-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine eines elektrischen Antriebsstrangs eines Fahrzeugs sowie einen elektrischen Antriebsstrang.
-
In einem elektrischen Antriebsstrang für den Betrieb einer elektrischen Maschine wird ein Wechselrichter benötigt, wobei dieser Wechselrichter dazu dient, die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle des Fahrzeugs, beispielsweise eine Batterie, in eine mehrphasige Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Maschine zu konvertieren. Der Wechselrichter übernimmt damit einhergehend die Steuerung der elektrischen Maschine. Ein solcher Wechselrichter umfasst regelmäßig eine Steuereinrichtung, wobei mithilfe der in der Steuereinrichtung implementierten Softwarefunktion Ansteuersignale für einzelne Schalter einer Leistungselektronik, auch als Leistungsteil bezeichnet, des Wechselrichters ausgegeben werden. Die von der Steuereinrichtung ausgegebenen Ansteuersignale sind abhängig von der Art der Ansteuerung und des geforderten Drehmoments.
-
Die Ansteuerung der elektrischen Maschine erfolgt in der Regel mit dem Verfahren der Raumzeigermodulation oder trägerfrequenzbasierten Verfahren bei konstanter Taktfrequenz, die in einer Softwarefunktion der Steuereinrichtung implementiert sind. Die Softwarefunktion berechnet aus einem geforderten Stromzeiger die zugehörigen Ansteuersignale für die Leistungselektronik bzw. einem der Leistungselektronik vorgeschalteten Gatetreiber, um einen entsprechenden Spannungszeiger zu erzeugen.
-
Beim Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs entstehen sowohl in dem Wechselrichter als auch in der elektrischen Maschine Verluste in Form von thermischen Verlusten.
-
In der
CN 10 55 77 069 A wird ein Verfahren zur Minimierung der Verluste im Wechselrichter eines elektrischen Fahrzeugantriebsstrangs durch Raumzeigermodulation mit veränderlicher Schaltfrequenz offenbart. In der
DE 10 2016 206 621 A1 wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine und einem Wechselrichter zum Ansteuern der elektrischen Maschine offenbart, wobei diese Druckschrift ein Verfahren beschreibt, um bei einem vorgegebenen maximalen Ladezustand der Batterie der Wechselrichter mit einer speziellen Raumzeigermodulation derart anzusteuern, dass eine Effizienz des Wechselrichters verschlechtert wird, um, beispielsweise im Falle eines Bremsvorgangs, die bei der Rekuperation zurückgewonnene Energie nicht in die Batterie einzuspeisen, sondern im Wechselrichter in Wärme umzusetzen.
-
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch eine geeignete Ansteuerung der elektrischen Maschine die Gesamtverluste in dem elektrischen Antriebsstrang, insbesondere unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen, zu reduzieren.
-
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Ferner wird diese Aufgabe durch einen Antriebsstrang gelöst, der die Merkmale des Patentanspruchs 11 aufweist.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine eines elektrischen Antriebsstrangs eines Fahrzeugs sieht vor, dass der Antriebsstrang eine Gleichstromquelle, insbesondere eine Traktionsbatterie, eine elektrische Maschine und einen Wechselrichter aufweist. Bei dem Wechselrichter handelt es sich insbesondere um einen Pulswechselrichter. Der Wechselrichter weist wiederum eine Steuereinrichtung und ein Leistungsteil auf, wobei das Leistungsteil dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von Steuersignalen der Steuereinrichtung eine Wechselspannung an der elektrischen Maschine zum Ansteuern der elektrischen Maschine bereitzustellen. Ferner ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine in zumindest drei unterschiedlichen Modi angesteuert werden kann. In einem ersten Modus wird die elektrische Maschine unter Verwendung einer zeitsynchronen Taktung mit variabler Taktfrequenz angesteuert. In einem zweiten Modus wird die elektrische Maschine unter Verwendung einer mittelpulsgetakteten Vielfachtaktung, insbesondere einer mittelpulsgetakteten Fünffachtaktung oder Dreifachtaktung, angesteuert. In einem dritten Modus wird die elektrische Maschine unter Verwendung einer Blocktaktung angesteuert.
