DE102021102192A1

DE102021102192A1 - Verfahren zur Überprüfung der Schaltsignale eines Wechselrichters einer mittels einer Pulsweitenmodulation gesteuerten Elektromaschine eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102021102192A1
Application number: DE102021102192.8A
Authority: DE
Inventors: Huan FU; Vincent Leonhardt; Eduard Enderle
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2041-02-02
Also published as: CN116868068A; DE102021102192B4; US20240142505A1; WO2022161574A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Schaltsignale (7, 8, 9) eines Wechselrichters (3) einer mittels einer von einer Steuereinheit (6) mittels eines Tastgrads und einer Dreieckspannungsfolge erzeugten Pulsweitenmodulation (upwm) gesteuerten Elektromaschine (2) eines Antriebssystems (1) eines Kraftfahrzeugs. Um die an der Elektromaschine (2) anliegenden Schaltsignale (7, 8, 9) zu plausibilisieren, wird aus den Schaltsignalen (7, 8, 9) laufend ein Ist-Tastgrad der aktuellen Pulsweitenmodulation ermittelt und mit dem Soll-Tastgrad der Steuereinheit (6) verglichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Schaltsignale eines Wechselrichters einer mittels einer von einer Steuereinheit mittels eines Tastgrads und einer Dreieckspannungsfolge erzeugten Pulsweitenmodulation gesteuerten Elektromaschine eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs.
Antriebssysteme von Kraftfahrzeugen mit einer Elektromaschine können hybridisch oder rein elektrisch ausgebildet sein. Die Bordspannungsnetze mit entsprechenden Akkumulatoren zur Speicherung und Versorgung des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie sind auf Gleichspannung ausgelegt. Um die Elektromaschine mittels einer digital arbeitenden Steuereinheit steuern und mit elektrischer Energie versorgen zu können, ist ein Wechselrichter mit einer Leistungselektronik vorgesehen, die mittels einer Pulsweitenmodulation gesteuert wird.
Die Pulsweitenmodulation stellt hierbei getaktete Spannungsimpulse in Rechteckform bereit, die innerhalb jeweils eines Zeittaktes unterschiedlich lang sind und damit die Elektromaschine abhängig von der von der Steuereinheit ausgegebenen Pulsweite der Spannungsimpulse mit Wechselstrom betreiben.
Um die Leistung des Antriebssystems zu erfassen, ist es nötig, die Leistung der Elektromaschine und damit die Wechselströme zu deren Betrieb laufend zu überwachen und zu plausibilisieren. In bekannter Weise kann hierzu ein analoger Low-Pass-Filter zwischen der Leistungselektronik und der Elektromaschine vorgesehen werden. Aufgrund der engen Abstände der Frequenzen zwischen Störschwingungen und der Frequenz der Pulsweitenmodulation kann ein derartiger Low-Pass-Filter weniger geeignet sein.
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Verfahrens zur Überprüfung der Schaltsignale eines Wechselrichters für eine derartige Elektromaschine.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von dem Anspruch 1 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Überprüfung der Schaltsignale eines Wechselrichters, der mittels einer von einer Steuereinheit mittels eines Tastgrads und einer Dreieckspannungsfolge erzeugten Pulsweitenmodulation die Elektromaschine eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs steuert und betreibt. Zumindest eine dieser Elektromaschinen kann in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine ein hybridisches Antriebssystem bilden. Alternativ können eine einzige oder mehrere derartige Elektromaschinen ein rein elektrisch arbeitendes Antriebssystem bilden. Die Elektromaschine kann elektromotorisch oder generatorisch betrieben werden, wobei im elektromotorischen Antrieb eine Brennkraftmaschine gestartet, das Kraftfahrzeug angetrieben und/oder Nebenaggregate angetrieben werden können. Im generatorischen Betrieb kann kinetische Energie des Kraftfahrzeugs rekuperiert werden und/oder ein Akkumulator für elektrische und/oder kinetische Energie beispielsweise von einer Brennkraftmaschine angetrieben geladen werden.
In einer zu einem Low-Pass-Filter alternativen und unabhängig von dessen frequenzlimitierten Arbeitsweise wird aus den Schaltsignalen laufend ein Ist-Tastgrad der Pulsweitenmodulation ermittelt und mit dem Tastgrad der Steuereinheit verglichen. Mittels eines Vergleichs zwischen dem ausgegebenen Tastgrad, quasi dem Soll-Tastgrad und dem ermittelten Ist-Tastgrad, können Verluste der Schaltsignale bestimmt und beispielsweise in einem Regler minimiert werden. Hierdurch kann eine korrigierte Pulsweitenmodulation mittels entsprechend korrigierten Tastgraden an die Leistungselektronik ausgegeben werden, so dass die Leistung der Elektromaschine plausibilisiert und unter Echtzeit an eine Wunschleistung angepasst werden kann.
