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WO2021115712A1 - Verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine eines kraftfahrzeugs, system sowie kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine eines kraftfahrzeugs, system sowie kraftfahrzeug Download PDF

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WO2021115712A1
WO2021115712A1 PCT/EP2020/081748 EP2020081748W WO2021115712A1 WO 2021115712 A1 WO2021115712 A1 WO 2021115712A1 EP 2020081748 W EP2020081748 W EP 2020081748W WO 2021115712 A1 WO2021115712 A1 WO 2021115712A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
synchronous machine
synchronous
motor vehicle
rotating field
machine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2020/081748
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jovan Knezevic
Raphael Weingartner
Andreas Jacob
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Priority to US17/778,222 priority Critical patent/US12103432B2/en
Priority to CN202080067073.6A priority patent/CN114450884B/zh
Publication of WO2021115712A1 publication Critical patent/WO2021115712A1/de
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electrical machine in the form of a synchronous machine of a motor vehicle, which can be operated in an efficient operating mode with optimum power loss and in an inefficient operating mode that increases power loss, with the synchronous machine in the efficient operating mode for providing an operating point-specific torque in the method It is regulated in such a way that a stator of the synchronous machine generates a synchronous rotating field rotating synchronously with a rotor of the synchronous machine.
  • the synchronous machine is transferred to the inefficient operating mode.
  • the invention also relates to a system with a synchronous machine and at least one component to be heated.
  • the invention also relates to a motor vehicle with a system.
  • the interest is directed towards motor vehicles which have an electrical machine and at least one component to be heated.
  • the electrical machine serves as a traction machine for the motor vehicle.
  • the traction machine provides an operating point-specific torque.
  • the traction machine can, for example, be controlled with a field-oriented control, in which stator windings of a stator of the traction machine are supplied with a field-generating setpoint current and a torque-generating setpoint current in order to generate the operating point-specific torque.
  • An operating point-specific torque can be formed from different pairs of values from the field-generating setpoint current and the torque-generating setpoint current.
  • the field-generating target current and the torque-generating target current are selected so that in particular the field-generating target current and thus the field are as small as possible.
  • the traction machine can also serve as a heating device for the at least one component of the motor vehicle to be heated.
  • EP 2 540 552 B1 it is known from the prior art, for example EP 2 540 552 B1, to operate the traction machine in an inefficient, power loss-increasing operating mode in which the traction machine emits increased heat loss, which can be supplied to the at least one component to be heated.
  • the inefficient operating mode is provided in that a value pair is selected which also generates the required operating point-specific torque, but has an increased field-forming setpoint current.
  • the resulting losses are mainly copper losses or winding losses, which arise from the ohmic resistance of the stator windings.
  • the maximum possible heat loss that can be provided by the traction machine is limited by the maximum current.
  • a method according to the invention is used to operate an electrical machine of a motor vehicle designed as a synchronous machine, which can be operated in an efficient operating mode with optimum power loss and in an inefficient operating mode that increases power loss.
  • the synchronous machine is regulated in the efficient operating mode to provide an operating point-specific torque in such a way that a stator of the synchronous machine generates a synchronous rotating field rotating synchronously with a rotor of the synchronous machine.
  • the synchronous machine is transferred to the inefficient operating mode in which the synchronous rotating field is subjected to an asynchronous rotating field, which while maintaining the operating point-specific torque Fundamental wave of the synchronous rotating field superimposed with power loss increasing harmonics.
  • the invention also relates to a system for a motor vehicle having a synchronous machine, at least one component to be heated and a control device which is designed to carry out a method according to the invention.
  • the synchronous machine is preferably a traction machine of the motor vehicle and the at least one component to be heated is preferably a traction battery of the motor vehicle.
  • the traction battery can be a high-voltage energy store.
  • the traction battery provides the electrical energy for the traction machine and can, for example, be electrically connected to the traction machine via an inverter of the control device.
  • the system in particular has a cooling circuit carrying coolant to which the synchronous machine and the at least one component of the motor vehicle to be heated are connected, the control device being designed to provide the inefficient operating mode for the synchronous machine when the at least one component to be heated has a heating request signal provides, wherein the lost heat emitted by the synchronous machine can be transported to the at least one component to be heated via the coolant of the cooling circuit.
