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DE102013205969A1 - Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine mit zwei Spannungslagen und Verfahren zum Betreiben dieser - Google Patents

Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine mit zwei Spannungslagen und Verfahren zum Betreiben dieser Download PDF

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DE102013205969A1
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Tore Toennesen
Daniel Findeisen
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, mit einem ersten Teilbordnetz (BN1) und mit einem zweiten Teilbordnetz (BN2), wobei die elektrische Maschine (1) einen Rotor und ein den beiden Teilbordnetzen gemeinsames Statorsystem mit einer Anzahl von 2 × N Phasen umfasst, das erste Teilbordnetz einen ersten Inverter (2) mit einem ersten Zwischenkreis (3) und das zweite Teilbordnetz einen zweiten Inverter (2') mit einem zweiten Zwischenkreis (3') umfasst, und das erste Wicklungssystem dem ersten Inverter und das zweite Wicklungssystem dem zweiten Inverter zugeordnet ist, so, dass die Teilbordnetze jeweils einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, die Wicklungssysteme der elektrische Maschine mit einer Steuereinheit (6) betreibbar sind, die Steuereinheit zumindest einen Inverterregler zur Regelung der Inverter umfasst, der zumindest eine Inverterregler eine Regelung nach dem Prinzip der feldorientierten Regelung ausführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, mit einem ersten Teilbordnetz und mit einem zweiten Teilbordnetz, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und ein den beiden Teilbordnetzen gemeinsames Statorsystem mit einer Anzahl von 2 × N Phasen, das erste Teilbordnetz einen ersten Inverter mit einem ersten Zwischenkreis und das zweite Teilbordnetz einen zweiten Inverter mit einem zweiten Zwischenkreis umfasst, und wobei ein erstes Wicklungssystem des Statorsystems dem ersten Inverter und ein zweites Wicklungssystem des Statorsystems dem zweiten Inverter zugeordnet ist.
  • Üblicherweise werden in einem Fahrzeug Komponenten, die als elektrische Energieverbraucher fungieren, von einem Energiebordnetz mit einer Nennspannungslage von 14 Volt versorgt. Ein sekundärer 12 Volt-Energiespeicher, der im Bordnetz je nach Betriebssituation die Funktion einer Energiequelle oder die Funktion einer Energiesenke übernimmt, und ein 14 Volt-Generator werden typischerweise darauf ausgelegt, eine elektrische Leistung von 2–3 kW im Fahrzeug bereitzustellen.
  • Falls in das Bordnetz des Fahrzeugs mehrere Verbraucher mit höherem Leistungsbedarf integriert sind, kann das Bordnetz zwei Teilbordnetze aufweisen. Dann transferiert nach dem Stand der Technik ein Gleichstromsteller elektrische Leistung zwischen den beiden Teilbordnetzen. Die elektrische Maschine, die bei einem Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang auch motorisch betreibbar sein kann, weist neben jeweils zumindest einem Energiespeicher je Teilbordnetz die Funktion als elektrische Energiequelle oder -senke im Fahrzeug auf. Eine solche Bordnetztopologie ist beispielsweise in der Schrift DE 102 44 229 A1 dargestellt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, mit einem ersten Teilbordnetz und mit einem zweiten Teilbordnetz, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und ein den beiden Teilbordnetzen gemeinsames Statorsystem mit einer Anzahl von 2 × N Phasen, das erste Teilbordnetz einen ersten Inverter mit einem ersten Zwischenkreis und das zweite Teilbordnetz einen zweiten Inverter mit einem zweiten Zwischenkreis umfasst, und wobei ein erstes Wicklungssystem des Statorsystems dem ersten Inverter und ein zweites Wicklungssystem des Statorsystems dem zweiten Inverter zugeordnet ist, zu beschreiben sowie ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine des Fahrzeugs.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß weisen die Teilbordnetze jeweils einen elektrischen Energiespeicher auf, es sind die Wicklungssysteme der elektrische Maschine mit einer Steuereinheit betreibbar, wobei die Steuereinheit zumindest einen Inverterregler zur Regelung der Inverter umfasst und der zumindest eine Inverterregler eine Regelung nach dem Prinzip der feldorientierten Regelung ausführt.
  • Dies bedeutet, dass die beiden Inverter nach dem Prinzip der feldorientierten Regelung betrieben werden.
