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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln zumindest eines Phasenstroms eines mehrphasigen Stromsignals, welches einem Stator einer elektrischen Maschine eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs zum Erzeugen eines drehmomentspezifischen, magnetischen Drehfelds zugeführt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung, ein Antriebssystem sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Antriebssysteme für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, welche zumindest eine elektrische Maschine aufweisen. Die elektrische Maschine ist dazu ausgelegt, ein spezifisches Drehmoment bzw. Antriebsmoment für das Kraftfahrzeug bereitzustellen, und umfasst einen Stator sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor. Der Stator weist üblicherweise zumindest einen Phasensatz mit zumindest drei (Stator-)Phasen bzw. Statorwicklungen auf. Dem zumindest einen Phasensatz wird ein mehrphasiger Strom zur Erzeugung eines drehmomentspezifischen, magnetischen Drehfelds im Stator zugeführt. Dazu ist jede Phase mit einer Halbbrücke eines Wechselrichters des Antriebssystems elektrisch verbunden, über welchen jeder Phase ein Phasenstrom des mehrphasigen Stromsignals eingeprägt wird.
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Eine, insbesondere sinusförmige, Grundwelle der Phasenströme kann dabei mit einer Oberwelle behaftet sein, welche Verluste verursacht, sodass die durch die elektrische Maschine erzielbare maximale Leistung nachteilig beeinflusst wird. Zudem weist der Wechselrichter einen bestimmten Betriebsbereich auf, welcher um einen Toleranzbereich hinsichtlich Spitzenwerten der Phasenströme vergrößert ist. Bei Spitzenströmen außerhalb des Toleranzbereiches wird der Inverter üblicherweise abgeschaltet. Die Spitzenströme können insbesondere dann den Toleranzbereich des Inverters verlassen, wenn eine Amplitude der Grundwelle um eine Amplitude der Oberwelle vergrößert wird. Um dies zu verhindern, kann beispielsweise die Amplitude der Grundwelle verringert werden, wodurch jedoch ebenfalls ein durch die elektrische Maschine bereitgestelltes Drehmoment verringert wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mit welcher Phasenströme für eine Stromregelung einer elektrischen Maschine eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs auf einfache und genaue Weise geregelt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, eine Steuereinrichtung, ein Antriebssystem sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Regeln zumindest eines Phasenstroms eines mehrphasigen Stromsignals, welches einem Stator einer elektrischen Maschine eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs zum Erzeugen eines drehmomentspezifischen, magnetischen Drehfelds zugeführt wird. Dabei wird ein Spitzenstromwert des Phasenstroms bestimmt. Darüber hinaus wird eine regelbare Oberwelle erzeugt und derart geregelt, dass die Oberwelle bei Einprägung in eine Grundwelle des Phasenstroms den Spitzenstromwert reduziert.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung für ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Darüber hinaus gehört zur Erfindung ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, welches zumindest eine elektrische Maschine aufweist. Die zumindest eine elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen bezüglich des Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei der Stator zumindest einen Phasensatz mit drei Phasen aufweist. Außerdem umfasst das Antriebssystem einen Wechselrichter zum Einspeisen von Phasenströmen in die Phasen des zumindest einen Phasensatzes und eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere als eine Synchronmaschine ausgebildet und kann beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM) oder eine stromerregte Synchronmaschine (SSM) sein. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine dreiphasige Maschine sein und somit einen Phasensatz mit drei (Stator-)Phasen aufweisen. Vorzugsweise ist die zumindest eine elektrische Maschine eine sechsphasige Synchronmaschine und weist zumindest zwei Phasensätze mit jeweils drei Phasen auf, wobei die Phasen eines Phasensatzes um 120° bezüglich einer Rotationsachse des Rotors zueinander versetzt angeordnet sind und wobei die zumindest zwei Phasensätze um 30° zueinander versetzt angeordnet sind. Die Phasensätze sind jeweils in einer Sternschaltung mit einem potentialfreien Sternpunkt verschaltet und die Sternpunkte der unterschiedlichen Phasensätze sind voneinander galvanisch getrennt.
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Der zumindest eine Phasensatz ist mit einem Inverter bzw. Wechselrichter des Antriebssystems elektrisch verbunden, welcher den von einem elektrischen Energiespeicher des Antriebssystems bereitgestellten Gleichstrom in den mehrphasigen Wechselstrom, insbesondere Drehstrom, für den Phasensatz umwandelt. Jeder Phase bzw. Statorwicklung wird der, insbesondere sinusförmige, Phasenstrom eingeprägt, wobei durch die phasenversetzten Phasenströme eines Phasenstranges ein magnetisches Drehfeld im Stator hervorgerufen wird.
