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Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer permanent erregten elektrischen Maschine. Die permanent erregte elektrische Maschine weist einen Stator und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Der Stator weist ein Statorblechpaket und einen von dem Statorblechpaket gehaltenen ersten Wicklungssatz mit Phasenwicklungen, welchen zur Erregung eines magnetischen Statorflusses Phasenströme zuführbar sind, auf. Der Rotor weist ein Rotorblechpaket und eine von dem Rotorblechpaket gehaltene Permanentmagnetanordnung zur dauerhaften Erregung eines magnetischen Rotorflusses auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinheit.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf permanent erregte elektrische Maschinen, welche insbesondere als Antriebsmaschinen in elektrischen Antriebseinheiten elektrifizierter Kraftfahrzeuge eingesetzt werden. Permanent erregte elektrische Maschinen weisen üblicherweise einen Stator und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Der Stator weist ein Statorblechpaket mit Phasenwicklungen auf, welchen von einem Leistungselektronikmodul der elektrischen Antriebseinheit Phasenströme zur Erregung eines magnetischen Statorflusses bzw. Statormagnetfeldes zugeführt werden. Der Rotor weist ein Rotorblechpaket mit einer Permanentmagnetanordnung auf, durch welche ein magnetischer Rotorfluss bzw. Rotormagnetfeld dauerhaft erregt ist. Der Statorfluss und der Rotorfluss überlagern sich zu einem magnetischen Gesamtfluss, über welchen ein Drehmoment der elektrischen Maschine regelbar ist.
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Für eine korrekte Drehmomentregelung ist es daher essenziell, den Gesamtfluss korrekt bestimmen und damit vorgeben zu können. Der Statorfluss ist üblicherweise bekannt und über die zugeführten Phasenströme ermittelbar. Der Rotorfluss ist bei einer permanent erregten elektrischen Maschine eingeprägt bzw. durch die Permanentmagnetanordnung vorgegeben und idealerweise konstant. In der Realität kann sich der magnetische Rotorfluss jedoch alterungsbedingt und betriebsbedingt verändern, sodass die Annahme des idealen, konstanten Rotorflusses für die Drehmomentregelung zu einer fehlerhaften Drehmomentregelung führen kann. Insbesondere bei elektrischen Antriebseinheiten, welche zur Drehmomentverteilung auf unterschiedliche Achsen oder Räder des Kraftfahrzeugs mehrere, achsen- oder radspezifische elektrische Maschine aufweisen, ist die korrekte Regelung des Drehmoments, insbesondere die korrekte Regelung der Differenz der Drehmomente der einzelnen Maschinen, wichtig, um ein gewünschtes Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs bereitstellen zu können.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders genaue Drehmomentregelung für eine permanenterregte elektrische Maschine einer elektrischen Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Antriebseinheit 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 Figur.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug weist zumindest eine permanent erregte elektrische Maschine auf. Die elektrische Maschine weist einen Stator mit einem Statorblechpaket und einem von dem Statorblechpaket gehaltenen ersten Wicklungssatz mit Phasenwicklungen, welchen zur Erregung eines magnetischen Statorflusses Phasenströme zuführbar sind, auf. Außerdem umfasst die elektrische Maschine einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor mit einem Rotorblechpaket und einer von dem Rotorblechpaket gehaltenen Permanentmagnetanordnung zur dauerhaften Erregung eines magnetischen Rotorflusses.
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Der Stator weist einen von dem Statorblechpaket gehaltenen zweiten Wicklungssatz auf, in welchen durch einen aus dem Rotorfluss des rotierenden Rotors sowie aus dem Startorfluss des ersten Wicklungssatzes gebildeten magnetischen Gesamtfluss eine elektrische Spannung induzierbar ist. Die elektrische Antriebseinheit weist eine mit dem zweiten Wicklungssatz elektrisch verbundene Spannungssensoreinrichtung zum Erfassen der induzierten Spannung sowie eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, anhand der erfassten induzierten Spannung den Gesamtfluss und anhand des Gesamtflusses und des Statorflusses den betriebsbedingt und/oder alterungsbedingt veränderlichen Rotorfluss für eine Drehmomentregelung der elektrischen Maschine zu bestimmen.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere eine permanent erregte Synchronmaschine (PSM) und dient als Antriebsmaschine zum Antreiben zumindest eines Rades oder zumindest einer Achse des Kraftfahrzeugs. Der Stator und der Rotor sind Aktivteile der elektrischen Maschine. Jedes Aktivteil weist jeweils ein Blechpaket auf, welches zum Halten und Leiten eines Magnetfeldes bzw. magnetischen Flusses einer magnetfelderzeugenden bzw. flusserregenden Komponente des jeweiligen Aktivteils ausgelegt ist. Bei dem Stator ist die magnetfelderzeugende Komponente durch den ersten Wicklungssatz ausgebildet, welcher pro Statorphase eine Phasenwicklung aufweist. Jede Phasenwicklung kann aus mehreren Teilwicklungen bestehen. Beispielsweise kann die elektrische Maschine als dreiphasige elektrische Maschine ausgebildet sein, sodass der Stator drei Statorphasen und damit drei Phasenwicklungen aufweist.
