Titel

STROMRICHTER MIT DYNAMISCHER TRÄGERFREGUENZVARIATION

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung für einen elektrischen Stromrichter sowie einen elektrischen Stromrichter mit einer solchen Ansteuervorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Stromrichters.

Stand der Technik

Zum Betrieb von Drehfeldmaschinen, wie sie beispielsweise in elektrischen Antriebssystemen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge eingesetzt werden, kann eine sogenannte Pulsbreitenmodulation (englisch: Pulse Width Modulation, PWM) eingesetzt werden. Hierbei können pulsbreitenmodulierte Ansteuersignale den Schaltelementen eines elektrischen Stromrichters zugeführt werden, um diese Schaltelemente zu öffnen bzw. zu schließen. Durch die pulsbreitenmodulierte Ansteuerung der einzelnen Schaltelemente kann auf diese Weise eine vorgegebene Ausgangsspannung oder ein vorbestimmter Ausgangsstrom an dem Stromrichter eingestellt werden.

Die Druckschrift DE 10 2018204221 Al beschreibt ein Verfahren zur Ansteuerung eines pulsbreitenmodulierten Stromrichters. Insbesondere wird vorgeschlagen, ein PWM-Raster in zwei Teilintervalle zu unterteilen und für jedes Teilintervall des PWM-Rasters eine separate Berechnung eines Raumzeigervektors auszuführen, welcher der Ansteuerung der Schaltelemente des Stromrichters zugrunde liegt.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Ansteuervorrichtung für einen elektrischen Stromrichter, einen elektrischen Stromrichter sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Stromrichters mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Ansteuervorrichtung für einen elektrischen Stromrichter mit einer Signalerzeugungseinrichtung und einer Steuereinrichtung. Die Signalerzeugungseinrichtung ist dazu ausgelegt, einen Eingangsparameter zu empfangen. Ferner ist die Signalerzeugungseinrichtung dazu ausgelegt, Schaltsignale unter Verwendung des empfangenen Eingangsparameters zu erzeugen. Die erzeugten Schaltsignale können an Schaltelementen des Wechselrichters bereitgestellt werden. Die Schaltsignale weisen hierbei eine vorgegebene Modulationsfrequenz auf. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, die vorgegebene Modulationsfrequenz in der Signalerzeugungseinrichtung einzustellen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, als Modulationsfrequenz eine Frequenz einzustellen, die in einem vorbestimmten Frequenzbereich und mit einem vorbestimmten Muster um eine Grundfrequenz herum variiert. Der Frequenzbereich und/oder das Muster für die Variation der Modulationsfrequenz können einstellbar sein.

Weiterhin ist vorgesehen:

Ein elektrischer Stromrichter mit einer erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung und mehreren Schaltelementen. Die mehreren Schaltelemente werden unter Verwendung der von der Ansteuervorrichtung generierten Schaltsignale geöffnet und geschlossen.

Schließlich ist vorgesehen:

Ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Stromrichters. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Einstellen einer Modulationsfrequenz. Die eingestellte Modulationsfrequenz weist eine Frequenz auf, die in einem vorbestimmten Frequenzbereich und mit einem vorbestimmten Muster um eine vorgegebene Grundfrequenz herum variiert. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt zum Generieren von Schaltsignalen für den Stromrichter. Die Schaltsignale werden insbesondere unter Verwendung der eingestellten Modulationsfrequenz und einem empfangenen Eingangsparameter generiert.

Vorteile der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer frequenzmodulierten Ansteuerung der Schaltelemente eines elektrischen Stromrichters, insbesondere bei einer pulsbreitenmodulierten Ansteuerung des Stromrichters, sich in Abhängigkeit der gewählten Modulationsfrequenz unterschiedliche Vor- und Nachteile ergeben können. Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Ansteuerung des elektrischen Stromrichters mit einer konstanten Modulationsfrequenz über einen längeren Zeitraum hinweg sich diese Effekte und insbesondere die daraus resultierenden Nachteile verstärkt wahrnehmbar sind.

Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Ansteuerung für die Schaltelemente eines elektrischen Stromrichters vorzusehen, bei welchem negative Effekte, wie beispielsweise elektromagnetische Störungen, Geräuschentwicklung, Spannungsrippel in dem elektrischen System etc. abgeschwächt werden können. Hierzu ist es vorgesehen, einerseits die Grundfrequenz für die Modulation der Ansteuersignale variabel einzustellen. Darüber hinaus ist es ferner vorgesehen, die Modulationsfrequenz für die Ansteuerung der Schaltelemente in einem Stromrichter in einem vorgegebenen Frequenzbereich um die vorgegebene Grundfrequenz herum zu variieren. Dabei können sowohl der Frequenzbereich, in welchem die Modulationsfrequenz um die vorgegebene Grundfrequenz herum variiert wird, als auch das Muster oder Schema, mit welchem die Variation um die Grundfrequenz herum variiert wird, angepasst werden. Insbesondere können beispielsweise vorgegebene Rahmenbedingungen hinsichtlich Emission von elektromagnetischen Störsignalen, Geräuschentwicklung oder Spannungsrippel in dem elektrischen System berücksichtigt werden. Auf diese Weise können beispielsweise Grenzwerte oder Spezifikationen hinsichtlich elektromagnetischer Emission, Geräuschverhalten, Spannungsrippel etc. leichter eingehalten werden. Insbesondere können weitere Komponenten zur Minimierung der genannten negativen Einflüsse geringer dimensioniert werden oder ggf. sogar vollständig entfallen.

