DE102021107143A1

DE102021107143A1 - Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs, Antriebsstrang sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021107143A1
Application number: DE102021107143.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Nägelkrämer; Timijan Velic; Maximilian Barkow
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2022-09-29

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges (1) eines Kraftfahrzeugs (100) vorgeschlagen, wobei der Antriebsstrang (1) eine elektrische Maschine (2) aufweist, an welche von einer Leistungselektronik (3) elektrische Spannungen angelegt werden, wobei die elektrische Maschine (2) mit einer mechanischen Frequenz FMbetrieben wird und eine Polpaarzahl P aufweist, wobei die elektrischen Spannungen mit einer elektrischen Grundschwingung FEangelegt werden, deren Frequenz sich zu FE= P * FMberechnet, wobei die Leistungselektronik (3) zum Anlegen der elektrischen Spannungen mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren (5) gesteuert wird, wobei bei dem Pulsweitenmodulationsverfahren (5) die Schaltfrequenz der Pulse n * FEist, wobei n ≥ 5 gewählt wird, wobei die Pulse unter Schaltwinkeln ausgegeben werden, wobei ein Schaltwinkel zur Einstellung der Phase der Grundschwingung verwendet wird und ein Schaltwinkel zur Einstellung der Amplitude der Grundschwingung verwendet wird, wobei (n-1)/2-1 Schaltwinkel als freie Schaltwinkel zur Annihilation einer oder mehrerer Oberschwingungen der Grundschwingung verwendet werden. Ferner werden ein Antriebsstrang (1) sowie ein Kraftfahrzeug (100) vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs, einen Antriebsstrang sowie ein Kraftfahrzeug.
Elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge zeichnen sich unter anderem durch ihren niedrigen Geräuschpegel aus. Der fast lautlose Betrieb von elektrischen Traktionsmaschinen ist zu einem Komfortmerkmal geworden, welches insbesondere von Nutzern von Kraftfahrzeugen des Premiumsegmentes sehr geschätzt wird. Umso störender sind Heul-Geräusche, welche beim Betrieb eines Elektrofahrzeugs entstehen können. Diese Geräusche entstehen durch elektromagnetische Kräfte innerhalb der elektrischen Maschine, welche zu periodischen Verformungen der elektrischen Maschine und damit zu Vibrationen und Geräuschen führen.
Typischerweise treten die Heul-Geräusche als Oberschwingung der Grundschwingung auf, mit welcher die elektrische Maschine mit Spannung bzw. Strom versorgt wird. Die bei den Geräuschen dominierende Ordnung der Oberschwingung ist dabei abhängig von der Drehzahl der elektrischen Maschine. Ferner können Eigenfrequenzen der elektrischen Maschine existieren, welche, wenn sie durch eine Oberschwingung der Grundschwingung angeregt werden, zu starken Überhöhungen des Körper- bzw. Luftschalls führen können.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern eine aktive Geräuschreduktion ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs, wobei der Antriebsstrang eine elektrische Maschine aufweist, an welche von einer Leistungselektronik elektrische Spannungen angelegt werden, wobei die elektrische Maschine mit einer mechanischen Frequenz F_M betrieben wird und eine Polpaarzahl P aufweist, wobei die elektrischen Spannungen mit einer elektrischen Grundschwingung F_E angelegt werden, deren Frequenz sich zu F_E = P * F_M berechnet, wobei die Leistungselektronik zum Anlegen der elektrischen Spannungen mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren, hier insbesondere synchrone Pulsweitenmodulationsverfahren, gesteuert wird, wobei bei dem Pulsweitenmodulationsverfahren die Schaltfrequenz der Pulse n * F_E ist, wobei n ≥ 5 gewählt wird, wobei die Pulse unter Schaltwinkeln ausgegeben werden, wobei ein Schaltwinkel zur Einstellung der Phase der Grundschwingung verwendet wird und ein Schaltwinkel zur Einstellung der Amplitude der Grundschwingung verwendet wird, wobei (n-1 )/2-1 Schaltwinkel als freie Schaltwinkel zur Annihilation einer oder mehrerer Oberschwingungen der Grundschwingung verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, unkompliziert und direkt über die Pulsweitenmodulation eine Annihilation der Oberschwingungen durchzuführen. Hierzu wird synchron zur Rotorlage der elektrischen Maschine geschaltet. Im stationären Betrieb, also im Betrieb ohne Beschleunigung oder Verlangsamung, existieren hier nur ganzzahlige Frequenzverhältnisse