DE102020131509A1 - Method for controlling a converter in a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Umrichters in einem Kraftfahrzeug, wobei der Umrichter eine Gleichspannung einer elektrischen Energiequelle des Kraftfahrzeugs in eine Wechselspannung wandelt und an eine elektrische Maschine ausgibt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Empfang einer Nutzerauswahl (S1);- Anpassung eines vom Umrichter verwendeten Modulationsverfahrens zur Wandlung der Gleichspannung in die Wechselspannung in Abhängigkeit von der Nutzerauswahl (S2).The invention relates to a method for controlling a converter in a motor vehicle, the converter converting a DC voltage from an electrical energy source in the motor vehicle into an AC voltage and outputting it to an electric machine, the method comprising the following steps: - receiving a user selection (S1); - Adaptation of a modulation method used by the converter to convert the DC voltage into the AC voltage depending on the user selection (S2).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Umrichters in einem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1.The present invention relates to a method for controlling a converter in a motor vehicle according to claim 1.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Steuerung eines Umrichters in einem Kraftfahrzeug bekannt. So offenbart beispielsweise die
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das das vom Umrichter verwendete Modulationsverfahren besser an andere Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs anpasst. Außerdem soll ein Kraftfahrzeug mit einer Steuerungseinheit geschaffen werden, die dazu ausgebildet ist, ein solches Verfahren auszuführen.In contrast, the object of the present invention is to create a method that better adapts the modulation method used by the converter to other operating parameters of the motor vehicle. In addition, a motor vehicle is to be created with a control unit that is designed to carry out such a method.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method according to claim 1 and by a motor vehicle according to claim 9. Embodiments of the invention are given in the dependent claims.
Der Umrichter wandelt eine Gleichspannung einer elektrischen Energiequelle des Kraftfahrzeugs in eine Wechselspannung und gibt diese an eine elektrische Maschine aus. Unter der elektrischen Maschine wird im Rahmen dieser Beschreibung somit das Element verstanden, das vom Umrichter mit der Wechselspannung versorgt wird und diese in eine mechanische Bewegung umwandelt. Gemäß Anspruch 1 wird zunächst eine Nutzerauswahl empfangen. Die Nutzerauswahl kann beispielsweise von einem Nutzereingabemittel wie einem Touchscreen, einem Schaltknopf, einem Drehknopf, einem Joystick oder einem Hebel empfangen werden. In Abhängigkeit von der Nutzerauswahl wird das vom Umrichter verwendete Modulationsverfahren zur Wandlung der Gleichspannung in die Wechselspannung angepasst.The converter converts a DC voltage of an electric power source of the motor vehicle into an AC voltage and outputs it to an electric machine. In the context of this description, the electric machine is thus understood to be the element that is supplied with the AC voltage by the converter and converts it into a mechanical movement. According to claim 1, a user selection is first received. The user selection can be received, for example, from a user input means such as a touch screen, a button, a rotary knob, a joystick or a lever. Depending on the user selection, the modulation method used by the converter to convert the DC voltage into the AC voltage is adjusted.
Wenn beispielsweise die Nutzerauswahl besagt, dass der Nutzer einen höheren Fahrkomfort wünscht, kann ein Modulationsverfahren verwendet werden, das eine geringere Geräuschentwicklung in der elektrischen Maschine zur Folge hat. Wenn die Nutzerauswahl beispielsweise besagt, dass der Nutzer eine möglichst hohe Reichweite des elektrischen Kraftfahrzeugs abrufen möchte, kann ein Modulationsverfahren verwendet werden, bei dem die Effizienz des elektrischen Antriebs besonders hoch ist. Unter dem elektrischen Antrieb wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere die Kombination aus der elektrischen Maschine und dem Umrichter verstanden.For example, if the user selection says that the user desires greater driving comfort, a modulation method can be used that results in less noise being generated in the electric machine. If the user selection says, for example, that the user would like to retrieve the greatest possible range of the electric motor vehicle, a modulation method can be used in which the efficiency of the electric drive is particularly high. In the context of this description, the electric drive means in particular the combination of the electric machine and the converter.
