DE102021003588A1 - Batterieelektrisches Fahrzeug und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine (2) zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Inverter zum Ansteuern der elektrischen Maschine (2), wobei im Inverter entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet werden, wobei der Inverter eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern (1) umfasst, die mittels jeweils eines Gatetreibers (2) angesteuert werden, der eine Spannungsquelle (3) umfasst, wobei zwischen dem Gatetreiber (2) und dem Leistungshalbleiter (1) ein äußerer Beschaltungswiderstand (RG) vorgesehen ist, wobei der äußere Beschaltungswiderstand (RG) als ein variabler Widerstand oder als ein Widerstandsarray (4) mit mehreren wahlweise einstellbaren Widerständen ausgebildet ist, wobei der äußere Beschaltungswiderstand (RG) so eingestellt wird, dass eine Schaltflanke des Leistungshalbleiters (1) verstellt wird, um eine gewünschte Verlustleistung des Leistungshalbleiters (1) zu erzielen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein batterieelektrisches Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 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 werden 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 I_d (wenn die drehmomentbildende Statorstromkomponente I_q 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 P_v 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 (Pl-Stromregler) eingeregelt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs sowie ein verbessertes batterieelektrisches Fahrzeug anzugeben.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs gemäß Anspruch 1 sowie durch ein batterieelektrisches Fahrzeug gemäß Anspruch 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 Inverter zum Ansteuern der elektrischen Maschine werden im Inverter entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet, wobei der Inverter eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern umfasst, die mittels jeweils eines Gatetreibers angesteuert werden, der eine Spannungsquelle umfasst, wobei zwischen dem Gatetreiber und dem Leistungshalbleiter ein äußerer Beschaltungswiderstand vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist der äußere Beschaltungswiderstand als ein variabler Widerstand oder als ein Widerstandsarray mit mehreren wahlweise einstellbaren Widerständen ausgebildet, wobei der äußere Beschaltungswiderstand so eingestellt wird, dass eine Schaltflanke des Leistungshalbleiters verstellt wird, um eine gewünschte Verlustleistung des Leistungshalbleiters zu erzielen.
• Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt eine variable Einstellung der Schaltflanke im Umrichter um je nach Betriebsstrategie mehr oder weniger Verluste einzustellen. Somit ist ein Powerwaste mit Umrichter möglich.
• Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist ein besseres EMV- und NVH-Verhalten erzielbar als bei Erhöhung der Schaltfrequenz. Je flacher die Schaltflanke, desto größer die Verluste und desto besser ist das EMV-Verhalten.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 eine schematische Ansicht eines Leistungshalbleiters in einem Wechselrichter zum Betrieb einer elektrischen Maschine,
• 2 eine schematische Ansicht eines Leistungshalbleiters mit einem erfindungsgemäßen Gatetreiber,
• 3 schematische Diagramme von Ein- und Ausschaltvorgängen für einen idealen Leistungshalbleiter und für einen realen Leistungshalbleiter, und
• 4 ein detaillierteres schematisches Diagramm des Ausschaltvorgangs für den realen Leistungshalbleiter.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 ist eine schematische Ansicht eines Leistungshalbleiters 1 in einem Wechselrichter oder Inverter oder Umrichter zum Betrieb einer elektrischen Maschine, beispielsweise in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug.
• Der Wechselrichter ist beispielsweise als eine Brückenschaltung, beispielsweise umfassend drei Halbbrücken aus je zwei Schaltern in Form der Leistungshalbleiter 1, beispielsweise MOSFET oder IGBT, ausgebildet. Die Leistungshalbleiter 1 werden beispielsweise mit einer dreiphasigen Pulsweitenmodulation angesteuert, mit der die elektrische Maschine, beispielsweise eine permanent erregte Synchronmaschine, betrieben wird.
• Um gezielt im Inverter 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 Umrichter können somit nicht unabhängig voneinander Verluste erzeugen.
• Eine weitere Methode die Verluste im Umrichter zu steuern, besteht darin, die Schaltflanke eines Schaltvorganges zu beeinflussen. Um einen Leistungshalbleiter 1 in einem Wechselrichter zu schalten ist ein sogenannter Gatetreiber 2 notwendig. Dieser Gatetreiber 2 ist nach dem Stand der Technik eine Spannungsquelle 3. Zwischen der Spannungsquelle 3 und einem Gate G des Leistungshalbleiters 1 ist ein äußerer Beschaltungswiderstand R_G vorgesehen, mit dem ein Gatestrom I_G gemäß dem ohmschen Gesetz (I=U/R) eingestellt wird. Ferner weist der Leistungshalbleiter 1 einen internen Gatewiderstand R_G' auf. Dieser kann nicht verändert werden und ist in Reihe mit dem äußeren Beschaltungswiderstand R_G geschaltet. Mit dem Gatestrom I_G wird eine Gatekapazität geladen und der Leistungshalbleiter 1 schaltet ein. Die Gatekapazität wird aus einer Drain-Gate-Kapazität C_DG und einer Gate-Source-Kapazität C_GS gebildet. Je schneller das Gate G geladen wird, desto schneller schaltet der Leistungshalbleiter 1 ein. Je weniger Ladung pro Zeit in das Gate G fließt, desto langsamer schaltet der Leistungshalbleiter 1.
• Für den normalen Fahrbetrieb des batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugs ist eine hohe Effizient notwendig. Daher sollte der Leistungshalbleiter 1 möglichst schnell schalten, das Gate G sollte also sehr schnell geladen werden.
• Für einen sogenannten Powerwaste Betrieb, um eine Batterie, einen Innenraum des Fahrzeugs oder Öl, beispielsweise Getriebeöl, schnellstmöglich auf eine Betriebstemperatur zu bringen, sind zusätzliche Verluste erwünscht. Hierbei soll eine Schaltflanke, das heißt die Dauer eines Ein- und/oder Ausschaltvorgangs, und somit der Gatestrom I_G, klein gehalten werden.
• Dies wird in 1 mit einem variablen äußeren Beschaltungswiderstand R_G erreicht.
• 2 ist eine schematische Ansicht eines Leistungshalbleiters 1 mit einem Gatetreiber 2. Im Unterschied zu 1 ist der äußere Beschaltungswiderstand R_G durch ein Widerstandsarray 4 gebildet, bei dem einer von mehreren Widerständen durch Umschalten wahlweise als äußerer Beschaltungswiderstand R_G verwendet werden kann.
• Hierdurch können der Gatestrom I_G variabel eingestellt, das Gate G unterschiedlich schnell geladen und somit die Verlustleistung je nach Betriebsstrategie eingestellt werden.
• Durch eine Änderung im Gatepfad, bei dem ein Widerstandsarray 4 oder ein variabler äußerer Beschaltungswiderstand R_G eingesetzt wird, kann der Gatestrom I_G nach dem ohmschen Gesetz eingestellt werden. Durch den unterschiedlichen Gatestrom I_G kann die Gatekapazität unterschiedlich schnell geladen werden und damit auch die Schaltflanke des Leistungshalbleiters 1 eingestellt werden. Je höher der Gatewiderstand R_G', desto kleiner der Gatestrom I_G, desto flacher ist die Schaltflanke, desto höher sind die Schaltverluste. Wenn der Wechselrichter mit hoher Effizienz gefahren werden soll, so kann der äußere Beschaltungswiderstand R_G wieder zu einem kleinen Wert geändert werden.
• Durch den variablen äußeren Beschaltungswiderstand R_G oder das Widerstandsarray 4 kann der Gatestrom I_G variabel eingestellt werden und damit auch die Schaltgeschwindigkeit du/dt (je höher der Widerstand, desto kleiner der Strom, desto flacher die Schaltflanke).
• Der Gatestrom I_G ergibt sich wieder nach dem ohmschen Gesetz I_G=U_Gate/R_Gate.
• 3a zeigt ein schematisches Diagramm eines Ein- und Ausschaltvorgangs für einen idealen Leistungshalbleiter 1. 3b zeigt ein schematisches Diagramm eines Ein- und Ausschaltvorgangs für einen realen Leistungshalbleiter 1. Es ist zu sehen, dass es bei einem idealen Leistungshalbleiter 1 keine Schaltverluste gibt, da die Schaltflanke unendlich steil ist (Integrationsbereich unendlich klein). Bei einem realen Leistungshalbleiter 1 gibt es einen Zeitraum, bei dem der Drainstrom I_D und die Drain-Source-Spannung V_DS' nicht null sind, und somit eine Verlustleistung anfällt.
• 4 zeigt den Ausschaltvorgang für den realen Leistungshalbleiter 1 noch einmal detaillierter. Hierbei ist ersichtlich, dass die Verlustleistung desto höher ist, je geringer die Steigung Δt der Schaltflanke (Steigung der Drain-Source-Spannung V_DS) ist. Somit können die Verluste beim Schalten des Leistungshalbleiters 1 in einem Wechselrichter variabel gesteuert werden.
• Bezugszeichenliste

