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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Umrichters zur
Versorgung von Elektroantrieben in Fahrzeugen.
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Eletroantriebe
und Elektromotoren werden häufig
von Umrichtern gespeist, die aus einer von einer Spannungsquelle
gelieferten Gleich- oder Wechselspannung eine Wechselspannung erzeugen,
deren Frequenz, Amplitude und Phase so gewählt ist, dass der jeweilige
Elektroantrieb oder Elektromotor in der gewünschten Weise arbeitet. Dabei
wird die Ausgangswechselspannung üblicherweise einer Pulsbreitenmodulation
unterworfen, sodass die Motordrehzahl über die effektive Frequenz
der Ausgangswechselspannung unabhängig von der Taktfrequenz durch
die Modulation der Pulsbreiten eingestellt werden kann.
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Beispielsweise
wird die Taktfrequenz für
die Pulsbreitenmodulation bei IGBT-(Insulated Gate Bipolar Transistor)
Umrichtern, wie sie z. B. in Fahrzeugen mit Elektroantrieb oder
Hybridantrieb (Kombination von Elektroantrieb und herkömmlichem
Verbrennungsmotorantrieb) verwendet werden und die mit höheren Spannungen
von beispielsweise 300 V arbeiten, auf ca. 8 kHz gelegt. Akustisch
wird in der Regel jedoch nicht die Taktfrequenz selbst, sondern
die doppelte Frequenz davon wirksam, die in diesem Fall 16 kHz beträgt und damit
nicht mehr mit dem menschlichen Ohr wahrnehmbar ist. Nachteilig
sind hier jedoch hohe Schaltverluste der IGB-Transistoren wodurch
sich ein relativ geringer Wirkungsgrad, eine thermische Belastung
der Halbleiter und eine geringe Ausnutzung dieser teuren Komponenten
ergibt.
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Eine
feste, niedrige Taktfrequenz verbietet sich jedoch aus akustischen
Gründen,
da sonst erhebliche Störgeräusche auftreten
könnten.
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Aus
der
EP 0 685 923 B1 ,
die den geräuscharmen
Betriebe einer von einem Pulswechselrichter gespeisten Maschine
beschreibt, ist ein Verfahren zur Realisierung eines derartigen
Betriebes bekannt, bei dem Schaltimpulse zur Steuerung der Schaltelemente
des Wechselrichters, also zur Steuerung der Schalter, Transistoren
oder Tyristoren, mittels derer das Pulsmuster der Ausgangsspannung
erzeugt wird, durch Trägermodulation
generiert werden, wobei die Frequenz des Trägersignals der Trägermodulation
zur Pulserzeugung in Abhängigkeit
von einer definierten Funktion moduliert wird, um störend hörbare Oberschwingungen
der Wechselrichter-Ausgangsspannung zu verringern oder zu eliminieren. Die
Modulation der Taktfrequenz des Trägersignals erfolgt dabei um
eine Grundtaktfrequenz herum.
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Aus
der
EP 0 750 389 A2 ist
ein Umrichter bekannt, der im normalen Betriebsfall mit einem pulsweitenmodulierten
Ansteuersignal mit konstanter Frequenz und im Überlast- oder Schwachlastfall
mit einem Frequenz modulierten Ansteuersignal konstanter Pulsweite
betrieben wird. Die Taktfrequenz des Umrichters ist dabei durch
einen spannungsgesteuerten Oszillator regelbar.
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Um
störende
Geräusche
bei der Geschwindigkeiststeuerung eines Induktionsmotors zu beseitigen,
wird gemäß der
EP 0 627 809 A2 ein
Umrichter mit variabler Frequenz verwendet. Dabei wird der Spannungsverlauf
an die gewählte
Frequenz angepasst, um Störgeräusche zu
vermeiden und die Spannungssteurung wird durch Einstellen der Abstände zwischen
den ausgegebenen Pulsen bewirkt.
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Aus
der
DE 195 01 375
A1 ist ein weiteres Wechselrichter-Steuerverfahren bekannt, bei dem die
Pulsbreitenmodulations-Taktfrequenz
in Abhängigkeit
von einem oder mehreren Faktoren geändert werden kann. Im einfachsten
Fall ist es denkbar, die Taktfrequenz in Abhängigkeit von der Motordrehzahl zwischen
einem ersten und einem zweiten Wert umzuschalten. Es ist aber ebenfalls
möglich,
von einer festen Taktfrequenz auf eine variable Taktfrequenz umzuschalten,
wenn die Motordrehzahl eine Motorbasisgeschwindigkeit erreicht oder übersteigt.