-
Durch das Vorsehen von zumindest drei unterschiedlichen Modi können Verluste in dem Gesamtsystem elektrische Maschine und Wechselrichter in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der elektrischen Maschine, insbesondere in Abhängigkeit von dem angeforderten Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Maschine optimiert und insbesondere reduziert werden.
-
Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn in dem ersten Modus mittels einer Pulsbreitenmodulation, insbesondere unter Verwendung einer Raumzeigermodulation mit variabler Taktfrequenz, die Wechselspannung zur Ansteuerung der elektrischen Maschine moduliert wird.
-
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn der Modus in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine und/oder dem angeforderten Drehmoment der elektrischen Maschine und/oder der angeforderten Leistung der elektrischen Maschine gewählt wird.
-
Insbesondere ist vorgesehen, dass bei der Wahl des Modus sowohl die Verluste im Wechselrichter, insbesondere im Leistungsteil, als auch die Verluste in der elektrischen Maschine bei gegebener Drehzahl und/oder dem angeforderten Drehmoment und/oder der angeforderten Leistung berücksichtigt werden. Insofern ist vorgesehen, dass nicht lediglich Verluste in der elektrischen Maschine, sondern die Verluste in dem Gesamtsystem elektrische Maschine und Pulswechselrichter berücksichtigt werden, insbesondere um dadurch eine Optimierung des System-Wirkungsgrades zu erreichen. Insofern ist vorgesehen, durch die Verwendung unterschiedlicher Betriebsmodi die elektrischen Maschine derart zu anzusteuern, dass die Verlusten im System Pulswechselrichter und elektrische Maschine verringert sind.
-
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Modus und/oder die Taktfrequenz derart gewählt wird, dass die Verluste im Gesamtsystem Wechselrichter und elektrische Maschine bei gegebener Drehzahl und/oder angefordertem Drehmoment und/oder angeforderter Leistung minimiert sind.
-
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Steuereinrichtung wenigstens einen Mikroprozessor und Speichermittel zur Speicherung eines oder mehrerer vorgegebener Verlustmodelle umfasst, insbesondere in dem Speichermittel ein Verlustmodell für den Wechselrichter, insbesondere für das Leistungsteil, und ein Verlustmodell für die elektrische Maschine gespeichert sind, die zu erwartende Verluste in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Drehmoment umfassen.
-
Die zu speichernden Verlustmodelle können insbesondere computergestützt berechnete Verlustmodelle sein. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn es sich bei dem Verlustmodell für den Wechselrichter um ein analytisches Verlustmodell als makroskopisches Grundschwingungsmodell handelt und/oder es sich bei dem Verlustmodell für die elektrische Maschine um ein semi-analytisches Verlustmodell handelt, das Oberschwingungsverluste berücksichtigt.
-
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn bei relativ niedrigen Drehzahlen der elektrischen Maschine die elektrische Maschine in dem ersten Modus angesteuert wird, bei mittleren Drehzahlen die elektrische Maschine in dem zweiten Modus angesteuert wird und bei relativ hohen Drehzahlen die elektrische Maschine in dem dritten Modus angesteuert wird. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die elektrische Maschine bis zu einer Eckkreisfrequenz der elektrischen Maschine in dem ersten Modus angesteuert wird, oberhalb der Eckkreisfrequenz der elektrischen Maschine die elektrische Maschine in dem zweiten Modus angesteuert wird und oberhalb von etwa 80 % einer konstruktionsbedingten Maximaldrehzahl der elektrischen Maschine die elektrische Maschine in dem dritten Modus angesteuert wird.
-
Es ist durchaus denkbar, dass der zweite Modus, somit der Modus mit mittelpulsgetakteter Vielfachtaktung, mehrere Untermodi aufweist, die sich durch das Vielfache der Taktung unterscheiden. Insbesondere ist vorgesehen, dass der zweite Modus zumindest zwei Untermodi aufweist, wobei in dem einen Untermodus die elektrische Maschine unter Verwendung einer mittelpulsgetakteten Fünffachtaktung angesteuert wird und in dem anderen Untermodus die elektrische Maschine unter Verwendung einer mittelpulsgetakteten Dreifachtaktung angesteuert wird. Dadurch kann eine besonders feine Abstimmung der Ansteuerung der elektrischen Maschine erzielt werden.
