WO2020088983A1 - Verbesserung des wirkungsgrades für spannungswandler und hiervon gespeiste verbraucher - Google Patents

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WO2020088983A1
WO2020088983A1 PCT/EP2019/078666 EP2019078666W WO2020088983A1 WO 2020088983 A1 WO2020088983 A1 WO 2020088983A1 EP 2019078666 W EP2019078666 W EP 2019078666W WO 2020088983 A1 WO2020088983 A1 WO 2020088983A1
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gate
voltage gate
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PCT/EP2019/078666
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Jakob Mauer
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to voltage converters that convert a DC voltage into a three-phase or multi-phase AC voltage, for example for driving electric motors for electrically powered vehicles.
  • three-phase or multi-phase AC motors are preferably used, which have a good efficiency and, in contrast to DC motors, do without brushes which are susceptible to wear.
  • Electrical energy sources that can be carried in the vehicle such as batteries or fuel cells, however, usually supply a DC voltage.
  • Voltage converters such as inverters, are used to convert this DC voltage into a three-phase or multi-phase AC voltage.
  • Control device with which an inverter can react to the changing requirements in such a way that the efficiency of the electric motor can be improved, in particular in the part-load range.
  • the voltage converter converts an input voltage UZK presented at its DC voltage gate into a three-phase or multi-phase AC voltage U at its AC voltage gate.
  • the phases of the AC voltage gate are alternately connected to the positive pole and the negative pole of the DC voltage gate by timed actuation of switching elements, in order to generate, on average over time, a configuration of the phases of the AC voltage gate that corresponds to a predetermined space vector.
  • the voltage converter can in particular be designed as an inverter.
  • the configuration of the phases and the space pointer which is to be simulated hereby generally relate to each variable to be assigned to the phases in each case, which satisfies the condition that in a three-phase system the values of this variable for two phases also unambiguously the value of this variable for the third phase establish.
  • This variable can be, for example, a magnetic flux, a voltage or a current.
  • the clock frequency f is selected as a function of the input voltage UZK.
  • the clock frequency f can be calculated, for example, according to a functional specification from the input voltage UZK.
  • the clocking frequency f can also be called up, for example, from one or more characteristic diagrams which are stored in the voltage converter. Such maps can, for example, for a specific
  • the suitable characteristic map can then be determined in the first step, for example, on the basis of the input voltage UZK, before the clocking frequency f is determined from this characteristic map in the second step.
  • Input voltages UZK can be realized with lower clock frequencies f than with higher input voltages UZK.
  • a system consists of the voltage converter and a
  • DC voltage gate of the voltage converter changes at all, is that batteries are often used as energy storage in vehicles.
  • the voltage delivered by a battery changes with the
  • Input voltage UZK selected a set of clocking frequencies f, with which configurations of the phases of the AC voltage gate can be generated, which correspond to the specified space vector on average over time to a specified accuracy.
  • a clocking frequency fr can then be selected that is optimal in terms of efficiency h or another criterion.
  • the accuracy with which the room pointer is simulated has priority.
  • a clocking frequency fr is advantageously selected which is optimized with regard to the efficiency hi of the voltage converter and / or the overall efficiency r ⁇ s of the system comprising the voltage converter and a load connected to the AC voltage gate.
  • the dependence of the efficiency hi des is advantageous
  • Voltage converter from the clocking frequency for at least based on the switching losses of the switching elements and / or modeled.
  • the losses of the voltage converter are mainly switching losses.
  • an electric motor is selected as the load.
  • Clocking frequency fr is determined and / or modeled at least on the basis of magnetic reversal losses in a stator of the electric motor. As previously explained, the dependency of these losses on the clock frequency fr is opposite in comparison to the switching losses of the voltage converter. If both types of losses are taken into account, there is an optimum that lies between the minimum and the maximum possible clock frequency fr.
  • the space pointer is advantageously determined from the combination of a speed request and a torque request to the electric motor.
  • the speed requirement determines the required frequency of the AC voltage, i.e. the angular speed with which the space pointer moves around the
  • Coordinate origin rotates.
  • the required current in the stator coils of the electric motor that is to say in the case of a space vector which represents current, the length of this space vector follows from the torque requirement.
  • a voltage converter that adapts its clocking frequency fi to the input voltage UZK in the manner described is an independent product.