  • Weiterhin umfasst die elektrische Maschine eine Erregerwicklung und eine Stelleinheit zur Einstellung der Erregung der elektrischen Maschine.
  • Es wird ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben, nach welchem eine Messung einer Eingangsspannung an den Invertern erfolgt, eine Bestimmung des Gleichstroms in den jeweiligen Teilbordnetzen in zeitlich zyklischen Abständen erfolgt, eine Ermittlung des jeweils maximal aufnehmbaren Stroms der Energiespeicher und eine Ermittlung des jeweils minimal abgebbaren Stroms der Energiespeicher erfolgt, durch die Steuereinheit eine Ermittlung des maximal verfügbaren Drehmoments durch das jeweilige Wicklungssystem erfolgt und eine Ansteuerung des zumindest einen Inverterreglers erfolgt, um eine optimierte Aufteilung der maximal verfügbaren Drehmomente in Bezug zu einem von der elektrischen Maschine angeforderten Drehmoment einzustellen.
  • Nach diesem Verfahren wird ein von der elektrischen Maschine angefordertes Drehmoment von der Stromtragfähigkeit und von der Stromaufnahmefähigkeit der beteiligten Energiespeicher abhängig gemacht. Die Stromtragfähigkeit und die Stromaufnahmefähigkeit der Energiespeicher bestimmen die durch die jeweiligen zugeordneten Wicklungssysteme an der elektrischen Maschine verfügbaren bzw. nutzbaren Drehmomente der jeweiligen Wicklungssysteme des gemeinsamen Statorsystems.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Messung der Eingangsspannung an den Invertern an den beiden Zwischenkreisen in einem zeitlich zyklischen Abstand erfolgt.
  • Zweckmäßig ist es weiterhin, wenn die Bestimmung des Gleichstroms in den jeweiligen Teilbordnetzen durch eine Berechnung in der Steuereinheit oder durch eine Messung erfolgt.
  • Außerdem entstehen Vorteile, wenn die Ermittlung des jeweils maximal aufnehmbaren Stroms und die Ermittlung des jeweils minimal abgebbaren Stroms der Energiespeicher in einem zeitlich zyklischen Abstand erfolgt.
  • Zusätzlich dient als eine Optimierungsgröße für die Aufteilung der maximal verfügbaren Drehmomente durch die Steuereinheit in Bezug zu dem von der elektrischen Maschine angeforderten Drehmoment eine Spannungsstabilität in mindestens einem der beiden Teilbordnetze.
  • Dies bedeutet, dass das angeforderte Drehmoment über die beiden Wicklungssysteme derart zur Verfügung gestellt wird, dass die Spannung in zumindest einem der Teilbordnetze stabil gehalten wird. Stabilität in diesem Zusammenhang bedeutet, dass die Spannung abgesehen von einer einstellbaren Toleranzzeit nicht unter einen vorgebbaren oder vorgegebenen Spannungswert fällt.
  • Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
    Der Technologie von 48 Volt-Bordnetzen wird mittelfristig ein hohes Marktpotential eingeräumt. Dies geht mit einer steigenden Anforderung in Bezug auf Kraftstoffeinsparungen bei gleichzeitig steigendem Bedarf an elektrischer Energie im Fahrzeugbordnetz einher.
  • Zur Umsetzung solcher Bordnetztopologien sind Generatoren erforderlich, die das 48 V + Bordnetz speisen. Zusätzlich wird in den heutigen Architekturen ein DC/DC-Wandler eingesetzt, mit dem ein weiterhin vorhandenes 12 Volt-Teilbordnetz versorgt werden kann. Beide Teilbordnetze weisen einen Energiespeicher der jeweiligen Nennspannungslage auf.
  • Dazu sind 48 Volt-Generatoren mit einer Umrichtertechnologie ausgestattet, die es dem Generator u. a. ermöglicht, wahlweise im Generator- oder im Motorbetrieb zu arbeiten. Deshalb werden diese Maschinen auch als Starter-Generator bezeichnet. Es können mehrphasige elektrische Maschinen für zwei unterschiedliche Spannungslagen (48 Volt und 12 Volt) mit einem Statorsystem und einem Inverter für jede Spannungslage eine DC/DC-Wandlungsfunktion ausführen und einen separaten DC/DC-Wandler ersetzen.