Als Modulationsfrequenz wird dabei die Frequenz angesehen, deren Periodendauer beispielsweise einem PWM-Intervall entspricht. In der Regel erfolgt hierbei in jedem Schaltelement des Spannungswandlers ein Schaltvorgang zum Öffnen des Schaltelements und ein Schaltvorgang zum Schließen des Schaltelements. Gegebenenfalls können durch gezieltes Verschieben der Einschaltzeitintervalle und/oder Ausschaltzeitintervalle zwei aufeinanderfolgende Ein- oder Ausschaltvorgängen zusammengefasst werden.

In diesem Fall ergibt sich für die Schaltvorgänge des entsprechenden Schaltelements eine Schaltfrequenz, welche halb so groß ist wie die Modulationsfrequenz. Andernfalls entspricht die Schaltfrequenz der Schaltelemente in dem Spannungswandler der Modulationsfrequenz.

Durch das dynamische Anpassen der Modulationsfrequenz und insbesondere die gezielte Variation der Modulationsfrequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches und mit gezielt ausgewählten Variationsmustern ist es somit möglich, je nach Betriebszustand des Stromrichters die Einstellungen so anzupassen, dass die erforderlichen Vorgaben und Spezifikationen eingehalten werden können. Da gerade für unterschiedliche Betriebszustände auch unterschiedliche Eigenschaften wie elektromagnetische Emissionen, Geräuschentwicklung, Spannungsrippel jeweils besonders kritisch sind, kann die Einstellung der Modulationsfrequenz und insbesondere des Frequenzbereichs sowie des Variationsmusters für den jeweiligen Betriebszustand so gewählt werden, dass besonders der jeweils kritische Parameter minimiert wird. Auf diese Weise können zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise die Dimensionierung eines Zwischenkreiskondensators in dem Spannungswandler, elektromagnetische Filter zur Reduktion der elektromagnetischen Störung etc. geringer dimensioniert werden. Auf diese Weise kann sowohl der Bauraum reduziert werden, als auch die erforderlichen Kosten für die Produktion des gesamten Systems gesenkt werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung der Ansteuervorrichtung dazu ausgelegt, die Grundfrequenz innerhalb eines vorgegebenen Bereichs für die Grundfrequenz einzustellen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung je nach Betriebszustand des Stromrichters und/oder des gesamten Systems mit dem Stromrichter, wie zum Beispiel einem elektrischen Antriebssystem, die Grundfrequenz für die Modulation der Steuersignale anpassen. Zum Beispiel kann bei einem elektrischen Antriebssystem die Grundfrequenz für die Modulation in Abhängigkeit der Drehfrequenz einer elektrischen Maschine und/oder weiterer Betriebsparameter angepasst werden. Beispielsweise ist eine Variation der Modulationsfrequenz für den elektrischen Stromrichter in einem solchen System in einem Bereich zwischen 2 kHz und 20 kHz möglich. Je nach Anwendungsfall und verwendeten Komponenten können jedoch auch beliebige andere Regelbereiche für die Wahl der Grundfrequenz gewählt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den vorbestimmten Frequenzbereich für die Variation der Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz herum in Abhängigkeit der eingestellten Grundfrequenz anzupassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung auch das vorbestimmte Muster für die Variation der Modulationsfrequenz in Abhängigkeit der eingestellten Grundfrequenz anpassen. Da sich je nach gewählter Grundfrequenz für den elektrischen Stromrichter und die angeschlossenen Komponenten unterschiedliche Auswirkungen und Störeinflüsse ergeben, kann durch die Anpassung des Frequenzbereichs in dem die Modulationsfrequenz variiert wird sowie das verwendete Muster für die Variation der Modulationsfrequenz, jeweils gezielt auf einen oder mehrere dieser Effekte Einfluss genommen werden. Ist für eine gewählte Grundfrequenz beispielsweise mit einer besonders starken elektromagnetischen Beeinflussung zu rechnen, so kann der Frequenzbereich sowie das Muster für die Variation der Modulationsfrequenz derart gewählt werden, dass besonders die elektromagnetischen Beeinflussungen minimiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das vorbestimmte Muster, mit welchem die Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz herum variiert werden kann, mehrere vorgegebene Frequenzen. Die mehreren Frequenzen können innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs liegen. Hierbei kann zwischen den mehreren vorgegebenen Frequenzen zufällig, pseudo-zufällig oder gemäß einer beliebigen anderen, geeigneten Vorschrift gewechselt werden. Insbesondere kann der Wechsel zwischen den einzelnen vorgegebenen Frequenzen gemäß einer vorgegebenen statistischen Verteilung erfolgen. Zum Beispiel kann der Wechsel zwischen den einzelnen Frequenzen gleichverteilt sein. Auch weitere statistische Verteilungen, wie zum Beispiel eine Gauß-Verteilung oder Ähnliches sind ebenso möglich. Beispielsweise können mehrere Frequenzen innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs ausgewählt werden, welche äquidistant innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs verteilt sind. Hierbei kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von mehreren vorgegebenen Frequenzen innerhalb des Frequenzbereichs ausgewählt werden. In einem einfachen Beispiel können beispielsweise zwei Frequenzen, zum Beispiel die beiden Frequenzen am Rande des Frequenzbereichs um die Grundfrequenz herum ausgewählt werden. Bei beispielsweise drei Frequenzen können die beiden äußeren Frequenzen des Frequenzbereichs sowie die Grundfrequenz selbst ausgewählt werden. Darüber hinaus können selbstverständlich auch vier oder mehr Frequenzen innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs ausgewählt werden, welche gemäß einer vorgegebenen Vorschrift ausgewählt werden, um die jeweilige Modulationsfrequenz zu bestimmen und einzustellen.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den vorbestimmten Frequenzbereich in Abhängigkeit von durch den Stromrichter oder an den Stromrichter angeschlossenen Komponenten hervorgerufene elektromagnetische Störungen anzupassen. Zusätzlich oder alternativ kann auch das vorbestimmte Muster, mit dem die Frequenzen innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs variiert werden, in Abhängigkeit von den hervorgerufenen oder erwarteten elektromagnetischen Störungen angepasst werden. Ist beispielsweise bei einer eingestellten Grundfrequenz oder einer bestimmten Betriebsart eines Systems mit dem Stromrichter eine besonders starke elektromagnetische Störung zu erwarten, so kann durch entsprechende Anpassung (z.B. Aufweitung) des Frequenzbereichs und/oder des Musters für den Wechsel innerhalb des Frequenzbereichs dem Auftreten bzw. der Intensität sowie dem Frequenzspektrum von elektromagnetischen Störungen entgegengewirkt werden. Auf diese Weise kann die elektromagnetische Verträglichkeit des Gesamtsystems erhöht werden. Insbesondere können beispielsweise auch Filtervorrichtungen zur Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen geringer dimensioniert werden, wenn bereits durch eine entsprechende Einstellung des Frequenzbereichs und/oder des Musters für den Wechsel der Modulationsfrequenz die Entstehung von elektromagnetischen Störungen reduziert werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den vorbestimmten Frequenzbereich in Abhängigkeit von einer Geräuschentwicklung des Stromrichters und/oder einer durch den Stromrichter angesteuerten Komponente anzupassen. Zusätzlich oder alternativ kann das Muster für den Wechsel der Modulationsfrequenz innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs von einer prognostizierten oder gemessenen Geräuschentwicklung abhängig angepasst werden. Durch die Variation der Modulationsfrequenz erfolgt die Ansteuerung der Schaltelemente in dem Stromrichter nicht kontinuierlich bei einer festen Frequenz. Entsprechend kann eine Variation der Modulationsfrequenz innerhalb eines Frequenzbereichs, insbesondere bei einem hierfür besonders geeigneten Muster einer von einem Benutzer als störend wahrgenommenen Geräuschentwicklung entgegenwirken.

