DE102021003587A1 - Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Wechselrichter (1) zum Ansteuern der elektrischen Maschine, wobei im Wechselrichter (1) und/oder in der elektrischen Maschine entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet werden, wobei der Wechselrichter (1) mehrere Halbbrücken aus je zwei Schaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) umfasst, die als Halbleiterschalter ausgebildet sind und mittels Pulsweitenmodulation angesteuert werden, wobei jeder der Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) eine zugehörige Freilaufdiode (D1, D2, D3, D4, D5, D6) aufweist. Gemäß einem Aspekt werden die Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) so angesteuert, dass vermehrt die Freilaufdiode (D1, D2, D3, D4, D5, D6) im Eingriff ist und die Verluste im Wechselrichter (1) daher ansteigen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2.
  • In batterieelektrischen Fahrzeugen gibt es deutlich weniger Verluste und damit weniger Wärmequellen als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Um an kalten Tagen den Innenraum zu heizen oder die Batterie beispielsweise auf einer Temperatur von ca. 25°C bis 35°C zu halten, ist häufig ein elektrischer Heizer/Wärmetauscher notwendig. Weiterhin werden Getriebe batterieelektrischer Fahrzeuge mit Öl betrieben, dessen Viskosität mit abnehmender Temperatur ebenfalls stark abnimmt. Dadurch steigen die Verluste im Getriebe sehr stark an. Auch hier ist es denkbar, das Öl in einem elektrischen Heizer schneller zu erwärmen, um das Öl auf Temperatur zu bringen und dadurch die Verluste möglichst schnell zu reduzieren.
  • Die benötigte Wärme kann aber auch durch erhöhte Verluste in vorhandenen Bauteilen, beispielsweise einem Wechselrichter und/oder einer elektrischen Maschine, erzeugt werden.
  • Hierbei sind neuartige und andere Betriebsstrategien notwendig, bei denen unter anderem hochfrequente Wechselströme in die Maschine eingeprägt werden müssen. Dies ist mit der herkömmlichen Maschinenregelung nicht möglich.
  • Es ist bekannt, in batterieelektrischen Fahrzeugen mit permanent erregter Synchronmaschine (PMSM) während der Fahrt die Maschine nicht mehr verlustoptimiert zu betreiben (Maximales Moment pro Ampere, MTPA Verfahren - Schnittpunkt des Stromkreises bestimmter Größe mit der Kurve des konstanten Moments). Dabei führt zusätzlicher Strom zu höheren Kupferverlusten in Leitungen und Windungen der Maschine und abgegebene Wärme wird in Wasser oder Öl überführt, wodurch ein Heizer oder Wärmetauscher verkleinert wird oder sogar entfallen kann. Diese Betriebsstrategie ist allerdings nur während der Fahrt möglich, da im Stillstand ein nicht zulässiges Drehmoment über die Maschine erzeugt werden würde und das Fahrzeug sich bewegt.
  • Eine Möglichkeit besteht weiter darin, eine nichtdrehmomentbildende Statorstromkomponente Id (wenn die drehmomentbildende Statorstromkomponente Iq Null ist) in die PMSM einzuprägen. Bewegt sich der Rotor nicht (Stillstand), entsteht so kein ungewolltes Drehmoment im Stillstand.
  • DE 10 2017 212 191 A1 offenbart ein Standheizungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang, umfassend mindestens einen Elektromotor, der an einen Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, einen Verlustleistungsbeobachter, der dafür eingerichtet ist, einen Istwert der Verlustleistung des Elektromotors zu ermitteln, und einen Verlustleistungsregler, der dafür eingerichtet ist, die Verlustleistung Pv des Elektromotors auf einen Sollwert hin zu regeln. Weiter wird ein Verfahren zum Erhitzen eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antriebsstrang beschrieben, der mindestens einen Elektromotor, welcher an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist, umfasst, umfassend das Betreiben des Elektromotors an einem Betriebspunkt, an dem die Verlustleistung des Elektromotors maximiert und das resultierende Drehmoment des Elektromotors minimiert werden und die dadurch entstehende Wärme über den Kühlmittelkreislauf abgeführt wird. Die Regelung des Verlustleistungsreglers auf maximale Verluste kann zum Beispiel durch einen positiven oder negativen d-Strom (flussbildend ohne Drehmomentbeitrag) erreicht werden. Die Ströme werden über eine konventionelle feldorientierte Antriebsregelung (PI-Stromregler) eingeregelt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs gemäß Anspruch 1 oder 2.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Wechselrichter zum Ansteuern der elektrischen Maschine werden im Wechselrichter und/oder in der elektrischen Maschine entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet, wobei der Wechselrichter mehrere Halbbrücken aus je zwei Schaltern umfasst, die als Halbleiterschalter ausgebildet sind und mittels Pulsweitenmodulation angesteuert werden, wobei jeder der Schalter eine zugehörige Freilaufdiode aufweist.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Schalter so angesteuert, dass je nach Stromrichtung in einem Phasenleiter der jeweiligen Halbbrücke die Freilaufdiode des oberen Schalters oder die Freilaufdiode des unteren Schalters der Halbbrücke maximal lange im Eingriff ist, wobei dann, wenn der Strom im Phasenleiter positiv ist, der jeweils untere Schalter nicht geschaltet wird, sondern die Kommutierung über die untere Freilaufdiode erfolgt, wobei dann, wenn der Strom im Phasenleiter negativ ist, der jeweils obere Schalter nicht geschaltet wird, sondern die Kommutierung über die obere Freilaufdiode erfolgt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird beim Schalten der Schalter eine Totzeit berücksichtigt, wobei eine Zeit zwischen dem Umschalten der Schalter durch Vergrößern der Totzeit in zumindest einer Halbbrücke des Wechselrichters so erhöht wird, dass vermehrt die Freilaufdiode im Eingriff ist und die Verluste im Wechselrichter ansteigen.
