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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung für ein elektrisches Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug.
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Stand der Technik
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Elektrische Antriebssysteme werden beispielsweise in ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt. Dabei wird elektrische Energie von einer sogenannten Traktionsbatterie bereitgestellt und mittels eines elektrischen Stromrichters in eine Wechselspannung konvertiert. Ausgegebene Wechselspannung ist dazu geeignet, die elektrische Maschine gemäß den gewünschten Soll-Wert-Vorgaben zu betreiben.
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Die Druckschrift
DE 10 2017 203 668 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Wechselrichters für ein Antriebssystem. Das vorgestellte Verfahren umfasst einen Schritt zum Bestimmen einer Schaltfrequenz für den Wechselrichter unter Verwendung eines Arbeitspunktesignals. Das Verfahren weist ferner einen Schritt zum Bereitstellen eines Frequenzsignals auf, um an dem Wechselrichter eine vorgegebene Schaltfrequenz einzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Steuervorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebssystems für ein Fahrzeug, sowie ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Eine Steuervorrichtung für ein elektrisches Antriebssystem eines Fahrzeugs. Das elektrische Antriebssystem umfasst mindestens einen Stromrichter und eine elektrische Maschine. Die Steuereinrichtung für das Antriebssystem umfasst eine Verarbeitungseinrichtung und eine Steuereinrichtung. Die Verarbeitungseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine aktuelle räumliche Position des Fahrzeugs zu ermitteln. Zusätzlich oder alternativ kann die Verarbeitungseinrichtung eine geplante Fahrtstrecke ermitteln. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, Steuersignale zur Ansteuerung des Spannungswandlers zu generieren. Die Steuersignale können insbesondere gemäß einem vorbestimmten Modulationsverfahren generiert werden. Die generierten Steuersignale können an dem Spannungswandler des Antriebssystems bereitgestellt werden. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, das Modulationsverfahren unter Verwendung der ermittelten räumlichen Position des Fahrzeugs und/oder der geplanten Fahrtstrecke anzupassen.
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Weiterhin ist vorgesehen:
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Ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, einem Stromrichter, der dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine anzusteuern, und einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung.
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Schließlich ist vorgesehen:
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Ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebssystems für ein Fahrzeug. Das elektrische Antriebssystem kann mindestens einen Stromrichter und eine elektrische Maschine umfassen. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Ermitteln einer aktuellen räumlichen Position des Fahrzeugs. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren eine geplante Fahrtstrecke für das Fahrzeug ermitteln. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Betreiben des Spannungswandlers mit einem vorbestimmten Modulationsverfahren. Dabei wird das Modulationsverfahren unter Verwendung der ermittelten räumlichen Position des Fahrzeugs und/oder der ermittelten geplanten Fahrtstrecke angepasst.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Wahl des Modulationsverfahrens für die Ansteuerung der Schaltelemente in einem Spannungswandler eines elektrischen Antriebssystems einen signifikanten Einfluss auf das Betriebsverhalten und die Effizienz des Antriebssystems hat. Je nach Wahl des Modulationsverfahrens und Parametrisierung des gewählten Modulationsverfahrens können dabei unterschiedliche Ziele optimiert werden.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und den Betrieb eines elektrischen Antriebssystems für ein ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug unter Berücksichtigung der Fahrtstrecke anzupassen. Hierzu kann das Modulationsverfahren für die Ansteuerung eines Spannungswandlers in dem elektrischen Antriebssystem sowie die Parametrisierung, insbesondere die Wahl der verwendeten Schaltfrequenz in dem jeweiligen Modulationsverfahren auf Grundlage der geplanten Fahrtstrecke und/oder einer aktuellen räumlichen Position des Fahrzeugs dynamisch angepasst werden.
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Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, durch die Wahl und Parametrisierung des Modulationsverfahrens die Effizienz zu steigern, um insbesondere bei langen Fahrtstrecken auch die Reichweite des Elektrofahrzeugs zu steigern. Alternativ kann beispielsweise der Fahrkomfort oder die Fahrdynamik des Fahrzeugs gesteigert werden und dabei gegebenenfalls eine schlechtere Effizienz in Kauf genommen werden, falls es aufgrund der geplanten Fahrtstrecke bekannt ist, dass ein Ziel auch mit geringerer Effizienz und somit höherem Energieverbrauch sicher erreicht werden kann.
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Ferner können beispielsweise auch Vorgaben bezüglich einer Geräuschentwicklung des Antriebssystems durch entsprechendes Anpassen des Modulationsverfahrens erfüllt werden. Beispielsweise kann das Modulationsverfahren in Wohngebieten oder in Tunneln für eine möglichst geringe Geräuschentwicklung optimiert werden. Bestehen dagegen keine Einschränkungen für die zu erwartende Geräuschentwicklung des Antriebssystems, so kann an der entsprechenden Position oder entlang der geplanten Fahrtstrecke bei höherer Geräuschentwicklung die Effizienz oder gegebenenfalls auch weitere Parameter optimiert werden.