Da insbesondere bei unterschiedlichen Grundfrequenzen die Entstehung von Geräuschen und auch die subjektive Wahrnehmung durch einen Benutzer unterschiedlich ausfallen kann, kann abhängig von der Grundfrequenz beispielsweise der Frequenzbereich und/oder das Muster für die Variation der Modulationsfrequenz angepasst werden. Darüber hinaus können auch weitere Parameter, wie beispielsweise ein Betriebszustand des Stromrichters oder Ähnliches für das Einstellen des Frequenzbereichs oder des Musters zur Variation der Modulationsfrequenz angepasst werden. Beispielsweise kann bei einem Elektrofahrzeug, welches im Antriebssystem einen entsprechenden Stromrichter umfasst, bei langsamer Fahrt die Geräuschentwicklung bewusst angehoben werden, um die Aufmerksamkeit von Passanten in der Umgebung des Elektrofahrzeugs zu erhöhen.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den vorbestimmten Frequenzbereich in Abhängigkeit eines Spannungsrippeis im Zwischenkreis des Stromrichters einzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann auch das Muster für die Variation der Modulationsfrequenz innerhalb des Frequenzbereichs in Abhängigkeit des Spannungsrippeis im Zwischenkreis des Stromrichters angepasst werden. Auf diese Weise kann insbesondere bei Betriebszuständen, welche erhöhte Spannungsrippel hervorrufen können, durch eine entsprechende Variation der Modulationsfrequenz innerhalb eines geeigneten Frequenzbereiches und mit einem passenden Muster die Intensität von Spannungsrippein verringert werden. Auf diese Weise können zusätzliche Maßnahmen zum Schutz des Zwischenkreiskondensators und weiterer Komponenten ggf. entfallen oder zumindest geringer dimensioniert werden. Da das Spannungsrippel auch einen Einfluss auf die Geräuschentwicklung beim Betrieb des Systems haben kann, ist es auch möglich durch gezielte Anpassung des Spannungsrippeis auch die Geräuschentwicklung zu optimieren.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den vorbestimmten Frequenzbereich in Abhängigkeit eines elektrischen Stroms in dem Zwischenkreis des Stromrichters einzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann auch das vorbestimmte Muster für die Variation der Modulationsfrequenz in dem vorbestimmten Frequenzbereich in Abhängigkeit eines elektrischen Stroms in dem Zwischenkreis angepasst werden. Der elektrische Strom kann beispielsweise messtechnisch erfasst oder ggf. auch berechnet werden. Auch ein Einstellen des Frequenzbereichs und/oder des Musters für die Variation der Modulationsfrequenz in Abhängigkeit von vorgegebenen Sollwerten ist ebenfalls möglich. Neben der Anpassung des vorbestimmten Frequenzbereichs oder des Musters für die Variation der Modulationsfrequenz können diese Parameter auch in Abhängigkeit von weiteren Faktoren, wie beispielsweise einem in einem elektrischen Antriebssystem einzustellenden Drehmoment oder einer Drehzahl angepasst werden. Auch in diesem Fall können sensorisch erfasste Werte, prognostizierte Werte oder Sollwerte als Grundlage für die Anpassung des Frequenzbereichs und/oder des Musters genutzt werden.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines elektrischen Antriebssystems mit einem Stromrichter, der eine Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform umfasst;

Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Zeitdiagramms zur

Veranschaulichung der Variation der Modulationsfrequenz gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Diagramms zur

Veranschaulichung der Variation der Modulationsfrequenz in Abhängigkeit einer Grundfrequenz gemäß einer Ausführungsform; und

Fig. 4: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung eines Stromrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Beschreibung von Ausführungsformen Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines elektrischen Antriebssystems mit einem elektrischen Stromrichter 1. Bei dem Stromrichter 1 kann es sich beispielsweise um einen Wechselrichter handeln, welcher eine Eingangsgleichspannung in eine ein- oder mehrphasige elektrische Wechselspannung konvertiert und diese am Ausgang bereitstellt. Am Eingang des Stromrichters 1 kann beispielsweise eine Gleichspannungsquelle 2, wie zum Beispiel eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs oder Ähnliches angeschlossen sein. Am Ausgang des Stromrichters 1 kann zum Beispiel eine elektrische Maschine 3 angeschlossen werden. Die in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigte Ausführungsform mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine 3 dient nur als Beispiel zur Erläuterung des Grundprinzips und stellt keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Darüber hinaus kann auch eine elektrische Maschine 3 mit einer beliebigen, von drei abweichenden, Anzahl von elektrischen Phasen an einen entsprechenden Stromrichter 1 angeschlossen werden. Grundsätzlich sind auch neben einem Wechselrichter beliebige andere elektrische Stromrichter 1, beispielsweise ein Gleichspannungswandler oder Ähnliches möglich.

Im Gleichspannungszwischenkreis des Stromrichters 1 kann zum Beispiel ein Zwischenkreiskondensator C vorgesehen sein. Weiterhin kann der Stromrichter 1 mehrere Schaltelemente Ml bis M6 umfassen. Im Falle eines dreiphasigen Wechselrichters können beispielsweise drei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen Mi zu einer sogenannten B6-Brücke zusammengefasst werden.

Da das Grundprinzip von elektrischen Stromrichtern, insbesondere von ein- oder mehrphasigen Wechselrichtern bekannt ist, wird dies hier nicht näher erläutert.

Während des Betriebs des Stromrichters 1 können die Schaltelemente Mi des Stromrichters 1 beispielsweise jeweils mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenz angesteuert werden. Beispielsweise kann zur Ansteuerung der einzelnen Schaltelemente Mi eine pulsbreitenmodulierte (englisch Pulse Width Modulation, PWM) Modulation eingesetzt werden. Hierbei entspricht die Periodendauer der Modulationsfrequenz einer PWM-Periode.

Zur Ansteuerung der einzelnen Schaltelemente Mi des Stromrichters 1 ist eine Steuervorrichtung 10 vorgesehen. Diese Steuervorrichtung 10 kann beispielsweise einen oder mehrere Sollwerte S empfangen. Auf Grundlage dieser Sollwerte S kann die Steuervorrichtung 10 für jedes der Schaltelemente Mi ein pulsbreitenmoduliertes Ansteuersignal generieren und an dem jeweiligen Schaltelement Mi bereitstellen.

Für das Erzeugen der Ansteuersignale kann die zugrundeliegende Modulationsfrequenz variiert werden. Hierzu kann zunächst eine Grundfrequenz vorgegeben oder ermittelt werden. Für elektrische Stromrichter in elektrischen Antriebssystemen kann die Grundfrequenz beispielsweise im Bereich zwischen 2 kHz und 20 kHz variieren. Beispielsweise kann die Grundfrequenz in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine 3, welche an den Stromrichter 1 angeschlossen ist, eingestellt werden. Zum Beispiel kann bei niedrigen Drehfrequenzen eine erste Grundfrequenz vorgegeben werden, und bei höheren Drehfrequenzen eine davon abweichende weitere Grundfrequenz gewählt werden. Darüber hinaus sind grundsätzlich auch beliebige andere Vorgaben zur Auswahl und Einstellung der Grundfrequenz für die Modulation der Ansteuersignale zur Ansteuerung der Schaltelemente Mi möglich.

Nachdem eine Grundfrequenz für die Modulation der Ansteuersignale empfangen oder ermittelt worden ist, kann die Steuervorrichtung 10 die Steuersignale für die einzelnen Schaltelemente Mi unter Verwendung dieser Grundfrequenz generieren. Hierbei kann jedoch die Modulationsfrequenz für das Erzeugen der Ansteuersignale in einem vorgegebenen Frequenzbereich um die Grundfrequenz herum variiert werden. Auf diese Weise erfolgt die Modulation der Ansteuersignale für die Schaltelemente Mi nicht kontinuierlich mit einer konstanten, festen Modulationsfrequenz, sondern wird innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs um die Grundfrequenz herum gemäß einer vorgegebenen Vorschrift variiert.

Die Ansteuervorrichtung 10 kann beispielsweise eine Steuereinrichtung 12 umfassen, welche die Modulationsfrequenz für das Erzeugen der Ansteuersignale zur Ansteuerung der Schaltelemente Mi entsprechend einstellt. Hierzu kann beispielsweise an der Steuereinrichtung 12 zunächst eine Grundfrequenz vorgegeben werden. Die Grundfrequenz kann zum Beispiel von einer übergeordneten Vorrichtung an der Steuereinrichtung 12 bereitgestellt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Steuereinrichtung 12 die Grundfrequenz gemäß einer vorgegebenen Vorschrift selbst ermittelt.

