-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters einer elektrischen Maschine, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, mit einer Brückenschaltung mit einer Anzahl von Halbleiterschaltern und mit einem Zwischenkreiskondensator. Sie betrifft weiter einen nach diesem Verfahren arbeitenden Stromrichter und ein elektrische Maschine mit einem solchen Stromrichter.
-
Elektrisch (elektromotorisch) angetriebene Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, weisen typischerweise elektrische Maschinen zum Antrieb einer oder beider Kraftfahrzeugachsen auf. Derartige elektromotorische Antriebsmaschinen umfassen in der Regel einen gesteuerten Synchron- oder Asynchronmotor als Elektromotor, welcher zur Versorgung mit elektrischer Energie an einen fahrzeuginternen Energiespeicher (Hochvolt-Batterie) gekoppelt ist.
-
Der Elektromotor der elektrischen Maschine umfasst herkömmlicherweise einen gegenüber einem Stator drehbar gelagerten Rotor, welcher mittels eines magnetischen Drehfeldes angetrieben wird. Zur Erzeugung des Drehfeldes werden die Spulenwicklungen (Phasenwicklungen, Statorwicklungen) des Stators mit einem entsprechenden Drehstrom (Wechselspannung) als Motorstrom beaufschlagt, welcher aus einer Gleichspannung beziehungsweise aus einem Gleichstrom (Eingangsstrom) des Energiespeichers mittels eines Stromrichters gewandelt wird.
-
Derartige Stromrichter sind einerseits dafür geeignet und eingerichtet, als Wechselrichter (Inverter) in einem Normalbetrieb der Maschine den Eingangsstrom des Energiespeichers in den Motorstrom zu wandeln. Andererseits sind die Stromrichter in der Regel dazu geeignet und eingerichtet, in einem generatorischen oder rekuperativen Betrieb als Gleichrichter einen erzeugten Motorstrom des Elektromotors in einen Gleichstrom (Rückspeisestrom) zur Einspeisung in den Energiespeicher zu wandeln.
-
Zu diesem Zwecke weist der Stromrichter eine mit einem Zwischenkreiskondensator gekoppelte Brückenschaltung auf (Zwischenkreis, Kommutierungskreis). Die Brückenschaltung umfasst eine der Anzahl der (Motor-)Phasen entsprechende Anzahl von Brückenmodulen (Halbbrücken, Leistungsmodul, Kommutierungszelle) mit Halbleiterschaltern, die zwischen einer Hinleitung und einer Rückleitung des Stromrichters verschaltet sind.
-
Der Stromrichter ist mittels Zuleitungen an den Energiespeicher angeschlossen. Insbesondere bei hohen Leistungen beziehungsweise hohen Strömen, wie sie beispielsweise im Automobilbereich vorkommen, werden aufgrund der (Um-)Schaltvorgänge der Halbleiterschalter (Über-)Spannungsspitzen und (Spannungs-)Oszillationen in den Leitungen des Stromrichters erzeugt. Diese Störspannungen werden typischerweise anhand eines Spannungsmittelwertes und einer Peak-to-Peak-Spannung beziehungsweise einer Spannungsamplitude, dem sogenannten (Spannungs-)Ripple oder Ripplespannung, charakterisiert.
-
Zur Einhaltung von EMV-Richtlinien (elektromagnetische Verträglichkeit) sowie zum Schutz der elektronischen Bauteile des Stromrichters und insbesondere des daran angeschlossenen Energiespeichers ist es notwendig, dass die Ripplespannung einen bestimmten Schwellwertbereich (Amplitudenschwellwert) nicht überschreitet. Mit anderen Worten sind anwendungsseitig in der Regel Schwellwerte (Amplitudenschwellwert) vorgegeben, welche die Ripplespannung zu keinem Zeitpunkt des Motorbetriebs, das bedeutet zu keinem Betriebszeitpunkt, überschreiten darf.
-
Die wesentlichen Einflüsse auf die Rippelspannung sind der mittlere Motorstrom, das bedeutet im Wesentlichen der RMS-Wert (root mean square) des erzeugten Drehstromes, sowie die den Motorstrom charakterisierenden fluss- und drehmomentbildenden Komponenten. Bei einer feldorientierten Regelung sind diese Komponenten im Wesentlichen durch einen d-Stromanteil und einen q-Stromanteil im Zuge einer Vektorregelung beschrieben. Mit anderen Worten beeinflusst der Modulationsgrad, das bedeutet der Ansteuergrad der Halbleiterschalter, die auftretende Ripplespannung. Dies bedeutet, dass die Ripplespannung abhängig ist von dem aktuellen Betriebszustand des Elektromotors und somit von dem aktuellen Betriebszustand des Stromrichters. Entsprechend treten bei hohen Motorströmen, insbesondere im Zuge eines Hoch- oder Volllastbetriebs des Elektromotors, wenn diese stark drehmomentbildend wirken, maximale Ripplespannungswerte auf. Derartige Hochlastbetriebszustände treten beispielsweise bei einem Beschleunigungsvorgang eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges auf.
