Titel

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Synchronmaschine, Antriebsstrang

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei die Synchronmaschine durch Ansteuern eines der Synchronmaschine zugeordneten Inverters betrieben wird, und wobei in Abhängigkeit von einem angeforderten Bremsmoment ein Betriebsstrom der Synchronmaschine mittels des Inverters geregelt wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben einer Synchronmaschine in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, die sich durch ein Steuergerät auszeichnet, das das oben beschriebene Verfahren bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ausführt.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einer Synchronmaschine und mit einem Steuergerät zum Betreiben der Synchronmaschine.

Stand der Technik

Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Kraftfahrzeuge mit einem Antriebsstrang, der zumindest eine elektrische Maschine aufweist, haben die Möglichkeit, eine Bremsanforderung durch die elektrische Maschine vollständig oder teilweise zu erfüllen, indem die elektrische Maschine auf den Antriebsstrang nicht ein Antriebsdrehmoment, sondern ein verzögerndes oder negatives Drehmoment aufprägt. Dazu wird üblicherweise ein elektrischer Strom in die Synchronmaschine eingeprägt, der von einem Inverter, üblicherweise mittels einer B6-Brückenschaltung, geregelt wird. Üblicherweise wird der Inverter dabei dazu angesteuert, Amplitude und Frequenz der Grundschwingung des Betriebsstroms der elektrischen Maschine zu regeln. Die Vorgabe der Sollwerte für die Stromregelung erfolgt in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine oder von der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und von der Drehmomentanforderung beispielsweise des Fahrers des Kraftfahrzeugs. Dies hat zur Folge, dass stets ein Stromfluss zwischen dem Inverter, der elektrischen Maschine, insbesondere Synchronmaschine, und einem elektrischen Hochspannungsenergiespeicher stattfindet. Die Richtung des Stromflusses hängt dabei davon ab, ob ein Bremsmoment oder ein Antriebsdrehmoment angefordert wurde.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Bremsmomentanforderung durch die Synchronmaschine mit minimalem Stromfluss umgesetzt wird, wobei die elektrischen Teile des Antriebsstrangs, insbesondere ein der Synchronmaschine zugeordneter Hochspannungsenergiespeicher, entlastet werden und gleichzeitig das Bremsmoment erhöht wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Betriebsstrom zur Maximierung von in der Synchronmaschine entstehenden Wirbelströme geregelt wird. Durch die Wirbelströme wird das in der Synchronmaschine erzeugte Bremsmoment unterstützt beziehungsweise erhöht. Die Wirbelströme wirken sich als Verluste in der Synchronmaschine aus, zu deren Anregung kein Grundschwingungsstrom von dem Inverter in die Synchronmaschine eingeprägt werden muss. Die elektrischen Verluste im Inverter selbst sowie in dem Hochspannungsenergiespeicher selbst sind minimal, da der effektive Stromfluss beziehungsweise der effektive Betriebsstrom geringer ist als bei einer herkömmlichen Stromregelung oder einem aktiven Kurzschluss.

Bevorzugt werden die Wirbelströme durch Anpassen eines vorbestimmten Pulsmusters für den Inverter erzeugt. Das vorbestimmte Pulsmuster unterscheidet sich dabei von dem für den üblichen Betrieb, insbesondere für den antreibenden Betrieb, der Synchronmaschine verwendeten Pulsmuster im Inverter. Durch das angepasste Pulsmuster werden Ummagnetisierungsverluste in der Synchronmaschine und damit das erzeugte Bremsmoment maximiert beziehungsweise beeinflusst.

Vorzugsweise wird dabei das Pulsmuster durch eine Pulsdauermodulation derart angepasst, dass der Oberschwingungsgehalt der eingeprägten Strangspannung oder Betriebsspannung der Synchronmaschine erhöht wird. Pulsmuster, die einen hohen Oberschwingungsgehalt, also eine hohe Menge von Spannungsanteilen mit einer Frequenz, die größer ist als die Grundfrequenz, aufweisen, führen zu mehr Wirbelströmen in der Synchronmaschine und somit zu einem größeren Bremsmoment.