Ausgehend von der vorgegebenen Grundfrequenz kann die Steuereinrichtung 12 daraufhin eine Modulationsfrequenz bestimmen und die Modulationsfrequenz an der Signalerzeugungseinrichtung 11 bereitstellen. Die Signalerzeugungseinrichtung 11 kann daraufhin für die einzelnen Schaltelemente Mi des Stromrichters 1 entsprechend der Modulationsfrequenz von der Steuereinrichtung 12 jeweils Ansteuersignale für die einzelnen Schaltelemente Mi generieren und an den Schaltelementen Mi bereitstellen. Hierzu kann an der Signalerzeugungseinrichtung 11 zum Beispiel ein Sollwert oder mehrere Sollwerte vorgegeben werden. Ausgehend von dem Sollwert und der Modulationsfrequenz kann die Signalerzeugungseinrichtung 11 beispielsweise pulsbreitenmodulierte Ansteuersignale für die einzelnen Schaltelemente Mi generieren und an den Schaltelementen Mi bereitstellen. Die Periodendauer des Rasters für die pulsbreitenmodulierte Ansteuerung entspricht dabei der Periodendauer der von der Steuereinrichtung 12 bereitgestellten Modulationsfrequenz.

Die Steuereinrichtung 12 kann die Modulationsfrequenz auf Grundlage der vorgegebenen Grundfrequenz innerhalb eines Frequenzbereiches variieren.

Somit wird an der Signalerzeugungseinrichtung 11 keine konstante Modulationsfrequenz bereitgestellt, sondern die Modulationsfrequenz wird durch die Steuereinrichtung 12 innerhalb vorgegebener Grenzen variiert. Der Frequenzbereich innerhalb dessen die Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz herum variiert wird, sowie auch das Muster, mit welchem die Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz herum variiert wird, können dabei angepasst werden. Insbesondere können der Frequenzbereich sowie das Muster für die Variation der Modulationsfrequenz in Abhängigkeit von weiteren Parametern, wie beispielsweise Betriebszustand des Antriebssystems, insbesondere des Stromrichters 1 oder weiterer Komponenten in Zusammenhang mit dem Stromrichter 1, sensorisch erfasster Werte, vorgegebener Sollwerte oder berechneter Parameter angepasst werden. Insbesondere können zum Beispiel weitere Rahmenbedingungen, wie Spezifikationen, Grenzwerte etc. für den Stromrichter 1 sowie an den Stromrichter 1 angeschlossene Komponenten mitberücksichtigt werden. Auf diese Weise kann zum Beispiel der Frequenzbereich und/oder das Muster für die Variation der Modulationsfrequenz angepasst werden, um Störsignale, wie beispielsweise elektromagnetische Beeinflussungen, zu minimieren, die Geräuschentwicklung innerhalb des Stromrichters oder an den Stromrichter angeschlossener Komponenten zu beeinflussen, oder auch Spannungsverläufe, beispielsweise Spannungsrippel im Zwischenkreis des Stromrichters 1, zu begrenzen. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufs eines Ansteuersignals für die Ansteuerung eines Schaltelements Mi eines elektrischen Stromrichters 1.

Wie hierbei zu erkennen ist, wird das Schaltelement Mi innerhalb jedes Zeitrasters jeweils einmal ein- und ausgeschaltet. Die Dauer der einzelnen Zeitraster t_i sind hierbei jedoch nicht alle gleich groß. Vielmehr können die einzelnen Zeitraster oder PWM- Raster in ihrer Zeitdauer innerhalb vorgegebener Grenzen variieren. Die Zeitdauer eines PWM- Rasters entspricht dabei der Periodendauer der zugrundeliegenden Modulationsfrequenz. Somit variiert die Breite tj eines PWM- Rasters mit der Variation der zugrundeliegenden Modulationsfrequenz.

Wie zuvor bereits ausgeführt, können der Frequenzbereich, innerhalb dessen die Modulationsfrequenz variiert wird und das Muster, mit dem die Modulationsfrequenz innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs variiert wird, verändert werden. Beispielsweise kann der Frequenzbereich, innerhalb dessen die Modulationsfrequenz variiert wird, in Abhängigkeit von der zugrundeliegenden Grundfrequenz spezifiziert werden. Zum Beispiel kann der Frequenzbereich, innerhalb dessen die Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz herum variiert wird, als Bruchteil der zugrundeliegenden Grundfrequenz charakterisiert werden. Zum Beispiel kann die Modulationsfrequenz in einem Bereich von 20 % der Grundfrequenz um die Grundfrequenz herum variiert werden. Dieser relative Frequenzbereich, in dem die Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz herum variiert werden kann, kann insbesondere von weiteren Parametern abhängig gemacht werden. Zum Beispiel kann in Abhängigkeit von einem oder mehreren weiteren Parametern der Frequenzbereich zwischen 0 und 20 % der Grundfrequenz um die Grundfrequenz herum variiert werden. Zum Beispiel kann ebenso der Frequenzbereich in Abhängigkeit von der vorgegebenen Grundfrequenz angepasst werden. Hierzu kann eine beliebige Funktion spezifiziert werden, welche als Eingangswert die zugrundeliegende Grundfrequenz und als Ausgangswert den absoluten oder relativen Frequenzbereich für die Modulationsfrequenz liefert. Darüber hinaus ist es auch möglich, beispielsweise die Korrespondenz zwischen vorgegebener Grundfrequenz und Frequenzbereich in Form einer zuvor abgespeicherten Tabelle, beispielsweise einem Lookup Table oder Ähnlichem zu spezifizieren.

