Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei die elektrische Maschine in einem durch Drehmoment und/oder Drehzahl der elektrischen Maschine begrenzten Betriebsbereich betrieben wird.

Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere zur Durchführung des genannten Verfahrens, die in einem durch ihr Drehmoment und/oder ihre Drehzahl begrenzten Betriebsbereich betreibbar ist.

Stand der Technik

Verfahren sowie elektrische Maschinen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise werden elektrische Maschinen für einen charakteristischen Betriebsbereich, der in Abhängigkeit von Drehzahlen und/oder Drehmomenten der elektrischen Maschine vorgegeben wird, ausgelegt. Die Mindestgröße der elektrischen Maschine wird in der Regel durch die

Berücksichtung von Betriebspunkten, die unter angenommenen maximalen Anforderungen bezüglich der Spannungsversorgung, Umgebungsbedingungen und gegebener Toleranzen erreichbar beziehungsweise anfahrbar sein müssen, bestimmt. Dies hat zur Folge, dass heutzutage elektrische Maschinen häufig überdimensioniert gebaut werden, um auch die eher selten auftretenden

Extremanforderungen erfüllen zu können. Darunter leiden jedoch das Gewicht, der notwendige Bauraum und die Herstellungskosten, da teure Rohstoffe verbaut und nur teilweise beziehungsweise selten voll ausgenutzt werden.

Offenbarung der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat hingegen den Vorteil, dass die elektrische Maschine auf einen für den

Anwendungsfall optimierten Betriebsbereich ausgelegt werden kann, bei welchem also die üblicherweise mitberücksichtigten Extremanforderungen nicht oder zumindest teilweise nicht mehr ins Gewicht fallen. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht hierzu vor, dass der Betriebsbereich auf einen für die elektrische Maschine optimierten Betriebsbereich begrenzt wird und Betriebspunkte außerhalb des optimierten Betriebsbereichs nur für einen begrenzten Zeitraum angefahren werden. Es ist somit vorgesehen, dass im Betrieb die außerhalb des optimierten Betriebsbereichs liegenden Betriebspunkte nur kurzzeitig angefahren werden und insofern die elektrische Maschine nicht für einen Dauerbetrieb in den Betriebspunkten außerhalb des optimierten Betriebsbereichs ausgelegt beziehungsweise dimensioniert werden muss. Vorzugsweise wird die elektrische Maschine nur derart lange außerhalb des optimierten Betriebsbereichs betrieben, wie es ohne eine Beschädigung der elektrischen Maschine möglich ist. Zwar hat das Verfahren den Nachteil, dass die Betriebspunkte außerhalb des optimierten Betriebsbereichs nicht ständig beziehungsweise dauerhaft zur Verfügung stehen, sodass in manchen Fahrsituationen beispielsweise ein Fahrer eines die elektrische Maschine aufweisenden Kraftfahrzeugs zwischenzeitlich auf eine besonders hohe Drehzahl verzichten muss. Jedoch hat es insgesamt den Vorteil, dass das Gewicht der elektrischen Maschine insgesamt aufgrund der kleineren Dimensionierung niedriger ausfällt und Bauraum sowie Herstellungskosten gespart werden.

Besonders bevorzugt werden die Betriebspunkte außerhalb des optimierten Betriebsbereichs durch Einstellen einer überhöhten Betriebsspannung

angefahren. Die überhöhte Betriebsspannung stellt eine Betriebsspannung dar, die eine für das Ausschöpfen des optimierten Betriebsbereichs vorgesehene maximale Betriebsspannung übersteigt und insofern zu einer

Überbeanspruchung der für den optimierten Betriebsbereich ausgelegten elektrischen Maschine führt. Das Anlegen der überhöhten Betriebsspannung, das auch als sogenannte Spannungsaufladung bezeichnet wird, ist auf einfache Art und Weise, beispielsweise durch eine zusätzliche Sapnnungswandlung, und innerhalb kürzester Zeit darstellbar. Alternativ oder zusätzlich wird der Betriebspunkt außerhalb des optimierten Betriebsbereichs durch das Einstellen einer Vorkommutierung angefahren. Die elektrische Maschine wird somit zweckmäßigerweise mit einer