  • the synchronous machine can release the heat loss that is consciously “generated” in the inefficient operating mode to the coolant, which transports the heat loss to the at least one component to be heated.
  • the synchronous machine has the stator and the rotor, which is rotatably mounted with respect to the stator.
  • the synchronous machine can be a separately excited synchronous machine, in which the rotor has rotor windings that can be energized, or a permanent-magnet synchronous machine, in which the rotor has permanent magnets.
  • the stator has stator windings or phase windings which, for example, can be interconnected to form three winding phases u, v, w. Phase-shifted electrical phase currents can be fed to these winding phases in order to generate a rotating magnetic field.
  • the rotating magnetic field causes the rotor to rotate in order to provide torque.
  • the rotating field generated by the energized phase windings rotates synchronously with the rotor, so that an angular speed of the synchronous rotating field corresponds to an angular speed of the rotor.
  • the angular speed of the rotor can be determined from the change in the rotor angle over time.
  • the phase windings can, for example, from the Inverter of the control device are fed.
  • the inverter applies setpoint phase voltages to the phase strands so that predetermined setpoint phase currents are fed to them, through which the magnetic synchronous rotating field required to generate the operating point-specific torque is generated.
  • the control device determines the setpoint values in such a way that the power loss of the synchronous machine is minimal.
  • the asynchronous rotating field is generated, which is superimposed on the synchronous rotating field.
  • the asynchronous rotating field for increasing the heat loss is preferably always generated when the at least one component of the motor vehicle to be heated provides the heating request signal.
  • the synchronous machine is therefore only transferred to the inefficient operating mode when the at least one component to be heated has to be heated.
  • the synchronous rotating field required to provide the operating point-specific torque and the asynchronous rotating field required to increase the heat loss are generated.
  • the asynchronous rotating field because it does not rotate synchronously with the rotor, does not generate any usable torque, so that the synchronous machine can generate the same operating point-specific torque in the efficient operating mode and the inefficient operating mode.
  • the asynchronous rotating field therefore has no or only minimal effects on the torque generated by the synchronous rotating field.
  • the asynchronous rotating field only leads to the fact that the fundamental wave of the synchronous rotating field, the fundamental wave frequency of which is predetermined by the angular speed of the rotor, is superimposed with harmonics.
  • an angular speed of the asynchronous rotating field is not equal to the angular speed of the synchronous rotating field.
  • a harmonic frequency is not equal to the fundamental frequency.
  • the angular speed of the asynchronous rotating field is significantly higher than that of the synchronous rotating field.
  • the harmonics generate iron losses or magnetic reversal losses in the synchronous machine, the level of which depends on the harmonic frequency.
  • the thermal connection to the stator is better than to the windings.
  • the heat transfer to the coolant can be made more efficient with iron losses than with copper losses. Therefore, more can be achieved with the same electrical power Heat can be transferred into the coolant.
  • the inverter In order to provide the inefficient operating mode of the synchronous machine, the inverter also generates losses which can be used to heat the at least one component to be heated.
  • the frequency of the harmonics and thus the angular velocity of the asynchronous rotating field are preferably specified as a function of a heating power requested by the at least one component. Iron losses can generate higher heating of the synchronous machine compared to copper losses, so that the method according to the invention provided by means of the synchronous machine has a high efficiency with regard to the heat output that can be generated.
  • the frequency of the harmonics is preferably selected in such a way that a noise generated by the synchronous machine is below an uncomfortable threshold, preferably below a cuff, for the human ear.
  • This embodiment is based on the knowledge that the particularly high-frequency asynchronous rotating field can lead to noise development in the synchronous machine which is perceptible to the human ear.
  • the harmonic frequency can either be selected in such a way that the noises are barely audible, or not at all, or at least not perceived as unpleasant.
  • the control device has, for example, a controller which works in a two-axis, rotor-oriented dq coordinate system.
  • the three stator-related electrical quantities can be represented by two electrical quantities.
  • These two electrical quantities can in turn be represented by a pointer which rotates in the dq coordinate system with the angular velocity of the rotor.
  • the three phase currents that are fed to the phase windings to generate the rotating field can be represented by a current along the q-axis, which is referred to as the torque-generating current, and a current along the d-axis, which is referred to as the field-generating current .