Da beispielsweise auch die von dem Stromrichter 1 und den an den Stromrichter 1 angeschlossenen Komponenten ausgehenden Störsignale, wie zum Beispiel elektromagnetische Emissionen in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz und somit der Grundfrequenz schwanken können, kann beispielsweise durch eine dynamische Anpassung des Frequenzbereichs oder des nachfolgend noch näher erläuterten Musters für den Wechsel der Modulationsfrequenz innerhalb des Frequenzbereichs, Einfluss auf die emittierten Störsignale und somit die elektromagnetische Beeinflussung genommen werden. Insbesondere kann zum Beispiel bei besonders kritischen Grund- bzw. Modulationsfrequenzen der Frequenzbereich und/oder das Muster für die Variation der Modulationsfrequenz angepasst werden, um die entstehenden Störsignale zu minimieren. Hierbei können zum Beispiel bewusst auch negative Einflüsse anderer Faktoren, wie zum Beispiel Geräuschentwicklung oder Ähnliches in Kauf genommen werden.

Neben der beschriebenen Beeinflussung der Emission von Störsignalen ist es darüber hinaus beispielsweise auch möglich, durch die gezielte Anpassung des Frequenzbereichs und/oder des Musters für die Variation der Modulationsfrequenz Einfluss auf die Geräuschemission zu nehmen.

Beispielsweise können Störgeräusche, welche zum Beispiel durch die Schaltelemente Mi des Spannungswandlers 1 oder an den Spannungswandler 1 angeschlossener Komponenten wie zum Beispiel eine elektrische Maschine oder Ähnliches, hervorgerufen werden, durch Anpassen der Variation der Modulationsfrequenz beeinflusst werden. Zum Beispiel kann bei Grundfrequenzen, welche in einem für einen Menschen besonders sensiblen Frequenzbereich liegen, die Geräuschentwicklung durch Aufweiten des Frequenzbereichs, in dem die Modulationsfrequenz variiert wird, subjektiv verbessert werden. Auch durch ein Ändern des Musters, mit welchem die Frequenz innerhalb des Frequenzbereichs variiert wird, kann ein subjektives Empfinden für die entstandenen Geräusche beeinflusst werden.

Ferner kann auch beispielsweise die Entstehung von Spannungsrippein im Zwischenkreis oder ähnlichen Störimpulsen innerhalb des Stromrichters 1 durch eine gezielte Anpassung der Variation der Modulationsfrequenz beeinflusst werden. Hierzu können zum Beispiel Spannungsrippel im Zwischenkreis des Stromrichters 1 sensorisch erfasst oder auf Grundlage eines Rechenmodells abgeschätzt werden. Sind dabei kritische Spannungsrippel, beispielsweise Spannungsrippel oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes zu erwarten, so kann durch Anpassen des Frequenzbereichs, in dem die Modulationsfrequenz variiert wird oder die Wahl eines geeigneten Musters für die Variation der Modulationsfrequenz, die Höhe der entstehenden Spannungsrippel minimiert werden. Zum Beispiel kann durch eine Änderung des Frequenzbereichs, in dem die Modulationsfrequenz variiert wird, die auftretenden Spannungsrippel abgesenkt werden.

Gegebenenfalls können auch weitere Parameter, wie zum Beispiel ein Strom innerhalb des Stromrichters 1, insbesondere zum Beispiel ein Phasenstrom vom Ausgang des Stromrichters 1 in Richtung einer elektrischen Maschine 3 oder Ähnliches als Grundlage für die Anpassung des Frequenzbereichs und/oder des Musters für die Variation der Modulationsfrequenz herangezogen werden. Hierzu können zum Beispiel gemessene elektrische Ströme, berechnete elektrische Ströme auf Grundlage von weiteren Parametern oder aber auch Sollwertvorgaben als Grundlage für die Anpassung des Frequenzbereichs und/oder des Musters für die Variation der Modulationsfrequenz herangezogen werden. Neben einem elektrischen Strom können selbstverständlich auch beliebige andere Parameter, wie zum Beispiel eine Drehfrequenz, ein einzustellendes Drehmoment oder Ähnliches an einer an den Stromrichter 1 angeschlossenen elektrischen Maschine 3 als Grundlage für das Einstellen des Frequenzbereichs und/oder Musters für die Variation der Modulationsfrequenz genutzt werden. Auch hier können gemessene Werte, berechnete Werte oder Sollwerte als Grundlage für das dynamische Anpassen des Frequenzbereichs oder Musters genutzt werden.

Für die Variation der Modulationsfrequenz innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs um die Grundfrequenz herum kann grundsätzlich jedes beliebige geeignete Modell oder Schema herangezogen werden. Beispielsweise kann die Modulationsfrequenz kontinuierlich von einem unteren Wert des Frequenzbereichs bis hin zu einem oberen Wert des Frequenzbereichs kontinuierlich innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters oder mit einer vorgegebenen Schrittweite erhöht werden. Analog ist auch eine kontinuierliche Absenkung von einem oberen Frequenzwert bis zu einem unteren Frequenzwert möglich. Auch ein abwechselndes Ansteigen und Absenken der Modulationsfrequenz innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs ist möglich.

