DE102022206581A1

DE102022206581A1 - Verfahren zur Steuerung des Betriebs einer elektrischen Anordnung

Info

Publication number: DE102022206581A1
Application number: DE102022206581.6A
Authority: DE
Inventors: Ziqi Ye; Zhenhao HUANG
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2024-01-04

Abstract

Verfahren zur Steuerung des Betriebs einer elektrischen Anordnung (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Steuerungseinrichtung (7), wenigstens zwei Schaltermodule (5, 6) und wenigstens zwei elektrische Maschinen (3, 4), wobei die Steuerungseinrichtung (7) zur Steuerung eines ersten Schaltermoduls (5) mittels eines ersten PWM-Steuersignals (8) und zur Steuerung eines zweiten Schaltermoduls (6) mittels eines zweiten PWM-Steuersignals (9) ausgebildet ist, wobei wenigstens ein erstes Schaltermodul (5) basierend auf dem ersten PWM-Steuersignal (8) zur Ausgabe einer ersten Ausgabegröße zur Steuerung wenigstens einer ersten elektrischen Maschine (3) und wenigstens ein zweites Schaltermodul (6) basierend auf dem zweiten PWM-Steuersignal (9) zur Ausgabe einer zweiten Ausgabegröße zur Steuerung wenigstens einer zweiten elektrischen Maschine (4) ausgebildet ist, wobei eine definierte Phasenverschiebung (14) zwischen wenigstens einem Teil des ersten PWM-Steuersignals (8) und wenigstens einem Teil des zweiten PWM-Steuersignals (9) eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs einer elektrischen Anordnung, insbesondere eines Kraftfahrzeug, umfassend eine Steuerungseinrichtung, wenigstens zwei Schaltermodule und wenigstens zwei elektrische Maschinen, wobei die Steuerungseinrichtung zur Steuerung eines ersten Schaltermoduls mittels eines ersten PWM-Steuersignals („Pulsweitenmodulation“) und zur Steuerung eines zweiten Schaltermoduls mittels eines zweiten PWM-Steuersignals ausgebildet ist, wobei wenigstens ein erstes Schaltermodul basierend auf dem ersten PWM-Steuersignal zur Ausgabe einer ersten Ausgabegröße zur Steuerung wenigstens einer ersten elektrischen Maschine und wenigstens ein zweites Schaltermodul basierend auf dem zweiten PWM-Steuersignal zur Ausgabe einer zweiten Ausgabegröße zur Steuerung wenigstens einer zweiten elektrischen Maschine ausgebildet ist.
Elektrische Anordnungen, die, wie zuvor beschrieben, wenigstens zwei elektrische Maschinen, eine Steuerungseinrichtung und wenigstens zwei Schaltermodule aufweisen, sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann die elektrische Anordnung für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein bzw. kann ein Kraftfahrzeug eine solche elektrische Anordnung aufweisen. Die elektrische Anordnung kann für den Antrieb des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein, beispielsweise wenn die elektrischen Maschinen als Traktionsantriebe, beispielsweise als elektrische Achsantriebe, ausgebildet sind. Grundsätzlich können die elektrischen Maschinen jedoch auch anderen Aufgaben zugewiesen sein bzw. andere Aufgaben übernehmen, für die die elektrische Anordnung vorgesehen ist.
Grundsätzlich steuert die Steuerungseinrichtung die beiden Schaltermodule an, um eine entsprechende Ausgabegröße für die zwei elektrischen Maschinen zu erzeugen, beispielsweise eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom. Die Ausgabegröße wird den elektrischen Maschinen somit zugeführt, sodass die elektrischen Maschinen entsprechend betätigt werden, insbesondere eine Drehbewegung erzeugen, zum Beispiel um ein Drehmoment für den Antrieb des Kraftfahrzeugs zu stellen. Dazu stellt die Steuerungseinrichtung ein PWM-Steuersignal bereit bzw. gibt die Steuerungseinrichtung ein PWM-Steuersignal an die Schaltermodul aus, die entsprechend des PWM-Steuersignals die Ausgabegröße erzeugen und an die elektrische Maschine ausgeben, der sie zugeordnet sind. Die Steuerungseinrichtung kann wenigstens zwei Untereinheiten aufweisen, von denen eine erste Untereinheit das PWM-Steuersignal für das erste Schaltermodul und eine zweite Untereinheit das PWM-Steuersignal für das zweite Schaltermodul erzeugt.