Kommutatoreinrichtung versehen, die eine Vorkommutierung bei Bedarf ermöglicht. Hierdurch können zusätzliche Einsparpotentiale über die

Spannungsaufladung hinaus erreicht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zeitraum, in welchem ein Betriebspunkt außerhalb des optimierten

Betriebsbereichs angefahren wird, durch das Erreichen zumindest eines kritischen Zustande beziehungsweise Wertes der elektrischen Maschine begrenzt wird. Hierbei können unterschiedliche kritische Zustände

beziehungsweise Wert vordefiniert werden, bei deren Erreichen der Betrieb der elektrischen Maschine außerhalb des optimierten Bereichs beendet wird. Der Zeitraum wird somit in Abhängigkeit von Zustandsgrößen der elektrischen

Maschine bestimmt, sodass eine übermäßige Belastung von Komponenten der elektrischen Maschine, die zu einer Beschädigung führen könnte, sicher vermieden wird. Besonders bevorzugt wird hierzu eine Temperatur der elektrischen Maschine, insbesondere die Temperatur einer Leistungselektronik der elektrischen

Maschine, laufend ermittelt beziehungsweise überwacht und mit einer vorgebbaren Grenztemperatur als den kritischen Wert verglichen. Die

Grenztemperatur wird dabei vorzugsweise in Abhängigkeit von den konstruktiven Merkmalen der elektrischen Maschine vorgegeben. Umso schneller diese

Temperatur erreicht wird, umso früher wird wieder ein Betriebspunkt innerhalb des optimierten Betriebsbereichs angefahren. Umso höher die überhöhte Spannung ausfällt, umso schneller erhöht sich die gemessene Temperatur und umso kürzer fällt die Zeit aus, innerhalb welcher der Betriebspunkt außerhalb des optimalen Betriebsbereichs angefahren werden kann beziehungsweise angefahren wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass erst dann ein weiterer Betriebspunkt außerhalb des optimierten Betriebsbereichs angefahren wird, wenn eine bestimmte Zeitspanne nach Anfahren des vorhergehenden Betriebspunktes außerhalb des optimierten Betriebsbereichs vergangen ist. Hierdurch wird erreicht, dass ein Überhitzen der elektrischen Maschine durch ein mehrfaches Anfahren eines Betriebspunktes außerhalb des optimierten Betriebsbereichs verhindert wird. Die Zeitspanne wird

zweckmäßigerweise derart gewählt, dass ein Überhitzen der Maschine sicher verhindert wird.

Bevorzugt ist hierzu vorgesehen, dass die Zeitspanne durch das Unterschreiten eines weiteren Grenzwertes, insbesondere einer weiteren Grenztemperatur, begrenzt wird. Fällt die zuvor gemessene Temperatur somit unterhalb der vorgebbaren weiteren Grenztemperatur, wird die Zeitspanne beendet, innerhalb welcher kein weiterer Betriebspunkt außerhalb des optimalen Betriebsbereichs angefahren werden darf. Die untere Grenztemperatur wird derart gewählt, dass ausgehend von dieser ein Betrieb der elektrischen Maschine außerhalb des optimierten Betriebsbereichs für zumindest einen gewissen Zeitraum gefahrlos möglich ist.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass sie auf den Betrieb in einem zumindest im Wesentlichen optimalen Betriebsbereich ausgelegt ist und eine Ansteuerelektronik aufweist, die Betriebspunkte außerhalb des optimalen Betriebsbereichs für nur einen begrenzten Zeitraum anfährt. Wie zuvor bereits beschrieben, ist die elektrische Maschine für einen optimierten Betriebsbereich ausgelegt, sodass Extremsituationen bei der Konstruktion im Wesentlichen nicht berücksichtigt werden. Durch die Ansteuerelektronik, welche bevorzugt das oben beschriebene Verfahren durchführt, wird ein Anfahren der extremen Betriebspunkte, also der außerhalb des optimierten Betriebsbereichs liegenden Betriebspunkte für zumindest einen kurzen Zeitraum möglich, beispielsweise um Gefahrensituationen im Straßenverkehr zu vermeiden.