Wenn die Nutzerauswahl beispielsweise besagt, dass der Nutzer eine möglichst hohe Performance des elektrischen Antriebs abrufen möchte, kann ein Modulationsverfahren verwendet werden, bei dem die Leistung des Antriebs gesteigert wird.If the user selection says, for example, that the user wants to obtain the highest possible performance from the electric drive, a modulation method can be used in which the power of the drive is increased.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Nutzerauswahl eine Auswahl eines Betriebsmodus des Kraftfahrzeugs aus einer Vielzahl an Betriebsmodi betreffen. Die Betriebsmodi umfassen dabei alle den Antrieb des Kraftfahrzeugs mittels der elektrischen Maschine. Im Sinne dieser Beschreibung sind also beispielsweise die Beschleunigung des Kraftfahrzeugs und das Bremsen des Kraftfahrzeugs keine unterschiedlichen Betriebsmodi.According to one embodiment of the invention, the user selection can relate to a selection of an operating mode of the motor vehicle from a large number of operating modes. The operating modes all include driving the motor vehicle by means of the electric machine. For the purposes of this description, the acceleration of the motor vehicle and the braking of the motor vehicle are not different operating modes, for example.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann jedem der Betriebsmodi ein vom Umrichter zu verwendendes Modulationsverfahren zugeordnet sein. Es ist insbesondere möglich, dass jedem der Betriebsmodi genau ein einziges vom Umrichter zu verwendendes Modulationsverfahren zugeordnet ist.According to one embodiment of the invention, a modulation method to be used by the converter can be assigned to each of the operating modes. In particular, it is possible for each of the operating modes to be assigned exactly one modulation method to be used by the converter.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Modulationsverfahren Pulsweitenmodulation verwenden.According to an embodiment of the invention, the modulation methods can use pulse width modulation.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können eine Leistungsfähigkeit, Effizienz und eine Geräuschentwicklung der elektrischen Maschine und/oder des Umrichters vom verwendeten Modulationsverfahren abhängen.According to one embodiment of the invention, a performance, efficiency and noise development of the electrical machine and/or the converter can depend on the modulation method used.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können beim Empfang der Nutzerauswahl weitere Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs angepasst werden. Die weiteren Betriebsparameter können beispielsweise das Fahrwerk betreffen. So kann in Abhängigkeit von der Nutzerauswahl eine sportlichere oder komfortablere Abstimmung des Fahrwerks eingestellt werden. Es ist auch möglich, dass in Abhängigkeit von der Nutzerauswahl beispielsweise eine Heiz- oder Kühlleistung des Kraftfahrzeugs für die Luft im Innenraum des Kraftfahrzeugs angepasst wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, falls gemäß der Nutzerauswahl eine besonders hohe Reichweite des Kraftfahrzeugs erzielt werden soll.According to one embodiment of the invention, further operating parameters of the motor vehicle can be adjusted upon receipt of the user selection. The other operating parameters can relate to the chassis, for example. Depending on the user selection, a sportier or more comfortable suspension setup can be set. It is also possible that depending on the user selection, for example, a heating or cooling capacity of the motor vehicle for the air in the interior of the motor vehicle is adjusted. This can be the case, for example, if a particularly long range of the motor vehicle is to be achieved according to the user selection.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Nutzerauswahl einen Fahrkomfort des Kraftfahrzeugs und/oder eine Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine betreffen. Die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine kann beispielsweise die Reichweite, die mögliche Beschleunigung oder eine maximal mögliche Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs betreffen. Wenn beispielsweise gemäß der Nutzerauswahl eine möglichst hohe Reichweite, eine möglichst hohe Beschleunigung und/oder eine möglichst hohe Geschwindigkeit erreicht werden soll, kann ein Modulationsverfahren verwendet werden, das eine besonders hohe Effizienz des Umrichters und der elektrischen Maschine, also insgesamt des elektrischen Antriebs, zur Folge hat. Wenn beispielsweise gemäß der Nutzerauswahl ein besonders hoher Fahrkomfort erreicht werden soll, kann ein Modulationsverfahren verwendet werden, bei dem die elektrische Maschine besonders wenig Geräusche erzeugt.According to one embodiment of the invention, the user selection can relate to the driving comfort of the motor vehicle and/or the performance of the electric machine. The performance of the electric machine can relate, for example, to the range, the possible acceleration or a maximum possible speed of the motor vehicle. If, for example, according to the user selection, the highest possible range, the highest possible acceleration and/or the highest possible speed are achieved If this is to be the case, a modulation method can be used which results in a particularly high efficiency of the converter and of the electrical machine, that is to say of the electrical drive as a whole. If, for example, a particularly high level of driving comfort is to be achieved according to the user selection, a modulation method can be used in which the electric machine generates particularly little noise.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das verwendete Modulationsverfahren aus den folgenden Modulationsverfahren ausgewählt werden: Kontinuierliche Pulsweitenmodulationen über Sinus-Pulsweitenmodulation, Sinus-Pulsweitenmodulation mit Injektion einer 3. Harmonischen oder Raumzeigermodulation - jeweils mit asynchroner oder synchroner sowie konstanter oder variabler Taktfrequenz - sowie diskontinuierliche oder diskrete Pulsweitenmodulation (beispielsweise Flat-Top Verfahren) bei konstanter oder variabler Taktfrequenz, Blockkommutierung und direkte Selbstregelung über einen Hysterese-Regler (engl.: „Direct Torque Control“) oder direkte Selbstregelung in Kombination mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren („Deadbeat Direct Torque Control“).According to one embodiment of the invention, the modulation method used can be selected from the following modulation methods: Continuous pulse width modulation via sine pulse width modulation, sine pulse width modulation with injection of a 3rd harmonic or space vector modulation - each with an asynchronous or synchronous and constant or variable clock frequency - as well as discontinuous or discrete Pulse width modulation (e.g. flat-top method) with a constant or variable clock frequency, block commutation and direct self-regulation via a hysteresis controller (“Direct Torque Control”) or direct self-regulation in combination with a pulse width modulation method (“Deadbeat Direct Torque Control”).