-
Der Zwischenkreiskondensator wirkt mittels seiner Kapazität als eine zusätzliche Einflussgröße auf die Ripplespannung. Insbesondere wirkt die Kapazität dämpfend auf die Amplitude der Ripplespannung, das bedeutet, dass die Rippleamplitude durch den Zwischenkreiskondensator reduziert wird. Je höher die Kapazität, desto geringer ist die auftretende Ripplespannung. Eine weitere, wesentliche Einflussgröße ist die (Um-)Schaltfrequenz der Halbleiterschalter (Taktfrequenz), das bedeutet das PWM (Pulsweitenmodulation) gesteuerte, getaktete Umschalten der Halbleiterschalter (PWM-Ansteuerung).
-
In der Regel ist die Schaltfrequenz fest eingestellt und derart gewählt, dass bei einer maximalen Drehzahl des Elektromotors (Volllast) die Frequenz der Grundschwingung des Motorstroms einen schaltfrequenzabhängigen Schwellwert nicht überschreitet. Dadurch wird die Erzeugung von entsprechend hervorgerufenen Ripplespannungen reduziert oder vollständig vermieden. Die Schaltfrequenz wird jedoch lediglich so hoch gewählt wie mindestens notwendig, da (Um-)Schaltverluste der Halbleiterschalter für höhere Schaltfrequenzen zunehmen. Somit wird der Gesamtwirkungsgrad sowie die maximale Ausgangsleistung der elektrischen Maschine beschränkt.
-
Zur Reduzierung der Ripplespannung ist es weiterhin möglich, die Kapazität des Zwischenkreiskondensators derart zu dimensionieren, dass ein Maximalstrom (Maximalwert) bei der gewählten (fixen) Schaltfrequenz der Halbleiterschalter in keinem Betriebspunkt, das bedeutet auch nicht während eines Hoch- oder Volllastbetriebs, von dem Motorstrom überschritten wird. Der Hoch- oder Volllastbetrieb tritt in der Regel jedoch lediglich in bestimmten Situationen, wie beispielsweise bei einem Beschleunigungsvorgang auf, wodurch der Zwischenkreiskondensator hinsichtlich des (häufigeren) Normalbetriebs der elektrischen Maschine überdimensioniert ist. Mit anderen Worten weist der Zwischenkreiskondensator einen nicht unerheblichen Kapazitätsanteil (Puffer) für die lediglich selten auftretenden, hohen Motorströme beziehungsweise Rippelspannungen auf. Dadurch werden die Baukosten sowie der Bauraum des Stromrichters nachteilig erhöht.
-
Alternativ ist der Wert des Maximalstroms beispielsweise anhand einer statistischen Verteilung der Stromhöhe des Motorstroms über eine Lebensdauer des Stromrichters gewählt. Mit anderen Worten wird die Kapazität des Zwischenkreiskondensators beispielsweise derart dimensioniert, dass dieser (statistische) Maximalwert die zulässigen Werte der Ripplespannung erfüllt. Dadurch werden Einsparungen hinsichtlich der Baukosten sowie des Bauraums ermöglicht, jedoch werden somit nicht alle Anforderungen im Betrieb der elektrischen Maschine abgedeckt. In der Folge ist es möglich, dass, insbesondere im Zuge eines Volllastbetriebs, Störungen, Beschädigungen und/oder Zerstörungen von elektrischen Bauteilen des Stromrichters oder der daran angeschlossenen Maschinenkomponenten auftreten.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst geeignetes Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters anzugeben. Insbesondere soll das Verfahren einen Einsatz eines Zwischenkreiskondensators des Stromrichters mit einem möglichst geringen Kapazitätswert, unter gleichzeitiger Beibehaltung eines möglichst hohen, betriebssicheren Motorstroms ermöglichen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein nach einem derartigen Verfahren betriebenen Stromrichter sowie eine einen solchen Stromrichter aufweisenden elektrischen Maschine anzugeben.
-
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Stromrichters wird die genannte Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und hinsichtlich einer den Stromrichter aufweisenden elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Stromrichters einer elektrischen Maschine geeignet und eingerichtet. Die elektrische Maschine ist hierbei beispielsweise Teil eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, wie etwa einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Der beispielsweise als Wechselrichter (Inverter) ausgeführte Stromrichter weist eine Brückenschaltung mit einer Anzahl von Halbleiterschaltern und mit einem Zwischenkreiskondensator auf.