  • Das Verfahren ist prinzipiell für alle Halbleitertypen anwendbar. Verluste können direkt im Wechselrichter erzeugt werden. Das Verfahren ist als Softwaremaßnahme einfach und schnell implementierbar und je nach Betriebsstrategie ein- oder abschaltbar. Somit können je nach Betriebsstrategie mehr oder weniger Verluste erzeugt werden. Somit ist ein Powerwaste mit dem Wechselrichter möglich.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht eines Wechselrichters zum Betrieb einer elektrischen Maschine,
    • 2 ein schematisches Diagramm von idealisierten Schaltzuständen der Schalter einer Halbbrücke über der Zeit,
    • 3 ein schematisches Diagramm einer Trägerfrequenz einer Pulsweitenmodulation, von modifizierten Schaltzuständen der Schalter der Halbbrücke sowie des infolgedessen in einem Phasenleiter der Halbbrücke fließenden Stromes und der an dem Phasenleiter anliegenden Spannung, und
    • 4 ein schematisches Diagramm von idealisierten Schaltzuständen der Schalter einer der Halbbrücken sowie von modifizierten, realen Schaltzuständen der Schalter über der Zeit.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Wechselrichters 1 oder Inverters oder Umrichters zum Betrieb einer elektrischen Maschine, beispielsweise in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug.
  • Der Wechselrichter 1 ist beispielsweise als eine Brückenschaltung, beispielsweise umfassend drei Halbbrücken aus je zwei Schaltern S1, S2, S3, S4, S5, S6 in Form von Leistungshalbleitern, beispielsweise MOSFET, IGBT oder GaN-HEMT, ausgebildet. Die Schalter S1, S2, S3, S4, S5, S6 werden beispielsweise mit einer dreiphasigen Pulsweitenmodulation angesteuert, mit der die elektrische Maschine, beispielsweise eine permanent erregte Synchronmaschine, betrieben wird. Jeder der Schalter S1, S2, S3, S4, S5, S6 weist eine zugehörige Freilaufdiode D1, D2, D3, D4, D5, D6 auf. Die Freilaufdiode D1, D2, D3, D4, D5, D6 kann bei einem MOSFET als Bodydiode ausgebildet sein, insbesondere als separates Bauelement und/oder als intrinsische Folge des Body-Effekts. In einem IGBT kann ebenfalls eine Freilaufdiode D1, D2, D3, D4, D5, D6, insbesondere eine Shottky-Diode vorgesehen sein. Bei einem GaN-HEMT kann die Freilaufdiode D1, D2, D3, D4, D5, D6 als intrinsischer Effekt in Form von Reverse Conduction vorliegen.
  • Um gezielt im Wechselrichter 1 Verluste erzeugen zu können, werden im Stand der Technik hohe Ströme oder höhere Schaltfrequenzen verwendet. Höhere Schaltfrequenzen erzeugen jedoch mehr Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit sowie NVH-Probleme (Noise, Vibration, Harshness). Ferner können höhere Schaltfrequenzen oft nicht von Mikrocontrollern umgesetzt werden, da diese ohnehin schon sehr stark ausgelastet sind. Hohe Ströme sind darüber hinaus immer an eine elektrische Maschine gekoppelt. Die elektrische Maschine und der Wechselrichter 1 können somit nicht unabhängig voneinander Verluste erzeugen.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm von idealisierten Schaltzuständen S1i, S2i der Schalter S1, S2 einer der Halbbrücken über der Zeit. 3 ist ein schematisches Diagramm einer Trägerfrequenz f der Pulsweitenmodulation, von gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung modifizierten realen Schaltzuständen S1r, S2r der Schalter S1, S2 einer der Halbbrücken sowie des infolgedessen in einem der Phasenleiter u, v, w, hier dem Phasenleiter u, der Halbbrücke fließenden Stromes I und der an dem Phasenleiter u anliegenden Spannung V über einer fortlaufenden Zählung der Perioden der Pulsweitenmodulation.