Der Ist-Tastgrad wird in vorteilhafter Weise in einem von der Frequenz der Dreieckspannungsfolge vorgegebenen Zeittakt ermittelt. Beispielsweise können Rechteckimpulse der an der Elektromaschine anliegenden Pulsweitenmodulation zeitlich getaktet integriert werden und aus ermittelten Pulsweitenintegralen der Ist-Tastgrad bestimmt werden. Hierbei kann der analoge Integrator beispielsweise durch Vergleich der Pegel wie beispielsweise High- und Low-Werte der Pulsweitenmodulation mittels eines Operationsverstärkers einer Operatorschaltung nach jedem Rechteckimpuls gestartet, gestoppt und zu Null gesetzt werden.
Hierdurch wird zeitlich getaktet jeweils ein analoger Integrationswert des Integrators für eine einzige Pulsweite ermittelt. Dieser analoge Integrationswert wie beispielsweise für jeden Zeittakt ermittelte Impulsweitenintegrale von Rechteckimpulsen der Pulsweitenmodulation kann beziehungsweise können mittels eines A/D-Wandlers in eine digitale Größe gewandelt werden. Daraus kann beispielsweise für jeden Zeittakt oder für eine Auswahl einzelner Zeittakte ein digitaler Ist-Tastgrad ermittelt und in die Steuereinheit eingelesen werden.
Der jeweilige Ist-Tastgrad eines Zeittakts kann beispielsweise aus der vorgegebenen Frequenz der Dreieckspannungsfolge und jeweils einem in diesen diskreten Zeittakt ermittelten Pulsweitenintegral bestimmt werden.
Beispielsweise kann ein Ist-Tastgrad D gemäß folgender Gleichung (1) ermittelt werden: $D = \frac{\int_{t_{1}}^{t_{2}} u_{p w m} d t \cdot ƒ_{s w}}{U_{1}}$
mit dem Rechteckimpuls u_pwm, der Frequenz fsw der Dreieckspannungsfolge, der Gleichspannung U1 sowie der Anfangszeit t₁ und der Endzeit t₂ eines Integrationsintervalls.
Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine Blockschaltbild eines Antriebssystems mit einer Elektromaschine,
2 ein Diagramm der Ausbildung der Pulsweitenmodulation der Steuerung der 1,
3 die Überprüfung des Ist-Tastgrads der Steuerung der 1 und
4 ein Schaltbild einer Schaltung zur Erfassung des Ist-Tastgrads.

Die 1 zeigt das Blockschaltbild des Antriebssystems 1 mit der Elektromaschine 2, die mittels des Wechselrichters 3, der die Gleichspannung U1 des Akkumulators 4 für elektrische Energie in einen Wechselstrom umformt, angetrieben ist.
Die Gleichspannung U1 liegt an der Leistungselektronik 5 an und bildet die Gleichspannung U_dc zur Versorgung der Steuereinheit 6. Die Steuereinheit 6 steuert die Elektromaschine 2 mittels der Pulsweitenmodulation u_pwm und erfasst den Drehwinkel φ des Rotors der Elektromaschine 2 zur Bestimmung deren Drehkennwerte wie beispielsweise Drehzahl, Drehwinkel und Drehbeschleunigung.
Zur Überprüfung der Plausibilität der Pulsweitenmodulation u_pwm werden nach der Leistungselektronik 5 und vor den Wicklungen der Elektromaschine 2 jeweils Schaltsignale 7, 8, 9, beispielsweise Ströme, Spannungen oder andere elektrische Größen der drei Phasen x, y, z der Leistungselektronik 5 von der Steuereinheit 6 erfasst und deren Pulsweiten ausgewertet und mit den Pulsweiten der von der Steuereinheit 6 an die Leistungselektronik 5 ausgegebenen Pulsweitenmodulation u_pwm verglichen. Gegebenenfalls wird bei über einer Schwelle liegenden Abweichungen die Pulsweitenmodulation u_pwm korrigiert, eine Fehlermeldung in einem Fehlerspeicher hinterlegt oder ausgegeben und/oder in anderer Weise auf eine ermittelte Abweichung reagiert. Die Ermittlung der von der Leistungselektronik 5 ausgegebenen Pulsweitenmodulation erfolgt in vorgeschlagener Weise entsprechend nachfolgenden Figuren als Ist-Tastgrad zur Erzeugung der Pulsweitenmodulation.
