Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Drei-Phasen-Wechselstrommaschine, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug - Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug - oder einen Fahrzeugrollenprüfstand (Dynamometer).

Der Betrieb von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen wird durch die geringe Energiedichte der mitgeführten Hochspannungsbatterien begrenzt. Während beträchtliche Anstrengungen unternommen werden, die Batterietechnologie zu verbessern, müssen verstärkt auch alle Wirkungsgradverbesserungen von Hilfssystemen des Antriebes wie Leistungselektronik, Motordesign und Motorsteuerung in Betracht gezogen werden.

Für den Betrieb eines Drei-Phasen-Wechselstrommotors sind verschiedene Steuerungsstrategien bekannt.

Die US 5,498,945 A beschreibt ein Verfahren für das maximale Drehmoment pro Ampere für einen Induktionsmotor, wobei geeignete Kombinationen der Ströme und Magnetflüsse der Quadratur-Achsen bzw. Direkt-Achsen gewählt werden.

Die US 6,630,809 B2 offenbart ein System und ein Verfahren zur Steuerung eines Induktionsmotors, wobei die Steuerung auf der Basis Strategie des maximalen Drehmoment pro Ampere und der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen erfolgt.

Die Veröffentlichung "Control Strategies and Parameter Compensation for Permanent Magnet Synchronous Motor Drives", Ramin Monajemy, PhD Thesis, Blacksburg, Virginia Polytechnic Institute, 12. Oktober 2000, beschreibt in Kapitel 5, Seiten 55 bis 94, verschiedene Regelungsstrategien für Permanentmagnet- Synchronmotoren, unter anderem die Strategie des Maximalen Wirkungsgrads, die Strategie des maximalen Drehmoments pro Ampere, die Strategie des Null d- Achsen Stromes, die Strategie des Leistungsfaktors eins und die Strategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen.

Jede dieser Steuerungsstrategien kann allerdings nur für eine bestimmte Betriebsweise der Wechselstrommaschine optimal eingesetzt werden, während in anderen Betriebsarten Nachteile in Kauf genommen werden müssen. In bekannten Steuerungen von Elektromotoren wird üblicherweise nur eine einzige vordefinierte der bekannten Steuerungsstrategien eingesetzt. Jede Steuerungsstrategie stellt aber nur einen Kompromiss für verschiedene Betriebsarten dar. Somit müs- sen im Betrieb abhängig von der spezifisch angewendeten Steuerung meist gravierende Nachteile im Kauf genommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zu entwickeln, welches einen optimalen Betrieb von Drei-Phasen-Wechselstrommaschinen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass eine Gruppe aus mehreren verschiedenen Steuerungsstrategien bereitgestellt, vorzugsweise in der Motorsteuerung abgelegt wird, dass zumindest ein Betriebsparameter der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder externe Vorgaben, vorzugsweise hinsichtlich Leistung und/oder Dauer und/oder Reichweite, erfasst wird, und dass aus der Gruppe von Steuerungsstrategien eine Steuerungsstrategie in Abhängigkeit zumindest eines erfassten Betriebsparameters der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder externen Vorgaben ausgewählt wird und die Wechselstrommaschine auf der Basis dieser ausgewählten Steuerungsstrategie betrieben wird .

Die Steuerungsstrategien sind bevorzugt in der Motorsteuerung abgelegt und werden in Abhängigkeit der jeweiligen Erfordernisse ausgewählt. Nur die jeweils ausgewählte Steuerungsstrategie wird aktiviert, und die Wechselstrommaschine auf der Basis dieser ausgewählten Steuerungsstrategie betrieben.

Die Gruppe von Steuerungsstrategien beinhaltet zumindest zwei - vorzugsweise alle - der folgenden, an sich bekannten Strategien : Strategie des Null-d-Achsen- Stromes, Strategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere, Strategie des maximalen Wirkungsgrades, Strategie des Leistungsfaktors eins, Strategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen.

