DE102021003620A1 - Verfahren zum Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein 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,set, iq,set) als Stellgrößen in einer Raumzeigerdarstellung vorgegeben und jeweils einem PI-Regler (4, 5) zugeführt werden, der als Regelgröße eine Spannung (ud, 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,set, iq,set) subtrahiert werden, wobei jeder der PI-Regler (4, 5) Teil eines jeweiligen kombinierten Reglers (9, 10) ist, der außerdem jeweils einen Resonanzregler (11, 12) umfasst, wobei die PI-Regler (4, 5) zum Einprägen drehmomentbildender Gleichströme (id_DC,set, iq_DC,set) als Stellgrößen in die elektrische Maschine (2) und die Resonanzregler (11, 12) zum amplitudentreuen und phasentreuen Einprägen wechselförmiger Ströme (id_AC,set, iq_AC,set) in die elektrische Maschine (2) zum Erhöhen von Verlusten verwendet werden.

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 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 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 ist jeder der PI-Regler Teil eines jeweiligen kombinierten Reglers, der außerdem jeweils einen Resonanzregler umfasst, wobei die PI-Regler zum Einprägen drehmomentbildender Gleichströme als Stellgrößen in die elektrische Maschine und die Resonanzregler zum amplitudentreuen und phasentreuen Einprägen wechselförmiger Ströme in die elektrische Maschine zum Erhöhen von Verlusten verwendet werden.
• Mittels der erfindungsgemäßen Lösung ist die Regelung von Wechselströmen im elektrischen Antrieb zur zusätzlichen Verlusterzeugung möglich. Dabei entspricht der Istwert dem Sollwert des Wechselstroms. Das Verfahren kann auch im Stillstand des Fahrzeuges, beispielsweise beim Laden, verwendet werden. Ein genaues Modell der Regelstrecke ist nicht erforderlich. Störungen können ausgeregelt 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 Teilansicht eines modifizierten Regelkreises mit einem kombinierten Regler, umfassend einen PI-Regler und einen Resonanz-Regler, und
• 3 ein schematisches Bode-Diagramm einer Übertragungsfunktion des kombinierten Reglers.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Derzeit gibt es im Fahrzeug nur herkömmliche PI-Regler. Diese sind vom Prinzip her nicht in der Lage, Wechselgrößen phasentreu und amplitudentreu auszuregeln. Ein PI-Regler kann aufgrund seines Prinzips nur Gleichsignale nach einer endlichen Zeit ohne Fehler ausregeln. Für Wechselsignale ist der PI-Regler nicht geeignet, da es immer eine Abweichung zwischen dem Referenzsignal und dem gemessenen Signal geben wird. 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.
• Um dieses Problem zu umgehen, wurde folgende Erfindung entwickelt:
• 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,set für eine d-Achse und einen Strom i_q,set für eine q-Achse vor. Gemäß einer bekannten Lösung werden die Stellgrößen i_d,set, i_q,set jeweils einem PI-Regler 4, 5 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,set, i_q,set subtrahiert.
• Die Übertragungsfunktion des PI-Reglers 4, 5 lautet: $$K_p+K_I\cdot \frac{1}{s}$$

  
• Ein PI-Regler 4, 5 kann aufgrund seines Prinzips nur Gleichsignale nach einer endlichen Zeit ohne Fehler ausregeln. Für Wechselsignale ist der PI-Regler 4, 5 nicht geeignet, da es immer eine Abweichung zwischen dem Referenzsignal und dem gemessenen Signal geben wird.
• 2 ist eine schematische Teilansicht eines modifizierten Regelkreises 1 ähnlich dem in 1 dargestellten Regelkreis 1.
• Die PI-Regler 4, 5 aus 1 werden jeweils durch einen kombinierten Regler 9, 10 ersetzt. Jeder der kombinierten Regler 9, 10 umfasst einen PI-Regler 4, 5 und einen Resonanzregler (R-Regler) 11, 12.
• 3 zeigt ein schematisches Bode-Diagramm einer Übertragungsfunktion des kombinierten Reglers 9, 10, umfassend den PI-Regler 4, 5 und den Resonanz-Regler 11, 12. Die Übertragungsfunktion des kombinierten Reglers 9, 10 lautet: $$K_p+K_I\cdot \frac{1}{s}+K_R\cdot \frac{s}{s^2+w_{c}s+w^2}$$

  
• Um Gleichgrößen zu regeln verwendet man den PI-Regler 4, 5. Um Wechselgrößen zu regeln verwendet man den Resonanzregler 11, 12. Der PI-Regler 4, 5 wird mit dem Resonanz-Regler 11, 12 kombiniert, um so sowohl drehmomentbildende Gleichströme i_{d_Dc,set}, i_{q_Dc,set} als Stellgrößen in die elektrische Maschine 2 einzuprägen als auch darauf wechselförmige Ströme i_{d_AC,set}, i_{q_Ac,set} als Stellgrößen zu überlagern, um die Verluste zu erhöhen. Der PI-Regler 4, 5 regelt hierbei unverändert die Gleichgrößen, wohingegen der Resonanz-Regler 11, 12 die Wechselgrößen amplitudentreu und phasentreu in die elektrische Maschine 2 einprägt. Ferner erfolgt nach dem kombinierten Regler 9 für die d-Achse eine Entkopplung 13 der d-Achse unter Berücksichtigung des Iststroms i_q,ist aus der q-Achse und nach dem kombinierten Regler 10 für die q-Achse eine Entkopplung 14 der q-Achse unter Berücksichtigung des Iststroms i_d,ist aus der d-Achse.
• Bezugszeichenliste

1

Regelkreis

2

elektrische Maschine

3

Look-up-Tabelle

4

PI-Regler

5

PI-Regler

6

DQ/UVW-Wandler

7

Pulsweitenmodulator

8

Brückenschaltung

9

kombinierter Regler

10

kombinierter Regler

11

Resonanzregler

12

Resonanzregler

13

Entkopplung

14

Entkopplung

15

UVW/DQ-Wandler

id_AC,set

wechselförmiger Strom, Stellgröße

id_DC,set

drehmomentbildender Gleichstrom, Stellgröße

id,ist

Iststrom

id,set

Stellgröße, Strom

iq_AC,set

wechselförmiger Strom, Stellgröße

iq_DC,set

drehmomentbildender Gleichstrom, Stellgröße

iq,ist

Iststrom

iq,set

Stellgröße, Strom

iu, iv, iw

Strom

Mreq

angefordertes Drehmoment

ud

Regelgröße, 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,set, i_q,set) 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,set, i_q,set) subtrahiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der PI-Regler (4, 5) Teil eines jeweiligen kombinierten Reglers (9, 10) ist, der außerdem jeweils einen Resonanzregler (11, 12) umfasst, wobei die PI-Regler (4, 5) zum Einprägen drehmomentbildender Gleichströme (i_{d_DC,set}, i_{q_DC,set}) als Stellgrößen in die elektrische Maschine (2) und die Resonanzregler (11, 12) zum amplitudentreuen und phasentreuen Einprägen wechselförmiger Ströme (i_{d_AC,set}, i_{q_AC,set}) in die elektrische Maschine (2) zum Erhöhen von Verlusten verwendet werden.
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 elektrische 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.

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