DE102023112265A1 - Verfahren und Steuergerät für einen elektrodynamischen Retarder bei einer elektrischen Drehstrommaschine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für einen elektrodynamischen Retarder mittels einer Drehstrommaschine, wobei die Drehstrommaschine aus einer Batterie über einen Umrichter, welcher zwischen einem Gleichstrom und einem Dreiphasenwechselstrom konvertiert, versorgt wird, wobei ein in der Drehstrommaschine fließender Strom gemäß eines Maschinenkennfeldes, welches über eine funktionale Abhängigkeit zwischen einem von der Drehstrommaschine bereitgestellten Drehmoment (120) und einem in eine d-Komponente und eine q-Komponente aufgeteilten in der Drehstrommaschine fließenden Strom gebildet wird, gesteuert wird, wobei für ein jeweiliges von der sich in einem generatorischen Betrieb (104) befindlichen Drehstrommaschine bereitzustellendes Drehmoment (121), welches für eine jeweilige Bremswirkung vorgegeben wird, ein maximal in der Drehstrommaschine fließender Strom (110) angesteuert wird, indem gemäß dem Maschinenkennfeld (100) zu dem jeweilig vorgegebenen Drehmoment (121) die jeweilige d-Komponente und jeweilige q-Komponente des maximalen Stromes (111) ermittelt werden und die Phasenzusammensetzung des Stroms (111) entsprechend modifiziert wird. Ferner wird ein Steuergerät für einen elektrodynamischen Retarder bei einer elektrischen Drehstrommaschine und ein Traktionssystem beansprucht.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für einen elektrodynamischen Retarder bei einer elektrischen Drehstrommaschine. Ferner wird ein Steuergerät für einen elektrodynamischen Retarder bei einer elektrischen Drehstrommaschine beansprucht.
- Bei einer Verzögerung eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine bzw. einer Drehstrommaschine als Traktionsmaschine wird eine erforderliche Bremsleistung teilweise oder vollständig durch Rekuperation in eine Traktionsbatterie, bspw. eine Hochvolt-(HV)-Batterie, zurückgespeist. Die elektrische Maschine wird dabei generatorisch betrieben. Durch einen Wirkungsgrad von zwischen Rad und HV-Batterie liegenden Komponenten dissipiert ein Teil einer zu rekuperierenden Leistung entlang eines Energieflusses zur Batterie. Die abzuführende Bremsleistung, für die eine Bremswirkung durch Rekuperieren nicht ausreicht, oder die energetisch von der Batterie nicht aufgenommen werden kann, muss durch eine mechanische Bremse, in der Regel eine Scheibenbremse, abgeführt werden. Ist die Traktionsbatterie nahezu vollständig geladen, bspw. bei Ladezuständen größer als 90%, ist das Rekuperieren der aufzubringenden Bremsleistung nur noch beschränkt möglich bzw. bei voller Batterie gar nicht mehr möglich. Die gesamte Bremsleistung muss dann von der mechanischen Bremse aufgenommen werden. Eine Dimensionierung der mechanischen Bremse muss auf solch einen Lastfall ausgelegt sein.
- Die Druckschrift
DE 10 2005 058 829 A1 offenbart ein Verfahren zur Rekuperation von Energie in einem Hybridfahrzeug, wobei in einem Rekuperationsbetrieb ein Teil der Energie zum Aufladen einer Batterie verwendet wird und der restliche Teil durch Erzeugung von Verlustwärme abgeführt wird. - Auch aus der Druckschrift
DE 10 2012 210 916 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem in einem Rekuperationsbetrieb einer elektrischen Maschine ein Teil der Energie zum Aufladen einer Batterie und der restliche Teil durch Erzeugung von Verlustwärme abgeführt wird. Die Erzeugung von Verlustwärme wird durch die Verringerung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bewirkt. - Die Druckschrift
DE 10 2021 202 989 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrzeugs, wobei beim Vorliegen einer überschüssigen Energie in einem Rekuperationsbetrieb der Betriebspunkt der elektrischen Maschine in Richtung eines reduzierten Wirkungsgrades verschoben wird. Hierzu wird eine Ansteuerung einer Leistungselektronik dergestalt modifiziert, dass bei einer Asynchronmaschine ein magnetischer Fluss reduziert und ein Statorfeld erhöht wird. Eine dabei anfallende Wärme wird über eine Kühlung der elektrischen Maschine abgeführt. - Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für einen elektrodynamischen Retarder bei einer elektrischen Drehstrommaschine zur Verfügung zu stellen, welches ein reibungsfreies Abführen einer Bremsleistung erlaubt. Eine Reduzierung des Wirkungsgrades soll weitestgehend ermöglicht werden. Ferner soll ein Steuergerät bereitgestellt werden, welches das Verfahren umsetzt.
- Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren für einen elektrodynamischen Retarder mittels einer Drehstrommaschine vorgeschlagen, wobei die Drehstrommaschine aus einer Batterie über einen Umrichter, welcher zwischen einem Gleichstrom und einem Dreiphasenwechselstrom konvertiert, versorgt wird. Ein in der Drehstrommaschine fließender Strom wird gemäß eines Maschinenkennfeldes, welches über eine funktionale Abhängigkeit zwischen einem von der Drehstrommaschine bereitgestellten Drehmoment und einem in eine d-Komponente und eine q-Komponente aufgeteilten in der Drehstrommaschine fließenden Strom gebildet wird, gesteuert. Für ein jeweiliges von der sich in einem generatorischen Betrieb befindlichen Drehstrommaschine bereitzustellendes Drehmoment, welches für eine jeweilige Bremswirkung vorgegeben wird, wird ein maximal in der Drehstrommaschine fließender Strom, welcher durch Vorgabe maximal zulässiger Bauteiltemperaturen begrenzt ist, angesteuert, indem gemäß dem Maschinenkennfeld zu dem jeweilig vorgegebenen Drehmoment die jeweilige d-Komponente und jeweilige q-Komponente des maximalen Stromes unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Spannungsgrenze ermittelt werden und die Phasenzusammensetzung des Stroms entsprechend modifiziert wird.
- Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei einem Betrieb der elektrischen Maschine bzw. der Drehstrommaschine im generatorischen Betrieb versucht wird, aus induzierten Strömen während eines Rekuperierens ein größtmögliches Bremsmoment zu erzeugen (im Englischen auch als „Maximum Torque per Ampere“ bzw. MTPA bezeichnet). Alle im Folgenden in einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine stattfindenden Betrachtungen lassen sich analog auf den generatorischen Betrieb übertragen: So ist ein grundsätzliches Ziel einer sogenannten MTPA-Regelstrategie der elektrischen Maschine eine Bereitstellung des geforderten Moments durch einen kleinstmöglichen in die elektrische Maschine einzuprägenden Strombetrag. Die MTPA-Regelstrategie steigert einen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine, da in einer Motorwicklung (mit Phasenwiderstand RDC) auftretende Stromwärmeverluste Pv,DC quadratisch mit einem Strombetrag, insbesondere einem Phasenstrombetrag I, steigen, was für dreiphasige Maschinen vereinfacht durch folgende Gleichung beschrieben wird:
- Damit hängen die Stromwärmeverluste Pv,DC unter anderem von einem einzuprägenden Strombetrag 1 ab. Dies bedeutet auch, dass bei einer vektoriellen Aufspaltung in eine d-Komponente und eine q-Komponente des Stromes es nicht darauf ankommt, aus welchen jeweiligen d- und q-Komponenten der Strom sich zusammensetzt. Stromwärmeverluste stellen bei einer Drehstrommaschine, bspw. durch eine permanenterregte Synchronmaschine gebildet, im Allgemeinen eine größte Verlustkomponente dar und haben somit einen signifikanten Einfluss auf den Wirkungsgrad der Drehstrommaschine.
- Bei einer Darstellung des Maschinenkennfeldes in einer dq-Stromebene (s.
1 ) stellt ein maximal in die Maschine einprägbarer (Phasen-)Strom1 ). In der MTPA-Regelstrategie wird dann derjenige Punkt entlang einer solchen für ein bestimmtes konstantes Drehmoment gewählten Drehmoment-Hyperbel gesucht, welcher mit einer kleinstmöglichen Zeigerlänge, welche einem jeweiligen Strombetrag entspricht, erreicht werden kann. Dieser Punkt ergibt sich durch eine Lotfußgerade zwischen dem Ursprung und der Drehmoment-Hyperbel, woraus die d-Komponente und q-Komponente desjenigen Stromes bestimmt ist, welcher mit kleinstmöglichem Strombetrag das gewählte Drehmoment stellt. - Das erfindungsgemäße Verfahren kehrt die voranstehend beschriebene MTPA-Regelstrategie um, indem erfindungsgemäß gefordert wird, dass nicht ein kleinstmöglicher, sondern unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Spannungsgrenze ein größtmöglicher bzw. maximaler Strombetrag für ein jeweilig gefordertes Drehmoment angesteuert wird.
