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Dokumentenidentifikation DE102009049623A1 21.04.2011
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Spannung eines Zwischenkreises eines Kraftfahrzeugs
Anmelder Daimler AG, 70327 Stuttgart, DE
Erfinder Häfner, Christian, 71394 Kernen, DE;
Hofmann, Michael, Dr., 71101 Schönaich, DE
DE-Anmeldedatum 16.10.2009
DE-Aktenzeichen 102009049623
Offenlegungstag 21.04.2011
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.04.2011
IPC-Hauptklasse H02P 9/48  (2006.01)  A,  F,  I,  20091016,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Auch bei Verlust beispielsweise des Rotorlagegebersignals eines Generators soll eine stabile Spannungsregelung von elektrischen Antrieben eines Kraftfahrzeugs gewährleistet werden können. Daher wird ein Verfahren zur Regelung der Gleichspannung eines durch einen Generator über einen Wechselrichter gespeisten Zwischenkreises eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, bei dem die Nulldurchgänge des Generatorstroms detektiert werden (1), die induzierte Spannung auf der Basis der Nulldurchgänge geschätzt wird (2) und eine in den Zwischenkreis nachzuführende Ladungsmenge anhand einer Istgleichspannung (Udc ist) und einer vorgegebenen Sollgleichspannung (Udc soll) des Zwischenkreises geregelt wird. Der Wechselrichter wird dann in Abhängigkeit von den Nulldurchgängen, der induzierten Spannung und der nachzuführenden Ladungsmenge angesteuert. Ebenso wird eine entsprechende Regelungsvorrichtung bereitgehalten.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Gleichspannung eines durch einen Generator über einen Wechselrichter gespeisten Zwischenkreises eines Kraftfahrzeugs. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Regelung.

Ein elektrisch oder hybridisch angetriebenes Kraftfahrzeug besitzt vielfach ein Antriebssystem mit einer permanent erregten Synchronmaschine, einem mehrphasigen Wechselrichter, der seine Leistung aus einem HV-Gleichspannungsnetz (z. B. Traktionsbatterie oder Brennstoffzelle) bezieht, und einem Positionsgeber, der die aktuelle Lage des Rotors der Synchronmaschine misst. Der Rotorlagegeber ist über eine Leitung mit der Steuerung des Wechselrichters verbunden. Das System besitzt für den Betrieb des Controllers und der Ansteuerung üblicherweise zwei unabhängige Versorgungen: aus dem Fahrzeugbordnetz (meist 12 V) und aus dem Traktions-Gleichspannungsnetz.

Das Antriebssystem wird standardmäßig feldorientiert betrieben, wobei die Rotorlage über den Positionsgeber an die Regelung übermittelt wird. Tritt nun am Rotorlagesensor oder an dessen Verbindung zur Steuerung eine Störung auf, hat die Steuerung kein konkretes Rotorlagesignal mehr. Hierdurch funktioniert eine Rotorlagesignal-basierte, feldorientierte Regelung der elektrischen Maschine nicht mehr korrekt.

Bei permanenterregten Synchronmaschinen ist die in den Wicklungen induzierte Spannung proportional zur Drehzahl. Da die Drehzahl z. B. bei einem elektrischen Fahrantrieb oder einem Hybridfahrzeug je nach Montage der elektrischen Maschine fest mit den Antriebsrädern oder dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist, kann der Fall eintreten, dass die Drehzahl der elektrischen Maschine von außen eingeprägt wird und somit auch im Störfall weiter induziert wird. Bei einem nicht angesteuerten Wechselrichter (Rotorlagesignal gestört!) würde dies zu einem unkontrollierten Spannungsanstieg im Gleichspannungsnetz führen.

Eine bekannte Möglichkeit, Schäden durch Überspannung zu verhindern, ist, alle Betriebsmittel des Gleichspannungsnetzes auf die maximal auftretende Spannung zu dimensionieren. Das hat aber an anderer Stelle negative Einflüsse auf die Auslegung des Antriebs zur Folge, und führt beispielsweise zu sehr hohen Strangströmen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, im Wechselrichter z. B. alle high-side-Schalter zu öffnen und alle low-side-Schalter zu schließen (oder umgekehrt). Dies ist ohne Kenntnis der Rotorlage möglich. Es stellt sich der definierte Kurzschlussstrom der elektrischen Maschine ein, der Fluss der elektrischen Maschine verschiebt sich nahezu vollständig in den Blindleistungsbereich, die an den Klemmen sichtbare Spannung geht gegen 0 V, es wird keine Leistung an das Gleichspannungsnetz abgegeben, und das System ist in einem sicheren Betriebszustand („aktiver Kurzschluss” = AKS). Für die Aufrechterhaltung des AKS ist allerdings eine Versorgung der Treiberansteuerungen notwendig, die nun nicht mehr aus der drehenden elektrischen Maschine gewonnen werden kann.