  • Konzeptbedingt geht mit der Teilung der E-Maschine, d. h. der Integration eines Statorsystems für das jeweilige Teilbordnetz mit der dem Inverter zugeordneten Leistungselektronik in einem gleichen Bauraum eine Reduzierung der elektrischen Leistung und damit des verfügbaren Moments in der jeweiligen Spannungsebene einher. Die Fähigkeit des Starter-Generators, z. B. einen an den Starter-Generator angebundenen Verbrennungsmotor aus einer der Spannungsebenen zu starten, ist dadurch reduziert.
  • Es wird vorgeschlagen, den Starter-Generator betriebsstrategisch in geschickter Weise zu betreiben. Üblicherweise erfolgt ein Zustart des Verbrennungsmotors etwa im Rahmen einer automatischen Motor-Stopp-Start-Funktionalität allein aus dem 48 Volt-Energiespeicher. Zur Verbesserung der Startfähigkeit wird vorgeschlagen, den Start des Verbrennungsmotors über den Starter-Generator aus beiden Maschinenteilen, d. h. über beide Teilbordnetze aus beiden Spannungsebenen, durchzuführen. Es wird also ein zusätzliches Drehmoment über die Ansteuerung des Starter-Generators aus dem 12 Volt-Teilbordnetz erzeugt.
  • Es wird hierzu eine Steuereinheit eingesetzt, durch welche beide Inverterelektroniken ansteuerbar sind. Der Steuereinheit werden mehrere Parameter übermittelt, z. B. die Leistungsfähigkeit der Energiespeicher der Teilbordnetze und eine Drehmomentanforderung an den Starter-Generator.
  • Die Steuereinheit steuert bzw. regelt die Inverterelektroniken z. B. nach den Kriterien Startfähigkeit des Verbrennungsmotors, Bordnetzstabilität der beiden Teilbordnetze und Ladezustand der Energiespeicher.
  • Dies führt zur Verbesserung der Verfügbarkeit der automatischen Motor-Stopp-Start-Funktionalität unter Zuhilfenahme des Energiespeichers des 12 Volt-Teilbordnetzes, wenn etwa der Energiespeicher des 48 Volt-Teilbordnetzes einen geringen Ladezustand aufweist.
  • Außerdem wird die Kaltstartfähigkeit des Starter-Generators verbessert dadurch, dass ein Start des Verbrennungsmotors aus zwei Batterien erfolgen kann und somit durch Vermeidung eines zu hohen Startspannungseinbruchs in den jeweiligen Teilbordnetzen die Stabilität des Energiebordnetzes gewährleistet wird.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematisch
  • 1 Architektur eines Fahrzeugs mit zwei Teilbordnetzen und einer elektrischen Maschine bei zwei Spannungslagen
  • 1 zeigt eine Architektur eines Fahrzeugs in Form eines Blockschaltbildes mit zwei Teilbordnetzen und einer elektrischen Maschine bei zwei Spannungslagen. Die Teilbordnetze werden auch als Teilenergiebordnetze bezeichnet. Die Beschreibung der Komponenten der Architektur aus 1 ergibt sich aus der Bezugszeichenliste und aus dem Blockschaltbild.
  • Nach einem Verfahren für den Betrieb der Komponenten dieser Architektur werden die Bordnetzspannungen in den jeweiligen Teilbordnetzen (7 und 7', auch als erstes Teilbordnetz BN1 und zweites Teilbordnetz BN2) in zeitlich zyklischen Abständen gemessen. Zusätzlich werden die in den Bordnetzen auftretenden Ströme (5, 5') entweder gemessen oder aus anderen verfügbaren Größen, wie z. B. den Phasenströmen und/oder dem Zwischenkreisstrom bestimmt.
  • Weiterhin werden Werte zu den von den Energiespeichern in den jeweiligen Teilbordnetzen maximal abzugebenden bzw. aufzunehmenden Gleichströmen an eine Steuereinheit (6), die die Inverter regelt, übermittelt. Alternativ kann die Steuereinheit (6) auch ohne eine Messung aus von den Energiespeichern übermittelten Größen wie Ladezustände, Temperaturen, Innenwiderstände und weiterer energiespeicherbezogener Größen eine Bestimmung der maximalen Stromaufnahme bzw. -abgabe der Energiespeicher durchführen.