Die Blockkommutierung stellt dabei das Modulationsverfahren mit der höchsten Effizienz im Hinblick auf entstehende Schaltverluste dar. Jedoch können bei der Blockkommutierung relativ laute Geräusche in der elektrischen Maschine entstehen. Die Blockkommutierung kann also beispielsweise verwendet werden, wenn die Nutzerauswahl eine möglichst hohe Effizienz des Umrichters und ggfs. der elektrischen Maschine betrifft.Block commutation is the modulation method with the highest efficiency in terms of switching losses. However, relatively loud noises can occur in the electrical machine during block commutation. Block commutation can therefore be used, for example, when the user selection relates to the highest possible efficiency of the converter and, if applicable, of the electrical machine.
Bei der diskontinuierlichen Pulsweitenmodulation entstehen weniger Schaltverluste als bei kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren, sodass die Effizienz des Umrichters und der elektrischen Maschine immer noch relativ hoch ist. Die Geräuschentwicklung in der elektrischen Maschine ist im niedrigen Drehzahlbereich zu berücksichtigen und kann beispielsweise mit Hilfe einer Breitbandverschiebung um die PWM-Frequenz gemindert werden. Bei höheren Drehzahlen ist die Geräuschentwicklung im Vergleich zu anderen Modulationsverfahren gegebenenfalls weniger auffällig.Less switching losses occur with discontinuous pulse width modulation than with continuous pulse width modulation processes, so that the efficiency of the converter and the electrical machine is still relatively high. The noise development in the electric machine must be taken into account in the low speed range and can be reduced, for example, with the help of a broadband shift around the PWM frequency. At higher speeds, the noise development may be less noticeable compared to other modulation methods.
Die kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren führen zu einer geringeren Geräuschentwicklung bei möglichst hoher Taktfrequenz - größer als das zehnbis zwanzigfache der Grundfrequenz. Je höher die Taktfrequenz ist, desto geringer ist die Amplitude des wahrnehmbaren Geräusches durch die Taktfrequenz. Die Amplituden der Geräusche sollten gerade im durch einen menschlichen Benutzer wahrnehmbaren Geräuschspektrum, das zwischen 20Hz bis zu 20kHz liegt, gering sein.The continuous pulse width modulation process leads to less noise development at the highest possible clock frequency - greater than ten to twenty times the basic frequency. The higher the clock frequency, the lower the amplitude of the noise that can be perceived by the clock frequency. The amplitudes of the noises should be low, precisely in the noise spectrum perceivable by a human user, which is between 20Hz and 20kHz.
Andererseits kann eine variable Taktfrequenz auf effizienzoptimale Betriebspunkte optimiert sein, die die Geräuschkulisse beeinflussen, aber die Reichweite erhöhen können.On the other hand, a variable clock frequency can be optimized for efficiency-optimal operating points that affect the background noise but can increase the range.
Beispielsweise können die kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren bei möglichst hoher Taktfrequenz - größer als das zehn- bis zwanzigfache der Grundfrequenz - verwendet werden, wenn die Nutzerauswahl einen besonders hohen Komfort betrifft. Diese Nutzerauswahl kann beispielsweise auch eine weniger sportliche und mehr auf Komfort ausgelegte Abstimmung des Fahrwerks zur Folge haben.For example, the continuous pulse width modulation method can be used at the highest possible clock frequency—greater than ten to twenty times the basic frequency—if the user selection relates to a particularly high level of comfort. This user selection can, for example, also result in a less sporty and more comfort-oriented tuning of the chassis.