-
Verfahrensgemäß wird während eines Normalbetriebs der Maschine durch ein vorzugsweise mittels einer PWM-Ansteuerung (Pulsweitenmodulation) getaktetes Umschalten der Halbleiterschalter mit einer Schaltfrequenz ein dem Stromrichter zugeführter Eingangsstrom (Gleichstrom) in einen Motorstrom (Drehstrom, Ausgangsstrom) für einen Elektromotor gewandelt. Entsprechend wird während eines generatorischen oder rekuperativen Betriebs der Maschine der Motorstrom in einen gleichgerichteten Eingangsstrom für eine Einspeisung in den Energiespeicher gewandelt.
-
Während eines Hochlastbetriebs der Maschine wird der Motorstrom auf einen Maximalwert (Maximalstrom) eingestellt, und die Schaltfrequenz wird für das Umschalten der Halbleiterschalter für eine beschränkte Zeitdauer erhöht. Unter einem Hochlastbetrieb ist hierbei ein Maschinenbetrieb zu verstehen, bei welchem eine erhöhte Ripplespannung erzeugt wird, welche nicht ausreichend mittels der Kapazität des Zwischenkreiskondensators reduzierbar ist. Unter Hochlastbetrieb ist nachfolgend insbesondere auch ein Volllastbetrieb der Maschine zu verstehen.
-
Der Motorstrom wird somit während des Hochlastbetriebs durch eine mittels der Zeitdauer zeitlich begrenzte Erhöhung der Schaltfrequenz auf den Maximalwert eingestellt. Dies bedeutet, dass die Schaltfrequenz für den Maschinenbetrieb nicht fixiert beziehungsweise festgelegt ist, sondern zwischen Normalbetrieb und Hochlastbetrieb dynamisch variiert wird. Mit anderen Worten wird die Schaltfrequenz abhängig von dem Betriebspunkt der elektrischen Maschine beziehungsweise des Elektromotors erhöht.
-
Die Erhöhung der Schaltfrequenz bewirkt hierbei eine Reduzierung der durch die infolge der PWM-Ansteuerung der Halbleiterschalter entstehende Rippelspannung. Dies bedeutet, dass die Ripplespannung durch die Variation der Schaltfrequenz begrenzt wird. Dadurch ist ein Zwischenkreiskondensator mit einer vergleichsweise niedrigen Kapazität für den Stromrichter einsetzbar. Insbesondere ist es dadurch möglich, den Zwischenkreiskondensator im Wesentlichen ohne eine Überdimensionierung auszuführen, was sich vorteilhaft auf dessen Baukosten und Baugröße auswirkt.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung wird die Schaltfrequenz in Abhängigkeit des durch die Brückenschaltung erzeugten Motorstroms erhöht. Mit anderen Worten wird die Schaltfrequenz in Abhängigkeit des ausgangsseitigen Motorstroms nachgestellt beziehungsweise nachgeführt. Dadurch ist eine zuverlässige und betriebssichere Erhöhung der Schaltfrequenz sichergestellt.
-
Zu diesem Zwecke ist in einer geeigneten Weiterbildungsform zwischen dem Motorstrom während des Normalbetriebs und dem Maximalwert des Motorstroms während des Hochlastbetriebs vorzugsweise eine Anzahl von Stromschwellwerten definiert. Bei einem Einstellen des Motorstroms auf den Maximalwert durchläuft der Wert des Motorstroms somit nacheinander die verschiedenen Motorschwellwerte, wobei die Schaltfrequenz erhöht wird, wenn der Motorstrom einen derartigen Stromschwellwert erreicht oder überschreitet.
-
Aufgrund der im Hochlastbetrieb auftretenden hohen Motorströme führt die Erhöhung der Schaltfrequenz zu einer Zunahme der Schaltverluste der Halbleiterschalter. Um zu verhindern, dass die dadurch entstehende Wärmeentwicklung zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Halbleiterschalter führt, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass die Zeitdauer anhand einer Betriebstemperatur des oder jedes Halbleiterschalters bestimmt wird. Zur betriebssicheren Beschränkung der Zeitdauer wird hierbei insbesondere eine Sperrschichttemperatur der Halbleiterschalter als Maß für die Betriebstemperatur verwendet.
-
In einer zweckmäßigen Ausbildung wird die Betriebstemperatur anhand eines hinterlegten thermischen Modells der Halbleiterschalter bestimmt. Insbesondere wird hierbei in einem vorgegebenen Zeitraster, beispielsweise in einem Millisekundenraster, periodisch der Istwert der Betriebs- beziehungsweise Sperrschichttemperatur zum Selbstschutz und zu Limitierungszwecken bestimmt.
