Titel

Verfahren zum Betreiben von zwei elektrischen Maschinen in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von zwei elektrischen Maschinen in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung. Sie betrifft ferner einen Antriebsstrang mit zwei elektrischen Maschinen.

Hintergrund der Erfindung

Neben Kraftfahrzeugen mit nur einer Brennkraftmaschine gibt es auch immer mehr Kraftfahrzeuge mit einer oder mehreren elektrischen Antriebseinheiten zusätzlich zu der Brennkraftmaschine. Solche Fahrzeuge werden dann als sog. Hybrid-Fahrzeuge (z.B. HEV, hybrid electric vehicle) bezeichnet. Hierbei wird zusätzlich noch unterschieden zwischen einer seriellen Hybridtopologie und einer parallelen Hybridtopologie, wobei es hier jeweils verschiedene Unterarten gibt, Bei der (reinen) seriellen Hybridtopologie ist eine erste elektrische Maschine vorgesehen, die zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet wird, wobei diese erste elektrische Maschine auch generatorisch betreibbar ist. Weiterhin sind ein Verbrennungsmotor sowie eine mit diesem gekoppelte zweite elektrische Maschine vorgesehen, wobei weder der Verbrennungsmotor noch die zweite elektrische Maschine mit z.B. Antriebsrädern eines Kraftfahrzeugs mechanisch gekoppelt sind. In einem Normalzustand treibt hierbei der Verbrennungsmotor die zweite elektrische Maschine im generatorischen Modus an. Dadurch erzeugt die zweite elektrische Maschine eine elektrische Leistung, die direkt an die erste elektrische Maschine und/oder in eine Batterie geleitet werden kann, aus der heraus die erste elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgbar ist. Bei der parallelen Hybridtopologie ist der Verbrennungsmotor mit den z.B. Antriebsrädern eines Kraftfahrzeugs mechanisch dauerhaft gekoppelt bzw. koppelbar und kann Drehmoment in den Antriebsstrang einkoppeln. Es können ein oder mehrere elektrische Maschinen vorgesehen sein, die zusätzlich mit dem Antriebsstrang mechanisch gekoppelt sind bzw. ankoppelbar sind und ein Drehmoment in den Antriebsstrang einbringen können. Die elektrische Maschine bzw. die mehreren elektrischen Maschinen in all diesen Topologien können dabei auch generatorisch betrieben werden und auf diese Weise z.B. Bremsenergie in elektrische Energie umwandeln. Ebenso gibt es Fahrzeuge mit nur elektrischen Antrieben (z.B. BEV, battery electric vehicle).

In Hofmann, P.: Hybridfahrzeuge. Springer-Verlag, Wien. 2. Auflage 2014. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-1780-4_2 werden derartige Hybridfahrzeuge und verschiedene Hybridtopologien beispielsweise in dem Kapitel "Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte" beschrieben.

Bei Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb ist auch die Rückgewinnung von Bremsenergie durch Rekuperation bekannt. Dabei wird während einer Bremsung mechanische Energie durch die elektrische Maschine in elektrische Energie umgewandelt und in einer Batterie oder einem anderen Energiespeicher gespeichert.

Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben von zwei elektrischen Maschinen in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie ein Antriebsstrang mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung betrifft im Einzelnen ein Verfahren zum Betreiben von zwei elektrischen Maschinen in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, wobei der Antriebsstrang eine erste elektrische Maschine aufweist, die motorisch und generatorisch betreibbar ist und die über einen ersten Stromrichter (der z.B. als ein Inverter ausgebildet sein kann) mit einer Batterie elektrisch verbunden ist. Der Antriebsstrang weist weiterhin eine zweite elektrische Maschine auf, die ebenfalls motorisch und generatorisch betreibbar ist und die über einen zweiten Stromrichter (der z.B. als ein Inverter ausgebildet sein kann) mit der Batterie elektrisch verbunden ist. Es kann sich bei den elektrischen Maschinen beispielsweise um sog. Traktionsmaschinen, Rekuperationsmaschinen, Startergeneratoren usw. handeln.