In derartigen Anordnungen ist ferner bekannt, dass ein elektrischer Energiespeicher, der Bestandteil der Anordnung sein kann oder mit dem die elektrische Anordnung verbunden sein kann, um die elektrische Anordnung mit elektrischer Energie zu versorgen, entsprechend der erzeugten Ausgabegrößen, die an die elektrischen Maschinen ausgegeben werden, belastet wird. Je nach Ausgabegröße wird die Belastung des elektrischen Energiespeichers, beispielsweise der Batterie des Kraftfahrzeugs, nicht zeitlich konstant verlaufen, sondern aufgrund des Betriebs der Schaltermodule, insbesondere das Erzeugen der Ausgabegröße basierend auf einem PWM-Signal, eine gewisse Welligkeit aufweisen, die auch als DC-Ripple bekannt ist. Mit anderen Worten wird die elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher nicht konstant bereitgestellt, sondern basierend auf den Ausgabegrößen abgerufen. Hierbei ist bekannt, dass die beschriebene Welligkeit bzw. das DC-Ripple für verschiedene Komponenten der elektrischen Anordnung schädlich bzw. nachteilig sein kann.
Insbesondere im Betrieb wenigstens zweier elektrischer Maschinen, insbesondere mehrerer elektrischer Maschinen, tritt eine Überlagerung der Einzelbelastungen des elektrischen Energiespeichers auf. Mit anderen Worten werden die beiden Ausgabegrößen an die beiden elektrischen Maschinen aus demselben elektrischen Energiespeicher gespeist, sodass sich auch die Welligkeiten überlagern. Je nach aktuellen PWM-Steuersignalen, Ausgabegrößen und Betriebspunkten der elektrischen Maschinen, können sich die Welligkeiten bzw. allgemein die Auswirkung auf den elektrischen Energiespeicher konstruktiv überlagern, sodass sich die nachteiligen Auswirkungen auf die elektrische Anordnung verstärken, im schlimmsten Fall verdoppeln bzw. vervielfachen können. Da der Effekt, wie beschrieben, letztlich von den Betriebspunkten der elektrischen Maschinen, den PWM-Steuersignalen und den Ausgabegrößen abhängt, die sich je nach Betriebszustand ständig verändern können und grundsätzlich nicht miteinander in Verbindung stehen, tritt die Überlagerung letztlich zufällig bzw. statistisch verteilt auf. Über den Betrieb der elektrischen Anordnung kann somit sowohl eine konstruktive Überlagerung als auch eine destruktive Überlagerung und sämtliche dazwischenliegenden teilweisen Überlagerungen auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Steuerung des Betriebs einer elektrischen Anordnung anzugeben, bei der insbesondere eine Belastung der elektrischen Anordnung aufgrund der Welligkeiten der elektrischen Signale, insbesondere aufgrund von DC-Ripple, reduziert oder verhindert ist.
Die Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Wie beschrieben, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs einer elektrischen Anordnung, bei dem von einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Betriebs der wenigstens zwei Schaltermodule ein erstes PWM-Steuersignal und ein zweites PWM-Steuersignal ausgegeben werden, um das erste Schaltermodul und das zweite Schaltermodul zur Ausgabe der ersten Ausgabegröße und das zweite Schaltermodul zur Ausgabe der zweiten Ausgabegröße zu steuern. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine definierte Phasenverschiebung zwischen wenigstens einem Teil des ersten PWM-Steuersignals und wenigstens einem Teil des zweiten PWM-Steuersignals eingestellt wird.
Durch das Festlegen der definierten Phasenverschiebung zwischen den wenigstens zwei Teilen der beiden PWM-Steuersignale können die Auswirkungen auf den elektrischen Energiespeicher, insbesondere im Hinblick auf die Welligkeit bzw. das DC-Ripple, aufeinander abgestimmt werden, sodass die Überlagerung im Speziellen nicht zu einer konstruktiven Überlagerung, d.h. einer Verstärkung führt. Mit anderen Worten kann die Phasenverschiebung genauso eingestellt werden, dass eine Reduzierung der Welligkeit erreicht wird. Beispielsweise kann die Phasenverschiebung genau so eingestellt werden, dass für den aktuellen Betriebszustand eine destruktive Überlagerung der durch die PWM-Steuersignale erzeugten Welligkeiten auftritt.
Der Begriff „Phasenverschiebung“ bezeichnet die Phasenbeziehung, also insbesondere den Phasenversatz und/oder die Phasenlage und/oder den Phasenabstand der Teile der beiden PWM-Steuersignale. Der Begriff Phasenverschiebung kann somit auch durch die Begriffe Phasenversatz, Phasenlage, Phasenabstand oder weitere Begriffe, die die zeitliche Beziehung, beispielsweise der maximalen Amplituden, der Teile der PWM-Steuersignale betreffen, ersetzt werden. Die beschriebenen Begriffe können daher im Rahmen der Beschreibung Synonym verwendet werden.