-
Die Wärmeentwicklung aufgrund der Schaltverluste ist selbst von der Betriebstemperatur abhängig. Die Wärmeentwicklung ist insbesondere mitkoppelnd, das bedeutet, dass bei höheren Temperaturen stärkere Schaltverluste entstehen, wodurch die Wärmeentwicklung erhöht wird. Um eine betriebssichere und zuverlässige Erhöhung und Nachführung der Schaltfrequenzen zu gewährleisten, ist es daher notwendig die Betriebstemperatur während der Zeitdauer zu beschränken. Zu diesem Zwecke wird in einer besonders betriebssicheren Weiterbildung die Betriebstemperatur mit einem Temperaturschwellwert verglichen. Wenn die Betriebstemperatur den Temperaturschwellwert erreicht oder überschreitet, wird der Motorstrom reduziert und/oder limitiert. Dies entspricht dem Ende der Zeitdauer.
-
Mit anderen Worten beginnt die Zeitdauer mit der hochlastbetriebsbedingten Erhöhung des Motorstroms und endet mit dem Erreichen des Temperaturschwellwertes der berechneten Betriebstemperatur aufgrund des erhöhten Motorstroms und der erhöhten Schaltfrequenz. Dies entspricht einer zeitlichen Beschränkung des Überlastbetriebs der Halbleiterschalter zu deren Schutz (Selbstschutz).
-
Bei einem Überschreiten oder Erreichen des Temperaturschwellwertes wird der Motorstrom auf einen gegenüber dem Maximalwert reduzierten Wert eingestellt. Mit anderen Worten erfolgt eine Stromlimitierung des Motorstroms. Dadurch werden die Schaltverluste reduziert, sodass die Betriebstemperatur verringert wird.
-
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Schaltfrequenz während des Hochlastbetriebs stufenweise, das bedeutet in diskreten Frequenzschritten, eingestellt wird. Dadurch ist eine einfache Einstellung der Schaltfrequenz realisiert.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung wird die Schaltfrequenz während des Hochlastbetriebs stufenweise erhöht, wenn der Motorstrom den vorgegeben Maximalwert unterschreitet oder nicht überschreitet und die Betriebstemperatur den Temperaturschwellwert unterschreitet oder nicht überschreitet.
-
Zusätzlich oder alternativ wird die Schaltfrequenz während des Hochlastbetriebs stufenweise reduziert, wenn der Motorstrom einen gegenüber dem Maximalwert reduzierten Stromschwellwert erreicht oder unterschreitet. Der reduzierte Stromschwellwert wird hierbei insbesondere durch die Motorstromreduzierung im Zuge der Temperaturregelung unterschritten. Dadurch wird die Betriebstemperatur auf einen Wert unterhalb des Temperaturschwellwertes reduziert. Bei einem Erreichen oder Unterschreiten des Stromschwellwertes wird die Schaltfrequenz dem Motorstrom nachgeführt, dies bedeutet, dass in diesem Falle die Schaltfrequenz verringert (erniedrigt) wird.
-
Dadurch ist ein quasistationärer Betriebszustand während des Hochlastbetriebs bewirkt. Das Einschwingen beziehungsweise das Hin- und Herpendeln der Schaltfrequenz, des Motorstroms und der Betriebstemperatur wird hierbei vorzugsweise durch eine Auswahl geeigneter Hysteresen eingestellt beziehungsweise unterdrückt. Somit ist eine besonders kostengünstige und technisch einfache Einstellung der Schaltfrequenz, insbesondere hinsichtlich einer Nachführung anhand des Motorstroms, realisiert.
-
Durch die Nachführung der Schaltfrequenz wird gewährleistet, dass ein vorgegebener Amplitudenschwellwert für die infolge einer PWM-Ansteuerung der Halbleiterschalter entstehende Rippelspannung während des Hochlastbetriebs stets unterschritten oder nicht überschritten wird. Dadurch ist eine betriebssichere Reduzierung der Kapazität des Zwischenkreiskondensators möglich.
-
Ein erfindungsgemäßer Stromrichter ist für den zuverlässigen Betrieb einer elektrischen Maschine geeignet und eingerichtet. Der Stromrichter weist einen Controller, das bedeutet ein Steuergerät, auf. Der Controller ist hierbei allgemein – programm- und/oder schaltungstechnisch – zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, während eines Hochlastbetriebs den Motorstrom auf einen Maximalwert einzustellen und die Schaltfrequenz zum Umschalten der Halbleiterschalter zu erhöhen. Insbesondere ist der Controller dazu geeignet und eingerichtet, die Schaltfrequenz in Abhängigkeit des erzeugten Motorstroms nachzustellen beziehungsweise nachzuführen.
-
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren – gegebenenfalls in Interaktion mit einem Fahrzeugnutzer – bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird.
