EP4573650A1 - Verfahren zum betreiben eines elektrischen antriebssystems, computerprogrammprodukt, datenträger, elektrisches antriebssystem, kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines elektrischen antriebssystems, computerprogrammprodukt, datenträger, elektrisches antriebssystem, kraftfahrzeug

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Publication number
EP4573650A1
EP4573650A1 EP23733678.9A EP23733678A EP4573650A1 EP 4573650 A1 EP4573650 A1 EP 4573650A1 EP 23733678 A EP23733678 A EP 23733678A EP 4573650 A1 EP4573650 A1 EP 4573650A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical
drive system
power electronics
battery
voltage
Prior art date
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Pending
Application number
EP23733678.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Fassnacht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4573650A1 publication Critical patent/EP4573650A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters with pulse width modulation

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electric drive system, in particular for a motor vehicle, wherein the electric drive system has power electronics, in particular electrical voltage converters, an electric machine that can be controlled by the power electronics and a battery that is electrically connected or connectable to the power electronics, and wherein the power electronics has at least one electrical phase for controlling the electrical machine.
  • the electric drive system has power electronics, in particular electrical voltage converters, an electric machine that can be controlled by the power electronics and a battery that is electrically connected or connectable to the power electronics, and wherein the power electronics has at least one electrical phase for controlling the electrical machine.
  • the invention further relates to a computer program product that carries out the above method when the computer program product is executed on a computer device.
  • the invention also relates to a data carrier with such a computer program product and an electrical drive system with the computer device, which is specifically designed to execute the computer program product or the above-mentioned method.
  • the invention relates to a motor vehicle with the electric drive system.
  • Corresponding efficiency-optimal current setpoints for the stator currents in the d and q directions of the field-oriented control and for a rotor current are stored, for example, as tables. These values are usually specified for a field-oriented control and a rotor current control, with these setpoint values being set as dynamically and precisely as possible by the corresponding controls. For reasons of efficiency, for example in traction drives for battery-electric vehicles, an efficiency-optimal and therefore low rotor current is set when the torque requirements are low. If a large torque is needed quickly, the rotor current required for this can only be provided after a certain period of time, as described above. Therefore, in particular, a rise limiter is used for the current setpoints for the stator currents so that the necessary rotor current is built up first and then the appropriate stator currents, because without the rotor current the stator currents cannot set sufficient torque.
  • the necessary stator currents must be set with the lowest possible intermediate circuit voltage.
  • the electrical machine and the power electronics are designed in such a way that they can still provide the required torque at the lowest intermediate circuit voltage. Accordingly, the characteristic maps of the current setpoints for the field-oriented control are calculated for this lowest intermediate circuit voltage.
  • the intermediate circuit voltage is comparatively stable, so that it is sufficient to only use maps for a constant intermediate circuit voltage. If, on the other hand, the electrical machine and the power electronics, as provided in the method according to the invention, are connected to a mobile energy storage device, i.e. a battery or an accumulator, operated or supplied with power from it, significantly larger fluctuations in the intermediate circuit voltage can be expected depending on the state of the energy storage.
  • the control and the characteristic maps for the current setpoints are set, for example, to the lowest intermediate circuit voltage that occurs in order to ensure that there are sufficient control reserves and that the control behavior leads to advantageous current control.
  • the lowest intermediate circuit voltage that occurs i.e. the largest drop in the intermediate circuit voltage
  • the lowest intermediate circuit voltage that occurs is usually assumed for a “worst case” state of the battery, in which the battery is, for example, maximally discharged, has a minimum temperature and an advanced or maximum aging state.
  • a maximum electrical output of all auxiliary consumers and the drive is usually assumed.
  • the method according to the invention with the features of claim 1 is characterized in that at least one voltage value of an electrical intermediate circuit voltage of the power electronics is estimated using a mathematical model of the drive system as a function of a predetermined speed and / or torque requirement for the electric machine, that at least one Current value of an electrical current for one of the phases and / or a rotor of the electrical machine is specified as a function of the speed and / or torque requirement for the electrical machine and the estimated intermediate circuit voltage, and that the electrical machine is controlled as a function of the specified current value becomes.
  • an excitation current is usually specified in order, for example, to set a specific torque for the electrical machine, in particular at a predetermined speed of the electrical machine.
  • This excitation current becomes minimal depending on a
  • the available DC link voltage is selected from a characteristic map (voltage drops under load), whereby a “worse case scenario” (state of battery and drive system) is usually assumed.
  • a “worse case scenario” state of battery and drive system
  • Current values for the excitation current and stator currents are particularly preferably specified.