  • a field-generating setpoint current and a torque-generating setpoint current are specified, which are converted into the three-phase setpoint phase voltages for application to the phase windings.
  • the field-generating setpoint current and the torque-generating setpoint Current can be represented as a current vector rotating with the angular velocity of the rotor.
  • the field-generating setpoint current and the torque-generating setpoint current are selected in such a way that the losses of the synchronous machine at the operating point are minimal.
  • harmonics are applied to the field-generating setpoint current and / or the torque-generating setpoint current, and thus the current fundamental wave. These current harmonics generate the harmonics, which superimpose the fundamental wave of the synchronous rotating field and increase the losses of the synchronous machine. The current harmonics also generate harmonics in the torque, but these can be dampened by the vehicle.
  • the invention also includes a motor vehicle with a system according to the invention.
  • the motor vehicle is in particular an electric or hybrid vehicle and has the synchronous machine as a traction machine.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a system with a synchronous machine in an efficient operating mode
  • FIG. 2 shows the system according to FIG. 2 with the synchronous machine in an inefficient manner
  • FIGS. 1 and 2 each show a system 1 which has a synchronous machine 2 and a control device 3.
  • the system 1 can be used in an electrically drivable motor vehicle, in which the synchronous machine 2 serves as the electric traction machine of the motor vehicle.
  • the system 1 also has at least one component 4 to be heated.
  • the component 4 to be heated is here an electrical traction battery 5 in the form of a high-voltage energy store, which supplies the synchronous machine 2 with electrical energy.
  • the component 4 to be heated and the synchronous machine 2 are thermally coupled via a cooling circuit 6 carrying coolant, which is only indicated schematically here.
  • the synchronous machine 2 is operated in an efficient operating mode in which the synchronous machine 2 emits minimal power loss and thus heat loss.
  • the efficient operating mode is always provided when the component 4 to be heated has no heating requirement.
  • the synchronous machine 2 is operated in an inefficient operating mode, in which the synchronous machine 2 has a higher heat loss compared to the efficient operating mode.
  • the inefficient operating mode is always provided when the component 4 has a heating requirement.
  • the heat loss “generated” by the synchronous machine 2 is then fed to the component 4 via the coolant of the cooling circuit 6.
  • the control device 3 has an inverter 7 which is connected between the traction battery 5 and the synchronous machine 2.
  • the inverter 7 is in particular also integrated into the cooling circuit 6, so that additional heat loss from the inverter 7 can be transported to the component 4 to be heated.
  • the inverter 7 is connected to three phase windings u, v, w of a stator of the synchronous machine 2.
  • the inverter 7 applies nominal phase voltages u * u , u * v , u * w to the three phase windings u, v, w of the synchronous machine 2, through which the phase windings with phase currents i u , i v , i w are energized.
  • These phase currents i u , i v , i w generate a rotating field which sets a rotor of the synchronous machine 2 in rotation to provide the operating point-specific torque M.
  • the set phase voltages u * u , u * v , u * w are determined by a controller 8 of the control device 3 based on set currents i * q and i * d and actual currents i d , i q .
  • the controller 8 works in a two-axis, rotor-oriented dq coordinate system.
  • the actual currents i d , i q are a torque-generating actual current i q and a field-forming actual current i d , which is determined on the basis of the measured actual phase currents i u , i v , i w .
  • the measured actual phase currents i u , i v , i w are converted into the actual currents i d , i q by means of coordinate transformation. Since the dq coordinate system rotates at an angular speed w of the rotor of the synchronous machine 2, the coordinate transformation is carried out taking into account a current, measured rotor angle g.
  • the usable torque M is only generated when the magnetic rotating field rotates synchronously with the rotor, i.e. when an angular speed of the synchronous rotating field rotates with the angular speed w of the rotor, the target phase voltages u * u , u * v , u * w as a function of the temporal change in the rotor angle g, which corresponds to the angular velocity w of the rotor.
  • These nominal phase voltages u * u , u * v , u * w are converted into control signals for the inverter 7.
  • the target currents i * q and i * d are determined in such a way that the required torque M is generated.
  • the torque M is calculated to with the number of pole pairs p, the flux linkage Y ⁇ along the d-axis and the flux linkage Y ⁇ along the q-axis.