Jede der bekannten Betriebsstrategien hat gute und weniger gute Einsatzbereiche.

Jede der Steuerungsstrategien wird für definierte Auswahlkriterien, vorzugsweise verschiedene Betriebsparameters der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder Lastanforderungen, bewertet, wobei die Bewertung der Auswahl der Steuerungsstrategien zu Grunde gelegt wird . Zumindest ein Auswahlkriterium kann dabei aus der Gruppe der Beziehungen Drehmoment/ Drehzahl, Drehmoment/Strom, Strom/Drehzahl, Leistung/Drehzahl, Gegenelektromotorische Kraft (bzw. Gegenspannung)/Drehzahl, Leistungsfaktor/Drehzahl, der Luftspalt-Magnetflussverkettung (bzw. Luftspaltverkettung), und der Ausführungskomplexität (bzw. Komplexität) ausgewählt werden. Die Auswahl der Steuerungsstrategie kann mittels eines adaptiven Algorithmus - vorzugsweise unter Verwendung von künstlicher Intelligenz, Fuzzy Logik und/ oder neuralen Netzwerken - erfolgen.

Vorzugsweise wird während des laufenden Betriebes der Wechselstrommaschine kontinuierlich oder diskontinuierlich überprüft, ob diese mit der für die jeweilige Situation optimalen Steuerungsstrategie betrieben wird . Wenn die Prüfung auf Grund eines Auswahlkriteriums aus der Gruppe der Beziehungen Drehmoment/Drehzahl, Drehmoment/Strom, Strom/Drehzahl, Leistung/Drehzahl, Gegenelektromotorische Kraft/Drehzahl, Leistungsfaktor/Drehzahl, der Luftspalt- Magnetflussverkettung, und der Ausführungskomplexität ergibt, dass eine andere Steuerungsstrategie passender ist, dann wird die Steuerungsstrategie geändert und - in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters der Wechselstrommaschine und/oder des Elektrofahrzeuges und/oder von externen Vorgaben - eine passende Steuerungsstrategie ausgewählt und die Wechselstrommaschine mit dieser ausgewählten Steuerungsstrategie weiterbetrieben. Dadurch kann die Steuerungsstrategie optimal an die jeweilige Situation und die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.

Beispielsweise wird im Normalbetrieb, insbesondere bei Hybridfahrzeugen, die Strategie des Leistungsfaktors eins oder die Strategie der konstanten gemeinsamen Magnetflussverkettungen für Drei-Phasen-Wechselstrommaschinen ausgewählt. Die durch die niedrigere Luftspalt-Magnetflussverkettung ermöglichte hohe Basisdrehzahl verbessert die Fahrbarkeitseigenschaften des Fahrzeugs bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine wegen dem bei konstantem Drehmoment anhaltenden Betrieb der elektrischen Maschine(n). Zusätzlich kann die Lebenszeit der Wechselstrommaschine mit der Strategie des Leistungsfaktors eins oder der Strategie der konstanten gemeinsamen Magnetflussverkettungen ma- ximiert werden, da diese Strategien niedrige Stromschwankungen im elektrischen Fahrbetrieb und einen geringen Einschaltstrom ermöglichen. Sobald die Drehzahl der Brennkraftmaschine sich verringert (beispielsweise Einlegen eines hohen Ganges bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit), wird die Drehzahl der Motorwelle somit reduziert und für den weiteren Betrieb entweder die Strategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere oder die Strategie des maximalen Wirkungsgrades ausgewählt, um einen energieeffizienten Betrieb des elektrischen Hochspannungssystems zu ermöglichen, wenn das Fahrzeug mit hohem Gang betrieben wird .

Für hohe Beschleunigungsanforderungen kann die Strategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere oder die Strategie des maximalen Wirkungsgrades ausgewählt werden. Für maximale Leistung und verbesserte Fahrdynamik kann beispielsweise der Fahrer auf Knopfdruck die Strategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere auswählen um ein maximales Drehmoment/Drehzahlverhältnis zu erreichen.