Zusätzlich oder alternativ wird bevorzugt das Pulsmuster durch eine Veränderung der Schaltfrequenz des Inverters derart angepasst, dass der Oberschwingungsgehalt der eingeprägten Strangspannung oder Betriebsspannung der Synchronmaschine erhöht wird. Auch die Wahl der Schaltfrequenz beeinflusst den Oberschwingungsgehalt der angelegten Spannung an den Klemmen der Synchronmaschine. Beide Effekte, die Wahl der Schaltfrequenz sowie die Wahl des Pulsmusters, wirken sich auf die Ausbildung von Wirbelströmen in den flussführenden Teilen der Synchronmaschine aus. Während die Schaltfrequenz insbesondere die Wirbelströme im Magneten der Synchronmaschine beeinflusst, wird durch die Pulsdauermodulation der Wirbelstromanteil im Blech der Synchronmaschine erhöht.

Besonders bevorzugt wird zur Veränderung der Schaltfrequenz die Schaltfrequenz reduziert, um die Anzahl der Oberschwingungen beziehungsweise den Oberschwingungsgehalt und damit die Wirbelströme in der Synchronmaschine zur Unterstützung des Bremsmoments zu vergrößern. Die Reduzierung der Schaltfrequenz führt bei gegebenem beziehungsweise gleichbleibendem Modulationsverfahrens zu erhöhten Oberschwingungen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuergerät speziell dazu hergerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren bei bestimmungsgemäßem Gebrauch auszuführen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 7 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Auch hierdurch ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Der Antriebsstrang ist vorzugsweise als elektrischer Antriebsstrang ausgebildet, der als Antriebsmaschinen nur eine oder mehrere elektrische Maschinen, von denen zumindest eine die Synchronmaschine ist, aufweist. Alternativ weist der Antriebsstrang zusätzlich zu der zumindest einen Synchronmaschine einen Verbrennungsmotor, insbesondere Hubkolbenmotor, als Antriebsmaschine auf.

Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen

Figur 1 ein Kraftfahrzeug mit einem vorteilhaften Antriebsstrang in einer vereinfachten Draufsicht und

Figur 2 ein Verfahren zum Betreiben des Antriebsstrangs als Flussdiagramm.

Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Draufsicht ein Kraftfahrzeug 1 mit einem elektrischen Antriebsstrang 2. Dieser weist zumindest eine elektrische Maschine auf, die als Synchronmaschine 3 ausgebildet ist. Die Synchronmaschine 3 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest mit den Rädern 4 einer Hinterradachse des Kraftfahrzeugs 1 mechanisch verbunden oder verbindbar. Alternativ ist die Synchronmaschine 3 mit den Rädern der Vorderradachse oder mit allen Rädern des Kraftfahrzeugs 1 wirkverbunden. Die Synchronmaschine 3 weist einen Inverter 5 auf, der durch ein Steuergerät 6 dazu angesteuert wird, ein antreibendes oder verzögerndes Drehmoment mittels der Synchronmaschine 3 zu erzeugen, durch welches das Kraftfahrzeug 1 angetrieben oder verzögert wird. Dabei ist dem Inverter 5 insbesondere mit einem Hochspannungsenergiespeicher 7 elektrisch verbunden, durch welchen eine Betriebsspannung oder ein Betriebsstrom für die Synchronmaschine 3 bereitgestellt werden können. Die Drehmomentanforderung erhält das Steuergerät 6 beispielsweise durch ein Fahrsystem des Kraftfahrzeugs 1, insbesondere ein autonomes Fahrsystem, oder durch vom Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 betätigbare Einstellmittel, wie insbesondere ein Fahrpedal 8 und ein Bremspedal 9.

Wird vom Fahrer oder dem Fahrsystem ein Bremsmoment angefordert, so wird der Inverter 5 dazu angesteuert, ein negatives Drehmoment beziehungsweise ein verzögerndes Drehmoment mittels der elektrischen Maschine 3 zu erzeugen. Um das dadurch resultierende Bremsmoment noch weiter zu steigern, und gleichzeitig einen minimalen Stromverbrauch zu realisieren, wird das im Folgenden mit Bezug auf Figur 2 beschriebene Verfahren durchgeführt.

Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm, anhand dessen das Verfahren erläutert werden soll. In einem Schritt S1 beginnt das Verfahren, wenn eine Bremsmomentanforderung erfasst wird. In einem zweiten Schritt S2 wird nach Anforderung beziehungsweise Erfassung des angeforderten Bremsmoments zuerst geprüft, ob das angeforderte Bremsmoment durch den Betrieb der Synchronmaschine 3 als Wirbelstrombremse umsetzbar ist.