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Darüber hinaus können auch weitere Rahmenbedingungen, wie beispielsweise eine hohe Dauerlast über eine längere Fahrtstrecke und damit verbundene thermische Eigenschaften mit in die Wahl und Konfiguration des Modulationsverfahrens für die Ansteuerung des Spannungswandlers einbezogen werden. Selbstverständlich können auch beliebige weitere Kriterien und Rahmenbedingungen auf Basis der aktuellen räumlichen Position des Fahrzeugs und/oder der geplanten Fahrtstrecke mit in die Wahl und Konfiguration des Modulationsverfahrens einbezogen werden.
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Als Modulationsverfahren für die Ansteuerung des Spannungswandlers sind beliebige geeignete Modulationsverfahren möglich. Beispielsweise kann die Ansteuerung auf Basis einer zeit- oder winkelsynchronen Pulsbreitenmodulation (Englisch: Pulse Width Modulation, PWM) erfolgen. Insbesondere ist beispielsweise eine Raumzeiger-Pulsbreitenmodulation (Englisch: Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM) möglich. Darüber hinaus existieren auch spezielle Modulationsverfahren, die beispielsweise die Schalthäufigkeit und die damit verbundenen Schaltvorgänge reduzieren können, um somit zum Beispiel Schaltverluste in dem Spannungswandler zu reduzieren. Derartige Verfahren sind beispielsweise unter dem Begriff „Fiat-Top-Verfahren“, „Blockbetrieb“, oder ähnliches bekannt. Selbstverständlich können auch beliebige weitere geeignete Modulationsverfahren eingesetzt werden.
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Neben der Wahl des Modulationsverfahrens kann auch die Taktrate bzw. Schaltfrequenz, mit der die Schaltelemente in dem Spannungswandler ein- bzw. ausgeschaltet werden, angepasst werden. So führt beispielsweise eine Steigerung der Schaltfrequenz zu einem häufigeren Ein- bzw. Ausschalten der Schaltelemente und somit zu höheren Schaltverlusten. Andererseits führt eine solche Steigerung der Schaltfrequenz in der Regel zu geringeren Oberschwingungen und somit zu geringeren Verlusten in der elektrischen Maschine des Antriebssystems. Ferner kann auch ein möglicherweise auftretender Spannungsrippel am Eingang des Spannungswandlers durch geeignete Wahl der Schaltfrequenz und/oder Wahl des Modulationsverfahrens beeinflusst werden.
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Für die Steuerung des Modulationsverfahrens in Abhängigkeit der Fahrzeugposition bzw. geplanten Fahrtstrecke kann die Fahrzeugposition auf beliebige geeignete Weise ermittelt werden. Beispielsweise kann die Fahrzeugposition mittels eines Satelliten-basierten Navigationssystems (Englisch: Global Navigation Satellite System, GNSS), wie zum Beispiel Global Positioning System (GPS) oder ähnliches ermittelt werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Position eines Fahrzeugs möglich.
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Die geplante Fahrtstrecke kann beispielsweise auf Grundlage von geeigneten Benutzereingaben ermittelt werden. Zum Beispiel kann ein Benutzer ein Fahrtziel eingeben. Daraufhin kann mittels einer geeigneten Navigationssoftware oder ähnlichem eine Fahrtstrecke von der aktuellen räumlichen Position zu dem Fahrtziel berechnet werden. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, potentielle Fahrtstrecken auf Basis von Daten früherer Fahrten oder ähnlichem zu ermitteln. Beispielsweise können regelmäßig wiederkehrende Fahrten identifiziert werden und mögliche potentielle Fahrten auf Grundlage von früheren Fahrten geschätzt werden. Hierzu können gegebenenfalls die jeweiligen Fahrtstrecken und/oder Positionen eines Fahrzeugs protokolliert in einem geeigneten Speicher abgespeichert werden. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Verfahren möglich, die dazu geeignet sind, eine potentielle Fahrtstrecke zu prognostizieren.