Gehen an einem solchen Antriebssystem durch einen Einfachfehler das Rotorlagesignal und die externe Versorgung aus dem Fahrzeugbordnetz verloren, z. B. weil beide Pfade über einen gemeinsamen Signalstecker geführt werden, so kann die Versorgung der Ansteuerung für den AKS nicht mehr aus dem Bordnetz erfolgen. Zugleich ist keine feldorientierte Regelung zur Erzeugung eines kontrollierten internen Spannungsniveaus mehr möglich.

Ein Ansatz könnte ein Zweipunktregler sein, der durch ständigen Wechsel zwischen AKS und ungesteuertem Wechselrichter hin- und herschaltet. Problematisch kann sich hier die bezogen auf die möglichen Ströme aus der elektrischen Maschine sehr kleine Zwischenkreiskapazität auswirken: Es steht meist keine ausreichende Kapazität zur Verfügung, um die Welligkeit der Spannungserzeugung ausreichend zu glätten. Die Gleichspannung kann wegen der minimalen Last sehr schnell in die Höhe schießen und unter Umständen Schäden durch Überspannung erzeugen. Ebenso kann sie sehr schnell fallen und so durch Unterspannung zu Fehlern in der Steuerung führen. Besonders fatal kann sich hier auswirken, wenn durch eine kurze Versorgungsunterbrechung der Controller einen Reset erfährt. Die erforderliche Zeit für die Neuinitialisierung ist fast immer deutlich länger als die zur Verfügung stehende Zeit, bis spätestens ein Regeleingriff erfolgen muss, um eine Überspannung zu verhindern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Zwischenkreisspannung eines Fahrzeugs beispielsweise bei Ausfall eines Rotorlagesignals zuverlässiger aufrechterhalten zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 4. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird demnach bereitgestellt ein Verfahren zur Regelung der Gleichspannung eines durch einen Generator über einen Wechselrichter gespeisten Zwischenkreises eines Kraftfahrzeugs, durch Detektieren der Nulldurchgänge des Generatorstroms, Schätzen der induzierten Spannung auf der Basis der Nulldurchgänge, Regeln einer in den Zwischenkreis nachzuführenden Ladungsmenge anhand einer Istgleichspannung und einer vorgegebenen Sollgleichspannung des Zwischenkreises, sowie Ansteuern des Wechselrichters in Abhängigkeit von den Nulldurchgängen, der induzierten Spannung und der nachzuführenden Ladungsmenge.

Ebenso wird bereitgestellt eine Vorrichtung zur Regelung der Gleichspannung eines durch einen Generator über einen Wechselrichter gespeisten Zwischenkreises eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Detektoreinrichtung zum Detektieren der Nulldurchgänge des Generatorstroms, eine Schätzeinrichtung zum Schätzen der induzierten Spannung auf der Basis der Nulldurchgänge, eine Regelungseinrichtung zum Regeln einer in den Zwischenkreis nachzuführenden Ladungsmenge anhand einer Istgleichspannung und einer vorgegebenen Sollgleichspannung des Zwischenkreises, sowie eine Steuereinrichtung zum Ansteuern des Wechselrichters in Abhängigkeit von den Nulldurchgängen, der induzierten Spannung und der nachzuführenden Ladungsmenge.

In vorteilhafter Weise kann so eine zuverlässige Kontrolle der Spannung des Gleichspannungskreises auch bei Ausfall bzw. Störung des Rotorlagesignals bei gleichzeitiger Vermeidung von Schäden durch Überspannung gewährleistet werden. Darüber hinaus kann auch ein Weiterbetrieb von HV-Komponenten durch eine ”Notversorgung” mit stabilisierter Spannung ermöglicht werden. Ferner kann eine autarke Versorgung des Antriebs aus der selbst generierten Spannung unabhängig vom 12 V-Bordnetz erfolgen. Würde wie sonst üblich der Elektromotor des Kraftfahrzeugs dauerhaft in den aktiven Kurzschluss geschaltet werden, so wäre keine Leistungsentnahme aus dem Gleichspannungskreis möglich.

