen in einem Beispiel-Multilevelkonverter kann dadurch eine dem Traktionssystem zur Verfügung stehende Klemmenspannung unter 60 V fallen. Während einem „System-Aus“-Zustand, einem „System-Boot“-Vorgang, oder einem „Software-Update“-Vorgang befinden sich alle Module des Multilevelkonverters in dem sicheren Zustand. Werden bspw. die Halbleiterschalter des Moduls durch MOSFETs gebildet, sind diese MOSFETs alle nicht leitend.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems weist das Traktionssystem einen Steuerungs-Hochgeschwindigkeitsbus und einen Daten-Hochgeschwindigkeitsbus auf. Der Steuerungs-Hochgeschwindigkeitsbus ist dazu ausgelegt, Steuerungsbefehle zwischen dem zentralen Kontroller und den jeweiligen Kontrolleinheiten der jeweiligen Module zu kommunizieren. Der Daten-Hochgeschwindigkeitsbus ist dazu ausgelegt, Daten zwischen den jeweiligen Sensoren und dem zentralen Kontroller zu kommunizieren.
-
In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems ist der Steuerungs-Hochgeschwindigkeitsbus dazu ausgelegt, zu einer zusammengefassten Broadcast-Nachricht vorgegebene Modulschaltzustände an alle Kontrolleinheiten des Multilevelkonverters mit einer Wiederholrate bzw. einem Schalttakt im Mikrosekundenbereich zu übertragen. Hierzu ist jedem Modul eine eigene Adresse im Steuerungs-Hochgeschwindigkeitsbus zugeordnet.
-
Die Größenordnung im Mikrosekundenbereich ist durch eine Umdrehungszahl eines Rotors des mindestens einphasigen Elektromotors und durch die zu diesem Betrieb notwendige möglichst sinusförmige Wechselspannung bedingt. Bei einigen tausend Umdrehungen pro Minute, bspw. etwa 6000/min, beträgt eine Dauer einer ganzen Sinusschwingung etwa 10ms. Bei dem Beispiel von N=6 Modulen pro Strang kann die Sinusschwingung - je nach Anordnung des Energiespeichers an einem Eingang oder mittig im jeweiligen Modul (s. Bezugszeichen 241 in 2) - in 2*N-1=11 oder 2*N+1 =13 Spannungsstufen aufgelöst werden, welche während der ganzen Sinusschwingung einmal komplett von unten nach oben und wieder nach unten durchlaufen werden müssen, also mindestens 4*(N-1)= 20 oder 4*N=24 Schaltvorgänge (gleichzeitig alle M=8 Schalter des Beispielmoduls) erfordern, wodurch der Schalttakt für eine Sinusschwingungsdauer von etwa 10ms bei etwa 400 Mikrosekunden liegt. Jedoch wird zwischen zwei benachbarten Spannungsstufen wesentlich öfter hin und her geschaltet, um eine (mit dem Rotor als Tiefpass) zeitlich gemittelte Phasenspannungserzeugung möglichst genau einem Sinusverlauf anzupassen. Hierbei wird schließlich ein Schalttakt von einigen Mikrosekunden, im Beispiel etwa 7 Mikrosekunden, notwendig.
-
In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems erzeugen bzw. erfassen die jeweiligen Sensoren Daten zu Messgrößen aus folgender Liste: Strom, Spannung, Ladezustand des Energiespeichers, Temperatur. Weitere eine Lebensdauer des mindestens einen Energiespeichers (pro Modul) erfassende Sensoren bzw. Sensordaten und deren Mitprotokollierung sind denkbar, wie bspw. Zahl an Ladezyklen. Auch Sensordaten zur Motorlage (Winkel des Rotors) können hinzukommen.
-
In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems weist der zentrale Kontroller eine reprogrammierbare integrierte Schaltanordnung, einen diese bei einem Betriebsstart mit einem Steuerprogramm versorgenden Programmlader, und mindestens zwei Prozessoren auf. Mindestens ein Prozessor der mindestens zwei Prozessoren ist dazu ausgelegt, Echtzeit-Anwendungen auszuführen. Die reprogrammierbare integrierte Schaltanordnung wird bspw. durch ein Field Programmable Gate Array, abgekürzt als FPGA und deutsch „betriebsbezogen programmierbare Gatter-Anordnung“, realisiert. Der das FPGA jeweilig neu beim Betriebsstart mit einem Steuerprogramm versorgende Programmlader kann bspw. ein First Stage Boot Loader, abgekürzt als FSBL und deutsch „Erststufen-Startprogramm-Lader“ sein.
-
In einer noch anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems weist der zentrale Kontroller folgende funktionalen Blöcke zur Steuerung des modularen Multikonverters auf: Inverter, Batteriemanagementsystem, Laden, NV-Abgriff, Firmware Update, Analog-Digital-Wandler, Motor-Regelung, Sigma-Delta-Modulation, Scheduler, Schnittstellen zu Daten-Hochgeschwindigkeitsbus und Steuerungs-Hochgeschwindigkeitsbus, Schnittstelle zu CAN-Bus
-
In einer fortgesetzt anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems ist der mindestens einphasige Elektromotor ein Drehstrommotor und der mindestens einphasige modulare Multilevelkonverter weist drei Phasenspannungen auf.
