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DE102017113886A1 - Method and device for adapting a switching frequency of an inverter in an electric drive train, in particular for an electric or hybrid vehicle - Google Patents

Method and device for adapting a switching frequency of an inverter in an electric drive train, in particular for an electric or hybrid vehicle Download PDF

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Publication number
DE102017113886A1
DE102017113886A1 DE102017113886.2A DE102017113886A DE102017113886A1 DE 102017113886 A1 DE102017113886 A1 DE 102017113886A1 DE 102017113886 A DE102017113886 A DE 102017113886A DE 102017113886 A1 DE102017113886 A1 DE 102017113886A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
inverter
switching frequency
electric machine
temperature
electric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102017113886.2A
Other languages
German (de)
Inventor
Jochen Reith
Raphael Klapczynski
Carsten Angrick
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of DE102017113886A1 publication Critical patent/DE102017113886A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung einer Schaltfrequenz eines Inverters in einem elektrischen Antriebsstrang, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, bei welchem der Inverter (2) eine von einer Spannungsquelle (1) bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Ansteuerung einer Elektromaschine (4) umwandelt, wobei die Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) in Abhängigkeit einer Temperatur des Inverters (2) variiert wird. Bei einem Verfahren, bei welchem die Temperaturen zwischen Inverter und Elektromaschine ausbalanciert werden, wird zum Schutz der Elektromaschine (4) vor einer Überhitzung die Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) erhöht, während zum Schutz des Inverters (2) vor einer Überhitzung die Schaltfrequenz (f) abgesenkt wird.The invention relates to a method for adapting a switching frequency of an inverter in an electric drive train, in particular for an electric or hybrid vehicle, in which the inverter (2) supplies a DC voltage provided by a voltage source (1) to an AC voltage for driving an electric machine (4). wherein the switching frequency (f) of the inverter (2) is varied in dependence on a temperature of the inverter (2). In a method in which the temperatures between the inverter and the electric machine are balanced, the switching frequency (f) of the inverter (2) is increased to protect the electric machine (4) from overheating, while protecting the inverter (2) from overheating Switching frequency (f) is lowered.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung einer Schaltfrequenz eines Inverters in einem elektrischen Antriebsstrang, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, bei welchem ein Inverter eine von einer Spannungsquelle bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Ansteuerung einer Elektromaschine umwandelt, wobei die Schaltfrequenz in Abhängigkeit einer Temperatur des Inverters variiert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for adapting a switching frequency of an inverter in an electric drive train, in particular for an electric or hybrid vehicle, in which an inverter converts a DC voltage provided by a voltage source into an AC voltage for driving an electric machine, wherein the switching frequency as a function of a temperature of the inverter is varied, as well as an apparatus for performing the method.

Aus der US 5,068,777 A ist es bekannt, dass die Elektrifizierung eines Antriebsstranges von Elektro- oder Hybridfahrzeugen durch eine elektrische Maschine realisiert wird, welche durch eine intelligente Elektronik, vorzugsweise einem Inverter, angesteuert wird. Der Inverter formt dabei eine von einer Batterie abgegebene Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Ansteuerung der Elektromaschine um. Dabei treten Verluste des Inverters und an der Elektromaschine auf, wobei das thermische Verhalten maßgeblich von einer Schaltfrequenz des Inverters abhängt. Deshalb wird die Schaltfrequenz des Inverters in einem Bereich zwischen einem oberen Schaltfrequenzlimit und einem unteren Schaltfrequenzlimit in Abhängigkeit von der Temperatur des Inverters variiert. From the US 5,068,777 A It is known that the electrification of a drive train of electric or hybrid vehicles is realized by an electric machine, which is controlled by an intelligent electronics, preferably an inverter. In this case, the inverter converts a DC voltage delivered by a battery into an AC voltage for driving the electric machine. In this case, losses of the inverter and the electric machine occur, wherein the thermal behavior significantly depends on a switching frequency of the inverter. Therefore, the switching frequency of the inverter is varied in a range between an upper switching frequency limit and a lower switching frequency limit depending on the temperature of the inverter.

Die US 6,483,271 B1 offenbart Motortreiberparameter eines Elektromotors, bei welchem die Schaltfrequenz des Elektromotors reduziert wird, wenn die Temperatur der Transistoren des Inverters eine bestimmte Temperaturschwelle überschreitet. Die Schaltfrequenz des Inverters wird angehoben, wenn die Temperatur die Schaltschwelle unterschreitet. Somit kann durch Anpassung der Schaltfrequenz des Inverters im Betrieb der Wirkungsgrad des Antriebsstranges kontinuierlich optimiert werden. The US Pat. No. 6,483,271 B1 discloses motor driver parameters of an electric motor in which the switching frequency of the electric motor is reduced when the temperature of the transistors of the inverter exceeds a certain temperature threshold. The switching frequency of the inverter is raised when the temperature falls below the switching threshold. Thus, by adjusting the switching frequency of the inverter in operation, the efficiency of the drive train can be continuously optimized.