Darüber hinaus ist es auch möglich, innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereiches zwei oder mehr feste Frequenzwerte zu definieren und gemäß einem vorgegebenen Modell oder Schema jeweils die vorgegebenen Frequenzwerte innerhalb des Frequenzbereichs auszuwählen. Zum Beispiel können für ein binäres Modell zwei Frequenzwerte, insbesondere der untere Wert des Frequenzbereichs und der obere Wert des Frequenzbereichs ausgewählt werden. Diese beiden Werte können daraufhin zufällig oder pseudo zufällig für die Modulationsfrequenz ausgewählt werden. Aber auch vorgegebene Abfolgen, insbesondere zuvor festgelegte und in einem Speicher abgespeicherte Folgen für die Auswahl der jeweiligen Frequenz als Modulationsfrequenz sind möglich.

Das zuvor beschriebene binäre Schema für den Wechsel der Modulationsfrequenz kann besonders einfach und mit geringer Rechenleistung ausgeführt werden. Darüber hinaus sind jedoch auch Muster mit mehr als zwei fest vorgegebenen Frequenzen möglich. Zum Beispiel kann neben der unteren und der oberen Grenzfrequenz des Frequenzbereichs auch die in der Regel in der Mitte liegende Grundfrequenz als weitere Frequenzkomponente für die Auswahl der Modulationsfrequenz festgelegt werden. Auch können beispielsweise innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs mehrere Frequenzen gemäß einem vorgegebenen Muster ausgewählt werden. Zum Beispiel können mehrere äquidistante Frequenzen innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs ausgewählt werden. Auch in solchen Fällen kann gemäß einem vorgegebenen Schema zufällig, pseudo-zufällig oder gemäß einer zuvor abgespeicherten Abfolge jeweils eine der vorgegebenen Frequenzen als Modulationsfrequenz ausgewählt werden. Je nach Anwendungsfall kann hierbei als Muster für die Auswahl der Modulationsfrequenz aus den mehreren vorgegebenen Frequenzen eine beliebige geeignete stochastische Verteilung zugrunde gelegt werden. Zum Beispiel können die einzelnen vorgegebenen Frequenzen innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs gemäß einer Gleichverteilung, einer Gauß-Verteilung oder Ähnlichem ausgewählt werden. Insbesondere komplexe Abfolgen wie zufällige oder pseudo-zufällige Auswahl der Frequenzkomponenten können zu einem zumindest annähernd weißen Rauschen führen. Dies kann sich vorteilhaft auf zumindest einige der zuvor genannten Eigenschaften, wie Geräuschemission oder elektromagnetische Störsignale, auswirken.

Die zuvor genannten Parameter, wie das Einstellen des vorgegebenen Frequenzbereichs in dem die Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz herum variiert werden kann oder das Muster, mit dem die Modulationsfrequenz innerhalb des Frequenzbereichs variiert werden kann, können je nach Zielsetzung wie Geräuschemission, Verringerung der elektromagnetischen Störsignale, Reduktion der Spannungsrippel im Gleichspannungszwischenkreis etc. beliebig eingestellt werden. Hierbei kann zur Reduktion eines der genannten Parameter insbesondere auch bewusst ein Frequenzbereich und/oder Muster für die Variation der Modulationsfrequenz ausgewählt werden, welches für die übrigen, ggf. aktuell nicht kritischen Parameter nachteilig sein könnte. Durch das dynamische Anpassen von Frequenzbereich und/oder Muster für die Variation der Modulationsfrequenz können somit jeweils ein oder mehrere besonders kritische Parameter positiv beeinflusst werden. Somit kann die Auslegung des Systems und insbesondere auch der Komponenten zur Filterung oder Unterdrückung der negativen oder kritischen Eigenschaften geringer dimensioniert werden.

Figur 3 zeigt ein Diagramm einer möglichen Konfiguration für das Einstellen des Frequenzbereichs Af in Abhängigkeit der Grundfrequenz f sowie die Auswahl eines entsprechenden Musters für die Variation der Modulationsfrequenz. Dieses Beispiel soll nur exemplarisch eine Möglichkeit veranschaulichen und stellt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Vielmehr ist auch jede andere Auswahl von Frequenzbereichen und Mustern für die Variation der Modulationsfrequenz möglich.

In waagerechter Richtung ist die Grundfrequenz f aufgetragen. In dem hier dargestellten Beispiel kann der Stromrichter 1 mit einer Grundfrequenz zwischen einer unteren Frequenz fl und einer oberen Frequenz f2 betrieben werden. Beispielsweise kann in einer möglichen Ausführungsform ein Stromrichter in einem Bereich der Grundfrequenz zwischen 2 kHz und 20 kHz betrieben werden.

Die Festlegung oder Einstellung der Grundfrequenz f für den Stromrichter 1 kann gemäß beliebiger Vorgaben, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Drehfrequenz eines angeschlossenen Elektromotors oder Ähnlichem erfolgen.