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Zumindest einer der Phasenströme kann dabei einen Spitzenstromwert aufweisen, welcher außerhalb eines Betriebsbereiches des Wechselrichters liegt. Im diesem Falle oder im Falle, dass der Spitzenstrom auch außerhalb eines Toleranzbereiches des Wechselrichters, um welchen der Betriebsbereich des Wechselrichters erweitert ist, so hat dies eine erhöhte Beanspruchung von Bauteilen des Wechselrichters und damit eine verringerte Lebensdauer zur Folge. Falls der Spitzenstrom innerhalb eines Abschaltbereiches des Wechselrichters liegt, so kann es sein, dass der Wechselrichter in unerwünschter Weise abgeschaltet wird.
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Daher soll bei zumindest einem Phasenstrom, insbesondere bei allen drei Phasenströmen eines Phasensatzes, der Spitzenstromwert soweit reduziert werden, dass er unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes liegt. Der Schwellwert markiert beispielsweise eine Grenze des Betriebsbereiches oder des Toleranzbereiches. Dazu wird erkannt, ob der Spitzenstrom des Phasenstromes den vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Beispielsweise kann das Antriebssystem einen Phasenstromsensorsatz aufweisen, welcher pro Phasensatz zumindest zwei Phasenstromsensoren zum Erfassen von Ist-Verläufen der Phasenströme aufweist. Der dritte Ist-Verlauf kann mittels eines dritten Phasenstromsensors ebenfalls gemessen werden oder aus den gemessenen Ist-Verläufen berechnet werden. Anhand der Ist-Verläufe können die Spitzstromwerte der Phasenströme bestimmt und mit dem vorbestimmten Schwellwert verglichen werden. Falls der Spitzenstromwert den vorbestimmten Schwellwert überschreitet, wird die regelbare Oberwelle erzeugt und derart eingestellt, dass der Spitzenstromwert des oberwellenbehafteten Phasenstroms unterhalb des vorbestimmten Schwellwertes liegt.
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Vorzugsweise wird die regelbare Oberwelle als eine regelbare Gleichkomponente bestimmt, indem ein rotierendes Koordinatensystem definiert wird, in welchem die regelbare Oberwelle als die regelbare Gleichkomponente erscheint, wobei eine Rotationsgeschwindigkeit des Koordinatensystems einem ganzzahligen Vielfachen einer Geschwindigkeit der Grundwelle entspricht. Die Oberwelle wird also ähnlich wie die Grundwelle geregelt. Beispielsweise kann die Grundwelle mittels Raumzeigermodulation geregelt werden und als ein rotierender Zeiger dargestellt werden. Die Geschwindigkeit der Grundwelle und damit die Rotationsgeschwindigkeit des Zeigers werden bei einer Synchronmaschine durch die Winkelgeschwindigkeit des Rotors vorgegeben. Die Oberwelle wird ebenfalls als ein rotierender Zeiger dargestellt, welcher mit einem Vielfachen der Geschwindigkeit des die Grundwelle repräsentierenden Zeigers rotiert. Dieser rotierende, die Oberwelle repräsentierende Zeiger verändert das Drehmoment nicht, kann jedoch auf einfache Weise geregelt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine zumindest eine Grundwellen-Oberwelle, mit welcher die Grundwelle beaufschlagt ist und welche den Spitzenstromwert des Phasenstroms ausbildet, erkannt wird und die regelbare Oberwelle derart geregelt wird, dass die regelbare Oberwelle die Grundwellen-Oberwelle zumindest reduziert. Insbesondere wird eine Amplitude und/oder Phase der Grundwellen-Oberwelle bestimmt und eine Amplitude und/oder Phase der regelbaren Oberwelle wird derart geregelt, dass die regelbare Oberwelle die Grundwellen-Oberwelle destruktiv überlagert.
