FRÖHLER, Manfred (Zum Mühlweiher 12, Mühlhausen, 93333, DE)
| Patentansprüche Verfahren zum Betreiben einer als Fahrzeugantrieb vorgesehenen mehrphasigen elektrischen Maschine (12), umfassend ein Erzeugen von PWM-Pulsen zur Ansteuerung von Schaltelementen (Tl - T6) eines Wechselrichters (16) zur Bereitstellung von Phasenströmen (Iu, Iv, Iw) für die elektrische Maschine (12), wobei für jeden Phasenstrom (Iu, Iv, Iw) eine jeweilige PWM-Pulsfolge (Pu, Pv, Pw) mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz (fpwm) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz (fpwm) we¬ nigstens einer der PWM-Pulsfolgen (Pu, Pv, Pw) betriebsmäßig kontinuierlich variiert wird. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pulsfrequenz (fpwm) innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches variiert wird . Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Obergrenze (fmax) des Frequenzbereiches um maximal 20 %, insbesondere maxi mal 10 % von einer zeitlich gemittelten Pulsfrequenz abweicht . Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Untergrenze (fmin) des Frequenzbereiches um maximal 20 %, insbesonde re maximal 10 % von einer zeitlich gemittelten Pulsfrequenz abweicht. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Pulsfrequenz (fpwm) periodisch variiert wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Pulsfrequenz (fpwm) in zufälliger Weise variiert wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei gleichzeitig die Pulsfrequenzen (fpwm) von wenigstens zwei der PWM-Pulsfolgen (Pu, Pv, Pw) in gleicher Weise variiert werden, um die Pulse dieser PWM-Pulsfolgen (Pu, Pv, Pw) zueinander zu synchronisieren. Elektroantriebssystem (10) für ein Fahrzeug, umfassend - eine mehrphasige elektrische Maschine (12) in einem Antriebsstrang des Fahrzeuges, - einen von einer elektrischen Fahrzeugenergiequelle (14) versorgten Wechselrichter (16) zur Bereitstellung von Phasenströmen (Iu, Iv, Iw) für die elektrische Maschine (12) , - eine Steuereinrichtung (18) zum Erzeugen von PWM-Pulsen (Pu, Pv, Pw) zur Ansteuerung von Schaltelementen (Tl - T6) des Wechselrichters (16), wobei für jeden Phasen¬ strom (Iu, Iv, Iw) eine jeweilige PWM-Pulsfolge (Pu, Pv, Pw) mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz (fpwm) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) dazu ausgebildet ist, die Pulsfrequenz (fpwm) wenigstens einer der PWM-Pulsfolgen (Pu, Pv, Pw) betriebsmäßig kontinuierlich zu variieren. Elektroantriebssystem (10) nach Anspruch 8, wobei die Steuereinrichtung (18) die Erzeugung der PWM-Pulsfolgen (Pu, Pv, Pw) und die Pulsfrequenzvariation in programmgesteuerter Weise durchführt. |
Verfahren und System zum Elektroantrieb eines Fahrzeuges Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Systeme zum Elektroantrieb von Fahrzeugen, und insbesondere ein Betriebs ¬ verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Elektroantriebssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Ein derartiges Verfahren sowie ein derartiges System sind beispielsweise aus der DE 10 2008 052 923 AI bekannt. Gemäß dieses Stands der Technik ist zum Antrieb eines Kraftfahrzeu ¬ ges ein dreiphasiger Drehstrommotor vorgesehen. Ein von einer elektrischen Fahrzeugbatterie versorgter Wechselrichter stellt die drei zum Betrieb des Motors erforderlichen elekt ¬ rischen Phasenströme bereit. Hierfür werden elektrische
Schaltelemente des Wechselrichters durch pulsweitenmodulierte Pulse, kurz "PWM-Pulse" angesteuert, wobei die für die Pha ¬ senströme vorgesehenen PWM-Pulsfolge mit einer als "Schalt- frequenz des Wechselrichters" vorgegebenen Pulsfrequenz erzeugt werden.