  • In der Steuereinheit wird zu einem bestimmten Zeitpunkt aus den prognostizierten Gleichströmen der Energiespeicher, den maximalen Phasenströmen der beiden N-phasigen Wicklungen, den Spannungen (4, 4') in den Teilbordnetzen und der Drehzahl der elektrischen Maschine ein maximal mögliches positives oder negatives Drehmoment entweder des kombinierten Wicklungssystems und/oder der beiden einzelnen N-phasigen Wicklungssysteme bestimmt. Diese Drehmomentwerte werden zyklisch mit einem von der elektrischen Maschine angeforderten Drehmoment verglichen, wobei der jeweilige Differenzbetrag zwischen angefordertem und verfügbarem Drehmoment nach verschiedenen Kriterien, wie z. B. einem verlustminimalen Betrieb des Gesamtsystems, in Bezug auf eine Maximierung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems auf das jeweils andere Wicklungssystem ausgeglichen, d. h. hinzuaddiert oder abgezogen, werden kann, u. U. unter Berücksichtigung von Gewichtungsfaktoren.
  • Für den Startbetrieb eines mit der elektrischen Maschine z. B. mit einem Riemen verbundenen Verbrennungsmotors kann beispielsweise die für einen wirkungsgradoptimalen Betrieb eingestellte Gewichtung für einen definierten Zeitraum gezielt derart eingestellt werden, dass der überwiegende Teil des dem Verbrennungsmotor zugeführten Drehmoments über eines der Wicklungssystem erzeugt wird. Zweckmäßigerweise wird hierfür das Wicklungssystem gewählt, welches dem Teilbordnetz mit zu diesem Zeitpunkt höherer Spannung zugeordnet ist.
  • Gleichzeitig kann die Gewichtung des Drehmoments für das Wicklungssystem niedrigerer Spannung so eingestellt werden, dass eine vorgegebene Spannung in diesem Teilbordnetz mindestens eingestellt wird, um Spannungsstabilität in diesem Teilbordnetz zu erreichen. Bordnetzstabilität in den jeweiligen Teilebordnetzen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass bei Erreichen von minimal oder maximal zulässigen Bordnetzspannungen in den Teilbordnetzen, Sollwerte für die Inverterregler, die nach dem Prinzip der feldorientierten Regelung betrieben werden, nach dem Kriterium Spannungsstabilität verändert werden, um spätestens nach einer vorgegebenen oder vorgebbaren Toleranzzeit die stabile Spannungslage zu erreichen.
  • In vergleichbarer Weise kann eine Überschreitung der von den Energiespeichern prognostizierten, maximal aufnehmbaren Gleichströme vermieden werden, indem bei einer unzulässigen Abweichung ein Korrektureingriff auf die Sollwerte der Inverterregler vorgenommen wird.
  • Es wird durch das Verfahren nach diesem Ausführungsbeispiel also erreicht, dass ein System bestehend aus einer 2 × N-phasigen elektrischen Maschine mit jeweils einem Inverter für N Phasen der Maschine, einem Zwischenkreiskondensator für jeden Inverter, einer Steuervorrichtung für die beiden Inverter und zwei Teilebordnetzen, so zu betreiben, dass eine von einem übergeordneten System kommandierte Drehmomentanforderung für die Gesamtmaschine und gegebenenfalls für eine zusätzlich kommandierte Sollgröße für eines der beiden Teilenergiebordnetze zu jedem Zeitpunkt umgesetzt werden kann und entweder gleichzeitig oder nach Ablauf einer definierten Toleranzzeit die Einhaltung der Bordnetzstabilität in den jeweiligen Teilenergiebordnetzen erreicht wird.
  • Das Verfahren bezieht sich auf den Betrieb einer 2 × N-phasigen elektrischen Maschine zur Versorgung von zwei Teilenergiebordnetzen mit gleichen oder unterschiedlichen Nennspannungen. Dies gilt für einen gesamthaft generatorischen Betrieb der Maschine, d. h. für einen generatorischen Betrieb beider Wicklungssysteme, und für die Erzeugung positiven Drehmoments in einem gesamthaft motorischen Betrieb der Maschine aus den in den Teilebordnetzen befindlichen elektrischen Energiespeicher sowie für einen Mischbetrieb, d. h. für einen generatorischen Betrieb eines Wicklungssystems und für einen motorischen Betrieb des anderen Wicklungssystems.