Hohe Taktfrequenzen werden hierbei insbesondere dann gewählt, wenn
ein geräuscharmer
Betrieb gewünscht wird.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein weiteres
Verfahren zum Steuern eines Umrichters zur Versorgung von Elektroantrieben
bereitzustellen, mit dem insbesondere ein geräuscharmer Betrieb eines Elektroantriebs
bei verbessertem Wirkungsgrad ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist also
bei einem Verfahren zum Steuern eines Umrichters zur Versorgung von
Elektroantrieben, der eine Ausgangswechselspannung zur Versorgung
eines Elektroantriebs in einem Fahrzeug mittels Pulsbreitenmodulation
erzeugt, vorgesehen dass eine Taktfrequenz eines Taktsignals für die Pulsbreitenmodulation
in Abhängigkeit
von Betriebs- und/oder Umgebungsparametern auf eine jeweils kleinste
zulässige
Taktfrequenz gesetzt wird. Hierdurch läßt sich jeweils die Taktfrequenz
wählen,
die bei einem bestimmten Betriebszustand des Elektroantriebs bzw.
Fahrzeugs den besten Wirkungsgrad sicherstellt, ohne dass hörbare Störgeräusche auftreten.
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Zweckmäßigerweise
werden als Betriebsparameter des Elektroantriebs, Stromrippel, Induktivität, und/oder
Feldschwächung
und dergleichen berücksichtigt,
erfasst und ausgewertet, um die jeweils kleinste zulässige Taktfrequenz
zu ermitteln.
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Als
Umgebungsparameter werden insbesondere eine Fahrzeuggeschwindigkeit,
eine Fahrzeugbeschleunigung, Fahrzeug-Innengeräusche und/oder bei vorhandenem
Verbrennungsmotor dessen Drehzahl und dergleichen erfasst und ausgewertet,
um die jeweils kleinste zulässige
Taktfrequenz zu ermitteln. Es können
aber auch weitere das Fahrzeug betreffende Umgebungsparameter wie
Bereifung, offene oder geschlossene Fenster, geöffnetes Verdeck, Betrieb des
Audiosystems und dergleichen berücksichtigt
werden.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn die jeweils kleinste zulässige Taktfrequenz fortlaufend
an die den jeweiligen Betriebszustand kennzeichnenden Betriebs-
und/oder Umgebungsparameter angepasst wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
den einzelnen Werten der jeweiligen Betriebs- und/oder Umgebungsparameter jeweils
eine entsprechende kleinste zulässige Taktfrequenz
zugeordnet ist, die entsprechende Kennlinien und/oder Kennfelder
darstellen, wobei die Kennlinien und/oder Kennfelder für die Abhängigkeit der
kleinsten zulässigen
Taktfrequenz von den entsprechenden Betriebs- und/oder Umgebungsparametern
vorzugsweise durch Simu lationen, insbesondere Computersimulationen
und/oder Versuche ermittelt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden in einem ersten Schritt
die Betriebs- und/oder Umgebungsparameter ermittelt, in einem zweiten
Schritt wird dann die kleinste zulässige Taktfrequenz entsprechend
der ermittelten Betriebs- und/oder Umgebungsparameter aus den Kennlinien und/oder
Kennfeldern ermittelt, um dann die Taktfrequenz auf die ermittelte
kleinste zulässige
Taktfrequenz zu setzen.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Geräuschkulisse
im Fahrzeug ermittelt wird und dass die Taktfrequenz bzw. die kleinste
zulässige
Taktfrequenz entsprechend der ermittelten Geräuschkulisse angehoben oder
abgesenkt wird, wobei die Geräuschkulisse
im Fahrzeug mittels eines Mikrofons gemessen wird. Dabei wird vorzugsweise
ein Geräuschpegel
bei der aktuellen Taktfrequenz in der gemessenen Geräuschkulisse
erfasst und mit dieser und/oder derem Spektrum verglichen, um in
Abhängigkeit
vom Vergleichsergebnis die Taktfrequenz bzw. die kleinste zulässige Taktfrequenz
anzuheben oder abzusenken.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
vereinfachtes schematisches Blockdiagramm einer Umrichterschaltung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Versorgung eines Elektroantriebs,
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2 ein
schematisches Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer ersten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
und
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3 ein
schematisches Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer weiteren
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Wie
in 1 dargestellt ist, weist ein Umrichter zur Versorgung
eines Elektroantriebs M einen Ausgangswechselrichterkreis 10 auf,
der von einem Taktsignal P gesteuert wird, das dem Ausgangswechselrichterkreis 10 von
einer Taktsignalerzeugungsschaltung 12 zugeführt wird,
deren Ausgangstaktfrequenz von einer Steuerschaltung 11 festgelegt
wird. Der Gleichspannungseingang des Ausgangswechselrichterkreises 10 ist
mit einer Gleichspannungsquelle 9 verbunden, die beispielsweise
ein Akkumulator oder eine Batterie oder auch der Ausgang eines von
einer Wechselspannungsquelle gespeisten Gleichrichters sein kann.