Bei der konkreten Wahl der Pulsfrequenz des Wechselrichters ergibt sich in der Praxis folgender Zielkonflikt:
Einerseits ist es von Vorteil, wenn die Pulsfrequenz mög ¬ lichst groß gewählt wird, damit ein gewünschter (idealer) zeitlicher Phasenstromverlauf möglichst gut durch den tat ¬ sächlich vom Wechselrichter bereitgestellten Phasenstromver- lauf angenähert werden kann. Wenn z. B. ein sinusförmiger
Phasenstromverlauf bei einem mehrphasigen Drehstrommotor bei maximaler Motordrehzahl mit einer Phasenstromfrequenz von etwa 100 bis 200 Hz bereitgestellt werden soll, so erfordert dies eine PWM-Pulsfrequenz , die deutlich über der genannten Phasenstromfrequenz liegt. Aus praktischer Sicht, etwa zur Vermeidung von im Antriebsstrang störend wirkenden Oberwellenanteilen des Motordrehmomentes, sollte die PWM- Pulsfrequenz sogar um einige Größenordnungen größer als die Phasenstromfrequenz sein. Das Verhältnis zwischen der Pulsfrequenz (der PWM-Pulsfolge) und der Phasenstromfrequenz wird oftmals als Impulsverhältnis bezeichnet. Bei typischen Motor ¬ steuerungen wird beispielsweise ein Impulsverhältnis von etwa 10 1 bis 10 3 vorgesehen. Im vorstehend genannten Beispiel bringt dies eine Pulsfrequenz mit sich, die bereis im kHz- Bereich liegt (je größer, desto besser).
Andererseits sollte die Pulsfrequenz möglichst klein sein, um nämlich die mit jedem Schaltvorgang des Wechselrichters zwangsläufig verbundenen elektrischen Schaltverluste zu mini ¬ mieren. Dieser Aspekt besitzt eine große Bedeutung für die Energieeffizienz des betreffenden Elektroantriebssystems.
Bei dem oben erwähnten bekannten Elektroantriebssystem wird, gewissermaßen als Kompromiss, ein Wert der Pulsfrequenz von 8 kHz vorgeschlagen, wobei in einer ganz bestimmten Betriebssituation, nämlich bei über einem vorbestimmten Drehmomentniveau liegenden Antriebsdrehmoment, der Wechselrichter auf ei ¬ ne demgegenüber abgesenkte Pulsfrequenz eingestellt wird. Da- mit wird hinsichtlich der Energieeffizienz vorteilhaft die
Wahl der Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der momentanen Motorbetriebssituation vorgenommen .
Auch bei dem bekannten Elektroantriebssystem verbleibt jedoch ein gravierender Nachteil, der darin besteht, dass die Puls ¬ frequenz stets im akustisch hörbaren Bereich liegt, was sich in der Praxis (z. B. bei so genannten Hybridfahrzeugen oder reinen Elektrofahrzeugen für den Straßenverkehr) als störendes Summen oder Pfeifen bemerkbar macht. Durch die mechanische Konstruktion des Fahrzeuges bedingte mechanische Resonanzen können diesen z. B. vom Fahrer als störend wahrgenommenen Effekt noch verstärken.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System der eingangs genannten Art hinsichtlich der Erzeugung von akustischen Störgeräuschen zu verbessern. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Betriebsverfahren nach Anspruch 1 bzw. ein Elektroantriebssystem nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz wenigstens einer der PWM- Pulsfolgen betriebsmäßig kontinuierlich variiert wird.
Anstatt einer starren Pulsfrequenz, die allenfalls in einer ganz bestimmten Motorbetriebssituation abgesenkt wird, ist bei der Erfindung eine betriebsmäßig kontinuierliche Variati ¬ on der Pulsfrequenz zur Verringerung der akustischen Störungen vorgesehen. Durch die kontinuierliche Variation verteilt sich das akustische Störungsspektrum auf einen größeren Fre- quenzbereich, wodurch die entsprechenden akustischen Störungsamplituden entsprechend verringert werden. Die konti ¬ nuierliche Variation verringert darüber hinaus die Gefahr von mechanischen Resonanzen, da die "Anregungsfrequenz" ständig verändert wird. Das verbleibende Störgeräusch wird über einen größeren Frequenzbereich verteilt und insbesondere hinsichtlich der menschlich-akustischen Wahrnehmung deutlich reduziert . Die Erfindung kann besonders vorteilhaft für Straßenfahrzeuge mit reinem Elektroantrieb oder auch Hybridantrieb (aus Brenn ¬ kraftmaschine und elektrischer Maschine) eingesetzt werden, ist jedoch keineswegs auf diese Anwendungen eingeschränkt.