Die Erfindung schlägt hier nun eine Lösung vor, um eine Überlastung der Batterie zu vermeiden, wenn die erste elektrische Maschine generatorisch betrieben wird, beispielsweise in Rekuperation (d.h. das Fahrzeug bewegt sich). Die Gefahr einer solchen Überlastung droht insbesondere dann, wenn die Batterie keine besonders große Kapazität, aber bereits einen relativ hohen Ladestand aufweist. Beispielsweise ist bei einem sog. Seriell-Parallelhybridfahrzeug die erste elektrische Maschine drehfest mit einer mechanischen Antriebsachse verbunden. Typischerweise kommen hier auch kleine Batterien zum Einsatz, die oft nur 2 - 3 kWh Speicherkapazität haben. Bei voller Batterie und gleichzeitiger Rekuperation über die erste elektrische Maschine wird die Batterie stark belastet. Selbst wenn sich der erste Stromrichter dabei im sog. Freilauf (alle Gleichrichterelemente, z.B. MOSFET, IGBT geöffnet) befindet, überträgt er weiterhin Energie in die Batterie. Dies kann zu einer Schädigung der Batterie bzw. zu einer schnelleren Alterung führen. Dieses Problem kann grundsätzlich bei allen elektrisch betriebenen bzw. betreibbaren Fahrzeugen auftreten. Es kann auch bei Fahrzeugen mit einer sehr großen Batteriekapazität (z.B. auch mit mehr als 8 kWh oder mehr als 25 kWh) auftreten, wenn z.B. die Batterie nahezu oder vollständig voll aufgeladen ist und es, z.B. durch Rekuperation, zu einem Energietransfer einer elektrischen Maschine in Richtung zur Batterie kommt.

Weiterhin vorteilhaft kann z.B. durch das vorgeschlagene Verfahren auch das Abschleppen eines derartigen Fahrzeuges (mit rollenden Achsen) vereinfacht bzw. sogar erst ermöglicht werden. Denn beim Abschleppen kann es zu einer stetigen Rekuperation mittels der ersten elektrischen Maschine kommen. Durch die zweite Maschine kann dann eine möglicherweise überschüssige elektrische Energie, die z.B. nicht (mehr) der Batterie zugeführt werden soll, abgebaut werden. Dies kann auch für rein elektrisch betriebene Fahrzeuge gelten, die z.B. zwei von unterschiedlichen elektrischen Maschinen angetriebene Achsen und/oder zwei von je einer elektrischen Maschine angetriebene Räder aufweisen.

Deshalb wird dann, wenn die erste elektrische Maschine durch Ansteuerung des ersten Stromrichters generatorisch betrieben wird und elektrische Leistung ausgibt, der zweiten elektrischen Maschine elektrische Leistung zugeführt, und die zweite elektrische Maschine wird durch Ansteuerung des zweiten Stromrichters zumindest im Wesentlichen drehmomentfrei betrieben. Mit anderen Worten wird die zweite elektrische Maschine als elektrische Last betrieben, wobei im Wesentlichen kein Drehmoment erzeugt werden soll, sondern nur bzw. zumindest zum überwiegenden Teil ohmsche Verluste. Elektrische Leistung, insbesondere insoweit als eine Überlastung der Batterie vermieden werden soll, wird durch die zweite elektrische Maschine bzw. deren Ständerwicklung in Wärme umgewandelt. Insbesondere wird der zweiten elektrischen Maschine elektrische Leistung in Höhe von mindestens 10% oder mindestens 20% oder mindestens 50%, vorzugsweise aber bis zu 100%, der von der ersten elektrischen Maschine abgegebenen elektrischen Leistung zugeführt. Auf diese Weise kann eine Überlastung und Schädigung der Batterie sicher vermieden werden. Die Erfindung entfaltet besondere Vorteile, wenn die Batterie eine Kapazität von weniger als 5 kWh aufweist, da dann die Gefahr einer Schädigung besonders groß ist. Sie ist aber nicht auf derartige Batteriekapazitäten beschränkt. Der Ausdruck "im Wesentlichen drehmomentfrei" ist dabei derart zu verstehen, dass überhaupt kein Drehmoment erzeugt wird oder zumindest kein Drehmoment erzeugt wird, welches den Rotor in (dauernde) Bewegung bzw. Drehung versetzen kann bzw. eine bestehende Drehung nicht aufrecht erhält bzw. unterstützt. Beispielsweise kann ein sehr geringes Drehmoment erzeugt werden, welches jedoch nicht ausreicht, den Rotor in Drehung zu versetzen gegen innere mechanische Widerstände wie z.B. Reibung oder gegen die mechanischen Widerstände von mit dem Rotor gekoppelten Komponenten, z.B. eines Verbrennungsmotors im Stillstand. Beispielsweise kann darunter ein Drehmoment verstanden werden, welches höchstens 10%, bevorzugt höchstens 5% desjenigen Drehmoments beträgt, welches zur Erzeugung oder Aufrechterhaltung einer aktuellen Bewegung notwendig ist.

Vorzugsweise wird die so (aus dem der zweiten Maschine zugeführten Strom bzw. der zugeführten elektrischen Leistung) erzeugte (Verlust-)Wärme zum Heizen von Komponenten im Fahrzeug, wie z.B. einem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors, einem Kühlkreislauf der Batterie, eines Fahrzeuginnenraums usw. verwendet. Dadurch kann der Wirkungsgrad erhöht werden. Die Wärme kann z.B. mittels eines Kühlkreislaufs der zweiten elektrischen Maschine an die vorgenannten Verbraucher geleitet werden.

