DE102021003611A1 - Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Inverter (1) zum Ansteuern eines Stators (2) der elektrischen Maschine, wobei der Inverter (1) eine dreiphasige Brückenschaltung mit einer Anzahl von als Halbleiter ausgebildeten Schaltern (3) umfasst, wobei im Inverter (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 eine als Wechselstrom ausgebildete nichtdrehmomentbildende Statorstromkomponente (Id) in die elektrische Maschine eingeprägt wird, wobei im Stillstand eine drehmomentbildende Statorstromkomponente (Iq) zu Null geregelt wird, wobei im Fahrbetrieb ein Kompensationsstrom als drehmomentbildende Statorstromkomponente (Iq) eingeprägt wird, der ein durch die Variation der nichtdrehmomentbildenden Statorstromkomponente (Id) entstehendes Drehmoment kompensiert.

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.
• 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 (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 mit den Merkmalen des Anspruchs 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 einem Inverter zum Ansteuern eines Stators der elektrischen Maschine, wobei der Inverter eine dreiphasige Brückenschaltung mit einer Anzahl von als Halbleiter ausgebildeten Schaltern umfasst, werden im Inverter 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. Erfindungsgemäß wird eine als Wechselstrom ausgebildete nichtdrehmomentbildende Statorstromkomponente in die elektrische Maschine eingeprägt, wobei im Stillstand eine drehmomentbildende Statorstromkomponente zu Null geregelt wird, wobei im Fahrbetrieb ein Kompensationsstrom als drehmomentbildende Statorstromkomponente eingeprägt wird, der ein durch die Variation der nichtdrehmomentbildenden Statorstromkomponente entstehendes Drehmoment kompensiert.
• Hierdurch können die Temperaturen von zum Kühlen verwendetem Wasser und/oder Öl durch die erhöhten Verluste im Inverter und der elektrischen Maschine mehr oder weniger unabhängig und beliebig voneinander verändert werden.
• Anders als im Stand der Technik werden beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht immer nur dieselben Schalter des Inverters, sondern alle Schalter gleichmäßig belastet. Dies erhöht die Lebensdauer der als Halbleiter ausgebildeten Schalter.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 eine schematische Ansicht eines Inverters und eines Stators einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs,
• 2 ein schematisches Diagramm einer drehmomentbildenden Statorstromkomponente über der Zeit während des Stillstands des Fahrzeugs,
• 3 ein schematisches Diagramm einer nichtdrehmomentbildenden Statorstromkomponente über der Zeit während des Stillstands des Fahrzeugs,
• 4 ein schematisches Diagramm der drehmomentbildenden Statorstromkomponente über der Zeit während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs, und
• 5 ein schematisches Diagramm einer nichtdrehmomentbildenden Statorstromkomponente über der Zeit während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehenen elektrischen Maschine mittels eines Inverters 1.
• 1 ist eine schematische Ansicht eines Inverters 1 und eines Stators 2 einer elektrischen Maschine. Der Inverter 1 kann eine Vielzahl von Schaltern 3 umfassen, beispielsweise Halbleiterschalter, insbesondere MOSFET oder IGBT. Der Inverter 1 kann beispielsweise als eine dreiphasige Brückenschaltung ausgebildet sein, um den Stator 2 dreiphasig anzusteuern.
• Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird während des Stillstands und/oder während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs eine als Wechselstrom ausgebildete nichtdrehmomentbildende Statorstromkomponente I_d in die elektrische Maschine eingeprägt. Hierdurch werden alle Schalter 3 des Inverters 1 gleichmäßig belastet und die Eisen- und Kupferverluste in der elektrischen Maschine steigen stark an. Da es sich um die nichtdrehmomentbildende Statorstromkomponente I_d handelt, kann dieses Verfahren auch im Stillstand, beispielsweise beim Laden, eingesetzt werden.
• 2 ist ein schematisches Diagramm der drehmomentbildenden Statorstromkomponente I_q über der Zeit t während des Stillstands des Fahrzeugs.
• 3 ist ein schematisches Diagramm der nichtdrehmomentbildenden Statorstromkomponente I_d über der Zeit t während des Stillstands des Fahrzeugs.
• Im Fahrbetrieb, wenn also Drehmoment gestellt wird, ist es notwendig einen Kompensationsstrom als drehmomentbildende Statorstromkomponente I_q einzuprägen, der das durch die Variation der nichtdrehmomentbildenden Statorstromkomponente I_d entstehende Drehmoment kompensiert. Hierdurch können die Temperaturen von zum Kühlen verwendetem Wasser und/oder Öl durch die erhöhten Verluste im Inverter 1 und der elektrischen Maschine mehr oder weniger unabhängig und beliebig voneinander verändert werden.
• 4 ist ein schematisches Diagramm der drehmomentbildenden Statorstromkomponente I_q über der Zeit t während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs, das heißt während die elektrische Maschine ein Drehmoment zu erbringen hat.
• 5 ist ein schematisches Diagramm der nichtdrehmomentbildenden Statorstromkomponente I_d über der Zeit t während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, zusätzliche Verluste im Inverter und in der elektrischen Maschine zu erzeugen. Hierbei wird im Stillstand die drehmomentbildende Statorstromkomponente I_q zu Null geregelt (das heißt es wird kein Drehmoment erzeugt, so dass das Verfahren auch im Stillstand möglich ist) und der flussschwächende d-Strom, das heißt die nichtdrehmomentbildende Statorstromkomponente I_d, wird in seiner Richtung, seiner Amplitude und seiner Frequenz moduliert. Durch eine abwechselnd positive und negative nichtdrehmomentbildende Statorstromkomponente I_d werden die einzelnen Schalter 3 und Dioden des Inverters 1, beispielsweise eines B6-Wechselrichters, gleichmäßig belastet und altern hierdurch ebenfalls gleichmäßig. Der Wechselstrom erzeugt ein Wechselfeld, wodurch das Eisen des Rotors und Stators 2 der elektrischen Maschine ummagnetisiert wird. Es entstehen zusätzliche Eisenverluste. Durch die Amplitude können die Kupferverluste in der elektrischen Maschine und die Durchlassverluste im Inverter 1 erhöht oder verringert werden.
• Das innere Drehmoment M_Mi für die elektrische Maschine kann nach folgender Gleichung bestimmt werden: $$M_{Mi}=\frac{3}{2}{Z}_p\left({\psi }_{PM}\cdot I_q+\left(L_d-L_q\right)\cdot I_d\cdot I_q\right)$$

