DE102022208006B4 - Verfahren zum Einstellen eines Arbeitspunktes für eine elektrische Maschine zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Einstellen eines Arbeitspunktes für eine elektrische Maschine eines zumindest teilweise elektrifizierten Fahrzeugs (100) zum zweiphasigen Aufladen einer Fahrzeugbatterie (102) unter Verwendung eines Gleichrichters (10) wobei der Gleichrichter (10) eine mehrphasige Halbbrückenanordnung und eine Speicherdrossel (12) aufweist, wobei die Speicherdrossel (12) aus mehreren Spulen (14a-c) der elektrischen Maschine gebildet ist, das Verfahren umfassend:- Bestimmen eines Drehmomentverlaufs, der ein Drehmoment der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von einem Asymmetriefaktor zwischen einem ersten Ausgangsstrom und einem zweiten Ausgangsstrom bei einem vorgegebenen Eingangsstrom und einem vorgegebenen Rotorlagewinkel der elektrischen Maschine charakterisiert, wobei der Eingangsstrom von einer Spannungsversorgung (50) zu einer dritten Spule (14c) der elektrischen Maschine geführt wird, wobei der erste Ausgangsstrom und der zweite Ausgangsstrom jeweils von einer ersten Spule (14a) und einer zweiten Spule (14b) zur Fahrzeugbatterie (102) geführt werden;- Ermitteln des Drehmomentverlaufs für mehrere Wertepaare umfassend jeweils einen Wert des Eingangsstroms und einen weiteren Wert des Rotorlagewinkels;- Identifizieren eines Zielrotorlagewinkels, der einem Zielwertepaar entspricht, bei dem der Drehmomentverlauf durch einen Nullpunkt geht oder diesem am nächsten kommt;- Einstellen eines Arbeitspunktes für die elektrische Maschine basierend auf dem identifizierten Zielrotorlagewinkel zum Aufladen der Fahrzeugbatterie.