  • the method according to the invention increases the efficiency of the control because the actual or estimated intermediate circuit voltage when the torque is reached is usually higher than the minimum intermediate circuit voltage that occurs, for example because the battery is fully charged or only partially discharged, new or warm and thus the intermediate circuit voltage under load collapses significantly less than expected.
  • the method according to the invention estimates the actually expected (higher) intermediate circuit voltage and, in particular, selects a suitable characteristic map with a higher intermediate circuit voltage for the control, thus optimizing the control.
  • the core of the process is an optimization of the corresponding control and regulation concept. In particular, at a known speed for a given torque setpoint, the voltage value of the intermediate circuit voltage is estimated using the mathematical model of the drive system.
  • the mathematical model takes into account in particular at least one parameter of the battery, a power value of an electrical consumption power of the electric drive system and/or an efficiency of the electric machine and power electronics, in particular depending on the speed and/or torque requirement.
  • the speed is particularly dependent on a driving speed of the motor vehicle if the electric drive system is used in a motor vehicle.
  • the torque setpoint is determined in particular by a corresponding control level, for example a control device, and/or depending on a corresponding request of a user of the electric drive system, in particular an acceleration request of the driver of the motor vehicle.
  • the current values are In particular, the stator currents and the rotor current, as described above, are set for the torque setpoint at a current speed based on a stationary intermediate circuit voltage of the power electronics.
  • the mathematical model takes into account a resistance value of an internal resistance of the battery and/or a voltage value of an electrical open-circuit voltage of the battery.
  • the resistance value and/or the voltage value be determined as a function of a battery temperature and/or an age of the battery. Determining the resistance value and/or the voltage value in this way creates a particularly simple way of determining them.
  • Particularly preferred are the resistance value and/or the voltage value of one of the batteries assigned control device adapted battery management system based on the temperature and aging of the battery. Because the temperature changes relatively slowly and the aging is very slow, the temperature and aging values are alternatively transmitted to a further control device, in particular a computer device, which carries out the method according to the invention, for example via an already existing vehicle bus, in order to determine the resistance value and/or the Adjust voltage values there.
  • the current value for the specified speed or torque requirement is retrieved from a map assigned to the estimated voltage value of the intermediate circuit voltage, in particular a look-up table.
  • a map assigned to the estimated voltage value of the intermediate circuit voltage in particular a look-up table.
  • the data carrier according to the invention with the features of claim 9 is characterized by the computer program product according to the invention stored thereon.
  • the electric drive system in particular for a motor vehicle, with the features of claim 10 has power electronics, in particular an electrical voltage converter, an electrical machine that can be controlled by the power electronics, and a battery that is electrically connected or connectable to the power electronics, the power electronics having at least one electric Phase for controlling the electrical machine.
  • the electric drive system is characterized by a computer device that is specifically designed to carry out the method according to the invention or to execute the computer program product according to the invention. This also results in the advantages mentioned above.
  • the computer device is a control device assigned to the electric drive system, in particular arranged in the motor vehicle.
  • the electrical machine is in particular a separately excited synchronous machine, as described at the beginning.
  • the electrical machine is another externally excited machine controlled by power electronics, a permanently excited or electrically excited synchronous machine or an asynchronous machine.
  • the electrical one Drive system is intended in particular for use in an industrial machine or a household appliance, especially white goods.
  • the motor vehicle with the features of claim 11 is characterized by the electric drive system according to the invention. This also results in the advantages already mentioned.
  • Figure 3 shows a second electrical equivalent circuit diagram for the model
  • Figure 4 shows a method for operating the drive system.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electric drive system 1.
  • the electric drive system 1 has power electronics 2, in the present case an electrical voltage converter, in particular an inverter, an electrical machine 3 that can be controlled by the power electronics 2 and a battery 4 electrically connected to the power electronics 2.
  • power electronics 2 in the present case an electrical voltage converter, in particular an inverter, an electrical machine 3 that can be controlled by the power electronics 2 and a battery 4 electrically connected to the power electronics 2.
  • the power electronics 2 is designed to control at least one electrical phase 5, in this case all three electrical phases 5 of the electrical machine 3.
  • the power electronics 2 in the present case is assigned to a computer device 6, in particular a control device.
  • Figure 2 shows a first electrical equivalent circuit diagram for a mathematical model of the electrical drive system 1. With the help of this model it is possible to determine an intermediate circuit voltage Ui of the power electronics 2 to estimate.
  • the equivalent circuit diagram has electrical switching elements that model the parameters of the battery 4 as well as electrical auxiliary consumers and the drive itself.
  • the electrical equivalent circuit diagram is derived from equivalent circuit diagrams known from the specialist literature.
  • the parameters of the battery 4 are shown as two electrical resistors Ri, R2, which are each connected in parallel to capacities Ci, C2 and thus form RC elements.
  • Another resistor Ro and an inductor Lo are arranged in series.