  • Bei einem Verfahren gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Wechselrichter 1 gezielt so angesteuert, dass die Schalter S1, S2, S3, S4, S5, S6 nicht geschaltet werden, wenn dies möglich ist, sondern die Freilaufdiode D1, D2, D3, D4, D5, D6, wenn möglich, im Eingriff ist. Dies führt zu deutlich höheren Durchlassverlusten im Wechselrichter 1. Dies erfordert keine Änderung an der Hardware.
  • Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Schalter S1, S2, S3, S4, S5, S6 so angesteuert, dass die Stromführung zu allen möglichen Zeitpunkten über die Freilaufdiode D1, D2, D3, D4, D5, D6 übernommen wird. Hierbei können die Verluste im Wechselrichter 1 sehr groß werden und das Kühlwasser aufheizen. Diese Wärme kann dann wieder anderweitig im Fahrzeug genutzt werden.
  • Je nach Stromrichtung des Stroms I ist somit die Freilaufdiode D1, D3, D5 des oberen Schalters S1, S3, S5 oder die Freilaufdiode D2, D4, D6 des unteren Schalters S2, S4, S6 einer Halbbrücke maximal lange im Eingriff. Ist der Strom I positiv (fließt also aus der Halbbrücke hinaus), so wird der untere Schalter S2, S4, S6 nicht geschaltet, sondern die Kommutierung erfolgt über die untere Freilaufdiode D2, D4, D6. Ist der Strom I negativ (fließt also in die Halbbrücke hinein) so wird der obere Schalter S1, S3, S5 nicht geschaltet, die Kommutierung erfolgt über die obere Freilaufdiode D1, D3, D5.
  • Mittels des beschriebenen Verfahrens ist ein Powerwaste mit dem Wechselrichter 1 möglich. Dabei können die Verluste direkt im Wechselrichter 1 erzeugt werden. Das Verfahren kann als Softwaremaßnahme schnell implementiert werden. Je nach Betriebsstrategie kann das Verfahren ein- oder abschaltbarsein und daher können mehr oder weniger Verluste erzeugt werden.
  • 4 ist ein schematisches Diagramm von idealisierten Schaltzuständen S1i, S2i der Schalter S1, S2 einer der Halbbrücken sowie von gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung modifizierten, realen Schaltzuständen S1r, S2r der Schalter S1, S2 über der Zeit.
  • Beim Einschalten und Ausschalten von realen Leistungshalbleitern über deren Gate treten Einschaltzeiten und Ausschaltzeiten auf. Das Einschalten und Ausschalten verzögert sich dadurch. In einer Halbbrücke können dabei Überschneidungen auftreten, die im schlechtesten Fall zu einem Kurzschluss führen können.
  • Bei den realen Schaltzuständen S1r, S2r wird daher eine Totzeit Td (auch Verriegelungszeit genannt) angewandt. Da beide Schalter S1 und S2 ein verzögertes Ein- und Ausschaltverhalten besitzen, wird bei dem PWM-Signal eine Totzeit Td berücksichtigt, um den oben erwähnten Kurzschluss zu vermeiden. Der Schalter S2 wird mit dem eigentlichen PWM-Signal ausgeschaltet. Das PWM-Signal für den Schalter S1 wird durch eine Totzeit Td verzögert, damit ein komplettes Ausschalten von S2 sichergestellt ist. Erst danach wird der Schalter S1 eingeschaltet. Der Schalter S1 wird dann um die Totzeit Td früher als das eigentliche PWM Signal abgeschaltet, damit ebenfalls sichergestellt ist, dass der Schalter S1 nicht leitet bevor der Schalter S2 eingeschaltet wird. Auf diese Weise wird ein Zustand vermieden, in dem beide Schalter S1, S2 leitend sind und somit kurzgeschlossen wären. Die Totzeit Td wird meistens von den Gatetreibern berücksichtigt und kann eingestellt werden. Diese Totzeit Td wird so klein wie möglich gehalten, um insbesondere für MOSFETs die Verluste im Wechselrichter 1 klein zu halten, da während der Totzeit Td die Freilaufdiode D1, D2 leitet und diese eine extrem schlechte Durchlasscharakterisitik aufweist.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Verriegelungszeit, das heißt die Zeit zwischen dem Umschalten der Schalter S1, S2 einer Halbbrücke des Wechselrichters 1, im Betrieb und je nach Betriebsstrategie (abhängig davon, ob mehr oder weniger Verluste gewünscht sind) so erhöht, dass die Verluste im Wechselrichter 1 ansteigen. Hierdurch ist vermehrt die Freilaufdiode D1, D2 der Schalter S1, S2 im Eingriff und die Durchlassverluste steigen an.