Description

• Die Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungselektronik für teils oder ganz elektrifizierte Fahrzeuge. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und ein Steuergerät zum Einstellen eines Arbeitspunktes für eine elektrische Maschine zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie.
• Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet. Die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise ein sog. Wechselrichter (Inverter) mit einer Leistungselektronik geschaltet.
• Aus der CN 114211981 A ist ein Verfahren zum Einstellen eines Arbeitspunktes für eine elektrische Maschine eines zumindest teilweise elektrifizierten Fahrzeugs zum zweiphasigen Aufladen einer Fahrzeugbatterie unter Verwendung eines Gleichrichters bekannt.
• Die Leistungselektronik weist typischerweise mehrere Halbbrücken auf, die jeweils einer von mehreren Phasen eines AC-Ausgangsstroms zugeordnet sind, der basierend auf einem DC-Eingangsstrom mittels Schalten der Leistungselektronik erzeugt wird. Jede Halbbrücke umfasst eine Highside und eine Lowside, die jeweils wiederum ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen. Im einfachsten Fall umfasst jede Highside bzw. jede Lowside ein solches Halbleiterschaltelement. Als Halbleiterschaltelement kann Transistor, etwa Bipolartransistor wie IGBT, verwendet werden. Die Halbbrücken können auch als Inverterzweige verstanden werden.
• Es ist außerdem bekannt, dieselbe Leistungselektronik des Inverters zum Aufladen der Batterien zu verwenden. In diesem Fall fungiert die Leistungselektronik als Teil eines Gleichrichters (Konverter), der zusätzlich eine Speicherdrossel zum Zwischenspeichern von Energie in Form magnetischer Felder umfasst. Die Konfiguration, bei der die Leistungselektronik des Inverters für den Konverter verwendet wird, wird als Boost-Konverter-Konfiguration bezeichnet. Zu diesem Zweck sind in der Speicherdrossel Induktivitäten vorgesehen. Es ist zweckmäßig, die Spulen der elektrischen Maschine als Induktivitäten zu verwenden.
• Die Leistungselektronik des Stromrichters (Inverter bzw. Konverter) wird daher zum einen im Normalbetrieb und zum anderen im Ladebetrieb eingesetzt. Im Normalbetrieb realisiert der Inverter auf Basis der Batteriespannung sinusförmige Ströme in den Wicklungen der elektrischen Maschine, welche zur flexiblen Generierung eines endlichen Drehmomentes verwendet werden. Die elektrische Energie fließt während des Normalbetriebs stets aus der Batterie in Richtung der elektrischen Maschine.
• Im sogenannten zweiphasigen Ladebetrieb wird die aus der Ladesäule entnommene Energie dagegen bei stehender Maschine über den Nullpunkt eines stillgelegten Inverterzweiges in die Batterie (insbesondere eine Hochvolt-Batterie, HV-Batterie) geführt. Beim stillgelegten Inverterzweig beträgt die Gate-Spannung für die entsprechende Halbbrücke Null. Die Flussrichtung der Energie ist daher der des Normalbetriebes entgegengesetzt. Die vorhandene Ladespannung, die typischerweise 400V beträgt, muss außerdem auf die Batteriespannung der HV-Batterie von 800V hochgesetzt werden. Die Leistungselektronik erzeugt im zweiphasigen Ladebetrieb nichtsinusförmige Ladeströme.
• Es ist für das zweiphasige Aufladen der Fahrzeugbatterie von hoher Bedeutung, dass sich das Fahrzeug in einem mechanisch stabilen Zustand befindet und keine unerwünschten Bewegungen, etwa Schwingbewegungen, des Fahrzeugs auftreten.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Einstellen eines Arbeitspunktes für eine elektrische Maschine zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie bereitzustellen, bei dem das Fahrzeug vorm Beginn des Ladevorgangs in einen mechanisch stabilen Zustand gebracht werden kann und keine unerwünschten Fahrzeugbewegungen auftreten.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren, das Steuergerät, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Arbeitspunktes für eine elektrische Maschine zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie unter Verwendung eines Gleichrichters. Die Fahrzeugbatterie ist in einem zumindest teils elektrifizierten Fahrzeug, etwa einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, verbaut. Die Fahrzeugbatterie kann eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) mit einer Batteriespannung von 800V aufweisen.
• Der Gleichrichter weist eine Leistungselektronik mit einer mehrphasigen Halbbrückenanordnung auf. Die Halbbrückenanordnung umfasst mehrere Halbbrücken, die jeweils einer Phase (bzw. einem AC-Phasenstrom) zugeordnet sind. Jede der Halbbrücken ist aus einer Highside und einer Lowside gebildet. Die Highside bzw. Lowside umfasst ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente. Als Halbleiterschaltelement kann eine Transistor, etwa ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder ein Metall-Oxid-Feldeffekttransistor (MOSFET) verwendet werden. Als das dem Halbleiterschaltelement zugrunde liegende Halbleitermaterial kann Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit großer Bandlücke (Engl.: Wide Bandgap Semiconductor, WBS) verwendet werden. Die Leistungselektronik des Gleichrichters ist durch die Leistungselektronik eines im Fahrzeug verbauten Inverters bereitgestellt, der zum Erzeugen eines Wechselstroms aus der Fahrzeugbatterie zum Bestromen der elektrischen Maschine verschaltet ist. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche Leistungselektronik für den Gleichrichter verzichtet werden, was Bauraum und Herstellungskosten reduziert. Der Inverter fungiert im Ladebetrieb somit als Gleichrichter.
• Ferner weist der Gleichrichter eine Speicherdrossel mit mehreren Spulen zum Zwischenspeichern von Energie in Form magnetischer Felder auf. Die Spulen sind durch die elektrische Maschine bereitgestellt, sodass auf zusätzliche Spulen verzichtet werden kann. Dies reduziert Bauraum und Herstellungskosten für den Gleichrichter in der Boost-Konverter-Konfiguration.