Die direkte Selbstregelung kann die Effizienz gerade in den Bereichen erhöhen, wo die Schätzung des magnetischen Flusses und des Drehmomentes eine hohe Genauigkeit aufweist.Direct self-regulation can increase efficiency in areas where magnetic flux and torque estimation is highly accurate.
Die direkte Selbstregelung in Kombination mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren erhöht die Systemdynamik, da es eine Deadbeat-Dynamik aufweist und in einem Zeitschritt den gewünschten Sollwert erreicht. Auch diese Regelung ist beschränkt auf Drehzahlbereiche, wo die Schätzung des Flusses und des Drehmomentes eine hohe Genauigkeit aufweist. Die Geräuschentwicklung ist hier ähnlich zu einem kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren.The direct self-regulation in combination with a pulse width modulation method increases the system dynamics, as it has deadbeat dynamics and reaches the desired setpoint in one time step. This regulation is also limited to speed ranges where the estimation of the flux and the torque has a high level of accuracy. The noise development here is similar to a continuous pulse width modulation method.
Die Blockkommutierung, die Synchronmodulation, die diskontinuierliche Pulsweitenmodulation oder die direkte Selbstregelung können beispielsweise verwendet werden, wenn die Nutzerauswahl eine möglichst hohe Reichweite des Kraftfahrzeugs betrifft.Block commutation, synchronous modulation, discontinuous pulse width modulation or direct self-regulation can be used, for example, if the user selection concerns the longest possible range for the motor vehicle.
Die Blockkommutierung kann ebenfalls verwendet werden, wenn die Nutzerauswahl eine möglichst hohe Beschleunigung bei hohen Drehzahlen und eine möglichst hohe maximale Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs betrifft.Block commutation can also be used if the user selection concerns the highest possible acceleration at high speeds and the highest possible maximum speed of the motor vehicle.
Die kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren können auch verwendet werden, wenn die Nutzerauswahl einen Kompromiss zwischen Komfort und Effizienz des Umrichters und der elektrischen Maschine betrifft.The continuous pulse width modulation methods can also be used when the user choice concerns a compromise between comfort and efficiency of the converter and the electric machine.
Es ist auch möglich, dass nach Empfang der Nutzerauswahl zunächst ein erstes der Modulationsverfahren und anschließend ein zweites der Modulationsverfahren verwendet wird. Beispielsweise kann zunächst die ein kontinuierliches Pulsweitenmodulationsverfahren mit anschließendem Übergang über die Synchronmodulation oder eine direkte Selbstregelung mit Pulsweitenweitenmodulation (DB-DTC) in die Blockkommutierung verwendet werden, wenn der Nutzer eine besonders hohe Beschleunigung und maximal mögliche Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs erreichen möchte.It is also possible that, after receiving the user selection, a first of the modulation methods is used first and then a second of the modulation methods is used. For example, a continuous pulse width modulation method with a subsequent transition to synchronous modulation or direct self-regulation can first be used be used with pulse width modulation (DB-DTC) in the block commutation if the user wants to achieve particularly high acceleration and the maximum possible speed of the motor vehicle.
Zu Steigerung der Performance kann auch eine direkte Selbstregelung (Direct Torque Control) oder eine direkte Selbstregelung bei durchgehender Beibehaltung einer kontinuierlichen Pulsweitenmodulation (Deadbeat-Direct Torque Control) dienen.Direct self-regulation (direct torque control) or direct self-regulation while continuously maintaining continuous pulse width modulation (deadbeat direct torque control) can also be used to increase performance.
Das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 umfasst einen elektrischen Energiespeicher, eine elektrische Maschine, einen Umrichter und eine Steuerungseinheit. Der elektrische Energiespeicher ist dazu ausgebildet, eine Gleichspannung an den Umrichter auszugeben. Der Umrichter ist dazu ausgebildet, die Gleichspannung unter Verwendung eines Modulationsverfahrens in eine Wechselspannung zu wandeln und die Wechselspannung an die elektrische Maschine auszugeben. Die Steuerungseinheit ist dazu ausgebildet, ein Verfahren nach einer Ausführungsform der Erfindung auszuführen.The motor vehicle according to claim 9 comprises an electrical energy store, an electrical machine, a converter and a control unit. The electrical energy store is designed to output a DC voltage to the converter. The converter is designed to convert the DC voltage into an AC voltage using a modulation method and to output the AC voltage to the electrical machine. The control unit is designed to carry out a method according to an embodiment of the invention.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Abbildung.Further features and advantages of the present invention become clear from the following description of a preferred exemplary embodiment with reference to the accompanying figure.