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Um
die Taktfrequenz fsw des den Auswechselrichterkreis 10 schaltenden
Taktsignals P zu variieren, werden Eigenschaften des Motors, wie
Stromrippel und Induktivität,
sowie die Regelungstechnik, die unter anderem die Feldschwächung berücksichtigt,
erfasst und ausgewertet. In Abhängigkeit
von den Eigenschaften des Motors und der Regelung wird die Taktfrequenz
fsw so weit reduziert, dass keine akustische Belästigung entsteht. Hierbei wird
berücksichtigt,
dass bei niedrigen Momenten, also bei niedrigen Phasenströmen des
Elektroantriebs, wie sie beispielsweise bei der Versorgung aus dem
Bordnetz eines Fahrzeugs und im stationären Dauerbetrieb auftreten,
die akustischen Störamplituden
niedrig sind, sodass die Taktsignalfrequenz fsw abgesenkt werden
kann, ohne höhrbar
zu werden. Wird der Elektroantrieb M als Antriebsmotor in einem
Elektrofahrzeug oder in einem Fahrzeug mit Hydridantrieb eingesetzt,
so tritt ein stationärer
Dauerbetrieb beispielsweise dann auf, wenn das Fahrzeug mit konstanter
Geschwindigkeit fährt.
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Für die Absenkung
der Taktfrequenz fsw, die im Extremfall bis zur effektiven Frequenz
des zu liefernden Drehstroms, also bis zur Maschinen verringert
werden kann, sind nicht nur Parameter des Elektroantriebs M selbst
zu berücksichtigen,
sondern auch Umgebungsparameter, die insbesondere Indikatoren für die in
der Betriebsumgebung des Elektroantriebs M vorliegende Geräuschkulisse
darstellen.
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Wird
der Elektroantrieb beispielsweise in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb,
also in einem Fahrzeug, das neben dem Elektroantrieb auch einen
Verbrennungsmotor aufweist, eingesetzt, so wird die Geräuschkulisse
in dem Fahrzeug bereits bei laufendem Verbrennungsmotor angehoben.
Das Gleiche gilt bei Volllastbeschleunigung mittels des Verbrennungsmotors,
sowie bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten. Ferner können auch
Windgeräusche
und andere Nebengeräusche
wie das Abrollgeräusch
der Fahrzeugräder,
das stark vom Fahrbahnzustand abhängig ist, mit berücksichtigt
werden. Hier läßt sich also
die Taktfrequenz fsw verringern, um den Wirkungsgrad des Elektroantriebs
zu verbessern, ohne dass sich die dabei auftretenden Geräusche des Elektromotors
störend
bemerkbar machen, das sie von der bereits exsistierenden Geräuschkulisse übertönt werden.
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Um
die jeweils niedrigst mögliche
Taktfrequenz fsw ohne akustische Belästigung zu erreichen, wird
vorteilhafterweise auch die Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs berücksichtigt.
Insbesondere wird auch die akustische Eigensignatur des jeweiligen
Fahrzeugtyps, die von den jeweils verwendeten Motoren, insbesondere
Verbrennungsmotoren, den eingesetzten Getrieben, der Ausstattung
usw. abhängt
in Rechnung gezogen, um den Überdeckungseffekt
der akustischen Eigensignatur des Fahrzeugs bestmöglich auszunutzen.
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Zur
Erfassung der verschiedenen Betriebs- und Umgebungsparameter sind,
wie in 1 angedeutet ist, eine Vielzahl von Sensoren und/oder
Signalquellen S1, S2, S3, ... Sn, wie beispielsweise Motordrehzahlsensor,
Fahrzeuggeschwindigskeitssensor, Mikrophon, usw. vorgesehen. Die
Steuerschaltung 11 kann dabei als gesonderte Schaltung
vorgesehen sein oder im Fahrzeugsteuergerät selbst verwirklicht sein.