Nachteilig dabei ist aber, dass die Elektromaschine und der Inverter ihre maximal zulässige Höchsttemperatur nicht zur gleichen Zeit erreichen, so dass ein thermisches Ausbalancieren dieser beiden Komponenten nicht möglich ist.The disadvantage here is that the electric machine and the inverter do not reach their maximum allowable maximum temperature at the same time, so that a thermal balancing of these two components is not possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem im Betrieb des Antriebsstranges ein zusätzliches thermisches Ausbalancieren zwischen Inverter und Elektromaschine möglich ist.The invention has for its object to provide a method by which an additional thermal balancing between inverter and electric machine is possible during operation of the drive train.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass zum Schutz der Elektromaschine vor einer Überhitzung die Schaltfrequenz des Inverters erhöht wird, während zum Schutz des Inverters vor einer Überhitzung die Schaltfrequenz abgesenkt wird. Diese Ausbalancierung hat den Vorteil, dass die Verfügbarkeit der Antriebsleistung des Antriebsstranges erhöht wird. Das bedeutet, dass sowohl die Elektromaschine als auch der Inverter möglichst spät ihre individuellen Maximaltemperaturen erreichen. Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz werden Stromoberwellen in der Elektromaschine und somit Kupfer-, Eisen- und Magnetverluste reduziert, wodurch die Temperatur der Elektromaschine abgesenkt wird. Andererseits werden durch Erniedrigung der Schaltfrequenz des Inverters die Schaltverluste der Leistungshalbleiter im Inverter reduziert. Unerwünschte Nebenwirkungen wie die Reduktion des Antriebsmomentes bzw. der Fahrgeschwindigkeit von elektrifizierten Fahrzeugen werden somit unterbunden.According to the invention the object is achieved in that to protect the electric machine against overheating, the switching frequency of the inverter is increased, while the switching frequency is lowered to protect the inverter from overheating. This balancing has the advantage that the availability of the drive power of the drive train is increased. This means that both the electric machine and the inverter reach their individual maximum temperatures as late as possible. By increasing the switching frequency current harmonics in the electric machine and thus copper, iron and magnetic losses are reduced, whereby the temperature of the electric machine is lowered. On the other hand, reducing the switching frequency of the inverter reduces the switching losses of the power semiconductors in the inverter. Unwanted side effects such as the reduction of the drive torque or the driving speed of electrified vehicles are thus prevented.

Vorteilhafterweise wird die Schaltfrequenz des Inverters bei einem höchsten Systemwirkungsgrad des Antriebsstranges eingestellt, bevor die Schaltfrequenz des Inverters erhöht oder abgesenkt wird. Dadurch, dass von einer Grundeinstellung, dem höchstmöglichen Systemwirkungsgrad des Antriebsstranges, ausgegangen wird, ergeben sich nur geringe Fahrzeugverbräuche und gleichzeitig sind lange Abrufphasen hoher Leistung möglich, wie beispielsweise für Überholvorgänge oder schnelle Bergauffahrten. Durch diese Einstellung des höchsten Systemwirkungsgrades werden Verluste zwischen Elektromaschine, Inverter sowie Batterie- und Versorgungsleistungen ausbalanciert.Advantageously, the switching frequency of the inverter is set at a highest system efficiency of the drive train before the switching frequency of the inverter is increased or decreased. By assuming a basic setting, the highest possible system efficiency of the drive train, only low vehicle consumption results and, at the same time, long retrieval phases of high power are possible, such as, for example, overtaking maneuvers or fast uphill driving. This setting for the highest system efficiency balances losses between the electric machine, inverter, and battery and utility services.

In einer Ausgestaltung wird vor der Variation der Schaltfrequenz des Inverters zusätzlich zu einer absoluten Temperatur ein Temperaturgradient der Elektromaschine und/oder des Inverters bestimmt, wobei anhand eines ersten Temperaturgradienten der Elektromaschine und/oder anhand eines zweiten Temperaturgradienten des Inverters die Variation der Schaltfrequenz eingeleitet wird. Der gemessene oder berechnete Temperaturgradient ist nur eine Vereinfachung der gewünschten Prädiktion und dem damit verbundenen proaktiven Anpassen der Schaltfrequenz. Die vorliegende Variation der Schaltfrequenz erfolgt erst, wenn eine Temperaturwarnung zur Überhitzung von Inverter oder Elektromaschine ausgeht. Die Verwendung des Temperaturgradienten lässt dabei eine besonders genaue Feststellung des Zeitpunktes zu, zu welchem die Variation der Schaltfrequenz einsetzen soll. In one embodiment, a temperature gradient of the electric machine and / or the inverter is determined prior to the variation of the switching frequency of the inverter in addition to an absolute temperature, wherein the variation of the switching frequency is initiated based on a first temperature gradient of the electric machine and / or based on a second temperature gradient of the inverter. The measured or calculated temperature gradient is only a simplification of the desired prediction and the associated proactive adjustment of the switching frequency. The present variation of the switching frequency occurs only when a temperature warning for overheating of inverter or electric machine emanates. The use of the temperature gradient allows for a particularly accurate determination of the time at which the variation of the switching frequency should use.

In einer Ausführungsform wird der erste Temperaturgradient der Elektromaschine aus einer Verlustleistung der Elektromaschine ermittelt, während der zweite Temperaturgradient des Inverters aus einer Verlustleistung des Inverters bestimmt wird. Somit lässt sich der jeweilige Temperaturgradient on- oder off-line rechnerisch ermitteln. In einer Alternative ist es natürlich jederzeit möglich, die Temperatur auch durch einen jeweiligen Temperatursensor zu erfassen. Die Bestimmung der Temperaturgradienten aus den Verlustleistungen ist dabei aber genauer als die lokale Temperaturbestimmung mittels eines Temperatursensors.In one embodiment, the first temperature gradient of the electric machine is determined from a power loss of the electric machine, while the second temperature gradient of the inverter is determined from a power loss of the inverter. Thus, the respective temperature gradient can be determined on-line or off-line by calculation. In an alternative, it is of course always possible to detect the temperature by a respective temperature sensor. However, the determination of the temperature gradients from the power losses is more accurate than the local temperature determination by means of a temperature sensor.