  • the invention therefore also relates to a voltage converter with a DC voltage gate, a three-phase or multi-phase AC voltage gate and an arrangement of switching elements via which each phase of the AC voltage voltage gate can optionally be connected to the positive pole or the negative pole of the DC voltage gate.
  • a control circuit is provided for the timed control of the switching elements. This control circuit is designed to carry out the method described above.
  • the invention therefore also relates to a power supply for a three-phase or multi-phase AC consumer, which in addition to the voltage converter also comprises at least one battery for supplying the DC voltage gate of the voltage converter.
  • the invention also relates to an electric drive train for a vehicle with at least one three-phase or multi-phase electric motor AC consumers and the previously described power supply (single or multiple) for supplying the electric motor.
  • the described method can in particular also be implemented in software without hardware change of the voltage converter, in particular as an update or upgrade to an existing one
  • the invention also relates to a computer program containing machine-readable instructions which, when on a computer, and / or on a computer
  • Control circuit and / or on an embedded system, a voltage converter coupled to the computer, the control circuit or the embedded system to that described above
  • the invention also relates to a machine-readable data carrier or a download product with the
  • FIG. 1 shows an exemplary flow chart of method 100
  • Figure 2 Exemplary electrical drive train 30 for a vehicle 50 with power supply 20 and voltage converter 1;
  • step 110 of the method 100 depending on the
  • Input voltage UZK of the voltage converter 1 determines a clocking frequency fr for the clocking of the switching elements 4a-4f in the voltage converter 1.
  • the switching elements 4a-4f are controlled with a control 4 below this clock frequency fr.
  • a configuration 3e of the phases 3a-3c of the AC voltage gate 3 of the voltage converter 1 is then generated on average over time, which corresponds to a predetermined space vector 3d.
  • the determination of the clock frequency fr is shown in detail within box 110.
  • a set F of clocking frequencies fr is selected, with which configurations 3e can be generated which, on average over time, except for a predetermined one
  • Accuracy correspond to the given space vector 3d.
  • a clock frequency fr is selected from this set F according to block 112.
  • Efficiency hi of the voltage converter 1 from the clocking frequency fr, and / or the dependence qs (fr) of the overall efficiency r ⁇ s of a system containing the voltage converter 1 on the clocking frequency fr, is taken into account.
  • the dependency hi (f T ) is determined and / or modeled in block 113 at least on the basis of the switching losses of the switching elements 4a-4f.
  • the dependency qs (fr) is determined and / or modeled at least on the basis of magnetic reversal losses in a stator 61 of an electric motor 6, which is fed by the voltage converter 1.
  • the predetermined space vector 3d in block 115 is made from the combination of one
  • Figure 2 shows an embodiment of the voltage converter 1 and its successive embedding in a power supply 20, an electrical
  • the voltage converter 1 has a DC voltage gate 2 and a
  • AC voltage gate 3a-3c can be switched via one of two switching elements 4a, 4b; 4c, 4d; 4e, 4f can be connected either to the positive pole or to the negative pole of the DC voltage gate. This is accomplished by a control circuit 11, one with the
  • the control unit 11 determines the clocking frequency fi from the input voltage UZK in conjunction with the predetermined space vector 3d and a clocking 4 with this clocking frequency for the clocking 4.
  • the triggering 4 produces a three-phase, approximately sinusoidal alternating voltage U.
  • the voltage converter 1 is combined with a battery 21 that feeds the DC voltage gate 2.
  • the power supply 20 is combined with an electric motor 6 as an AC consumer.
  • Electric motor 6 has a three-phase stator 61 with magnetic coils 61a-61c.
  • Each of the magnetic coils 61a-61c is connected on the one hand to the phase 3a-3c of the AC voltage gate 3 assigned to it and on the other hand to a star point common to all magnetic coils 61a-61c.
  • the stator 61 of the electric motor 6 contains ferromagnetic material. If the magnetic flux through the magnetic coils 61a-61c changes over time, the material is remagnetized, with energy losses occurring. Certain losses are inevitable if the electric motor 6 is driven by a rotating field. If, however, the AC voltage U with which the electric motor 6 is supplied has a higher-frequency residual ripple in addition to the desired sinusoidal shape, this residual ripple also contributes
  • FIG. 3 shows possible combinations of speeds N and torques M, which can be requested by the electric motor 6 via the voltage converter 1, with additional consideration of the
  • the switchover between the operating modes can be controlled differently in order to optimize the overall efficiency h or to set very high torques M.