Die PWM-Steuersignale können grundsätzlich aus einem Trägersignal und einem Modulationssignal bestehen bzw. ein Trägersignal und ein Modulationssignal aufweisen. Trägersignal und Modulationssignal können verschiedene Signalformen bzw. Signaltypen aufweisen, beispielsweise sinusförmig, dreieckförmig oder jedwede andere, insbesondere periodische, Form. Die Phasenverschiebung bzw. die Phasenbeziehung bezeichnet dabei die relative Lage charakteristischer Punkte der Signale, beispielsweise Berge und/oder Täler der Signale. Die Phasenverschiebung kann somit genau so eingestellt werden, dass sich die beiden Signale nicht konstruktiv überlagern, sondern beispielsweise destruktiv überlagern, sodass der aus dem Energiespeicher abgerufene Strom eine reduzierte Welligkeit aufweist.
Wie beschrieben, wird für den Betrieb der beiden elektrischen Maschinen derselbe elektrische Energiespeicher verwendet. Der gemeinsam verwendete bzw. geteilte elektrische Energiespeicher kann daher auch als „splitpoint battery“ bezeichnet werden. Bei der Ausgabe der beiden Ausgabegrößen, die beide aufgrund des Betriebs der Schaltermodule eine gewisse restliche Welligkeiten aufweisen, kann somit die Phasenverschiebung so eingestellt werden, dass die an dem elektrischen Energiespeicher fließenden Ströme sich in Bezug auf die Welligkeiten, insbesondere den erzeugten DC-Ripple, nicht verstärken, insbesondere gegenseitig abschwächen. Dadurch kann die Lebensdauer der elektrischen Anordnung verbessert werden, da schädliche Auswirkungen das DC-Ripples auf die elektrische Anordnung reduziert oder verhindert werden können. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird das Konzept in Bezug auf eine elektrische Anordnung mit zwei elektrischen Maschinen und zwei Schaltermodulen beschrieben, die durch einen gemeinsamen elektrischen Energiespeicher gespeist werden. Das beschriebene Konzept ist grundsätzlich eine beliebige Anzahl elektrischer Maschinen und Schaltermodule übertragbar. Dabei wird eine Phasenverschiebung der einzelnen Trägersignale untereinander eingestellt, sodass die resultierende Welligkeit minimiert bzw. reduziert werden kann.
Nach einer Weiterbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das erste PWM-Steuersignal ein erstes Trägersignal und ein erstes Modulationssignal aufweist und das zweite PWM-Steuersignal ein zweites Trägersignal und ein zweites Modulationssignal aufweist, wobei eine definierte Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Trägersignal eingestellt wird. Wie zuvor beschrieben, können die PWM-Steuersignale, die von der Steuerungseinrichtung erzeugt und zur Steuerung der wenigstens zwei Schaltermodule an die wenigstens zwei Schaltermodule ausgegeben werden, grundsätzlich aus einem Modulationssignal („modulation signal“) und einem Trägersignal („carrier signal“) aufgebaut sein bzw. diese Bestandteile aufweisen.
Die Modulationssignale hängen üblicherweise von dem jeweiligen Lastpunkt bzw. Betriebspunkt der elektrischen Maschine ab und können daher nur eingeschränkt verändert werden. Die Trägersignale können zur Einstellung der definierten Phasenverschiebung verändert werden, sodass eine „Synchronisierung“ der Trägersignale vorgenommen werden kann, derart, dass diese die gewünschte Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Die Schaltermodule, die durch die PWM-Steuersignale gesteuert werden, erzeugen anschließend entsprechend der PWM-Steuersignale die Ausgabegrößen für die elektrischen Maschinen, sodass die elektrische Energie, die von dem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher abgerufen wird, basierend auf den synchronisierten Trägersignalen abgerufen wird. Wie beschrieben, können die Trägersignale letztlich beliebige periodische Signale bzw. durch beliebige periodische Funktionen beschrieben sein, beispielsweise dreieckförmig oder sinusförmig. Die Trägersignale werden beispielsweise durch eine Einrichtung der Steuerungseinrichtung, insbesondere einen Trägersignalgenerator, erzeugt. Wird mehr als eine solche Einrichtung zum Erzeugen der wenigstens zwei verschiedenen Trägersignale verwendet, kann diese ebenfalls synchronisiert werden, sodass ein Drift verhindert werden oder bei Auftreten durch Synchronisierung der Systemzeiten wieder beseitigt werden kann.
