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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
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Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
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Insbesondere im Teillastbereich ist es nötig, Systemverluste des elektrischen Antriebs zu verringern, um einen verbesserten Wirkungsgrad zu erreichen. Da es immer noch Verbesserungspotential gibt, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Ansteuerung einer Schaltungsanordnung für parallel geschaltete Leistungshalbleiter bereitzustellen, welches diese Nachteile überwindet und insbesondere eine hohe Effizienz der Schaltung bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter eines Inverters im Teillastbetrieb, aufweisend mindestens eine Phase und je Phase mindestens zwei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter, wobei mehrere motorische Betriebsstrategien vorgesehen sind, in denen jeweils ein selektives Schalten der Leistungshalbleiter in Abhängigkeit vom Betriebspunkt mit einer für diesen bestimmten optimalen Schaltfrequenz und Modulation erfolgt, so dass in der ersten motorischen Betriebsstrategie lediglich ein einziger Leistungshalbleiter geschaltet wird, und in der zweiten motorischen Betriebsstrategie zwei Leistungshalbleiter geschaltet werden, und in jeder folgenden motorischen Betriebsstrategie jeweils ein Leistungshalbleiter mehr als in der vorhergehenden motorischen Betriebsstrategie geschaltet wird.
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Durch das selektive Schalten der Leistungshalbleiter von einem einzigen bis hin zu der vollen Anzahl innerhalb einer Phase können Schaltverluste im Teillastbetrieb verringert werden. Die optimale Schaltfrequenz und Modulation für einen bestimmten Betriebspunkt wird in der Regel vorab ermittelt und kann dann für die Betriebsstrategien vorgegeben werden.
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Des Weiteren erfolgt ein Schalten in eine nächste motorische Betriebsstrategie, wenn eine maximal vorgegebene Strombelastung des oder der aktuell verwendeten Leistungshalbleiter erreicht wird.
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Zudem wird beim Schalten zur nächsten motorischen Betriebsstrategie die Schaltfrequenz zur Dämpfung des Verlustsprungs und des Stromklassensprungs verwendet, indem im Übergang auf einen weiteren Leistungshalbleiter eine mindestens doppelt so hohe Frequenz wie die aktuelle Frequenz verwendet wird und mit steigendem Betriebspunkt auf eine vorgegebene Frequenz zurückgefahren wird.
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In einer Ausführung wird im Falle, dass nicht alle vorhandenen Leistungshalbleiter geschaltet werden, bei jedem Schaltvorgang ein anderer Leistungshalbleiter als bei dem vorhergehenden Schaltvorgang geschaltet. Durch das abwechselnde Verwenden der Leistungshalbleiter kann jeder einzelne geschont werden, da seine Nutzungszeit verringert wird.
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Ferner wird eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, die Teil eines Inverters mit mindestens zwei Phasen eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem Elektroantrieb ausgestatteten Kraftfahrzeugs ist, und je Phase mindestens zwei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter aufweist, wobei die Schaltungsanordnung durch das beschriebene Verfahren angesteuert wird.
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In einer Ausführung sind die Leistungshalbleiter der Schaltungsanordnung als MOSFET, IGBT oder einer Kombination daraus gebildet. In einer Ausführung weist der Inverter zwei, drei oder vier Phasen auf.
