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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Antriebsvorrichtung eines elektromotorisch
betriebenen Fahrzeugs.
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2 zeigt
zwei parallele Regler zur Spannungsstabilisierung eines Gleichspannungszwischenkreises
und die Überlagerung
mit Vorsteuerungssignalen aus der Fahrzeugsteuerung.
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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.
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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.
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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.
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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
UZw 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 Psoll1 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.
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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.
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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 Psoll1 und Psoll2 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
Psoll1 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 UZw 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.
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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.
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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. PTn-Glied
ausgeführt
sind.
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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.
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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.
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- 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