DE102004057100A1

DE102004057100A1 - Antriebsvorrichtung und Regelungsverfahren für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102004057100A1
Application number: DE102004057100A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Hoffmann; Volker Weber; Andreas Dr. Lange
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2006-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit wenigstens einem elektrischen Fahrantrieb, umfassend DOLLAR A - einen Gleichspannungszwischenkreis; DOLLAR A - wenigstens eine Energiequelle, die zumindest zeitweise Leistung in den Gleichspannungszwischenkreis einspeist; DOLLAR A - wenigstens einen Verbraucher, der wenigstens zeitweise den Gleichspannungszwischenkreis Leistung entnimmt; DOLLAR A - eine Fahrzeugsteuerung, die wenigstens einer Energiequelle und/oder wenigstens einem Verbraucher Vorsteuerungssignale zur Sollvorgabe der Leistungsentnahme der Leistungszuführung in oder aus dem Gleichspannungszwischenkreis zuführt; DOLLAR A - wenigstens eine Energiequelle und/oder wenigstens einen Verbraucher, umfasst einen Regler zur Spannungsstabilisierung im Gleichspannungszwischenkreis, der unabhängig von der Fahrzeugsteuerung arbeitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung und ein Regelungsverfahren für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit mindestens einem Elektromotor zum Antrieb wenigstens eines Rads und insbesondere ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit mehreren Energiequellen, Energiespeichern und Verbrauchern.

Elektromotorische Antriebe für Fahrzeuge erzeugen zumindest teilweise den für die Fahrmotoren notwendigen Strom durch Energiequellen im Fahrzeug selbst. Dies kann beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine oder eine Gasturbine sein, welche mit einer im Traktionsbetrieb als Generator betreibbaren Maschine verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich können Brennstoffzellen als Energiequellen eingesetzt werden. Derartige Hybridantriebe sind in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt, wobei beispielsweise auf die Voith-Druckschrift G1407 verwiesen wird.

Aus dieser Druckschrift geht eine Antriebsvorrichtung mit wenigstens mittelbar durch einen Elektromotor angetriebenen Antriebsrädern hervor, bei der diese Antriebe als Radmotoren ausgeführt sind. Diese werden jeweils mit einem Frequenzumrichter mit elektrischer Energie versorgt, der sich aus einem Gleichspannungszwischenkreis speist. Als Energiequelle zur Leistungseinspeisung in den Gleichspannungszwischenkreis dient eine Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise ein Dieselmotor, der wenigstens mittelbar mit einer elektrischen Maschine mechanisch gekoppelt wird, wobei die elektrische Maschine wenigstens im Fahrbetrieb, d.h. bei einer Leistungsübertragungsrichtung von der Verbrennungskraftmaschine zu den antreibenden Rädern, als Generator betrieben wird. Diese elektrische Maschine wird im Folgenden als Generator bezeichnet, sie kann jedoch im Bremsbetrieb zusätzlich motorisch betreibbar sein. Zur Energieeinspeisung vom Generator in den Gleichspannungszwischenkreis werden wiederum Frequenzumrichter verwendet, wobei es möglich ist, diese Wechselrichter mit jenen der elektrischen Antriebe zu einer Baugruppe zusammenzufassen.

Nach dem Stand der Technik wird, wie beispielsweise durch die Voith-Druckschrift G 1407 offenbart, die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis durch ein einziges Gerät zur Spannungseinstellung bestimmt. Typischerweise wird dies mit Hilfe des Generators bewirkt, wobei während des Fahrbetriebs dem Generator ein bestimmtes Generatormoment vorgegeben wird. Zusätzlich kann für transiente Überlastungsvorgänge ein Bremswiderstand zugeschaltet werden, der im Notfall, d.h. beim Eintritt einer bestimmten Überspannung im Gleichspannungszwischenkreis, ein weiteres Ansteigen der Spannung verhindert. Ein solcher Bremswiderstand kann als flüssigkeitsgekühlter Widerstand ausgeführt sein, der die darin entstehende Abwärme wenigstens indirekt dem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors zuführen kann.

Wird lediglich ein Gerät zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises verwendet, so ist es zwingend notwendig dieses bezüglich seiner Bemessung so auszulegen, dass eine effektive Regelungsfunktion erfüllt werden kann. Dies führt zur einer Gerätedimensionierung, welche aus Sicherheitsgründen hinreichend groß bemessen sein muss und somit zusätzliche Kosten verursacht.

Wird die Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises entsprechend dem Stand der Technik mittels einer Steuerung bzw. einer Regelung des Generators vorgenommen, so tritt dann ein Problem auf, wenn dem Gleichspannungszwischenkreis zusätzliche Energielieferanten, beispielsweise eine Batterie oder eine Brennstoffzelle, zugeschaltet werden. Diese müssten dann entsprechend Berücksichtigung für die Steuerung des für die Spannungsregelung vorgesehenen Gerätes finden.