Andererseits ist es vorteilhaft, wenn bei drohendem Energieengpass und/oder einer vorgegebenen Streckenlänge über einer kritischen Länge die Strategie des maximalen Wirkungsgrades ausgewählt wird . Wird beispielsweise vom Fahrer, etwa unter Verwendung einer Navigationseinheit des Fahrzeuges, ein Fahrziel vorgegeben, welches sich nahe der Grenze der durch den Ladezustand der Batterie definierten maximalen Reichweite befindet, so kann durch Auswahl der Strategie des maximalen Wirkungsgrades Energie gespart und somit die Reichweite optimiert werden.

Alternativ zur Anwendung in Elektrofahrzeugen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Fahrzeug-Rollenprüfständen (Dynamometer) eingesetzt werden, um definierte Fahrszenarien zu simulieren. Eine adaptive Steuerungsstrategie für den Elektromotor des Dynamometers kann dabei adaptiv das geplante Fahrszenario untersuchen und jeweils die für das jeweilige Fahrszenario optimale Steuerungsstrategie auswählen und anwenden. Beispielsweise kann in einem Abschnitt des Fahrszenarios mit simulierter Bergauffahrt die Steuerungsstrategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere ausgewählt werden. In simulierten Stadt-Fahrszenarien kann dagegen die Strategie des maximalen Wirkungsgrades oder die Strategie des Leistungsfaktors eins oder die Strategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen ausgewählt werden, um Energie zu sparen oder die Lebensdauer von Komponenten des Dynamometers zu erhöhen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Drei-Phasen- Asynchron- und Synchronmaschinen, sowohl für drehmomentgesteuerte-, als auch für drehzahlgesteuerte Systeme. Bei Drehmomentsteuerung ergibt sich die Motordrehzahl durch die an der Motorwelle anliegenden Last. Bei Drehzahlsteuerung ergibt sich das Drehmoment durch die an der Motorwelle anliegende Last.

Das Verfahren, insbesondere das Erfassen der Betriebsparameter, das Prüfen der aktuellen Steuerungsstrategie, die Auswahl der optimalen Betriebsstrategie, das Auffinden eines optimalen Umschaltzeitpunktes für die Steuerungsstrategie, etc. kann vollkommen automatisch über ein Steuerungs- und Überwachungsprogramm durchgeführt werden. Zusätzlich ist es möglich das automatische Steuerungs- und Überwachungsprogramm der Motorsteuerung durch manuellen Eingriff zu übersteuern, beispielsweise, wenn vom Fahrer spontan eine hohe Leistung gefordert wird. Ist während eine bekannten Fahrtstrecke ein Wechsel der Steuerungsstrategie erforderlich, so kann automatisch der optimale Zeitpunkt für einen Wechsel geplant und durchgeführt werden, beispielsweise auf Grund einer vorgegebenen Topografie oder externen Informationen wie Verkehrslage etc.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie des

Null-d-Achsen-Stromes;

Fig. 2 normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie des

Leistungsfaktors eins;

Fig. 3 normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie der kon ^¬ stanten gemeinsamen Flussverkettungen;

Fig. 4 normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie des ma ^¬ ximalen Drehmomentes pro Ampere; und

Fig. 5 das erfindungsgemäße Verfahren in einem Blockdiagramm.

Die Motorsteuerung steuert die Stärke des in die elektrische Maschine fließenden Stromes so, dass das Drehmoment der elektrischen Maschine einem bestimmten Sollwert oder Bezugsgröße folgt. Der Regelalgorithmus zur Steuerung des Stro ^¬ mes ist auf der Basis eines mathematischen Models der elektrischen Maschine entwickelt. Das am häufigsten verwendete mathematische Modell der elektrischen Maschine ist aus den folgenden Gleichungen (1) bis (4) zusammengesetzt und wird auch als "d-q-System-Maschinenmodell" bezeichnet. Die Gleichungen (1) bis (5) sind spezifisch für eine Innenlaufende Permanentmagnet-Synchronmaschine. Andere 3-Phasen-Wechselstrommaschinen weisen eine Darstellung im d-q System auf, welche von diesem Gleichungssystem geringfügig abweicht.

