DE102022209536B4 - Method and device for operating a pulse inverter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Pulswechselrichters (6), wobei der Pulswechselrichter (6) eingangsseitig mit einer Batterie (3) verbunden ist, wobei der Pulswechselrichter (6) ausgangsseitig mit einer Elektromaschine (7) verbunden ist, wobei dem Pulswechselrichter (6) ein Mikroprozessor (8) zugeordnet ist, mittels dessen der Pulswechselrichter (6) mittels mindestens einem ersten Modulationsverfahren (M1) oder mittels mindestens einem zweiten Modulationsverfahren (M2) angesteuert werden kann, wobei die Umschaltung zwischen dem mindestens einen ersten Modulationsverfahren (M1) oder dem mindestens einen zweiten Modulationsverfahren (M2) in Abhängigkeit mindestens eines Grenzwertes (fG, fGO, fGU) für die Wechselspannungsfrequenz (fA) des Pulswechselrichters (6) erfolgt, wobei der Batterie (3) eine Einrichtung (4) zugeordnet ist, mittels derer ein Innenwiderstand (Ri) der Batterie (3) ermittelbar ist, wobei der Grenzwert (fG, fGO, fGU) in Abhängigkeit des Innenwiderstandes (Ri) verschoben wird, wobei bei Wechselspannungsfrequenzen (fA) des Pulswechselrichters (6) unterhalb des Grenzwertes (fG, fGO, fGU) ein erstes Modulationsverfahren (M1) und oberhalb des Grenzwertes (fG, fGO, fGU) ein zweites Modulationsverfahren (M2) zur Anwendung kommt sowie eine geeignete Vorrichtung.The invention relates to a method for operating a pulse inverter (6), wherein the pulse inverter (6) is connected on the input side to a battery (3), wherein the pulse inverter (6) is connected on the output side to an electric machine (7), wherein the pulse inverter (6) is assigned a microprocessor (8), by means of which the pulse inverter (6) can be controlled by means of at least one first modulation method (M1) or by means of at least one second modulation method (M2), wherein the switching between the at least one first modulation method (M1) or the at least one second modulation method (M2) takes place depending on at least one limit value (fG, fGO, fGU) for the alternating voltage frequency (fA) of the pulse inverter (6), wherein the battery (3) is assigned a device (4) by means of which an internal resistance (Ri) of the battery (3) can be determined, wherein the limit value (fG, fGO, fGU) is shifted depending on the internal resistance (Ri), wherein at alternating voltage frequencies (fA) of the Pulse inverter (6) below the limit value (fG, fGO, fGU) a first modulation method (M1) is used and above the limit value (fG, fGO, fGU) a second modulation method (M2) is used, as well as a suitable device.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Pulswechselrichters, insbesondere in einem Traktionsnetz eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.The invention relates to a method and a device for operating a pulse inverter, in particular in a traction network of an electric or hybrid vehicle.
Ein Problem bei Pulswechselrichtern ist, dass diese Spannungswelligkeiten erzeugen, wobei die Größe der Spannungswelligkeit unter anderem von dem verwendeten Modulationsverfahren abhängig ist.A problem with pulse inverters is that they generate voltage ripples, whereby the size of the voltage ripple depends, among other things, on the modulation method used.
In der Praxis haben sich vor allem folgende Modulationsverfahren bewährt und sind als Stand der Technik anzusehen: Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM, Raumzeigermodulation), Discontinuous Pulse Width Modulation (DPWM, diskontinuierliche Raumzeigermodulation), Fundamental Frequency Control (FFC, Blocktaktung) und Synchronous Switching (Synchrontaktung) . Die beiden letztgenannten führen zu einem sehr effizienten Betrieb des Wechselrichters, da die Taktfrequenz nur der Grundfrequenz oder einem Vielfachen der Grundfrequenz entspricht, was in der Regel bei max. 1000 Hz liegt. Bei sehr kleinen Grundfrequenzen können diese Verfahren jedoch nicht eingesetzt werden, da die erzeugte Spannungswelligkeit zu groß wird. Bei diesen Grundfrequenzen kommen eher die Modulationsverfahren SVPWM und DPWM zum Einsatz.In practice, the following modulation methods have proven particularly effective and are considered to be state of the art: Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM), Discontinuous Pulse Width Modulation (DPWM), Fundamental Frequency Control (FFC) and Synchronous Switching. The last two lead to very efficient operation of the inverter, as the clock frequency only corresponds to the fundamental frequency or a multiple of the fundamental frequency, which is usually a maximum of 1000 Hz. However, these methods cannot be used for very low fundamental frequencies, as the voltage ripple generated becomes too large. The SVPWM and DPWM modulation methods are more likely to be used for these fundamental frequencies.