Der elektrische Antrieb kann eine oder mehrere elektrische Maschinen umfassen, von denen wenigstens eine, insbesondere sämtliche, in erfindungsgemäßer Weise angesteuert werden können .
Hinsichtlich der Gestaltung einer mehrphasigen elektrischen Maschine wie auch des hierfür verwendeten Wechselrichters kann vorteilhaft auf an sich bekannte Konzepte aus dem Stand der Technik zurückgegriffen werden. In dieser Hinsicht steht es dem Einsatz der Erfindung auch nicht entgegen, wenn die betreffende elektrische Maschine situationsbedingt auch als elektrischer Generator betreibbar ist, etwa zur regenerativen Energierückgewinnung beim Bremsen (allgemein: Verzögern) des Fahrzeuges .
Bei der elektrischen Maschine kann es sich insbesondere um einen mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Drehstrommotor bzw. Motor/Generator handeln. Der Wechselrichter kann in einfacher Weise als eine entsprechend der Anzahl von Phasen mehrfach ausgebildete Brückenschaltung implementiert sein, wie z. B. in der oben genannten DE 10 2008 052 923 AI dargestellt. Die Schaltelemente sind bevorzugt als Schalttransistoren, gegebenenfalls mit parallel geschalteten Freilaufdioden ausgebildet.
Jede der für die PWM-Pulsfolgen vorgesehenen Pulsfrequenzen kann einen zeitlichen Mittelwert z. B. im Bereich von 5 bis 15 kHz besitzen. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Pulsfrequenz innerhalb eines beispielsweise fest vorgegebenen Fre ¬ quenzbereiches variiert wird.
Die Obergrenze und/oder die Untergrenze dieses Frequenzberei ¬ ches weicht bevorzugt um maximal 20 %, insbesondere maximal 10 % von der zeitlich gemittelten Pulsfrequenz ab. In einer speziellen Ausführungsform werden die Obergrenze und/oder die Untergrenze nicht fest sondern in Abhängigkeit von einem mo ¬ mentanen Motorbetriebszustand (z. B. Drehzahl, Drehmoment etc . ) vorgegeben .
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Pulsfre- quenz periodisch variiert wird.
Hierbei ist bevorzugt, dass die Periode der Pulsfrequenzva ¬ riation kleiner als 100 ms, insbesondere kleiner als 50 ms ist, und/oder dass die Frequenz der Pulsfrequenzvariation kleiner als 1/10, insbesondere kleiner als 1/100 der zeitlich gemittelten Pulsfrequenz ist.
In einer speziellen Ausführungsvariante der periodischen Pulsfrequenzvariation ist vorgesehen, dass der Wert der Puls- frequenz sinusförmig (im zeitlichen Verlauf) variiert wird. Gemäß einer anderen speziellen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Pulsfrequenz dreieckförmig variiert wird. Allgemein ist es bevorzugt, dass der periodische Pulsfrequenz ¬ verlauf symmetrisch ist, also identische "positive und nega- tive Halbwellen" besitzt, wie dies z. B. für eine sinusförmige oder eine symmetrische (nicht sägezahnförmige) Dreiecks ¬ form der Fall ist. Alternativ oder zusätzlich zu einer periodischen Pulsfrequenzvariation kommt in Betracht, dass die Pulsfrequenz in zufälliger Weise variiert wird. Beispielsweise kann hierzu vorgesehen sein, dass die Pulsfre ¬ quenz gemäß einer so genannten "random walk"-Methode unter der Randbedingung einer vorgegebenen Maximalpulsfrequenz (Obergrenze) und einer vorgegebenen Minimalpulsfrequenz (Untergrenze) verändert wird. In einer Ausführungsvariante die- ser "random walk"-Methode wird die Pulsfrequenz (oder gleichbedeutend: der zeitliche Pulsabstand) nach jedem n-ten Puls in zufälliger Weise verändert, z. B. um ein bestimmtes Fre- quenzinkrement oder Frequenzdekrement, wobei n eine kleine natürliche Zahl bezeichnet (z. B. n im Bereich von 1 bis 4 ; entweder fest vorgegeben, oder von Veränderung zu Veränderung ebenfalls zufällig gewählt) . Das bei jeder Veränderung der Pulsfrequenz vorgesehene Inkrement bzw. Dekrement kann eben ¬ falls zufällig, jedoch bevorzugt in einem fest vorgegebenen Bereich liegend gewählt werden.