In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite elektrische Maschine mit einem insbesondere in oder im Wesentlichen in d-Richtung stehenden Stromzeiger im d/q-Koordinatensystem betrieben wird. Dies hat den Vorteil, dass dadurch in einfacher Weise ein drehmomentfreier Betrieb ermöglicht wird. Unter einem drehmomentfreien Betrieb kann beispielsweise ein Betrieb verstanden werden, bei dem ein drehmomentbildender Strom l _q (im d/q-Koordinatensystem) im Wesentlichen null ist und ein Blindstrom Id im Wesentlichen den gesamten Statorstrom darstellt. Es ergibt sich dadurch z.B. ein resultierender Stromzeiger in d-Richtung, d.h. die zweite elektrische Maschine wird insbesondere mit einem, insbesondere im Wesentlichen (+/-25°, bevorzugt +/- 15°), in d-Richtung stehenden Stromzeiger im d/q-Koordinatensystem betrieben. Das Statorfeld rotiert (im Wesentlichen) synchron und ohne Winkelverschiebung mit dem Rotorfeld. Durch Vorgabe des Betrags des Stromzeigers (also seiner Länge) kann die von der zweiten elektrischen Maschine aufgenommene und in Wärme umgewandelte Leistung in einem breiten Bereich vorgegeben werden. Dies ist durch eine entsprechende Ansteuerung des Stromrichters möglich. Mit anderen Worten ist also die (Blind-) Leistungsaufnahme der zweiten elektrischen Maschine vorteilhaft frei vorgebbar. Sie kann z.B. gezielt an die überschüssige Leistung angepasst werden bzw. in Abhängigkeit von der Wärmeaufnahmekapazität des Kühlkreislaufs gesteuert werden.

"Im Wesentlichen null" soll null, aber auch ein geringes Schwingen bzw. Zittern des Stroms l _q um null beinhalten. Beispielsweise kann eine solche Schwingungsamplitude derart gewählt sein, dass sie nicht zu mehr als höchstens 10%, bevorzugt höchstens 5% desjenigen Drehmoments beiträgt, welches zur Aufrechterhaltung einer aktuellen Bewegung notwendig ist. Bekanntermaßen können Betrag und Richtung des Stromzeigers durch eine entsprechende pulsbreitenmodulierte Ansteuerung des Stromrichters vorgegeben bzw. eingestellt werden.

In einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass die zweite elektrische Maschine mit einem rotierenden Stromzeiger im d/q-Koordinatensystem betrieben wird. Auf diese Weise kann ein drehmomentfreier Betrieb vorteilhaft in sehr einfacher Weise erzielt werden. Unter einem drehmomentfreien Betrieb kann im Rahmen der Erfindung auch ein Betrieb verstanden werden, bei dem der Effektivwert bzw. zeitliche Mittelwert des Drehmoments null ist, d.h. die zweite elektrische Maschine wird insbesondere mit einem rotierenden Stromzeiger im d/q-Koordinatensystem betrieben. Mit anderen Worten: der Stromzeiger in den Statorwicklungen rotiert, jedoch wird die Ansteuerung des Stromzeigers so gewählt, dass dabei kein (wirksames) Drehmoment auf den Rotor übertragen wird bzw. das sich über ein zeitliches Mittel bzw. eine Mittelung über eine oder mehrere Rotationsperioden das Drehmoment zu Null ergibt. Das Statorfeld rotiert (insbesondere deutlich) schneller oder langsamer (bis hin zu Stillstand) als das Rotorfeld. Die Rotationsfrequenz kann dabei beispielsweise so hoch gewählt werden, dass sie ein Vielfaches der Grundfrequenz (die zum Betrieb der elektrischen Maschine bei einer gegebenen Drehzahl benötigte Frequenz) beträgt, beispielsweise mindestens das 10-fache oder mindestens das 20-fach. Ein rotierender Stromzeiger lässt sich beispielsweise durch eine Erhöhung der Taktfrequenz der Pulsbreitenmodulation erreichen.

Bei den genannten Ausführungsformen ist die Verlustleistung bzw. Blindleistung größer als die (mechanische) Wirkleistung, z.B. mindestens um einen Faktor 10, 100, 1000 oder noch mehr.

Vorzugsweise wird die zweite elektrische Maschine so betrieben, dass ihre Verlustleistung bzw. Blindleistung einem Anteil von wenigstens 10% oder wenigstens 20% oder wenigstens 50% oder wenigstens 75% der von der ersten elektrischen Maschine erzeugten elektrischen Leistung entspricht, insbesondere demjenigen Anteil der von der Batterie nicht mehr aufgenommen werden kann, ohne diese zu überlasten bzw. zu schädigen.