Wird zur Steuerung des für die Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises verwendeten Gerätes die Fahrzeugsteuerung eingesetzt, so ist für den Fall, dass die Fahrzeugsteuerung mit dem entsprechenden Gerät über eine Kommunikationsverbindung, etwa einem Fahrzeugbus, kommuniziert, die Problematik zusätzlicher Laufzeiten für die Steuerungsanweisungen von der Fahrzeugsteuerung an das entsprechende Gerät zu beachten. Bei einer solchen Konstellation kann nicht in allen Fällen eine sichere Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises gewährleistet werden.

Ferner ist aus der DE 101 27 000 A1 ein Verfahren zur Regelung der Leistungsflüsse in einem Fahrzeug mit einem elektromotorischen Antrieb bekannt. Gemäß dieser Ausgestaltung ist eine Energiequelle, zum Beispiel eine Brennstoffzelle, direkt, ohne Pufferung durch eine Batterie mit dem elektrischen Antrieb des Fahrzeugs verbunden. Hierbei werden die Verbraucher sowie die Energiequellen mittels hinterlegter Kennlinien gesteuert, wobei auch eventuelle Nebenverbraucher berücksichtigt werden. Die Kennlinien entsprechen optimalen Sollkennlinien, wobei im Realbetrieb eine Abweichung von den Optimalpunkten auftreten kann. Wird eine mögliche Abweichung aus dem vorgegebenen Arbeitspunkt für den Energieversorger beobachtet und durch eine Anpassung des Sollwertes der elektrischen Antriebe auf seinen Optimalpunkt zurückgeführt. Durch einen nachfolgenden Verfahrensschritt werden wiederum die Steuerungsvorgaben für die Energiequelle so verändert, dass der elektrische Antrieb wiederum jenen Arbeitspunkt erreicht, der dem Fahrerwunsch bezüglich Drehzahl und Drehmoment entspricht.

Nachteilig an einer solchen Vorgehensweise ist die begrenzte Geschwindigkeit mit der auf einen Wechsel im Fahrerwunsch reagiert werden kann. Ferner ist dieses Verfahren in seiner Durchführung komplex. Dies betrifft insbesondere Antriebsvorrichtungen mit einer Mehrzahl von elektrischen Antrieben, insbesondere solchen, die räumlich voneinander getrennt sind. Außerdem erlaubt dieses Verfahren nur in einem begrenzten Umfang zwischen unterschiedlichen Energiequellen, etwa einem mittels einer Verbrennungskraftmaschine getriebenen Generators und einer Brennstoffzelle oder dem Netzbetrieb, zu wechseln. Zur Umgehung dieser Problematik können zwar Energiespeicher, wie eine Batterie oder Schwungrad, eingesetzt werden, wobei diesbezüglich auf die DE 101 45 514 A1 verwiesen wird, nachteilig ist jedoch das zusätzliche Gewicht sowie die Notwendigkeit für einen solchen Energiespeicher Bauraum zu schaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebsvorrichtung mit einem Gleichspannungszwischenkreis anzugeben, welches es ermöglicht, die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis stabil zu halten und zugleich ein Energiemanagement aller am Gleichspannungszwischenkreis wenigstes mittelbar angeschlossenen Energieerzeuger und Energieverbraucher zu realisieren. Hierbei sollte eine Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises auch für Antriebsvorrichtungen mit räumlich verteilten elektrischen Antrieben angegeben werden und es sollte ferner möglich sein, zwischen unterschiedlichen Energiequellen zur Speisung des Gleichspannungszwischenkreises zu wechseln. Weiterhin soll zur Realisierung des Betriebsverfahrens für die Antriebsvorrichtung mit einem Gleichspannungszwischenkreis eine entsprechende Vorrichtung angegeben werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.

Zur Lösung der Aufgabe haben die Erfinder erkannt, dass die Steuerung der Leistungsflüsse von den Energiequellen, Energiespeichern und den elektrischen Fahrantrieben vom Problem der Gleichspannungszwischenkreisstabilisierung zu trennen ist.

Das Streckenverhalten des Gleichspannungszwischenkreises und der daran angeschlossenen Energiequellen und Energieverbraucher ist integrierend, d. h. die Spannung als Ausgangsgröße ist eine zeitliche Integration der Sollwertabweichungen. Im vorliegenden Fall liegen dann Abweichungen vom Sollwert vor, wenn die vom Gleichspannungszwischenkreis abfließenden und die zufließenden Leistungsflüsse nicht ausgeglichen sind. Besteht demnach ein Ungleichgewicht in der Stromflussbilanz für den Gleichspannungszwischenkreis, so wird sich der Ladungszustand der im Gleichspannungszwischenkreis verwendeten Zwischenkreiskondensatoren verändern und entsprechend wird die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis vom Sollwert abweichen, wobei das besagte integrierende Systemverhalten vorliegt. Hierbei ist zu beachten, dass die Zwischenkreiskondensatoren bezüglich ihrer Kapazität typischerweise so ausgelegt sind, dass bei Stromflüssen ohne eine geregelte Einstellung der Stromflussbilanz zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises deren maximaler Ladungszustand bereits nach wenigen Millisekunden erreicht wird und somit die Spannungsstabilisierung besonders schnell erfolgen muss.