aus effektiver Schaltfrequenz der Leistungselektronik und der elektrischeren Frequenz der Grundschwingung. Bei der Regelung der Leistungselektronik werden zwei Schaltwinkel der Pulse zur Steuerung der Grundschwingung verwendet: Ein Schaltwinkel für die Phase und ein Schaltwinkel für die Amplitude. Hieraus ergibt sich, dass eine Schaltfrequenz Fsw = n*F_E mit n=3 für ein reines Erzeugen der Grundschwingung ausreichen würde. Nutzt man nun aber n ≥ 5, so ergeben sich (n-1)/2-1 nicht genutzte Schaltwinkel. Erfindungsgemäß werden diese nicht genutzten freien Schaltwinkel zur Annihilation einer oder mehrerer Oberschwingungen genutzt, um so die Heul-Geräusche der elektrischen Maschine zu reduzieren.
Annihilieren einer Oberschwingung im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet das teilweise oder vollständige Auslöschen einer Schwingung der elektrischen Maschine, welche durch die Grundschwingung angeregt und in ihrer Frequenz einer Oberschwingung, also einer Harmonischen, der Grundschwingung entspricht.
Vorzugsweise weist das Pulsmuster der Pulsweitenmodulation eine charakteristische Symmetrie auf. Hierdurch ist es möglich, dass eine Phasenverschiebung der Grundschwingung vermieden wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Annihilation einer Oberschwingung von der Leistungselektronik eine der Oberschwingung um 180° phasenversetzte Annihilationsschwingung erzeugt und auf die Grundschwingung addiert als elektrische Spannung in an elektrische Maschine angelegt wird. Hierdurch ist eine aktive Schallunterdrückung möglich. Um eine Oberschwingung zu unterdrücken, wird aktiv eine der Oberschwingung um 180° phasenversetzte Annihilationsschwingung erzeugt. Die Oberschwingung und die Annihilationsschwingung löschen sich gegenseitig aus, wodurch das Material der elektrischen Maschine geschont und weniger Schall emittiert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein freier Schaltwinkel zur Einstellung der Phase der Annihilationsschwingung und ein freier Schaltwinkel zur Einstellung der Amplitude der Annihilationsschwingung verwendet werden. Hierdurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, die Annihilationsschwingung perfekt anzupassen und die entsprechende Oberschwingung sauber auszulöschen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass Vibrationen der elektrischen Maschine gemessen und spektral zerlegt werden, wobei Resonanzen im Spektrum ermittelt und jeweils einer zugehörigen Oberschwingung zugeordnet werden, wobei die der Resonanz mit der größten Amplitude zugeordnete Oberschwingung zur Annihilation ausgewählt wird. Hierdurch wird eine aktive Steuerung der Geräuschunterdrückung ermöglicht. Es wird stets die Oberschwingung annihiliert, welche zur stärksten Geräuschbildung beiträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Resonanzen nach ihrer Amplitude geordnet werden, wobei die (n-1)/2-1 Oberschwingungen, welchen die Resonanzen mit den größten Amplituden zugeordnet sind, zur Annihilation ausgewählt werden. Bei n≥7 ist es hierdurch auf vorteilhafte Weise möglich, die Oberschwingungen auszulöschen, welche zu den stärksten Geräuschbildungen führen. Bei n = 7 werden beispielsweise 2 Oberschwingungen getilgt, bei n = 9 werden 3 Oberschwingungen annihiliert, etc.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine oder mehrere Oberschwingungen anhand der mechanischen Frequenz zur Annihilation ausgewählt werden. Hierdurch ist es möglich, dass ohne weitere Messungen, beispielsweise anhand einer Lookup-Tabelle, Oberschwingungen annihiliert werden, welche bei einer gegebenen mechanischen Frequenz typischerweise zu einer starken Geräuschbildung beitragen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Antriebsstrang aufweisend eine elektrische Maschine, eine Leistungselektronik zum angelegen von elektrischen Spannungen an die elektrische Maschine sowie eine Steuereinrichtung, welche dazu konfiguriert ist, den Antriebsstrang nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang ermöglicht eine einfache Annihilation von störenden Fahrgeräuschen und damit einen sehr komfortablen Betrieb.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug aufweisend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang.
Alle zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf den erfindungsgemäßen Antriebsstrang sowie auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.