• Erfindungsgemäß wird ein Drehmomentverlauf bestimmt, der ein Drehmoment der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von einem Asymmetriefaktor bei einem vorgegebenen Eingangsstrom des Inverters (bzw. des Gleichrichters) und einem vorgegebenen Rotorlagewinkel der elektrischen Maschine charakterisiert. Der Eingangsstrom, der erste Ausgangsstrom und der zweite Ausgangsstrom sind Phasenströme des Inverters, die jeweils mittels einer von drei Halbbrücken der Leistungselektronik erzeugt sind. Der erste Ausgangsstrom und der zweite Ausgangsstrom werden jeweils von einer ersten Spule bzw. einer zweiten Spule der elektrischen Maschine zur Fahrzeugbatterie geführt. Der Eingangsstrom wird von einer Spannungsversorgung (z.B. einer Ladesäule) zu einer dritten Spule der elektrischen Maschine geführt. Dies bedeutet, dass der erste und zweite Ausgangsstrom ein positives Vorzeichen tragen, wenn sie von der jeweiligen Spule zur Fahrzeugbatterie fließen. Bei umgekehrter Stromflussrichtung wird dem jeweiligen Ausgangsstrom ein negatives Vorzeichen zugewiesen.
• Der Asymmetriefaktor beschreibt eine Asymmetrie der Stromverteilung zwischen einem ersten Ausgangsstrom und einem zweiten Ausgangsstrom. Der Asymmetriefaktor nimmt einen Wert zwischen -1 und 1 an. Wenn der erste Ausgangsstrom betragsmäßig dem Eingangsstrom gleich ist und ein entgegengesetztes Vorzeichen zum Eingangsstrom trägt, fließt der in die Speicherdrossel eingespeiste Eingangsstrom ganz über den dem ersten Ausgangsstrom zugeordneten Inverterzweig wieder aus der Speicherdrossel heraus. Demgemäß fließt kein Strom über den zweiten Ausgangsstrom zugeordneten Inverterzweig, sodass der zweite Ausgangsstrom den Wert Null annimmt. In diesem Fall nimmt der Asymmetriefaktor seinen maximalen Wert 1 an. Wenn der zweite Ausgangsstrom betragsmäßig dem Eingangsstrom gleich ist und ein entgegengesetztes Vorzeichen zum Eingangsstrom trägt, fließt der in die Speicherdrossel eingespeiste Eingangsstrom ganz über den dem zweiten Ausgangsstrom zugeordneten Inverterzweig wieder aus der Speicherdrossel heraus. Demgemäß fließt kein Strom über den ersten Ausgangsstrom zugeordneten Inverterzweig, sodass der erste Ausgangsstrom den Wert Null annimmt. In diesem Fall nimmt der Asymmetriefaktor seinen minimalen Wert -1 an. Wenn sowohl der erste Ausgangsstrom als auch der zweite Ausgangsstrom betragsmäßig der Hälfte des Eingangsstroms gleich sind und ein entgegengesetztes Vorzeichen zum Eingangsstrom tragen, fließt der in die Speicherdrossel eingespeiste Eingangsstrom jeweils zur Hälfte über die den Ausgangsströmen zugeordneten beiden Inverterzweige wieder aus der Speicherdrossel heraus. In diesem Fall ist der Asymmetriefaktor gleich Null.
• Der Rotorlagewinkel ist vorzugsweise ein elektrischer Winkel, der mittels eines Winkelgebers (etwa eines Resolvers) ermittelt wird.
• Das Bestimmen des Drehmomentverlaufs erfolgt vorzugsweise mittels einer dq-Transformation, bei der die dreiphasigen Phasenströme in ein zweiachsiges Koordinatensystem überführt werden. Außerdem wird der Drehmomentverlauf vorzugsweise zusätzlich basierend auf einem Kennfeld der elektrischen Maschine bestimmt, welches mechanische und/oder elektrische Kenngrößen der elektrischen Maschine enthält. Somit wird bei einem vorgegebenen Wertepaar mit einem Wert für den Eingangsstrom und einem weiteren Wert für den Rotorlagewinkel mittels der dq-Transformation und anhand des Kennfelds der elektrischen Maschine das Drehmoment in Abhängigkeit vom Asymmetriefaktor berechnet.
• Der Drehmomentverlauf wird für mehrere solche Wertepaare ermittelt. Beispielsweise kann der Drehmomentverlauf bei einem vorgegebenen Wert für den Eingangsstrom für mehrere verschiedene Werte für den Rotorlagewinkel jeweils berechnet. Auf diese Weise kann eine Winkelabhängigkeit des Drehmomentverlaufs ermittelt werden. Der vorgegebene Wert für den Eingangsstrom kann dann variiert werden, sodass bei mehreren Werten des Eingangsstroms der Drehmomentverlauf jeweils für mehrere Werte des Rotorlagewinkels ermittelt wird. Auf diese Weise kann zusätzlich eine Ladestromabhängigkeit des Drehmomentverlaufs ermittelt werden. Die ermittelten Drehmomentverläufe werden vorzugsweise in einem Steuergerät der elektrischen Maschine hinterlegt.
• Nachdem die Drehmomentverläufe, die den mehreren Wertepaaren entsprechen, ermittelt worden sind, wird ein Zielrotorlagewinkel identifiziert, der einem Zielwertepaar entspricht, bei dem der Drehmomentverlauf durch einen Nullpunkt geht oder diesem am nächsten kommt. Ein Arbeitspunkt wird dann basierend auf dem identifizierten Zielrotorlagewinkel zum zweiphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie für die elektrische Maschine eingestellt.
• Der Nullpunkt ist der Ursprungspunkt in einem Diagramm, in dem die vertikale Achse das Drehmoment und die horizontale Achse den Asymmetriefaktor beschreibt. Im Nullpunkt betragen beide Werte für das Drehmoment und den Asymmetriefaktor Null. Dies entspricht einem idealen Arbeitspunkt für die elektrische Maschine zum zweiphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie, bei dem unerwünschte Bewegungen, etwa Schwingbewegungen, des Fahrzeugs reduziert oder gar vermieden werden. Die mechanische Belastung der mittels der elektrischen Maschine angetriebenen Achse kann während dem Ladevorgang daher minimiert werden. Außerdem kann hierbei eine weitestgehend gleichmäßige thermische Belastung des aktiven Inverteranteils erzielt werden, was sich positiv auf die Lebensdauer des Gleichrichters bzw. Boost-Konverters auswirkt. Der Rotorlagewinkel aus dem Wertepaar, bei dem der Drehmomentverlauf durch den Nullpunkt geht, ist daher als Vorzugswinkel beim gegebenen Eingangs- (bzw. Lade-)Strom zu verstehen.
• Wenn keiner der Drehmomentverläufe durch den Nullpunkt geht, wird ein Zielrotorlagewinkel identifiziert, der einem Zielwertepaar entspricht, bei dem der Drehmomentverlauf dem Nullpunkt am nächsten kommt. Es kann jedoch ein Toleranzfenster vordefiniert werden, sodass der Zielrotorlagewinkel erst dann gültig ist, wenn der dem Nullpunkt am nächsten kommende Drehmomentverlauf das Toleranzfenster überschneidet. Das Toleranzfenster ist ein zweidimensionales Wertefenster um den Nullpunkt herum im Drehmoment-Asymmetriefaktor-Koordinatensystem. Alternativ kann ein Toleranzbereich für das Drehmoment und/oder den Asymmetriefaktor vordefiniert werden, sodass der Zielrotorlagewinkel erst dann gültig ist, wenn der dem Nullpunkt am nächsten kommende Drehmomentverlauf den Toleranzbereich überschneidet.