Die 2 zeigt unter Bezug auf die 1 das Diagramm 100 mit den Teildiagrammen 101, 102 über die Zeit t zur Erläuterung der Ausbildung der Pulsweitenmodulation u_pwm. Von der Steuereinheit 6 wird - wie in Teildiagramm 102 gezeigt - die in der Kurve 103 gezeigte Dreieckspannungsfolge mit der Frequenz fsw und der sich daraus ergebenden Wellenlänge Ts erzeugt und mit dem variabel als Steuergröße für die Steuerung der Elektromaschine 2 vorgesehenen, in der Kurve 104 dargestellten Soll-Tastgrad D(soll) mit vorgegebenen Werten zwischen Null und Eins kombiniert. Hieraus folgt die in Teildiagramm 102 gezeigte, mit der Gleichspannung U1 der Leistungselektronik 5 kombinierte Pulsweitenmodulation u_pwm mit unterschiedlich langen, von dem Soll-Tastgrad D(soll) vorgegebenen Anschaltzeiten t_on der Gleichspannung U1.
Eine Überprüfung dieser Pulsweitenmodulation u_pwm erfolgt mittels der Erfassung der tatsächlich aus den einzelnen Schaltsignalen 7, 8, 9 gewonnenen Pulsweitenintegrale.
Diese werden aus der Anschaltzeit t_on eines Rechtimpulses und der Gleichspannung U1 errechnet. Gemäß den nachfolgenden Gleichungen (2) und (3) $D = \frac{t_{on}}{T s} = t_{on} \cdot ƒ_{s w}$
$\int_{t_{1}}^{t_{2}} u_{p w m} d t = U_{1} \cdot t_{on}$
wird der Ist-Tastgrad D unter Bezug auf die zuvor genannte Gleichung (1) zwischen den jeweiligen Anschaltzeiten t₁ und Ausschaltzeiten t₂ einer Wellenlänge T_s eines jeweiligen Integrationsinterwalls der Pulsweitenmodulation u_pwm ermittelt und mit dem Soll-Tastgrad D(soll) verglichen.
Die 3 zeigt unter Bezug auf die vorhergehenden Figuren das Diagramm 200 mit dem Teildiagramm 201 der aktuell ermittelten, abhängig vom Tastgrad zwischen der Gleichspannung U1 und Null abhängigen Pulsweiten wechselnden Pulsweitenmodulation u_pmw(ist), dem Teildiagramm 202 mit den jeweils aus einer Pulsweite ermittelten Pulsweitenintegralen I, und dem Teildiagramm 203 mit dem aus den Pulsweitenintegralen gesampelten, zwischen Null und Eins liegenden und dem aktuellen Tastgrad zugeordneten digitalen Größen s über die Zeit t. Aus jeweils einem in einem Zeittakt vorliegenden Rechteckimpuls wird ein Pulsweitenintegral ermittelt. Anschließend wird der Integrator auf Null gesetzt und im nächsten Zeittakt der zugehörige Rechteckimpuls integriert. Hierdurch wird zu jedem Zeittakt einer Wellenlänge der Dreieckspannungsfolge ein Pulsweitenintegral ermittelt, welchem jeweils eine gesampelte Größe s über die Zeit t zugeordnet wird. Aus den gesampelten Größen wird pro Zeittakt jeweils ein Ist-Tastgrad D ermittelt und mit dem Soll-Tastgrad D(soll) verglichen.
Die 4 zeigt unter Bezug auf die vorhergehenden Figuren das vereinfachte Schaltbild der Schaltung 300 zur Überprüfung der Pulsweitenmodulation u_pwm des Wechselrichters 3 der 1. Die dem Schaltbild 300 zugrundeliegende Schaltung kann als Hardware- oder Softwarebaustein in der Steuereinheit 6 hinterlegt sein. Die dargestellte Schaltung ist aus dem Integrator 301, dem Inverter 302, dem A/D-Wandler 303 und der Ausgabe 304 gebildet.
An dem Integrator 301 liegen die Pegel P_H, P_L der von der Steuereinheit 6 erfassten Pulsweitenmodulation u_psm(ist) an. Der Pegel P_L kontrolliert den Schalter 305. Im nichtaktiven Zustand des Pegels P_L wird der Kondensator C₁ entladen. Bei aktivem Pegel P_L ist der Schalter 305 geschlossen und der der Gleichspannung U1 entsprechende Pegel P_L lädt über den Widerstand R₁ den Kondensator C₁ über die Dauer der aktuellen Pulsweite auf, so dass die Ladung des Kondensators C₁ dem von dem Operationsverstärker 310 auf den Inverter 302 übertragenen negativen Pulsweitenladungsintegral entspricht.