1

Leistungshalbleiter

2

Gatetreiber

3

Spannungsquelle

4

Widerstandsarray

CDG

Drain-Gate-Kapazität

CDS

Drain-Source-Kapazität

CGS

Gate-Source-Kapazität

D

Drain

G

Gate

ID

Drainstrom

IG

Gatestrom

IS

Sourcestrom

RG

äußerer Beschaltungswiderstand

RG'

Gatewiderstand

S

Source

t

Zeit

VDS

Drain-Source-Spannung

VGS

Gate-Source-Spannung

Δt

Steigung

• 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 (2)

1. Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine (2) zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Inverter zum Ansteuern der elektrischen Maschine (2), wobei im Inverter entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet werden, wobei der Inverter eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern (1) umfasst, die mittels jeweils eines Gatetreibers (2) angesteuert werden, der eine Spannungsquelle (3) umfasst, wobei zwischen dem Gatetreiber (2) und dem Leistungshalbleiter (1) ein äußerer Beschaltungswiderstand (R_G) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Beschaltungswiderstand (R_G) als ein variabler Widerstand oder als ein Widerstandsarray (4) mit mehreren wahlweise einstellbaren Widerständen ausgebildet ist, wobei der äußere Beschaltungswiderstand (R_G) so eingestellt wird, dass eine Schaltflanke des Leistungshalbleiters (1) verstellt wird, um eine gewünschte Verlustleistung des Leistungshalbleiters (1) zu erzielen.
2. Batterieelektrisches Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine (2) zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Inverter zum Ansteuern der elektrischen Maschine (2), wobei das Fahrzeug dazu konfiguriert ist, im Inverter entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl zu verwenden, wobei der Inverter eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern (1) umfasst, die mittels jeweils eines Gatetreibers (2) ansteuerbar sind, der eine Spannungsquelle (3) umfasst, wobei zwischen dem Gatetreiber (2) und dem Leistungshalbleiter (1) ein äußerer Beschaltungswiderstand (R_G) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Beschaltungswiderstand (R_G) als ein variabler Widerstand oder als ein Widerstandsarray (4) mit mehreren wahlweise einstellbaren Widerständen ausgebildet ist, wobei der äußere Beschaltungswiderstand (R_G) so einstellbar ist, dass eine Schaltflanke des Leistungshalbleiters (1) verstellt wird, um eine gewünschte Verlustleistung des Leistungshalbleiters (1) zu erzielen.

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