In einer Variante wird nach der Erhöhung bzw. Absenken der Schaltfrequenz des Inverters die Schaltfrequenz auf eine minimal zulässige Untergrenze eingestellt. Damit wird gewährleistet, dass ein stabiles Verhalten der Antriebsregelung auch bei hohen Drehzahlen der Elektromaschine erreicht wird. In a variant, after the increase or decrease of the switching frequency of the inverter, the switching frequency is set to a minimum permissible lower limit. This ensures that a stable behavior of the drive control is achieved even at high speeds of the electric machine.

In einer Ausgestaltung wird eine Temperatur eines Zwischenkreiskondensators des Inverters überwacht, wobei anhand eines dritten Temperaturgradienten und/oder einer Absoluttemperatur des Zwischenkreiskondensators in Kombination mit einem Vergleich der aktuellen Temperatur mit einer definierten Absoluttemperatur die Schaltfrequenz des Inverters erhöht wird. Auch bei diesem Zwischenkreiskondensator werden durch die Erhöhung der Schaltfrequenz Stromoberwellen reduziert, wodurch die Temperatur des Zwischenkreiskondensators abgesenkt wird. In one embodiment, a temperature of a DC link capacitor of the inverter is monitored, wherein the switching frequency of the inverter is increased based on a third temperature gradient and / or an absolute temperature of the DC link capacitor in combination with a comparison of the current temperature with a defined absolute temperature. Also in this DC link capacitor are reduced by increasing the switching frequency current harmonics, whereby the temperature of the DC link capacitor is lowered.

In einer besonders einfachen Ausführungsform wird die Schaltfrequenz in diskreten Schritten variiert. Dies erleichtert die Implementierung. Außerdem lässt sich durch eine zeitliche Mischung diskreter Schaltfrequenzen aufgrund der thermischen Trägheit der beteiligten Komponenten ein quasikontinuierliches Verhalten erzeugen.In a particularly simple embodiment, the switching frequency is varied in discrete steps. This facilitates the implementation. In addition, due to the thermal inertia of the components involved, a quasi-continuous behavior can be generated by a temporal mixture of discrete switching frequencies.

Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anpassung einer Schaltfrequenz eines Inverters in einem elektrischen Antriebsstrang, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, umfassend eine, eine Gleichspannung bereitstellende Spannungsquelle, den die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelnden Inverter sowie eine von dem Inverter direkt angesteuerte Elektromaschine. Bei einer Vorrichtung, bei welcher sich die Temperatur zwischen Elektromaschine und Inverter ausbalancieren lässt, sind der Inverter und die Elektromaschine mit je einer Regeleinheit verbunden, wobei die erste Regeleinheit die Schaltfrequenz des Inverters in Abhängigkeit von einer ersten Temperatur der Elektromaschine und die zweite Regeleinheit die Schaltfrequenz des Inverters in Abhängigkeit von einer zweiten Temperatur des Inverters einregeln. Durch eine solche prädiktive Regelung kann die Temperatur zwischen Elektromaschine und Inverter sehr frühzeitig ausgeregelt werden, um die thermische Verfügbarkeit des Antriebes zu maximieren. Da es sich dabei um gegenläufige Vorgänge handelt, werden sowohl die Temperatur der Elektromaschine als auch die des Inverters frühzeitig unterhalb eines Grenzwertes abgesenkt. A refinement of the invention relates to a device for adapting a switching frequency of an inverter in an electric drive train, in particular for an electric or hybrid vehicle, comprising a voltage source providing a DC voltage, the DC voltage converting into an AC voltage, and an electric machine directly controlled by the inverter , In a device in which the temperature between the electric machine and inverter can be balanced, the inverter and the electric machine are each connected to a control unit, wherein the first control unit, the switching frequency of the inverter in response to a first temperature of the electric machine and the second control unit, the switching frequency of the inverter in response to a second temperature of the inverter. By such a predictive control, the temperature between the electric machine and inverter can be corrected very early to maximize the thermal availability of the drive. Since these are opposing processes, both the temperature of the electric machine and that of the inverter are lowered below a threshold value early.

Vorteilhafterweise beeinflussen die erste und die zweite Regeleinheit die Schaltfrequenz des Inverters nacheinander oder parallel zueinander. Dies hat den Vorteil, dass die parallel zueinander arbeitenden Regeleinheiten ein schnelles Reagieren möglich machen, da insbesondere die thermischen Zeitkonstanten des Inverters in der Regel kleiner sind als die der Elektromaschine. Advantageously, the first and the second control unit influence the switching frequency of the inverter successively or in parallel with each other. This has the advantage that the control units operating in parallel with one another make rapid reaction possible, since in particular the thermal time constants of the inverter are generally smaller than those of the electric machine.