-
Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, z.B. einen ASIC (anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
-
Der mit dem Verfahren betriebene Stromrichter ist somit im Wesentlichen stets auf den Punkt ausgelegt, das bedeutet, er arbeitet zu jedem Betriebszeitpunkt in einer möglichst effektiven Art und Weise, ohne dabei sicherheitstechnische Begrenzungen, wie insbesondere den Amplitudenschwellwert der Ripplespannung, zu überschreiten. Dadurch ist es ermöglicht, einen besonders kostengünstigen und bauraumkompakten Zwischenkreiskondensator zu verwenden.
-
In einer bevorzugten Anwendung ist der Stromrichter in einer elektrischen Maschine, insbesondere für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, eingebaut. Hierzu ist der Stromrichter geeigneterweise zwischen einem eingangsseitigen, fahrzeuginternen Energiespeicher, wie beispielsweise einer Hochvolt-Batterie, und einem ausgangsseitigen Elektromotor, beispielsweise einem Asynchronmotor zum Antrieb einer oder beider Fahrzeugachsen, verschaltet. Der in dieser Anwendung insbesondere als Wechselrichter (Inverter) ausgeführte Stromrichter wandelt einen Eingangsstrom des Energiespeichers in einen Motorstrom zum Betrieb des Elektromotors. Im Zuge eines generatorischen oder rekuperativen Betriebs wandelt der Wechselrichter den erzeugten Motorstrom in einen Eingangsstrom für die Einspeisung in den Energiespeicher. Durch den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen beziehungsweise danach arbeitenden Stromrichter ist eine betriebssichere und kostengünstige elektrische Maschine realisiert.
-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachten und schematischen Darstellungen:
-
1 eine elektrische Maschine mit einem Energiespeicher und einem Elektromotor sowie einem dazwischen geschalteten Stromrichter,
-
2 ein Diagramm eines Soll-Drehmoments des Elektromotors über die Zeit,
-
3 ein Diagramm eines von dem Stromrichter erzeugten Motorstroms über die Zeit,
-
4 ein Diagramm einer beim Erzeugen des Motorstroms entstehenden Ripplespannung über die Zeit,
-
5 ein Diagramm einer Schaltfrequenz für das Umschalten von Halbleiterschaltern des Stromrichters über die Zeit, und
-
6 ein Diagramm einer Betriebstemperatur der Halbleiterschalter über die Zeit.
-
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In der 1 ist eine elektrische (Antriebs-)Maschine 2 eines elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, dargestellt. Die Maschine 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen fahrzeuginternen, elektrischen Energiespeicher 4 in Form einer Hochvolt-Batterie und einen die Kraftfahrzeugachsen antreibenden Elektromotor 6. Der Elektromotor 6 ist hierbei mittels eines Stromrichters 8 an den Energiespeicher angeschlossen.
-
Der Stromrichter 8 weist eine Hinleitung 10a und eine Rückleitung 10b auf, mit welchen der Stromrichter 8 an den Energiespeicher 4 angeschlossen ist. Zwischen den Leitungen 10a und 10b ist ein Zwischenkreiskondensator 12 sowie eine Brückenschaltung 14 mit drei Brückenmodulen (Halbbrücken, Kommutierungszellen) 16 geschaltet.
-
Im (Normal-)Betrieb wird ein dem Stromrichter 8 zugeführter Eingangsstrom IE des Energiespeichers 4 durch die Brückenschaltung 14 in eine dreiphasige Motorspannung beziehungsweise einen Drehstrom mit den Phasen u, v, w gewandelt wird. Die Phasen u, v, w – nachfolgend zusammenfassend auch als Motorstrom IM bezeichnet – werden zum Betrieb des Elektromotors 6 an entsprechende Phasen- oder Wicklungsenden eines nicht näher dargestellten Stators geführt. Während eines generatorischen oder rekuperativen Betriebs wird der erzeugte Motorstrom IM mit dem Stromrichter 8 in den Eingangsstrom IE gewandelt und in den Energiespeicher 4 eingespeist.
-
Zur Wandlung des aus der Hochvolt-Gleichspannung des Energiespeichers 4 gestellten Eingangsstrom IE in den Motorstrom (Ausgangsstrom) IM werden die Brückenmodule 16 mittels eines an eine Motorsteuerung angeschlossenen Controllers 18 gesteuert und/oder geregelt. Zu diesem Zwecke sendet der Controller 18 nicht näher bezeichnete Steuersignale an die Brückenmodule 16. Jedes Brückenmodul 16 weist hierbei zwei als IGBTs (insulated gate bipolar transistor) ausgeführte Halbleiterschalter 20 auf.