-
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Wahl des Modus und/oder die Wahl der Taktfrequenz unter Berücksichtigung von außerhalb des Systems Wechselrichter und elektrische Maschine liegenden Randbedingungen erfolgt oder diese Randbedingungen berücksichtigt werden, insbesondere die Betriebsbedingungen eines Hochvolt-Bordnetzes des Fahrzeugs berücksichtigt werden. Randbedingungen könnten beispielsweise eine maximale Spannungswelligkeit des Hochvolt-Bordnetzes an einem Zwischenkondensator sein, die eingehalten werden müssen. Ferner kann es sich bei solchen Randbedingungen auch um solche Handeln, die Resonanzeffekte aufgrund der variablen Taktfrequenz und verschiedenen Ansteuerverfahren berücksichtigen. Es ist durchaus denkbar, dass derartige Randbedingungen ebenfalls in dem Speichermittel der Steuereinrichtung gespeichert sind und bei der Wahl des Modus und/oder der Taktfrequenz berücksichtigt werden.
-
Es ist durchaus denkbar, dass bei der Wahl des Modus und/oder der Taktfrequenz nicht allein eine Minimierung der Verluste im Gesamtsystem Wechselrichter und elektrische Maschine berücksichtigt wird, sondern zu einem gewissen Grad auch eine Verlustaufteilung in diesem System erzielt werden soll. Beispielsweise können der Modus und/oder die Taktfrequenz derart gewählt werden, dass die thermischen Verluste in der elektrischen Maschine verringert werden auf Kosten einer Erhöhung der thermischen Verluste in dem Wechselrichter. Somit ist es möglich, während des Betriebs des elektrischen Antriebsstrangs thermisch kritische Bauteile durch eine Verlustverschiebung zu entlasten. Zwar wird das Gesamtsystem dann ggf. nicht verlustoptimiert betrieben, allerdings kann die thermische Belastung von kritischen Bauteilen reduziert werden, um eine Beschädigung dieser Bauteile zu vermeiden. Beispielsweise kann bei einer Anforderung eines besonders hohen Drehmoments und/oder einer besonders hohen Leistung der Modus und/oder die Taktfrequenz, insofern der Betriebspunkt, derart gewählt werden, dass die elektrische Maschine die entsprechende Leistung bei besonders geringer thermischer Belastung der elektrischen Maschine liefert auf Kosten einer höheren thermischen Belastung des Leistungsteils. Es ist durchaus denkbar, dass zu diesem Zweck die Steuereinrichtung in einem anderen Modus betrieben wird, beispielsweise in einem „Sportmodus“ betrieben wird, bei dem thermische Verluste in der elektrischen Maschine stärker gewichtet werden als thermische Verluste in dem Wechselrichter, um einer starken Erwärmung der elektrischen Maschine beim Fahren im „Sportmodus“ zu vermeiden.
-
In Anbetracht der obigen Ausführungen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Modus und/oder die Taktfrequenz derart gewählt wird, dass, gegenüber einer hinsichtlich der Verluste im Gesamtsystem Wechselrichter und elektrische Maschine optimalen Ansteuerung, die Verluste in der elektrischen Maschine verringert und die Verluste im Wechselrichter erhöht sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung derart betrieben werden kann, dass die Steuereinrichtung bei der Wahl des Modus und/oder der Taktfrequenz Verluste in der elektrischen Maschine bei gegebener Drehzahl und angefordertem Drehmoment stärker gewichtet als Verluste in dem Wechselrichter bei gegebener Drehzahl und angefordertem Drehmoment.
-
Es ist durchaus denkbar, dass die Wahl des Modus und/oder der Taktfrequenz unter Berücksichtigung der Temperatur von Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere von der Temperatur von Bauteilen der elektrischen Maschine, erfolgt.
-
Der erfindungsgemäße elektrische Antriebsstrang eines Fahrzeugs ist dazu eingerichtet, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens, betrieben zu werden.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den beigefügten Zeichnungen und der Beschreibung der in den Zeichnungen wiedergegebenen Ausführungsbeispiele, ohne hierauf beschränkt zu sein.