Aufgrund des integrierenden Streckenverhaltens wird erfindungsgemäß eine autonom arbeitende Regelung zur Spannungsstabilisierung des Zwischenkreises verwendet. Die weiteren Anforderungen bei Betrieb der Antriebsvorrichtung bezüglich des Energiemanagements und einer adäquaten Umsetzung des Fahrerwunsches sind erfindungsgemäß von dieser Spannungsregelung für den Gleichspannungszwischenkreis entkoppelt und bevorzugt der Fahrzeugssteuerung zugeordnet. Diese Aufgaben können mittels einer Vorsteuerung für die Leistungsaufteilung realisiert werden, wobei den einzelnen Energiequellen und den Energieverbrauchern am Gleichspannungszwischenkreis ein Richtwert vorgegeben wird. Die tatsächlichen Istwerte der Leistungsabgabe bzw. Leistungsaufnahme der am Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Komponenten wird jedoch von den Steuerungsvorgaben abweichen, wenn ein Regelungseingriff des unterlagerten Reglers zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises dies notwendig macht.

Die von der Fahrzeugsteuerung entkoppelte Regelung zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises wird dadurch realisiert, dass wenigstens eine elektrisch mit dem Zwischenkreis verbundene elektrische Komponente, dies kann ein elektrischer Fahrmotor oder eine Energiequelle sein, einen eigenen Regler zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises umfasst. Bei einer zu hohen Spannung im Gleichspannungszwischenkreis entnimmt dieser Regler durch die Anpassung eines Stellwerts für das entsprechende Leistungsteil dieser elektrischen Komponente dem Gleichspannungszwischenkreis Leistung. Umgekehrt wird dem Gleichspannungszwischenkreis Leistung bei Unterspannung zugeführt. Bevorzugt umfassen mehrere elektrisch mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelte elektrische Komponenten einen Regler zur Spannungsstabilisierung. Diese parallel arbeitenden Regler sind dann so ausgebildet, dass höchstens einer dieser Regler ein Integralglied aufweist. Bevorzugt umfassen alle Regler ein Proportionalglied.

Neben der Spannungsstabilisierung durch einen oder mehrere parallel arbeitende, von der Vorsteuerung der Leistungsaufteilung getrennte Regler wird die Leistungsaufteilung auf die einzelnen elektrischen Komponenten gesteuert, wobei dies bevorzugt durch eine zentrale Steuerungseinheit des Fahrzeugs realisiert wird, die wiederum mit den einzelnen elektrischen Komponenten über entsprechende Schnittstellen bzw. über Bussysteme kommuniziert. Die Steuerungssignale für die einzelnen elektrischen Komponenten stellen somit Sollleistungen dar, welche insbesondere den Vorgaben durch den Fahrer entsprechen. Die Steuerungssignale für die Sollleistungen werden jedoch erfindungsgemäß nicht für die Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises benötigt, so dass Zeitverzögerungen auf den Übertragungswegen unerheblich werden.

Für jene elektrische Komponenten, die einen Regler zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises umfassen, werden die durch die Steuerung vorgegebenen Sollleistungen als Vorsteuerwerte den Reglerausgängen überlagert. Dem Leistungsteil einer solchen elektrischen Komponente wird demnach ein Ansteuerungssignal zugeführt, das aus einer Addition der Vorsteuerwerte und der Regelungsausgangsgröße des Reglers zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises besteht.

In einer Ausgestaltung der Erfindung können die den elektrischen Komponenten zugeführten Stellsignale, bestehend aus Vorsteuerungssignalen oder kombinierten Signalen aus Vorsteuerungssignal und Regelungsausgangsgröße gefiltert werden, um eine der jeweiligen elektrischen Komponente angepasste Stellgrößenbegrenzung zu bewirken. Hierdurch wird erreicht, dass die maximale Energieliefer- bzw. Energieaufnahmefähigkeit der mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen elektrischen Komponenten beachtet wird. Diese Begrenzungen können im Zeitverlauf schwanken und von einem Betriebszustand abhängig sein, so kann beispielsweise die Leistungsfähigkeit einer Batterie vom Ladezustand abhängen. Ferner dürfen die Fahrmotoren nicht stärken treiben als durch den Fahrerwunsch vorgegeben, so dass diese Obergrenze in Abhängigkeit des Fahrerwunsches variabel ist.