-
Die lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehenen Halbleiterschalter 20 werden mittels pulsweitenmodulierter Signale (PWM-Ansteuerung) eines durch die Steuersignale gesteuerten Treibers getaktet mit einer Schaltfrequenz f zwischen einem leitenden und einem nicht-leitenden Zustand umgeschaltet.
-
Diese PWM-Ansteuerung ist in der 1 mittels gate- beziehungsweise ansteuerseitigen Pfeilen schematisch dargestellt.
-
Die Leitungen 10a und 10b führen im Normalbetrieb des Elektromotors 6 beziehungsweise der Maschine 2 den Eingangsstrom IE von dem Energiespeicher 4 zu der Brückenschaltung 14. Während eines generatorischen oder rekuperativen Betriebs des Elektromotors 6 wird elektrische Energie in den Energiespeicher 4 eingespeist.
-
In den 2 bis 6 sind beispielhafte Signalverläufe für den Betrieb des Stromrichters 8 gezeigt. Die schematisierten Signalverläufe sind hierbei entlang einer jeweiligen Abszissenachse als (gemeinsame) Zeitachse t und einer jeweiligen Ordinatenachse aufgetragen. Die Zeitachse t ist in den Figuren in sechs Teil- oder Zeitabschnitte t1 bis t6 unterteilt.
-
Die 2 bis 6 zeigen insbesondere die zeitlichen Signalverläufe während eines Hochlastbetriebs, insbesondere während eines Volllastbetriebs, der Maschine 2, bei welchem der Motorstrom IM auf einen Maximalwert Imax eingestellt und die Schaltfrequenz f für das Umschalten der Halbleiterschalter 20 für eine Zeitdauer τ während der Zeitabschnitte t2, t3 und t4 erhöht wird.
-
In der 2 ist ein zeitlicher Verlauf eines Soll-Drehmoments D des Elektromotors 6 während eines Beschleunigungsvorgangs des Kraftfahrzeugs dargestellt. Das Soll-Drehmoment D ist hierbei ein Maß für die Anforderung, welcher ein Fahrzeugnutzer an die Maschine 2 beziehungsweise den Elektromotor 6 oder den Stromrichter 8 in dieser Fahrsituation des Kraftfahrzeugs stellt.
-
Die 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des aus dem Eingangsstroms IE erzeugten Motorstroms IM. Der Motorstrom IM wird im Volllastbetrieb auf den Maximalwert Imax eingestellt, sodass das gewünschte Drehmoment von dem Elektromotor erzeugt wird.
-
In der 4 ist der zeitliche Verlauf der durch die Schaltvorgänge der Halbleiterschalter 20 in den Leitungen 10a und 10b erzeugten Ripplespannung R dargestellt. Die Ripplespannung R steigt im Zeitabschnitt t1 bis zu einem oberen Amplitudenschwellwert A1 an.
-
Die 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Schaltfrequenz f, das bedeutet die Taktfrequenz der PWM-Ansteuerung der Halbleiterschalter 20. Wie in der 5 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, erfolgt im Betrieb der Maschine 2 eine schritt- oder stufenweise Einstellung oder Umstellung der Schaltfrequenz f. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Schaltfrequenz f zwischen drei diskreten (Schalt-)Frequenzwerten f1, f2 und f3 dynamisch umgeschaltet.
-
In der 6 ist eine Betriebstemperatur TB beziehungsweise eine Sperrschichttemperatur TSS der Halbleiterschalter 20 dargestellt. Die Temperatur TB beziehungsweise TSS wird im Betrieb von dem Controller 18 in einem regelmäßigen Zeitraster rechnerisch bestimmt. Hierzu ist ein thermisches Modell der Halbleiterschalter 20 in einem Speicher des Controllers 18 hinterlegt. Das thermische Modell berechnet hierbei die Temperaturzunahme der Halbleiterschalter 20 unter Berücksichtigung der Schaltverluste, wobei die Schaltverluste im Wesentlichen direkt proportional zu der Schaltfrequenz f sind.
-
In dem Zeitabschnitt t1 wird der Elektromotor 6 in einem Normalbetrieb betrieben. Das gewünschte Soll-Drehmoment D nimmt stetig zu, sodass durch den Controller eine entsprechende Zunahme des erzeugten Motorstroms IM geregelt wird. Hierbei werden die Halbleiterschalter 20 mit einem ersten Schaltfrequenzwert f1 pulsweitenmoduliert angesteuert. Durch die Zunahme des Motorstroms IM nimmt bei gleichbleibender Frequenz f1 die Ripplespannung R zu. Des Weiteren werden mit zunehmendem Motorstrom IM die Schalt- und Leitverluste der Brückenschaltung 14 erhöht. Die dadurch erzeugte Wärmeentwicklung führt zu einer Zunahme der (virtuellen) Betriebstemperatur TB der Halbleiterschalter 20.