• Der Wert des Rotorlagewinkels aus dem Zielwertepaar liegt dem einzustellenden Arbeitspunkt der elektrischen Maschine zugrunde. Alternativ kann als Zielrotorlagewinkel ein ganzzahliges Vielfaches des Rotorlagewinkels aus dem Zielwertepaar gewählt werden, wobei als ganzzahliger Multiplikator die Polpaarzahl der elektrischen Maschine verwendet werden kann.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Zielrotorlagewinkel identifiziert, der zumindest zwei verschiedenen Zielwertepaaren, bei denen die Drehmomentverläufe jeweils durch den Nullpunkt gehen, wobei die Zielwertepaare einen gemeinsamen Wert des Rotorlagewinkels und verschiedene Werte des Eingangsstroms aufweisen. Dies bedeutet, dass bei diesem Zielrotorlagewinkel ein optimaler Arbeitspunkt der elektrischen Maschine zum zweiphasigen Aufladen bei mehreren Eingangsstromwerten einstellbar ist. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des identifizierten Arbeitspunktes, sodass das zweiphasige Aufladen weiter optimiert ist.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorm Einstellen des Arbeitspunktes geprüft, ob der identifizierte Zielrotorlagewinkel für die elektrische Maschine einstellbar ist. Beispielsweise wird beim Vorhandensein eines Disconnects im Fahrzeug in Form einer Klauenkupplung und/oder einer Parksperrenklaue geprüft, ob eine Zahnstellung der Klauenkupplung und/oder der Parksperrenklaue das Einstellen des identifizierten Zielrotorlagewinkels verhindert. Im Fall, dass der Zielrotorlagewinkel nicht erreichbar ist, wird anhand der im Steuergerät hinterlegten Drehmomentverläufe geprüft und ein alternatives Wertepaar bestimmt, bei dem der Wert des Rotorlagewinkels für die elektrische Maschine einstellbar ist und dem oben identifizierten Zielrotorlagewinkel, beispielsweise dem Vorzugswinkel, am nächsten kommt. Der zugehörige Rotorlagewinkel wird für die elektrische Maschine eingestellt.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorm Einstellen des Arbeitspunktes ein anfänglicher Rotorlagewinkel der elektrischen Maschine ermittelt, wobei ein Relativwinkel zwischen dem anfänglichen Rotorlagewinkel und dem Zielrotorlagewinkel berechnet wird. Vor dem Ladevorgang befindet sich die elektrische Maschine in einer bestimmten Winkelposition, die dem anfänglichen Rotorlagewinkel entspricht. Diese Winkelposition wird vorzugsweise durch das Steuergerät erkannt, beispielsweise mittels eines Resolvers. Die konstruktive Ausführung einer Klauenkupplung/eines Disconnects oder einer Parksperre gibt in der Regel vor, um welchen Relativwinkel die elektrische Maschine verdreht werden kann, um den Zielrotorlagewinkel einzustellen und anschließend das Disconnect und/oder die Klauenkupplung wieder zu schließen.
• Zum Einstellen des Arbeitspunktes wird vorzugsweise außerdem die Leistungselektronik des Inverters dahingehend betrieben, dass der Asymmetriefaktor in einem vordefinierten Bereich liegt. Beispielsweise kann für den Fall, dass der Drehmomentverlauf durch den Nullpunkt selbst geht, die Leistungselektronik dahingehend betrieben werden, dass der Asymmetriefaktor den Wert Null annimmt.
• Auf diese Weise ist das Drehmoment der elektrischen Maschine zwecks zweiphasigen Aufladens der Fahrzeugbatterie optimal kontrollierbar und einstellbar. Das Drehmoment kann auf einfache Weise auf Null oder einen Wert um Null herum gefahren werden, sodass unerwünschte Bewegungen des Fahrzeugs, etwa Schwingbewegungen, wirksam reduziert oder gar vermieden werden.
• Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zum Ausführen des oben beschrieben Verfahrens gemäß einer der Ausführungsformen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile auch für das erfindungsgemäße Steuergerät, den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein schematisches, stark vereinfachtes Schaltbild eines Gleichrichters zum zweiphasigen Aufladen einer Fahrzeugbatterie;
• 2 ein schematisches, stark vereinfachtes Schaubild eines elektrifizierten Fahrzeugs, in dem der Gleichrichter aus 1 zum Aufladen der Fahrzeugbatterie angeordnet ist;
• 3 ein schematisches, beispielhaftes Diagramm, in dem für ein vorgegebenes Wertepaar mit einem Wert für einen Eingangsstrom des Gleichrichters und einem weiteren Wert für einen Rotorlagewinkel zwei Ausgangsströme des Gleichrichters, zwei transformierte Ströme sowie ein Drehmoment der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von einem Asymmetriefaktor zwischen den beiden Ausgangsströmen des Gleichrichters aufgetragen ist;
• 4 ein schematisches, beispielhaftes Diagramm, in dem für einen vorgegebenenen Wert des Eingangsstroms und mehreren vorgegebenen Werten des Rotorlagewinkels jeweils das Drehmoment der elektrischen Maschine in Abhängigkeit vom Asymmetriefaktor aufgetragen ist; und
• 5 ein schematischer, beispielhafter Drehmomentverlauf aus 4 für mehrere vorgegebene Werte des Eingangsstroms.
• Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
• 1 zeigt schematisch ein Schaltbild eines Gleichrichters (Konverter) 10. Der Gleichrichter 10 ist in einem elektrifizierten Fahrzeug 100 (siehe 2) integriert und dient zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie 102. Die Fahrzeugbatterie 102 ist vorzugsweise eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie), die eine DC-Batteriespannung von weiter vorzugsweise 800V aufweist und mittels einer Spannungsversorgung 50 aufgeladen werden kann. Die Spannungsversorgung 50 kann beispielsweise eine Ladesäule aufweisen und eine DC-Ladespannung (bzw. Eingangsspannung) von 400V bereitstellen. Die bereitgestellte Ladespannung wird mittels des Gleichrichters 10 hochgesetzt, um die HV-Batterie 102 mit einer Ausgangsspannung, die der DC-Batteriespannung entspricht, zu versorgen. Zum Anschließen des Gleichrichters 10 mit der Spannungsversorgung 50 weist dieser einen Eingangsanschluss 52 auf.