Vorzugsweise erfolgt das Einspeisen von Ladung in den Zwischenkreis gepulst, und jeder Impuls beginnt mit einem Nulldurchgang des Stroms des Generators. In einer alternativen Ausführungsform wird der Beginn jedes Impulses in Abhängigkeit von einer Last des Zwischenkreises gewählt.

In vorteilhafter Weise wird das oben geschilderte Verfahren bzw. die oben geschilderte Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug mit einem Zwischenkreis und einem Generator, der über einen Wechselrichter den Zwischenkreis speist, eingesetzt.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

1 ein Blockschaltdiagramm eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens und

2 ein Signalverlaufsdiagramm zur Gewinnung des Ladestroms.

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.

Eine Regelung der Gleichspannung des Zwischenkreises eines Kraftfahrzeugs trotz einer nur sehr kleinen Kapazität soll durch das folgende Verfahren ermöglicht werden: Befindet sich der Wechselrichter des Kraftfahrzeugs im aktiven Kurzschluss, so lassen sich gemäß 1 mit einer Detektoreinrichtung 1 die Nulldurchgänge der Phasenströme I1, I2 und I3 (vergleiche 2) und daraus die aktuelle Drehzahl der Maschine und die Phasenlage der Ströme detektieren. Aus der Drehzahl lässt sich mit einer Schätzeinrichtung 2 die Höhe der induzierten Spannung zumindest näherungsweise abschätzen, auch wenn z. B. die Maschinentemperatur und damit die thermische Schwächung der Dauermagnete nicht erfasst wird.

Es erfolgt nun vorab durch eine weitere Schätzeinrichtung 3 eine Abschätzung, welche Ladung Q in den Zwischenkreis gespeist werden muss, um die Gleichspannung dort innerhalb der erlaubten Toleranz zu halten, und es wird die dafür notwendige Strom-Zeit-Fläche ermittelt. Nun wird gesteuert eine Phase nach der anderen für eine drehzahl- und strombedarfsabhängig ermittelte Zeit jeweils kurz ein- und nach Ablauf der Zeit wieder ausgeschaltet. Der Einschaltzeitpunkt kann direkt mit dem Nulldurchgang des Phasenstromes zusammengelegt werden oder mitten aus der Phase geschnitten werden.

In 2 ist das Einschalten des Ladestroms mit dem Nulldurchgang jedes der Phasenströme I1, I2 und I3 schematisch dargestellt. Die grau hinterlegten Bereiche sind Zeiten, in denen Ladung in den Zwischenkreis eingespeist werden soll. Die weiß hinterlegten Bereiche sind diejenigen, in denen keine Einspeisung erfolgen soll. Die ovalen Markierungen zeigen an, welche der Phasen jeweils zur Einspeisung herangezogen wird. Es ergibt sich so der in 2 oben dargestellte sägezahnförmige Ladestrom, dessen Anstieg von dem jeweiligen Phasenstrom I1, I2 oder I3 nach einem Nulldurchgang herrührt.

Eine überlagerte Spannungsregelung überwacht den Verlauf der Zwischenkreisspannung und korrigiert entsprechend die Werte für die Phasenschnitt-Steuerung. Hierzu ist in dem Beispiel von 1 eine Regelungseinrichtung mit einem Regelkreis vorgesehen, in den eine Steuereinrichtung 4 zum Ansteuern des Wechselrichters mit einem Steuerwinkel &agr;, ein Spannungsregler 5 und die weitere Schätzeinrichtung 3 integriert sind. Die Steuereinrichtung 4 berechnet den Steuerwinkel für den Wechselrichter aus der von der weiteren Schätzeinrichtung 3 geschätzten Ladungsmenge Q, der von der Schätzeinrichtung 2 geschätzten induzierten Spannung Uind und den von der Detektoreinrichtung 1 detektierten Stromnulldurchgängen. Aus dieser Ansteuerung des Wechselrichters mit einem Steuerwinkel &agr; ergibt sich eine aktuelle Gleichspannung Udc ist. Aufgrund dieser Istgleichspannung und einer vorgegebenen Sollgleichspannung Udc soll erzeugt der Spannungsregler 5 ein Basissignal für die Abschätzung der nachzuführenden Ladungsmenge in der weiteren Schätzeinrichtung 3.