  • the battery 4 has an open-circuit voltage Uo and an output voltage U2.
  • an auxiliary consumer characterized by an electrical power P 3 , an electrical current l 3 and an electrical voltage U3 is connected to the battery 4 .
  • the power electronics 2 is connected to the battery 4, with further losses, in particular line losses in a cabling, for example an on-board electrical system, between the battery 4 and the power electronics 2, being represented by a further resistor R4 and an inductance L4.
  • the corresponding intermediate circuit voltage Ui, an intermediate circuit current h and an intermediate circuit power Pi are then produced at the power electronics 2. Knowing the values of the corresponding electrical components, these can be estimated using the model.
  • resistor R5 represents the overall internal resistance of the battery.
  • the open-circuit voltage Uo and the internal resistance R5 are sufficient Parameters of the battery 4.
  • the losses between and in the cabling and power electronics 2 are only represented by the resistor R4.
  • the other electrical components are omitted.
  • a step S1 the method begins with receiving a predetermined speed and/or torque request for the electric machine 3.
  • the computer device 6 is specifically designed to carry out the method described below or a computer program product executing the method.
  • a step S2 at least one voltage value of an electrical intermediate circuit voltage Ui of the power electronics 2 is estimated using a mathematical model, preferably based on the equivalent circuit diagram for the mathematical model shown in FIG. 3, depending on the speed and/or torque requirement.
  • the mathematical model takes into account in particular at least one resistance value of an internal resistance R5 of the battery 4 and a voltage value of an electrical open-circuit voltage Uo of the battery 4. These are determined in particular as a function of a battery temperature and/or an age of the battery 4.
  • the mathematical model further takes into account in particular at least one power value of an electrical consumption power P3 of an electrical consumer connected to the battery 4, a power value of an electrical drive power of the drive system 1, and/or losses in or between cabling and power electronics 2, in particular characterized by a resistance value of a corresponding one Resistor R4, as described above.
  • a step S3 at least one current value of an electrical current for one of the phases 5 and/or a rotor of the electrical machine 3 is determined depending on the speed and/or torque requirement for the electrical machine 3 and the intermediate circuit voltage Ui estimated in step S2 specified.
  • the current value is retrieved in particular from a map assigned to the estimated voltage value of the intermediate circuit voltage Ui.
  • the electrical machine 3 is finally controlled depending on the predetermined current value. This ends the procedure.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das elektrische Antriebssystem (1) eine Leistungselektronik (2), insbesondere elektrischer Spannungswandler, eine durch die Leistungselektronik (2) ansteuerbare elektrische Maschine (3) und eine mit der Leistungselektronik (2) elektrisch verbundene oder verbindbare Batterie (4) aufweist, und wobei die Leistungselektronik (2) zumindest eine elektrische Phase (5) zum Ansteuern der elektrischen Maschine (3) aufweist. Es ist vorgesehen, dass zumindest ein Spannungswert einer elektrischen Zwischenkreisspannung (U1) der Leistungselektronik (2) mithilfe eines mathematischen Modells des Antriebssystems (1) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Drehzahl- und/oder Drehmomentanforderung für die elektrische Maschine (3) abgeschätzt wird, dass zumindest ein Stromwert eines elektrischen Stroms für eine der Phasen (5) und/oder einen Rotor der elektrischen Maschine (3) in Abhängigkeit von der Drehzahl- und/oder Drehmomentanforderung für die elektrische Maschine (3) und von der abgeschätzten Zwischenkreisspannung (U1) vorgegeben wird, und dass die elektrische Maschine (3) in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Stromwert angesteuert wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems, Computerprogrammprodukt, Datenträger, elektrisches Antriebssystem, Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das elektrische Antriebssystem eine Leistungselektronik, insbesondere elektrischer Spannungswandler, eine durch die Leistungselektronik ansteuerbare elektrische Maschine und eine mit der Leistungselektronik elektrisch verbundene oder verbindbare Batterie aufweist, und wobei die Leistungselektronik zumindest eine elektrische Phase zum Ansteuern der elektrischen Maschine aufweist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, das das obenstehende Verfahren durchführt, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Computereinrichtung ausgeführt wird. Außerdem betrifft die Erfindung einen Datenträger mit einem derartigen Computerprogrammprodukt sowie ein elektrisches Antriebssystem mit der Computereinrichtung, die speziell dazu hergerichtet ist, das Computerprogrammprodukt beziehungsweise das oben genannte Verfahren auszuführen. Schließlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit dem elektrischen Antriebssystem.