• Der Gleichrichter 10 umfasst eine Speicherdrossel 12 zum Zwischenspeichern der Energie in Form magnetischer Felder. Die Speicherdrossel 12 weist mehrere, hier beispielhaft drei, Spulen 14a-c auf, die durch die elektrische Maschine des Fahrzeugs 100 bereitgestellt sind. Die Spulen 14a-c sind vorzugsweise wie in 1 schematisch skizziert sternverschaltet, sodass sie an einem gemeinsamen Ende miteinander mechanisch und elektrisch verbunden und an ihren anderen Enden jeweils an eine Halbbrücke 17a-c einer mehr- bzw. hier beispielhaft dreiphasigen Leistungselektronik angeschlossen sind. Die Leistungselektronik wird durch einen ebenfalls im Fahrzeug 100 verbauten Wechselrichter (Inverter) bereitgestellt. Der Wechselrichter dient zum Bestromen der elektrischen Maschine, indem der Wechselrichter die von der Fahrzeugbatterie 102 bereitgestellte DC-Batteriespannung mittels Schaltens mehrerer in der Leistungselektronik enthaltenen Halbleiterschaltelemente 16a-c, 18a-c in einen AC-Ausgangsstrom umwandelt. Dies entspricht dem Normalbetrieb der mehrphasigen Leistungselektronik bzw. des Inverters. Im Ladebetrieb fungiert der Wechselrichter als Boost-Konverter mit zum Normalbetrieb entgegengesetzten Energieflussrichtungen in den einzelnen Inverterzweigen.
• Die Halbbrücken 17a-c weisen jeweils eine Highside und eine Lowside auf. Die Highside und Lowside umfassen jeweils ein einziges Halbleiterschaltelement 16a-c, 18a-c, wie im hier beispielhaft gezeigt, können im Allgemeinen jedoch mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen. Die Halbleiterschaltelemente 16a-c, 18a-c können jeweils als Transistor, etwa Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), oder Metall-Oxid-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet sein. Als dem jeweiligen Halbleiterschaltelement 16a-c, 18a-c zugrunde liegendes Halbleitermaterial kann Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit großer Bandlücke (Wide Bandgap Semiconductor, WBS) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) verwendet werden. Auch andere Halbleitermaterialien können in Betracht kommen.
• Spannungsversorgungsseitig und batterieseitig ist jeweils ein Kondensator 20, 22 vorgesehen, um Störsignale aus der eingespeisten Eingangsspannung bzw. aus der der Fahrzeugbatterie zuzuführenden Ausgangsspannung zu beseitigen.
• Die drei Phasenströme I_W, I_U. I_V sind in 1 jeweils mit einem Pfeil angedeutet. Diese umfassen einen Eingangsstrom I_W, einen ersten Ausgangsstrom lu und einen zweiten Ausgangsstrom I_V. Die Richtungen der Pfeile geben die Richtungen der jeweiligen Phasenströme I_W, I_U. I_V an, wenn diese ein positives Vorzeichen tragen. Der Eingangsstrom I_W (positiven Vorzeichens) fließt von der Spannungsversorgung 50 über einen Zwischenknoten zwischen dem highsideseitigen Halbleiterschaltelement 16c und dem lowsideseitigen Halbleiterschaltelement 18c der dem Eingangsstrom I_W zugehörigen Halbbrücke 17c zur dritten Spule 14c der Speicherdrossel 12. Der erste Ausgangsstrom lu (positiven Vorzeichens) fließt von einer ersten Spule 14a der Speicherdrossel 12 über einen Zwischenknoten zwischen dem highsideseitigen Halbleiterschaltelement 16a und dem lowsideseitigen Halbleiterschaltelement 18a der dem ersten Ausgangsstrom lu zugehörigen Halbbrücke 17a zur Fahrzeugbatterie 102. Der zweite Ausgangsstrom I_V (positiven Vorzeichens) fließt von einer zweiten Spule 14b der Speicherdrossel 12 über einen Zwischenknoten zwischen dem highsideseitigen Halbleiterschaltelement 16b und dem lowsideseitigen Halbleiterschaltelement 18b der dem zweiten Ausgangsstrom I_V zugehörigen Halbbrücke 17b zur Fahrzeugbatterie 102. Beim oben beschriebenen und in 1 schematisch gezeigten Aufladeverfahren sind zwei der drei Inverterzweige batterieseitig verschaltet, um die beiden Ausgangsströme lu, Iv der Fahrzeugbatterie 102 zuzuführen. Diese Aufladeverfahren wird daher als zweiphasiges Aufladen bezeichnet.
• In 2 ist das Fahrzeug 100 stark vereinfacht und schematisch gezeigt. Sowohl eine Vorderachse 104 als auch eine Hinterachse 106 des Fahrzeugs 100 sind gezeigt, die jeweils über ein Differentialgetriebe 101 zur Leistungsübertragung an Vorderräder 108 bzw. Hinterräder 109 verfügen. Der Gleichrichter (Boost-Konverter) 10, in dem die Spulen 14a-c der elektrischen Maschine integriert sind, ist zwischen der Fahrzeugbatterie 102 und einer Kupplung 107 angeordnet, wobei die Kupplung 107 über einen Radsatz 105 mit dem Differentialgetriebe 103 der Hinterachse 106 verbunden ist. Diese Boost-Konverter-Konfiguration ist im hier gezeigten Beispiel für die Hinterachse 106 eingesetzt, kann im Allgemeinen auch im Bezug auf die Vorderachse 104 zusätzlich oder alternativ zur Hinterachse 106 realisiert werden.
• Während dem Ladevorgang wird der dem Eingangsstrom I_W entsprechenden Inverterzweig stillgelegt. In diesem Zustand wird der Inverterzweig nicht mehr aktiv angesteuert, d.h. es wird keine Steuerspannung auf die Steueranschlüsse (Gate-Elektroden) eingeprägt. Es ist für den Ladevorgang essentiell, dass sich das Fahrzeug in einem mechanisch stabilen Zustand befindet und es keine unerwünschten Bewegungen wie Schwingbewegungen erzeugt. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Einstellen eines Arbeitspunktes für die elektrische Maschine zum zweiphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie 102 näher beschrieben.
• Erfindungsgemäß wird ein Drehmomentverlauf bestimmt, der ein Drehmoment der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von einem Asymmetriefaktor bei einem vorgegebenen Wert des Eingangsstroms I_W und einem vorgegebenen Wert eines Rotorlagewinkel φ der elektrischen Maschine charakterisiert. Der Asymmetriefaktor beschreibt den Maß einer Asymmetrie der Stromverteilung zwischen dem ersten Ausgangsstrom lu und dem zweiten Ausgangsstrom I_V. Der Asymmetriefaktor nimmt einen Wert zwischen -1 und 1 an. Wenn der erste Ausgangsstrom lu betragsmäßig dem Eingangsstrom I_W gleich ist und ein entgegengesetztes Vorzeichen zum Eingangsstrom I_W trägt, fließt der in die Speicherdrossel 12 eingespeiste Eingangsstrom I_W ganz über den dem ersten Ausgangsstrom lu zugeordneten Inverterzweig wieder aus der Speicherdrossel 12 heraus. Demgemäß fließt kein Strom über den dem zweiten Ausgangsstrom I_V zugeordneten Inverterzweig, sodass der zweite Ausgangsstrom I_V den Wert Null annimmt. In diesem Fall nimmt der Asymmetriefaktor den Wert -1 an. Es gelten daher: $$I_w=-I_u$$