In einer Weiterbildung der "random walk"-Methode mit vorgegebenen Ober- und Untergrenzen der Pulsfrequenz ist vorgesehen, dass bei Erreichen der Obergrenze für den weiteren Verlauf der zufälligen Veränderung die Wahrscheinlichkeit für ein Dekrement höher als die Wahrscheinlichkeit für ein Inkrement vorgesehen wird, und bei Erreichen der Untergrenze diese bei ¬ den Wahrscheinlichkeiten vertauscht werden, d. h. für ein Inkrement eine höhere Wahrscheinlichkeit als für ein Dekrement vorgesehen wird. Ein derart "vorbelasteter" Zufall führt im Ergebnis zu einer ähnlichen Pulsfrequenzvariation wie eine streng periodisch vorgesehene Pulsfrequenzvariation, involviert jedoch ein zusätzliches Zufallselement. Die vorbelaste ¬ ten Wahrscheinlichkeiten und die zugehörigen Inkrement- bzw. Dekrementwerte können hierbei z. B. so gewählt werden, dass der statistische Erwartungswert einer "Frequenz" der Pulsfre ¬ quenzvariation die oben für eine periodische Pulsfrequenzva ¬ riation erläuterten Kriterien erfüllt. Wenn die "random walk"-Methode in Echtzeit, d. h. während des zu steuernden Betriebs der elektrischen Maschine durchgeführt wird, so erfordert dies einen mehr oder weniger großen Rechenaufwand (einschließlich der Erzeugung von Zufallszahlen) . Es müssen Berechnungen innerhalb jeweils relativ kurzer Zeit- spannen durchgeführt werden - je nach gewählter (zeitlich ge- mittelter) Pulsfrequenz. Dieser Aufwand kann z. B. dann gerechtfertigt sein, wenn einer oder mehrere Parameter des "random walk" (Wahrscheinlichkeiten, Inkremente, Dekremente, Pulsfrequenzgrenzen) von einem oder mehreren nur in Echtzeit erhältlichen Betriebsparametern der elektrischen Maschine (z. B. momentane Drehzahl etc.) oder des betreffenden Fahrzeuges (z. B. momentane Fahrzeitgeschwindigkeit etc.) abhängig sein sollen . Insbesondere für den Fall, dass keine derartige Abhängigkeit vorgesehen sein soll, so ist eine Ausführungsvariante der "random walk"-Methode bevorzugt, bei welcher die in zufälli ¬ ger Weise variierte Pulsfrequenz nicht in Echtzeit berechnet wird, sondern bereits vorab berechnet (oder in anderer Weise festgelegt) und in einer Speichereinrichtung abgespeichert wurde. Die in Echtzeit durchzuführende Pulsfrequenzvariation kann dann sehr einfach auf Basis von Informationen erfolgen, die aus der betreffenden Speichereinrichtung ausgelesen werden (z. B. Speichereinrichtung in einem elektronischen Steu- ergerät) . Eine vorab gespeicherte "Zufallsfolge" kann aller ¬ dings nur eine endliche Länge besitzen. In diesem Fall kann jedoch eine solche Folge in der Praxis wiederholt abgerufen werden, um eine länger andauernde Pulsfrequenzvariation zu realisieren . Auch eine "Mischform" einer EchtZeitberechnung und einer zuvor durchgeführten Berechnung ist denkbar. Beispielsweise können Folgen von Zufallszahlen zur Verwendung bei der Be- Stimmung von Wahrscheinlichkeiten und/oder Inkrementen und Dekrementen vorab festgelegt und gespeichert sein, um die Echtzeitberechnung in Teilen zu vereinfachen. In einer anderen Variante ist vorgesehen, dass mehrere verschiedene Puls ¬ frequenzvariationen vorab festgelegt und abgespeichert wurden (die sich z. B. hinsichtlich ihrer Pulsfrequenzobergrenze und/oder Pulsfrequenzuntergrenze voneinander unterscheiden), wobei in Echtzeit dann lediglich noch bestimmt wird, auf wel ¬ che der abgespeicherten Pulsfrequenzvariationen zurückzugreifen ist (z. B. in Abhängigkeit von momentanen Betriebsparame- tern) .
Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass die Fre ¬ quenz wenigstens einer der PWM-Pulsfolgen betriebsmäßig kontinuierlich variiert wird, mit welcher die betreffende (n) PWM-Pulsfolge (n) erzeugt wird (werden). Die "Pulsfrequenz" kann z. B. durch die zeitlichen Positionen der Anstiegsflanken der PWM-Pulse definiert sein. Abweichend davon könnte die Pulsfrequenz auch durch eine andere, jedem Puls immanente zeitliche Position definiert sein, also z. B. durch die zeit- liehen Positionen der Abfallflanken, oder z. B. durch die zeitlichen Positionen Pulsmitten.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass gleichzeitig die Pulsfrequenzen von wenigstens zwei der PWM- Pulsfolgen in gleicher Weise variiert werden, um die Pulse dieser PWM-Pulsfolgen zueinander zu synchronisieren. Insbesondere kann in dieser Weise gleichzeitig die Pulsfrequenz sämtlicher PWM-Pulsfolgen (also z. B. der drei PWM-Pulsfolgen bei einem dreiphasigen Drehstrommotor) zur Synchronisation sämtlicher PWM-Pulsfolgen variiert werden.
Eine solche, für zwei oder mehr PWM-Pulsfolgen gemeinsame Pulsfrequenz kann z. B. die zeitlichen Positionen der Anstiegsflanken der PWM-Pulse definieren, so dass diese Anstiegsflanken für alle PWM-Pulsfolgen auf einem gemeinsamen "zeitlichen Raster" liegen. Eine derartige Synchronisation der PWM-Pulsfolgen untereinander besitzt Vorteile hinsich- tlich der Belastung der Antriebsenergiequelle (z. B. Traktionsbatterie bzw. Zwischenkreiskondensator) und vergleichmäßigt tendenziell den zeitlichen Drehmomentverlauf der elekt ¬ rischen Maschine. Außerdem vereinfacht eine derartige Syn ¬ chronisation unter Umständen den Aufwand zur Erzeugung der Pulsfolgen (z. B. mittels eines MikroControllers).
Das Elektroantriebssystem gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zum Erzeugen der PWM-Pulse vorgesehene Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Pulsfrequenz wenigstens einer der PWM-Pulsfolgen betriebsmäßig kontinuierlich zu variieren.
Hinsichtlich der Art und Weise dieser Pulsfrequenzvariation kann auf alle oben bereits beschriebenen Besonderheiten und Ausführungen, einzeln oder Kombination, zurückgegriffen werden .
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung die Erzeugung der PWM-Pulsfolgen und die Pulsfrequenzvariation in programmgesteuerter Weise durchführt. Hier zu kann die Steuereinrichtung z. B. als ein prozessorgesteuertes elektronisches Steuergerät enthaltend einen Mikro- controller oder als eine Funktionalität eines derartigen Steuergerätes ausgebildet sein. Die Erzeugung der PWM-Pulsfolgen, also insbesondere die eigentliche Pulsweitenmodulation, wie auch die erfindungsgemäß vorgesehene Pulsfrequenzvariation (gleichbedeutend: Pulsab- Standsvariation) können vorteilhaft durch einen gemeinsamen Software-Algorithmus durchgeführt werden, welcher als Ein ¬ gangsgrößen sensorisch ermittelte Maschinenbetriebsparameter (insbesondere Momentanwerte der Phasenströme und/oder Phasen ¬ spannungen) und Bedienungsparameter (insbesondere z. B. Fahr- pedalstellung etc.) erhält, um daraus Ausgangsgrößen zu erzeugen, welche insbesondere Steuersignale zur Generierung der PWM-Pulsfolgen oder die PWM-Pulsfolgen selbst beinhalten.