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Ferner wird ein Elektroantrieb für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, aufweisend wenigstens eine elektrische Maschine, eine Getriebeeinrichtung und ein Elektronikmodul mit einer Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektroantriebs, wobei das Elektronikmodul einen Inverter mit der beschriebenen Schaltungsanordnung aufweist. Der Elektroantrieb ist dabei vorteilhaft als elektrischer Achsantrieb gebildet. Außerdem wird ein Kraftfahrzeug mit dem Elektroantrieb bereitgestellt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Teils eines Elektroantriebs gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 bis 4 zeigen Betriebsstrategien gemäß unterschiedlichen Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
- 5 zeigt beispielhaft eine durch das Verfahren realisierte, vereinfachte Schaltstrategie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 6 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist ein Ziel der Auslegung von Schaltungen für Leistungshalbleiter eines Inverters im Automobilbereich, möglichst wenig Schaltverluste zu erzeugen. Dies kann durch eine intelligente Schaltungsanordnung und Wahl der Bauteile der Schaltung bis zu einem gewissen Grad erreicht werden kann. Aber es ist weiteres Optimierungspotential vorhanden, indem die Ansteuerung der Schaltungsanordnung optimiert wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführung beschrieben, in welcher drei Phasen P1-P3 und drei Leistungshalbleiter 1-3 je Phase P1-P3 vorhanden sind, da dies der häufigste Anwendungsfall ist. Es kann aber auch eine andere Anzahl an Leistungshalbleitern 1-3, z.B. zwei oder vier oder mehr, angesteuert werden. Ebenso können lediglich zwei oder auch vier oder mehr Phasen vorgesehen sein.
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In 1 ist ein prinzipieller Aufbau eines Elektroantriebs für ein Kraftfahrzeug dargestellt, der wenigstens eine elektrische Maschine 100, eine mit der elektrischen Maschine 100 in Wirkverbindung stehende Getriebeeinrichtung (nicht gezeigt, da für die Erfindung nicht wesentlich) und ein Elektronikmodul 200 mit einer Steuereinheit 201 zur Ansteuerung des Elektroantriebs aufweist. Das Elektronikmodul 200 weist einen Inverter mit einer Schaltungsanordnung auf, welche mehrere Leistungshalbleiter 1-3 aufweist, wie nachfolgend beschrieben. Diese Schaltungsanordnung wird gemäß dem ebenfalls nachfolgend beschriebenen Verfahren angesteuert, um eine Reduzierung der Systemverluste im Teillastbereich zu erreichen.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird von einer Schaltungsanordnung für Leistungshalbleiter 1-3 eines Inverters mit mindestens einer Phase P1-P3 ausgegangen, die jeweils einen Highside-Schalter, kurz HSS, und einen Lowside-Schalter, kurz LSS, aufweist. Jeder der HSS bzw. LSS weist in den beschriebenen Ausführungen mindestens drei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter 1-3 auf, wie in 1 gezeigt. Dabei ist die Art der Leistungshalbleiter 1-3 für das vorgeschlagene Verfahren nicht relevant. Es können z.B. MOSFETs oder IGBTs oder eine Kombination davon verwendet werden. Ebenfalls ist das Material nicht ausschlaggebend, so dass sowohl Silizium als auch Siliziumkarbid, Gallium-Nitrid oder andere, geeignete Materialien verwendet werden können.
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Wie ebenfalls in 1 gezeigt, sind die Phasenausgänge der Phasen P1-P3 mit einer elektrischen Maschine 100, kurz E-Maschine, elektrisch verbunden, um diese anzutreiben. Die E-Maschine 100 ist mit einer Getriebeeinrichtung des Kraftfahrzeugs 300 verbunden. Außerdem ist zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter 1-3 eine Steuereinheit 201 vorgesehen, welche das vorgeschlagene Verfahren umsetzt und mit den Leistungshalbleitern 1-3 in entsprechender Wirk- und Signalverbindung steht.
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Wie im Stand der Technik werden auch in der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung mindestens zwei, typischerweise zwei bis vier, Leistungshalbleiter 1-3 pro Phase P1-P3 parallelgeschaltet. Aktuell werden unabhängig vom Betriebspunkt des Systems immer alle parallelen Leistungshalbleiter 1-3 geschaltet, also nicht nur im Volllastbetrieb, sondern auch im Teillastbetrieb. Da hier insbesondere im Teillastbetrieb unerwünschte Schaltverluste auftreten, wird erfindungsgemäß eine Lösung bereitgestellt, die Schaltverluste im Teillastbetrieb zu reduzieren.