In diesem Fall liefert das Fahrzeugsteuergerät ein Steuersignal zur Einstellung
der Taktfrequenz fsw des Taktsignal P für die Pulsbreitenmodulation
an die Taktsignalerzeugungsschaltung 12.
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Es
ist auch möglich,
die Steuerschaltung 11 als integrierten Bestandteil des
Umrichters selbst auszubilden.
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Wie
in 2 dargestellt ist wird zum Festlegen der optimalen
Taktfrequenz fsw zunächst
im Schritt S10 durch Ermittlung der Betriebs- und/oder Umgebungsparameter
der Betriebszustand des Elektroantriebs M festgestellt. Im folgenden
Schritt S20 wird dann für
den erfassten Betriebszustand die zulässige minimale Taktfrequenz
fsw_min_zul mit Hilfe entsprechender Kennlinien und/oder Kennfelder festgestellt.
Derartige Kennlinien und Kennfelder werden für die jeweilige Kombination
von Elektroantrieb und Fahrzeugtyp mit Hilfe von Simulationen und/oder
Versuchen bestimmt.
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Abschließend wird
dann im Schritt S30 die Taktfrequenz fsw auf den für den aktuellen
Betriebszustand ermittelte kleinste zulässige Taktfrequenz fsw_min_zul
gesetzt.
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Anstelle
dieser Festsetzung von fsw oder zusätzlich dazu kann auch, wie
in 3 dargestellt ist, zunächst in einem Schritt S110
der Innengeräuschpegel
G in einem Fahrzeug beispielsweise mit Hilfe eines Mikrofons, das
einen der Sensoren Sn darstellt, gemessen werden. In einem Schritt
S120 wird dann der Geräuschpegel
G(fsw) bei der aktuellen Taktfrequenz fsw ermittelt, um im folgenden
Schritt S130 mit dem Innengeräuschpegel
G und/oder mit dessen spektraler Verteilung G(f) verglichen zu werden,
sodass die akustische Präsenz
der Taktfrequenz fsw im Innenraum mit der aktuellen Umgebungsgeräuschkulisse
verglichen werden kann. Im folgenden Schritt S140 wird dann überprüft, ob der
Geräuschpegel G(fsw)
bei der Taktfrequenz fsw gegebenenfalls unter Berücksichtigung
der Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs hörbar ist oder nicht. Wird festgestellt,
dass der Geräuschpegel
G(fsw) im Gesamtgeräusch
nicht hörbar
ist, so wird in einem Schritt S150 die Taktfrequenz fsw weiter erniedrigt,
um den Wirkungsgrad des Elektroantriebs M zu erhöhen. Wird im Schritt S140 umgekehrt
festgestellt, dass der Geräuschpegel
G(fsw) hörbar
ist, so wird im Schritt S160 die Taktfrequenz fsw erhöht, um dadurch
die Geräuschbelästigung
zu minimieren.
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Die
Variation oder Modulation der Taktfrequenz fsw zur Optimierung des
Wirkungsgrades eines Elektroantriebs im Hinblick auf eine minimierte akustische
Belästigung,
also adaptive Modulation der Taktfrequenz kann kontinuierlich, in
Inkrementen oder in festen Verhältnissen
erfolgen, wobei die Taktfrequenz im Extremfall bis herab zur Grundwellentaktung,
also bis zur Maschinenfrequenz reduziert werden kann.
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Mit
Hilfe der vorliegenden Erfindung lässt sich insbesondere der Wirkungsgrad
eines für
einen Fahrzeugantrieb in Elektrofahrzeugen oder Fahrzeugen mit Hybridantrieb
aus Elektroantrieb und Verbrennungsmotorantrieb deutlich verbessern,
was zu einer Verbrauchseinsparung ohne erheblichen Aufwand führt. Im
Extremfall, also beispielsweise bei einem Umrichter mit spitzen
Ausgangsströmen
von 400 A, bei dem die Taktfrequenz von 8 kHz auf 1 kHz abgesenkt
wird, reduzieren sich die Umrichterverluste um über 400 W. Dies entspricht
einer eta- Verbesserung
von ca. 1%. Das ist beim heutigen Stand der Antriebe, bei denen
eta_max > 90% ist,
für den
geringen Aufwand bemerkenswert.