Antriebssystem sowie Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines mehrphasigen Spannungssignals, welches zumindest einem Phasensatz eines Stators einer elektrischen Maschine eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs zum Erzeugen eines drehmomentspezifischen, magnetischen Drehfelds zugeführt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung, ein Antriebssystem sowie ein Kraftfahrzeug.

Vorliegend richtet sich das Interesse auf Antriebssysteme für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, welche zumindest eine elektrische Maschine aufweisen. Die elektrische Maschine ist dazu ausgelegt, ein spezifisches Drehmoment bzw. Antriebsmoment für das Kraftfahrzeug bereitzustellen, und umfasst einen Stator sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor. Der Stator weist üblicherweise zumindest einen Phasensatz mit zumindest drei (Stator-) Phasen auf. Dem zumindest einen Phasensatz wird ein mehrphasiger Strom zur Erzeugung eines drehmomentspezifischen, magnetischen Drehfelds im Stator zugeführt. Dazu ist jede Phase mit einer Halbbrücke eines Wechselrichters des Antriebssystems elektrisch verbunden, über welchen jeder Phase ein Phasenstrom des mehrphasigen Stromsignals eingeprägt wird, indem Phasenspannungen eines von dem Wechselrichter ausgegebenen mehrphasigen Spannungssignals an die Wicklungen der Phasen angelegt werden.

Eine, insbesondere sinusförmige, Grundwelle der Phasenströme kann dabei mit einer Oberwelle behaftet sein, welche Verluste verursacht, sodass die durch die elektrische Maschine erzielbare maximale Leistung nachteilig beeinflusst wird. Zudem weist der Wechselrichter einen bestimmten Betriebsbereich auf, welcher um einen Toleranzbereich hinsichtlich Spitzenwerten der Phasenströme vergrößert ist. Bei Spitzenströmen außerhalb des Toleranzbereiches wird der Inverter üblicherweise abgeschaltet. Die Spitzenströme können insbesondere dann den Toleranzbereich des Inverters verlassen, wenn eine Amplitude der Grundwelle um eine Amplitude der Oberwelle vergrößert wird. Um dies zu verhindern, kann beispielsweise das Drehmoment soweit verringert werden, dass die Toleranzgrenze des Wechselrichters eingehalten wird. Dazu kann das regelbare, von dem Wechselrichter ausgegebene Spannungssignal dauerhaft begrenzt werden. Die Begrenzung erfolgt dabei oftmals unnötig stark, sodass wiederum Stromoberwellen entstehen, die zusätzliche Verluste erzeugen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mit welcher eine elektrische Maschine eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs auf einfache und verlustarme Weise betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, eine Steuereinrichtung, ein Antriebssystem sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Regeln eines mehrphasigen Spannungssignals, welches zumindest einem Phasensatz eines Stators einer elektrischen Maschine eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs zum Erzeugen eines drehmomentspezifischen, magnetischen Drehfelds zugeführt wird. Dabei werden ein eine Grundwelle des Spannungssignals repräsentierender Grundwellenraumzeiger und zumindest ein eine Oberwelle des Spannungssignals repräsentierender Oberwellenraumzeiger bestimmt. Dieser Grundwellenraumzeiger und dieser zumindest eine Oberwellenraumzeiger werden zu einem Summenraumzeiger addiert und es wird überprüft, ob der Summenraumzeiger einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Falls der Summenraumzeiger den vorbestimmten Schwellwert überschreitet, wird der Summenraumzeiger auf unterhalb des Schwellwertes begrenzt.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung für ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Darüber hinaus gehört zur Erfindung ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, welches zumindest eine elektrische Maschine aufweist. Die zumindest eine elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor, wobei der Stator zumindest einen Phasensatz mit drei Phasen aufweist. Außerdem umfasst das Antriebssystem zumindest einen Wechselrichter zum Anlegen des mehrphasigen Spannungssignals an die Phasen des zumindest einen Phasensatzes und eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung. Die elektrische Maschine ist insbesondere als eine Drehfeldmaschine ausgebildet und kann beispielsweise eine permanenterregte Drehfeldmaschine (PSM) oder eine stromerregte Drehfeldmaschine (SSM) sein. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine dreiphasige Maschine sein und somit einen Phasensatz mit drei (Stator-) Phasen aufweisen. Vorzugsweise ist die zumindest eine elektrische Maschine eine sechsphasige Drehfeldmaschine und weist zumindest zwei Phasensätze mit jeweils drei Phasen auf, wobei die Phasen eines Phasensatzes um 120° bezüglich einer Rotationsachse des Rotors zueinander versetzt angeordnet sind und wobei die zumindest zwei Phasensätze um 30° zueinander versetzt angeordnet sind. Die Phasensätze sind jeweils in einer Sternschaltung mit einem potentialfreien Sternpunkt verschaltet und die Sternpunkte der unterschiedlichen Phasensätze sind voneinander galvanisch getrennt.