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Abstract

Verfahren (100) zum Betreiben eines Spannungswandlers (1), der eine an seinem Gleichspannungstor (2) vorgelegte Eingangsspannung UZK in eine drei- oder mehrphasige Wechselspannung U an seinem Wechselspannungstor (3) umwandelt, wobei die Phasen (3a-3c) des Wechselspannungstors (3) jeweils durch zeitlich getaktete Ansteuerung (4) von Schaltelementen (4a-4f) wechselweise mit dem Pluspol und dem Minuspol des Gleichspannungstors (2) verbunden werden (120), um im zeitlichen Mittel eine Konfiguration (3e) der Phasen (3a-3c) des Wechselspannungstors (3) zu erzeugen (130), die einem vorgegebenen Raumzeiger (3d) entspricht, wobei die Taktungsfrequenz fT in Abhängigkeit der Eingangsspannung UZK gewählt wird (110). Spannungswandler (1), Stromversorgung (20), Antriebsstrang (30) sowie zugehöriges Computerprogramm.

Description

Beschreibung
Titel:
Verbesserung des Wirkungsgrades für Spannungswandler und hiervon gespeiste
Verbraucher
Die vorliegende Erfindung betrifft Spannungswandler, die eine Gleichspannung in eine drei- oder mehrphasige Wechselspannung wandeln, beispielsweise für den Antrieb von Elektromotoren für elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Stand der Technik
In einem elektrischen Antriebsstrang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs werden bevorzugt drei- oder mehrphasige Wechselstrommotoren verwendet, die einen guten Wirkungsgrad haben und im Gegensatz zu Gleichstrommotoren ohne verschleißanfällige Bürsten auskommen. Im Fahrzeug mitführbare elektrische Energiequellen, wie etwa Batterien oder Brennstoffzellen, liefern jedoch in der Regel eine Gleichspannung. Zur Wandlung dieser Gleichspannung in eine drei- oder mehrphasige Wechselspannung kommen Spannungswandler, wie etwa Inverter, zum Einsatz.
Dabei ändern sich im Fährbetrieb permanent die Anforderungen an das
Drehmoment und an die Drehzahl. So wird zum Beschleunigen eine höhere Drehzahl und zum Halten der Geschwindigkeit an einer Steigung ein höheres Drehmoment angefordert. Die DE 196 08 039 Al offenbart eine
Regelungsvorrichtung, mit der ein Wechselrichter so auf die wechselnden Anforderungen reagieren kann, dass der Wirkungsgrad des Elektromotors insbesondere im Teillastbereich verbessert werden kann.
Offenbarung der Erfindung Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Betreiben eines
Spannungswandlers entwickelt. Der Spannungswandler wandelt eine an seinem Gleichspannungstor vorgelegte Eingangsspannung UZK in eine drei- oder mehrphasige Wechselspannung U an seinem Wechselspannungstor um. Für diese Wandlung werden die Phasen des Wechselspannungstors jeweils durch zeitlich getaktete Ansteuerung von Schaltelementen wechselweise mit dem Pluspol und dem Minuspol des Gleichspannungstors verbunden, um im zeitlichen Mittel eine Konfiguration der Phasen des Wechselspannungstors zu erzeugen, die einem vorgegebenen Raumzeiger entspricht.
Der Spannungswandler kann insbesondere als Inverter ausgebildet sein.
Die Konfiguration der Phasen und der Raumzeiger, der hiermit nachzubilden ist, beziehen sich allgemein auf jede den Phasen jeweils zuzuordnende Größe, die der Bedingung genügt, dass in einem Dreiphasensystem die Werte dieser Größe für zwei Phasen auch den Wert dieser Größe für die dritte Phase eindeutig festlegen. Diese Größe kann beispielsweise ein magnetischer Fluss, eine Spannung oder ein Strom sein.