In einer vorteilhaften Weitergestaltung der Erfindung werden mehrere Regler zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises verwendet und diese Regler unterschiedlich gewichtet bzw. in eine Regelungshierarchie eingeteilt. Dies kann dadurch realisiert werden, dass wenigstens ausgewählten Reglern ein nichtlineares Eingangsfilter zugeordnet ist. Dies kann so ausgestaltet sein, dass der Regler unterhalb einer bestimmten Regelabweichung unempfindlich ist, der Regler hat demnach eine bestimmte tote Zone. Diese tote Zone muss nicht symmetrisch ausgebildet sein, d.h. die obere und untere Grenze, ab der der Regler anspricht, kann an die Eigenschaften der entsprechenden elektrischen Komponente angepasst sein. Die Kriterien für eine solche Anpassung können sich beispielsweise an der Regelungsgeschwindigkeit bzw. der Regelungseffizienz orientieren. Bestimmte elektrische Komponenten können demnach wirkungsvoller bzw. schneller zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises eingesetzt werden. Weitere Kriterien für die Reglerauswahl können sich aus den Eigenschaften der elektrischen Komponenten bezüglich des Verschleißes und den daraus resultierenden Kosten oder Variationen in der Schadstoffemission ergeben. Weiterhin können auch Komfortkriterien eingeführt werden, so dass ein Fahrer die Regelungseingriffe zur Spannungsstabilisierung möglichst nicht wahrnimmt bzw. der Fahrerwunsch möglichst unmittelbar in ein entsprechendes Drehmoment bzw. eine entsprechende Drehzahl der elektrischen Antriebe umgesetzt wird.

Demnach können in einer vorteilhaften Ausgestaltung mehrere Regler parallel in einer hierarchischen Regelungsstruktur verwendet werden. Diese Regelungsstruktur ist von der zeitunkritischen Steuerung der Leistungsaufteilung im Sinne einer unterlagerten Regelung entkoppelt. Für jede einzelne elektrische Komponente am Gleichspannungszwischenkreis können entsprechende Anpassungen vorgenommen werden. Dies betrifft zum einen den Spannungsregler, sollte diese Komponente zur Spannungsstabilisierung verwendet werden. Hierbei können insbesondere die Regelungsparameter eingestellt werden sowie die Abtastzeit des Spannungs-Ist-Zustands im Gleichspannungszwischenkreis. Zusätzlich kann das nichtlineare Filter und bevorzugt der Totbereich, in dem der Regler nicht anspricht, festgelegt werden und somit der entsprechende Einzelregler in die Gesamtregelungshierarchie eingestuft werden. Weiterhin ist es möglich, für jede elektrische Komponente eine angepasste Begrenzung der Stellsignale zu ermöglichen und die Zeitintervalle für die Zuführung der entsprechenden Vorsteuerungssignale durch die Fahrzeugsteuerung vorzugeben, wobei diese Intervalle nicht zeitlich konstant sein müssen.

Entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer zur Durchführung dieses Verfahrens verwendeten Vorrichtung stabilisieren die parallelen Regler, die jeweils einer wenigstens mittelbar mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen elektrischen Komponente zugeordnet sind, die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis und damit die Leistungsflussbilanz. Da alle diese Regler direkt auf diese Regelgröße zugreifen und die weiteren Steuersignale der Fahrzeugsteuerung den Regelausgangsignalen lediglich überlagert sind, werden Schwingungen vermieden, die sich ansonsten durch Zeitverzögerungen und ein unterschiedliches Ansprechverhalten der jeweiligen elektrischen Komponenten ergeben würde. Darüber hinaus ist es so möglich, das Problem des Energiemanagements, d.h. die Aufteilung des Energiebedarfs auf die unterschiedlichen Energielieferanten und Energiespeicher, von der Frage der Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises zu trennen. Damit ist ein vom Zustand des Gleichspannungszwischenkreises unabhängiges Energiemanagement möglich. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren genauer beschrieben. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Antriebsvorrichtung eines elektromotorisch betriebenen Fahrzeugs.
2 zeigt zwei parallele Regler zur Spannungsstabilisierung eines Gleichspannungszwischenkreises und die Überlagerung mit Vorsteuerungssignalen aus der Fahrzeugsteuerung.
Aus 1 ist in schematisch vereinfachter Darstellung der Aufbau einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 1 gezeigt. Die Antriebsvorrichtung 1 umfasst wenigstens eine erste elektrische Maschine 3.1, welche wenigstens mittelbar ein erstes Rad 2.1 des Fahrzeugs antreibt. Weiterhin wird die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung bevorzugt noch weitere Verbraucher aufweisen, 1 zeigt zur Illustration eine zweite elektrische Maschine 3.2, die einem zweiten Antriebsrad 2.2 zugeordnet ist. Ferner sind weitere Verbraucher denkbar, die zum Antrieb des Fahrzeugs dienen oder solche, welche als Sekundärverbraucher andere Aufgaben im Fahrzeug übernehmen. Dies kann beispielsweise eine Klimaanlage oder ein Servomotor, etwa zur Sitzverstellung oder zur Betätigung einer Fahrzeugscheibe, sein. Am Gleichspannungszwischenkreis 8 können auch Energiespeicher angeschlossen werden. Dies können beispielsweise Schwungradspeicher oder Batterien bzw. Kondensatorbänke sein. Die elektrischen Maschinen, welche Leistung im Fahrzeug verbrauchen, sind wenigstens mittelbar mit einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis 8 verbunden. Für die Drehstrommaschinen wird eine solche Verbindung mittels Wechselrichter hergestellt. Hierbei ist ein erster Wechselrichter 4.1 der ersten elektrischen Maschine 3.1 und ein zweiter Wechselrichter 4.2 der zweiten elektrischen Maschine 3.2 zugeordnet. Die Einstufung der elektrischen Maschinen zum Antrieb der Räder 2.1 und 2.2 als Verbraucher kann sich für den Fall des Bremsbetriebs umkehren. Demnach kann durch die elektrischen Maschinen 3.1 und 3.2 auch Leistung zurück in den Gleichspannungszwischenkreis fließen. Im Traktionsbetrieb werden diese jedoch als Motoren verwendet, so dass nachfolgend vereinfacht der Begriff Verbraucher verwendet wird. Als mögliche Energiequellen, welche Energie in den Gleichspannungszwischenkreis 8 einspeisen, ist in 1 exemplarisch eine elektromotorische Einheit umfassend eine Verbrennungskraftmaschine 6, etwa einen Dieselmotor, und eine elektrische Maschine, die im Traktionsbetrieb als Generator 5 betrieben wird, dargestellt. Diese ist wiederum mittels eines ihr zugeordneten Wechselrichters 7 mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbunden. Als mögliche Bauformen von Generatoren kommen fremderregte Drehstrom-Synchron-Generatoren mit Erregermaschine oder Schleifringen oder alternativ permanentmagneterregte oder bürstenlos erregte Synchron-Generatoren in Betracht. Alternativ können auch Asynchron-Generatoren verwendet werden. Diese können dann in einer möglichen Ausgestaltung mittels eines 4-Quadranten-Umrichters an den Gleichspannungszwischenkreis 8 angekoppelt sein. Weiterhin können weitere elektrische Komponenten mit dem Gleichspannungszwischenkreis in Verbindung stehen. Dies kann beispielsweise eine Brennstoffzelle 13 sein, die mittels eines Gleichstromstellers 14 und den Zuleitungen 11 und 12 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 8 verbunden ist. In 1 ist der Gleichspannungszwischenkreis 8 als gestrichelt umrandeter Bereich dargestellt. Dieser weist bevorzugt Zwischenkreiskondensatoren 15 auf. Weiterhin ist es möglich, dass weitere Energiequellen oder Energiespeicher, wie eine Schwungradeinheit oder eine Batterie in wenigstens mittelbarer elektrischer Verbindung zum Gleichspannungszwischenkreis 8 steht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden allen auf den Gleichspannungszwischenkreis zugreifende elektrische Komponenten von einer Fahrzeugsteuerung 21 mit Steuerungssignalen versorgt. Diese Vorsteuerungssignale unterscheiden sich je nach Art der elektrischen Komponente, beispielsweise wird ein Fahrmotor typischerweise ein Signal erhalten, welches Sollwerte für die Drehzahl oder das Drehmoment umfasst. Aus diesen Sollwerten kann dann wiederum ein Leistungswert ermittelt werden, der durch diese elektrische Komponente vom Gleichspannungszwischenkreis entnommen bzw. diesem zugeführt wird. Die Vorsteuerungssignale durch die Fahrzeugsteuerung 21 dienen zum einen zur Umsetzung des Fahrerwunsches, zum anderen zur Realisierung eines Energiemanagements, d.h. die Energieflüsse vom und in den Gleichspannungszwischenkreis 8 erhalten solche Sollvorgaben, dass ein möglichst minimaler Gesamtenergieverbrauch resultiert.