- In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die jeweilige d-Komponente und jeweilige q-Komponente des maximalen Stromes durch einen jeweiligen Schnittpunkt einer Drehmomenthyperbel mit einem Maximalstromkreis in einer dq-Stromebene gebildet.
- Dementsprechend werden durch das erfindungsgemäße Verfahren die Stromwärmeverluste maximiert und damit einhergehend der Wirkungsgrad der Maschine verringert. Eine Bremsenergie - oder zumindest ein Teil davon - wird dadurch vorteilhaft in Stromwärmeverluste umgewandelt und entlastet somit in einem Fahrzeug bspw. eine mechanische Bremse. Durch diese zusätzlich verfügbare Dauerbremse, bei der eine maximal mögliche Betriebsdauer des erfindungsgemäßen Verfahrens durch einen abführbaren Wärmestrom eines Kühlsystems bestimmt ist, kann damit auch weiter vorteilhaft eine Bauform der mechanischen Bremse kleiner ausfallen und damit Kosten und Bauraum eingespart werden. Das Einprägen der modifizierten Stromkomponenten beeinflusst zudem Eisen- und Magnetverluste der Maschine, welche ggf. als weitere Verlustquellen genutzt werden können.
- In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Wärmenergie, welche in der Drehstrommaschine durch Stromwärmeverluste des maximalen Stroms generiert wird, durch eine Motorkühlung abgeführt.
- Weiterhin kann die Motorkühlung in einen Kühlkreislauf der Batterie bzw. HV-Batterie eingebunden werden. Mit dieser Maßnahme kann eine Verlustleistung der elektrischen Maschine vorteilhaft genutzt werden, um die HV-Batterie bei hohem Ladezustand, und damit typischerweise zu Fahrtbeginn, auf deren Vorzugstemperaturbereich zu konditionieren, wodurch eine Leistungsfähigkeit der HV-Batterie gesteigert wird.
- In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die vorgegebene Spannungsgrenze gemäß einem Aussteuergrad bestimmt, wobei der Aussteuergrad unmittelbar eine Wechselspannungsamplitudenhöhe eines Phasenstromes, ausgegeben von einem zwischen HV-Batterie und Drehstrommaschine angeordneten Wechselrichters, beeinflusst. Damit wird der Aussteuergrad genutzt, um die Spannungsgrenze und somit den maximal fließenden Strom in der Maschine gezielt einzuschränken. Dadurch wird es möglich, jeden beliebigen Stromvektor entlang einer Konturlinie gleichen Moments einzuprägen, der zwischen der Lotfußgeraden und dem Schnittpunkt mit dem Kreis maximalen Stroms liegt. Folglich wird der Wirkungsgrad der Maschine, in Abhängigkeit eines Anteils einer rekuperierbaren Bremsleistung, regelbar.
- Ferner wird ein Steuergerät für eine über einen Umrichter aus einer Batterie versorgte Drehstrommaschine beansprucht. Das Steuergerät ist dazu ausgestaltet, einen in der Drehstrommaschine fließenden Strom gemäß eines Maschinenkennfeldes, welches über eine funktionale Abhängigkeit zwischen einem von der Drehstrommaschine bereitgestellten Drehmoment und einem in eine d-Komponente und eine q-Komponente aufgeteilten in der Drehstrommaschine fließenden Strom gebildet wird, zu steuern, und dabei eine Funktion als ein elektrodynamischer Retarder auszuführen, indem
- • für ein jeweiliges von der sich in einem generatorischen Betrieb befindlichen Drehstrommaschine bereitzustellendes Drehmoment, welches für eine jeweilige Bremswirkung vorgegeben wird, ein maximal in der Drehstrommaschine fließender Strom, welcher durch Vorgabe maximal zulässiger Bauteiltemperaturen begrenzt ist, angesteuert wird,
- • gemäß dem Maschinenkennfeld zu dem jeweilig vorgegebenen Drehmoment die jeweilige d-Komponente und jeweilige q-Komponente des maximalen Stromes unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Spannungsgrenze ermittelt werden, und
- • die Phasenzusammensetzung des Stroms entsprechend modifiziert wird.
- In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Steuergerätes ist dieses dazu konfiguriert, die jeweilige d-Komponente und q-Komponente des maximal einprägbaren Stromes durch einen jeweiligen Schnittpunkt einer Drehmomenthyperbel mit einem Maximalstromkreis in einer dq-Stromebene zu bilden.