Die Taktungsfrequenz f wird in Abhängigkeit der Eingangsspannung UZK gewählt. Dabei kann die Taktungsfrequenz f beispielsweise gemäß einer Funktionsvorschrift aus der Eingangsspannung UZK berechnet werden. Die Taktungsfrequenz f kann aber auch beispielsweise aus einem oder mehreren Kennfeldern abgerufen werden, die in dem Spannungswandler hinterlegt sind. Derartige Kennfelder können beispielsweise für eine bestimmte
Eingangsspannung UZK jedem Paar aus einer gewünschten Frequenz und maximalen Stromstärke am Wechselspannungstor eine Taktungsfrequenz f zuordnen, wobei es mehrere solcher Kennfelder gibt, die jeweils für bestimmte Eingangsspannungen UZK, und/oder Intervalle von Eingangsspannungen UZK, gültig sind. Es kann dann also beispielsweise im ersten Schritt anhand der Eingangsspannung UZK das passende Kennfeld ermittelt werden, bevor im zweiten Schritt aus diesem Kennfeld die Taktungsfrequenz f ermittelt wird.
Es wurde erkannt, dass eine Anforderung an einen von dem Spannungswandler gespeisten Wechselstromverbraucher, wie etwa eine Last- oder Drehmomentan- forderung an einen Elektromotor, im Spannungswandler letztendlich auf eine Anforderung hinausläuft, eine Choreographie aufeinanderfolgender Raumzeiger der für die Ansteuerung des Wechselstromverbrauchers relevanten Größe zu erzeugen. Jeder dieser Raumzeiger ist wiederum ein Zeitmittel, das aus der zeitlich getakteten Ansteuerung der Schaltelemente im Spannungswandler resultiert. Es gibt also eine Vielzahl von Möglichkeiten, durch die zeitliche Taktung ein und denselben Raumzeiger bis auf eine vorgegebene Genauigkeit anzunähern.
Dabei ist der Raum dieser Möglichkeiten von der Eingangsspannung UZK abhängig. So ist beispielsweise ein Raumzeiger, der in etwa die
Winkelhalbierende zwischen durch die Ansteuerung der Schaltelemente tatsächlich realisierbaren Raumzeigern bildet, bei geringeren
Eingangsspannungen UZK mit geringeren Taktungsfrequenzen f realisierbar als bei höheren Eingangsspannungen UZK.
Es wurde nun weiterhin erkannt, dass der Wirkungsgrad h des Spannungs wandlers, und/oder eines hiervon gespeisten Wechselstromverbrauchers, von der Taktungsfrequenz f abhängt.
Wird beispielsweise ein Spannungswandler auf der Basis von Halbleiter- Schaltelementen isoliert betrachtet, so werden dessen Verluste durch die bei jedem Schaltvorgang eines Schaltelements entstehenden Verluste dominiert, d.h., jeder Schaltvorgang hat einen energetischen Preis. Insgesamt steigen die Verluste somit mit der Taktungsfrequenz f an.
Wird beispielsweise ein System aus dem Spannungswandler und einem
Elektromotor betrachtet, arbeiten zwei Effekte gegeneinander. Zum einen bleibt es dabei, dass die Verluste des Spannungswandlers mit der Taktungsfrequenz f ansteigen. Zum anderen führt jedoch eine höhere Taktungsfrequenz f dazu, dass sich der Verlauf der Wechselspannung auf den Phasen des Wechselspan nungstors jeweils besser der gewünschten Sinusform annähert. Je besser wiederum die Sinusform angenähert wird, desto weniger Ummagnetisierungsver luste werden durch die Restwelligkeit (Ripple) der Wechselspannung im Stator des Elektromotors erzeugt. Es gibt dann irgendwo zwischen der niedrigsten und der höchsten möglichen Taktungsfrequenz f eine optimale Taktungsfrequenz fr, die die Verluste des Gesamtsystems minimiert und somit den
Gesamtwirkungsgrad r\s des Systems aus Spannungswandler und Elektromotor maximiert.
Somit kann durch eine Anpassung der Taktungsfrequenz f an eine sich ändernde Eingangsspannung UZK des Spannungswandlers der
Gesamtwirkungsgrad r\s verbessert und beispielsweise die Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, das einen begrenzten Energievorrat mitführt, verbessert werden.