-
Zu dem Beginn des Zeitabschnitts t2 erreicht der Motorstrom IM einen ersten Stromschwellwert I1. Bei der Schaltfrequenz f1 würde die Ripplespannung R bei einem Überschreiten des Stromschwellwert I1 durch den Motorstrom IM den vorgegeben Amplitudenschwellwert A1 überschreiten. Zum Schutz der elektrischen Maschine 2 wird zur Vermeidung einer derartigen Überschreitung die Schaltfrequenz f von dem Schaltfrequenzwert f1 auf den hierzu erhöhten Schaltfrequenzwert f2 umgeschaltet. Das bedeutet, die Schaltfrequenz f wird dem Motorstrom IM nachgeführt. Dadurch wird die erzeugte Ripplespannung auf einen unteren Amplitudenschwellwert A2 reduziert. Der Motorstrom IM wird weiter erhöht, wobei durch die Erhöhung des Motorstroms IM sowie der Schaltfrequenz f eine weitere Zunahme der Betriebstemperatur TB bewirkt beziehungsweise erwartet wird.
-
Im Zeitabschnitt t3 überschreitet der Motorstrom IM einen zweiten Stromschwellwert I2. Der Stromschwellwert I2 ist derart dimensioniert, dass die Ripplespannung R bei der Schaltfrequenz f2 den Amplitudenschwellwert A1 erreichen würde. In diesem Falle wird die Schaltfrequenz f auf den nächst höheren Schaltfrequenzwert f3 nachgeführt, sodass die Ripplespannung R erneut auf den Amplitudenschwellwert A2 reduziert wird. Durch die Zunahme des Motorstroms IM und der Schaltfrequenz f wird die Betriebstemperatur TB der Halbleiterschalter 20 weiter erhöht.
-
Im Zeitabschnitt t3 wird der Motorstrom IM von dem Stromschwellwert I2 auf den Maximalwert Imax, für die Erzeugung des im Volllastbetrieb notwendigen Soll-Drehmoments D, eingestellt. Bei dem Maximalwert Imax des Motorstroms IM und dem Schaltfrequenzwert f3 der Schaltfrequenz f ist die Ripplespannung R auf einen Spannungswert kleiner als der Amplitudenschwellwert A1 beschränkt. Dies bedeutet, dass die Ripplespannung R den Amplitudenschwellwert A1 sowohl im Normalbetrieb als auch während eines Volllastbetriebs stets unterschreitet beziehungsweise nicht überschreitet.
-
In dem Zeitabschnitt t4 wird der Motorstrom IM auf dem Maximalwert Imax und die Schaltfrequenz f auf dem Schaltfrequenzwert f3 gehalten, sodass die erzeugte Ripplespannung R ebenfalls einen konstanten Verlauf aufweist. Über die Zeitabschnitte t3 und t4 hinweg entsteht eine zunehmend größer werdende Wärmeentwicklung der Halbleiterschalter 20 aufgrund der erhöhten Schalt- und Leitverluste. Dadurch steigt auch der berechnete Temperaturverlauf der Betriebstemperatur TB beziehungsweise Sperrschichttemperatur TSS. Um eine Beschädigung oder Zerstörung der Halbleiterschalter 20 zu vermeiden, ist ein Temperaturschwellwert Tmax in dem Speicher des Controllers 18 hinterlegt.
-
Der Controller 18 vergleicht im Zeitraster der Temperaturwertbestimmung den berechneten Wert der Betriebstemperatur TB mit dem Temperaturschwellwert Tmax. Der Temperaturschwellwert Tmax ist beispielsweise anhand einer Kennlinie und/oder aus den Herstellungsdaten der Halbleiterschalter 20 bestimmt.
-
Am Ende des Zeitabschnitts t4 erreicht die Betriebstemperatur TB den Temperaturschwellwert Tmax. Daraufhin reduziert der Controller 18 während des folgenden Zeitabschnitts t5 den Motorstrom IM von dem Maximalwert Imax auf den Stromschwellwert I2. Dadurch wird die Ripplespannung R auf den Amplitudenschwellewert A2 reduziert. Erreicht oder unterschreitet der Motorstrom IM den Stromschwellwert I2, so wird die Schaltfrequenz f während des Zeitabschnittes t6 von dem Schaltfrequenzwert f3 auf den geringeren Schaltfrequenzwert f2 umgeschaltet.