Stand der Technik
Verfahren, elektrische Antriebssysteme und Kraftfahrzeuge der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. So wird üblicherweise bei als fremderregten Synchronmaschinen ausgebildeten elektrische Maschinen, welche für Traktionsantriebe von batterieelektrischen Fahrzeugen eingesetzt werden, ein Rotorfluss und somit eine induzierte Polradspannung über einen Erregerstrom eingestellt. Diese Erregerstromregelung wird üblicherweise hochdynamisch, insbesondere mit einem schnellen Zweipunktregler oder einem schnellen PI-Regler ausgeführt. Weil die Induktivität des Rotors der elektrischen Maschine meist sehr groß ist, ist eine Veränderung der Statorströme trotz der hochdynamischen Regelung nur vergleichsweise langsam möglich.
Entsprechende wirkungsgradoptimale Strom sollwerte für die Statorströme in d- und q-Richtung der feldorientierten Regelung und für einen Rotorstrom werden beispielsweise als Tabellen abgelegt. Diese Werte werden üblicherweise einer feldorientierten Regelung und einer Rotorstromregelung vorgegeben, wobei diese Sollwerte durch die entsprechenden Regelungen möglichst dynamisch und exakt eingestellt werden. Aus Effizienzgründen wird beispielsweise bei Traktionsantrieben für batterieelektrische Fahrzeuge bei geringen Momentanforderungen ein wirkungsgradoptimaler und somit geringer Rotorstrom eingestellt. Falls nun schnell ein großes Drehmoment benötigt wird, so kann der hierfür nötige Rotorstrom erst nach einer gewissen Dauer bereitgestellt werden, wie vorstehend beschrieben. Daher wird insbesondere ein Anstiegsbegrenzer für die Stromsollwerte für die Statorströme verwendet, damit zuerst der nötige Rotorstrom aufgebaut wird und danach die passenden Statorströme, weil ohne Rotorstrom die Statorströme kein ausreichendes Moment einstellen können.
Um die elektrische Maschine durch die ihr zugeordnete Leistungselektronik möglichst wirkungsgradoptimal anzusteuern, müssen die nötigen Statorströme mit möglichst kleiner Zwischenkreisspannung eingestellt werden. Beispielsweise werden die elektrische Maschine und die Leistungselektronik derart ausgelegt, dass sie bei der niedrigsten auftretenden Zwischenkreisspannung noch das geforderte Drehmoment bereitstellen können. Entsprechend werden die Kennfelder der Stromsollwerte für die feldorientierte Regelung für eben diese niedrigste Zwischenkreisspannung berechnet. Solange die elektrische Maschine und die Leistungselektronik an einem stationären Stromnetz betrieben beziehungsweise aus diesem heraus mit Strom versorgt werden, ist die Zwischenkreisspannung vergleichsweise stabil, sodass es ausreichend ist, nur Kennfelder für eine konstante Zwischenkreisspannung zu verwenden. Werden die elektrische Maschine und die Leistungselektronik hingegen, wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, an einem mobilen Energiespeicher, also einer Batterie beziehungsweise einem Akkumulator, betrieben beziehungsweise aus diesem heraus mit Strom versorgt, so sind abhängig vom Zustand des Energiespeichers deutlich größere Schwankungen der Zwischenkreisspannung zu erwarten.
Die Regelung und die Kennfelder für die Stromsollwerte werden beispielsweise auf die niedrigste auftretende Zwischenkreisspannung eingestellt, um sicherzustellen, dass ausreichend Regelreserven vorhanden sind und das Regelverhalten zu einer vorteilhaften Stromregelung führt. So wird die Batterie bei der Einstellung eines motorischen Drehmoments belastet und die Zwischenkreisspannung bricht deutlich ein. Dazu wird üblicherweise die niedrigste auftretende Zwischenkreisspannung, also der größte Einbruch der Zwischenkreisspannung, für einen „Worst-Case“-Zustand der Batterie angenommen, bei der die Batterie beispielsweise maximal entladen ist, eine minimale Temperatur und einen fortgeschrittenen oder maximalen Alterungszustand aufweist. Weiter wird üblicherweise eine maximale elektrische Entnahmeleistung aller Nebenverbraucher und des Antriebs angenommen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Spannungswert einer elektrischen Zwischenkreisspannung der Leistungselektronik mithilfe eines mathematischen Modells des Antriebssystems in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Drehzahl- und/oder Drehmomentanforderung für die elektrische Maschine abgeschätzt wird, dass zumindest ein Stromwert eines elektrischen Stroms für eine der Phasen und/oder einen Rotor der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von der Drehzahl- und/oder Drehmomentanforderung für die elektrische Maschine und von der abgeschätzten Zwischenkreisspannung vorgegeben wird, und dass die elektrische Maschine in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Stromwert angesteuert wird. Üblicherweise wird bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine, wie eingangs beschrieben, ein Erregerstrom vorgegeben, um beispielsweise