Das beschriebene Verfahren kann ferner dahingehend weitergebildet werden, dass eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten und zweiten Modulationssignal eingestellt wird oder eine Phasenverschiebung des ersten und zweiten Trägersignals in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung zwischen dem ersten und zweiten Modulationssignal eingestellt wird. Wie zuvor beschrieben, ist es üblicherweise ausreichend die Phasenverschiebung in Bezug auf die Trägersignale einzustellen. Dabei kann jedes der Trägersignale an sich verändert bzw. vorgegeben werden. Eine Veränderung des Modulationssignals der wenigstens zwei Maschinen bzw. des ersten Modulationssignal und des zweiten Modulationssignal, ist, wie zuvor beschrieben, nur eingeschränkt möglich. Je nach bestehender Phasenverschiebung der wenigstens zwei Modulationssignale kann eine Festlegung der wenigstens zwei Trägersignale erfolgen, um die negativen Auswirkungen auf den elektrischen Energiespeicher weiter zu reduzieren.
Eine Phasenverschiebung des zweiten Trägersignals kann nach einer weiteren Ausgestaltung als Funktion des ersten Trägersignals bestimmt werden, insbesondere berechnet werden. Grundsätzlich sind die Begriffe „erstes“ und „zweites“ beliebig wählbar bzw. austauschbar und die Beschreibung entsprechend übertragbar. Die beschriebene Ausgestaltung sieht vor, dass ein erstes Trägersignal vorgegeben wird, beispielsweise einen „Master“ darstellt, nachdem das zweite Trägersignal bestimmt bzw. berechnet wird. Das zweite Trägersignal kann daher auch als „Slave“ bezeichnet werden. Die Phasenverschiebung bzw. der Phasenversatz des zweiten Trägersignals in Bezug auf das erste Trägersignal ist somit als Funktion des ersten Trägersignals bestimmt oder berechnet. Das Bestimmen bzw. Berechnen kann dabei „online“ erfolgen oder basierend auf einer vordefinierten Einstellung bzw. Bestimmung vorgenommen werden.
Eine weitere Möglichkeit die Phasenverschiebung der beiden Trägersignale festzulegen kann darin bestehen, eine Phasenverschiebung durch Auswahl aus einer vordefinierten Tabelle zu bestimmen. Dadurch kann die notwendige Rechenzeit im Betrieb der elektrischen Einrichtung reduziert werden. Die beschriebene Tabelle kann beispielsweise im Rahmen einer „look-up-table“ bereitgestellt werden bzw. eine sogenannte „phase-shift map“ darstellen, aus der für den jeweiligen Betriebspunkt der elektrischen Maschinen bzw. der Schaltermodule die vorbestimmte Phasenverschiebung ausgewählt und entsprechend eingestellt werden kann. Die vordefinierte Tabelle kann beispielsweise auf zuvor ausgeführten Messungen basieren oder für bestimmte Betriebspunkte der elektrischen Maschinen vorgegeben werden.
Bei dem beschriebenen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass eine Phasenverschiebung des zweiten Trägersignals basierend auf einer Erfassung einer Welligkeit eines elektrischen Signals, insbesondere einer elektrischen Spannung, bestimmt wird. Die beschriebene Ausgestaltung sieht insbesondere vor, die Phasenverschiebung in Abhängigkeit eines gemessenen elektrischen Signals zu bestimmen, insbesondere in Abhängigkeit von einem an dem gemeinsam verwendeten elektrischen Energiespeicher gemessenen elektrischen Signal. Mit anderen Worten kann die Auswirkung des Betriebs der Schaltermodule bzw. der elektrischen Maschinen auf den elektrischen Energiespeicher gemessen werden und die Phasenverschiebung entsprechend eingestellt werden.
Zum Beispiel können die sich aus dem Betrieb ergebenden Welligkeiten gemessen werden und die Phasenverschiebung in Abhängigkeit der Welligkeit des elektrischen Signals, beispielsweise der Spannung oder des Stroms, eingestellt werden. Hierbei kann eine Veränderung der Phasenverschiebung durchgeführt werden und die Auswirkungen auf die Welligkeit bestimmt werden. Für eine Veränderung der Phasenverschiebung zu einer Verbesserung der Welligkeit, kann eine weitere Veränderung in dieselbe Richtung der Phasenverschiebung durchgeführt werden. Führt eine Veränderung der Phasenverschiebung zu einer Verschlechterung der Welligkeit, kann die Veränderung eingestellt oder eine Phasenverschiebung in die gegenüberliegende Richtung vorgenommen werden. Dadurch kann ein Minimum der Welligkeit bzw. des DC-Rippels gefunden werden. Der beschriebene Prozess der Veränderung der Phasenverschiebung kann insbesondere iterativ durchgeführt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann basierend auf einer, insbesondere vordefinierten, Auswahl der Hardwaretopologie gleichzeitig ein Minimum der Welligkeit bzw. des DC-Rippels von Spannung und von Strom eingestellt werden. Die beschriebene Veränderung der Hardwaretopologie kann dazu führen, dass das DC-Ripple in den individuellen Pfaden zunimmt, beispielsweise in einem ersten Pfad der elektrischen Anordnung, der die elektrische Energieversorgung für die erste elektrische Maschine bereitstellt und in einem zweiten Pfad der elektrischen Anordnung, der die elektrische Energieversorgung für die zweite elektrische Maschine bereitstellt, jedoch bewirkt, dass das die Gesamtwelligkeit bzw. das gesamte DC-Ripple, das an dem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher auftritt, reduziert wird.