Wie in Figur 3 zu erkennen ist, kann bei einer ausgewählten oder eingestellten Grundfrequenz f am unteren Ende fl des möglichen Bereichs der Grundfrequenz die Modulationsfrequenz ca. 10 % um die eingestellte Grundfrequenz fl herum variiert werden. Die Größe des Frequenzbereichs Af, innerhalb dessen die Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz herum variiert wird, wird in dem hier dargestellten Beispiel kontinuierlich bis zu einem Wert fO kleiner. In dem Bereich PI zwischen der Frequenz fl und der Frequenz fO wird hierbei ein erstes Muster zur Variation der Modulationsfrequenz verwendet. Beispielsweise kann als Muster für die Variation der Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz herum in diesem mit PI gekennzeichneten Bereich ein binärer Wechsel zwischen zwei vorgegebenen Frequenzen innerhalb des vorbestimmte Frequenzbereichs Af erfolgen. Zum Beispiel kann mit einer statistischen Gleichverteilung zufällig zwischen zwei Frequenzwerten gewechselt werden. Im dem Bereich P2 zwischen fO und f2 kann dagegen ein weiteres oder zweites Muster für die Variation der Modulationsfrequenz verwendet werden. In dem mit P2 gekennzeichneten Bereich können zum Beispiel mehr als zwei fest vorgegebene Frequenzen innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs Af ausgewählt werden, welche beispielsweise mit einer statistischen Gauß-Verteilung innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs Af ausgewählt werden. Selbstverständlich sind auch beliebige andere oder weitere Muster als die zuvor genannten Variationsmöglichkeiten zur Variation der Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz herum möglich. Wie weiter in Figur 3 zu erkennen ist, wird die Größe des Frequenzbereichs Af, innerhalb dessen die Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz f herum variiert wird, mit zunehmender Grundfrequenz f größer. Beispielsweise kann bei einer eingestellten Grundfrequenz fO die Größe des Frequenzbereich Af zu Null eingestellt werden, d.h. es erfolgt überhaupt keine Variation der Modulationsfrequenz, sondern es wird kontinuierlich die Grundfrequenz fO als Modulationsfrequenz verwendet. Wird dagegen die Frequenz f2 als Grundfrequenz eingestellt, so kann die Modulationsfrequenz innerhalb des Frequenzbereichs Af im Bereich von ±20 % um die Grundfrequenz f2 herum variiert werden.

Wie bereits zuvor erwähnt, sind selbstverständlich auch beliebige andere Schemata und Anzahlen für das Festlegen der Frequenzbereiche sowie die Auswahl der Muster für die Variation der Modulationsfrequenz möglich. Beispielsweise kann der Frequenzbereich, mit dem die Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz herum variiert wird, auch über einen Bereich der Grundfrequenz hinweg konstant bleiben. Ebenso ist es auch möglich, über den gesamten Bereich der Grundfrequenz hinweg dasselbe Muster für die Variation der Modulationsfrequenz um die Grundfrequenz herum zu verwenden.

Neben der hier beschriebenen Variation des Frequenzbereichs sowie des Musters für die Variation der Modulationsfrequenz über die Grundfrequenz f hinweg, kann sowohl der Frequenzbereich als auch das Muster für die Variation der Modulationsfrequenz auch in Abhängigkeit von beliebigen anderen Parametern ausgewählt und eingestellt werden. Auf diese Weise können gezielt einzelne Eigenschaften des Stromrichters 1 oder an den Stromrichter 1 angeschlossener Komponenten beeinflusst werden. Besonders bevorzugt wird in dem Bereich PI mit den niedrigeren Grundfrequenzen zwischen der Frequenz fl und der Frequenz fO ein erstes Muster zur Variation der Modulationsfrequenz verwendet. Dies wirkt insbesondere in diesem Bereich der Grundfrequenz dominanten Störgeräuschen entgegen. So wird bei Grundfrequenzen, welche in einem für einen Menschen besonders sensiblen Frequenzbereich liegen, die Geräuschentwicklung durch Aufweiten des Frequenzbereichs, in dem die Modulationsfrequenz variiert wird, subjektiv verbessert. Auch durch ein Ändern des Musters, mit welchem die Frequenz innerhalb des Frequenzbereichs variiert wird, kann ein subjektives Empfinden für die entstandenen Geräusche beeinflusst werden. Ebenso wird besonders bevorzugt in dem Bereich P2 mit den höheren Grundfrequenzen zwischen fO und f2 ein zweites Muster P2 für die Variation der Modulationsfrequenz verwendet. Dabei dient das dynamische Anpassen von Frequenzbereich und dem Muster für die Variation der Modulationsfrequenz vor allem der Reduktion der EMV Emissionen, die in diesem Bereich dominant sind. Somit kann die Auslegung des Systems und insbesondere auch der Komponenten zur Filterung oder Unterdrückung der negativen oder kritischen Eigenschaften geringer dimensioniert werden.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Stromrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt S1 erfolgt ein Einstellen einer Modulationsfrequenz. Die eingestellte Modulationsfrequenz kann insbesondere eine Frequenz aufweisen, die in einem vorbestimmten Frequenzbereich variiert wird. Ferner kann die Modulationsfrequenz mit einem vorbestimmten Muster um die vorbestimmte Grundfrequenz herum variiert werden.

In Schritt S2 werden Schaltsignale für einen elektrischen Stromrichter lgeneriert. Das Generieren der Schaltsignale erfolgt unter Verwendung der eingestellten Modulationsfrequenz. Darüber hinaus kann für die Generierung der Schaltsignale ein empfangener Eingangsparameter, beispielsweise ein Sollwert für einen Strom, ein Drehmoment oder eine Drehzahl eines angeschlossenen Elektromotors generiert werden.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung das Ansteuern eines elektrischen Stromrichters. Der Stromrichter wird mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenz angesteuert. Diese Modulationsfrequenz kann variabel eingestellt werden. Insbesondere kann die Modulationsfrequenz in einem vorgegebenen Frequenzbereich um eine Grundfrequenz variiert werden. Der Frequenzbereich, in dem die Modulationsfrequenz variiert wird, und auch das Muster, mit dem diese Variation erfolgt, können angepasst werden.