Die zeitlichen Anforderungen an diese Spannungsregelung, für die die Verarbeitung von Analogwerten notwendig ist, sind deutlich geringer als die an die Phasenschnitt-Steuerung, welche nur Timing-Ereignisse und digitale Schaltvorgänge ausführen muss. Vorteilhaft bzw. notwendig für das Funktionieren dieses Verfahrens ist, dass die elektrische Last auf dem Zwischenkreis sich nicht zu schnell ändert, was aber insbesondere im Fall einer Notlauf-Situation ohne schnell wechselnde elektrische Leistungsabgabe eingehalten werden kann.

Somit kann die Zwischenkreisspannung auf den gewünschten Wert geregelt werden, was einen stabilen Betrieb ohne die Gefahr von Überspannung ermöglicht.

Sinnvoll wird als Sollspannung eine Spannung unterhalb des zulässigen Berührungsspannungsniveaus oder eine Spannung zum sicheren Notbetrieb des HV-Kreises sein, je nachdem, was nach den im System gewählten Sicherheitsmechanismen zulässig ist.

Eine Variante des Verfahrens ist, bei einer hohen elektrischen Last auf dem dc-Kreis die Entnahmeintervalle in den Bereich des Maximums des Phasenstroms zu legen, bei einer geringen Last dagegen in die Nähe des Nulldurchgangs, so dass die Ein- und Ausschaltpunkte möglichst im Bereich des annähernd linearen Bereichs der Sinuskurve liegen, was eine vereinfachte Berechnung ermöglicht.

Bezugszeichenliste

1
Detektoreinrichtung
2
Schätzeinrichtung
3
Schätzeinrichtung
4
Steuereinrichtung
5
Spannungsregler
Q
Ladungsmenge
Udc ist
Istgleichspannung
Udc soll
Sollgleichspannung
Uind
geschätzte induzierten Spannung
I1, I2, I3
Phasenströme
Iac
Wechselstrom
Idc
Gleichstrom
t
Zeit


Anspruch[de]
Verfahren zur Regelung der Gleichspannung eines durch einen Generator über einen Wechselrichter gespeisten Zwischenkreises eines Kraftfahrzeugs,

gekennzeichnet durch

– Detektieren der Nulldurchgänge des Generatorstroms,

– Schätzen der induzierten Spannung (Uind) auf der Basis der Nulldurchgänge,

– Regeln einer in den Zwischenkreis nachzuführenden Ladungsmenge (Q) anhand einer Istgleichspannung (Udc ist) und einer vorgegebenen Sollgleichspannung (Udc soll) des Zwischenkreises, sowie

– Ansteuern des Wechselrichters in Abhängigkeit von den Nulldurchgängen, der induzierten Spannung (Uind) und der nachzuführenden Ladungsmenge (Q).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspeisen von Ladung in den Zwischenkreis gepulst erfolgt und jeder Impuls mit einem Nulldurchgang des Stroms des Generators beginnt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspeisen von Ladung in den Zwischenkreis gepulst erfolgt und der Beginn jedes Impulses in Abhängigkeit von einer Last des Zwischenkreises gewählt wird. Vorrichtung zur Regelung der Gleichspannung eines durch einen Generator über einen Wechselrichter gespeisten Zwischenkreises eines Kraftfahrzeugs,

gekennzeichnet durch

– eine Detektoreinrichtung (1) zum Detektieren der Nulldurchgänge des Generatorstroms,

– eine Schätzeinrichtung (2) zum Schätzen der induzierten Spannung (Uind) auf der Basis der Nulldurchgänge,

– eine Regelungseinrichtung zum Regeln einer in den Zwischenkreis nachzuführenden Ladungsmenge (Q) anhand einer Istgleichspannung (Udc ist) und einer vorgegebenen Sollgleichspannung (Udc soll) des Zwischenkreises, sowie

– eine Steuereinrichtung (4) zum Ansteuern des Wechselrichters in Abhängigkeit von den Nulldurchgängen, der induzierten Spannung (Uind) und der nachzuführenden Ladungsmenge (Q).
Kraftfahrzeug mit einem Zwischenkreis und einem Generator, der über einen Wechselrichter den Zwischenkreis speist, sowie einer Vorrichtung nach Anspruch 4.






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