Die Grundfrequenz entspricht dabei der Wechselspannungsfrequenz am Ausgang des Pulswechselrichters. Um die Spannungswelligkeitsanforderungen einzuhalten, wird mit Worst-Case-Randbedingungen gearbeitet und beispielsweise eine bestimmte Impedanz des Traktionsnetzes vorausgesetzt und daraus die Größe eines Zwischenkreiskondensators und die Modulationsverfahren und Taktfrequenzen in den jeweiligen Arbeitspunkten festgelegt.The base frequency corresponds to the AC voltage frequency at the output of the pulse inverter. In order to comply with the voltage ripple requirements, worst-case boundary conditions are used and, for example, a certain impedance of the traction network is assumed and from this the size of an intermediate circuit capacitor and the modulation methods and clock frequencies at the respective operating points are determined.
Aus der
Aus dem Fachartikel „
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Pulswechselrichters weiter zu verbessern sowie eine geeignete Vorrichtung zu schaffen.The invention is based on the technical problem of further improving a method for operating a pulse inverter and of creating a suitable device.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem results from a method having the features of
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Pulswechselrichters, wobei der Pulswechselrichter eingangsseitig mit einer Batterie verbunden ist, wobei der Pulswechselrichter ausgangsseitig mit einer Elektromaschine verbunden ist. Der Pulswechselrichter kann die Elektromaschine antreiben oder im generatorischen Betrieb der Elektromaschine die Batterie laden. Dem Pulswechselrichter ist ein Mikroprozessor zugeordnet, mittels dessen der Pulswechselrichter mittels mindestens einem ersten Modulationsverfahren oder mittels mindestens einem zweiten Modulationsverfahren angesteuert werden kann, wobei die Umschaltung zwischen dem mindestens einen ersten Modulationsverfahren oder dem mindestens einen zweiten Modulationsverfahren in Abhängigkeit mindestens eines Grenzwertes für die Wechselspannungsfrequenz des Pulswechselrichters erfolgt, wobei der Batterie eine Einrichtung zugeordnet ist, mittels derer ein Innenwiderstand der Batterie ermittelbar ist, wobei der Grenzwert in Abhängigkeit des Innenwiderstandes verschoben wird, wobei bei Wechselspannungsfrequenzen des Pulswechselrichters unterhalb des Grenzwertes ein erstes Modulationsverfahren und oberhalb des Grenzwertes ein zweites Modulationsverfahren zur Anwendung kommt. Hierdurch kann der Pulswechselrichter häufiger mit energieeffizienteren Modulationsverfahren betrieben werden. Sinkt der Innenwiderstand, so wird der Grenzwert in Richtung kleinerer Wechselspannungsfrequenzen verschoben, sodass über einen größeren Arbeitsbereich das zweite Modulationsverfahren angewendet werden kann. Die Einrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstandes verwendet vorzugsweise eine Impedanzspektroskopie, da hier eine Bestimmung während des laufenden Betriebes besonders einfach ist. Der Mikroprozessor kann auch in dem Pulswechselrichter integriert sein.A method is proposed for operating a pulse inverter, the pulse inverter being connected to a battery on the input side, the pulse inverter being connected to an electric machine on the output side. The pulse inverter can drive the electric machine or charge the battery when the electric machine is in generator mode. The pulse inverter is assigned a microprocessor, by means of which the pulse inverter can be controlled by means of at least one first modulation method or by means of at least one second modulation method, the switching between the at least one first modulation method or the at least one second modulation method being carried out depending on at least one limit value for the alternating voltage frequency of the pulse inverter, the battery being assigned a device by means of which an internal resistance of the battery can be determined, the limit value being shifted depending on the internal resistance, a first modulation method being used for alternating voltage frequencies of the pulse inverter below the limit value and a second modulation method being used above the limit value. This means that the pulse inverter can be operated more frequently with more energy-efficient modulation methods. If the internal resistance drops, the limit value is shifted towards lower AC frequencies so that the second modulation method can be used over a larger operating range. The device for determining the internal resistance preferably uses impedance spectroscopy, as this makes it particularly easy to determine the value during operation. The microprocessor can also be integrated into the pulse inverter.
In einer Ausführungsform ist das mindestens eine erste Modulationsverfahren eine Raumzeigermodulation und/oder eine diskontinuierliche Raumzeigermodulation und/oder ist das mindestens eine zweite Modulationsverfahren eine Synchrontaktung und/oder Blocktaktung.In one embodiment, the at least one first modulation method is a space vector modulation and/or a discontinuous space vector modulation and/or the at least one The second modulation method is synchronous clocking and/or block clocking.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Grenzwert mit einer Hysterese ausgebildet, so dass ein zu häufiger Wechsel der Modulationsverfahren im Bereich um den Grenzwert verhindert wird.In a further embodiment, the limit value is designed with a hysteresis so that too frequent a change of the modulation methods in the range around the limit value is prevented.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Taktfrequenz des mindestens einen ersten Modulationsverfahrens in Abhängigkeit des Innenwiderstandes angepasst und weiter vorzugsweise bei steigendem Innenwiderstand erniedrigt, so dass die Schaltverluste reduziert werden können.In a further embodiment, a clock frequency of the at least one first modulation method is adapted as a function of the internal resistance and further preferably reduced as the internal resistance increases, so that the switching losses can be reduced.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Einsatz in einem Traktionsnetz eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.A preferred field of application of the invention is the use in a traction network of an electric or hybrid vehicle.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. zeigen:
-
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges und -
2 einen schematischen Verlauf eines Drehmomentes einer Elektromaschine über der Wechselspannungsfrequenz eines Pulswechselrichters.