Eine Hauptursache dafür, dass sich die Eingangsspannung UZK am
Gleichspannungstor des Spannungswandlers überhaupt ändert, liegt darin, dass gerade in Fahrzeugen häufig Batterien als Energiespeicher verwendet werden. Die von einer Batterie abgegebene Spannung ändert sich mit dem
Ladungszustand. Wenn bei jeder Änderung dieser Spannung die Taktungsfre quenz fi jeweils konsequent auf den Wert nachgeführt wird, mit dem unter der Randbedingung einer hinreichend genauen Nachbildung des Raumzeigers der Wirkungsgrad maximiert werden kann, kann insgesamt eine erhebliche
Energiemenge eingespart werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird in Abhängigkeit der
Eingangsspannung UZK eine Menge an Taktungsfrequenzen f ausgewählt, mit denen Konfigurationen der Phasen des Wechselspannungstors erzeugt werden können, die im zeitlichen Mittel bis auf eine vorgegebene Genauigkeit dem vorgegebenen Raumzeiger entsprechen. Innerhalb dieser Menge kann dann anschließend eine Taktungsfrequenz fr, die hinsichtlich eines Wirkungsgrades h oder eines anderen Kriteriums optimal ist, ausgewählt werden. Die Genauigkeit, mit der der Raumzeiger nachgebildet wird, hat also Priorität.
Wie zuvor erläutert, wird vorteilhaft eine Taktungsfrequenz fr ausgewählt, die im Hinblick auf den Wirkungsgrad hi des Spannungswandlers, und/oder auf den Gesamtwirkungsgrad r\s des Systems aus dem Spannungswandler und einer mit dem Wechselspannungstor verbundenen Last, optimiert ist. Dabei wird vorteilhaft die Abhängigkeit des Wirkungsgrades hi des
Spannungswandlers von der Taktungsfrequenz fr mindestens anhand der Schaltverluste der Schaltelemente ermittelt und/oder modelliert. Die Verluste des Spannungswandlers sind hauptsächlich Schaltverluste.
Alternativ oder auch in Kombination hierzu wird ein Elektromotor als Last gewählt. Die Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrades r\s von der
Taktungsfrequenz fr wird mindestens anhand von Ummagnetisierungsverlusten in einem Stator des Elektromotors ermittelt und/oder modelliert. Wie zuvor erläutert, ist die Abhängigkeit dieser Verluste von der Taktungsfrequenz fr im Vergleich zu den Schaltverlusten des Spannungswandlers gegenläufig. Werden beide Arten von Verlusten berücksichtigt, gibt es somit ein Optimum, das zwischen der minimalen und der maximalen möglichen Taktungsfrequenz fr liegt.
Der Raumzeiger wird vorteilhaft aus der Kombination einer Drehzahlanforderung und einer Drehmomentanforderung an den Elektromotor ermittelt. Die
Drehzahlanforderung bestimmt die benötigte Frequenz der Wechselspannung, also die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich der Raumzeiger um den
Koordinatenursprung dreht. Aus der Drehmomentanforderung folgt die benötigte Stromstärke in den Statorspulen des Elektromotors, also bei einem Raumzeiger, der Stromstärken repräsentiert, die Länge dieses Raumzeigers.
Ein Spannungswandler, der in der beschriebenen Weise seine Taktungsfrequenz fi der Eingangsspannung UZK anpasst, ist ein eigenständiges Produkt. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf einen Spannungswandler mit einem Gleichspannungstor, einem drei- oder mehrphasigen Wechselspannungstor und einer Anordnung aus Schaltelementen, über die jede Phase des Wechselspan nungstors wahlweise mit dem Pluspol oder dem Minuspol des Gleichspannungs tors verbindbar ist. Es ist eine Ansteuerschaltung für die zeitlich getaktete Ansteuerung der Schaltelemente vorgesehen. Diese Ansteuerschaltung ist dazu ausgebildet, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.
Wie zuvor erläutert, kommen die Vorteile des Spannungswandlers in
besonderem Maße zum Tragen, wenn ein drei- oder mehrphasiger
Wechselstromverbraucher mittels des Spannungswandlers aus einer Batterie versorgt wird, deren Spannung sich mit dem Ladungszustand ändert. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf eine Stromversorgung für einen drei- oder mehrphasigen Wechselstromverbraucher, die neben dem Spannungswandler auch mindestens eine Batterie zur Speisung des Gleichspannungstors des Spannungswandlers umfasst.