In einer Variante sind zwischen Elektromaschine und erster Regeleinheit eine erste Bestimmungseinheit zum Auslösen einer Variation der Schaltfrequenz des Inverters in Abhängigkeit von der aus einer Verlustleistung bestimmten Temperatur der Elektromaschine und zwischen dem Inverter und der zweiten Regeleinheit eine zweite Bestimmungseinheit zum Auslösen einer Variation der Schaltfrequenz des Inverters in Abhängigkeit von der aus einer Verlustleistung bestimmten Temperatur des Inverters geschaltet. Durch eine solche rechnerische Bestimmung der Temperaturgradienten und dem Vergleich der ermittelten Temperaturgradienten mit einer jeweiligen Steigung wird die Gesamtheit von Inverter bzw. Elektromaschine in die Temperaturbestimmung mit einbezogen. Auf eine lokale Temperaturbestimmung durch einen Temperatursensor kann dabei verzichtet werden.In a variant, a first determination unit for triggering a variation of the switching frequency of the inverter as a function of the temperature determined from a power loss of the electric machine and between the inverter and the second control unit is a second determination unit for triggering a variation of the switching frequency of the inverter between the electric machine and the first control unit as a function of the temperature of the inverter determined from a power loss. By such a mathematical determination of the temperature gradients and the comparison of the determined temperature gradients with a respective slope, the entirety of the inverter or electric machine is included in the temperature determination. On a local temperature determination by a temperature sensor can be omitted.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.The invention allows numerous embodiments. One of them will be explained in more detail with reference to the figures shown in the drawing.

Es zeigen:Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 an embodiment of the device according to the invention,

2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, 2 an embodiment of the method according to the invention,

3 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens am Beispiel eines Überhitzungsschutzes der Halbleitergrenzschicht der Leistungshalbleiter des Inverters, 3 an embodiment of the method using the example of an overheating protection of the semiconductor boundary layer of the power semiconductor of the inverter,

4 ein Ausführungsbeispiel des geregelten Zusammenspiels von Elektromaschinen-Prorating und Inverter-Derating. 4 an embodiment of the controlled interaction of electric machine pre-rating and inverter derating.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anpassung einer Schaltfrequenz des Inverters dargestellt. In einem Elektroantrieb, wie er beispielsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen angewendet wird, stellt eine Batterie 1 eine Gleichspannung zur Verfügung, die einem Inverter 2 zugeleitet wird. Der Inverter 2 umfasst Leistungshalbleiter 3, die durch Schalten die Gleichspannung in eine Wechselspannung umformen, die wiederum einer Elektromaschine 4 zur Bereitstellung der Rotationsbewegung zugeführt wird. Bekannte verwendete Verfahren zur Umwandlung der Gleichspannung in die Wechselspannung sind beispielsweise eine Sinus-Dreieck-Modulation, Raumzeiger-Modulation, Flat-Top- und Supersinus-Verfahren oder Übermodulation. In 1 an embodiment of the inventive device for adjusting a switching frequency of the inverter is shown. In an electric drive, as it is used for example in electric or hybrid vehicles, provides a battery 1 a DC voltage available to an inverter 2 is forwarded. The inverter 2 includes power semiconductors 3 which by switching the DC voltage into an AC voltage, in turn, an electric machine 4 is supplied to provide the rotational movement. Known methods used for converting the DC voltage into the AC voltage are, for example, a sine-delta modulation, space vector Modulation, flat-top and supersinus techniques or overmodulation.

Im vorliegenden Beispiel wird durch eine mit dem Inverter 2 verbundene Bestimmungseinheit 5 festgestellt, welche Temperatur die Leistungshalbleiter 3 im Inverter 2 haben. Diese Bestimmungseinheit 5 ist mit einer Regeleinheit 6 zur Einregelung der Schaltfrequenz f des Inverters 2 verbunden. Auch die Elektromaschine 4 führt an eine Bestimmungseinheit 7, die mit einer Regeleinheit 8 verbunden ist, welche wiederum auf den Inverter 2 zur Einstellung der Schaltfrequenz f zurückgeführt ist. In the present example, one with the inverter 2 linked determination unit 5 determined what temperature the power semiconductors 3 in the inverter 2 to have. This determination unit 5 is with a control unit 6 for adjusting the switching frequency f of the inverter 2 connected. Also the electric machine 4 leads to a determination unit 7 that with a control unit 8th which in turn is connected to the inverter 2 for setting the switching frequency f is returned.

Drohen der Inverter 2 oder die Elektromaschine 4 zu überhitzen, so wird das erfindungsgemäße Verfahren eingeleitet. Wie aus 2 ersichtlich, werden als Eingangsgrößen EG für das erfindungsgemäße Verfahren die Temperaturen von Inverter 2 und Elektromaschine 4, die Drehzahl n und das Drehmoment M der Elektromaschine 4 sowie Spannung und Strom bereitgestellt. Die Temperaturen, Spannungen und Ströme kennzeichnen dabei den aktuellen Systemzustand des Antriebsstranges, während Drehzahl n und Drehmoment M die zu erwartenden Fahrmanöver der Elektromaschine 4 verdeutlichen. Threaten the inverter 2 or the electric machine 4 to overheat, the process of the invention is initiated. How out 2 can be seen, the input variables EC for the inventive method, the temperatures of inverter 2 and electric machine 4 , the speed n and the torque M of the electric machine 4 as well as voltage and current provided. The temperatures, voltages and currents thereby characterize the current system state of the drive train, while speed n and torque M the expected driving maneuvers of the electric machine 4 clarify.

