DE102021003603A1 - Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine (2) zum Antrieb des Fahrzeugs und einer dreiphasigen Brückenschaltung (8) zum Ansteuern der elektrischen Maschine (2), wobei in der Brückenschaltung (8) und/oder in der elektrischen Maschine (2) entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet werden, wobei mittels einer Look-up-Tabelle (3) zu einem angeforderten Drehmoment (Mreq) Ströme (id,soll, iq,soll) als Stellgrößen in einer Raumzeigerdarstellung vorgegeben und jeweils einem PI-Regler (4, 5) zugeführt werden, der als Regelgröße eine Spannung (ua, uq) ausgibt, anhand deren ein Pulsweitenmodulator (7) angesteuert wird, der die Brückenschaltung (8) ansteuert, wobei in die elektrische Maschine (2) fließende Ströme (iu, iv, iw) gemessen und in der Raumzeigerdarstellung vor den PI-Reglern (4, 5) von den jeweiligen Stellgrößen (id,soll, iq,soll) subtrahiert werden, wobei der Pulsweitenmodulator (7), die Brückenschaltung (8) und die elektrische Maschine (2) in der Raumzeigerdarstellung als Regelstrecke (Gd(s), Gq(s)) zusammengefasst werden, wobei auf Basis eines in der elektrischen Maschine (2) gewünschten Wechselstroms (id_AC,soll) für jede Achse der Raumzeigerdarstellung mittels eines inversen Modells (Gd-1(s)) der Regelstrecke (Gd(s)) eine Wechselspannung (Ud,AC,stell) auf die Regelstrecke (Gd(s)) geschaltet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• 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 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 (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.
• 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 einer dreiphasigen Brückenschaltung zum Ansteuern der elektrischen Maschine werden in der Brückenschaltung 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 mittels einer Look-up-Tabelle zu einem angeforderten Drehmoment Ströme als Stellgrößen in einer Raumzeigerdarstellung vorgegeben und jeweils einem PI-Regler zugeführt werden, der als Regelgröße eine Spannung ausgibt, anhand deren ein Pulsweitenmodulator angesteuert wird, der die Brückenschaltung ansteuert, wobei in die elektrische Maschine fließende Ströme gemessen und in der Raumzeigerdarstellung vor den PI-Reglern von den jeweiligen Stellgrößen subtrahiert werden. Erfindungsgemäß werden der Pulsweitenmodulator, die Brückenschaltung und die elektrische Maschine in der Raumzeigerdarstellung als Regelstrecke zusammengefasst, wobei auf Basis eines in der elektrischen Maschine gewünschten Wechselstroms für jede Achse der Raumzeigerdarstellung mittels eines inversen Modells der Regelstrecke eine Wechselspannung auf die Regelstrecke geschaltet wird.
• Mittels der erfindungsgemäßen Lösung ist die Regelung von Wechselströmen im elektrischen Antrieb zur zusätzlichen Verlusterzeugung möglich. Der Istwert entspricht dem Sollwert des Wechselstroms. Dabei bleibt der PI-Regler für Gleichströme unverändert, so dass keine neue Auslegung notwendig ist. Wechselströme und Gleichströme werden unabhängig voneinander eingeprägt. Das Verfahren kann auch im Stillstand des Fahrzeuges, beispielsweise beim Laden verwendet werden.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 eine schematische Ansicht eines Regelkreises für eine feldorientierte Regelung einer elektrischen Maschine, beispielsweise in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug,
• 2 eine schematische Ansicht eines Regelkreises für die d-Achse,
• 3 eine schematische Ansicht eines Regelkreises für die q-Achse, und
• 4 eine schematische Ansicht eines modifizierten Regelkreises.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Derzeit gibt es in batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen nur herkömmliche Pl-Regler. Diese sind vom Prinzip her nicht in der Lage, Wechselgrößen phasentreu und amplitudentreu auszuregeln. Hierdurch kann es bei der Regelung solcher Ströme mit PI-Reglern zu folgenden Nachteilen kommen:
• - schlechtere Funktionsabbildung (geringere Verluste als erwünscht),
• - Instabilität des Regelkreises,
• - erhöhte Geräuschabstrahlung durch nicht phasentreue Signale,
• - geringere Dynamik des Regelverhaltens für Gleichgrößen,
• - beschränkte Bandbreite,