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Der einer Statorwicklung eingeprägte Phasenstrom sollte dabei idealerweise sinusförmig sein. Üblicherweise ist die sinusförmige Grundwelle des Phasenstroms jedoch mit zumindest einer Oberwelle bzw. Oberschwingung überlagert, welche hier als Grundwellen-Oberwelle bezeichnet wird. Diese Grundwellen-Oberwelle generiert einerseits Verluste in der Maschine und vergrößert andererseits eine Amplitude der Grundwelle um eine Amplitude der Oberwelle, wobei der dadurch entstehende Spitzenstrom den vorbestimmten Schwellwert überschreiten kann. Da die Grundwellen-Oberwelle nicht regelbar ist, wird die regelbare Oberwelle bestimmt, welche dem oberwellenbehafteten Phasenstrom gezielt eingeprägt werden kann. Beim Beaufschlagen der Grundwelle mit der regelbaren Oberwelle überlagern sich die Grundwellen-Oberwelle und die regelbare Oberwelle nach dem Superpositionsprinzip. Im Falle, dass die Phasen der Grundwellen-Oberwelle und der regelbaren Oberwelle gleich sind und die Amplitudenwerte betragsmäßig gleich sind, jedoch unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, löschen sich die Oberwellen vollständig gegenseitig aus. Die regelbare Oberwelle wird dabei derart geregelt, dass der Spitzenstromwert des mit der regelbaren Oberwelle überlagerten Phasenstroms unterhalb des vorbestimmten Schwellwertes liegt. Die Grundwellen-Oberwelle muss dabei nicht zwangsläufig vollständig eliminiert bzw. ausgelöscht werden, sondern in ihrer Amplitude lediglich zumindest soweit reduziert werden, dass der Spitzenstromwert des entstehenden Phasenstroms unterhalb des Schwellwertes liegt.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem. Das Kraftfahrzeug ist als ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung, für das erfindungsgemäße Antriebssystem sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug; und
- 2a, 2b Darstellungen von Stromverläufen.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Antriebssystem 1 für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher 2, beispielsweise einem Hochvoltakkumulator, einem mit dem elektrischen Energiespeicher 2 verbundenen Wechselrichter 3 und einer mit dem Wechselrichter 3 verbundenen elektrischen Maschine 4. Die elektrische Maschine 4 ist hier eine dreiphasige elektrische Maschine 4 und weist einen Phasensatz mit drei Phasen u, v, w auf. Die elektrische Maschine 4 kann aber auch eine andere Anzahl an Phasen, beispielsweise sechs Phasen, aufweisen. Zum Bereitstellen eines bestimmten Drehmoments durch die elektrische Maschine 4 wird den Phasen u v, w von dem Wechselrichter 3 jeweils ein Phasenstrom iu, iv, iw eingeprägt. Zur Drehmomentregelung werden diese Phasenströme iu, iv, iw von einer Steuereinrichtung 5 bzw. einem Stromregler des Antriebssystems 1 geregelt. Dazu weist das Antriebssystem 1 für jeden Phasensatz einen Phasenstromsensorsatz auf. Der Phasenstromsensorsatz weist hier einen der Phase u zugeordneten ersten Phasenstromsensor 6, einen der Phase v zugeordneten zweiten Phasenstromsensor 7 und einen der Phase w zugeordneten dritten Phasenstromsensor 8 auf. Die Phasenstromsensoren 6, 7, 8 messen die zeitlichen Phasenstromverläufe iu, iv, iw.
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Eine sinusförmige Grundwelle G eines der Phasenstromverläufe iu, iv, iw ist beispielhaft in 2a in einem i-t-Diagramm gezeigt. Idealerweise entspricht der Phasenstromverlauf iu, iv, iw der sinusförmigen, glatten Grundwelle G. Tatsächlich ist die Grundwelle G jedoch mit zumindest einer Grundwellen-Oberwelle O1 überlagert, wobei der tatsächliche, von den Phasenstromsensoren 6, 7, 8 gemessene Verlauf iu, iv, iw oberwellenbehaftet ist. Insbesondere die Grundwellen-Oberwelle O1 5. Ordnung führt hier dazu, dass ein Spitzenstromwert P des Phasenstroms iu, iv, iw größer als eine gewünschte Amplitude A der Grundwelle G ist. Dieser Spitzenstromwert P überschreitet hier einen, um einen Toleranzbereich B1, erweiterten Betriebsbereich B2 des Wechselrichters 3. Falls der oberwellenbedingte Spitzenstromwert P innerhalb eines Abschaltbereiches B3 des Wechselrichters 3 liegt, wird der Wechselrichter in unerwünschter Weise abgeschaltet.
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Der Spitzenstromwert P soll zumindest soweit reduziert werden, dass er, wie in 2b gezeigt, unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes S liegt. Der Schwellwert S entspricht hier einer Grenze des Toleranzbereiches B1 des Wechselrichters 3. Dazu wird von der Steuereinrichtung 5 zumindest eine regelbare Oberwelle 02 (siehe 1) erzeugt, mit welcher die oberwellenbehaftete Grundwelle G beaufschlagt wird. Diese regelbare Oberwelle O2 überlagert die Grundwellen-Oberwelle O1 und verringert oder eliminiert die Grundwellen-Oberwelle O1. Der durch die Überlagerung des oberwellenbehafteten Phasenstroms iu, iv, iw mit der zumindest einen regelbaren Oberwelle O2 entstehende Verlauf iu~, iv~, iw~ weist einen Spitzenstromwert P auf, welcher innerhalb des Betriebsbereiches B2 oder innerhalb des Toleranzbereiches B1 liegt und damit den Schwellwert S unterschreitet. Zur Regelung der Oberwelle O2 wird synchron zur Grundwelle G ein sich drehendes Koordinatensystem definiert. Das Koordinatensystem dreht mit einer ganzzahlig vielfachen, beispielsweise fünffachen, Geschwindigkeit der Grundwelle G. In diesem Koordinatensystem erscheint die Oberwelle O2 als Gleichkomponente, deren Amplitudenwerte nun einfach eingeregelt werden können.