Wie beschrieben, kann grundsätzlich die Einstellung bzw. Festlegung oder Berechnung der Phasenverschiebung durch verschiedene Betriebsparameter der elektrischen Anordnung beeinflusst werden. Ändert sich beispielsweise der Betriebspunkt oder der Lastpunkt einer der elektrischen Maschinen, kann dies erfordern, die Phasenverschiebung, die zuvor eingestellt war, zu verändern, um in dem neuen Gesamtbetriebspunkt der elektrischen Anordnung eine möglichst gute Reduzierung des DC-Ripple zu erreichen. Daher kann die Phasenverschiebung periodisch oder eventbasiert eingestellt werden. Wird beispielsweise der Betriebspunkt einer der elektrischen Maschinen verändert, kann als Reaktion auf die Veränderung des Betriebspunkts ebenso eine Veränderung der Phasenverschiebung vorgenommen werden.
Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Anordnung, umfassend wenigstens zwei elektrische Maschinen, wenigstens zwei Schaltermodule und eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das eine solche elektrische Anordnung umfasst.
Sämtliche Vorteile, Einzelheiten und Merkmale, die in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden, sind vollständig auf die elektrische Anordnung und das Kraftfahrzeug übertragbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Fig. erläutert. Die Fig. sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 einen Ausschnitt einer elektrischen Anordnung eines Kraftfahrzeugs nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 einen Ausschnitt einer elektrischen Anordnung eines Kraftfahrzeugs nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
3 - 5 ein Diagramm von PWM-Steuersignalen der elektrischen Anordnung nach 1, 2; und
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung des Betriebs der elektrischen Anordnung von 1, 2.

1 zeigt eine elektrische Anordnung 1 eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs, wobei die elektrische Anordnung 1 auch anderweitig zugeordnet sein kann. Die elektrische Anordnung 1 weist einen elektrischen Energiespeicher 2 auf, der für die Energieversorgung einer ersten elektrischen Maschine 3 und einer zweiten elektrischen Maschine 4 vorgesehen ist. Den elektrischen Maschinen 3, 4 ist jeweils ein Schaltermodul 5, 6 zugeordnet, d.h., der ersten elektrischen Maschine 3 ist ein erstes Schaltermodul 5 und der zweiten elektrischen Maschine 4 ist ein zweites Schaltermodul 6 zugeordnet. Das erste Schaltermodul 5 und das zweite Schaltermodul 6 sind mit einer Steuerungseinrichtung 7 verbunden. Anstelle einer einzelnen Steuerungseinrichtung 7 ist es ebenso möglich, mehrere Steuerungseinrichtungen 7 für die Steuerung des Betriebs der Schaltermodule 5, 6 zu verwenden bzw. eine Steuerungseinrichtung 7 mit zwei Untereinheiten. Die Beschreibung ist entsprechend übertragbar.
Die elektrische Anordnung 1, die in 2 dargestellt ist, gleicht dem grundsätzlichen Aufbau nach der elektrischen Anordnung 1 von 1, wobei sich in der Ausgestaltung nach 2 die Schaltermodule 5, 6 denselben Kondensator teilen. Die Beschreibung ist grundsätzlich von 1 auf 2 übertragbar bzw. entsprechend austauschbar.
Im Betrieb der elektrischen Anordnung 1 erzeugt die Steuerungseinrichtung 7 PWM-Steuersignale 8, 9 für die Schaltermodule 5, 6, welche PWM-Steuersignale grundsätzlich aus einem Modulationssignal 11, 13 und einem Trägersignal 10, 12 bestehen bzw. ein solches Modulationssignal 11, 13 und ein solches Trägersignal 10, 12 aufweisen. Die Schaltermodule 5, 6 können anschließend in bekannter Weise durch Veränderung der Schaltstellungen der einzelnen Schaltelemente Ausgabegrößen erzeugen und den elektrischen Maschinen 3, 4 zu führen. Beispielsweise können den elektrischen Maschinen 3, 4 basierend auf der Erzeugung von PWM-Signalen seitens der Schaltermodule 5, 6 entsprechende Ströme bereitgestellt werden, sodass die elektrischen Maschinen 3, 4 Drehmoment erzeugen können, das beispielsweise für den Antrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden kann.