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Durch die Berücksichtigung der aktuellen Position des Fahrzeugs und/oder einer geplanten Fahrstrecke kann somit das Betriebsverhalten des elektrischen Antriebssystems und insbesondere das für die Ansteuerung des Spannungswandlers eingesetzte Modulationsverfahren angepasst werden. Beispielsweise kann zu Beginn einer Fahrt ein geeignetes Modulationsverfahren und/oder eine Parametrisierung des Modulationsverfahrens ermittelt werden, die während der gesamten Fahrtstrecke verwendet wird. Alternativ ist es auch möglich, das Modulationsverfahren und/oder die Parametrisierung des Modulationsverfahrens dynamisch während der Fahrt auf Grundlage der aktuellen räumlichen Position und/oder der noch zurückzulegenden Fahrtstrecke, sowie gegebenenfalls beliebigen weiteren geeigneten Parametern anzupassen. Auf diese Weise ist es möglich, das elektrische Antriebssystem, und insbesondere den Spannungswandler des elektrischen Antriebssystems gemäß den erforderlichen Rahmenbedingungen optimal anzusteuern.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, zwischen mehreren vorgegebenen Modulationsverfahren zu wechseln. Zusätzlich oder alternativ kann eine Schaltfrequenz für das Ansteuern des Stromrichters, insbesondere der Schaltelemente in dem Stromrichter angepasst werden. Wie zuvor bereits beschrieben, kann für die Ansteuerung des Stromrichters in dem elektrischen Antriebssystem zwischen mehreren möglichen Modulations- oder Ansteuerverfahren ausgewählt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der jeweiligen Modulationsverfahren können je nach Rahmenbedingungen und zu optimierenden Vorgaben jeweils unterschiedliche Modulationsverfahren vorteilhaft sein. Die Steuereinrichtung kann in diesem Fall unter Berücksichtigung der aktuellen räumlichen Position und/oder der geplanten Fahrtstrecke jeweils ein geeignetes Modulationsverfahren auswählen und anwenden. Beispielsweise kann für eine Fahrt durch Wohngebiete oder in Tunneln ein Modulationsverfahren ausgewählt werden, welches zu einer möglichst geringen Geräuschentwicklung führt. Für lange Fahrtstrecken dagegen kann ein Modulationsverfahren vorteilhaft sein, welches mit besonders geringen Verlusten verbunden ist und somit eine hohe Effizienz aufweist. Soll über einen längeren Zeitraum auf der Fahrtstrecke eine hohe Leistung abgerufen werden, so sind beispielsweise Modulationsverfahren geeignet, die vorzugsweise zu einer geringeren thermischen Belastung, insbesondere der elektrischen Maschine, beispielsweise in dem Rotor der elektrischen Maschine, führen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, einen Temperaturverlauf in dem elektrischen Antriebssystem während der geplanten Fahrt zu berechnen. Die Steuereinrichtung kann in diesem Fall dazu ausgelegt sein, das Modulationsverfahren unter Verwendung des berechneten Temperaturverlaufs des elektrischen Antriebssystems anzupassen. Kann aus der geplanten Fahrtstrecke beispielsweise abgeleitet werden, dass hohe thermische Belastungen zu erwarten sind, beispielsweise aufgrund einer längeren Fahrtstrecke mit hoher Dauerleistung, so kann ein Modulationsverfahren ausgewählt werden, welches zu eher geringeren thermischen Beanspruchungen führt. Dabei können gegebenenfalls eine geringere Effizienz oder ungünstigere Eigenschaften der Fahrdynamik in Kauf genommen werden. Kann andererseits dagegen abgeschätzt werden, dass eine höhere thermische Belastung, insbesondere beispielsweise im Rotor der elektrischen Maschine, nicht zu erwarten ist, so können beispielsweise Modulationsverfahren eingesetzt werden, die nicht bezüglich der thermischen Entwicklung optimiert sind, dafür jedoch andere vorteilhafte Eigenschaften, wie beispielsweise höhere Effizienz, Laufruhe oder ähnliches aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, eine Vorgabe für eine Geräuschemission des Antriebssystems an einer vorbestimmten Position zu bestimmen. Die Steuereinrichtung kann in diesem Fall dazu ausgelegt sein, das Modulationsverfahren unter Verwendung der ermittelten Vorgabe für die Geräuschemission an der Position des Fahrzeugs anzupassen. Die Vorgaben für die Geräuschemission können beispielsweise auf Grundlage von zuvor abgespeicherten Vorgaben ermittelt werden. Beispielsweise kann hierzu ein geeignetes Kartenmaterial bereitgestellt werden. Alternativ können Vorgaben für Geräuschemissionen gegebenenfalls auch aus weiteren Eigenschaften abgeleitet werden. Beispielsweise kann für eine Fahrt innerhalb einer geschlossenen Ortschaft grundsätzlich eine geringere Geräuschemission gefordert werden, als für Fahrten außerhalb von Wohngebieten, beispielsweise auf Autobahnen. Entsprechend können beispielsweise für Fahrten durch Tunnel oder ähnliches auch geringere Geräuschemissionen gefordert werden. Da die Wahl des Modulationsverfahrens und auch die verwendete Schaltfrequenz Einfluss auf die Geräuschemission des elektrischen Antriebssystems haben können, kann durch eine geeignete Auswahl des Modulationsverfahrens Einfluss auf die Geräuschemission genommen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, ein Streckenprofil der geplanten Fahrtstrecke zu ermitteln. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, das Modulationsverfahren unter Verwendung des Streckenprofils der geplanten Fahrtstrecke anzupassen. Entsprechend können für einzelne Streckenabschnitte der geplanten Fahrtstrecke unterschiedliche Modulationsverfahren bzw. unterschiedliche Parametrisierungen der Modulationsverfahren eingestellt werden. Beispielsweise kann für einen Streckenabschnitt, bei dem eine hohe Dauerleistung erforderlich ist, ein Modulationsverfahren angewendet werden, welches zu einer geringeren thermischen Belastung der Komponenten, insbesondere der elektrischen Maschine führt. Entsprechend kann, wie zuvor bereits beschrieben, beispielsweise bei Fahrten durch Wohngebiete oder Tunnel ein Modulationsverfahren angewendet werden, welches zu einer geringeren Geräuschemission führt. Gegebenenfalls kann beispielsweise auch bei sehr kurvenreichen Fahrtstrecken oder Abschnitten ein Modulationsverfahren gewählt werden, welches eine höhere Fahrdynamik ermöglicht. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige weitere fahrtstreckenabhängige Konfigurationen des Modulationsverfahrens möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das elektrische Antriebssystem von einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Traktionsbatterie oder ähnlichem gespeist werden. In diesem Fall kann die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt sein, einen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers zu ermitteln. Die Steuereinrichtung kann dabei dazu ausgelegt sein, das Modulationsverfahren unter Verwendung des ermittelten Ladezustands des elektrischen Energiespeichers anzupassen. In diesem Fall kann beispielsweise das Modulationsverfahren und somit die damit einhergehende Effizienz des elektrischen Antriebssystems derart optimiert werden, dass ein geplantes Ziel noch sicher mit der in dem Energiespeicher zur Verfügung stehenden Energiemenge erreicht werden kann. Überschreitet beispielsweise der Ladezustand des Energiespeichers einen vorgegebenen Grenzwert, so kann ein Modulationsverfahren gewählt werden, welches einen höheren Fahrkomfort bei geringerer Effizienz bietet. Unterschreitet der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers einen Schwellwert, so kann beispielsweise auf ein Modulationsverfahren mit einer höheren Effizienz, jedoch geringerem Fahrkomfort gewechselt werden. Selbstverständlich sind auch beliebige weitere Schemata für die Anpassung des Modulationsverfahrens in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Steuereinrichtung eine Kommunikationsschnittstelle. Die Kommunikationsschnittstelle kann dazu ausgelegt sein, Daten der geplanten Fahrtstrecke von einem entfernten Server zu empfangen. Zusätzlich oder alternativ können auch Vorgaben für den Betrieb des Fahrzeugs entlang der geplanten Fahrtstrecke von dem entfernten Server empfangen werden. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, das Modulationsverfahren unter Verwendung der empfangenen Daten anzupassen. Bei der Kommunikationsschnittstelle kann es sich beispielsweise um eine kabellose Kommunikationsvorrichtung handeln, die beispielsweise mittels Mobilfunk oder ähnlichem Daten zwischen dem Fahrzeug und dem entfernten Server austauschen kann. Auf diese Weise können Rechenvorgänge auf dem entfernten Server durchgeführt werden und die Ergebnisse der Berechnungen über die Kommunikationsschnittstelle an das Fahrzeug zurückgesendet werden. Somit ist in dem Fahrzeug nur eine geringere Rechenleistung erforderlich. Darüber hinaus können auch von dem entfernten Server jeweils aktuelle Daten für Vorgaben, wie beispielsweise Beschränkungen für die Geräuschemission oder ein aktueller Verkehrszustand übertragen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise auch der Verkehrszustand und somit eine zu erwartende Höchstgeschwindigkeit mit in die Planung der Fahrtstrecke einbezogen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung eine Benutzerschnittstelle umfassen. Die Benutzerschnittstelle kann dazu ausgelegt sein, eine Benutzereingabe für Vorgaben zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems von einem Benutzer zu empfangen. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, das Modulationsverfahren unter Verwendung der Benutzereingabe anzupassen. Die Benutzereingabe kann beispielsweise eine Eingabe für das zu erreichende Fahrtziel, Vorgaben für die Fahrdynamik oder ähnliches umfassen. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige weitere Benutzereingaben möglich.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung, Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines elektrischen Antriebssystems mit einer Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 2: eine schematische Darstellung für das Einstellen von Betriebsparameter in Abhängigkeit der Rotortemperatur gemäß einer Ausführungsform; und