• - Eventuell sind neue Einstellparameter für den PI-Regler notwendig.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine modellbasierte Vorsteuerung für die Einprägung hochfrequenter Wechselströme in die elektrische Maschine verwendet. Hierdurch können die Ströme sehr genau der Vorgabe folgen. Eine Anpassung des Reglers und/oder von Regelparametern für die Gleichgrößen ist nicht notwendig. Gleichgrößen und Wechselgrößen werden wie gewollt unabhängig eingestellt.
• 1 ist eine schematische Ansicht eines Regelkreises 1 für eine feldorientierte Regelung einer elektrischen Maschine 2, beispielsweise in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug.
• Eine Look-up-Tabelle 3 gibt zu einem angeforderten Drehmoment M_req als Stellgrößen einen Strom i_d,soll für eine d-Achse und einen Strom i_q.sollfür eine q-Achse vor. Gemäß einer bekannten Lösung werden die Stellgrößen i_d,soll, i_q.soll jeweils einem PI-Regler 4 oder Kd(s), 5 oder Kq(s) zugeführt, der als Regelgröße eine Spannung u_d für die d-Achse beziehungsweise eine Spannung u_q für die q-Achse ausgibt. Eine DQ/UVW-Transformation 6 wandelt die Spannungen u_d und u_q in Spannungen u_u,v,w im UVW-System um und führt diese einem Pulsweitenmodulator 7 zu. Dieser steuert eine Brückenschaltung 8, beispielsweise umfassend drei Halbbrücken aus je zwei Schaltern, beispielsweise MOSFET oder IGBT, mit einer dreiphasigen Pulsweitenmodulation an, mit der die elektrische Maschine 2, beispielsweise eine permanent erregte Synchronmaschine, betrieben wird. Dabei fließende Ströme i_u, i_v, i_w werden gemessen und mit einer UVW/DQ-Transformation 15 als Istströme i_d,ist, i_q,ist ins DQ-System gewandelt und vor den PI-Reglern 4, 5 von den jeweiligen Stellgrößen i_d,soll, i_q,soll subtrahiert.
• Aus systemdynamischer Sicht können der Pulsweitenmodulator 7, der Inverter, das heißt die Brückenschaltung 8, und die elektrische Maschine 2 als Regelstrecke G(s) zusammengefasst werden. Die Regelung kann als Regler K(s) zusammengefasst werden. Dies kann sowohl für die d-Achse als auch für die q-Achse im dq-System der elektrischen Maschine 2 durchgeführt werden. Es soll ein Strom i_d,soll, i_q,soll eingestellt werden, der ein Gleichstrom ist und der mit dem gemessenem Strom i_d,ist, i_q,ist verglichen wird. Daraus stellt der Regler Kd(s) für die d-Achse und der Regler Kq(s) für die q-Achse eine Spannung ein. In der Regelstrecke G(s) führt diese Spannung nun zu einem Strom i_u, i_v, i_w, der gemessen wird.
• 2 ist eine schematische Ansicht eines Regelkreises RKd für die d-Achse mit dem Regler Kd(s) und der Regelstrecke Gd(s). Nach dem Regler Kd(s) für die d-Achse erfolgt eine Entkopplung 13 der d-Achse unter Berücksichtigung des Iststroms i_q,ist aus der q-Achse.
• 3 ist eine schematische Ansicht eines Regelkreises RKq für die q-Achse mit dem Regler Kq(s) und der Regelstrecke Gq(s). Nach dem Regler Kq(s) für die q-Achse erfolgt eine Entkopplung 14 der q-Achse unter Berücksichtigung des Iststroms i_d,ist aus der d-Achse.
• 4 ist eine schematische Ansicht eines modifizierten Regelkreises RKd. Der Regelkreis RKq kann auf gleiche Weise modifiziert sein.
• Um einen Wechselstrom einstellen zu können wird die Regelung folgendermaßen modifiziert:
• Es wird eine Wechselspannung u_d,AC,stell auf die Regelstrecke Gd(s) geschaltet (der Regler Kd(s) enthält also einen Bypass). Der Regler Kd(s) stellt eine Gleichspannung u_d,DC,stell, die sich mit der Wechselspannung u_d,AC,stell zur Spannung U_d*,stell, addiert.
• Das Ziel ist, die in der elektrischen Maschine 2 entstehenden Ströme einzustellen. Hierfür wird ein inverses Modell Gd^-1(s) der Regelstrecke Gd(s) erstellt um berechnen zu können, welche Spannungen notwendig sind, um einen gewünschten Wechselstrom in die elektrische Maschine 2 einzuprägen. Wenn das inverse Modell Gd^-1(s) eine genaue Repräsentation der Wirklichkeit ist, so kann ein gewünschter Wechselstrom i_d-AC,_soll perfekt abgebildet werden.
• Der Regler Kd(s) würde davon nichts mitbekommen, der gemessene Strom i_d,ist wäre anders als der für den Regler Kd(s) gewünschte drehmomentbildende Strom i_{d_DC,soll}. Der Regler Kd(s) würde also der Wechselspannung u_d,AC,stell entgegenwirken. Deshalb wird der Wechselstrom i_{d_AC,soll} ebenso auf den Regler Kd(s) geschaltet. Hierdurch entsteht folgender Zusammenhang: $${\text{i}}_{\text{d}\text{,ist}}={\text{i}}_{\text{d\_DC}\text{,ist}}+{\text{i}}_{\text{d\_AC}\text{,ist}}$$