Grundsätzlich kann das gezeigte Ausführungsbeispiel um eine beliebige weitere Anzahl elektrischer Maschinen 3, 4, beispielsweise eine nicht dargestellte dritte elektrische Maschine erweitert werden. Der weiteren elektrischen Maschine ist wiederum ebenfalls ein Schaltermodul zugeordnet, wobei die weitere elektrische Maschine und das weitere Schaltermodul von demselben elektrischen Energiespeicher 2 gespeist werden und die Steuerungseinrichtung 7 oder eine weitere Steuerungseinrichtung 7 dafür vorgesehen ist, dem weiteren Schaltermodul PWM-Steuersignale zuzuführen. Die Beschreibung ist entsprechend auf die Erweiterung der elektrischen Anordnung 1 um weitere Schaltermodule und weitere elektrische Maschinen übertragbar.
Aufgrund der Erzeugung der Ausgabegrößen durch die Schaltermodule 5, 6 und das Zuführen eines elektrischen Stroms an die elektrischen Maschinen 3, 4 als elektrische Ausgabegröße wird elektrische Energie von dem elektrischen Energiespeicher 2 abgerufen. Da das Abrufen der elektrischen Energie keine vollständig konstante Größe darstellt, sondern durch den Betrieb der Schaltermodule 5, 6 eine restliche Welligkeit aufweist, kann, je nach Phasenbeziehung der PWM-Steuersignale 8, 9 eine Überlagerung auftreten. Insbesondere kann sich das DC-Ripple im Betrieb überlagern und im schlimmsten Fall konstruktiv verstärken.
Ein beispielhaftes Diagramm der PWM-Steuersignale ist in 3 dargestellt. Da ohne weiteres Zutun die Modulationssignale letztlich in Abhängigkeit des Betriebspunkts der elektrischen Maschinen 3, 4 erzeugt werden und üblicherweise voneinander unabhängig sind, kann die Phasenverschiebung zwischen den PWM-Steuersignalen 8, 9 letztlich zufällig auftreten. Mit anderen Worten können daher Betriebspunkte auftreten, bei denen die PWM-Steuersignale 8, 9 vollständig in Phase sind, vollständig außer Phase sind und jeder beliebige Zustand dazwischen. Je nach Phasenbeziehung verstärken sich jedoch die negativen Auswirkungen auf die elektrische Anordnung 1, insbesondere aufgrund des erzeugten DC-Ripples.
Hierzu zeigt 3 beispielhaft ein erstes PWM-Steuersignal 8 und ein zweites PWM-Steuersignal 9. Das erste PWM-Steuersignal 8 umfasst ein erstes Trägersignal 10 und ein erstes Modulationssignal 11, wobei das zweite PWM-Steuersignal 9 ein zweites Trägersignal 12 und ein zweites Modulationssignal 13 aufweist. Beispielsweise kann das erste PWM-Steuersignal 8 aus einem ersten Trägersignal 10 und einem ersten Modulationssignal 11 und das zweite PWM-Steuersignal aus einem zweiten Modulationssignal 13 und einem zweiten Trägersignal 12 erzeugt werden. Ferner zeigt 3 beispielhaft eine Phasenverschiebung 14 zwischen dem ersten Trägersignal 10 und dem zweiten Trägersignal 12. Lediglich beispielhaft sind in der gezeigten Darstellung das erste Modulationssignal 11 und das zweite Modulationssignal 13 in Phase. Das Vorgehen bei Abweichung der Phasenbeziehung zwischen dem ersten Modulationssignal 11 und dem zweiten Modulationssignal 13 wird nachfolgend in Bezug auf 5 beschrieben.
Wie beschrieben, kann, beispielsweise je nach Betriebspunkt der elektrischen Anordnung 1, eine definierte Phasenverschiebung 14 gewählt bzw. eingestellt werden. 4 zeigt beispielsweise eine Veränderung der Phasenverschiebung 14, die in 3 dargestellt ist. In 4 ist die Phasenverschiebung 14 so gewählt, dass die Berge des ersten Trägersignals 10 in Täler des zweiten Trägersignals 12 treffen, sodass eine destruktive Überlagerung der Trägersignale 10, 12 auftritt. Hierzu sind verschiedene Vorgehensweisen möglich. Beispielsweise kann für einen bestimmten Betriebspunkt oder für eine Vielzahl bestimmter Betriebspunkte der elektrischen Anordnung 1 eine definierte Phasenverschiebung 14 vorgegeben sein. Hierzu kann sich beispielsweise eine Karte von Phasenverschiebungen anbieten, die Einträge in Form von Phasenverschiebungen für verschiedene Betriebspunkte der elektrischen Anordnung 1, beispielsweise Betriebspunkte der elektrischen Maschinen 3, 4 aufweist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Teil der elektrischen Anordnung 1 fest einzustellen und den verbleibenden Teil der elektrischen Anordnung 1 in Abhängigkeit des ersten Teils der elektrischen Anordnung 1 zu steuern. Beispielsweise kann die erste elektrische Maschine 3 mit dem ersten Schaltermodul 5 als erster Teil verstanden werden. Hierbei kann die Steuerungseinrichtung die Phasenverschiebung 14 des zweiten Trägersignals 12 in Bezug auf das erste Trägersignal 10 festlegen. Die Bestimmung der Phasenverschiebung 14 kann dabei online berechnet werden, d.h. während des Betriebs der elektrischen Anordnung 1.