Wird erkannt, dass die Erzeugung von Wirbelströmen in einem zur Erhöhung des Bremsmoments ausreichenden Maß nicht möglich ist (n), dann wird der Inverter 5 durch eine Stromregelung in einem Schritt S3 angesteuert, die ein herkömmliches Betriebsverfahren zur Erzeugung des Bremsmoments darstellt.

Wird jedoch ermittelt, dass durch Wirbelströme das Bremsmoment erhöht werden kann (j), so wird im darauffolgenden Schritt S4 aus einer Auswahl von Verfahren zur Veränderung des Pulsmusters des Inverters 5 das Verfahren mit der niedrigsten Schaltfrequenz ausgewählt, das die Bremsmoment erhöhenden Wirbelströme erzeugt. Die Auswahl auf die niedrigste Schaltfrequenz hat den Vorteil, die Verluste im Inverter zu senken beziehungsweise minimal zu halten.

Vorliegend sind im Steuergerät 6 dazu zumindest die folgenden zwei Verfahren hinterlegt. Grundsätzlich werden durch die beiden Verfahren durch ein hochfrequentes Takten des Inverters 5 Oberschwingungen angeregt, die zusätzliche Verluste in der Synchronmaschine 3 bewirken und damit ein zusätzliches Bremsmoment mittels der Synchronmaschine 3 bereitstellen. Gemäß dem ersten Verfahren wird eine Pulsdauermodulation zur Ansteuerung des Inverters 5 derart beeinflusst, dass das Bremsmoment über die Oberschwingungen der angelegten Spannung an den Klemmen der Synchronmaschine 3 erhöht werden. Verfahren die einen hohen Oberschwingungsgehalt aufweisen, also eine hohe Menge von Spannungsanteilen von Frequenzen größer der Grundfrequenz, führen zu mehr Wirbelströmen im Blech der Synchronmaschine 3 und damit zu einem größeren Bremsmoment.

Das weitere Verfahren sieht vor, dass die Schaltfrequenz des Inverters 5 beeinflusst, insbesondere reduziert wird, um den Oberschwingungsgehalt der Synchronmaschine 3 zu erhöhen. Auch hierdurch entstehen Wirbelströme, zum Beispiel in den Magneten im Fall einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, diesmal im Magneten der Synchronmaschine 3, die ebenfalls zu einer Vergrößerung des Bremsmoments führen.

In beiden Fällen sind die elektrischen Verluste im Inverter 5 selbst sowie in dem Hochspannungsenergiespeicher 7 minimal, weil der effektive Stromfluss geringer ist als bei der herkömmlichen Stromregelung gemäß Schritt S3 oder bei einem aktiven Kurzschluss der Synchronmaschine 3 und weil die Schaltfrequenz verringert wird. Zur Modulation des Pulsmusters gemäß Schritt S5 werden bevorzugt Verfahren, wie das Space Vector Pulse Width Modulation Verfahren (SVPWM), Flat Top oder Single Zero Pointer eingesetzt. Grundsätzlich können kontinuierliche oder diskontinuierliche Modulationsverfahren verwendet werden. Die Wahl der Schaltfrequenz in Schritt S6 erfolgt bevorzugt in Kombination mit dem gewählten Modulationsverfahren. Aus der Menge der möglichen Verfahren wird bevorzugt dasjenige gewählt, welches das angeforderte Bremsmoment bei geringster Schaltfrequenz umsetzen kann, um die Verluste im Inverter zu minimieren.

Nach Auswahl des Modulationsprogramms beziehungsweise der Beeinflussung des Pulsmusters wird im darauffolgenden Schritt S7 der Inverter 5 entsprechend angesteuert, wobei in einem Schritt S8 neue Einstellungen für die Stromregelung der Synchronmaschine 3, insbesondere für den Stromsollwert, vorzugsweise Mittelwert von lq= 0 und Id, sowie die gewählte Modulation ausgewählt und die gewählte Schaltfrequenz eingestellt.

Im Ergebnis ergibt sich die Erzeugung einer Bremswirkung mit geringen Anforderungen an Inverter 5 und Hochspannungsenergiespeicher 7, wobei eben diese beiden bei Durchführung eines Bremsvorgangs aufgrund des niedrigen Stromflusses weniger belastet werden und damit auch weniger erwärmen.