Der Ansteuerelektronik ist vorzugsweise mindestens eine

Temperaturermittlungseinrichtung zugeordnet, um die Temperatur der elektrischen Maschine, insbesondere einer ihrer elektrischen/elektronischen Komponenten zu erfassen und die erfasste Temperatur mit den oben

beschriebenen Grenztemperaturen zu vergleichen. Besonders bevorzugt ist hierzu wenigstens ein Temperatursensor als Temperaturermittlungseinrichtung vorgesehen. Hierdurch kann auf besonders einfache Art und Weise die gewünschte Temperatur erfasst werden. Alternativ kann es aber auch vorgesehen sein, die Temperatur mittels eines Berechnungsmodells zu bestimmen, das beispielsweise auf Basis der Betriebsspannung, der Drehzahl und/oder des Drehmomentes und/oder deren jeweiliger Verläufe eine aktuelle Betriebstemperatur abschätzt. Hierdurch ließe sich der Temperatursensor einsparen, wodurch sich weitere Kosten-, Bauraum- und Gewichtsvorteile ergeben würden.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen:

Figur 1 Betriebsbereiche einer elektrischen Maschine in einem Diagramm,

Figur 2 ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine in einem weiteren Diagramm,

Figur 3 eine Erweiterung des Verfahrens mit einer Vorkommutierung, und

Figur 4 ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Blockschaltbild.

Figur 1 zeigt in einem Diagramm Betriebsgrenzen einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs. Dazu ist das Drehmoment M _d über die Drehzahl n aufgezeichnet. Üblicherweise wird eine elektrische Maschine derart dimensioniert und konstruiert, dass sie unter allen anzunehmenden Beanspruchungen in jedem anfahrbaren Betriebspunkt sicher betrieben werden kann. Eine gestrichelte Linie d zeigt insofern die maximale Drehmoment-Drehzahlkennlinie, die eine hier angenommene elektrische Maschine erreichen können muss. Die elektrische Maschine wird somit in dem durch das Drehmoment und die Drehzahl unterhalb der Linie d begrenzten Bereich betrieben. Innerhalb dieses allgemeinen

Betriebsbereichs liegt ein Hauptbetriebsbereich 1 , der im Normalbetrieb im Wesentlichen angefahren wird. Innerhalb des Hauptbetriebsbereichs 1 liegt ein optimaler Betriebsbereich 2, der die Betriebspunkte kennzeichnet, in welchem die elektrische Maschine optimal insbesondere in Bezug auf Effizienz und konstruktive Auslegung betrieben werden kann. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass der Betriebsbereich der elektrischen Maschine durch den optimalen Betriebsbereich derart vorgegeben wird, dass eine maximale Drehmoment/Drehzahlkennlinie a den allgemeinen Betriebszustand Betriebsbereich derart auf einen optimierten Betriebsbereich 3 begrenzt, dass der optimale Betriebsbereich 2 gerade noch vollständig innerhalb des optimierten Betriebsbereichs 3 liegt. Wie aus der Figur 1 ersichtlich, kann die elektrische Maschine daher im Normalbetrieb sämtliche Betriebspunkte des optimalen Betriebsbereichs 2 und die meisten Punkte des Hauptbetriebsbereichs 1 anfahren beziehungsweise erreichen. Die elektrische Maschine ist bevorzugt für den optimierten Betriebsbereich ausgelegt, und nicht für den allgemeinen Betriebsbereich gemäß Kennlinie d. Das hat zur Folge, dass die elektrische Maschine nicht dazu ausgelegt ist, Betriebspunkte außerhalb des optimierten Betriebsbereichs 3, also zwischen den Kennlinien a und d dauerhaft anfahren kann. Eine Auslegung der elektrischen Maschine für den optimierten