Ferner kann ein elektrisches Signal, insbesondere die Welligkeit der Spannung oder die Welligkeit des Stroms an dem elektrischen Energiespeicher 2, bestimmt werden und die Phasenverschiebung 14 in Abhängigkeit des bestimmten elektrischen Signals bzw. dessen Welligkeit eingestellt werden. Insbesondere kann das elektrische Signal in der elektrischen Anordnung 1 gemessen werden und eine Veränderung der Phasenverschiebung 14 vorgenommen und die Auswirkungen auf das elektrische Signal ermittelt werden. Anschließend kann, insbesondere iterativ, eine Veränderung der Phasenverschiebung 14 vorgenommen werden und dadurch ein Minimum der Welligkeit des elektrischen Signals eingestellt werden. Die beschriebene Ermittlung bzw. Festlegung der Phasenverschiebung 14 kann unabhängig von der Art, wie diese eingestellt, ermittelt oder berechnet wird, periodisch oder eventbasiert wiederholt werden, beispielsweise in festgelegten zeitlichen Abständen oder bei Auftreten eines Wechsels eines Betriebspunkts wenigstens einer Komponente der elektrischen Anordnung 1, beispielsweise eines Wechsels eines Betriebspunkts der elektrischen Maschinen 3, 4.
5 zeigt eine Betriebssituation, bei der die Modulationssignale 11, 13 außer Phase sind. Ebenso ist es möglich, die Phasenverschiebung der Modulationssignale 11, 13 bei der Festlegung der Phasenverschiebung 14 zwischen den Trägersignalen 10, 12 zu berücksichtigen und die Phasenverschiebung 14 entsprechend festzulegen.
Bezogen auf die elektrische Anordnung 1, die in 1 dargestellt ist, besteht eine weitere Möglichkeit darin, eine Hardwaretopologie der elektrischen Anordnung 1 zu verändern bzw. festzulegen. Hierbei können weitere elektrische oder elektronische Einrichtungen 15, 15` vorgesehen werden, beispielsweise in Form von Induktivitäten und/oder Kapazitäten, d.h. zum Beispiel Spulen oder Kondensatoren. Durch das Einbringen der Einrichtungen 15, 15' bzw. wenigstens einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung 15, 15` kann die Phasenbeziehung zwischen den Trägersignalen 10, 12 eingestellt werden.
6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm der elektrischen Anordnung 1 von 1, 2. Dabei ist schematisch dargestellt, dass in einem Block 20 eine Phasenverschiebung 14 bestimmt wird, beispielsweise berechnet oder eine vordefinierte Phasenverschiebung 14 ausgewählt wird. In einem Block 17 kann, beispielsweise zugeführt von Signalgeneratoren 18, 19, eine aktuelle Phasenverschiebung 14, insbesondere zwischen den Trägersignalen 10, 12 berechnet werden oder bestimmt werden. Anschließend kann in einem Block 20 eine Phasenverschiebung 14 bestimmt werden, die eingestellt werden soll. Diese wird hierbei lediglich beispielhaft dem Signalgenerator 19 zugeführt, der zum Beispiel das zweite Trägersignal 12 einstellt. Alternativ dazu, könnte auch das erste Trägersignal 10 nach dem zweiten Trägersignal 12 gerichtet werden.
Die Signalgeneratoren 18, 19 führen die Trägersignale 10, 12 Schaltsignalgeneratoren 21, 22 zu, die aus den Trägersignalen 10, 12 zusammen mit den Modulationssignalen 11, 13 von Modulationssignalgeneratoren 23, 24 PWM-Steuersignale 8, 9 erzeugen, die den Schaltermodulen 5, 6 zugeführt werden. Die Schaltsignalgeneratoren 21, 22 und die Modulationssignalgeneratoren 23, 24 können somit als Bestandteile der Steuerungseinrichtung 7 aufgefasst werden. Die Steuerungseinrichtung 7 kann derart aufgefasst werden, dass diese zwei Untereinheiten aufweist, die die einzelnen PWM-Steuersignale 8, 9 erzeugen, d.h. eine erste Untereinheit, die den Schaltsignalgenerator 21 und den Modulationssignalgenerator 23 aufweist und eine zweite Untereinheit, die den Schaltsignalgenerator 22 und den Modulationssignalgenerator 24 aufweist.