  • Bezugszeichenliste
    • BN1
    erstes Teilbordnetz
    BN2
    zweites Teilbordnetz
    1
    elektrische Maschine mit einer Anzahl von 2 × N Phasen
    2
    erster Inverter für N Phasen, einem ersten Wicklungssystem (Anzahl Phasen 1 × N) und BN1 zugeordnet
    2'
    zweiter Inverter für N Phasen, einem zweiten Wicklungssystem (Anzahl Phasen 1 × N) und BN2 zugeordnet
    3
    erster Zwischenkreiskondensator, dem ersten Inverter und BN1 zugeordnet
    3'
    zweiter Zwischenkreiskondensator, dem zweiten Inverter und BN2 zugeordnet
    4
    Spannungsmesseinheit in BN1
    4'
    Spannungsmesseinheit in BN2
    5
    Strombestimmungseinheit in BN1
    5'
    Strombestimmungseinheit in BN2
    6
    Steuereinheit mit feldorientierter Regelung für jeden der beiden Inverter
    7
    BN1 mit elektrischen Verbrauchern und einem ersten Energiespeicher
    7'
    BN2 mit elektrischen Verbrauchern und einem zweiten Energiespeicher
    8
    Ansteuersignale für den ersten Inverter
    8'
    Ansteuersignale für den zweiten Inverter
    9
    Vorrichtung zur Einstellung der Erregung der elektrischen Maschine
    10
    Ansteuersignale für die Vorrichtung (9)
    100
    Rotor (schematisch)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10244229 A1 [0003]

Claims (7)

  1. Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, mit einem ersten Teilbordnetz (BN1) und mit einem zweiten Teilbordnetz (BN2), wobei die elektrische Maschine (1) einen Rotor und ein den beiden Teilbordnetzen gemeinsames Statorsystem mit einer Anzahl von 2 × N Phasen umfasst, das erste Teilbordnetz einen ersten Inverter (2) mit einem ersten Zwischenkreis (3) und das zweite Teilbordnetz einen zweiten Inverter (2') mit einem zweiten Zwischenkreis (3') umfasst, und das erste Wicklungssystem dem ersten Inverter und das zweite Wicklungssystem dem zweiten Inverter zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Teilbordnetze jeweils einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, – die Wicklungssysteme der elektrische Maschine mit einer Steuereinheit (6) betreibbar sind, – die Steuereinheit zumindest einen Inverterregler zur Regelung der Inverter umfasst, – der zumindest eine Inverterregler eine Regelung nach dem Prinzip der feldorientierten Regelung ausführt.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrische Maschine eine Erregerwicklung umfasst, und – die elektrische Maschine eine Stelleinheit (10) zur Einstellung der Erregung der elektrischen Maschine umfasst.
  3. Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2 mit den Schritten, – Messung einer Eingangsspannung an den Invertern, – Bestimmung des Gleichstroms in den jeweiligen Teilbordnetzen in zeitlich zyklischen Abständen, – Ermittlung des jeweils maximal aufnehmbaren Stroms der Energiespeicher, – Ermittlung des jeweils minimal abgebbaren Stroms der Energiespeicher, – Ermittlung des maximal verfügbaren Drehmoments durch das jeweilige Wicklungssystem durch die Steuereinheit, – Ansteuerung des zumindest einen Inverterreglers, um eine optimierte Aufteilung der maximal verfügbaren Drehmomente in Bezug zu einem von der elektrischen Maschine angeforderten Drehmoment einzustellen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wonach die Messung der Eingangsspannung an den Invertern an den beiden Zwischenkreisen in einem zeitlich zyklischen Abstand erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wonach die Bestimmung des Gleichstroms in den jeweiligen Teilbordnetzen durch eine Berechnung in der Steuereinheit oder durch eine Messung erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wonach die Ermittlung des jeweils maximal aufnehmbaren Stroms und die Ermittlung des jeweils minimal abgebbaren Stroms der Energiespeicher in einem zeitlich zyklischen Abstand erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wonach als eine Optimierungsgröße für die Aufteilung der maximal verfügbaren Drehmomente durch die Steuereinheit in Bezug zu dem von der elektrischen Maschine angeforderten Drehmoment eine Spannungsstabilität in mindestens einem der beiden Teilbordnetze dient.
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