Wie zuvor erläutert, kommen in einem Fahrzeug mehrere Umstände zusammen, die den Einsatz des zuvor beschriebenen Spannungswandlers besonders vorteilhaft machen. Die dort eingesetzten Batterien ändern nicht nur mit dem Ladezustand ihre Klemmenspannung, sondern sind häufig auch der
begrenzende Faktor für die Reichweite des Fahrzeugs. Auch bietet gerade das Zusammenspiel eines Spannungswandlers, der tendenziell bei tieferen
Taktungsfrequenzen f effizienter arbeitet, mit einem Elektromotor, der tendenziell bei höheren Taktungsfrequenzen f effizienter arbeitet, ein besonderes Optimierungspotential hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrades r\s- Daher bezieht sich die Erfindung auch auf einen elektrischen Antriebsstrang für ein Fahrzeug mit mindestens einem drei- oder mehrphasigen Elektromotor als Wechselstromverbraucher sowie der zuvor beschriebenen Stromversorgung (einfach oder auch mehrfach) zur Speisung des Elektromotors.
Das beschriebene Verfahren kann insbesondere auch ohne hardwaremäßige Änderung des Spannungswandlers in einer Software implementiert werden, die insbesondere als Update oder Upgrade zu einem bestehenden
Spannungswandler vertreibbar ist und bei ihrem Einsatz einen unmittelbaren Kundennutzen in Form von Energieeinsparung bewirkt. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogramm, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, und/oder auf einer
Ansteuerschaltung, und/oder auf einem Embedded-System, ausgeführt werden, einen mit dem Computer, der Ansteuerschaltung, bzw. dem Embedded-System gekoppelten Spannungswandler zu dem zuvor beschriebenen
Spannungswandler aufwerten, und/oder den Computer, die Ansteuerschaltung, bzw. das Embedded-System dazu veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen. Ebenso bezieht sich die Erfindung auch auf einen maschinenlesbaren Datenträger oder ein Downloadprodukt mit dem
Computerprogramm. Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
Figur 1 Beispielhaftes Ablaufdiagramm des Verfahrens 100;
Figur 2 Beispielhafter elektrischer Antriebsstrang 30 für ein Fahrzeug 50 mit Stromversorgung 20 und Spannungwandler 1;
Figur 3 Beispielhafte Änderung möglicher Kombinationen aus Drehzahl N und Drehmoment M in Abhängigkeit der Eingangsspannung UZK am
Spannungswandler 1.
Nach Figur 1 wird in Schritt 110 des Verfahrens 100 in Abhängigkeit der
Eingangsspannung UZK des Spannungswandlers 1 eine Taktungsfrequenz fr für die Taktung der Schaltelemente 4a-4f im Spannungswandler 1 ermittelt. In Schritt 120 werden die Schaltelemente 4a-4f mit einer Ansteuerung 4 unter dieser Taktungsfrequenz fr angesteuert. In Schritt 130 wird daraufhin im zeitlichen Mittel eine Konfiguration 3e der Phasen 3a-3c des Wechselspannungstors 3 des Spannungswandlers 1 erzeugt, die einem vorgegebenen Raumzeiger 3d entspricht.
Die Ermittlung der Taktungsfrequenz fr ist innerhalb des Kastens 110 im Detail dargestellt. Gemäß Block 111 wird in Abhängigkeit der Eingangsspannung UZK eine Menge F an Taktungsfrequenzen fr ausgewählt, mit der Konfigurationen 3e erzeugt werden können, die im zeitlichen Mittel bis auf eine vorgegebene
Genauigkeit dem vorgegebenen Raumzeiger 3d entsprechen. Aus dieser Menge F wird gemäß Block 112 eine Taktungsfrequenz fr ausgewählt. Dabei werden innerhalb von Block 112 die die Abhängigkeit h i (f T) des
Wirkungsgrades hi des Spannungswandlers 1 von der Taktungsfrequenz fr, und/oder die Abhängigkeit qs(fr) des Gesamtwirkungsgrades r\s eines den Spannungswandler 1 enthaltenden Systems von der Taktungsfrequenz fr, berücksichtigt. Die Abhängigkeit h i (f T) wird in Block 113 mindestens anhand der Schaltverluste der Schaltelemente 4a-4f ermittelt und/oder modelliert. Die Abhängigkeit qs(fr) wird mindestens anhand von Ummagnetisierungsverlusten in einem Stator 61 eines Elektromotors 6, der von dem Spannungswandler 1 gespeist wird, ermittelt und/oder modelliert. Dabei wird in diesem Beispiel der vorgegebene Raumzeiger 3d in Block 115 aus der Kombination einer
Drehzahlanforderung und einer Drehmomentanforderung an den Elektromotor 6 ermittelt.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Spannungswandlers 1 sowie dessen sukzessive Einbettung in eine Stromversorgung 20, einen elektrischen
Antriebsstrang 30 und schließlich ein Fahrzeug 50 als nächstgrößere
Baugruppen.