Für die einwandfreie Funktion des Antriebssystems ist es wichtig, dass die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis innerhalb eines zulässigen Bereichs gehalten wird. In der vorliegenden Anmeldung wird hierfür der Begriff einer Spannungsstabilisierung verwendet. Grenzen für eine noch erlaubte Schwankungsbreite der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis sind zum einen durch die Beschädigungsgrenzwerte der verwendeten Leistungshalbleiter und Kondensatoren im Gleichspannungszwischenkreis sowie den angrenzenden elektrischen Komponenten gegeben. Zum anderen darf die Spannung nicht unterhalb eines Schwellwerts fallen, unterhalb dem es aufgrund der begrenzten Ströme nicht mehr möglich ist, die benötigte Leistung zu übertragen. Wird als Generator eine Synchronmaschine (SM) eingesetzt, so ist die abgebbare Leistung eine lineare Funktion der an der Statorwicklung anliegenden Zwischenkreisspannung. Aufgrund der Tatsache, dass der Gleichspannungszwischenkreis ein integrierendes Verhalten aufweist und sich somit Spannungsabweichungen zeitlich aufintegrieren ist es notwendig, zur Spannungsstabilisierung eine Regelung und nicht eine Steuerung zu verwenden. Die Regelung zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises ist erfindungsgemäß in ihrer Funktion unabhängig von den Sollwertvorgaben der Fahrzeugsteuerung an die einzelnen elektrischen Komponenten am Gleichspannungszwischenkreis.
Exemplarisch ist dies in 1 anhand einer elektrischen Komponente am Zwischenkreis, der elektrischen Antriebsmaschine 3.1 und der ihr zugeordneten Wechselrichtereinheit 4.1 in schematisch vereinfachter Weise dargestellt. Von einer Sensoreinheit 18 wird der Spannungs-Ist-Wert am Gleichspannungszwischenkreis 8 gemessen und mittels einer Vergleichereinheit 19 mit dem Sollwert U_Zw verglichen. Die aus dem Differenzsignal gebildete Regelabweichung wird einer Reglereinheit 17 zugeführt. Dieser können zusätzliche Filtereinheiten vor-, zwischen- oder nachgeschaltet sein. Die vom Regler ausgegebene Regelausgangsgröße wird dann additiv mit dem gegenwärtig aktuellen Sollsignal P_soll1 von der Fahrzeugsteuerung 21 durch eine Signalverarbeitungseinheit 20 verbunden. Demnach wird aus der Vorsteuerungsvorgabe als Sollwert und der Reglerausgangsgröße ein kombiniertes Stellsignal erzeugt, das im vorliegenden Fall dem Wechselrichter 4.1 als tatsächliches Ansteuerungssignal zugeführt wird.
Hieraus ist ersichtlich, dass der Regler 17 kontinuierlich arbeiten kann oder bei einer Realisierung als digitaler Regler mit einer frei wählbaren Zeittaktung betrieben werden kann. Insbesondere muss die Regelgeschwindigkeit nicht auf die Signalfolge für die Vorsteuerungssignale abgestimmt sein. Da die Vorsteuerungssignale typischerweise per Datenaustausch über Schnittstellen oder Bussysteme abgewickelt werden, sind die daraus entstehenden Zeitverzögerungen für die Spannungsstabilisierung, d.h. die Regelung der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis 8, unerheblich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist es möglich, die Spannungsregelung für den Gleichspannungszwischenkreis 8 so hinreichend schnell auszubilden, dass die Zwischenkreiskapazität zur Ausgleichung möglicher Leistungsdifferenzen in der Leistungsbilanz klein gewählt werden kann.
In einer in 1 nicht gezeigten vorteilhaften Ausgestaltung werden zwei oder mehrere an den Gleichspannungszwischenkreis 8 angeschlossene elektrische Komponenten mit einem Regler zur Spannungsstabilisierung versehen. Dies können sowohl Verbraucher wie auch Energieerzeuger oder Energiespeicher sein. Eine solche parallele Regelungsstruktur ist schematisch in 2 dargestellt. Hierbei sind zwei voneinander unabhängige Regler, die jeweils einer elektrischen Komponente, die auf den Gleichspannungszwischenkreis 8 zugreift, zugeordnet. Die elektrischen Komponenten werden mit Stellsignalen aus den Wechselrichtern bzw. den Leistungselektroniken 4.1 und 4.2 versorgt. Zur Realisierung eines übergeordneten Energiemanagements sowie zur Umsetzung eines Fahrerwunsches werden durch die Fahrzeugsteuerung 21 Vorsteuerungssignale P_soll1 und P_soll2 den Wechselrichtern 4.1 und 4.2 wenigstens mittelbar zugeleitet. Diese Vorsteuerungssignale werden wiederum von den Reglerausgangssignalen der beiden parallelen und unabhängig voneinander arbeitenden