In einem ersten Block 100 wird die Inverter-Schaltfrequenz f für den höchsten Systemwirkungsgrad des Antriebsstranges ausgewählt. Dieser Systemwirkungsgrad kann sowohl online als auch offline berechnet werden, wobei alle Verluste von Elektromaschine 4, Inverter 2 und Batterie 1 sowie der Versorgungsleitungen durch die so eingestellte Schaltfrequenz f des Inverters 2 ausbalanciert werden. Anschließend wird im Block 110 die Temperatur der Elektromaschine 4 durch die Bestimmungseinheit 7 ermittelt. Dabei wird aus einer modellbasierten Berechnung und/oder Prädiktion der Elektromaschinentemperaturen deren Differenz zu vorgegebenen Absoluttemperaturen berechnet, welche die Eingangsgröße der Regeleinheit 8 bildet. Die als D-Regler ausgebildete Regeleinheit 8 stellt die Soll-Schaltfrequenz fSoll EM nach. Dadurch wird frühzeitig einer übermäßigen Erwärmung der Elektromaschine 4 und des nicht weiter dargestellten Zwischenkreiskondensators des Inverters 2 entgegengewirkt. Diese Regelung ist ständig aktiv und arbeitet anhand der Temperaturgradienten sowie den Differenzen zu definierten Absoluttemperaturen.In a first block 100 The inverter switching frequency f is selected for the highest system efficiency of the drive train. This system efficiency can be calculated both online and offline, with all losses of electric machine 4 , Inverter 2 and battery 1 and the supply lines by the so set switching frequency f of the inverter 2 to be balanced. Subsequently, in the block 110 the temperature of the electric machine 4 by the determination unit 7 determined. In this case, from a model-based calculation and / or prediction of the electrical machine temperatures, their difference to predetermined absolute temperatures is calculated, which is the input variable of the control unit 8th forms. The designed as a D-controller control unit 8th sets the setpoint switching frequency f Soll EM . This will premature excessive heating of the electric machine 4 and the not shown intermediate circuit capacitor of the inverter 2 counteracted. This regulation is constantly active and works on the basis of the temperature gradients and the differences to defined absolute temperatures.

Im Block 120 wird ebenfalls in der Bestimmungseinheit 5 mittels einer Modellbasierten Berechnung bzw. Prädiktion die Invertertemperatur berechnet. Deren Differenzen zu vorgegebenen Absoluttemperaturen bilden den Eingang für die Regeleinheit 6. Diese ist als D-Regler ausgebildet und gibt die für den Inverter erstrebenswerte Sollschaltfrequenz FSoll I aus. In the block 120 is also in the destination unit 5 calculated by means of a model-based calculation or prediction of the inverter temperature. Their differences to predetermined absolute temperatures form the input for the control unit 6 , This is designed as a D controller and outputs the desired switching frequency F desired I which is desirable for the inverter.

In einer Alternative können die Regelungen der Regeleinheiten 6, 8 aber auch einen Integral- sowie Proportionalanteil enthalten, wodurch sich jeweils ein überlagerter PID-Regler für die Temperatur-Marge ergibt.In an alternative, the regulations of the control units 6 . 8th but also contain an integral and proportional component, which results in each case a superimposed PID controller for the temperature margin.

Bei einer bevorstehenden Überhitzung des Inverters 2 wird die Schaltfrequenz f des Inverters 2 reduziert, während bei dem Regelkreis der Elektromaschine 4 bei einer bevorstehenden Überhitzung die Schaltfrequenz f des Inverters 2 erhöht wird. Dadurch ergibt sich ein gegenläufiger Prozess, mittels welchem die Schaltfrequenz f des Inverters 2 so eingestellt wird, dass die Schaltfrequenz f die Temperatur des Inverters 2 als auch die Temperatur der Elektromaschine 4 ausbalanciert. In case of impending overheating of the inverter 2 becomes the switching frequency f of the inverter 2 reduced while at the control circuit of the electric machine 4 in case of impending overheating, the switching frequency f of the inverter 2 is increased. This results in an opposite process, by means of which the switching frequency f of the inverter 2 is set so that the switching frequency f is the temperature of the inverter 2 as well as the temperature of the electric machine 4 balanced.

Nachdem die Schaltfrequenz f des Inverters 2 entweder erhöht oder erniedrigt wurde, wird in einem letzten Block 130 die Schaltfrequenz auf eine minimal zulässige Untergrenze angehoben, um ein regelungstechnisch stabiles Verhalten des Antriebsstranges zu gewährleisten.After the switching frequency f of the inverter 2 either increased or decreased, is in a last block 130 the switching frequency is raised to a minimum permissible lower limit in order to ensure a control-technically stable behavior of the drive train.