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Zur Erregung eines vorbestimmten, arbeitspunktspezifischen magnetischen Statorflusses werden die Phasenwicklungen mit vorbestimmten Soll-Phasenströmen bestromt. Dazu können die Phasenwicklungen mit Schalteinheiten bzw. Schaltbrücken zumindest eines Inverters eines Leistungselektronikmoduls der elektrischen Antriebseinheit elektrisch verbunden sein, wobei die Schalteinheiten mittels eines Steuergeräts des Leistungselektronikmoduls in arbeitspunktspezifische Schaltzustände überführbar sind. Das Leistungselektronikmodul kann wiederum mit einer Energiebereitstellungseinrichtung, beispielsweise einem Hochvoltenergiespeicher oder einer Brennstoffzelle, der elektrischen Antriebseinheit elektrisch verbunden sein. Der zumindest eine Inverter ist dazu ausgelegt, einen von der Energiebereitstellungseinrichtung bereitgestellten, dem Inverter eingangsseitig zugeführten Gleichstrom in einen Mehrphasenwechselstrom umzuwandeln, welcher zum Bestromen der Phasenwicklungen ausgangsseitig am Inverter bereitgestellt ist. Durch die den Phasenwicklungen zugeführten Phasenströme wird das Statormagnetfeld erregt. Da die Phasenströme durch den zumindest einen Inverter einstellbar sind, kann das Statormagnetfeld aktiv durch Veränderung der Phasenströme beeinflusst werden.
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Der Rotor weist die Permanentmagnetanordnung als die magnetfelderzeugende Komponente auf. Diese kann beispielsweise eingebettete Permanentmagnete aufweisen, welche in Kavitäten bzw. Magnettaschen des Rotorblechpakets angeordnet sind. Die Permanentmagnete sind aus einem magnetischen Material ausgebildet, in welches ein Magnetfeld eingeprägt ist. Durch dieses eingeprägte Magnetfeld, die sogenannte Remanenz, weist der Rotor ein dauerhaftes Rotormagnetfeld bzw. einen dauerhaft erregten magnetischen Rotorfluss auf. Dieses dauerhafte Rotormagnetfeld ist jedoch nicht zeitlich konstant, sondern kann sich betriebsbedingt, beispielsweise durch Temperatureinfluss, und/oder alterungsbedingt, beispielsweise aufgrund von Entmagnetisierung der Permanentmagnete, verändern. Das Rotormagnetfeld kann also eine aktuelle Stärke aufweisen, welche sich von einer eingeprägten Initialstärke unterscheiden kann.
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Der Statorfluss und der Rotorfluss überlagern sich zu dem magnetischen Gesamtfluss bzw. dem Gesamtmagnetfeld, durch welchen bzw. welches das Drehmoment beeinflusst wird. Um dieses Drehmoment auf den vorbestimmten, arbeitspunktspezifischen Wert einregeln zu können, soll der magnetische Gesamtfluss möglichst exakt eingestellt werden können. Da das permanent erregte Rotormagnetfeld im Betrieb der elektrischen Maschine nicht beeinflusst werden kann, wird das Gesamtmagnetfeld insbesondere über das Statormagnetfeld eingestellt, indem das Steuergerät des Leistungselektronikmoduls die Phasenströme entsprechend regelt. Hierfür wird jedoch die aktuelle Stärke des Rotormagnetfeldes benötigt.
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Daher wird das momentane Rotormagnetfeld erfindungsgemäß im Betrieb der elektrischen Maschine bestimmt. Die Stärke des Rotormagnetfeldes kann dabei kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen erfasst werden. Dazu weist der Stator den zweiten Wicklungssatz auf, welcher zumindest eine als Messspule fungierende Wicklung aufweist. Dieser zweite Wicklungssatz wird nicht bestromt, sondern dient insbesondere nur zur Bestimmung des Gesamtflusses. Dabei wird an dem zweiten Wicklungssatz mittels der Spannungssensoreinrichtung eine Messspannung abgegriffen, welche durch das phasenstromerregte Statormagnetfeld sowie das permanenterregte Rotormagnetfeld in den zweiten Wicklungssatz induziert wird. Die Steuereinrichtung, welche insbesondere durch das Steuergerät des Leistungselektronikmoduls ausgebildet ist, kann anhand der induzierten Messspannung den Gesamtfluss bestimmen und anhand des Gesamtflusses sowie des aktuellen Statorflusses den aktuellen Rotorfluss bestimmen.