Spannungsreglern überlagert. Hierbei wird für die erste elektrische Komponente, etwa ein erster Verbraucher, das Reglerausgangssignal des ersten Reglers 17.1 mit dem Sollsignal P_soll1 verbunden. Entsprechendes gilt für die zweite Komponente. Zu beachten ist, dass von den Reglern zur Spannungsstabilisierung der Ist-Zustand der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis 8 gemessen und mit einem Spannungssollwert U_Zw verglichen wird. Liegt eine Unterspannung vor, so muss je nach Wirkung der entsprechenden elektrischen Komponente entweder der Leistungsabzug aus dem Gleichspannungszwischenkreis verringert werden bzw. falls eine Energiequelle oder ein Energiespeicher vorliegt, dem Gleichspannungszwischenkreis 8 zusätzlich Leistung zugeführt werden. Demnach ist je nach Art der Komponente das Reglerausgangssignal mit dem alternativen Leistungssollsignal zu verrechnen. Im Folgenden wird vereinfacht hierfür der Begriff einer Addition der Reglerausgangssignale und der Sollsignale verwendet.
Zu einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Stellsignale für die Wechselrichter 4.1 und 4.2 mittels Signalbegrenzungseinrichtungen 40.1 und 40.2 begrenzt. Diese Begrenzungselemente können individuell für die jeweiligen elektrischen Komponenten gewählt werden. Die entsprechenden Begrenzungswerte können zeitvariabel sein und von den jeweiligen Betriebszuständen abhängen. Für eine Batterie kann dies beispielsweise der Ladezustand sein, für einen Antriebsmotor kann eine Begrenzung nach oben durch den gegenwärtig vom Fahrer vorgegebenen Leistungswunsch bewirkt werden.
Zur Realisierung von parallel auf dieselbe Regelungsstrecke zugreifenden Reglern werden diese so ausgebildet, dass höchstens einer der Regler einen Integralteil aufweist. Anderenfalls würde, falls zwei oder mehr Integralteile vorliegen, aufgrund nicht zu vermeidender Unterschiede in der Messung und Verarbeitung der Reglerabweichung wenigstens einer der Regler mit I-Anteil auf einen Regelungsvollausschlag gehen. Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der alle Regler zur Spannungsstabilisierung als Proportionalregler ausgebildet sind. Entsprechendes ist in 2 als Blockstrukturen für die Regler 17.1 und 17.2 dargestellt. Darüber hinaus sind jedoch auch Regler denkbar, die zusätzlich ein Differenzierglied aufweisen oder als PT₁- bzw. PT_n-Glied ausgeführt sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind den Reglern zur Spannungsstabilisierung Filter 30.1, 30.2 vorgeschaltet. Bevorzugt erzeugen diese eine nichtlineare Kennlinie, die durch einen für die jeweiligen Regler individuell gewählten Unempflndlichkeitsbereich gekennzeichnet sind. Eine Regelabweichung im Bereich der Unempfindlichkeit wird demnach herausgefiltert und der Regler erzeugt keine Stellgrößenveränderungen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die parallel angeordneten Regler zur Spannungsstabilisierung in einer Hierarchie eingeordnet werden. Regler mit einem schmalen Unempfindlichkeitsbereich oder solche ohne Unempfindlichkeitsbereich werden unmittelbar oder schneller auf eine Regelabweichung reagieren. Demnach sind je nach Größe der Reglerabweichungen unterschiedliche Regler und die entsprechende zugeordneten elektrischen Komponenten zur Rückführung einer Abweichung vom Spannungssollwert des Gleichspannungszwischenkreises 8 beteiligt. Mit diesem Vorgehen ist es möglich, bestimmte elektrische Komponenten vorzugsweise zur Spannungsstabilisierung auszuwählen. Diese zeichnen sich beispielsweise durch ihre Regelungsgeschwindigkeit oder Regelungseffizienz aus oder es handelt sich um solche Komponenten, die einen zeitlich schnell variierenden Leistungsfluss bezüglich ihrer Abnutzung tolerieren. Zusätzlich kann die Spannungsstabilisierung insbesondere auf solche elektrischen Komponenten gestützt sein, die sich hierfür bezüglich ihrer Austauschintervalle oder bezüglich ihrer Komfortrelevanz eignen. Weiterhin kann eine Hierarchisierung der Regler auch den Aspekt der Minimierung von Schadstoffemission am Fahrzeug widerspiegeln.
Ferner ist es möglich, dass die Unempfindlichkeitsbereiche, die den Reglern zur Spannungsstabilisierung zugeordnet sind, als zeitlich variable Funktion ausgebildet werden. Hierbei ist es möglich, dass die den Unempfindlichkeitsbereich nach oben und unten begrenzenden Werte zeitlich variabel und unabhängig voneinander gesetzt werden können. So ist es auch möglich, hierfür den jeweiligen Betriebszustand zu verarbeiten. Demnach kann auch ein Wechsel in der Hierarchie der Regler in Abhängigkeit des Betriebszustands auftreten. Neben der Ausbildung von Unempfindlichkeitsbereichen sind noch weitere Regelungsfilterfunktionen denkbar, durch die eine Hierarchisierung der Regler realisiert wird. Charakteristisch für eine solche Realisierung ist die Auswahl bevorzugter Regler zur Rückführung von Regelabweichungen, im vorliegenden Fall einer Spannungsabweichung, und solchen Reglern, deren zugeordnete Stellglieder nur bei sehr großen Regelabweichungen, d.h. im äußersten Notfall, eingreifen.