-
Es zeigen:
- 1 einen elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs,
- 2 ein Wechselrichter des elektrischen Antriebsstrangs gemäß 1,
- 3 eine schematische Darstellung eines Betriebskennfelds einer elektrischen Maschine des Antriebsstrangs gemäß 1,
- 4 ein Diagramm der Gesamtverluste des Wechselrichters und der elektrischen Maschine gemäß 1 in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz,
- 5 eine Darstellung von Schaltfrequenzen in Abhängigkeit von dem angeforderten Drehmoment und der Drehzahl für unterschiedliche betrachtete Systeme.
-
Die 1 zeigt einen elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs, wobei der Antriebsstrang eine Gleichstromquelle 1, eine elektrische Maschine 2 und einen Wechselrichter 3 aufweist. Der Wechselrichter 3 ist vorliegend als Pulswechselrichter ausgebildet. Der Wechselrichter 3 umfasst eine Steuereinrichtung 4 und ein Leistungsteil 5, wobei das Leistungsteil 5 dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von Steuersignalen 12 der Steuereinrichtung 4 eine Wechselspannung 6 an der elektrischen Maschine 2 bereitzustellen zum Ansteuern der elektrischen Maschine 2.
-
Die elektrische Maschine 2 kann in zumindest drei unterschiedlichen Modi, vorliegend vier Modi, angesteuert werden. Diese Ansteuerungsmodi sind schematisch in der 3 dargestellt, wobei die 3 ein Betriebskennfeld der elektrischen Maschine 2 zeigt.
-
In einem ersten Modus wird die elektrische Maschine unter Verwendung einer zeitsynchronen Taktung mit variabler Taktfrequenz angesteuert, wobei in dem ersten Modus mittels einer Pulsbreitenmodulation unter Verwendung einer Raumzeigermodulation mit variabler Taktfrequenz die Wechselspannung zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 2 moduliert wird. In einem zweiten Modus wird die elektrische Maschine 2 unter Verwendung einer mittelpulsgetakteten Vierfachtaktung, vorliegend einer mittelpulsgetakteten Fünffachtaktung und einer mittelpulsgetakteten Dreifachtaktung, angesteuert. In dem dritten Modus wird die elektrische Maschine 2 unter Verwendung einer Blocktaktung angesteuert.
-
In der 3 sind vier Bereiche kenntlich gemacht, wobei in dem ersten Bereich 14 die elektrische Maschine 2 in dem ersten Modus angesteuert wird, in dem zweiten Bereich 15 die elektrische Maschine 2 unter Verwendung der mittelpulsgetakteten Fünffachtaktung angesteuert wird, in den dritten Bereich 16 die elektrische Maschine 2 unter Verwendung einer mittelpulsgetakteten Dreifachtaktung angesteuert wird und in dem vierten Bereich 17 die elektrische Maschine 2 unter Verwendung einer Blocktaktung angesteuert wird.
-
Die Steuereinrichtung 4 weist vorliegend einen Controller 9 und einen Gatetreiber 11 auf, wobei der Controller 9 die Steuerung der elektrischen Maschine 2 übernimmt und die einzustellenden Wechselspannungen berechnet. Der Controller 9 übermittelt Schaltsignale 10 an den Gatetreiber 11, wobei der Gatetreiber 11 wiederum diese Schaltsignale 10 in Steuersignale 12 zur Steuerung des Leistungsteils 5 überführt.
-
Das Leistungsteil 5 beinhaltet die sogenannten Kommutierungszellen, die typischerweise einen Halbleiterschalter und einen Zwischenkondensator aufweist. Als Halbleiterschalter werden typischerweise Silizium IGBTs oder Siliziumkarbid-MOSFETs eingesetzt. Zudem sind in dem Leistungsteil 5 Sensoren für die Erfassung der elektrischen Spannungen und der elektrischen Ströme sowie Temperatursensoren integriert. Der Gatetreiber 11 dient der eigentlichen Ansteuerung der Halbleiter-Schalter und setzt die Schaltsignale 10 des Controllers 9 in die Steuersignale 12 für das Leistungsteil 5 um. In der Regel sind die Gatetreiber 11 möglichst nahe am Leistungsteil 5 positioniert. Der Controller 9 wird mit den Eingangssignalen 8 gespeist, wobei es sich bei diesen Eingangssignalen 8 typischerweise um Drehmomentanforderungen und/oder Leistungsanforderungen handelt. Ferner wird der Controller 9 mit Sensorsignalen 13 der in dem Leistungsteil 5 angeordneten Sensoren gespeist.