Betriebsbereich 3 hat den Vorteil, dass die elektrische Maschine kleiner dimensioniert werden kann und insofern weniger teure Materialien verbaut werden müssen und sowohl Gewichts- als auch Kostenersparnisse erzielt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass Betriebspunkte außerhalb des optimierten Betriebsbereichs für nur einen begrenzten Zeitraum angefahren werden. Je nach Entfernung des angefahrenen Betriebspunktes zu der Kennlinie a, also zu dem optimierten Betriebsbereich, verkürzt sich der Zeitraum mit zunehmender Entfernung. Hierzu sind beispielhaft weitere Linien b, c und e dargestellt. Betriebspunkte entlang der Kennlinie a können dauerhaft angefahren werden. Betriebspunkte entlang der Kennlinie b oder darunter werden für einen langen Zeitraum angefahren. Betriebspunkte entlang der Linie c werden für einen mittellangen Zeitraum angefahren, Betriebspunkte entlang der Linie e für einen kurzen Zeitraum und Betriebspunkte entlang der Linie d für einen sehr kurzen Zeitraum. Betriebspunkte zwischen den Linien a und d werden somit für einen begrenzten Zeitraum angefahren, wodurch sich Rohstoffeinsparungen bei der Herstellung der elektrischen Maschine, wie zuvor beschrieben, ergeben.

Die Zeiträume werden dabei vorzugsweise in Abhängigkeit von einer kritischen Temperatur der elektrischen Maschine, insbesondere in Abhängigkeit von einer kritischen Temperatur einer die elektrische Maschine ansteuernden Leistungselektronik vorgegeben. Dazu wird mittels eines entsprechenden

Temperatursensors die Temperatur laufend überwacht und mit Grenzwerten oder einem entsprechenden Temperaturkennfeld verglichen, aus denen sich dann die maximalen Zeiträume in Abhängigkeit von der jeweils vorliegenden Temperatur und dem angefahrenen Betriebspunkt ergeben.

Die angefahrenen Betriebspunkte außerhalb des optimierten Betriebsbereichs 3 werden bevorzugt durch eine überhöhte Betriebsspannung erreicht, die durch die Leistungselektronik bereitgestellt wird. Mit einer zusätzlichen

Spannungswandlung lässt sich die Maschine kurzzeitig bei höheren Spannungen ansteuern, wodurch die entsprechenden Betriebspunkte angefahren werden können. Durch die erhöhte Betriebsspannung entstehen hohe Temperaturen in der elektrischen Maschine, die entsprechend zu einer zeitlichen Begrenzung des Anfahrens der Betriebspunkte außerhalb des optimierten Betriebsbereichs 3, wie zuvor beschrieben, führen.

Als Beispiel soll auf Figur 2 verwiesen werden, bei welchem die elektrische Maschine als Stellantrieb verwendet wird und 25 % Rohstoffe anhand einer Spannungsaufladung bis an die thermische Grenze von der zweifachen

Bordnetzspannung eingespart werden gegenüber einer Auslegung der elektrischen Maschine, die in sämtlichen Betriebspunkten dauerhaft betrieben werden kann. Figur 2 zeigt hierzu ein weiteres Diagramm, in welchem das Drehmoment über die Drehzahl aufgetragen ist. Zusätzlich sind absolute

Belastungsgrenzen eingezeichnet, die einmal die maximal erreichbare Drehzahl n _max und einmal das maximal erreichbare Drehmoment M _d , _m ax bilden. Weiterhin sind die Kennlinien a bis e, die bereits aus Figur 1 bekannt sind, eingezeichnet. Die Begrenzung des Betriebsbereichs der elektrischen Maschine auf den optimierten Betriebsbereich 3 führt zu einer Rohstoffeinsparung von 25 %, wie in Figur 2 angedeutet. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine in dem optimierten Betriebsbereich 3 kann beispielsweise eine Betriebsspannung von

12 V dauerhaft anliegen. In dem Bereich zwischen den Kennlinien a und b kann beispielsweise eine erhöhte Betriebsspannung von 15 V für maximal zehn Minuten anliegen, bevor wieder ein Betriebspunkt in dem optimierten

Betriebsbereich eingestellt wird. In dem Betriebsbereich zwischen den Kennlinien b und c kann eine Betriebsspannung von 18 V für fünf Minuten maximal anliegen.