- In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Steuergerätes ist dieses dazu konfiguriert, die vorgegebene Spannungsgrenze gemäß einem Aussteuergrad zu bestimmen.
- Ferner wird ein Traktionssystem mit einem elektrodynamischen Retarder beansprucht, wobei das Traktionssystem eine Drehstrommaschine, eine Batterie, einen Umrichter und, zur Bildung eines elektrodynamischen Retarders, ein erfindungsgemäßes Steuergerät, auf dem ein erfindungsgemäßes Verfahren ausgeführt wird, aufweist.
- In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems umfasst das Traktionssystem eine Motorkühlung, wobei Wärmenergie, welche in der Drehstrommaschine durch Stromwärmeverluste des maximalen Stroms generiert wird, durch die Motorkühlung abgeführt wird. Weiterhin kann die Motorkühlung in einen Kühlkreislauf der Batterie bzw. HV-Batterie eingebunden werden.
- In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Traktionssystems nimmt die Batterie aufgrund eines hohen Ladezustands eine durch den im generatorischen Betrieb laufende Drehmaschine erzeugte Bremsleistung zumindest nicht im vollen Umfang auf. Ein Wirkungsgrad der Drehmaschine ist durch Ansteuerung mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens herabgesetzt und die Drehmaschine wandelt mindestens einen Teil der Bremsleistung in Stromwärmeverluste um.
- Das erfindungsgemäße Traktionssystem kann durch einen gezielten Betrieb der Drehstrommaschine bzw. des Traktionsmotors mit vorübergehend schlechtem Wirkungsgrad mechanische Energie in Wärme in den Windungen des Traktionsmotors umwandeln. Dieser Betrieb ermöglicht vorteilhaft eine Entlastung der mechanischen Bremse, und hat somit eine gewisse Ähnlichkeit mit einem aus Lastkraftwagen bekannten Retarder.
- Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
- Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
1 zeigt schematisch ein Maschinenkennfeld in einer d-q-Stromebene mit Drehmoment-Konturlinien einer Drehstrommaschine für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. - In
1 wird schematisch ein Maschinenkennfeld in einer dq-Stromebene 100 mit Drehmoment-Hyperbeln 120 einer Drehstrommaschine für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, wobei eine d-Komponente id 101 als x-Achse und eine q-Komponente iq 102 als y-Achse gewählt ist. Ein Pfeil 122 zeigt in Richtung von Drehmoment-Hyperbeln mit anwachsendem Drehmoment M. Ein positiver Wertebereich für die q-Komponente iq 102 des in der Drehstrommaschine fließenden Stromes - Bezugszeichenliste
-
- 100
- Maschinenkennfeld in dq-Stromebene
- 101
- d-Komponente Strom Id
- 102
- q-Komponente Strom Iq
- 103
- Motorischer Betrieb
- 104
- Generatorischer Betrieb
- 110
- Kreis mit maximalem Strombetrag Imax
- 111
- maximaler Strombetrag Iiso,max für vorgegebenes Drehmoment
- 112
- Lotfußgerade, minimaler Strombetrag Iiso,min für vorgegebenes Drehmoment
- 113
- Lot
- 114
- Lotfußkurve
- 120
- Drehmoment-Hyperbel
- 121
- Vorgegebenes Drehmoment
- 122
- Hyperbeln für anwachsendes Drehmoment
- 130
- Ellipsen für vorgegebene Spannungsgrenzen
- 131
- Richtung kleinerer Spannungsgrenzen
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102005058829 A1 [0003]
- DE 102012210916 A1 [0004]
- DE 102021202989 A1 [0005]
Claims (10)
- Verfahren für einen elektrodynamischen Retarder mittels einer Drehstrommaschine, wobei die Drehstrommaschine aus einer Batterie über einen Umrichter, welcher zwischen einem Gleichstrom und einem Dreiphasenwechselstrom konvertiert, versorgt wird, wobei ein in der Drehstrommaschine fließender Strom gemäß eines Maschinenkennfeldes, welches über eine funktionale Abhängigkeit zwischen einem von der Drehstrommaschine bereitgestellten Drehmoment (120) und einem in eine d-Komponente und eine q-Komponente aufgeteilten in der Drehstrommaschine fließenden Strom gebildet wird, gesteuert wird, wobei für ein jeweiliges von der sich in einem generatorischen Betrieb (104) befindlichen Drehstrommaschine bereitzustellendes Drehmoment (121), welches für eine jeweilige Bremswirkung vorgegeben wird, ein maximal in der Drehstrommaschine fließender Strom (110), welcher durch Vorgabe maximal zulässiger Bauteiltemperaturen begrenzt ist, angesteuert wird, indem gemäß dem Maschinenkennfeld (100) zu dem jeweilig vorgegebenen Drehmoment (121) die jeweilige d-Komponente und jeweilige q-Komponente des maximalen Stromes (111) unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Spannungsgrenze ermittelt werden und die Phasenzusammensetzung des Stroms (111) entsprechend modifiziert wird.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei die jeweilige d-Komponente und jeweilige q-Komponente des maximalen Stromes (111) durch einen jeweiligen Schnittpunkt einer Drehmomenthyperbel (120) mit einem Maximalstromkreis (110) in einer dq-Stromebene gebildet werden. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei Wärmenergie, welche in der Drehstrommaschine durch Stromwärmeverluste des maximalen Stroms (111) generiert wird, durch eine Motorkühlung abgeführt wird.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die vorgegebene Spannungsgrenze gemäß einem Aussteuergrad bestimmt wird.