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Dazu ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den Statorfluss anhand der den Phasenwicklungen zugeführten Phasenströme zu bestimmen und den Statorfluss zum Bestimmen des Rotorflusses aus dem gemessenen Gesamtfluss herauszurechnen. Zum Erfassen der Phasenströme kann die elektrische Antriebseinheit eine Stromsensoreinrichtung aufweisen, welche die erfassten Phasenströme an die Steuereinrichtung übermittelt. Bei einer dreiphasigen elektrischen Maschine kann die Stromsensoreinrichtung beispielsweise zumindest zwei Stromsensoren aufweisen, welche zumindest zwei der drei Phasenströme messen. Der dritte Phasenstrom kann aus den zwei gemessenen Phasenströmen berechnet werden. Alternativ oder zusätzlich können die Phasenströme modellbasiert bestimmt werden und der Steuereinrichtung zum Bestimmen des Statorflusses bereitgestellt werden.
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Mittels der aktuell vorliegenden Stärke des Rotormagnetfeldes kann nun das Drehmoment, beispielsweise über die Vorgabe entsprechender Soll-Phasenströme für den Statorfluss, besonders genau geregelt werden.
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Besonders bevorzugt weist die elektrische Antriebseinheit zumindest zwei permanent erregte elektrische Maschinen mit jeweils zwei Wicklungssätzen zur Erregung des Statorflusses des zugehörigen Stators und zur Bestimmung des Rotorflusses des zugehörigen Rotors auf. Die Spannungssensoreinrichtung ist dazu ausgelegt, die induzierten Spannungen der zumindest zwei elektrischen Maschinen zu erfassen. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, anhand der über die induzierten Spannungen ermittelten Gesamtflüsse und der Statorflüsse die Rotorflüsse der jeweiligen Maschinen zu bestimmen und anhand der Rotorflüsse eine Drehmomentverteilung für die elektrischen Maschinen vorzugeben. Die zumindest zwei elektrischen Maschinen wirken dabei insbesondere auf zwei unterschiedliche Räder oder Achsen des Kraftfahrzeugs, sodass die elektrischen Maschinen jeweils ein radspezifisches oder achsenspezifisches Drehmoment bereitstellen können. Die Drehmomente müssen hierbei besonders genau geregelt werden können, um eine bestimmte, fahrmanöverspezifische Differenz zwischen den Drehmomenten einstellen zu können. Daher weisen die Statoren der elektrischen Maschinen zusätzlich zu den Phasenwicklungen die Messspulen auf, an denen die Spannungssensoreinrichtung die jeweiligen induzierten Spannungen messen kann. Beispielsweise kann die Spannungssensoreinrichtung für jede elektrische Maschine einen Spannungssensor zur Erfassung der jeweiligen induzierten Messspannung aufweisen. Die Steuereinrichtung kann anhand der induzierten Spannungen den jeweiligen Gesamtfluss bestimmen, anhand der den Phasenwicklungen der Statoren zugeführten Phasenströme den jeweiligen Statorfluss bestimmen und anhand der Gesamtflüsse und der Statorflüsse den jeweiligen maschinenspezifischen Rotorfluss bestimmen. Dadurch können die Drehmomente maschinenspezifisch und somit rad- bzw. achsenindividuell eingestellt werden.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit. Das Kraftfahrzeug ist ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug und weist die zumindest eine elektrische Maschine als Antriebsmaschine auf.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur allein 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 Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung einer elektrischen Antriebseinheit 1 für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug.
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Die elektrische Antriebseinheit 1 weist hier zwei permanent erregte elektrische Maschinen 2a, 2b auf, welche jeweils ein Drehmoment M1, M2 für zwei unterschiedliche Räder oder Achsen des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Die Antriebseinheit 1 ist somit zur Drehmomentverteilung bzw. zum Torque Vectoring ausgelegt. Die elektrischen Maschinen 2a, 2b werden über ein Leistungselektronikmodul 3 mit elektrischer Energie aus einem hier nicht gezeigten Hochvoltenergiespeicher versorgt. Die elektrischen Maschinen 2a, 2b weisen jeweils einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Stator jeweils drei Phasen u1, v1, w1; u2, v2, w2 mit jeweils einer bestrombaren Phasenwicklung zur Erregung eines magnetischen Statorflusses aufweist und der jeweilige Rotor eine Permanentmagnetanordnung zur permanenten Erregung eines magnetischen Rotorflusses aufweist. Die Phasen u1, v1, w1 der ersten elektrischen Maschine 2a sind über Phasenleitungen mit Schaltbrücken eines ersten Inverters 4a des Leistungselektronikmoduls 3 verbunden und die Phasen u2, v2, w2 der zweiten elektrischen Maschine 2b sind über Phasenleitungen mit Schaltbrücken eines zweiten Inverters 4b des Leistungselektronikmoduls 3 verbunden.