ein bestimmtes Drehmoment für die elektrische Maschine, insbesondere bei vorgegebener Drehzahl der elektrischen Maschine, einzustellen. Dieser Erregerstrom wird dabei in Abhängigkeit von einer minimal zur Verfügung stehenden Zwischenkreisspannung aus einem Kennfeld gewählt (Spannung bricht bei Belastung ein), wobei üblicherweise ein „Worse-Case- Szenario“ (Zustand von Batterie und Antriebssystem) angenommen wird. Durch die entsprechende Abschätzung der Zwischenkreisspannung und der Berücksichtigung der abgeschätzten Zwischenkreisspannung für die Vorgabe des Stromwerts ist vorteilhaft sichergestellt, dass die elektrische Maschine im Vergleich dazu mit einem weiter verbesserten elektrischen Wirkungsgrad betrieben oder von der Leistungselektronik angesteuert wird. Besonders bevorzugt werden jeweils Stromwerte für Erregerstrom und Statorströme vorgegeben. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Wirkungsgrad bei der Ansteuerung erhöht, weil die tatsächliche beziehungsweise abgeschätzte Zwischenkreisspannung bei Erreichen des Drehmoments üblicherweise höher als die minimal auftretende Zwischenkreisspannung ist, beispielsweise weil die Batterie vollgeladen oder nur teilentladen, neu oder warm ist und somit die Zwischenkreisspannung bei Belastung deutlich weniger stark als angenommen einbricht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die tatsächlich zu erwartende (höhere) Zwischenkreisspannung abgeschätzt, und für die Ansteuerung insbesondere ein passendes Kennfeld mit höherer Zwischenkreisspannung gewählt und damit die Ansteuerung optimiert. Kern des Verfahrens ist eine Optimierung des entsprechenden Steuer- und Regelungskonzepts. Insbesondere wird bei bekannter Drehzahl für einen vorgegebenen Drehmomentsollwert mithilfe des mathematischen Modells des Antriebssystems der Spannungswert der Zwischenkreisspannung abgeschätzt. Das mathematische Modell berücksichtigt insbesondere zumindest einen Parameter der Batterie, einen Leistungswert einer elektrischen Verbrauchsleistung des elektrischen Antriebssystems und/oder einen Wirkungsgrad von elektrischer Maschine und Leistungselektronik, insbesondere in Abhängigkeit von der Drehzahl- und/oder Drehmomentanforderung. Die Drehzahl ist insbesondere von einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs abhängig, sofern das elektrische Antriebssystem in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird. Der Drehmomentsollwert wird insbesondere von einer entsprechenden Regelungsebene, beispielsweise einer Steuereinrichtung, und/oder abhängig von einem entsprechenden Wunsch eines Benutzers des elektrischen Antriebssystems, insbesondere einem Beschleunigungswunsch des Fahrers des Kraftfahrzeugs festgelegt. Dabei werden die Stromwerte, insbesondere der Statorströme und des Rotorstroms, wie vorstehend beschrieben, für den Drehmomentsollwert bei einer aktuellen Drehzahl anhand einer hierbei sich stationär einstellenden Zwischenkreisspannung der Leistungselektronik eingestellt. Es werden nicht zunächst Stromwerte in Abhängigkeit von einer angenommenen zu niedrigen Zwischenkreisspannung eingestellt, die dann beispielsweise bei Erreichen des Drehmomentsollwerts korrigiert werden, sondern es werden durch das erfindungsgemäße Verfahren bereits passend für die erwartete, also abgeschätzte Zwischenkreisspannung die Stromwerte stationär korrekt eingestellt. Entsprechende Iterationsschritte zum Korrigieren der Stromwerte, wie vorstehend beschrieben, entfallen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft. Für dieses sofortige korrekte Einstellen der Stromwerte wird das mathematische Modell des Antriebssystems benötigt. Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass die bei dem Drehmomentsollwert und der Drehzahl zu erwartende Zwischenkreisspannung über das Modell zumindest näherungsweise im Voraus abgeschätzt wird und optimale Kennfelder oder Reglerparameter quasi verzögerungsfrei gewählt werden. Damit werden die Dynamik und der Wirkungsgrad des Antriebssystems verbessert, wie vorstehend beschrieben. Es wird keinerlei zusätzliche Hardware benötigt, sondern lediglich eine entsprechende Regelung und ein entsprechendes mathematisches Modell für die Zwischenkreisspannung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mathematische Modell einen Widerstandswert eines Innenwiderstands der Batterie und/oder einen Spannungswert einer elektrischen Leerlaufspannung der Batterie berücksichtigt. Durch die Berücksichtigung des Widerstandswerts und/oder des Spannungswerts ist vorteilhaft sichergestellt, dass ein Belastungs - und/oder Verschleißzustand der Batterie in dem mathematischen Modell abgebildet ist.