Je nachdem, ob der Rotor der zweiten elektrischen Maschine dreht oder nicht, dreht sich im drehmomentfreien Betrieb auch das Statorfeld (oder nicht). Ist beispielsweise die zweite elektrische Maschine drehmomentübertragend mit einer Antriebsachse verbunden und der Rotor dreht sich, dreht sich auch das Statorfeld synchron dazu mit (jedoch im Wesentlichen ohne Winkelverschiebung, d.h. Polradwinkel im Wesentlichen null).

Beispielsweise kann bei einer Bergabfahrt eines E-Fahrzeugs, welches zwei elektrische Maschinen (z.B. an Vorderachse und Hinterachse) aufweist bei voller Batterie die erste elektrische Maschine rekuperieren. Der Rotor der zweiten elektrischen Maschine dreht z.B. wegen einer festen Kopplung mit den Rädern im Stator. Um nun die überschüssige elektrische Energie der ersten elektrischen Maschine in der zweiten elektrischen Maschine abzubauen, kann z.B. deren Statorfeld so kommutiert werden, dass der Stromzeiger im Wesentlichen in der d- Richtung steht und vorwiegend Verlustleistung erzeugt wird. Dafür muss das Statorfeld in Abhängigkeit von der Drehfrequenz des Rades gedreht werden (ggf. ist eine Übersetzung eines Getriebes mit zu berücksichtigen).

Auf diese Weise kann rekuperierend gebremst werden und die mechanische Bremse geschont werden, obwohl die Batterie (annährend) voll ist.

Alternativ vorzugsweise wird die zweite elektrische Maschine so betrieben, dass sich ihr Rotor nicht dreht. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für den Fall, dass die zweite elektrische Maschine mit einem Verbrennungsmotor drehmomentübertragend verbunden ist.

Anstelle des drehmomentfreien Betriebs könnte die zweite elektrische Maschine zum Abbau der überschüssigen elektrischen Leistung der ersten elektrischen Maschine auch motorisch betrieben werden, um einen mit ihr verbundenen (und ggf. abgeschalteten, d.h. nicht verbrennend tätigen) Verbrennungsmotor zu schleppen. Auch damit könnte ein wesentlicher Teil der von der ersten elektrischen Maschine erzeugten Energie wieder "vernichtet" werden. Dieses Schleppen des Verbrennungsmotors hat aber den Nachteil, dass z.B. der Katalysator auskühlt und mit Sauerstoff gesättigt wird, und möglicherweise Schadstoffe (Kohlenwasserstoffe) aus dem Ölfilm entstehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dreht der Verbrennungsmotor jedoch nicht, so dass diese Nachteile vermieden werden. Der Verbrennungsmotor ist also abgeschaltet und dadurch kann vorteilhaft der Abbau der überschüssigen elektrischen Leistung in besonders einfacher Weise in der zweiten elektrischen Maschine erfolgen. Beispielsweise reicht dann ein lediglich statisch festgelegter Stromzeiger, um die überschüssige elektrische Leistung der ersten elektrischen Maschine in der zweiten elektrischen Maschine in thermische Verlustwärme umzuwandeln.

Vorzugsweise wird die Batterie auf eine Überlastung überwacht, und bei, insbesondere ausschließlich bei, erkannter Überlastung der Batterie wird die elektrische Leistung zumindest teilweise (z.B. zu wenigstens 5% oder wenigstens 10% oder wenigstens 20%) der zweiten elektrischen Maschine (und hier insbesondere ihrer Statorwicklung) zugeführt und die zweite elektrische Maschine wird (im Wesentlichen) drehmomentfrei betrieben. Damit kann die Erfindung vorteilhaft zum reinen Überlastschutz der Batterie eingesetzt werden.

Weiter vorteilhaft wird bei nicht erkannter Überlastung der Batterie die zweite elektrische Maschine nicht drehmomentfrei betrieben. Sie kann also insbesondere motorisch oder generatorisch, je nach Anwendungsfall betrieben werden, und dient nicht alleine dazu, elektrische Energie in Wärme umzuwandeln. Insbesondere kann in diesem Fall von der ersten elektrischen Maschine erzeugte Leistung der Batterie und/oder Verbrauchern im Fahrzeug zugeführt werden, um gespeichert bzw. genutzt zu werden. Bei dieser Ausführungsform wird der Überlastschutz vorteilhaft nur bei Bedarf eingesetzt, und andernfalls wird der Antriebsstrang auf normale Weise betrieben. Beispielsweise kann bei leerer oder fast leerer Batterie im Falle einer Rekuperation mittels der ersten elektrischen Maschine durchaus noch die Batterie durch die zweite elektrische Maschine zusätzlich geladen werden, sei es, dass die zweite elektrische Maschine ebenfalls z.B. während eines Bremsvorgangs rekuperierend betrieben wird (z.B. wenn an jeder Achse und/oder an jedem Rad eine elektrische Maschine angeordnet ist), oder sei es, dass die zweite elektrische Maschine von einem bzw. dem Verbrennungsmotor generatorisch betrieben wird, um elektrische Leistung zu erzeugen, z.B. in einer seriellen Hybridtopologie.