  

  $$I_v=0$$

  

  $$Asymmetriefaktor=-1$$

  
• Wenn der zweite Ausgangsstrom I_V betragsmäßig dem Eingangsstrom I_W gleich ist und ein entgegengesetztes Vorzeichen zum Eingangsstrom I_W trägt, fließt der in die Speicherdrossel 12 eingespeiste Eingangsstrom I_W ganz über den dem zweiten Ausgangsstrom I_V zugeordneten Inverterzweig wieder aus der Speicherdrossel 12 heraus. Demgemäß fließt kein Strom über den dem ersten Ausgangsstrom lu zugeordneten Inverterzweig, sodass der erste Ausgangsstrom lu den Wert Null annimmt. In diesem Fall nimmt der Asymmetriefaktor den Wert 1 an. Es gelten daher: $$I_w=-I_v$$

  

  $$I_u=0$$

  

  $$Asymmetriefaktor=1$$

  
• Wenn sowohl der erste Ausgangsstrom lu als auch der zweite Ausgangsstrom Iv betragsmäßig gleich der Hälfte des Eingangsstroms I_W sind und ein entgegengesetztes Vorzeichen zum Eingangsstrom I_W tragen, fließt der in die Speicherdrossel 12 eingespeiste Eingangsstrom I_W jeweils zur Hälfte über die den Ausgangsströmen I_U, I_V zugeordneten beiden Inverterzweige wieder aus der Speicherdrossel 12 heraus. In diesem Fall ist der Asymmetriefaktor gleich Null, was einer symmetrischen Stromverteilung zwischen den ausgangsseitigen Inverterzweigen entspricht. Es gelten daher: $$I_w=-I_u-I_v$$

  

  $$I_u=I_v=-\frac{I_w}{2}$$

  