  
• Bei idealem inversem Modell Gd^-1(s) der Regelstrecke Gd (s) gilt: $${\text{i}}_{\text{d\_AC}\text{,ist}}={\text{i}}_{\text{d\_AC}\text{,soll}}$$

  

  $$\text{e}={\text{I}}_{\text{d\_DC}\text{,soll}}-{\text{I}}_{\text{d}\text{,ist}}+{\text{i}}_{\text{d\_AC}\text{,soll}}={\text{I}}_{\text{d\_DC}\text{,soll}}-\left({\text{i}}_{\text{d\_DC}\text{,ist}}+{\text{i}}_{\text{d\_AC}\text{,ist}}\right)+{\text{I}}_{\text{d\_AC}\text{,ist}}={\text{I}}_{\text{d\_DC}\text{,soll}}-{\text{i}}_{\text{d\_DC}\text{,ist}}$$

  
• Der Regler Kd(s) bekommt den gewünschten DC-Strom i_d-DC,soll. Eine Gleichgröße kann der PI-Regler 4, 5 leicht stellen. Er arbeitet auch den Wechselströmen nicht entgegen. Sowohl der DC-Strom, als auch der AC-Anteil kann perfekt gestellt werden. Dasselbe Prinzip gilt genauso für den Regelkreis RKq. Es handelt sich hierbei um eine modellbasierte Steuerung. Die Systeme d und q sind ebenfalls voneinander entkoppelt.
• Bezugszeichenliste

1

Regelkreis

2

elektrische Maschine

3

Look-up-Tabelle

4

PI-Regler

5

PI-Regler

6

DQ/UVW-Wandler

7

Pulsweitenmodulator

8

Brückenschaltung

13

Entkopplung

14

Entkopplung

15

UVW/DQ-Wandler

G(s)

Regelstrecke

Gd(s)

Regelstrecke

Gd-1(s)

inverses Modell

Gq (s)

Regelstrecke

id_Ac,soll

wechselförmiger Strom, Stellgröße

id_Dc,soll

drehmomentbildender Gleichstrom, Stellgröße

id,ist

Iststrom

id,soll

Stellgröße, Strom

iq,ist

Iststrom

iq,soll

Stellgröße, Strom

iu, iv, iw

Strom

Kd(s)

Regler

Kq(s)

Regler

Mreq

angefordertes Drehmoment

RKd

Regelkreis

RKq

Regelkreis

ud

Regelgröße, Spannung

ud,AC,stell

Wechselspannung

ud,DC,stell

Gleichspannung

Ud*,stell

Spannung

uq

Regelgröße, Spannung

uu,v,w

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 (2) zum Antrieb des Fahrzeugs und einer dreiphasigen Brückenschaltung (8) zum Ansteuern der elektrischen Maschine (2), wobei in der Brückenschaltung (8) und/oder in der elektrischen Maschine (2) entstehende Verluste zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl verwendet werden, wobei mittels einer Look-up-Tabelle (3) zu einem angeforderten Drehmoment (M_req) Ströme (i_d.soll, i_q,soll) als Stellgrößen in einer Raumzeigerdarstellung vorgegeben und jeweils einem PI-Regler (4, 5) zugeführt werden, der als Regelgröße eine Spannung (u_d, u_q) ausgibt, anhand deren ein Pulsweitenmodulator (7) angesteuert wird, der die Brückenschaltung (8) ansteuert, wobei in die elektrische Maschine (2) fließende Ströme (i_u, i_v, i_w) gemessen und in der Raumzeigerdarstellung vor den PI-Reglern (4, 5) von den jeweiligen Stellgrößen (i_d,soll, i_q,soll) subtrahiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsweitenmodulator (7), die Brückenschaltung (8) und die elektrische Maschine (2) in der Raumzeigerdarstellung als Regelstrecke (Gd(s), Gq(s)) zusammengefasst werden, wobei auf Basis eines in der elektrischen Maschine (2) gewünschten Wechselstroms (i_{d_AC,soll}) für jede Achse der Raumzeigerdarstellung mittels eines inversen Modells (Gd-¹(s)) der Regelstrecke (Gd(s)) eine Wechselspannung (u_d,AC,stell) auf die Regelstrecke (Gd(s)) geschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Raumzeigerdarstellung das dq-Koordinatensystem verwendet wird.
3. Regelkreis (1) für eine feldorientierte Regelung einer elektrischen Maschine (2) zum Antrieb des Fahrzeugs und einer dreiphasigen Brückenschaltung (8) zum Ansteuern der elektrischen Maschine (2), wobei die Brückenschaltung (8) und/oder die elektrischen Maschine (2) zum Heizen eines Innenraums des Fahrzeugs und/oder zum Temperieren einer Batterie und/oder zum Temperieren von Getriebeöl durch entstehende Verluste konfiguriert sind/ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (1) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 konfiguriert ist.

Images