- 3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines elektrischen Antriebssystems für ein Elektrofahrzeug gemäß einer Ausführungsform. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine elektrische Maschine 3. Die elektrische Maschine 3 kann von einem Stromrichter, insbesondere einem ein- oder mehrphasigen Wechselrichter 2 gespeist werden. Der Stromrichter 2 wird eingangsseitig von einer elektrischen Energiequelle 4, insbesondere von einem elektrischen Energiespeicher, wie beispielsweise der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs gespeist. Der Stromrichter 2 konvertiert die von elektrischen Energiequelle 4 bereitgestellte elektrische Energie in eine elektrische Spannung, die dazu geeignet ist, an der elektrischen Maschine 3 einen gewünschten Betriebszustand, beispielsweise eine gewünschte Drehfrequenz oder ein gewünschtes Drehmoment einzustellen. Hierzu kann der Stromrichter 2 mehrere Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschaltelemente, wie beispielsweise bipolare Transistoren mit einem isolierten Gateanschluss (IGBT) oder Siliziumkarbid-Transistoren oder ähnliches umfassen. Die Schaltelemente des Stromrichters 2 können mittels geeigneter Steuersignale geöffnet und geschlossen werden. Hierzu können die einzelnen Schaltelemente des Stromrichters 2 mittels entsprechender Steuersignale angesteuert werden. Diese Steuersignale können beispielsweise von der Steuervorrichtung 1 bereitgestellt werden. Insbesondere können die Steuersignale mit einer vorbestimmten Taktfrequenz generiert werden. Insbesondere können die Halbleiterschaltelemente mittels Pulsbreitenmodulation (Englisch: Pulse Width Modulation, PWM) angesteuert werden. Die Vorgaben für das Einstellen eines bestimmten Betriebszustandes wie Drehfrequenz oder Drehmoment können beispielsweise mittels entsprechender Sollwertvorgaben S an der Steuervorrichtung 1 bereitgestellt werden.
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In dem Spannungswandler 2 können beispielsweise eine oder mehrere Halbbrücken (hier nicht dargestellt) vorgesehen sein. Insbesondere kann für jede elektrische Phase auf der Ausgangsseite des Spannungswandlers 2 eine Halbbrücke vorgesehen sein. Jede Halbbrücke kann hierbei beispielsweise zwei Halbleiterschaltelemente umfassen.
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Die einzelnen Halbleiterschaltelemente können gemäß einem vorgegebenen Schaltschema angesteuert, das heißt geöffnet und geschlossen werden. Hierzu kann an den Steueranschlüssen der Halbleiterschalter jeweils ein geeignetes Steuersignal bereitgestellt werden. Diese Steuersignale können beispielsweise von der Vorrichtung 1 zur Steuerung des Spannungswandlers 2 bereitgestellt werden.
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Üblicherweise werden die einzelnen Schaltelemente des Spannungswandlers 2 periodisch geöffnet und geschlossen. Hierzu kann entweder eine winkelsynchrone oder zeitsynchrone Taktung verwendet werden. Bei einer winkelsynchronen Taktung kann die Periodendauer entsprechend der Phasengeschwindigkeit bzw. der Drehfrequenz einer angeschlossenen elektrischen Maschine 3 angepasst werden. Bei einer zeitsynchronen Taktung dagegen ist die Periodendauer unabhängig von der Phasengeschwindigkeit bzw. Drehfrequenz der elektrischen Maschine 3. In Regel erfolgen in jeder Periode des jeweiligen Zeitrasters ein Öffnen und ein Schließen des jeweiligen Schaltelements des Spannungswandlers 2. Durch Variation des Tastverhältnisses kann die effektive Spannungshöhe am Ausgang des Spannungswandlers 2 eingestellt werden. Eine solche Variation des Tastverhältnisses ist auch unter dem Begriff „Pulsbreitenmodulation“ (Englisch: Pulse Width Modulation - PWM) bekannt.
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Die Vorrichtung 1 zur Steuerung des Spannungswandlers 2 kann auf Grundlage eines vorgegebenen Sollwertes S die Schaltelemente des Spannungswandlers 2 gemäß einem geeigneten Tastverhältnis ansteuern. Gegebenenfalls können für die Berechnung eines geeigneten Tastverhältnisses auch noch weitere Parameter, beispielsweise ein Messwert der aktuellen Ausgangsspannung oder ähnliches berücksichtigt werden.