V _d =I _d R _s -P <D _r L _q I _q + L _d ^- (2)

T =l.5-P-I _q -<p _PM +l.5-P-(L _d -L _q )-I _d -I _q (4)

Dieses mathematische Gleichungssystem hat den Vorteil, dass die Darstellung der Wechselstrommaschine vereinfacht wird und dass die Steuerung leichter zu erfassen und anzuwenden ist. In der Tat ist das "d-q-System-Maschinenmodell eine Gleichstrom-äquivalente Darstellung der Wechselstrom-Spannungen und - Ströme. Daher wird dieses Gleichungssystem bevorzugt für die Umsetzung der Wechselstrommotorensteuerung verwendet.

Innerhalb des nicht-linearen d-q-Systems können verschiedene Kombinationen der d- und q-Achsen-Ströme I _d und I _q zu der selben Motordrehzahl ω und dem selben Drehmoment T _e führen. Die einfachste Kombination der d- und q-Achsen- Ströme I _d und I _q besteht darin, I _d gleich Null zu setzen, wodurch das Drehmoment eine lineare Funktion des q-Achsen Stromes I _q wird. Diese Methode ist die übliche bei Motorsteuerungen verwendete Steuerungsmethode wegen der leichten Umsetzbarkeit, und wird im allgemeinen als "Steuerungsstrategie des Null-d- Achsen-Stromes ZDAC" bezeichnet.

Allerdings ist dies nur eine von vielen Kombinationsmöglichkeiten der d- und q- Achsen-Ströme I _d und I _q , welche verwendet werden können, um dasselbe Niveau des Drehmomentes T _e zu erhalten. So können andere Kombinationen von d- und q-Achsen-Ströme I _d und I _q für dasselbe Drehmoment Te eingesetzt werden, um spezifische Aspekte hinsichtlich der Betriebes der Wechselstrommaschine zu optimieren.

Eine Variable, welche man zu maximieren wünscht, ist das Ausmaß des Drehmomentes T _e , welches die Wechselstrommaschine erzeugt, bezogen auf die Höhe des Stromes, welcher von der Energiespeichereinheit für die Versorgung der Wechselstrommaschine eingesetzt wird. Diese Methode, die auch als "Steuerungsstrategie des maximalen/optimalen Drehmomentes pro Ampere MTA" bekannt ist, beruht auf der nicht-linearen Beziehung, welche durch die obige Gleichung (4) beschrieben wird, um die besten Kombinationen der d- und q-Achsen- Ströme I _d und I _q hinsichtlich des Drehmomentes T _e zu erhalten, also dem größten Verhältnis zwischen T _e und der Vektorsumme der Ströme Diese Paare der d- und q-Achsen-Ströme I _d und I _q hinsichtlich des Drehmomentes T _e können entweder analytisch durch Lösen der Gleichung (4), oder empirisch durch absolvieren von geeigneten Testläufen der Wechselstrommaschine bestimmt werden.

Eine andere Variable, die man zu maximieren wünscht, ist er energetische Wirkungsgrad der Wechselstrommaschine. Um dies zu erreichen, hat man die Paare mit dem niedrigsten Wert der Ausdrücke aufzusuchen, wodurch sowohl das Drehmoment T _e , als auch die Drehzahl ω der Wechselstrommaschine maximiert wird. Dadurch kann die maximale mechanische Leistung (Produkt aus Drehmoment T _e und Drehzahl co), bei geringster elektrischer Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) erzielt werden. Dieses Verfahren, welches auch als "Steuerungsstrategie des maximalen Wirkungsgrades ME" be- kannt ist, kann auf der analytischen Berechnung der besten d- und q-Achsen- Ströme I _d und I _q basieren oder experimentell an der Wechselstrommaschine durchgeführt werden.