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Dies wird erreicht, indem ein auf den aktuellen Betriebspunkt optimiertes, selektives Schalten der Leistungshalbleiter 1-3 in Kombination mit einer für den Betriebspunkt optimalen Schaltfrequenz und einem optimalen Modulationsverfahren durch die Steuereinheit 201 ausgeführt wird. Unter dem Begriff selektives Schalten ist zu verstehen, dass jeder einzelne der Leistungshalbleiter 1-3 separat geschaltet, d.h. aktiviert bzw. leitend geschaltet, werden kann, so dass je nach Betriebspunkt lediglich einer (n=1), zwei (n=2) oder mehrere (n-1) bis hin zu allen (n) Leistungshalbleitern 1-3 geschaltet werden können. Dieses Verfahren wird wie beschrieben für den Teillastbetrieb angewendet, da im Volllastbetrieb sowieso alle Leistungshalbleiter 1-3 geschaltet sind. Für die einzelnen Betriebspunkte optimale Schaltfrequenzen und optimale Modulationsverfahren werden vorteilhaft vorab ermittelt, z.B. durch Simulation oder Versuchsreihen und dann z.B. in der Steuereinheit 201 hinterlegt, welche das Verfahren ausführt, damit diese auf die Informationen zugreifen kann.
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Somit kann eine Anzahl an motorischen Betriebsstrategien erzeugt werden, die der Anzahl der verwendeten Leistungshalbleiter 1-3 entspricht. Das heißt, dass in der ersten motorischen Betriebsstrategie lediglich ein einziger Leistungshalbleiter 1 geschaltet wird, wie in 2 durch den Pfeil (aktiv) und die Kreuze (inaktiv) angedeutet. In der zweiten motorischen Betriebsstrategie werden zwei Leistungshalbleiter 1 und 2 geschaltet, wie in 3 durch die Pfeile (aktiv) und das Kreuz (inaktiv) angedeutet. In jeder folgenden motorischen Betriebsstrategie wird jeweils ein Leistungshalbleiter 1-3 mehr als in der vorhergehenden motorischen Betriebsstrategie geschaltet, bis alle n Leistungshalbleiter 1-3 geschaltet sind, wie in 4 angedeutet. In 2 bis 4 ist das Verfahren zur Bewahrung der Übersichtlichkeit nur anhand einer der Phasen, Phase P1, dargestellt. Selbstverständlich kann es auf alle Phasen P1-P3 angewendet werden.
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Die nicht aktiven Leistungshalbleiter 1-3 sind sozusagen „hochohmig“ geschaltet damit nicht leitend.
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In 1 sind alle möglichen Schaltstrategien für die Leistungshalbleiter 1-3 der ersten Phase P1 abstrahiert dargestellt. Alle Pfeile sind gestrichelt gezeichnet, um zu veranschaulichen, dass lediglich ein oder auch alle Leistungshalbleiter 1-3 geschaltet (aktiv) sein können.
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In den Betriebsstrategien, in welchen nicht alle Leistungshalbleiter 1-3 geschaltet sind (hier 2 und 3), kann eine Effizienzsteigerung durch eine Reduzierung der Schaltverluste erreicht werden, da nicht alle Leistungshalbleiter 1-3 geschaltet werden. In der Betriebsstrategie, in der alle Leistungshalbleiter 1-3 geschaltet aktiv sind, werden alle generatorischen Punkte betrieben.
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In allen Betriebsstrategien erfolgt die Ansteuerung nach einer betriebspunktoptimalen Frequenz und Modulation. Jede Betriebsstrategie hat ihren optimalen Einsatzpunkt, um die bestmögliche Effizienz zu erzielen oder eine maximale Leistung zu ermöglichen. Innerhalb der Betriebsstrategiepunkte können die Verluste durch die Verwendung einer variablen Schaltfrequenz und des Modulationsverfahrens beeinflusst werden.