In 3 ist ein Beispiel des Überhitzungsschutzes der Halbleitergrenzschicht der Leistungshalbleiter 3 des Inverters 2 dargestellt. Dabei ist der Inverter 2 so ausgebildet, dass die Schaltfrequenz f in diskreten Stufen verändert werden kann. 3a zeigen dabei die Eingangsgrößen EG, wie Drehzahl n und Moment M der Elektromaschine 4. In 3b ist die Halbleitergrenzschichttemperatur über der Zeit t dargestellt. Dabei ist mit der waagerechten Kurve K1 eine kritische Temperatur der Halbleitergrenzschicht gekennzeichnet. Der mögliche Temperaturbereich B1 kennzeichnet Temperaturen des Inverters 2, die die Halbleitergrenzschicht der Leistungshalbleiter 3 bei Schaltfrequenzen f des Inverters 2 zwischen 20 bis 5 kHz erreichen kann. Die Kurve K2 zeigt die Temperatur der Halbleitergrenzschicht bei dem tatsächlich gewählten diskreten Verlauf der Schaltfrequenz f des Inverters 2. In 3c ist die Schaltfrequenz f in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. In 3 is an example of the overheating protection of the semiconductor junction layer of the power semiconductors 3 of the inverter 2 shown. Here is the inverter 2 designed so that the switching frequency f can be changed in discrete stages. 3a show the input quantities EG, such as speed n and torque M of the electric machine 4 , In 3b the semiconductor junction temperature is shown over time t. In this case, a critical temperature of the semiconductor boundary layer is identified by the horizontal curve K1. The possible temperature range B1 indicates temperatures of the inverter 2 , which is the semiconductor boundary layer of the power semiconductors 3 at switching frequencies f of the inverter 2 can reach between 20 to 5 kHz. The curve K2 shows the temperature of the semiconductor boundary layer in the actually selected discrete course of the switching frequency f of the inverter 2 , In 3c the switching frequency f is shown as a function of the time t.

Wie aus 3c ersichtlich, wird zunächst eine Schaltfrequenz f von 20 kHz an den Inverter 2 angelegt, wobei sich in 3b die Temperatur der Halbleitergrenzschicht an der oberen Grenze des Temperaturbereiches B1 bewegt. Aus diesem Grund wird die Schaltfrequenz f des Inverters 2 auf 5 kHz abgesenkt, wodurch die Temperatur der Halbleitergrenzschicht sich in einem mittleren Gebiet des Temperaturbereiches B1 einstellt. Bei einer kurzzeitigen Erhöhung der Schaltfrequenz f des Inverters 2 auf wieder 20 kHz springt die Temperatur der Halbleitergrenzschicht wiederum an die obere Grenze des Temperaturbereiches B1. In Zeitraum 2913 und 2923 Sekunden wird die Schaltfrequenz f auf 10 und 5 kHz abgesenkt, wobei die Überhitzung der Halbleitergrenzschicht der Leistungshalbleiter 3 ebenfalls reduziert wird und die Temperatur der Halbleitergrenzschicht sich nahe der unteren Grenze des Temperaturbereiches B1 stabilisiert. Es ist zu erkennen, dass die Schaltfrequenz f abgesenkt wird, sobald die Invertertemperatur zu hoch zu werden droht.How out 3c can be seen, first, a switching frequency f of 20 kHz to the inverter 2 created, with in 3b the temperature of the semiconductor boundary layer moves at the upper limit of the temperature range B1. For this reason, the switching frequency f of the inverter 2 lowered to 5 kHz, whereby the temperature of the semiconductor boundary layer is adjusted in a middle region of the temperature range B1. For a short-term increase in the switching frequency f of the inverter 2 again at 20 kHz, the temperature of the semiconductor boundary layer again jumps to the upper limit of the temperature range B1. In period 2913 and 2923 seconds, the switching frequency f is lowered to 10 and 5 kHz, the overheating of the Semiconductor boundary layer of the power semiconductors 3 is also reduced and the temperature of the semiconductor boundary layer stabilized near the lower limit of the temperature range B1. It can be seen that the switching frequency f is lowered as soon as the inverter temperature threatens to become too high.

In 4 ist ein Beispiel vom geregelten Zusammenspiel von Elektromaschinen-Prorating und Inverter-Derating dargestellt. Unter dem Elektromaschinen-Prorating soll eine Erhöhung der Schaltfrequenz f bei bevorstehender Überhitzung der Elektromaschine 4 verstanden werden, während das Inverter-Derating ein Absenken der Schaltfrequenz f bei ansteigender Invertertemperatur zeigt. In 4a sind wiederum Drehzahl n und Drehmoment M der Elektromaschine 4 gezeigt, während in 4b die Halbleitergrenztemperatur (Kurve K2) und die Temperatur der Elektromaschine 4 (Kurve K3) dargestellt ist. Auch hier zeigt die Kurve K1 die kritische Temperatur des Inverters 2, während die Kurve K4 die kritische Temperatur der Elektromaschine 4 darstellt. Für die Halbleitergrenzschicht der Leistungshalbleiter 3 sind die Kurve K2 und der Temperaturbereich B1, wie im Zusammenhang mit der 3b erläutert, zu verstehen. Für die Elektromaschine 4 zeigt die Kurve K3 das Temperaturverhalten der Elektromaschine 4 bei dem tatsächlich gewählten diskreten Verlauf der Schaltfrequenz über den gezeigten Fahrzyklus. Diese Kurve K3 ist von einem Temperaturbereich B2 umgeben, welcher die möglichen Temperaturen der Elektromaschine 4 bei einer Schaltfrequenz f von 20 bis 5 kHz angibt. In 4 is an example of the controlled interaction of electric machine pretorating and inverter derating. Under the electric machine Prorating is to increase the switching frequency f in the event of overheating of the electric machine 4 while the inverter derating shows a lowering of the switching frequency f with increasing inverter temperature. In 4a are in turn speed n and torque M of the electric machine 4 shown while in 4b the semiconductor limit temperature (curve K2) and the temperature of the electric machine 4 (Curve K3) is shown. Again, the curve K1 shows the critical temperature of the inverter 2 while curve K4 is the critical temperature of the electric machine 4 represents. For the semiconductor boundary layer of the power semiconductors 3 are the curve K2 and the temperature range B1, as related to the 3b explained, to understand. For the electric machine 4 the curve K3 shows the temperature behavior of the electric machine 4 in the actually selected discrete course of the switching frequency over the driving cycle shown. This curve K3 is surrounded by a temperature range B2, which is the possible temperatures of the electric machine 4 at a switching frequency f of 20 to 5 kHz indicates.