In einem ersten Schritt S1 wird eine Nutzerauswahl empfangen. Dies kann beispielsweise geschehen, wenn ein Nutzer mit einem Eingabemittel wie einem Touchscreen einen bestimmten Betriebsmodus des Kraftfahrzeugs auswählt. Als Eingabemittel kann beispielsweise auch ein Drehknopf, ein Schalter oder ein Joystick verwendet werden. Der Betriebsmodus kann beispielsweise einen Nutzerwunsch nach besonders hohem Komfort, besonders großer Beschleunigung und maximal möglicher Geschwindigkeit, besonders großer Reichweite des Kraftfahrzeugs oder einem Kompromiss hieraus enthalten.In a first step S1 a user selection is received. This can happen, for example, when a user selects a specific operating mode of the motor vehicle using an input device such as a touch screen. For example, a rotary knob, a switch or a joystick can also be used as input means. The operating mode can contain, for example, a user request for a particularly high level of comfort, particularly high acceleration and maximum possible speed, a particularly large range for the motor vehicle, or a compromise therefrom.
In Abhängigkeit von der Nutzerauswahl wird dann in Schritt S2 das vom Umrichter zu verwendende Modulationsverfahren zur Wandlung der Gleichspannung aus der elektrischen Energiequelle in eine an die elektrische Maschine auszugebende Wechselspannung festgelegt.Depending on the user selection, the modulation method to be used by the converter for converting the DC voltage from the electrical energy source into an AC voltage to be output to the electrical machine is then defined in step S2.
Als Modulationsverfahren können beispielsweise eine kontinuierliche Pulsweitenmodulationen über Sinus-Pulsweitenmodulation, Sinus-Pulsweitenmodulation mit Injektion einer 3. Harmonischen oder Raumzeigermodulation - jeweils mit asynchroner oder synchroner sowie konstanter oder variabler Taktfrequenz - sowie diskontinuierliche / diskrete Pulsweitenmodulation bei konstanter oder variabler Taktfrequenz, Blockkommutierung und direkte Selbstregelung über einen Hysterese-Regler (engl.: „Direct Torque Control“) oder direkte Selbstregelung in Kombination mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren („Deadbeat Direct Torque Control“) verwendet werden. Diese Verfahren haben unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf die Leistungsfähigkeit und die Effizienz des Umrichters und der elektrischen Maschine. Außerdem erzeugt die elektrische Maschine in Abhängigkeit vom verwendeten Modulationsverfahren unterschiedlich laute Geräusche.As modulation methods, for example, continuous pulse width modulation via sine pulse width modulation, sine pulse width modulation with injection of a 3rd harmonic or space vector modulation - each with asynchronous or synchronous as well as constant or variable clock frequency - as well as discontinuous / discrete pulse width modulation with constant or variable clock frequency, block commutation and direct self-regulation can be used via a hysteresis controller (“Direct Torque Control”) or direct self-regulation in combination with a pulse width modulation method (“Deadbeat Direct Torque Control”). These methods have different properties with regard to the performance and efficiency of the converter and the electrical machine. In addition, the electric machine generates noises of different loudness depending on the modulation method used.
Wenn die Nutzerauswahl beispielsweise den Wunsch des Nutzers nach möglichst hohem Komfort enthält, kann ein Modulationsverfahren verwendet werden, bei dem zwar die Effizienz der elektrischen Maschine und des Umrichters nicht so hoch ist, dafür aber wenig Geräusche in der elektrischen Maschine entstehen. Dies kann beispielsweise die Raumzeigermodulation sein.For example, if the user selection contains the user's desire for the greatest possible comfort, a modulation method can be used in which the efficiency of the electric machine and the converter is not that high, but little noise is produced in the electric machine. This can be space vector modulation, for example.
Wenn die Nutzerauswahl beispielsweise den Wunsch des Nutzers nach einem möglichst leistungsstarken Antrieb enthält, um hohe Beschleunigungen bei hohen Drehzahlen und hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, kann beispielsweise die Blockkommutierung verwendet werden.If the user selection contains, for example, the user's desire for a drive that is as powerful as possible in order to achieve high accelerations at high speeds and high speeds, block commutation can be used, for example.
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