Der Spannungswandler 1 hat ein Gleichspannungstor 2 und ein
Wechselspannungstor 3 mit drei Phasen 3a-3c. Jede Phase 3a-3c des
Wechselspannungstors 3a-3c kann über je eines von zwei dieser Phase zugeordneten Schaltelemente 4a, 4b; 4c, 4d; 4e, 4f wahlweise mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol des Gleichspannungstors verbunden werden. Dies wird durch eine Ansteuerschaltung 11 bewerkstelligt, die eine mit der
Taktungsfrequenz fr getaktete Ansteuerung 4 auf die Schaltelemente 4a-4f gibt. Die Ansteuereinheit 11 ermittelt in diesem Beispiel aus der Eingangsspannung UZK in Verbindung mit dem vorgegebenen Raumzeiger 3d die Taktungsfrequenz fi und eine mit dieser Taktungsfrequenz fr getaktete Ansteuerung 4. Durch die Ansteuerung 4 entsteht am Wechselspannungstor 3 eine dreiphasige, näherungsweise sinusförmige Wechselspannung U.
In der Stromversorgung 20 ist der Spannungswandler 1 mit einer Batterie 21 zusammengefasst, die das Gleichspannungstor 2 speist. In dem elektrischen Antriebsstrang 30 ist die Stromversorgung 20 mit einem Elektromotor 6 als Wechselstromverbraucher zusammengefasst. Der
Elektromotor 6 hat einen dreiphasigen Stator 61 mit Magnetspulen 61a-61c. Jede der Magnetspulen 61a-61c ist mit der ihr zugeordneten Phase 3a-3c des Wechselspannungstors 3 einerseits und mit einem allen Magnetspulen 61a-61c gemeinsamen Sternpunkt andererseits verbunden.
Der Stator 61 des Elektromotors 6 enthält ferromagnetisches Material. Bei einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses durch die Magnetspulen 61a-61c wird das Material ummagnetisiert, wobei Energieverluste entstehen. Gewisse Verluste sind unvermeidlich, wenn der Elektromotor 6 durch ein Drehfeld angetrieben wird. Wenn die Wechselspannung U, mit der der Elektromotor 6 gespeist wird, jedoch zusätzlich zur erwünschten Sinusform noch eine höherfrequente Restwelligkeit aufweist, trägt diese Restwelligkeit zur
Antriebsleistung nichts bei, bewirkt aber trotzdem Ummagnetisierungsverluste. Daher soll die zeitliche Choreographie der Raumzeiger 3d, die die erwünschte Sinusform angibt, durch die vom Spannungswandler 1 gelieferten
Konfigurationen 3e der Phasen 3a-3c so genau wie möglich nachgebildet werden.
In Figur 3 sind beispielhaft mögliche Kombinationen aus Drehzahlen N und Drehmomenten M, die über den Spannungswandler 1 vom Elektromotor 6 angefordert werden können, unter zusätzlicher Berücksichtigung der
Abhängigkeit von der Eingangsspannung UZK am Gleichspannungstor 2 des Spannungswandlers 1 aufgetragen. Zusätzlich ist für einige Kombinationen von Drehzahlen N und Drehmomenten M angegeben, ob der Spannungswandler 1
• in der Raumzeiger-Pulsweitenmodulation mit Taktzahl q >> 3 betrieben wird (Bereich A),
• in der Blocktaktung mit Taktzahl q=l betrieben wird (Bereiche B) oder
• in der Synchrontaktung mit Taktzahl q > 3 betrieben wird (Bereich C).