In dem Betriebsbereich zwischen den Kennlinien c und e kann eine Betriebsspannung von 21 V für maximal zwei Minuten anliegen. In dem am weitesten zu dem optimierten Betriebsbereich 3 entfernten Betriebsbereich zwischen den Kennlinien e und d kann eine Betriebsspannung von 24 V für maximal 30 Sekunden anliegen, bevor wieder ein Betriebspunkt in dem optimierten Betriebsbereich 3 angefahren wird.

Somit ist es möglich, die elektrische Maschine auf den optimierten

Betriebsbereich 3 auszulegen und durch nur kurzzeitiges Anfahren von

Betriebspunkten außerhalb des optimierten Betriebsbereichs 3 entsprechend auch dort vorliegende Drehmomente und Drehzahlen zu erreichen, ohne dass die elektrische Maschine beschädigt oder überlastet wird. Sobald, wie oben bereits erwähnt, eine bestimmte Grenztemperatur überschritten wird, wird der Betrieb außerhalb des optimierten Betriebsbereichs beendet und ein

Betriebspunkt innerhalb des optimierten Betriebsbereichs angefahren.

Die Grenzen des maximal anlegbaren Spannungswertes sowie der

Rohstoffeinsparung sind abhängig von der Anwendung der elektrischen

Maschine, dem Betriebszyklus und den Randbedingungen, wie beispielsweise der Versorgungsspannung, der Umgebung in welcher die elektrische Maschine betrieben werden soll, und den verwendbaren Technologien.

Vorteilhafterweise wird die elektrische Maschine, nachdem ein Betriebspunkt außerhalb des optimierten Betriebsbereichs 3 angefahren wurde, für eine vorgegebene Zeitspanne innerhalb des optimierten Betriebsbereichs betrieben, sodass sämtliche Komponenten wieder ausreichend weit abkühlen können, bevor ein weiteres Mal ein Betriebspunkt außerhalb des optimierten

Betriebsbereichs 3 angefahren werden soll. Vorzugsweise wird die Zeitspanne dadurch bestimmt, dass die beobachtete Temperatur mit einem unteren

Grenzwert, vorzugsweise in Abhängigkeit von dem angefahrenen Betriebspunkt, verglichen und bei Unterschreiten des Grenzwertes beendet wird, sodass erneut ein Anfahren eines Betriebspunktes außerhalb des optimierten Betriebsbereichs 3 erfolgt beziehungsweise möglich ist.

Zusätzliche Einsparpotentiale über die Spannungsaufladung hinaus, also über das Anlegen einer überhöhten Betriebsspannung, können über eine intelligente Vorkommutierung der insofern eine Kommutatoreinrichtung aufweisenden elektrischen Maschine erzielt werden, indem das Verhältnis der

rohstoffrelevanten Auslegung zu der Ausnutzung im Normalbetrieb vergrößert wird und die selten auftretenden Betriebspunkte bei höheren Drehzahlen über die Vorkommutierung der elektrischen Maschine angefahren werden.

Entsprechend ist in der Figur 3 ein weiteres Diagramm dargestellt, welches eine Vorkommutierung bei erhöhten Drehzahlen vorsieht, wodurch sich die Kennlinien a bis e entsprechend zu höheren Drehmomenten beziehungsweise zu weiteren Einsparungen x führt.