Alternativ oder zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Er- zeugung der PWM-Pulsfolgen und der Pulsfrequenzvariation in programmgesteuerter Weise kann auch vorgesehen sein, dass diese Pulsfolgenerzeugung und/oder Pulsfrequenzvariation mittels einer "festverdrahteten Logik" (oder auch "programmierbaren Logik") realisiert wird. Damit kann z. B. die Belastung eines Prozessors in einem programmgesteuerten Steuergerät vorteilhaft verringert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei ¬ spielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter be- schrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Elektroantriebsystems für ein Hybridfahrzeug, Fig. 2 ein detailierteres Blockschaltbild einiger Kompo ¬ nenten des Elektroantriebsystems von Fig. 1, Fig. 3 eine Zeitverlaufsdarstellung zur Veranschaulichung einer herkömmlichen Bereitstellung eines Phasenstromes durch einen Wechselrichter, eine Zeitverlaufsdarstellung zur Veranschauli chung einer erfindungsgemäßen Ansteuerung des Wechselrichters , eine Auftragung der Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der Zeit, gemäß einer ersten Ausführungsva ¬ riante, eine Auftragung der Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der Zeit, gemäß einer zweiten Ausführungsva ¬ riante, und eine Auftragung der Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der Zeit, gemäß einer dritten Ausführungsva ¬ riante .
Fig. 1 veranschaulicht ein Elektroantriebsystem 10, umfassend einen Elektromotor 12, einen von einer elektrischen Traktionsbatterie 14 versorgten Wechselrichter ("Inverter") 16 und eine Steuereinrichtung 18 zur Ansteuerung des Wechselrichters 16.
Das Elektroantriebsystem 10 ist in diesem Beispiel in ein Antriebssystem eines Hybridfahrzeuges eingebunden, bei wel ¬ chem zum Fahrzeugantrieb neben dem Elektromotor 12 auch noch eine Brennkraftmaschine 20, z. B. ein Ottomotor oder Diesel ¬ motor, in einem Antriebsstrang des betreffenden Fahrzeugs vorgesehen ist (so genannter Parallelhybrid) . In an sich bekannter Weise, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll, kann der Fahrzeugantrieb gemäß verschie ¬ dener Betriebsmodi erfolgen, in denen ein Radsatz 22 (z. B. Vorderräder oder Hinterräder eines Kraftfahrzeuges) entweder durch die Brennkraftmaschine 20 oder durch den Elektromotor 12 oder durch beide Antriebsquellen kombiniert angetrieben wird. Beim Verzögern des Fahrzeuges, z. B. beim aktiven Bremsen, kann eine regenerative Energierückgewinnung vorgesehen sein, bei welcher der Elektromotor 12 als elektrischer Gene- rator betrieben wird, um kinetische Energie des Fahrzeuges in elektrische Energie zurückzuwandeln und in die Traktionsbat ¬ terie 14 einzuspeichern. Hinsichtlich der vielfältigen Möglichkeiten betreffend die Anordnung der Antriebsquellen und deren Kopplung (z. B. über steuerbare Kupplungen, Getriebe etc.), sowie die Ansteuerung der genannten Betriebsmodi, sei auf den diesbezüglichen Stand der Technik verwiesen.
Für die vorliegende Erfindung wesentlich ist die Art und Wei ¬ se des durch Ansteuerung des Wechselrichters 16 realisierten Betriebs des Elektromotors 12. Auf diese Ansteurerung wird daher nachfolgend näher eingegangen.
Die Steuereinrichtung 18 erhält Bedienbefehle c und steuert auf dieser Basis unter Berücksichtigung von sensorisch er- fassten Betriebsparametern p des Hybridantriebssystems insbe ¬ sondere den Wechselrichter 16 und gegebenenfalls z. B. auch die Brennkraftmaschine 20.
Die Bedienbefehle c können z. B. eine Fahrpedalstellung bein- halten, welche repräsentativ für Beschleunigungs- bzw. Verzö ¬ gerungswünsche des Fahrers ist.
Die sensorisch ermittelten Betriebsparameter p beinhalten insbesondere die mit Bezug auf die Fig. 2 noch beschriebenen elektrischen Kenngrößen, welche im Bereich des Elektromotors 12 und/oder des Wechselrichters 16 durch entsprechende Sen ¬ soreinrichtungen erfasst werden. Fig. 2 zeigt detaillierter den Aufbau des Elektroantriebssys- tems 10 gemäß eines Ausführungsbeispiels.
In diesem Beispiel ist der Elektromotor 12 als dreiphasiger Drehstrommotor ausgebildet und über eine Leitungsanordnung 24 mit dem Wechselrichter 16 verbunden. Im Betrieb des Motors 12 führt die Leitungsanordnung 24 (positive oder negative) Pha ¬ senströme Iu, Iv und Iw.