Basierend auf einer ähnlichen Vorgangsweise wie bei der Steuerungsstrategie des maximalen/optimalen Drehmomentes pro Ampere MTA oder der Steuerungsstrategie des maximalen Wirkungsgrades ME, lassen sich auch andere Aspekte des Wechselstrommaschinebetriebes und/oder der Leistungselektronikeinheit (DC/AC Inverter) maximieren. So ist unter der Bezeichnung "Steuerungsstrategie des Leistungsfaktors eins UPF" eine Methode bekannt, welche auf Paaren der d- und q-Achsen-Ströme I _d und I _q basiert, die zu in-Phase befindlichen Wechselspannungen und Wechselströmen in der Leistungselektronikeinheit führen. Das Verfahren " Steuerungsstrategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen (CMFL)" zielt darauf ab Paare der d- und q-Achsen-Ströme I _d und I _q zu finden, bei denen der gesamte magnetische Fluss ^φ + φ _ά ² konstant bleibt. Auch diese beiden Methoden können analytisch oder experimentell gelöst werden.

Somit ergeben sich folgende bekannte Steuerungsstrategien, welche hier in Betracht gezogen werden :

1.) Steuerunqsstrategie des Null-d-Achsen-Stromes (ZDAC)

Fig. 1 zeigt normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie des Null-d- Achsen-Stromes (ZDAC).

Eigenschaften :

• Der Leistungsfaktor verschlechtert sich mit zunehmender Rotordrehzahl und zunehmendem Statorstrom I _s .

• Der niedrigere Leistungsfaktor macht eine höhere VA Bewertung des Umrichters erforderlich.

• Die Steuerungsstrategie des Null-d-Achsen-Stromes (ZDAC) ist geeignet für Anwendungen, welche hohes Drehmoment erfordern.

• Durch lineare Strom-Drehmoment-Beziehung wird eine einfachere Ausführung möglich.

2.) Steuerunqsstrategie des Leistungsfaktors eins (UPF)

Fig. 2 zeigt normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie des Leistungsfaktors eins (UPF). Eigenschaften :

• Diese Strategie ist nicht optimal für die Erzeugung von hohem Drehmoment.

• Es ist eine niedrige reaktive VA Bewertung erforderlich

• Es ist eine niedrige Versorgungsspannung erforderlich .

• Wegen der verfügbaren Reservespannung, ist die Steuerungsstrategie des Leistungsfaktors Eins (U PF) für Anwendungen zur Reichweitenausdehnung von Fahrzeugen geeignet.

3. ) Steuerungsstrategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen (CMFL ^' )

Fig . 3 zeigt normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie der konstanten gemeinsamen Flussverkettungen (CM FL) .

Eigenschaften :

• Zum Unterschied zu allen anderen Verfahren, kann diese Strategie auch über der Basisdrehzahl verwendet werden

• Bei dieser Strategie wird eine Motorkern-Sättigung vermieden, daher werden das elektrische Antriebsmoment verbessert und hohe Stromübergänge vermieden .

• Der Leistungsfaktor befindet sich nahe bei eins.

• Die Maximaldrehzahl, bei der eine Abschwächung des Flusses erforderlich wird, wird angehoben .

4. ) Steuerungsstrategie des maximalen/optimalen Drehmomentes pro Ampere (MTA1

Fig . 4 zeigt normalisierte Leistungskennlinien der Steuerungsstrategie des maximalen Drehmomentes pro Ampere (MTA) .