-
1 a schematic block diagram of a traction network of an electric or hybrid vehicle and -
2 a schematic curve of a torque of an electric machine over the alternating voltage frequency of a pulse inverter.
In der
Weiter weist das Traktionsnetz 1 einen Mikroprozessor 8 auf, mittels dessen der Pulswechselrichter 6 mit mindestens einem ersten Modulationsverfahren M1 oder mit mindestens einem zweiten Modulationsverfahren M2 betrieben werden kann. Dabei kann der Mikroprozessor 8 auch in den Pulswechselrichter 6 integriert sein. Zur Umsetzung der Modulationsverfahren bedient sich der Mikroprozessor 8 nicht dargestellter Treiberbausteine, die dann die eigentlichen Ansteuersignale für die Transistoren der Pulswechselrichters 6 erzeugen. Dabei wird von einer übergeordneten Steuereinheit ein Arbeitspunkt der Elektromaschine 7 angefordert. In Abhängigkeit der notwendigen Wechselspannungsfrequenz fA wählt dann der Mikroprozessor 8 ein erstes Modulationsverfahren M1 oder ein zweites Modulationsverfahren M2 aus. Hierzu ist ein Grenzwert fG für die Wechselspannungsfrequenz fA in dem Mikroprozessor 8 abgelegt. Um nun ein häufiges Wechseln der Modulationsverfahren M1, M2 zu verhindern, wird um den Grenzwert fG ein oberer Grenzwert fGO und ein unterer Grenzwert fGU festgelegt, mittels derer eine Hysterese realisiert wird. Oberhalb des oberen Grenzwertes fGO wird immer ein zweites Modulationsverfahren M2 und unterhalb der unteren Grenzwertes fGU wird immer ein erstes Modulationsverfahren M1 verwendet und dazwischen wird das Modulationsverfahren in Abhängigkeit von der Richtung gewählt, aus der sich die Wechselspannungsfrequenz bewegt (also ob diese sinkt oder steigt). Zusätzlich verändert der Mikroprozessor 8 den Grenzwert fG sowie den oberen und unteren Grenzwert fGO, fGU in Abhängigkeit des Innenwiderstandes Ri, wobei bei sinkendem Innenwiderstand Ri die Grenzwerte fG, fGO, fGU zu kleineren Frequenzen verschoben werden, so dass im Regelfall länger mit dem zweiten Modulationsverfahren M2 gearbeitet werden kann, was die Effizienz erhöht. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass der Frequenzbereich zwischen 0 und dem unteren Grenzwert fGU einen weiteren Grenzwert umfasst, wobei unterhalb dieses Grenzwertes ein erstes Modulationsverfahren und oberhalb des Grenzwertes ein weiteres erstes Modulationsverfahren zur Anwendung kommt. Beispielsweise ist das erste Modulationsverfahren eine Raumzeigermodulation und das weitere erste Modulationsverfahren eine diskontinuierliche Raumzeigermodulation. Das zweite Modulationsverfahren M2 ist beispielsweise eine Synchron- oder Blocktaktung. Weiter kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Taktfrequenzen bei den ersten Modulationsverfahren in Abhängigkeit vom Innenwiderstand Ri angepasst werden.The
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- TraktionsnetzTraction network
- 22
- BatterieeinheitBattery unit
- 33
- Batteriebattery
- 44
- EinrichtungFurnishings
- 55
- HauptschützeMain shooter
- 66
- PulswechselrichterPulse inverter
- 77
- ElektromaschineElectric machine
- 88th
- Mikroprozessormicroprocessor
- CC
- ZwischenkreiskondensatorDC link capacitor
- fAfa
- WechselspannungsfrequenzAC frequency
- fGfG
- Grenzwertlimit
- fGOfGO
- oberer Grenzwertupper limit
- fGUfGU
- unterer Grenzwertlower limit
- M1M1
- erstes Modulationsverfahrenfirst modulation method
- M2M2
- zweites Modulationsverfahrensecond modulation method
- RiRi
- InnenwiderstandInternal resistance
Claims (8)
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Non-Patent Citations (2)
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Flett, Fred. A Tutorial in AC Induction and Permanent Magnet Synchronous Motors, Vector Control with Digital Signal Processors, 1994. Analog Devices, https://www.analog.com/en/education/education-library/tutorial-ac-induction-permanent-magnet-synchronous-motors.html |
Flett, Fred. A Tutorial in AC Induction and Permanent Magnet Synchronous Motors, Vector Control with Digital Signal Processors, 1994. Analog Devices, https://www.analog.com/en/education/education-library/tutorial-ac-induction-permanent-magnet-synchronous-motors.html, zugegriffen am 18.08.2023. |
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