Der zur Bereitstellung dieser Phasenströme Iu, Iv und Iw vor- gesehene Wechselrichter 16 enthält eine dreifach ausgebildete Brückenschaltung aus Schalttransistoren Tl bis T6. Diese Brückenschaltung wird über einen so genannten Zwischenkreiskon- densator Cl aus der Batteriespannung U der Traktionsbatterie 14 versorgt.
Durch eine vom Prinzip her bekannte PWM (Pulsweitenmodulati ¬ on) -Ansteuerung der Schalttransistoren Tl bis T6 können gewünschte zeitliche Verläufe der Phasenströme Iu, Iv und Iw angenähert werden. Dies geschieht durch entsprechend ge- steuertes Einschalten und Ausschalten der Schalttransistoren Tl bis T6, deren Steuereingängen (hier z. B. Gate- Anschlüssen) für jeden der Phasenströme eine entsprechende PWM-Pulsfolge Pu, Pv bzw. Pw zugeführt wird. Die Steuereinrichtung 18 erzeugt die PWM-Pulsfolgen Pu, Pv, Pw in programmgesteuerter Weise mittels eines Mikrocontrol- lers 26, in welchem ein entsprechendes Steuerprogramm (Algo ¬ rithmus) abläuft. Der Mikorocontroller 26 ist mit einem Schnittstellenbaustein 28 verbunden, der wiederum mit dem Wechselrichter 16 verbunden ist. Wie in der Figur dargestellt, werden im Bereich des Wechsel ¬ richters 16 Messungen der Zwischenkreisspannung sowie der Phasenströme und/oder Phasenspannungen mittels einer Messeinrichtung 30 des Schnittstellenbausteins 28 durchgeführt und an den MikroController 26 kommuniziert.
Unter Berücksichtigung dieser Betriebsparameter p und auf Basis der ebenfalls zugeführten Bedienbefehle c des Fahrzeugbe ¬ nutzers errechnet der MikroController 26 zum Motorbetrieb ge ¬ eignete Pulsfolgen Pu, Pv, Pw und gibt diese über eine Trei- bereinrichtung 32 des Schnittstellenbausteins 28 an den Wech ¬ selrichter 16 aus.
Fig. 3 veranschaulicht am Beispiel eines angenommen idealer ¬ weise zeitlich sinusförmigen Phasenstromes Iu (gestrichelt eingezeichnet) das herkömmliche Prinzip der Annäherung dieses Idealverlaufes durch eine die Schalttransistoren Tl und T2 ansteuernde PWM-Pulsfolge Pu (In Fig. 3 bezeichnet t die Zeit) . Die zeitlich aufeinanderfolgenden einzelnen Pulse der Pulsfolge Pu werden mit einer fest vorgegebenen Pulsfrequenz fpwm, entsprechend dem Reziproken eines fest vorgegebenen Pulsabstandes Tpwm, erzeugt (fpwm = 1 / Tpwm) . Zur Annäherung des ideal sinusförmigen Stromverlaufes werden die Pulsweiten geeignet moduliert.
Die durchgezogene Linie in Fig. stellt den sich ergebenden tatsächlichen Phasenstromverlauf Iu dar. Dieser resultiert aus der Art und Anordnung der Pulse und den (typischerweise induktiven) elektrischen Eigenschaften der betreffenden elektrischen Maschine.
In Fig. 3 ist der Übersichtlichkeit der Darstellung halber ein sehr großer Pulsabstand Tpwm (gemessen an der Periode der Sinusform des Stromes) dargestellt. In der Praxis beträgt ei ¬ ne typische Pulsfrequenz etwa 10 kHz, entsprechend einem Pulsabstand Tpwm von etwa 0,1 ms. Die Frequenz des Stromes liegt typischerweise in der Größenordnung von etwa 100 Hz, so dass jede Periode der Sinusform tatsächlich durch etwa 100
Pulse, also wesentlich mehr als in Fig. 3 dargestellt, gebil ¬ det wird.
Die zeitlich äquidistant aufeinander folgenden Anstiegsflan- ken der Pulsfolge Pu bedingen im erzeugten Phasenstrom Iu die "unteren Zacken" des dargestellten tatsächlichen Stromverlaufes. Diese abrupten Stromveränderungen führen in der Praxis zu akustischen Störungen enthaltend insbesondere z. B. ein Summen oder Pfeifen auf der gewählten Pulsfrequenz (z. B. 10 kHz) .