1: Antriebsvorrichtung
2.1, 2.2: Antriebsrad
3.1, 3.2: elektrische Maschine
4.1, 4.2: erster und zweiter Wechselrichter
5: Generator
6: Verbrennungskraftmaschine
7: Wechselrichter
8: Gleichspannungszwischenkreis
11, 12: Zuleitungen
13: Brennstoffzelle
14: Gleichstromsteller
15: Zwischenkreiskondensator
17: Reglereinheit
17.1, 17.2: Regler
18: Sensoreinheit
19: Vergleichereinheit
20: Signalverarbeitungseinheit
21: Fahrzeugsteuerung
30.1, 30.2: Filter
40.1, 40.2: Signalbegrenzungseinrichtungen

Claims

Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit wenigstens einem elektrischen Fahrantrieb (3.1, 3.2), umfassend 1.1 einen Gleichspannungszwischenkreis (8); 1.2 wenigstens eine Energiequelle, die zumindest zeitweise Leistung in den Gleichspannungszwischenkreis (8) einspeist; 1.3 wenigstens einen Verbraucher, der wenigstens zeitweise den Gleichspannungszwischenkreis (8) Leistung entnimmt; 1.4 eine Fahrzeugsteuerung (21), die wenigstens einer Energiequelle und/oder wenigstens einem Verbraucher Vorsteuerungssignale zur Sollvorgabe der Leistungsentnahme der Leistungszuführung in oder aus dem Gleichspannungszwischenkreis (8) zuführt; 1.5 wenigstens eine Energiequelle und/oder wenigstens einen Verbraucher, umfasst einen Regler (17.1, 17.2) zur Spannungsstabilisierung im Gleichspannungszwischenkreis (8), der unabhängig von der Fahrzeugsteuerung (21) arbeitet.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer Energiequelle, welche einen Regler (17.1, 17.2) zur Spannungsstabilisierung umfasst und/oder wenigstens einen Verbraucher, der einen Regler (17.1, 17.2) zur Spannungsstabilisierung umfasst, von der Fahrzeugsteuerung (21) Vorsteuerungssignale zugeführt werden.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung die Reglerausgangsgröße des Reglers (17.1, 17.2) zur Spannungsstabilisierung und das Vorsteuerungssignal addiert werden.
Antriebsvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass allen Energiequellen und Verbrauchern von der Fahrzeugsteuerung (21) Vorsteuerungssignale zugeführt werden.
Antriebsvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerungssignale von der Fahrzeugsteuerung (21) so erzeugt werden, dass der gesamte Energieverbrauch des Fahrzeugs minimiert wird.
Antriebsvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr unabhängige, parallele Regler (17.1, 17.2) zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises (8) verwendet werden.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Regler (17.1, 17.2) einen Integralteil umfasst.
Antriebsvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Energiequellen und/oder wenigstens einer der Verbraucher eine Stellgrößenbegrenzung umfasst.
Antriebsvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Regler (17.1, 17.2) zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises (8) einen Unempfindlichkeitsbereich umfasst.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wahl des Unempfindlichkeitsbereiches eine Hierarchie der Regler (17.1, 17.2) zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises (8) realisiert wird.
Antriebsvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung mindestens einen Energiespeicher umfasst.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Energiespeicher von der Fahrzeugsteuerung (21) Vorsteuerungssignale empfängt und/oder einen Regler (17.1, 17.2) zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises (8) umfasst.
Verfahren zur Spannungsregelung eines Gleichspannungszwischenkreises (8) für ein Fahrzeug mit wenigstens einem elektrischen Fahrantrieb (2.1, 2.2), wobei 13.1 wenigstens eine Energiequelle wenigstens zeitweise elektrische Leistung in den Gleichspannungszwischenkreis (8) einspeist; 13.2 wenigstens ein Verbraucher wenigstens zeitweise dem Gleichstromspannungszwischenkreis (8) elektrische Leistung entnimmt; 13.3 wenigstens einer Energiequelle und/oder wenigstens einem Verbraucher Steuerungssignale zur Steuerung der Leistungseinspeisung und/oder der Leistungsentnahme in oder aus dem Gleichspannungszwischenkreis (8) zugeführt werden; 13.4 wenigstens eine Energiequelle und/oder wenigstens ein Verbraucher durch eine Regelung seiner Leistungseinspeisung und/oder seiner Leistungsentnahme die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis (8) stabilisiert.
Verfahren zur Spannungsregelung eines Gleichspannungszwischenkreises nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Energiequellen und/oder wenigstens einem der Verbraucher, die eine Regelung zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises (8) umfassen, Steuerungssignale zur Steuerung der Leistungseinspeisung und/oder der Leistungsentnahme in oder aus dem Gleichspannungszwischenkreis (8) zugeführt werden.
Verfahren zur Spannungsregelung eines Gleichspannungszwischenkreises (8) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung zur Stabilisierung der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises (8) eine Regelungsausgangsgröße erzeugt, welche zum Steuerungssignal addiert wird.
Verfahren zur Spannungsregelung eines Gleichspannungszwischenkreises nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass allen Energiequellen und Verbrauchern, die elektrische Leistung in den Gleichspannungszwischenkreis (8) einspeisen und/oder entnehmen Steuerungssignale zugeführt werden.
Verfahren zur Spannungsregelung nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungssignale so gewählt sind, dass der Gesamtenergieverbrauch minimiert wird.
Verfahren zur Spannungsregelung eines Gleichspannungszwischenkreises nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr unabhängige, parallele Regler (17.1, 17.2) zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises (8) verwendet werden.
Verfahren zur Spannungsregelung eines Gleichspannungszwischenkreises (8) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Regler (17.1, 17.2) einen Integralanteil umfasst.
Verfahren zur Spannungsregelung eines Gleichspannungszwischenkreises (8) nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Energiequellen und/oder wenigstens einer der Verbraucher eine Stellgrößenbegrenzung umfasst.
Verfahren zur Spannungsregelung eines Gleichspannungszwischenkreises (8) nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Regler (17.1, 17.2) zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises (8) einen Unempfindlichkeitsbereich umfasst.
Verfahren zur Spannungsregelung eines Gleichspannungszwischenkreises (8) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wahl des Unempfindlichkeitsbereichs eine Hierarchie der Regler (17.1, 17.2) zur Spannungsstabilisierung des Gleichspannungszwischenkreises realisiert wird.