Figur 4 zeigt das der Erfindung zugrunde liegende Schema, bei welchem die oben beschriebene und jetzt mit Bezugszeichen 4 versehene elektrische

Maschine 4 eine Ansteuerelektronik 5 aufweist und mit einem zu betätigenden Fahrzeugsystem wirkverbunden ist und insofern als Stellantrieb wirkt. Mittels des Fahrzeugssystems 6 werden Kundenfunktionen X erfüllt. Der Ansteuerelektronik 5 ist eine zusätzliche Spannungswandlung 7 vorgeschaltet, die bei Bedarf eine Spannungsaufladung der elektrischen Maschine 4 derart bewirkt, dass sie in Betriebspunkten außerhalb des optimierten Betriebsbereichs 3 betrieben wird, wobei dem System als Ausgangspunkt die Bordnetzspannung U _B zur Verfügung steht. Weiterhin ist der Ansteuerungselektronik 5 eine Kommutierungseinrichtung 8 zugeordnet, die bei Bedarf von einem Normal-Kommutierbetrieb zu einem Vorkommutieren der elektrischen Maschine umschaltet, um weitere

Einsparpotentiale, zu ermöglichen. Darüber hinaus umfasst die

Ansteuerelektronik 5 eine Temperaturermittlungseinrichtung, die insbesondere die Temperatur einer integrierten Leistungselektronik der elektrischen Maschine 4 - wie zuvor beschrieben - überwacht.

Das beschriebene Verfahren sowie die entsprechend ausgebildete elektrische Maschine 4 eignen sich im Kraftfahrzeugbereich für sämtliche Stellsysteme und Dauerantriebe mit variabler Leistung. Dabei kann sie an Verbrennungsmotoren ebenso wie an und in Getrieben, am Chassis und/oder an der Karosserie möglich. Unter sogenannten worste case-Bedingungen, also im Extremfall vorliegenden Bedingungen, sind zum Beispiel extreme Temperaturen von -40°C oder +150°C oder Unterspannungen sehr viel kleiner als 12 V für Start-Stopp- Systeme oder extreme Toleranzen von Kundensystemen, insbesondere über die

Lebensdauer, aus Fertigungsgründen, wie zum Beispiel Wirkungsgrade oder Reibung, zu verstehen. Die Ansteuerung durch die Spannungsaufladung und/oder mit Vorkommutierung erlaubt bei Verwendung von insgesamt kleiner dimensionierten Maschinen, insbesondere mit weniger Magnetmaterial, weniger Stahllamellen, weniger Kupferwicklungen und weniger Aluminium eine optimierte Abdeckung des Leistungsspektrums bei höheren Leistungsgrenzen und ist gleichzeitig rohstoff-/kostenunempfindlich. Weitere Vorteile sind darin zu sehen, dass durch die kleine Dimensionierung der elektrischen Maschine 4 auch bei hochdynamischen Antrieben reduzierte Massenträgheiten und Bauraumvorteile erzielt werden.

Weitere Vorteile können anhand der Reduzierung der elektromagnetischen Verträglichkeits-Entstörungsbaugruppen bei herkömmlicher Elektronik- Technologie erreicht werden. Weitere Vorteile ergeben sich durch eine

Reduzierung der Strom-/Thermobelastungen von einzelnen Bauelementen beziehungsweise Komponenten der elektrischen Maschine, die bei höheren Spannungen betrieben werden, oder anhand Erweiterungen der

Schutzfunktionen gegenüber Lasten (thermische Grenze), Entmagnetisierung der elektrischen Maschine, und/oder Bordnetzbelastungen (mittlere Stromaufnahme und Stromspitzen). Zusätzlich zum Einsatz kommen kann ein gängiges, in die Elektronik implementiertes Temperaturmodell oder der Einsatz von

Temperatursensoren, um - wie obenstehend beschrieben - die Zeitspanne beziehungsweise den Zeitraum zu bestimmen, um die Erwärmung der elektrischen Maschine insbesondere im spannungsaufgeladenen Betrieb zu überwachen.