Insbesondere wird die Batterie auf eine Überlastung überwacht, indem wenigstens ein Batteriewert überwacht wird, und eine Überlastung der Batterie wird erkannt, wenn der wenigstens eine Batteriewert einen Schwellwert erreicht. Es versteht sich, dass bei einem oberen Schwellwert nach dem Erreichen ggf. ein Überschreiten kommt, bzw. bei einem unteren Schwellwert nach dem Erreichen ggf. ein Unterschreiten, und beides ebenso weiterhin als Überlastung erkannt wird. Ein geeigneter Batteriewert ist lediglich beispielsweise die Batteriespannung, die z.B. mit einem oberen Schwellwert verknüpft ist. Auch die Temperatur kann lediglich beispielhaft als geeigneter Batteriewert überwacht werden. Auch eine Abhängigkeit des Schwellwerts von der Temperatur kann vorteilhaft sein. Es versteht sich, dass weitere physikalische Größen ebenfalls als Batteriewert geeignet sein können. Auf diese Weise kann vorteilhaft mit einfachen Mitteln der Abbau von überschüssiger elektrischer Leistung der ersten elektrischen Maschine zielgenau eingeleitet werden.

Vorzugsweise wird die Blindleistung bzw. Verlustleistung der zweiten elektrischen Maschine in Abhängigkeit von dem Batteriewert vorgebeben. Damit kann die Überlastfunktion besonders genau gesteuert werden. Die Art der Abhängigkeit, z.B. linear oder quadratisch o.ä., kann der Fachmann für den konkreten Anwendungsfall geeignet wählen.

Vorzugsweise wird im Falle einer Überlastung wenigstens ein elektrischer Verbraucher in dem Fahrzeug aktiviert, insbesondere aus einem nicht aktiven Zustand oder aus einem Zustand, der nur wenig elektrische Energie verbraucht, und elektrische Leistung wird (auch) diesem elektrischen Verbraucher zugeführt. Damit kann insbesondere für den Fall, dass die zweite elektrische Maschine alleine nicht in der Lage ist, die überschüssige Leistung aufzunehmen, Abhilfe geschaffen werden. Auch wird dadurch der Wirkungsgrad weiter erhöht. Vorzugsweise handelt es sich bei dem wenigstens einen Verbraucher um einen mit einer möglichst großen Leistungsaufnahme. Vorzugsweise handelt es sich bei dem wenigstens einen Verbraucher um eine Katheizung, eine Klimaanlage, eine Batterieheizung, einen Bordrechner für rechenintensive Anwendungen, (z.B. Datenbankaktualisierung, Updates, Kl-Lernen, usw.) usw. Es versteht sich, dass insbesondere die Batterie (und ggf. die zugehörigen Steuereinheiten wie z.B. ein Batteriemanagementsystem) kein elektrischer Verbraucher in diesem Sinne ist. Es kann auch vorgesehen sein, die Leistungsaufnahme eines bereits aktiven Verbrauchers zu erhöhen, z.B. indem bei einer Klimaanlage ein Stromsparmodus deaktiviert wird, um (temporär) eine höhere elektrische Leistung abzurufen.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines (Kraft-) Fahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Antriebsstrang eines Fahrzeugs vorgesehen, der eine erste elektrische Maschine aufweist, die motorisch und generatorisch betreibbar ist und die über einen ersten Stromrichter mit einer Batterie elektrisch verbunden ist. Der Antriebsstrang weist weiterhin eine zweite elektrische Maschine auf, die motorisch und generatorisch betreibbar ist und die über einen zweiten Stromrichter mit der Batterie elektrisch verbunden ist. Der Antriebsstrang weist weiterhin eine Recheneinheit wie vorstehend beschrieben auf. Dadurch wird vorteilhaft ein Antriebsstrang bereitgestellt, der sehr energieeffizient arbeitet und bei dem eine Überlastung der Batterie durch das übermäßige Zuführen von elektrischer Energie vermieden wird. Weiterhin vorteilhaft wird dadurch, insbesondere bei einer Ausgestaltung des Antriebsstrangs als serielle Hybridtopologie, eine Belastung der Umwelt und eine Abnutzung der zweiten elektrischen Maschine vermieden, da diese den Verbrennungsmotor nicht im abgeschalteten Zustand motorisch schleppen muss, um die überschüssige elektrische Energie abzubauen.

Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit zwei elektrischen Maschinen, wie er der Erfindung zugrunde liegen kann.

Figur 2 zeigt schematisch den Ablauf einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1 ist ein Antriebsstrang 100, wie er der Erfindung zugrunde liegen kann, schematisch dargestellt. Der Antriebsstrang ist hier beispielhaft mit Rädern 110 gezeigt, die die Verbindung des Fahrzeugs zum Untergrund darstellen. Es versteht sich jedoch, dass auch nicht landgestützte Fahrzeuge, z.B.

Wasserfahrzeuge oder Flugfahrzeuge einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang aufweisen können. Beispielsweise handelt es sich bei dem dargestellten Antriebsstrang 100 um einen sogenannten Seriell-Parallelhybridantrieb, bei dem eine erste elektrische Maschine 120 als Traktionsantrieb mit z.B. zwei Rädern 110 verbunden ist. Im gezeigten Beispiel handelt es sich um eine direkte Verbindung ohne Kupplung, sodass neben einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 120 zum Antreiben der Räder 110 auch ein generatorischer Betrieb, insbesondere zur sogenannten Rekuperation, d.h. Rückgewinnung von Bewegungsenergie zum Bremsen, möglich ist.

Die erste elektrische Maschine 120 ist über einen ersten Stromrichter 130 mit einer Batterie 140 (elektrisch) verbunden. Die Batterie dient einerseits zur Energieversorgung der ersten elektrischen Maschine 120, um diese motorisch zu betreiben, und andererseits als Energiespeicher für von der ersten elektrischen Maschine 120 in einem generatorischen Betrieb abgegebene elektrische Leistung.

Die Batterie 140 ist weiterhin über einen zweiten Stromrichter 150 mit einer zweiten elektrischen Maschine 160 verbunden, die grundsätzlich ebenfalls motorisch und generatorisch betrieben werden kann. Die zweite elektrische Maschine 160 ist drehmomentübertragend mit einem Verbrennungsmotor 170 verbunden, wobei die Verbindung vorliegend lediglich beispielhaft ebenfalls direkt und ohne Kupplung ausgeführt ist. Der Verbrennungsmotor 170 kann in einer Ausführungsform ebenfalls als Antriebsmotor dienen und mit Rädern 110 verbunden sein, z.B. mit Rädern einer anderen Achse als derjenigen der ersten elektrischen Maschine 120.

Alternativ kann er ebenso als sogenannter "Range Extender" dienen und zum elektrischen Laden der Batterie 140 eingesetzt werden.

In einer Ausführungsform, der Topologie eines Seriell-Hybrid-Fahrzeugs, kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor 170 ausschließlich zum Laden der Batterie eingesetzt wird und dabei nicht mechanisch mit den Rädern 110 gekoppelt ist. Auch die zweite elektrische Maschine 160 ist nicht mit den Rädern 110 mechanisch gekoppelt. In dieser Ausführungsform kann der Verbrennungsmotor 170 z.B. mit annährend konstanter Drehzahl in einem Wirkungsgradoptimum betrieben werden und dient in einem Normalbetrieb zusammen mit der zweiten elektrischen Maschine 160 lediglich dazu, die Batterie 140 zu laden. Die Batterie 140 kann in einer solchen Topologie beispielsweise eine relativ geringe Kapazität von z.B. weniger als 5 kWh aufweisen, wobei dies nicht zwingend ist und auch größere Batteriekapazitäten möglich sind. Die Batterie 140 kann z.B. die Funktion haben, Energie zwischenzuspeichern, falls ein Fahrer kurzfristig mehr elektrische Leistung anfordert, als der Verbrennungsmotor 170 in seinem Betriebspunktoptimum im Zusammenwirken mit der zweiten elektrischen Maschine 160 bereitstellen kann, oder um rekuperierte Energie zu speichern oder dergleichen.

In einer weiteren optionalen Ausführungsform kann anstelle des Verbrennungsmotors 170 auch die zweite elektrische Maschine 160 als Antriebsmaschine mit Rädern 110 verbunden sein, d.h. das Fahrzeug weist dann keinen Verbrennungsmotor auf. Grundsätzlich kann also jede Hybrid-Topologie verwendet werden, bei der zwei elektrische Maschinen 120, 160 eingesetzt sind. Oder auch ein reines Elektrofahrzeug, sofern es zwei elektrische Maschinen 120, 160 aufweist, z.B. an zwei Achsen oder auch an zwei Rädern.

Das Fahrzeug weist weiterhin wenigstens einen elektrischen Verbraucher 190 auf, der nicht mit der Batterie 140, der ersten elektrischen Maschine 120 oder der zweiten elektrischen Maschine 160 identisch ist. Eine Recheneinheit 180 dient zum Ansteuern des ersten Stromrichters 130 und des zweiten Stromrichters 150 und von einem oder mehreren Verbrauchern 190 sowie zum Überwachen der Batterie 140.