In 4c erfolgt zunächst bei 250 Sekunden eine Ansteuerung des Inverters 2 mit einer Schaltfrequenz mit 5 kHz. Dabei liegt die Kurve K3 der Elektromaschine 4 an der oberen Grenze des Temperaturbereichs B2. Bei dem bevorstehenden Halten dieses Betriebspunktes kann eine Überhitzung der elektrischen Maschine 4 prädiziert werden. Aus diesem Grund wird die Schaltfrequenz f des Inverters 2 auf 10 kHz erhöht. In diesem Zeitraum, wo die Schaltfrequenz f von 10 kHz anliegt, erhöht sich die Temperatur des Inverters 2 (Kurve 2 im Temperaturbereich B1), so dass die Schaltfrequenz bei 460 Sekunden wieder kurzzeitig auf 5 kHz abgesenkt wird, um die Temperatur des Inverters 2 zu verringern. Anschließend wird die Schaltfrequenz f wieder auf 10 kHz erhöht, um die Temperatur der Elektromaschine 4 mittig in dem Temperaturbereich B2 zu halten. Erst wenn sich die Temperatur des Inverters 2 zu nah der Kurve K1 nähert, wird die Schaltfrequenz f des Inverters 2 wieder auf 5 kHz abgesenkt, um eine Überhitzung des Inverters 2 zu unterbinden. In 4c Initially, the inverter is triggered at 250 seconds 2 with a switching frequency of 5 kHz. This is the curve K3 of the electric machine 4 at the upper limit of the temperature range B2. In the upcoming holding this operating point can overheat the electric machine 4 be predicated. For this reason, the switching frequency f of the inverter 2 is increased to 10 kHz. During this period, when the switching frequency f of 10 kHz is applied, the temperature of the inverter increases 2 (Curve 2 in the temperature range B1), so that the switching frequency is again briefly reduced to 5 kHz at 460 seconds to the temperature of the inverter 2 to reduce. Subsequently, the switching frequency f is increased again to 10 kHz to the temperature of the electric machine 4 keep centered in the temperature range B2. Only when the temperature of the inverter 2 is too close to the curve K1, the switching frequency f of the inverter 2 lowered back to 5 kHz to overheat the inverter 2 to prevent.

Es ist deutlich zu erkennen, wie die Schaltfrequenz f weit vorausblickend erhöht wird, um der Überhitzung der Elektromaschine 4 vorzubeugen. Bei kurzzeitig stark erhöhten Leistungen wird zwischendurch die Schaltfrequenz f abgesenkt, um dem Überhitzen des Inverters 2 vorzubeugen.It can be clearly seen how the switching frequency f is increased far ahead in order to overheat the electric machine 4 submissions. In the case of temporarily high power levels, the switching frequency f is lowered in between to prevent overheating of the inverter 2 submissions.

Die vorliegende Lösung zeigt eine vorausschauende Regelung einer variablen Inverterschaltfrequenz für elektrische Antriebe. Hierdurch kann zum einen der Wirkungsgrad des Antriebsstranges in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebspunkt des Antriebsstranges erhöht werden, indem die frequenzabhängigen Verluste zwischen den einzelnen Antriebskomponenten ausbalanciert werden. Zum anderen kann gleichzeitig durch thermisches Ausbalancieren die Verfügbarkeit des Antriebssystems erhöht werden, da die Antriebskomponenten später oder gar nicht an ihre Maximaltemperaturen kommen.The present solution shows a predictive control of a variable inverter switching frequency for electric drives. In this way, on the one hand the efficiency of the drive train can be increased depending on the current operating point of the drive train by the frequency-dependent losses between the individual drive components are balanced. On the other hand, the availability of the drive system can be increased at the same time by thermal balancing, since the drive components come later or not at their maximum temperatures.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Batterie battery
22
Inverter inverter
33
Leistungshalbleiter Power semiconductor
44
Elektromaschine electric machine
55
Bestimmungseinheit determining unit
66
Regeleinheit control unit
77
Bestimmungseinheit determining unit
88th
Regeleinheit control unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 5068777 A [0002] US5068777A [0002]
  • US 6483271 B1 [0003] US 6483271 B1 [0003]

Claims (10)