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Die Steuervorrichtung 1 kann das Modulationsverfahren für die Erzeugung der Steuersignale zur Ansteuerung des Stromrichters 2 insbesondere auch auf Grundlage der aktuellen Position des Fahrzeugs mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem anpassen. Hierzu kann eine Verarbeitungseinrichtung 11 der Steuervorrichtung 1 die aktuelle Position des Fahrzeugs ermitteln. Beispielsweise kann die aktuelle Position auf Basis eines satellitengestützten Navigationssystems (GNSS) wie beispielsweise GPS, Galileo oder ähnliches ermittelt werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Verfahren möglich, die die Ermittlung der aktuellen räumlichen Position des Fahrzeugs ermöglichen. Darüber hinaus ist es zusätzlich oder alternativ auch möglich, die zukünftige Fahrtstrecke des Fahrzeugs zu bestimmen oder zumindest abzuschätzen. Beispielsweise kann ein Benutzer ein Fahrtziel in ein Navigationssystem des Fahrzeugs eingeben. Das Navigationssystem kann daraufhin eine geeignete Fahrtstrecke zu dem eingegebenen Ziel ermitteln. Darüber hinaus kann die mögliche Fahrtstrecke auch beispielsweise auf Grundlage von zuvor ermittelten Daten prognostiziert werden. Beispielsweise können vorherige Fahrten protokolliert werden, und gegebenenfalls Regelmäßigkeiten in den protokollierten Fahrten identifiziert werden. Auf diese Weise können beispielsweise zukünftige Fahrten abgeschätzt werden. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Verfahren zur Berechnung oder Prognostizierung von zu erwartenden Fahrtrouten möglich.
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In der Steuervorrichtung 1 kann ferner eine Steuereinrichtung 12 vorgesehen sein, welche die Steuersignale zur Ansteuerung des Spannungswandlers 2generiert. Das Erzeugen dieser Steuersignale kann insbesondere gemäß einem vorbestimmten Modulationsverfahren erfolgen, wie es zuvor bereits beschrieben worden ist. Dabei kann die Steuereinrichtung 12 neben weiteren Rahmenbedingungen auch die ermittelte aktuelle Position des Fahrzeugs und/oder die geplante Fahrtstrecke mit berücksichtigen.
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Durchfährt das Fahrzeug beispielsweise ein Wohngebiet oder ähnliches, so kann beispielsweise gefordert werden, dass in einem solchen Bereich die Geräuschentwicklung des Fahrzeugs und somit auch die Geräuschentwicklung des Antriebssystems minimiert wird. Entsprechend kann die Steuereinrichtung 12 auf Grundlage der ermittelten Fahrtstrecke und/oder der aktuellen Fahrzeugposition das Modulationsverfahren anpassen, um Einfluss auf die Geräuschentwicklung des Antriebssystems zu nehmen. Beispielsweise kann durch eine SVPMW-basierte Ansteuerung gegebenenfalls eine geringere Geräuschentwicklung erzielt werden als durch eine Ansteuerung mittels Flat-Top-Verfahren oder Blockbetrieb. Die Anforderungen für die Vorgaben zur Geräuschemission des Antriebssystems können beispielsweise zuvor in einem geeigneten Speicher der Steuervorrichtung 1 abgespeichert werden. Alternativ können die Vorgaben beispielsweise auch von einem entfernten Server oder ähnliches empfangen werden. Hierzu kann beispielsweise eine Kommunikationsschnittstelle 13 oder ähnliches vorgesehen sein, wie sie nachfolgend noch näher erläutert wird. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Verfahren möglich, um geeignete Vorgaben für die Geräuschemission zu spezifizieren.
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Ferner kann die Steuereinrichtung 12 beispielsweise aus der geplanten Fahrtstrecke auf eine mögliche Temperaturentwicklung in den Komponenten des Antriebssystems schließen. Umfasst die Fahrtstrecke beispielsweise Abschnitte, in demen über einen längeren Zeitraum eine hohe Dauerleistung abgerufen werden soll, so kann dies zu einem möglichen Temperaturanstieg im Rotor und/oder Stator der elektrischen Maschine 3 führen. In diesem Fall kann während eines solchen Streckenabschnitts oder gegebenenfalls auch bereits davor ein Modulationsverfahren eingesetzt werden, welches zu einer geringeren thermischen Belastung der entsprechenden Komponenten in dem elektrischen Antriebssystem führt. Ist dagegen in bestimmten Streckenabschnitten eine eher geringere thermische Belastung zu erwarten, so können beispielsweise Modulationsverfahren eingesetzt werden, die zu eher höheren thermischen Verlusten führen, dabei gegebenenfalls jedoch andere Vorteile wie beispielsweise geringere Geräuschemission oder höhere Effizienz mit sich bringen.