Abhängig von der Eingangsspannung UZK kann die Umschaltung zwischen den Betriebsarten anders gesteuert werden, um insgesamt den Wirkungsgrad h zu optimieren oder aber sehr hohe Drehmomente M zu stellen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (100) zum Betreiben eines Spannungswandlers (1), der eine an seinem Gleichspannungstor (2) vorgelegte Eingangsspannung UZK in eine drei- oder mehrphasige Wechselspannung U an seinem Wechselspannungstor (3) umwandelt, wobei die Phasen (3a-3c) des Wechselspannungstors (3) jeweils durch zeitlich getaktete Ansteuerung (4) von Schaltelementen (4a-4f)
wechselweise mit dem Pluspol und dem Minuspol des Gleichspannungstors (2) verbunden werden (120), um im zeitlichen Mittel eine Konfiguration (3e) der Phasen (3a-3c) des Wechselspannungstors (3) zu erzeugen (130), die einem vorgegebenen Raumzeiger (3d) entspricht, wobei die Taktungsfrequenz f in Abhängigkeit der Eingangsspannung UZK gewählt wird (110).
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei in Abhängigkeit der
Eingangsspannung UZK eine Menge F an Taktungsfrequenzen f ausgewählt wird (111), mit denen Konfigurationen (3e) der Phasen (3a-3c) des
Wechselspannungstors (3) erzeugt werden können, die im zeitlichen Mittel bis auf eine vorgegebene Genauigkeit dem vorgegebenen Raumzeiger (3d) entsprechen.
3. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei eine
Taktungsfrequenz f ausgewählt wird (112), die im Hinblick auf den
Wirkungsgrad hi des Spannungswandlers (1), und/oder auf den
Gesamtwirkungsgrad r\s des Systems aus dem Spannungswandler (1) und einer mit dem Wechselspannungstor (3) verbundenen Last (5), optimiert ist.
4. Verfahren (100) nach Anspruch 3, wobei die Abhängigkeit des
Wirkungsgrades hi des Spannungswandlers (1) von der Taktungsfrequenz f mindestens anhand der Schaltverluste der Schaltelemente (4a-4f) ermittelt und/oder modelliert wird (113).
5. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei ein
Elektromotor (6) als Last (5) gewählt wird und wobei die Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrades r\s von der Taktungsfrequenz f mindestens anhand von Ummagnetisierungsverlusten in einem Stator (61) des Elektromotors (6) ermittelt und/oder modelliert wird (116).
6. Verfahren (100) nach Anspruch 5, wobei der vorgegebene Raumzeiger (3d) aus der Kombination einer Drehzahlanforderung und einer
Drehmomentanforderung an den Elektromotor (6) ermittelt wird (115).
7. Spannungswandler (1) mit einem Gleichspannungstor (2), einem drei- oder mehrphasigen Wechselspannungstor (3) und einer Anordnung aus
Schaltelementen (4a-4f), über die jede Phase (3a-3c) des Wechselspannungs tors (3) wahlweise mit dem Pluspol oder dem Minuspol des Gleichspannungstors (2) verbindbar ist, wobei eine Ansteuerschaltung (11) für die zeitlich getaktete Ansteuerung der Schaltelemente (4a-4f) vorgesehen ist und wobei die
Ansteuerschaltung (11) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
8. Stromversorgung (20) für einen drei- oder mehrphasigen
Wechselstromverbraucher (5, 6), umfassend einen Spannungswandler (1) nach Anspruch 7 sowie mindestens eine Batterie (21) zur Speisung des
Gleichspannungstors (2) des Spannungswandlers (1).
9. Elektrischer Antriebsstrang (30) für ein Fahrzeug (50), umfassend mindestens einen drei- oder mehrphasigen Elektromotor (6) als
Wechselstromverbraucher (5, 6) sowie mindestens eine Stromversorgung (20) nach Anspruch 8 zur Speisung des Elektromotors (6).
10. Computerprogramm, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, und/oder auf einer Ansteuerschaltung, und/oder auf einem Embedded-System, ausgeführt werden, einen mit dem Computer, der Ansteuerschaltung (11), bzw. dem Embedded-System gekoppelten
Spannungswandler (1) zu einem Spannungswandler (1) nach Anspruch 7 aufwerten, und/oder den Computer, die Ansteuerschaltung (11), bzw. das Embedded-System dazu veranlassen, ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
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