Basierend auf den PWM-Steuersignalen 8, 9 können die Schaltermodule 5, 6, wie zuvor beschrieben, die elektrischen Maschinen 3, 4 mit elektrischer Energie versorgen. Betriebspunkte der elektrischen Maschine 3, 4 können wiederum als Rückmeldung der Betriebspunkte an den Block 16 zur Bestimmung der Phasenverschiebung 14 geführt werden. Schematisch ist dargestellt, dass der Betrieb der Schaltermodule 5, 6, insbesondere der elektrischen Energieversorgung der elektrischen Maschinen 3, 4 nach Block 25, 26 einen elektrischen Strom von dem elektrischen Energiespeicher 2 abruft, der je nach Phasenbeziehung der PWM-Steuersignale 8, 9 eine Überlagerung des DC-Rippels bewirkt. Die Blöcke 25, 26 können beispielsweise repräsentativ für einen Stromsensor bzw. ein Strommodell verstanden werden.
Durch definierte Einstellung der Phasenverschiebung 14 wird eine destruktive Überlagerung erreicht, sodass grundsätzlich die Welligkeit der Spannung bzw. des Stroms an dem elektrischen Energiespeicher 2 reduziert werden kann.
Bezugszeichen

1: elektrische Anordnung
2: elektrischer Energiespeicher
3: erste elektrische Maschine
4: zweite elektrische Maschine
5: erstes Schaltermodul
6: zweites Schaltermodul
7: Steuerungseinrichtung
8: erstes PWM-Steuersignal
9: zweites PWM-Steuersignal
10: erstes Trägersignal
11: erstes Modulationssignal
12: zweites Trägersignal
13: zweites Modulationssignal
14: Phasenverschiebung
15, 15`: Einrichtung
16, 17: Block
18, 19: Signalgenerator
20: Block
21, 22: Schaltsignalgenerator
23, 24: Modulationssignalgenerator
25, 26: Block
27: Hochvoltleitung
28: DC-Link-Kondensator
29

Claims

Verfahren zur Steuerung des Betriebs einer elektrischen Anordnung (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Steuerungseinrichtung (7), wenigstens zwei Schaltermodule (5, 6) und wenigstens zwei elektrische Maschinen (3, 4), wobei die Steuerungseinrichtung (7) zur Steuerung eines ersten Schaltermoduls (5) mittels eines ersten PWM-Steuersignals (8) und zur Steuerung eines zweiten Schaltermoduls (6) mittels eines zweiten PWM-Steuersignals (9) ausgebildet ist, wobei wenigstens ein erstes Schaltermodul (5) basierend auf dem ersten PWM-Steuersignal (8) zur Ausgabe einer ersten Ausgabegröße zur Steuerung wenigstens einer ersten elektrischen Maschine (3) und wenigstens ein zweites Schaltermodul (6) basierend auf dem zweiten PWM-Steuersignal (9) zur Ausgabe einer zweiten Ausgabegröße zur Steuerung wenigstens einer zweiten elektrischen Maschine (4) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine definierte Phasenverschiebung (14) zwischen wenigstens einem Teil des ersten PWM-Steuersignals (8) und wenigstens einem Teil des zweiten PWM-Steuersignals (9) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste PWM-Steuersignal (8) ein erstes Trägersignal (10) und ein erstes Modulationssignal (11) aufweist und das zweite PWM-Steuersignal (9) ein zweites Trägersignal (12) und ein zweites Modulationssignal (13) aufweist, wobei eine definierte Phasenverschiebung (14) zwischen dem ersten und dem zweiten Trägersignal (10, 12) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenverschiebung (14) des ersten und zweiten Trägersignals (10, 12) in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung (14) zwischen dem ersten und zweiten Modulationssignal (11, 13) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenverschiebung (14) des zweiten Trägersignals (12) als Funktion des ersten Trägersignals (10) bestimmt, insbesondere berechnet, wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenverschiebung (14) des zweiten Trägersignals (12) durch Auswahl einer vordefinierten Tabelle bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenverschiebung (14) des zweiten Trägersignals (12) basierend auf einer Erfassung einer Welligkeit eines elektrischen Signals, insbesondere einer elektrischen Spannung, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf einer, insbesondere vordefinierten, Auswahl der Hardwaretopologie eine Phasenverschiebung (14) zwischen den Trägersignalen (10, 12) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung (14) periodisch oder eventbasiert eingestellt wird.
Elektrische Anordnung (1), umfassend wenigstens zwei elektrische Maschinen (3, 4), wenigstens zwei Schaltermodule (5, 6) und eine Steuerungseinrichtung (7), die dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Anordnung (1) nach dem vorangehenden Anspruch.