Insbesondere in einer Ausführungsform, in der die Batterie 140 eine relativ geringe Kapazität von beispielsweise weniger als 5 kWh aufweist, kann es im Fall, dass die erste elektrische Maschine 120 generatorisch betrieben wird, somit insbesondere bei einer Rekuperation, vorkommen, dass die Batterie 140 nicht in der Lage ist, die von der ersten elektrischen Maschine 120 erzeugte Rekuperationsleistung vollständig aufzunehmen. Dies kann auch bei größeren Batterien der Fall sein, wenn diese (annährend) vollgeladen sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, die nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben wird, kann solchen Situationen im Rahmen der Erfindung effektiv begegnet werden.

Das Verfahren beginnt in einem Schritt 200.

In einem Schritt 201 wird ein Rekuperationsbetrieb der ersten elektrischen Maschine 120 angefordert, beispielsweise indem ein Fahrer des Fahrzeugs vom Gas geht oder bremst.

In einem Schritt 202 wird der erste Stromrichter 130, insbesondere von der Recheneinheit 180, entsprechend so angesteuert, dass die erste elektrischen Maschine 120 generatorisch betrieben wird und elektrische Leistung ausgibt, hier über den ersten Stromrichter 130 an die Batterie 140. In einem Schritt 203 wird die Batterie 140, hier ebenfalls beispielhaft von der Recheneinheit 180, auf eine Überlastung überwacht, indem insbesondere eine Batteriespannung, eine Temperatur, etc. als Batteriewert erfasst und in einem Schritt 204 mit einem oberen Spannungsschwellwert bzw.

Temperaturschwellwert, etc. verglichen werden. Erreicht oder überschreitet die Batteriespannung den Spannungsschwellwert bzw. die Temperatur den Temperaturschwellwert, wird zu einem Schritt 206 verzweigt. Ansonsten (d.h. es wird keine Überlastung festgestellt) wird mit Schritt 205 fortgefahren.

Schritt 206 dient dazu, eine Schädigung der Batterie 140 durch die von der ersten elektrischen Maschine 120 abgegebene elektrische Leistung zu vermeiden. Zu diesem Zweck wird der zweite Stromrichter 150, insbesondere von der Recheneinheit 180, so angesteuert, dass die zweite elektrische Maschine 160 überschüssige Leistung aufnimmt. Zu diesem Zweck wird der zweiten elektrischen Maschine 160 elektrische Leistung aus der Batterie 140 bzw. der ersten elektrische Maschine 120 zugeführt, wobei jedoch die zweite elektrische Maschine 160 durch eine entsprechende Ansteuerung des zweiten Stromrichters 150 ganz oder zumindest im Wesentlichen drehmomentfrei betrieben wird. Bevorzugt wird die zweite elektrische Maschine 160 dabei mit einem (im Wesentlichen) in d-Richtung stehenden Stromzeiger im d/q- Koordinatensystem betrieben, wobei eine Abweichung von der d-Richtung (bei stehender zweiter elektrischer Maschine kann dies als Nulllage (DC-Betrieb) bezeichnet werden) um höchstens +/-30 ⁰ , bevorzugt von höchstens +/-15° und ganz besonders bevorzugt um höchstens +/-5°, z.B. 1° oder 2° oder 3° oder 4° oder 5°, möglich ist.

Bekanntermaßen können insbesondere bei Drehstrommotoren Ansteuerungen verwendet werden, die dafür sorgen, dass in dem Drehstrommotor eine definierte Ausrichtung der Flussdichteverteilung vorliegt. Hierbei wird üblicherweise eine Pulsbreitenmodulation (PWM, "pulse width modulation") angewendet. Um einen Drehstrommotor kontinuierlich (sinusförmig) kommutieren zu können, wird insbesondere eine Spannungsraumzeigermodulation in dem Stromrichter vorgenommen. Ein solcher Stromrichter kann für jede Phase des Drehstrommotors eine Halbbrücke aufweisen. Dadurch werden die Ausgangsspannungen der Phasen sowohl auf positives als auch auf negatives Potential der Batterie gelegt. Um einen beliebigen Spannungsraumzeiger auszugeben, können zwei (nicht zueinander parallele) Spannungsraumzeiger abwechselnd ausgegeben werden. Die Dauer, die jeder Spannungsraumzeiger angelegt wird, hängt von der Schaltfrequenz der Modulation und der Winkellage des Spannungsraumzeigers ab. Der resultierende Spannungsraumzeiger wird durch das Verhältnis der beiden Zeiten definiert. In dem Drehstrommotor ergibt sich durch diese Ausgabe der Spannungsraumzeiger ein gemittelter Strom und somit der gewünschte Spannungsraumzeiger, d.h. die gewünschte Ausrichtung der magnetischen Flussdichte. Um auch die Amplitude der Ausgangsspannung, also den Betrag des Spannungsraumzeigers, beliebig wählen zu können, werden nicht nur zwei Spannungsraumzeiger abwechselnd ausgegeben, sondern diese noch um einen Nullzeiger ergänzt. Durch diesen kann der Betrag des resultierenden Spannungsraumzeigers reduziert werden. Der Betrag des resultierenden Spannungsraumzeigers hängt vom Verhältnis der Einschaltzeit der aktiven Spannungsraumzeiger und der Einschaltzeit des Nullzeigers ab. Die drei oder vier beteiligten Spannungsraumzeiger (und somit Schalterstellungen) werden also pulsbreitenmoduliert.