Eigenschaften :

• Diese Strategie ist geeignet für Hoch-Schenkelmaschinen (L _q > > L _d )

• Verglichen mit einer Null-d-Achsen-Stromes-Steuerung kann eine etwa 11%-tige Drehmomentsteigerung erreicht werden . • Schlechte Umrichterauslastung (d.h. es ist eine hohe VA-Bewertung erforderlich).

5.) Steuerungsstrategie des maximalen Wirkungsgrades (ME)

Die Steuerungsstrategie des maximalen Wirkungsgrades (ME) basiert auf der Minimierung der Verlustfunktion :

P _l = \.5- R _s - {i +i]) + ^] ^- 0} _r ⁱ - [{L _q - I _q f + { _9pM + L _d . - I _d ) ² ] (6)

^K c

Fig. 5 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren in einem Blockdiagramm.

In einem Schritt 1 werden Umgebungs- und Randbedingungen, wie Außentemperatur, Fahrpedaldruck, oder - bei Anwendung an einem Rollenprüfstand - der Typus des Dynamometer - Fahrzyklus erfasst.

In einem Schritt 2 wird abgefragt, ob die aktuell angewendete Steuerungsstrategie auf Grund der in Schritt 1 festgestellten Umgebungs- und Randbedingungen und auch basierend auf dem Auswahlkriterium aus der Gruppe der Beziehungen Drehmoment/Drehzahl, Drehmoment/Strom, Strom/Drehzahl, Leistung/Drehzahl, Gegenelektromotorische Kraft/Drehzahl, Leistungsfaktor/Drehzahl, der Luftspalt-Magnetflussverkettung, und der Ausführungskomplexität tatsächlich die optimale Strategie ist. Wenn dies der Fall ist ("Yes") erfolgt in einem Schritt 3 die Rückkehr zu Schritt 1.

Wenn die Abfrage aus Schritt 2 negativ ausfällt ("No") so wird in einem Schritt 4 ein adaptiver Steuerungsstrategie-Algorithmus gestartet, um die für die in Schritt 1 erfassten Bedingungen am besten geeignete Steuerungsstrategie zu ermitteln .

Im Schritt 5 wird der optimale Zeitpunkt für einen Wechsel der Steuerungsstrategie ermittelt und bis zu diesem Zeitpunkt abgewartet.

In Schritt 6 erfolgt der Wechsel zu der in Schritt 4 ermittelten Steuerungsstrategie. Nomenklatur

AC Wechselstrom

B Reibungskoeffizient

DC Gleichstrom

V _q q-Achsen Spannung (bezügl ich des "d-q " Wechselstrommaschinen- Modells)

I _q q-Achsen Strom (bezügl ich des "d-q" Wechselstrommaschinen-M odells)

L _q q-Achsen Ind uktanz (bezüg lich des "d-q" Wechselstrommaschinen- Model ls)

V _d d-Achsen Spannung (bezügl ich des "d-q " Wechselstrommaschinen- Modells)

I _d d-Achsen Strom (bezügl ich des "d-q" Wechselstrommaschinen-M odells) l_d d-Achsen Ind uktanz (bezüg lich des "d-q" Wechselstrommaschinen- Model ls)

I _s Statorstrom

V _s Statorspannung

J Rotormassenträgheit

Pi Leistungsverluste

VA Leistung

R _c Kernwiderstand der Wechselstrommaschine

R _s Statorwiderstand der Wechselstrommaschine co _r mechanische Drehzahl cp _PM Permanentmagnetischer Fluss der Wechselstrommaschine

q-Achsen-generierter Fluss (bezüg l ich des "d-q" Wechselstrommaschinen- cp _q Modells)

d-Achsen-generierter Fluss (bezüg l ich des "d-q" Wechselstrommaschinen- cp _d Modells)

Drehmomentwinkel zwischen Rotorfeldposition und Stator-Stromzeigerpo- δ sition

Φ Phasenwinkel zwischen sin usförmiger Span nung und sinusförmigem Strom T _e Drehmoment der Wechselstrommaschine

Tj Lastdrehmoment