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 P ₃ , einen elektrischen Strom l ₃ 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.