1 illustriert schematisch einen Antriebsstrang gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welcher mit einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird.
2 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

1 illustriert schematisch einen Antriebsstrang 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welcher mit einem Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird. Der Antriebsstrang 1 ist ein Antriebsstrang 1 eines Kraftfahrzeugs 100 und weist eine elektrische Maschine 2 auf, welche von einer Leistungselektronik 3 mit elektrischer Spannung bzw. elektrischem Strom versorgt wird.
Die elektrischen Spannungen werden von der Leistungselektronik 3 mit einer Grundschwingung an der elektrischen Maschine 2 angelegt, deren Frequenz sich durch Multiplikation der Polpaarzahl mit einer mechanischen Frequenz, also der Frequenz der Drehung eines (nicht dargestellten) Rotors der elektrischen Maschine 2, ergibt. Die Leistungselektronik wird von einer Steuereinrichtung 4 mittels Pulsweitenmodulation 5, hier insbesondere mit einem synchronen Ansteuerverfahren, gesteuert. Die Schaltfrequenz der Pulse der Pulsweitenmodulation ergibt sich zu n * Frequenz der Grundschwingung.
Durch elektromagnetische Kräfte, insbesondere durch die Grundschwingung induziert, entstehen Vibrationen der elektrischen Maschine, in ihrer Frequenz einer Oberschwingung, also einer Harmonischen, der Grundschwingung entsprechen. Diese Vibrationen werden über Bauteile des Kraftfahrzeugs und die Luft übertragen und machen sich als unangenehme Heul-Geräusche bemerkbar.
Um diese Heul-Geräusche zu unterdrücken, wird nun n so groß gewählt, dass neben den Schaltwinkeln der Pulse, welche die Phase und die Amplitude der Grundschwingung steuern, auch (n-1)/2 freie Schaltwinkel vorhanden sind. Hier dargestellt ist n = 5, womit sich 2 freie Schaltwinkel ergeben. Diese freien Schaltwinkel werden genutzt, um zusätzlich zur Grundschwingung eine oder mehrere Annihilationsschwingungen an die elektrische Maschine 2 anzulegen. Die Annihilationsschwingungen werden dabei mit einem freien Schaltwinkel in ihrer Phase und mit einem freien Schaltwinkel in ihrer Amplitude gesteuert. Um eine Oberschwingung der Grundschwingung zu eliminieren, weist die Annihilationsschwingung im Idealfall eine zur Oberschwingung um 180° versetzte Phase auf..
Für einen komfortablen Betrieb des Antriebsstranges 1 werden Vibrationen der elektrischen Maschine 2 vorzugsweise gemessen, an die Steuereinrichtung 4 übertragen 6, spektral zerlegt und auf Resonanzen untersucht. Die gefundenen Resonanzen werden nach Amplitude geordnet und Oberschwingungen zugeordnet. Entsprechend der stärksten Geräuscherzeugung werden den mit den freien Schaltwinkeln Annihilationsschwingungen gesteuert. Alternativ oder zusätzlich kann die Erzeugung von Annihilationsschwingungen anhand der mechanischen Frequenz geschehen. Hierzu werden die zu einer mechanischen Frequenz mit der die elektrische Maschine betrieben wird gehörenden zu erzeugenden Annihilationsschwingungen vorzugsweise in einer Lookup-Tabelle nachgeschlagen.
2 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 100 weist einen Antriebsstrang 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsstrang
2: elektrische Maschine
3: Leistungselektronik
4: Steuereinrichtung
5: Pulsweitenmodulation
6: Übertragung der gemessenen Vibrationen
100: Kraftfahrzeug

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges (1) eines Kraftfahrzeugs (100), wobei der Antriebsstrang (1) eine elektrische Maschine (2) aufweist, an welche von einer Leistungselektronik (3) elektrische Spannungen angelegt werden, wobei die elektrische Maschine (2) mit einer mechanischen Frequenz F_M betrieben wird und eine Polpaarzahl P aufweist, wobei die elektrischen Spannungen mit einer elektrischen Grundschwingung F_E angelegt werden, deren Frequenz sich zu F_E = P * F_M berechnet, wobei die Leistungselektronik (3) zum Anlegen der elektrischen Spannungen mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren (5) gesteuert wird, wobei bei dem Pulsweitenmodulationsverfahren (5) die Schaltfrequenz der Pulse n * F_E ist, wobei n ≥ 5 gewählt wird, wobei die Pulse unter Schaltwinkeln ausgegeben werden, wobei ein Schaltwinkel zur Einstellung der Phase der Grundschwingung verwendet wird und ein Schaltwinkel zur Einstellung der Amplitude der Grundschwingung verwendet wird, wobei (n-1)/2-1 Schaltwinkel als freie Schaltwinkel zur Annihilation einer oder mehrerer Oberschwingungen der Grundschwingung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Annihilation einer Oberschwingung von der Leistungselektronik (3) eine der Oberschwingung um 180° phasenversetzte Annihilationsschwingung erzeugt und auf die Grundschwingung addiert als elektrische Spannung in an elektrische Maschine (2) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein freier Schaltwinkel zur Einstellung der Phase der Annihilationsschwingung und ein freier Schaltwinkel zur Einstellung der Amplitude der Annihilationsschwingung verwendet werden.
Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, wobei Vibrationen der elektrischen Maschine (2) gemessen und spektral zerlegt werden, wobei Resonanzen im Spektrum ermittelt und jeweils einer zugehörigen Oberschwingung zugeordnet werden, wobei die der Resonanz mit der größten Amplitude zugeordnete Oberschwingung zur Annihilation ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Resonanzen nach ihrer Amplitude geordnet werden, wobei die (n-1)/2-1 Oberschwingungen, welchen die Resonanzen mit den größten Amplituden zugeordnet sind, zur Annihilation ausgewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine oder mehrere Oberschwingungen anhand der mechanischen Frequenz zur Annihilation ausgewählt werden.
Antriebsstrang (1) aufweisend eine elektrische Maschine (2), eine Leistungselektronik zum angelegen von elektrischen Spannungen an die elektrische Maschine sowie eine Steuereinrichtung (4), welche dazu konfiguriert ist, den Antriebsstrang (1) nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zu betreiben.
Kraftfahrzeug (100) aufweisend einen Antriebsstrang (1) nach Anspruch 7.