-
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zu Beginn des Volllastbetriebs der Motorstrom IM kontinuierlich und die Schaltfrequenz f während der Zeitdauer τ stufenweise erhöht. Dadurch werden die Halbleiterschalter 20 im Zuge des Volllastbetriebs, insbesondere während der Zeitdauer τ, zumindest teilweise in Überlast betrieben. Die Erhöhung beziehungsweise das Umschalten zwischen den Schaltfrequenzwerten f1, f2 und f3 erfolgt hierbei unter Berücksichtigung beziehungsweise in Abhängigkeit des Motorstromes IM. Insbesondere wird die Schaltfrequenz f dem Motorstrom IM nachgeführt, das bedeutet, das Umschalten zwischen den Schaltfrequenzwerten f1, f2 und f3 erfolgt, wenn der Motorstrom IM die vorgegeben Stromschwellwerte I1 beziehungsweise I2 erreicht oder überschreitet.
-
Mit anderen Worten sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2 bis 6 drei Motorstrombereiche B1, B2 und B3 definiert. Die Motorstrombereiche B1, B2 und B3 sind durch die Stromschwellwerte I1 und I2 voneinander unterschieden (getrennt). Dadurch ist jedem dieser Motorstrombereiche B1, B2 und B3 eine entsprechende (Betriebs-)Schaltfrequenz f zugeordnet. Der Motorstrombereich B1 entspricht dem Normalbetriebszustand, in welchem die Halbleiterschalter 20 mit dem Schaltfrequenzwert f1 durch die PWM-Ansteuerung betrieben werden. Die Motorstrombereiche B2 und B3 entsprechen dem Hochlast- und Volllastbetriebszustand, in welchem die Halbleiterschalter 20 zur Begrenzung oder Beschränkung der Ripplespannung R mit den Schaltfrequenzwerten f2 beziehungsweise f3 angesteuert werden.
-
Das Nachführen oder Nachstellen der Schaltfrequenz f erfolgt während des Volllastbetriebs insbesondere derart, dass die Rippelspannung R stets auf einen Spannungsbereich zwischen den Amplitudenschwellwerten A1 und A2 beschränkt ist. Mit anderen Worten sind die Stromschwellwerte I1 und I2 des Motorstroms IM derart gewählt, dass die Ripplespannung R bei dem jeweiligen Schaltfrequenzwert f1, f2 oder f3 den Amplitudenschwellwert A1 stets unterschreitet oder nicht überschreitet. Der durch die Amplitudenschwellwerte A1 und A2 definierte Hysteresebereich H ist hierbei derart dimensioniert, dass die Kapazität des Zwischenkreiskondensators 12 ausreichend ist, um die Ripplespannung R zu glätten. Dies bedeutet, dass die Amplitude der Ripplespannung R durch den Zwischenkreiskondensator 12 im Wesentlichen vollständig reduziert wird.
-
Während des Volllastbetriebs wird der Motorstrom IM auf den Maximalwert Imax eingestellt. Im Zuge dessen wird die Schaltfrequenz f von dem Schaltfrequenzwert f1 des Normalbetriebs auf den erhöhten Schaltfrequenzwert f3 des Volllastbetriebs nachgeführt. Durch den erhöhten Motorstrom IM sowie durch die nachgeführte höhere Schaltfrequenz f nehmen die Schaltverluste während der Zeitdauer τ der Halbleiterschalter 20 zu. Nach der Zeitdauer τ erreicht die (virtuelle) Betriebstemperatur TB der Halbleiterschalter 20 den Temperaturschwellwert Tmax, wodurch in der Folge der Motorstrom IM auf den niedrigeren Stromschwellwert I2 geregelt beziehungsweise limitiert wird. Erreicht oder unterschreitet der Motorstrom IM den Stromschwellwert I2, so wird die Schaltfrequenz f nachgeführt und somit von dem Schaltfrequenzwert f3 auf den Schaltfrequenzwert f2 reduziert.
-
In der Folge werden die Schalt- und Leitverluste der Halbleiterschalter 20 reduziert, wodurch der Wert der Betriebstemperatur TB abnimmt. Dadurch ist es möglich, den Motorstrom IM von dem Stromschwellwert I2 erneut auf den Maximalwert Imax einzustellen, wobei die Schaltfrequenz f von dem Schaltfrequenzwert f2 auf den Schaltfrequenzwert f3 nachgestellt wird.
-
Somit ergibt sich ein quasistationärer Betriebszustand während des Volllastbetriebs, bei welchem der Motorstrom IM und somit die daran nachgeführte Schaltfrequenz f unter Berücksichtigung der Betriebstemperatur TB erhöht beziehungsweise erniedrigt werden. Das Einschwingen beziehungsweise das Hin- und Herpendeln der Schaltfrequenz f, des Motorstroms IM und der Betriebstemperatur TB wird hierbei durch eine Auswahl geeigneter Hysteresen durch die Vorgabe der Schwellwerte I1 und I2 eingestellt beziehungsweise unterdrückt.
-
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.