- Steuergerät für eine über einen Umrichter aus einer Batterie versorgte Drehstrommaschine, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist, einen in der Drehstrommaschine fließenden Strom gemäß eines Maschinenkennfeldes, welches über eine funktionale Abhängigkeit zwischen einem von der Drehstrommaschine bereitgestellten Drehmoment (120) und einem in eine d-Komponente und eine q-Komponente aufgeteilten in der Drehstrommaschine fließenden Strom gebildet wird, zu steuern, und dabei eine Funktion als ein elektrodynamischer Retarder auszuführen, indem für ein jeweiliges von der sich in einem generatorischen Betrieb (104) befindlichen Drehstrommaschine bereitzustellendes Drehmoment (121), welches für eine jeweilige Bremswirkung vorgegeben wird, ein maximal in der Drehstrommaschine fließender Strom (110), welcher durch Vorgabe maximal zulässiger Bauteiltemperaturen begrenzt ist, angesteuert wird, indem gemäß dem Maschinenkennfeld (100) zu dem jeweilig vorgegebenen Drehmoment (121) die jeweilige d-Komponente und jeweilige q-Komponente des maximalen Stromes (111) unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Spannungsgrenze ermittelt werden und die Phasenzusammensetzung des Stroms (111) entsprechend modifiziert wird.
- Steuergerät nach
Anspruch 5 , welches dazu konfiguriert ist, die jeweilige d-Komponente und jeweilige q-Komponente des maximal einprägbaren Stromes (111) durch einen jeweiligen Schnittpunkt einer Drehmomenthyperbel (120) mit einem Maximalstromkreis (110) in einer dq-Stromebene zu bilden. - Steuergerät nach einem der
Ansprüche 5 oder6 , wobei das Steuergerät dazu konfiguriert ist, den die vorgegebene Spannungsgrenze gemäß einem Aussteuergrad zu bestimmen. - Traktionssystem mit einem elektrodynamischen Retarder, wobei das Traktionssystem eine Drehstrommaschine, eine Batterie, einen Umrichter und zur Bildung eines elektrodynamischen Retarders ein Steuergerät nach einem der
Ansprüche 5 bis7 , auf dem ein Verfahren nach einem derAnsprüche 1 bis4 ausgeführt wird, aufweist. - Traktionssystem nach
Anspruch 8 , wobei das Traktionssystem eine Motorkühlung umfasst, wobei Wärmenergie, welche in der Drehstrommaschine durch Stromwärmeverluste des maximalen Stroms (111) generiert wird, durch die Motorkühlung abgeführt wird. - Traktionssystem nach einem der
Ansprüche 8 oder9 , wobei die Batterie aufgrund eines hohen Ladezustands eine durch die im generatorischen Betrieb (104) laufende Drehmaschine erzeugte Bremsleistung zumindest nicht im vollen Umfang aufnimmt, wobei ein Wirkungsgrad der Drehmaschine durch Ansteuerung mittels eines Verfahrens nach einem derAnsprüche 1 bis4 herabgesetzt ist, und wobei die Drehmaschine mindestens einen Teil der Bremsleistung in Stromwärmeverluste wandelt.
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Citations (7)
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- 2023-05-10 DE DE102023112265.7A patent/DE102023112265A1/de active Pending
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