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Widerstandwert und/oder der Spannungswert in Abhängigkeit von einer Batterietemperatur und/oder einem Alter der Batterie ermittelt werden. Durch eine derartige Ermittlung des Widerstandswerts und/oder des Spannungswerts ist eine besonders einfache Möglichkeit zu deren Bestimmung geschaffen. Besonders bevorzugt werden der Widerstandswert und/oder der Spannungswert von einem auf einer der Batterie zugeordneten Steuereinrichtung ausgeführten Batteriemanagementsystem anhand der Temperatur und der Alterung der Batterie angepasst. Weil sich die Temperatur verhältnismäßig langsam ändert und die Alterung sehr träge ist, werden die Temperatur- und Alterungswerte alternativ an eine das erfindungsgemäße Verfahren ausführende weitere Steuereinrichtung, insbesondere Computereinrichtung, übertragen, beispielsweise über einen ohnehin bereits vorhandenen Fahrzeugbus, um den Widerstandswert und/oder den Spannungswerte dort anzupassen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mathematische Modell einen Leistungswert einer elektrischen Verbrauchsleistung eines an die Batterie angeschlossenen elektrischen Verbrauchers berücksichtigt. Durch eine derartige Berücksichtigung der elektrischen Verbrauchsleistung ist vorteilhaft sichergestellt, dass das mathematische Modell weiter an eine tatsächliche Belastungssituation des elektrischen Antriebssystems angenähert ist.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das mathematische Modell einen Leistungswert einer elektrischen Antriebsleistung des Antriebssystems berücksichtigt. Durch eine derartige Berücksichtigung der elektrischen Antriebsleistung ergibt sich der Vorteil, dass das mathematische Modell weiter an eine tatsächliche Belastungssituation des elektrischen Antriebssystems angenähert ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stromwert für die vorgegebenen Drehzahl- oder Drehmomentanforderung aus einem dem abgeschätzten Spannungswert der Zwischenkreisspannung zugeordneten Kennfeld, insbesondere einer Look-Up-Tabelle, abgerufen wird. Durch die Verwendung eines derartigen Kennfeldes ist eine besonders einfache und sichere Möglichkeit zum Abrufen des Stromwerts geschaffen.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das mathematische Modell als Beobachter aufgebaut ist, wobei der abgeschätzte Spannungswert für die Zwischenkreisspannung mit einem gemessenen Spannungswert verglichen wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Genauigkeit der Abschätzung der Zwischenkreisspannung weiter verbessert ist. Nach dem Vergleichen der Spannungswerte werden die Zustände insbesondere angepasst. Bei Verwendung eines Extended- Kalman- Filter werden besonders bevorzugt auch dessen Parameter angepasst. Weiter bevorzugt wird die Anpassung oder Korrektur der Zustände oder Parameter ausgesetzt, wenn das Modell zur Abschätzung der Zwischenkreisspannung für ein gewünschtes zukünftig anzulegendes Drehmoment eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt zur Ausführung auf einer Computereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich dadurch aus, dass es bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das erfindungsgemäße Verfahren ausführt. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
Der erfindungsgemäße Datenträger mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich durch das darauf gespeicherte erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt aus.
Das elektrische Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Anspruchs 10 weist eine Leistungselektronik, insbesondere einen elektrischen Spannungswandler, eine durch die Leistungselektronik ansteuerbare elektrische Maschine, und eine mit der Leistungselektronik elektrisch verbundene oder verbindbare Batterie auf, wobei die Leistungselektronik zumindest eine elektrische Phase zum Ansteuern der elektrischen Maschine aufweist. Das elektrische Antriebssystem zeichnet sich durch eine Computereinrichtung aus, die speziell dazu hergerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen oder das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt auszuführen. Auch hierdurch ergeben sich die oben bereits genannten Vorteile. Vorzugsweise ist die Computereinrichtung ein dem elektrischen Antriebssystem zugeordnetes, insbesondere in dem Kraftfahrzeug angeordnetes Steuergerät. Die elektrische Maschine insbesondere eine fremderregte Synchronmaschine, wie eingangs beschrieben. Alternativ ist die elektrische Maschine eine andere von einer Leistungselektronik angesteuerte fremderregte Maschine, eine permanenterregte oder elektrisch erregte Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine. Das elektrische Antriebssystem ist insbesondere zum Einsatz in einer Industriemaschine oder einem Haushaltsgerät, insbesondere weißer Ware, vorgesehen.
Das Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zeichnet sich durch das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem aus. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile.
Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems,
Figur 2 ein erstes elektrisches Ersatzschaltbild für ein mathematisches Modell des Antriebssystems,
Figur 3 ein zweites elektrisches Ersatzschaltbild für das Modell, und
Figur 4 ein Verfahren zum Betreiben des Antriebssystems.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 1. Das elektrische Antriebssystem 1 weist eine Leistungselektronik 2, vorliegend einen elektrischen Spannungswandler, insbesondere Inverter, eine durch die Leistungselektronik 2 ansteuerbare elektrische Maschine 3 und eine mit der Leistungselektronik 2 elektrisch verbundene Batterie 4 auf.
Die Leistungselektronik 2 ist dazu ausgebildet, zumindest eine elektrische Phase 5, vorliegend alle drei elektrischen Phasen 5 der elektrischen Maschine 3 anzusteuern. Dazu ist der Leistungselektronik 2 vorliegend einer Computereinrichtung 6, insbesondere Steuereinrichtung, zugeordnet.
Figur 2 zeigt ein erstes elektrisches Ersatzschaltbild für ein mathematisches Modell des elektrischen Antriebssystems 1. Mithilfe dieses Modells ist es möglich, eine Zwischenkreisspannung Ui der Leistungselektronik 2 abzuschätzen. Das Ersatzschaltbild weist dazu elektrische Schaltelemente auf, die Parameter der Batterie 4 sowie elektrischer Nebenverbraucher und des Antriebs selbst modellieren.
Das elektrische Ersatzschaltbild ist abgeleitet von aus der Fachliteratur bekannten Ersatzschaltbildern. Die Parameter der Batterie 4 sind dargestellt als zwei elektrische Widerstände Ri, R2, die jeweils parallel zu Kapazitäten Ci , C2 geschaltet sind und damit RC-Glieder bilden. In Reihe sind noch ein weiterer Widerstand Ro und eine Induktivität Lo angeordnet.
Diese Bauteile repräsentieren gemeinsam relevante Parameter der Batterie 4. Die Batterie 4 weist dabei eine Leerlaufspannung Uo und eine Ausgangsspannung U2 auf. An die Batterie 4 ist beispielgebend ein durch eine elektrische Leistung P3, einen elektrischen Strom l3 und eine elektrische Spannung U3 charakterisierter Nebenverbraucher angeschlossen.
Schließlich ist an die Batterie 4 noch die Leistungselektronik 2 angeschlossen, wobei weitere Verluste, insbesondere Leitungsverluste in einer Verkabelung, beispielsweise einem Bordnetz, zwischen Batterie 4 und Leistungselektronik 2, durch einen weiteren Widerstand R4 und eine Induktivität L4 dargestellt sind.
An der Leistungselektronik 2 ergeben sich dann die entsprechende Zwischenkreisspannung Ui , ein Zwischenkreisstrom h und eine Zwischenkreisleistung Pi. Unter Kenntnis der Werte der entsprechenden elektrischen Bauteile lassen sich diese mithilfe des Modells abschätzen.
Für die Berechnung der Zwischenkreisspannung Ui für Regelungszwecke ist allerdings hauptsächlich die stationäre Zwischenkreisspannung relevant. Um diese zu berechnen, genügt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild. Dieses ist als ein zweites elektrisches Ersatzschaltbild für das Modell in Figur 3 dargestellt.
Anstelle der vorstehend genannten Parameter der Batterie aus der Figur 2 ist lediglich noch ein einzelner Widerstand R5 dargestellt, der den Innenwiderstand der Batterie insgesamt abbildet. Zum Abschätzen der Zwischenkreisspannung Ui genügen damit die Leerlaufspannung Uo und der Innenwiderstand R5 als Parameter der Batterie 4. Die Verluste zwischen und in Verkabelung und Leistungselektronik 2 sind nur noch durch den Widerstand R4 abgebildet. Die weiteren elektrischen Bauteile entfallen.
Schließlich soll mit Bezug auf Figur 4 noch ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben des elektrischen Antriebssystems 1 beschrieben werden. Hierzu zeigt die Figur 4 das Verfahren anhand eines Flussdiagramms. Insbesondere wird durch das Verfahren gewährleistet, dass die elektrische Maschine 3 möglichst wirkungsgradoptimal betrieben und angesteuert wird.
In einem Schritt S1 beginnt das Verfahren mit dem Empfangen einer vorgegebenen Drehzahl- und/oder Drehmomentanforderung für die elektrische Maschine 3. Insbesondere ist die Computereinrichtung 6 speziell dazu hergerichtet, das nachfolgend beschriebene Verfahren beziehungsweise ein das Verfahren ausführende Computerprogrammprodukt auszuführen.
In einem Schritt S2 wird zumindest ein Spannungswert einer elektrischen Zwischenkreisspannung Ui der Leistungselektronik 2 mithilfe eines mathematischen Modells, vorzugsweise ausgehend von dem in der Figur 3 dargestellten Ersatzschaltbild für das mathematische Modell, in Abhängigkeit von der Drehzahl- und/oder Drehmomentanforderung abgeschätzt.