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Weiterhin kann beispielsweise auch die Länge der geplanten Fahrtstrecke, ein zu erwartender Energieverbrauch, die noch in dem Energiespeicher 4 (der Traktionsbatterie) zur Verfügung stehende Energiemenge (Englisch: State of Charge, SoC) oder ähnliches bei der Wahl des Modulationsverfahrens und der Parametrisierung des ausgewählten Modulationsverfahrens mit berücksichtigt werden. Bei einem ausreichend hohen Ladezustand der Traktionsbatterie 4 kann beispielsweise ein Modulationsverfahren eingesetzt werden, welches höheren Fahrkomfort, geringere Geräuschemission etc. bei eher geringerer Effizienz und somit höherem Energieverbrauch führt. Ist dagegen der Ladezustand der Traktionsbatterie 4 eher gering und/oder ist die geplante Fahrtstrecke eher lang, so kann ein Modulationsverfahren mit entsprechender Parametrisierung gewählt werden, welches eine hohe Effizienz ermöglicht, dabei jedoch gegebenenfalls anderweitige Nachteile bezüglich Geräuschemission, Fahrkomfort, etc. hat. So kann beispielsweise für Fahrtstrecken oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts ein erstes Modulationsverfahren gewählt werden, welches eine besonders hohe Effizienz hat. Zwischen diesem ersten Schwellwert und einem zweiten Schwellwert kann beispielsweise ein zweites Modulationsverfahren gewählt werden, welches eine mittlere Effizienz hat, und für Fahrtstrecken unterhalb des zweiten Schwellwerts kann ein drittes Modulationsverfahren gewählt werden, welches eine besonders hohe Effizienz hat. Selbstverständlich ist die Wahl und Parametrisierung der Modulationsverfahren nicht auf drei Auswahlmöglichkeiten beschränkt. Vielmehr kann eine beliebig detaillierte Abstufung der Modulationsverfahren und deren Parametrisierung in Abhängigkeit der Länge der Fahrtstrecke oder gegebenenfalls auch beliebigen anderen Parametern gewählt werden.
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Die Daten für die aktuelle Position sowie die geplante Fahrtstrecke können beispielsweise innerhalb des Fahrzeugs, zum Beispiel mittels der Verarbeitungseinrichtung 11 berechnet werden. Darüber hinaus kann die Berechnung der Fahrtstrecke und gegebenenfalls weiterer Parameter auch außerhalb des Fahrzeugs, beispielsweise mittels eines externen Servers berechnet werden. Hierzu kann in der Steuervorrichtung 1 eine Kommunikationsschnittstelle 13 vorgesehen sein, welche eine kabellose Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und dem externen Server ermöglicht. Beispielsweise kann hierzu eine Mobilfunkverbindung oder ähnliches genutzt werden. Auf diese Weise können beispielsweise Informationen über eine aktuelle Verkehrssituation, Vorgaben über zulässige Höchstgeschwindigkeiten, Bedingungen für maximal zulässige Geräuschemissionen oder beliebige weitere Daten von dem externen Server zu dem Fahrzeug übermittelt werden. Beispielsweise kann auch die Berechnung der geplanten Fahrtstrecke durch den externen Server durchgeführt werden, und die Ergebnisse dieser Berechnung können die Kommunikationsschnittstelle 13 von dem externen Server zu dem Fahrzeug übermittelt werden.
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Ferner kann die Steuervorrichtung, insbesondere die Steuereinrichtung 12, eine Benutzerschnittstelle 14 umfassen. Mittels dieser Benutzerschnittstelle 14 kann ein Benutzer beliebige Vorgaben für das Fahrverhalten spezifizieren. Beispielsweise kann der Benutzer Vorgaben für die gewünschte Fahrerdynamik, oder ähnliches spezifizieren. Ferner kann der Benutzer mittels dieser Benutzerschnittstelle auch ein Fahrziel spezifizieren, auf dessen Grundlage die geplante Fahrtstrecke berechnet werden kann. Insbesondere kann der Benutzer auch Vorgaben für die Berechnung der Fahrtstrecke, wie beispielsweise bevorzugte Straßentypen oder ähnliches spezifizieren. Darüber hinaus können selbstverständlich auch beliebige weitere Parameter mittels der Benutzerschnittstelle von dem Benutzer eingegeben werden. Diese Benutzereingaben können ebenfalls bei der Wahl des Modulationsverfahrens und der Parametrisierung des Modulationsverfahrens berücksichtigt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Szenarios für die Fahrt eines Fahrzeugs 100 mit einem elektrischen Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform. Das Fahrzeug 100 kann beispielsweise an einer Startposition 300 starten, um zu einem Ziel 330 zu fahren. Die Fahrtstrecke von dem Startpunkt 300 zu dem Ziel 330 durchquert dabei beispielsweise einen ersten Abschnitt 310, bei dem über einen längeren Zeitraum eine höhere Leistung abgerufen werden soll. Anschließend kann beispielsweise ein zweiter Bereich 320 durchfahren werden, bei dem eine möglichst geringe Geräuschemission erfolgen soll. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Streckenabschnitt 310 um einen längeren Abschnitt einer Autobahn handeln. Bei dem zweiten Abschnitt 320 kann es sich beispielsweise um ein Wohngebiet handeln, welches durchfahren werden soll. Das Fahrzeug 100 kann dabei beispielsweise mittels einer drahtlosen Kommunikationsverbindung mit einem entfernten Server 220 kommunizieren. Beispielsweise kann das Fahrzeug 100 von dem entfernten Server 200 Informationen über die aktuelle Verkehrssituation empfangen. Ferner kann der entfernte Server 200 auch weitere Informationen zu dem Fahrzeug 100 übertragen, die beispielsweise Vorgaben für die zulässige Geräuschemission in dem Wohngebiet 320 spezifizieren. Auch kann gegebenenfalls die Berechnung der Fahrtstrecke durch den entferten Server 220 erfolgen.