Zur Vermeidung solcher Störungen ist die Steuereinrichtung 18 (Fig. 2) gemäß der Erfindung dazu ausgebildet, die Pulsfre ¬ quenz fpwm wenigstens einer der PWM-Pulsfolgen Pu, Pw, Pv be- triebsmäßig kontinuierlich zu variieren. Eine solche Variati ¬ on der Pulsfrequenz ist beispielhaft ist Fig. 4 veranschau ¬ licht .
Fig. 4 zeigt im oberen Teil die Annäherung eines wieder ge- strichelt eingezeichneten Idealverlaufes durch den wieder durchgezogen eingezeichneten tatsächlichen Phasenstrom Iu. Der untere Teil von Fig. 4 ist eine entsprechende Darstellung für einen weiteren, hier den Phasenstrom Iv. Wie aus Fig. 4 ersichtlich wird im dargestellten Bereich der Zeit t die Pulsfrequenz fpwm kontinuierlich verringert
(gleichbedeutend: der Pulsabstand Tpwm kontinuierlich vergrö ¬ ßert) . So erkennt man einen zunächst relativ kleinen Pulsab- stand (siehe z. B. Tpwml), der sich nach rechts hin mehr und mehr vergrößert (siehe z. B. Tpwm2) . Im dargestellten Beispiel wird der Pulsabstand Tpwm sogar von Puls zu Puls ver ¬ größert. Im dargestellten Beispiel erfolgt ein lineares In- krementieren des Pulsabstandes Tpwm.
In einem späteren, in Fig. 4 jedoch nicht mehr dargestellten Bereich der Zeit t wird die Pulsfrequenz fpwm wieder erhöht (dementsprechend der Pulsabstand Tpwm wieder verringert) . Durch die betriebsmäßig kontinuierlich erfolgende Variation der Pulsfrequenz fpwm werden vorteilhaft die akustischen Störungen verringert.
Im dargestellten Beispiel wird gleichzeitig die Pulsfrequenz beider PWM-Pulsfolgen Pu und Pv in gleicher Weise derart variiert, dass die Pulse dieser Pulsfolgen Pu, Pv zueinander synchronisiert sind (vgl. gestrichelt eingezeichnete vertika ¬ le Linien an den Positionen der Anstiegsflanken) . Die Fig. 5, 6 und 7 veranschaulichen verschiedene Möglichkei ¬ ten bzw. Ausführungsformen der Pulsfrequenzvariation.
In den Fig. 5 und 6 ist beispielsweise jeweils eine periodi ¬ sche Variation der Pulsfrequenz fpwm dargestellt (Periode der Variation: Tv) . Die Variation ist in Fig. 5 sinusförmig und in Fig. 6 symmetrisch-dreieckförmig, wobei die Pulsfrequenz fpwm jeweils innerhalb eines Frequenzbereiches variiert wird, der durch feste Ober- und Untergrenzen fmax und fmin vorgegeben ist. In Fig. 7 erfolgt die Pulsfrequenzvariation ebenfalls innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches zwischen einer Obergrenze fmax und einer Untergrenze fmin, wobei die Varia- tion jedoch nicht periodisch sondern in zufälliger Weise vorgesehen ist.
Bei allen oben beschriebenen Beispielen kann die Pulsfrequenzvariation zumindest teilweise auf vorab gespeicherten Informationen beruhen, um den in Echtzeit erforderlichen Berechnungsaufwand zu verringern bzw. im Wesentlichen ganz zu vermeiden. Sowohl periodische als auch nicht-periodische Pulsfrequenzvariationen können z. B. in Form von geeigneten Zahlenreihen oder Tabellen in einer elektronischen Speicher- einrichtung vorab abgespeichert werden, wobei dann während des Betriebes der elektrischen Maschine lediglich noch die Art und Weise des Abrufes dieser Informationen zu bestimmen ist . Alternativ zu einer festen Vorgabe könnten fmax und/oder fmin bei den oben beschriebenen Beispielen auch veränderlich vorgegeben sein, z. B. in Abhängigkeit von einem aktuellen Drehmoment und/oder einer aktuellen Drehzahl des Elektromotors 12.