Dazu berücksichtigt das mathematische Modell, wie vorstehend beschrieben, insbesondere zumindest einen Widerstandswert eines Innenwiderstands R5 der Batterie 4 und einen Spannungswert einer elektrischen Leerlaufspannung Uo der Batterie 4. Diese werden insbesondere in Abhängigkeit von einer Batterietemperatur und/oder einem Alter der Batterie 4 ermittelt.
Weiter berücksichtigt das mathematische Modell insbesondere zumindest einen Leistungswert einer elektrischen Verbrauchsleistung P3 eines an die Batterie 4 angeschlossenen elektrischen Verbrauchers, einen Leistungswert einer elektrischen Antriebsleistung des Antriebssystems 1, und/oder Verluste in oder zwischen Verkabelung und Leistungselektronik 2, insbesondere charakterisiert durch einen Widerstandswert eines entsprechenden Widerstands R4, wie vorstehend beschrieben. In einem Schritt S3 wird zumindest ein Stromwert eines elektrischen Stroms für eine der Phasen 5 und/oder einen Rotor der elektrischen Maschine 3 in Abhängigkeit von der Drehzahl- und/oder Drehmomentanforderung für die elektrische Maschine 3 und der in dem Schritt S 2 abgeschätzten Zwischenkreisspannung Ui vorgegeben. Der Stromwert wird insbesondere aus einem dem abgeschätzten Spannungswert der Zwischenkreisspannung Ui zugeordneten Kennfeld abgerufen. In einem Schritt S4 wird die elektrische Maschine 3 schließlich in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Stromwert angesteuert. Damit endet das Verfahren.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das elektrische Antriebssystem (1) eine Leistungselektronik (2) , insbesondere elektrischer Spannungswandler, eine durch die Leistungselektronik (2) ansteuerbare elektrische Maschine (3) und eine mit der Leistungselektronik (2) elektrisch verbundene oder verbindbare Batterie (4) aufweist, und wobei die Leistungselektronik (2) zumindest eine elektrische Phase (5) zum Ansteuern der elektrischen Maschine (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Spannungswert einer elektrischen Zwischenkreisspannung (Ui) der Leistungselektronik (2) mithilfe eines mathematischen Modells des Antriebssystems (1) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Drehzahl- und/oder Drehmomentanforderung für die elektrische Maschine (3) abgeschätzt wird, dass zumindest ein Stromwert eines elektrischen Stroms für eine der Phasen (5) und/oder einen Rotor der elektrischen Maschine (3) in Abhängigkeit von der Drehzahl- und/oder Drehmomentanforderung für die elektrische Maschine (3) und von der abgeschätzten Zwischenkreisspannung (Ui) vorgegeben wird, und dass die elektrische Maschine (3) in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Stromwert angesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell einen Widerstandswert eines Innenwiderstands (R5) der Batterie (4) und/oder einen Spannungswert einer elektrischen Leerlaufspannung (Uo) der Batterie (4) berücksichtigt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandwert und/oder der Spannungswert in Abhängigkeit von einer Batterietemperatur und/oder einem Alter der Batterie (4) ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell einen Leistungswert einer elektrischen Verbrauchsleistung (P3) eines an die Batterie (4) angeschlossenen elektrischen Verbrauchers berücksichtigt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell einen Leistungswert einer elektrischen Antriebsleistung des Antriebssystems (1) berücksichtigt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwert für die vorgegebenen Drehzahl- oder Drehmomentanforderung aus einem dem abgeschätzten Spannungswert der Zwischenkreisspannung (Ui) zugeordneten Kennfeld, insbesondere einer Look- Up-Tabelle, abgerufen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell als Beobachter aufgebaut ist, wobei der abgeschätzte Spannungswert für die Zwischenkreisspannung (Ui) mit einem gemessenen Spannungswert verglichen wird.
8. Computerprogrammprodukt zur Ausführung auf einer Computereinrichtung (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogrammprodukt bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt.
9. Datenträger mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8.
10. Elektrisches Antriebssystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Leistungselektronik (2), insbesondere elektrischer Spannungswandler, mit einer durch die Leistungselektronik (2) ansteuerbaren elektrischen Maschine (3), und mit einer mit der Leistungselektronik (2) elektrisch verbundenen oder verbindbaren Batterie (4), wobei die Leistungselektronik (2) zumindest eine elektrische Phase (5) zum Ansteuern der elektrischen Maschine (3) aufweist, gekennzeichnet durch eine Computereinrichtung (6), die speziell dazu hergerichtet ist, das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8 auszuführen.
11. Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch ein elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 10.
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