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In 5 ist ein Diagramm mit einer vereinfachten Schaltstrategie dargestellt. Hier sind auf der Y-Achse das Drehmoment TRQ in Nm bzw. der AC-Strom I-AC in A (genauer Arms, wobei rms=root mean square, also Mittelwert bedeutet) aufgetragen. Auf der X-Achse sind Drehzahl in rpm (rotation per minute, also Umdrehungen pro Minute) bzw. elektrische Frequenz „Elect. Fq.“ In Hz aufgetragen. Wie anhand der Kurven zu sehen ist, wird bei geringer Drehmomentanforderung auch bis zu hoher Geschwindigkeit lediglich ein Leistungshalbleiter 1 geschaltet, d.h. aktiviert, die anderen sind nicht aktiv. Je höher das angeforderte Drehmoment (was durch den Strom reflektiert wird) ist, desto mehr Leistungshalbleiter 2, 3 werden zugeschaltet. In dieser Darstellung wird die Schaltfrequenz nicht berücksichtigt, weshalb sie als vereinfachte Darstellung angesehen kann. Die Zahl im Kreis gibt die Anzahl der aktiven Leistungshalbleiter 1-3 an.
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In einer Ausführung kann am Übergangspunkt bzw. beim Schalten zwischen den verschiedenen Betriebsstrategien die Schaltfrequenz zur „Dämpfung“ des Verlustsprungs und des Stromklassensprungs verwendet werden. Beispielsweise kann bei einem einzigen aktiven Leistungshalbleiter 1 im Falle, dass 80% seines maximalen Leistungsstroms erreicht sind, ein Übergang (Schalten) auf einen zweiten Leistungshalbleiter 2 oder 3 (in derselben Phase 1-3) erfolgen, so dass beide Leistungshalbleiter 1 und 2 bzw. 3 aktiv sind. Vorteilhaft wird die Frequenz berücksichtigt. In diesem Falle könnte die Frequenz beim Betreiben eines Leistungshalbleiters 1, welche z.B. 6kHz beträgt, beim Schalten auf den zweiten Leistungshalbleiter 2 oder 3 auf 15kHz erhöht und langsam mit steigendem Betriebspunkt zum Verlustausgleich zurückgefahren werden. Grundsätzlich sind Strom und Frequenz voneinander abhängig, da bei einer niedrigen Frequenz ein hoher Strom und bei einer hohen Frequenz ein niedriger Strom fließt.
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In einer weiteren Ausführung kann eine variable Lastverteilung als Schaltstrategie verwendet werden. Hierbei werden Leistungshalbleiter 1-3, welche im vorherigen Schaltvorgang geschaltet wurden, möglichst nicht mehr geschaltet, sondern solche, die nicht geschaltet wurden. Beispielsweise kann so in jeder Betriebsstrategie, in welcher nicht alle Leistungshalbleiter 1-3 geschaltet sind, die Lebensdauer der Leistungshalbleiter 1-3 durch Abwechseln des bzw. der aktiven Leistungshalbleiter 1-3 bei einem erneuten Schalten erhöht werden.
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Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass die Betriebsstrategie vom durch den Fahrer geforderten Moment abhängig ist, wie in 5 zu sehen.
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In 6 ist der Zusammenhang zwischen den einzelnen Komponenten des Elektroantriebs und des Kraftahrzeugs 300 dargestellt.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren einer in einem Inverter verwendeten Schaltanordnung lässt sich ein hocheffizienter Inverter, der z.B. als Antriebsumrichter bzw. Traktionsumrichter verwendet wird, erreichen, bei dem die Schaltverluste im Teillastbetrieb verringert werden. Die Schaltungsanordnung, für die das Verfahren zur Ansteuerung vorgeschlagen wird, kann in einem Inverter eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Kraftahrzeugs 300 verwendet werden. Auch können elektrifizierte Achsen durch den Elektroantrieb angetrieben werden.
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Ein Elektronikmodul 200 im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Kraftahrzeugs 300, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs, und/oder elektrifizierten Achsen. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul 200 zum Bestromen einer E-Maschine 100, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen. Die Steuereinheit 201 dient zur gezielten Ansteuerung des Elektroantriebs und setzt das vorgeschlagene Verfahren als Softwareprodukt in Steuerbefehle um.
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Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1-3
- Leistungshalbleiter
- P1-P3
- Phase 1-3
- 100
- elektrische Maschine (E-Maschine)
- 200
- Elektronikmodul
- 201
- Steuereinheit
- 300
- Kraftfahrzeug