In dem Inverter 302 wird das negative Pulsweitenintegral invertiert, so dass gemäß Gleichung (4) $I = \frac{\int_{t_{1}}^{t_{2}} u_{p w m} (ist) d t}{2 \cdot R_{1} \cdot C_{1}}$
das Pulsweitenintegral I bestimmt werden kann. Dieses analoge Pulsweitenintegral I wird in dem A/D-Wandler 303 für jeden Zeittakt mittels des Taktgebers 306, des Schalters 307 und der Operationsverstärker 308, 309 in digitale Größen s gewandelt, die in der Ausgabe 304 für jeden Zeittakt der Dreieckspannungsreihe in den Ist-Tastgrad D umgewandelt werden. Der Ist-Tastgrad D kann in der Steuereinheit 6 mit dem Soll-Tastgrad verglichen werden. Gegebenenfalls notwenige Korrekturen des Soll-Tastgrads können von der Steuereinheit 6 eingeleitet und/oder durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
2: Elektromaschine
3: Wechselrichter
4: Akkumulator
5: Leistungselektronik
6: Steuereinheit
7: Schaltsignal
8: Schaltsignal
9: Schaltsignal
100: Diagramm
101: Teildiagramm
102: Teildiagramm
103: Kurve
104: Kurve
200: Diagramm
201: Teildiagramm
202: Teildiagramm
203: Teildiagramm
300: Schaltung
301: Integrator
302: Inverter
303: A/D-Wandler
304: Ausgabe
305: Schalter
306: Taktgeber
307: Schalter
308: Operationsverstärker
309: Operationsverstärker
310: Operationsverstärker
C1: Kondensator
D(soll): Soll-Tastgrad
D: Ist-Tastgrad
fsw: Frequenz
I: Pulsweitenintegral
PH: Pegel
PL: Pegel
R1: Widerstand
s: digitale Größe
t: Zeit
t1: Anfangszeit
t2: Endzeit
Ts: Wellenlänge
upwm: Pulsweitenmodulation
upwm(ist): aktuelle Pulsweitenmodulation
Udc: Gleichspannung
U1: Gleichspannung
x: Phase
y: Phase
z: Phase
φ: Drehwinkel

Claims

Verfahren zur Überprüfung der Schaltsignale (7, 8, 9) eines Wechselrichters (3) einer mittels einer von einer Steuereinheit (6) mittels eines Tastgrads (D(soll)) und einer Dreieckspannungsfolge erzeugten Pulsweitenmodulation (u_pwm) gesteuerten Elektromaschine (2) eines Antriebssystems (1) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Schaltsignalen (7, 8, 9) laufend ein Ist-Tastgrad (D) der aktuellen Pulsweitenmodulation (u_pwm(ist)) ermittelt und mit dem Soll-Tastgrad (D(soll)) der Steuereinheit (6) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Tastgrad (D) in einem von der Frequenz (fsw) der Dreieckspannungsfolge vorgegebenen Zeittakt ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Rechteckimpulse der an der Elektromaschine (2) anliegenden aktuellen Pulsweitenmodulation (u_pwm(ist)) zeitlich getaktet integriert werden und aus ermittelten Pulsweitenintegralen (I) der Ist-Tastgrad (D) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Pulsweitenintegrale (I) mittels eines analogen Integrators (301) vorgesehen wird und mittels eines A/D-Wandlers (303) ein digitaler Ist-Tastgrad (D) in die Steuereinheit (6) eingelesen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (301) nach jedem Zeittakt auf Null zurückgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Frequenz (fsw) der Dreieckspannungsfolge und jeweils einem in einem diskreten Zeittakt ermittelten Pulsweitenintegral (I) der zugehörige Ist-Tastgrad (D) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Tastgrad D gemäß folgendem Zusammenhang: $D = \frac{\int_{t_{1}}^{t_{2}} u_{p w m} d t \cdot ƒ_{s w}}{U_{1}}$
mit dem Rechteckimpuls u_pwm, der Frequenz fsw der Dreieckspannungsfolge, der Gleichspannung U₁ des Wechselrichters (3) sowie der Anfangszeit t₁ und der Endzeit t₂ eines Integrationsintervalls bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der analoge Integrator (301) anhand von Pegeln (P_L, P_H) der aktuellen Pulsweitenmodulation (u_pwm(ist)) gestartet, gestoppt und zu Null gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Pulsweitenintegral (I) in dem A/D-Wandler (303) in eine digitale Größe (s) gewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (6) aus der digitalen Größe (s) abhängig von der Frequenz (fsw) der Dreieckspannungsfolge und der Gleichspannung (U1) der Ist-Tastgrad bestimmt wird.