In der beschriebenen Situation besteht kein Bedarf an zusätzlichem Antriebsdrehmoment, sodass der Verbrennungsmotor 170 zweckmäßigerweise nicht befeuert ist und dementsprechend auch nicht selbstständig dreht. Durch die beschriebene Ausführungsform der Erfindung kann eine Leistungsaufnahme durch die zweite elektrische Maschine 160 erfolgen, ohne dass ein motorischer Betrieb stattfindet, welcher den Verbrennungsmotor 170 ebenfalls mitdrehen würde. Wie erwähnt, können die dadurch verursachten Nachteile wie z. B. ein Auskühlen eines den Verbrenner nachgeschalteten Katalysators und/oder ein Sättigen mit Sauerstoff und/oder eine Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen oder anderer Schadstoffe in die Umwelt vermieden werden.

Die überschüssige elektrische Leistung kann somit z.B. als ohmscher Verlust (als Verlustleistung) z.B. in den Statorwicklungen der zweiten elektrischen Maschine 160 in Wärme umgewandelt werden. Diese Wärme kann z.B. durch ein Kühlsystem der zweiten elektrischen Maschine 160 vorteilhaft dazu verwendet werden, z.B. die Batterie oder einen Fahrgastraum oder dergleichen zu heizen oder einen Katalysator auf Betriebstemperatur zu halten bzw. zumindest ein Auskühlen zu verlangsamen. Beispielsweise kann das Verfahren derart gestaltet sein, dass die zweite elektrische Maschine 160 so betrieben wird, dass ihre Verlustleistung mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20%, besonders bevorzugt mindestens 50% und ganz besonders bevorzugt mindestens 75% eines Anteils der von der ersten elektrischen Maschine 120 erzeugten elektrischen Leistung entspricht.

Insbesondere kann das Verfahren derart gestaltet sein, dass die zweite elektrische Maschine 160 so betrieben wird, dass ihre Verlustleistung mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20%, besonders bevorzugt mindestens 50% und ganz besonders bevorzugt mindestens 75% eines Anteils der von der ersten elektrischen Maschine 120 erzeugten elektrischen Leistung entspricht, der von der Batterie 140 nicht aufgenommen werden kann, ohne diese zu überlasten bzw. zu schädigen.

Zusätzlich zum drehmomentfreien Betrieb der zweiten elektrischen Maschine 160 können zum Aufnehmen überschüssiger elektrischer Leistung auch ein oder mehrere Verbraucher 190 aktiviert und mit elektrischer Leistung versorgt werden. Vorzugsweise handelt es sich um Verbraucher mit großer Leistungsaufnahme, wie z.B. Katheizung, Klimaanlage, Batterieheizung, Bordrechner für rechenintensive Anwendungen, (z.B. Datenbankaktualisierung, Updates, Kl- Lernen, usw.) usw. Es kann auch vorgesehen sein, mit einem Teil der elektrischen Leistung der ersten elektrischen Maschine 120 z.B. eine Wirbelstrombremse, z.B. an einer anderen Achse als derjenigen, an der die erste elektrische Maschine 120 angeordnet ist, zu betreiben. Eine derartige Wirbelstrom bremse kann einer der Verbraucher 190 sein. Damit kann im Falle, dass die erste elektrische Maschine 120 die elektrische Energie beim Bremsen erzeugt, die Bremswirkung weitestgehend verschleißfrei weiter verbessert werden. Damit kann insbesondere für den Fall, dass die zweite elektrische Maschine 160 alleine nicht in der Lage ist, die überschüssige Leistung aufzunehmen, Abhilfe geschaffen werden. Auch wird dadurch der Wirkungsgrad des Fahrzeugs weiter erhöht.

In dem Schritt 205 wird keine Überlastung der Batterie 140 festgestellt, sodass die zweite elektrische Maschine 160 nicht drehmomentfrei betrieben werden muss.