Verfahren zur Anpassung einer Schaltfrequenz eines Inverters in einem elektrischen Antriebsstrang, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, bei welchem der Inverter (2) eine von einer Spannungsquelle (1) bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Ansteuerung einer Elektromaschine (4) umwandelt, wobei die Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) in Abhängigkeit einer Temperatur des Inverters (2) variiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz der Elektromaschine (4) vor einer Überhitzung die Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) erhöht wird, während zum Schutz des Inverters (2) und/oder eines Zwischenkreiskondensators vor einer Überhitzung die Schaltfrequenz (f) abgesenkt wird.Method for adapting a switching frequency of an inverter in an electric drive train, in particular for an electric or hybrid vehicle, in which the inverter ( 2 ) one from a voltage source ( 1 ) provided DC voltage in an AC voltage for driving an electric machine ( 4 ), wherein the switching frequency (f) of the inverter ( 2 ) as a function of a temperature of the inverter ( 2 ), characterized in that for the protection of the electric machine ( 4 ) against overheating the switching frequency (f) of the inverter ( 2 ) while protecting the inverter ( 2 ) and / or a DC link capacitor before overheating the switching frequency (f) is lowered. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) für einen höchsten Systemwirkungsgrad des Antriebsstranges eingestellt wird, bevor die Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) erhöht oder abgesenkt wird.Method according to Claim 1, characterized in that the switching frequency (f) of the inverter ( 2 ) for the highest system efficiency of the drive train before the switching frequency (f) of the inverter ( 2 ) is increased or decreased. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Variation der Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) zusätzlich zu einer absoluten Temperatur ein Temperaturgradient der Elektromaschine (4) und/oder des Inverters (2) bestimmt wird, wobei anhand eines ersten Temperaturgradienten der Elektromaschine (4) und/oder anhand eines zweiten Temperaturgradienten des Inverters (2) die Variation der Schaltfrequenz (f) eingeleitet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that before the variation of the switching frequency (f) of the inverter ( 2 ) in addition to an absolute temperature, a temperature gradient of the electric machine ( 4 ) and / or the inverter ( 2 ) is determined, wherein based on a first temperature gradient of the electric machine ( 4 ) and / or based on a second temperature gradient of the inverter ( 2 ) the variation of the switching frequency (f) is initiated. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturgradient der Elektromaschine (4) aus einer Verlustleistung der Elektromaschine (4) ermittelt wird, während der zweite Temperaturgradient des Inverters (2) aus einer Verlustleistung des Inverters (2) bestimmt wird. Method according to claim 3, characterized in that the first temperature gradient of the electric machine ( 4 ) from a power loss of the electric machine ( 4 ), while the second temperature gradient of the inverter ( 2 ) from a power loss of the inverter ( 2 ) is determined. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erhöhung bzw. Absenkung der Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) die Schaltfrequenz (f) auf eine minimal zulässige Untergrenze eingestellt wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that after the increase or reduction of the switching frequency (f) of the inverter ( 2 ) the switching frequency (f) is set to a minimum permissible lower limit. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur eines Zwischenkreiskondensators des Inverters (2) überwacht wird, wobei anhand eines dritten Temperaturgradienten und/oder einer Absoluttemperatur des Zwischenkreiskondensators die Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) erhöht wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a temperature of a DC link capacitor of the inverter ( 2 ) is monitored, wherein based on a third temperature gradient and / or an absolute temperature of the DC link capacitor, the switching frequency (f) of the inverter ( 2 ) is increased. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz (f) in diskreten Schritten variiert wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the switching frequency (f) is varied in discrete steps. Vorrichtung zur Anpassung einer Schaltfrequenz eines Inverters in einem elektrischen Antriebsstrang, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, umfassend eine, eine Gleichspannung bereitstellende Spannungsquelle (1), den die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelnden Inverter (2) sowie eine von dem Inverter (2) direkt angesteuerte Elektromaschine (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter (2) und die Elektromaschine (4) mit je einer Regeleinheit (6, 8) verbunden sind, wobei die erste Regeleinheit (8) die Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) in Abhängigkeit von einer ersten Temperatur der Elektromaschine (4) und die zweite Regeleinheit (6) die Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) in Abhängigkeit von einer zweiten Temperatur des Inverters (2) einregelt.Device for adapting a switching frequency of an inverter in an electric drive train, in particular for an electric or hybrid vehicle, comprising a voltage source providing a DC voltage ( 1 ), the DC voltage in an AC voltage converting inverter ( 2 ) as well as one of the inverters ( 2 ) directly controlled electric machine ( 4 ), characterized in that the inverter ( 2 ) and the electric machine ( 4 ) with one control unit each ( 6 . 8th ), the first control unit ( 8th ) the switching frequency (f) of the inverter ( 2 ) in dependence on a first temperature of the electric machine ( 4 ) and the second control unit ( 6 ) the switching frequency (f) of the inverter ( 2 ) in response to a second temperature of the inverter ( 2 ). Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Regeleinheit (6, 8) die Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) nacheinander einstellen oder parallel zueinander beeinflussen.Apparatus according to claim 8, characterized in that the first and the second control unit ( 6 . 8th ) the switching frequency (f) of the inverter ( 2 ) in succession or influence each other in parallel. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Elektromaschine (4) und der ersten Regeleinheit (8) eine erste Bestimmungseinheit (7) zum Auslösen einer Variation der Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) in Abhängigkeit von der aus einer Verlustleistung bestimmten Temperatur der Elektromaschine (4) und zwischen dem Inverter (2) und der zweiten Regeleinheit (6) eine zweite Bestimmungseinheit (5) zum Auslösen einer Variation der Schaltfrequenz (f) des Inverters (2) in Abhängigkeit von der aus einer Verlustleistung bestimmten Temperatur des Inverters (2) geschaltet sind.Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that between the electric machine ( 4 ) and the first control unit ( 8th ) a first determination unit ( 7 ) for triggering a variation of the switching frequency (f) of the inverter ( 2 ) as a function of the temperature of the electric machine determined from a power loss ( 4 ) and between the inverter ( 2 ) and the second control unit ( 6 ) a second determination unit ( 5 ) for triggering a variation of the switching frequency (f) of the inverter ( 2 ) as a function of the temperature of the inverter determined from a power loss ( 2 ) are switched.
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