  $$Asymmetriefaktor=0$$

  
• Der Rotorlagewinkel φ ist vorzugsweise ein elektrischer Winkel, der mittels eines Winkelgebers (etwa eines Resolvers) ermittelt bzw. abgelesen wird.
• Das Bestimmen des Drehmomentverlaufs erfolgt vorzugsweise mittels einer dq-Transformation, bei der die dreiphasigen Phasenströme in ein zweiachsiges Koordinatensystem überführt werden. Außerdem wird der Drehmomentverlauf vorzugsweise zusätzlich basierend auf einem Kennfeld der elektrischen Maschine bestimmt, welches mechanische und/oder elektrische Kenngrößen der elektrischen Maschine enthält. Somit wird bei einem vorgegebenen Wertepaar mit einem Wert für den Eingangsstrom Iw und einem weiteren Wert für den Rotorlagewinkel φ mittels der dq-Transformation und anhand des Kennfelds der elektrischen Maschine das Drehmoment in Abhängigkeit vom Asymmetriefaktor berechnet.
• 3 zeigt drei schematische Diagramme für ein beispielhaftes Wertepaar I_W = 200A und φ=1/3*pi (pi entspricht 360 Grad). Im oberen Diagramm sind die beiden Ausgangsströme I_U, I_V in Abhängigkeit vom Asymmetriefaktor aufgetragen. Im mittleren Diagramm sind die mittels der dq-Transformation bestimmten Ströme I_d und I_q in Abhängigkeit vom Asymmetriefaktor aufgetragen. Im unteren Diagramm ist das Drehmoment der elektrischen Maschine Tq in Abhängigkeit vom Asymmetriefaktor aufgetragen. Im unteren Diagramm beschreibt daher die vertikale Achse das Drehmoment und die horizontale Achse den Asymmetriefaktor. Wie hier ersichtlich kann für diesen Rotorlagewinkel, unter Variation des Asymmetriefaktors, das generierte Drehmoment um den Wert Null herum kontrolliert werden. Gleichzeitig sind mit dem Arbeitspunkt, der durch den Nullpunkt (Ursprungspunkt im Drehmoment-Asymmetriefaktor-Diagramm) definiert ist, gleichzeitig zwei Bedingungen Asymmetriefaktor = 0 und Tq = 0 erfüllt. Die beiden Ausgangsströme I_U und I_V sind betragmäßig gleich groß, was eine weitestgehend gleichmäßige thermische Belastung des aktiven Inverteranteils sowie eine lange Lebensdauer des Gleichrichters 10 begünstigt. Außerdem ermöglicht dieser Arbeitspunkt einen Betrieb der elektrischen Maschine zum zweiphasigen Aufladen mit verschwindendem bzw. sehr kleinem Drehmoment, sodass die mechanische Belastung der betroffenen Achse (bspw. der Hinterachse 106 aus 2, die mit der elektrischen Maschine angetrieben wird) während dem Ladevorgang minimiert wird. In diesem Arbeitspunkt ist daher die beste Regelbarkeit und Ladeeffizienz zu erwarten. Der Rotorlagewinkel φ=1/3*pi kann daher als Vorzugswinkel für den gewählten Eingangsstrom I_W, derart, dass beim Vorzugswinkel der Drehmomentverlauf durch den Nullpunkt geht, zum Einstellen des Arbeitspunktes fürs zweiphasige Aufladen identifiziert werden.
• Der Drehmomentverlauf wird nicht nur für ein einziges Wertepaar, sondern für mehrere Wertepaare jeweils ermittelt. Auf diese Weise kann eine Winkelabhängigkeit des Drehmomentverlaufs ermittelt werden. Der vorgegebene Wert für den Eingangsstrom kann dann variiert werden, sodass bei mehreren Werten des Eingangsstroms der Drehmomentverlauf jeweils für mehrere Werte des Rotorlagewinkels ermittelt wird. Auf diese Weise kann zusätzlich eine Ladestromabhängigkeit des Drehmomentverlaufs ermittelt werden. Die ermittelten Drehmomentverläufe werden vorzugsweise in einem Steuergerät der elektrischen Maschine hinterlegt.
• Beispielsweise kann der Drehmomentverlauf aus dem unteren Diagramm der 3 beim gleichbleibenden Wert des Eingangsstroms, d.h. I_W = 200A, für mehrere verschiedene Werte des Rotorlagewinkels φ jeweils berechnet werden. Das Ergebnis hierzu zeigt 4. Wie dort ersichtlich ist das Identifizieren des Vorzugswinkels wie bei 3 nicht in allen Rotorlagen möglich, sondern hier neben φ=1/3*pi nur noch für φ=(-2)/3*pi. Im Unterschied hierzu kann bei anderen Rotorlagewinkeln, z.B. φ=(-1)/2*pi, ein verschwindendes Drehmoment (Nullmoment) zwar erzielbar. Das Aufladen der Fahrzeugbatterie in dem zugehörigen Arbeitspunkt für die elektrische Maschine hätte jedoch eine stark asymmetrische Bestromung der Fahrzeugbatterie 102 zur Folge. Bei manchen Rotorlagewinkeln, z.B. φ=(2)/3*pi, bei denen in sinnvoll definierten Arbeitspunkten ein Aufladen nur mit einem extrem hohen Drehmoment prinzipiell möglich wäre, was jedoch aus mechanischen Gründen nicht realisierbar ist.
• Nachdem die Drehmomentverläufe, die den mehreren Wertepaaren entsprechen, ermittelt worden sind, wird ein Zielrotorlagewinkel identifiziert, der einem Zielwertepaar entspricht, bei dem der Drehmomentverlauf durch einen Nullpunkt geht oder diesem am nächsten kommt. Ein Arbeitspunkt wird dann basierend auf dem identifizierten Zielrotorlagewinkel zum zweiphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie für die elektrische Maschine eingestellt. Im Nullpunkt betragen beide Werte für das Drehmoment und den Asymmetriefaktor gleichzeitig Null. Dies entspricht einem idealen Arbeitspunkt für die elektrisiche Maschine zum zweiphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie. Der Rotorlagewinkel aus dem Wertepaar, bei dem der Drehmomentverlauf durch den Nullpunkt geht, ist daher als Vorzugswinkel beim gewählten Eingangsstrom zu verstehen. Wenn keiner der Drehmomentverläufe durch den Nullpunkt geht, sodass ein solcher Vorzugswinkel nicht erreichbar ist, wird ein alternativer Zielrotorlagewinkel identifiziert, der einem alternativen Zielwertepaar entspricht, bei dem der Drehmomentverlauf dem Nullpunkt am nächsten kommt.
• In 5 sind mehrere Sätze von beispielhaften Drehmomentverläufen gezeigt, wobei für jeden Satz ein verschiedener Wert des Eingangsstroms Iw gewählt und der Drehmomentverlauf ähnlich wie bei 4 für mehrere Werte des Rotorlagewinkel φ jeweils ermittelt wird. Wie in 5 ersichtlich, ist beim Rotorlagewinkel φ=1/3*pi der bevorzugte Arbeitspunkt bei allen betrachteten Werten des Eingangsstroms Iw erreicht. Dies manifestiert sich daran, dass alle bei diesem Rotorlagewinkel aufgenommenen Drehmomentverläufe, unabhängig vom gewählten Wert des Eingangsstroms Iw, durch den Nullpunkt gehen. Somit lässt sich der bevorzugte Arbeitspunkt, bei dem gleichzeitig zwei Bedingungen Asymmetriefaktor = 0 und Tq = 0 erfüllt sind, bei allen Werten des Eingangsstroms I_W identifizieren. Der Rotorlagewinkel φ=1/3*pi kann daher als Vorzugswinkel identifiziert werden. Ein solcher Vorzugswinkel kommt, abhängig von der Polpaarzahl der elektrischen Maschine, pro mechanischer Umdrehung mehrfach vor, wobei die der Polpaarzahl entsprechenden Vielfachen des Vorzugswinkels für das Erreichen des bevorzugten Arbeitspunktes gleich gut geeignet sind.
• Bezugszeichen