Der zumindest eine Phasensatz ist mit einem Inverter bzw. Wechselrichter des Antriebssystems elektrisch verbunden, welcher die von einem elektrischen Energiespeicher des Antriebssystems bereitgestellten Gleichspannung in das mehrphasige Spannungssignal umwandelt. Dieses mehrphasige Spannungssignal wird an Wicklungen des Phasensatzes angelegt und ruft dort einen Drehstrom hervor, durch welchen wiederum ein magnetisches Drehfeld im Stator hervorgerufen wird.

Zumindest einer der Phasenströme kann dabei einen Spitzenstromwert aufweisen, welcher außerhalb eines Betriebsbereiches des Wechselrichters liegt. Im diesem Falle oder im Falle, dass der Spitzenstrom auch außerhalb eines Toleranzbereiches des Wechselrichters liegt, um welchen der Betriebsbereich des Wechselrichters erweitert ist, so hat dies eine erhöhte Beanspruchung von Bauteilen des Wechselrichters und damit eine verringerte Lebensdauer zur Folge. Falls der Spitzenstrom innerhalb eines Abschaltbereiches des Wechselrichters liegt, so kann es sein, dass der Wechselrichter in unerwünschter Weise abgeschaltet wird.

Um dies zu verhindern, wird eine Regelungsstrategie für das mehrphasige Spannungssignal bereitgestellt, bei welcher Ausgangsspannungen des zumindest einen Wechselrichters nicht dauerhaft, sondern nur bei Notwendigkeit begrenzt werden. Dazu wird das mehrphasige, üblicherweise aus zumindest drei Ausgangsspannungen des Wechselrichters gebildete Spannungssignal als ein Raumzeiger in einem zweidimensionalen, orthogonalen Koordinatensystem repräsentiert. Dazu werden der Grundwellenraumzeiger und der zumindest eine Oberwellenraumzeiger als ein Grundwellenvektor und als zumindest ein Oberwellenvektor in jeweils einem zweidimensionalen, orthogonalen Koordinatensystem bestimmt. Anders ausgedrückt sind das Koordinatensystem, in welchem der Grundwellenvektor repräsentiert wird, und das Koordinatensystem, in welchem der Oberwellenvektor repräsentiert wird, zunächst voneinander entkoppelt.

Zum Überführen des mehrphasigen Spannungssignals in einen zweidimensionalen Vektor können die Ausgangsspannungen beispielsweise zunächst mittels a-b-Transformation in ein stationäres, nicht rotierendes Koordinaten bzw. Bezugssystem und anschließend mittels d-q-Transformation in ein mit der Frequenz des Drehfeldes rotierendes Koordinatensystem überführt werden.

Der Grundwellenraumzeiger und der Oberwellenraumzeiger werden nun nicht getrennt voneinander in den entkoppelten Koordinatensystemen geregelt, sondern die Koordinatensysteme werden zu einem ganzheitlichen Koordinatensystem überlagert, in welchem der Summenraumzeiger bzw. Summenvektor als die Summe des Grundwellenraumzeigers und des Oberwellenraumzeigers repräsentiert wird. Dieser Summenraumzeiger wird nun mit dem vorbestimmten Schwellwert verglichen. Nur, wenn der Summenraumzeiger den vorbestimmten Schwellwert überschreitet, werden der Summenraumzeiger und damit die Ausgangsspannungen des Wechselrichters begrenzt. Insbesondere wird der Summenraumzeiger begrenzt, indem der zumindest eine Oberwellenraumzeiger derart geregelt wird, dass der aus dem Grundwellenraumzeiger und dem geregelten Oberwellenraumzeiger bestimmte begrenzte Summenraumzeiger den Schwellwert unterschreitet.

Mittels des Verfahrens werden die Ausgangsspannungen und damit das Drehmoment also nur dann begrenzt, wenn es notwendig ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird als der Schwellwert ein phasenabhängiger Schwellwert vorbestimmt. Insbesondere wird der phasenabhängige Schwellwert durch ein Hexagon in einem zweidimensionalen Koordinatensystem, welches durch Überlagerung von zweidimensionalen Koordinatensystemen des Grundwellenraumzeigers und des Oberwellenraumzeigers gebildet wird, vorgegeben. Dieses Hexagon bestimmt die maximale Aussteuerung der elektrischen Maschine, also den Scheitelwert des normierten Spannungssignals.

Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem. Das Kraftfahrzeug ist als ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet. Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung, für das erfindungsgemäße Antriebssystem sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug mit einer sechsphasigen Maschine;

Fig. 2 eine schematische Darstellung von Phasensätzen einer sechsphasigen elektrischen Maschine; und

Fig. 3 ein Koordinatensystem mit zwei Raumzeigern

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt ein Antriebssystem 1 für ein Kraftfahrzeug mit einer sechsphasigen elektrischen Maschine 2. In Fig. 2 sind zwei Phasensätze 3, 3‘ eines Stators 4 der elektrischen Maschine 2 gezeigt, welche jeweils drei Phasen u, v, w, u‘ v‘, w‘ mit jeweiligen Statorwicklungen 5, 5‘ aufweisen. Für jeden Phasensatz 3, 3‘sind jeweils drei Statorwicklungen 5, 5‘ entsprechend einem Winkelversatz von 120° entlang des Umfangs des Stators 4 angeordnet. Die beiden Phasensätze 3, 3‘ weisen wiederum einen Winkelversatz 6 auf, der vorliegend 30° beträgt. Die Statorwicklungen 5, 5‘ jedes Phasensatzes 3, 3‘ sind generell entsprechend einer Sternschaltung 7 angeordnet. Das bedeutet, dass die drei Statorwicklungen 5 des ersten Phasensatzes 3 in einem ersten Sternpunkt M1 zusammengeschlossen sind. Die jeweils anderen Enden der Statorwicklungen 5 des ersten Phasensatzes 3 werden mit einem Wechselrichter 8 und entsprechendem Regler, beispielsweise einem PI-Regler, gekoppelt und mit Phasenspannungen U, V, W beaufschlagt. Analog sind die drei Statorwicklungen 5‘ des zweiten Phasensatzes 3‘ in einem zweiten Sternpunkt M2 zusammengeschlossen und die jeweils anderen Enden mit einem weiteren Wechselrichter 8‘ und entsprechendem Regler gekoppelt und mit Phasenspannungen IT, V‘, W‘ beaufschlagt. Die beiden Wechselrichter 8, 8‘ stellen zusammen ein mehrphasiges Spannungssignal für die Statorwicklungen 5, 5‘ bereit. Die Wechselrichter 8, 8‘ sind über einen hier nicht gezeigten Zwischenkreis mit einem hier nicht gezeigten elektrischen Energiespeicher des Antriebssystems 1 verbunden.

Durch die Anordnung der Statorwicklungen 5, 5‘ in korrespondierenden, aber versetzten Phasensätzen 3, 3‘ ergibt sich eine starke magnetische Kopplung zwischen den Statorwicklungen 5, 5‘ innerhalb der elektrischen Maschine 2, wodurch es zu hohen Oberwellen von Phasenströmen der elektrischen Maschine 2 kommt. Um zu verhindern, dass die Wechselrichter 8, 8‘ aufgrund der hohen Oberwellen unnötigerweise abgeschaltet werden, werden die von den Wechselrichtern 8, 8‘ bereitgestellten mehrphasigen Spannungssignale begrenzt.

Dazu werden die aus den Phasenspannungen U, V, W; U‘, V‘, W gebildeten mehrphasigen Spannungssignale in einem zweidimensionalen a-ß-Koordinatensystem, wie in Fig. 3 gezeigt, als Raumzeiger repräsentiert. Auf der Abszisse ist hier die normierte Spannung U _a /U _DC und auf der Ordinate die normierte Spannung Uß/U _DC dargestellt. UDC ist die Zwischenkreisspannung. Dabei werden ein Grundwellenraumzeiger R1, welcher die Grundwelle des mehrphasigen Spannungssignals repräsentiert, und ein Oberwellenraumzeiger R2, welcher insbesondere die fünfte Oberwelle des mehrphasigen Spannungssignals repräsentiert, bestimmt. Üblicherweise bewegt sich der Grundwellenraumzeiger dabei entlang des Innenkreises eines Hexagons H, kann sich jedoch zur Bereitstellung eines kurzzeitig höheren Drehmoments auch entlang des Hexagons H bewegen.

Für jeden Phasenwinkel wird ein Summenraumzeiger durch Addieren der zu diesem Phasenwinkel gehörigen Raumzeiger R1, R2 gebildet. Dabei bewegt sich eine Spitze des in dem Koordinatensystem rotierenden Summenraumzeigers auf einer Trajektorie T. Zu jedem Phasenwinkel wird überprüft, ob der Summenraumzeiger innerhalb des Hexagons H liegt. Bei Phasenwinkeln, bei welcher die Trajektorie T des Summenraumzeigers außerhalb des Hexagons H liegt, wird insbesondere der Oberwellenraumzeiger zum Begrenzen des mehrphasigen Spannungssignals derart geregelt, dass der Summenraumzeiger sich höchstens entlang des Hexagons bewegt.