  • Die Idee der Erfindungsmeldung ist, die Totzeit Td (von typisch 1 µs bis 2 µs) zu vergrößern, um die Verluste gezielt zu erhöhen. Je nach Betriebspunkt entstehen so deutlich höhere Verluste.
  • Bei einem beispielhaften MOSFET tritt bei einer über der Bodydiode D1 abfallenden Spannung von 4V und einem Strom von 40A eine Verlustleistung von 160W auf. Bei einer Totzeit von 2µs bedeutet dies 0,32mJ Verlustenergie. Bei einer Totzeit von 8µs bedeutet dies 1,28mJ Verlustenergie.
  • Das Verfahren kann in der Software bei der Generierung der Pulsweitenmodulation umgesetzt werden. Mit den zusätzlich entstehenden Verlusten kann dann das Kühlwasser im Wechselrichter 1 schneller aufgeheizt werden. Je nachdem wie viel Verluste benötigt werden kann die Totzeit Td variabel verändert werden. Die Erhöhung der Verriegelungszeit hat wiederum Einfluss auf die Amplitude der Stromharmonischen (wird größer), wodurch als Seiteneffekt die Verluste in der elektrischen Maschine ebenfalls erhöht werden.
  • Das Verfahren ist prinzipiell für alle Halbleitertypen anwendbar. Verluste können direkt im Wechselrichter 1 erzeugt werden. Das Verfahren ist als Softwaremaßnahme einfach und schnell implementierbar und je nach Betriebsstrategie ein- oder abschaltbar. Somit können je nach Betriebsstrategie mehr oder weniger Verluste erzeugt werden. Somit ist ein Powerwaste mit dem Wechselrichter 1 möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wechselrichter
    D1, D2, D3, D4, D5, D6
    Freilaufdiode
    f
    Trägerfrequenz
    I
    Strom
    S1, S2, S3, S4, S5, S6
    Schalter
    S1i, S2i
    idealisierter Schaltzustand
    S1r, S2r
    realer Schaltzustand
    Td
    Totzeit
    u, v, w
    Phasenleiter
    V
    Spannung
  • 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
    • DE 102017212191 A1 [0007]

Claims (3)

  1. Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Wechselrichter (1) zum Ansteuern der elektrischen Maschine, wobei im Wechselrichter (1) und/oder in der elektrischen Maschine entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet werden, wobei der Wechselrichter (1) mehrere Halbbrücken aus je zwei Schaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) umfasst, die als Halbleiterschalter ausgebildet sind und mittels Pulsweitenmodulation angesteuert werden, wobei jeder der Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) eine zugehörige Freilaufdiode (D1, D2, D3, D4, D5, D6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) so angesteuert werden, dass je nach Stromrichtung in einem Phasenleiter (u, v, w) der jeweiligen Halbbrücke die Freilaufdiode (D1, D3, D5) des oberen Schalters (S1, S3, S5) oder die Freilaufdiode (D2, D4, D6) des unteren Schalters (S2, S4, S6) der Halbbrücke maximal lange im Eingriff ist, wobei dann, wenn der Strom (I) im Phasenleiter (u, v, w) positiv ist, der jeweils untere Schalter (S2, S4, S6) nicht geschaltet wird sondern die Kommutierung über die untere Freilaufdiode (D2, D4, D6) erfolgt, wobei dann, wenn der Strom (I) im Phasenleiter (u, v, w) negativ ist, der jeweils obere Schalter (S1, S3, S5) nicht geschaltet wird sondern die Kommutierung über die obere Freilaufdiode (D1, D3, D5) erfolgt.
  2. Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Wechselrichter (1) zum Ansteuern der elektrischen Maschine, wobei im Wechselrichter (1) und/oder in der elektrischen Maschine entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet werden, wobei der Wechselrichter (1) mehrere Halbbrücken aus je zwei Schaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6) umfasst, die als Halbleiterschalter ausgebildet sind und mittels Pulsweitenmodulation angesteuert werden, wobei jeder der Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) eine zugehörige Freilaufdiode (D1, D2, D3, D4, D5, D6) aufweist, wobei beim Schalten der Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) eine Totzeit (Td) berücksichtigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeit zwischen dem Umschalten der Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) durch Vergrößern der Totzeit (Td) in zumindest einer Halbbrücke des Wechselrichters (1) so erhöht wird, dass vermehrt die Freilaufdiode (D1, D2, D3, D4, D5, D6) im Eingriff ist und die Verluste im Wechselrichter (1) ansteigen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) MOSFET, IGBT oder GaN-HEMT verwendet werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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