10

Gleichrichter

12

Speicherdrossel

14a-c

Spulen

16a-c

highsideseitige Halbleiterschaltelemente

17a-c

Halbbrücken

18a-c

lowsideseitige Halbleiterschaltelemente

20,22

Kondensatoren

50

Spannungsversorgung

52

Eingangsanschluss

100

Fahrzeug

101, 103

Differentialgetriebe

102

Fahrzeugbatterie

104

Vorderachse

105

Radsatz

106

Hinterachse

107

Kupplung

108

Vorderräder

109

Hinterräder

IW

Eingangsstrom

IU

erster Ausgangsstrom

IV

zweiter Ausgangsstrom

φ

Rotorlagewinkel

Tq

Drehmoment

Claims (12)

1. Verfahren zum Einstellen eines Arbeitspunktes für eine elektrische Maschine eines zumindest teilweise elektrifizierten Fahrzeugs (100) zum zweiphasigen Aufladen einer Fahrzeugbatterie (102) unter Verwendung eines Gleichrichters (10) wobei der Gleichrichter (10) eine mehrphasige Halbbrückenanordnung und eine Speicherdrossel (12) aufweist, wobei die Speicherdrossel (12) aus mehreren Spulen (14a-c) der elektrischen Maschine gebildet ist, das Verfahren umfassend: - Bestimmen eines Drehmomentverlaufs, der ein Drehmoment der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von einem Asymmetriefaktor zwischen einem ersten Ausgangsstrom und einem zweiten Ausgangsstrom bei einem vorgegebenen Eingangsstrom und einem vorgegebenen Rotorlagewinkel der elektrischen Maschine charakterisiert, wobei der Eingangsstrom von einer Spannungsversorgung (50) zu einer dritten Spule (14c) der elektrischen Maschine geführt wird, wobei der erste Ausgangsstrom und der zweite Ausgangsstrom jeweils von einer ersten Spule (14a) und einer zweiten Spule (14b) zur Fahrzeugbatterie (102) geführt werden; - Ermitteln des Drehmomentverlaufs für mehrere Wertepaare umfassend jeweils einen Wert des Eingangsstroms und einen weiteren Wert des Rotorlagewinkels; - Identifizieren eines Zielrotorlagewinkels, der einem Zielwertepaar entspricht, bei dem der Drehmomentverlauf durch einen Nullpunkt geht oder diesem am nächsten kommt; - Einstellen eines Arbeitspunktes für die elektrische Maschine basierend auf dem identifizierten Zielrotorlagewinkel zum Aufladen der Fahrzeugbatterie.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Wertepaar ermittelt wird, bei dem der Drehmomentverlauf den Nullpunkt umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für einen Wert oder mehrere Werte des Eingangsstroms der Drehmomentverlauf jeweils für mehrere verschiedene Werte des Rotorlagewinkels berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotorlagewinkel ein elektrischer Winkel ist; und/oder wobei der Zielrotorlagewinkel der Rotorlagewinkel aus dem Zielwertepaar oder ein ganzzahliges Vielfaches des Rotorlagewinkels aus dem Zielwertepaar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das ganzzahlige Vielfache durch Multiplizieren des Rotorlagewinkels aus dem Zielwertepaar mit einer Polpaarzahl der elektrischen Maschine erhalten wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Drehmomentverlauf basierend auf einem Kennfeld der elektrsichen Maschine bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Zielrotorlagewinkel identifiziert wird, der zumindest zwei verschiedenen Zielwertepaaren, bei denen die Drehmomentverläufe jeweils durch den Nullpunkt gehen, wobei die Zielwertepaare einen gemeinsamen Wert des Rotorlagewinkels und verschiedene Werte des Eingangsstroms aufweisen.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vorm Einstellen des Zielrotorlagewinkels geprüft wird, ob dieser für die elektrische Maschine einstellbar ist.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vorm Einstellen des Zielrotorlagewinkels ein anfänglicher Rotorlagewinkel der elektrischen Maschine ermittelt wird, wobei ein Relativwinkel zwischen dem anfänglichen Rotorlagewinkel und dem Zielrotorlagewinkel berechnet wird.
10. Steuergerät eines Arbeitspunktes für eine elektrische Maschine eines zuminest teilweise elektrifizierten Fahrzeugs (100) zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie (102) unter Verwendung eines Gleichrichters (10), wobei der Gleichrichter (10) eine mehrphasige Halbbrückenanordnung und eine Speicherdrossel (12) aufweist, wobei die Speicherdrossel (12) aus mehreren Spulen (14a-c) der elektrischen Maschine gebildet ist, das Steuergerät umfassend eine Mehrzahl von Modulen, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
11. Elektrischer Achsantrieb für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend eine E-Maschine, eine Getriebeeinrichtung und einen Gleichrichter, wobei der Gleichrichter zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie (112) des Elektrofahrzeugs und/oder Hybridfahrzeugs eine Drossel (102) aufweist, die aus mehreren Wicklungen (104a-c) eines Rotors der E-Maschine (100) gebildet ist, weiter umfassend ein Steuergerät nach Anspruch 10 zum Einstellen eines Drehwinkels des Rotors.
12. Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend einen elektrischen Achsantrieb nach Anspruch 11.

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