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Zu Beginn der Fahrt kann zunächst beispielsweise die Entfernung zwischen dem Startpunkt 300 und dem Ziel 330 ermittelt werden. Gegebenenfalls kann auch ein konkretes Streckenprofil mit Höhendifferenzen oder ähnlichem ermittelt werden. Auf Grundlage der Entfernung und gegebenenfalls des Streckenprofils kann unter Berücksichtigung des aktuellen Ladezustands des Fahrzeugs 100 gegebenenfalls zunächst ermittelt werden, ob spezielle Einstellungen bezüglich der Effizienz erforderlich sind, um das Ziel 330 sicher mit der zur Verfügung stehenden Energiemenge in der Traktionsbatterie 4 erreicht werden. Bestehen Zweifel, ob die in der Traktionsbatterie 4 zur Verfügung stehende Energiemenge ausreicht, um das Ziel 330 sicher zu erreichen, so kann gegebenenfalls ein Modulationsverfahren gewählt werden, welche eine entsprechend hohe Effizienz und somit einen geringeren Energieverbrauch erfordert.
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Wird darüber hinaus festgestellt, dass die zurückzulegende Fahrtstrecke einen Streckenabschnitt 310 mit höherer gewünschter Dauerleistung beinhaltet, so kann während dieses Streckenabschnitts 310 und gegebenenfalls auch bereits zuvor ein Modulationsverfahren gewählt werden, welches zu verhältnismäßig geringeren thermischen Belastungen der Antriebskomponenten, wie beispielsweise Rotor und/oder Stator der elektrischen Maschine 3 führt. Auf diese Weise können gegebenenfalls erforderliche Leistungseinschränkungen vermieden werden. Darüber hinaus kann beim Durchfahren des Wohngebiets 320 eine Einstellung für das Modulationsverfahren gewählt werden, welches zu besonders geringen Geräuschemissionen führt. Die Auswahl und die Parametrisierung des Modulationsverfahrens kann beispielsweise bereits zu Beginn der Fahrt am Startpunkt 300 erfolgen. Darüber hinaus kann die Auswahl und die Parametrisierung des Modulationsverfahrens auch dynamisch zu jedem beliebigen Zeitpunkt während der Fahrt angepasst werden. Insbesondere können dabei weitere Rahmenbedingungen, wie beispielsweise die Entwicklung des Ladezustands der Traktionsbatterie 4 sowie gegebenenfalls aktuelle Temperaturentwicklungen im elektrischen Antriebssystem mit berücksichtigt werden. Aber auch gegebenenfalls Änderungen in der Fahrtstrecke aufgrund von Staus, Streckensperrungen oder ähnlichem können dynamisch mit berücksichtigt werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebssystems in einem Fahrzeug zugrunde liegt. In einem Schritt S1 kann zunächst eine räumliche Position des Fahrzeugs und/oder eine geplante Fahrtstrecke ermittelt werden. In Schritt S2 kann ein Spannungswandler 2 des elektrischen Antriebssystems mit einem vorbestimmten Modulationsverfahren betrieben werden. Dieses Modulationsverfahren kann insbesondere unter Verwendung der ermittelten räumlichen Position des Fahrzeugs und/oder der geplanten Fahrtstrecke angepasst werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich beliebige weitere Schritte möglich, wie sie zuvor bereits im Zusammenhang mit der Steuervorrichtung für das elektrische Antriebssystem beschrieben worden sind.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Steuerung eines elektrischen Antriebssystems. Während des Betrieb des Antriebssystems kann ein Modulationsverfahren zur Ansteuerung eines Spannungswandlers in dem elektrischen Antriebssystem dynamisch angepasst werden. Dabei können insbesondere Informationen über eine aktuelle räumliche Position oder ein geplantes Fahrziel eines Fahrzeugs mit einem solchen Antriebssystem berücksichtigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017203668 A1 [0003]