-
In dem ersten Betriebsmodus wird mit einer vollvariablen Taktfrequenz getaktet. Bei dem zweiten Betriebsmodus und dem dritten Betriebsmodus handelt es sich um sogenannte winkelsynchrone Verfahren, bei denen auf Basis einer Rotorlage geschaltet wird und die Schaltfrequenz bzw. Taktfrequenz linear abhängig von der elektrischen Frequenz der Wechselspannung ist.
-
Die 5a zeigt eine hinsichtlich des Gesamtsystems Wechselrichter 3 und elektrische Maschine 2 verlustoptimale Schaltfrequenz in Kilohertz in Abhängigkeit von der Drehzahl „n“ und dem angeforderten Drehmoment „m“. Aus dem Diagramm der 5a ist ersichtlich, dass im niedrigen Drehzahlbereich eine geringe Schaltfrequenz im Bereich von 1 bis 2 kHz verlustoptimal ist, wohingegen im mittleren Drehzahlbereich bei relativ niedrigem angeforderten Drehmoment eine hohe Schaltfrequenz im Bereich von 8 bis 9 kHz verlustoptimal ist. Die 5b zeigt Randbedingungen für die Schaltfrequenz in Kilohertz, die sich beispielsweise durch das Hochvolt-Bordnetz des Fahrzeugs ergeben. Die 5c zeigt eine verlustoptimale Schaltfrequenz in Kilohertz unter Einhaltung der Randbedingungen, die sich durch das Hochvolt-Bordnetz ergeben. Bei dem in der 5c dargestellten Diagramm handelt es sich insofern um ein Kennfeld, das verwendet werden kann, um in Abhängigkeit von dem angeforderten Drehmoment und der Drehzahl der elektrischen Maschine 2 den optimalen Betriebspunkt, insofern die optimale Schaltfrequenz bzw. Taktfrequenz zu ermitteln, sodass die Steuereinrichtung 3 das Leistungsteil 5 derart ansteuert, dass das Leistungsteil 5 wiederum die elektrische Maschine 2 in dem entsprechenden Modus und mit der entsprechenden Taktfrequenz ansteuert.
-
Vorzugsweise erfolgt das Ansteuern des Leistungsteils 5 mit der Steuereinrichtung 4 computergestützt, wobei zu diesem Zweck eine entsprechende Softwarefunktion auf einem Mikroprozessor der Steuereinrichtung 4 ausgeführt wird.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine lastpunktabhängige Effizienzsteigerung des elektrischen Antriebsstrangs von elektrisch betriebenen oder teilelektrisch betriebenen Fahrzeugen durch optimale Modulationsverfahren des Wechselrichters 3. Es kann somit betriebspunktabhängig ein optimales Modulationsverfahren bezüglich einer Minimierung der Verluste im System Wechselrichter 3 und elektrische Maschine 2 eingestellt werden. Durch den erhöhten Wirkungsgrad im Gesamtsystem kann eine Reichweitenverbesserung des Fahrzeugs erzielt werden. Batterie- bzw. Akkukapazitäten können reduziert werden, was zu einer Kostensenkung pro Fahrzeug beim Einkauf und/oder der Produktion und zudem zu einer Gewichtsersparnis führt.
-
Für die Steuereinrichtung 3 stehen neben dem angeforderten Drehmoment zusätzliche Sensorsignale, beispielsweise für die Temperatur einzelner Bauteile oder Teilkomponenten des Systems zur Verfügung. Abhängig von dieser Temperatur bzw. diesen Temperaturen und der Kenntnis der Verlustaufteilung im Gesamtsystem kann ein Anti-Derating-Verfahren durch geeignete Ansteuerung eingesetzt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gleichstromquelle
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- Wechselrichter
- 4
- Steuereinrichtung
- 5
- Leistungsteil
- 6
- Wechselspannung
- 7
- Gleichspannung
- 8
- Eingangssignale
- 9
- Controller
- 10
- Schaltsignale
- 11
- Gatetreiber
- 12
- Steuersignale
- 13
- Sensorsignale
-
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
-
- CN 105577069 A [0005]
- DE 102016206621 A1 [0005]
- US 2017317620 A1 [0006]
- US 2020144954 A1 [0006]
- WO 2001/6502 A1 [0006]