-
In einer fortgesetzt noch anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems ist der mindestens einphasige modulare Multilevelkonverter ein modularer Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität, auch als MMSPC abgekürzt. Ein solches modulares Multilevelkonvertersystem wird bspw. beschrieben in „Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control,“ Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225. Durch eine Konfiguration einer elektrischen Verschaltung von Energiespeichern in Modulen und durch eine Schaltmodulation zwischen Schaltzuständen zur Bildung beliebiger Zwischenzustände werden Spannungsdifferenzen zwischen zwei Anschlussterminals, bspw. eines Energienetzes oder eines Traktionssystems eines Elektroautos erzeugt. Durch den mindestens einen Hochgeschwindigkeitsbus und die Aufteilung in einen zentralen Kontroller und auf die jeweiligen Module verteilte Kontrolleinheiten ermöglicht das erfindungsgemäße Traktionssystem die Verwendung des MMSPC in Echtzeit.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
- 1 zeigt schematisch ein Blockdiagramm mit Kommunikationspfaden zwischen einem zentralen Kontroller und jeweiligen Modulen in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems.
- 2 zeigt schematisch ein Blockdiagramm mit Komponenten des zentralen Kontrollers zu der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems.
-
In 1 wird schematisch ein Blockdiagramm 100 mit Kommunikationspfaden 102, 103, 104 zwischen einem zentralem Kontroller 101 und jeweiligen Modulen samt jeweiliger Kontrolleinheit 111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134 in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems eines Fahrzeuges gezeigt. Dabei umfasst die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems einen Drehstrommotor 140, den zentralen Kontroller 101, mit diesem verbunden drei Hochgeschwindigkeitsbusse HSBu 102, HSBv 103 und HSBw 104 zu den in drei Strängen angeordneten Modulen 111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134, welche in einem u-Strang mit Modulen u1 111, u2 112, u3 113 bis uN 114 eine Phasenspannung Uu 107 erzeugen, in einem v-Strang mit Modulen v1 121, v2 122, v3 123 bis vN 124 eine Phasenspannung Uv 108 erzeugen und in einem w-Strang mit Modulen w1 131, w2 132, w3 133 bis wN 134 eine Phasenspannung Uw 109 erzeugen. Die jeweiligen Hochgeschwindigkeitsbusse 102, 103, 104 können auch vielfach als jeweilig ein Steuerungs-Hochgeschwindigkeitsbus und ein Daten-Hochgeschwindigkeitsbus ausgelegt sein. Während an einem jeweiligen Ende der drei Stränge die jeweiligen Phasenspannungen Uu 107, Uv 108, Uw 109 dem Drehstrommotor 140 zugeführt sind, sind die jeweilig anderen Enden der drei Stränge zu einem doppelten Neutralpunkt 105 zusammengefasst, wobei ein jeweiliger Strang eine zweiadrige Intermodulverbindung 106 aufweist. Der zentrale Kontroller 101 ist mit einem CAN-Bus 150 des Fahrzeuges verbunden. Statt über den CAN-Bus 150 könnte der zentrale Kontroller 101 aber auch über ein anderes Kommunikationssystem mit dem Fahrzeug bzw. einer Steuereinheit des Fahrzeugs verbunden sein.
-
In 2 wird schematisch ein Blockdiagramm 200 mit Komponenten 211 des zentralen Kontrollers 101 zu der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems 201 gezeigt. Das Multilevelkonverter-Gesamtsystem 210 wird durch den zentralen Kontroller 101 und den durch den zentralen Kontroller 101 gesteuerten modularen Multilevelkonverter 202 gebildet. Der zentrale Kontroller 101 weist als Komponenten 211 folgende funktionale Blöcke auf, welche als Programmabläufe bzw. Software in Verbindung mit der jeweiligen Hardware ausgeführt werden: Schnittstelle bzw. Schnittstellensoftware zum Daten-Hochgeschwindigkeitsbus HSB-Data 220a, Schnittstelle bzw. Schnittstellensoftware zum Steuerungs-Hochgeschwindigkeitsbus HSB-CMD 220b, Inverter 221, Batteriemanagementsystem 222, Laden bzw. Ladeablauf 223, Niedervolt-Abgriff 224, Firmware-Updater 225, Analog-Digital-Wandler 226, Motor-Regelung 227, Sigma-Delta-Modulation 228, Scheduler 229. Der modulare Multilevelkonverter 202 wird durch die in 1 gezeigten Modulstränge 230 gebildet. Eine mögliche Schaltung eines Moduls 131 wird im Multilevelkonverter-Modul 240 mit einer Kontrolleinheit 242, M=8 Halbleiterschaltern und einem Energieschalter 241 dargestellt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2018/0109202 [0002]
- US 2014/0111123 A1 [0003]
- US 2019/0288617 A1 [0004]
- US 2016164399 [0005]