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Die elektrische Antriebseinheit 1 weist außerdem eine Steuereinrichtung 5 auf, welche hier als Steuergerät des Leistungselektronikmoduls 3 zum Ansteuern von Schaltelementen der Schaltbrücken der Inverter 4a, 4b ausgebildet ist. Durch Ansteuern der Schaltelemente zum Vorgeben eines bestimmten Schaltzustandes des jeweiligen Inverters 4a, 4b können Soll-Phasenströme iu1, iv1, iw1; iu2, iv2, iw2 vorgegeben und in die Phasen u1, v1, w1; u2, v2, w2 zur Erregung eines arbeitspunktspezifischen, maschinenindividuellen Statormagnetfeldes und damit zur Einstellung des arbeitspunktspezifischen, maschinenindividuellen Drehmomentes M1, M2 eingeprägt werden.
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Die Drehmomente M1, M2 werden jedoch auch von dem Rotormagnetfeld der jeweiligen Maschine 2a, 2b beeinflusst. Dieses ist zwar eingeprägt und daher nicht regelbar, weist jedoch auch nicht zwangsläufig eine zeitlich konstante Stärke auf, die für die Drehmomentregelung angenommen werden könnte. Vielmehr kann sich die Stärke des jeweiligen Rotormagnetfeldes über die Zeit ändern. Um das momentane Rotormagnetfeld der jeweiligen Maschine 2a, 2b bestimmen zu können, weisen die Statoren der elektrischen Maschinen 2a, 2b jeweils einen zweiten Wicklungssatz mit jeweils zumindest einer Messspule auf. Die Messspulen weisen jeweils zwei Phasenanschlüsse x1, y1; x2, y2 auf, welche mit jeweils einem Spannungssensor 6a, 6b einer Spannungssensoreinrichtung 7 der elektrischen Antriebseinheit 1 verbunden sind. Der erste Spannungssensor 6a ist dazu ausgelegt, eine Spannung zu messen, welche durch das Rotormagnetfeld der ersten elektrischen Maschine 2a sowie durch das durch die Phasenströme iu1, iv1, iw1 erregte Statormagnetfeld in den zweiten Wicklungssatz der ersten elektrischen Maschine 2a induziert wird. Der zweite Spannungssensor 6b ist dazu ausgelegt, eine Spannung zu messen, welche durch das Rotormagnetfeld der zweiten elektrischen Maschine 2b sowie durch das durch die Phasenströme iu2, iv2, iw2 erregte Statormagnetfeld in den zweiten Wicklungssatz der zweiten elektrischen Maschine 2b induziert wird.
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Die gemessenen, induzierten Spannungen werden an die Steuereinrichtung 5 übermittelt. Die Steuereinrichtung 5 kann aus den induzierten Spannungen den Gesamtfluss der jeweiligen elektrischen Maschinen 2a, 2b, welcher eine Überlagerung desjeweiligen Rotorflusses sowie des jeweiligen Statorflusses ist, bestimmen. Außerdem kann die Steuereinrichtung 5 den jeweiligen Statorfluss aus den jeweiligen Phasenströmen iu1, iv1, iw1; iu2, iv2, iw2 bestimmen. Zur Erfassung der Phasenströme iu1, iv1, iw1; iu2, iv2, iw2 weist die elektrische Antriebseinheit 1 hier eine Stromsensoreinrichtung 9 mit jeweils zumindest zwei Stromsensoren 10a, 10b pro elektrischer Maschine 2a, 2b auf. Die Phasenstromsensoren 10a, 10b dienen zum Messen der Phasenströme iu1, iv1; iu2, iv2, wobei der dritte Phasenstrom iw1; iw2 von der Steuereinrichtung 5 aus den Phasenströmen iu1, iv1; iu2, iv2 berechnet werden kann. Die Steuereinrichtung 5 ist dazu ausgelegt, den jeweiligen Statorfluss aus dem jeweiligen Gesamtfluss herauszurechnen. Dadurch kann die Steuereinrichtung 5 den jeweiligen Rotorfluss bestimmen und zur Drehmomentregelung verwenden.