  

  mit

Ld, Lq

Statorinduktivitäten im d,q-System

Zp

Polpaaranzahl

ΨPM

Statorfluss

• Der Anteil des Drehmoments aus dem Permanentmagneten wird durch den Term Ψ_PM · I_q bestimmt. Der Anteil des Drehmoments aus der Reluktanz wird durch den Term (L_d - L_q) - I_d · I_q bestimmt.
• Die gleichmäßige Belastung aller Schalter 3 des Inverters 1 führt ebenfalls zu einer gleichmäßigen Alterung der als Halbleiter ausgebildeten Schalter 3.
• Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Verkleinerung oder ein Wegfall eines elektrischen Heizers oder Wärmetauschers möglich. Das Verfahren ermöglicht eine beliebige Erhöhung von Verlusten in der elektrischen Maschine oder im Inverter 1. Das Verfahren kann im Stillstand des Fahrzeuges, beispielsweise beim Laden, verwendet werden.
• Bezugszeichenliste

1

Inverter

2

Stator

3

Schalter

Id

nichtdrehmomentbildende Statorstromkomponente

Iq

drehmomentbildende Statorstromkomponente

t

Zeit

• 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 [0006]

Claims (2)

1. Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Inverter (1) zum Ansteuern eines Stators (2) der elektrischen Maschine, wobei der Inverter (1) eine dreiphasige Brückenschaltung mit einer Anzahl von als Halbleiter ausgebildeten Schaltern (3) umfasst, wobei im Inverter (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, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Wechselstrom ausgebildete nichtdrehmomentbildende Statorstromkomponente (I_d) in die elektrische Maschine eingeprägt wird, wobei im Stillstand eine drehmomentbildende Statorstromkomponente (I_q) zu Null geregelt wird, wobei im Fahrbetrieb ein Kompensationsstrom als drehmomentbildende Statorstromkomponente (I_q) eingeprägt wird, der ein durch die Variation der nichtdrehmomentbildenden Statorstromkomponente (I_d) entstehendes Drehmoment kompensiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Stillstand die als Wechselstrom ausgebildete nichtdrehmomentbildende Statorstromkomponente (I_d) ohne Offset in die elektrische Maschine eingeprägt wird, wobei im Fahrbetrieb die als Wechselstrom ausgebildete nichtdrehmomentbildende Statorstromkomponente (I_d) mit einem negativen Offset in die elektrische Maschine eingeprägt wird und der Kompensationsstrom als drehmomentbildende Statorstromkomponente (I_q) mit einem positiven Offset eingeprägt wird.

Images