  • the synchronous rotating field is superimposed with an asynchronous rotating field.
  • the angular speed of the asynchronous rotating field is different, for example, significantly greater than the angular speed w of the rotor, which also corresponds to the angular speed of the synchronous rotating field.
  • the angular speed of the asynchronous rotating field can also be smaller than the angular speed w of the rotor.
  • the asynchronous rotating field is generated by superimposing the nominal currents i * q and i * d with harmonics Ai d , Ai q .
  • Ai d , Ai q can be calculated as follows, for example:
  • the resulting torque M + DM is calculated as follows where DM are harmonics in the torque M which can be damped by the motor vehicle.
  • the heat loss generated by Ai d , Ai q is fed to the component 4 to be heated.
  • the synchronous machine 2 thus functions as a heating device for the component 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in Form von einer Synchronmaschine eines Kraftfahrzeugs, welche in einem verlustleistungsoptimalen, effizienten Betriebsmodus und in einem verlustleistungserhöhenden, ineffizienten Betriebsmodus betreibbar ist, wobei bei dem Verfahren die Synchronmaschine in dem effizienten Betriebsmodus zur Bereitstellung eines arbeitspunktspezifischen Drehmoments derart geregelt wird, dass ein Stator der Synchronmaschine ein synchron mit einem Rotor der Synchronmaschine rotierendes Synchrondrehfeld erzeugt, und wobei zum Erhöhen einer für die Beheizung zumindest einer zu heizenden Komponente des Kraftfahrzeugs verwendbaren Verlustwärme der Synchronmaschine die Synchronmaschine in den ineffizienten Betriebsmodus überführt wird, in welchem das Synchrondrehfeld mit einem Asynchrondrehfeld beaufschlagt wird, welches unter Beibehaltung des arbeitspunktspezifischen Drehmomentes eine Grundwelle des Synchrondrehfeldes mit verlustwärmeerhöhenden Oberwellen überlagert.

Description

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, System sowie Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in Form von einer Synchronmaschine eines Kraftfahrzeugs, welche in einem verlustleistungsoptimalen, effizienten Betriebsmodus und in einem verlustleistungserhöhenden, ineffizienten Betriebsmodus betreibbar ist, wobei bei dem Verfahren die Synchronmaschine in dem effizienten Betriebsmodus zur Bereitstellung eines arbeitspunktspezifischen Drehmoments derart geregelt wird, dass ein Stator der Synchronmaschine ein synchron mit einem Rotor der Synchronmaschine rotierendes Synchrondrehfeld erzeugt. Außerdem wird bei dem Verfahren zum Erhöhen einer Verlustwärme der Synchronmaschine, welche zum Beheizen zumindest einer zu heizenden Komponente des Kraftfahrzeugs verwendbar ist, die Synchronmaschine in den ineffizienten Betriebsmodus überführt. Die Erfindung betrifft außerdem ein System mit einer Synchronmaschine sowie zumindest einer zu heizenden Komponente. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem System.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Kraftfahrzeuge, welche eine elektrische Maschine sowie zumindest eine zu heizende Komponente aufweisen. Im Falle, dass das Kraftfahrzeug als elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet ist, dient die elektrische Maschine als Traktionsmaschine für das Kraftfahrzeug. Die Traktionsmaschine stellt dazu ein arbeitspunktspezifisches Drehmoment bereit. Die Traktionsmaschine kann beispielsweise mit einer feldorientierten Regelung geregelt werden, bei welcher Statorwicklungen eines Stator der Traktionsmaschine zum Erzeugen des arbeitspunktspezifischen Drehmoments ein feldbildender Soll-Strom und ein drehmomentbildender Soll-Strom zugeführt werden. Ein arbeitspunktspezifisches Drehmoment kann dabei von unterschiedlichen Wertepaaren aus feldbildendem Soll- Strom und drehmomentbildendem Soll-Strom gebildet werden. Um die Traktionsmaschine dabei in einem verlustleistungsoptimalen, effizienten Betriebsmodus zu betreiben, werden der feldbildende Soll-Strom und der drehmomentbildende Soll-Strom so gewählt, dass insbesondere der feldbildende Soll-Strom und damit das Feld möglichst klein sind. Die Traktionsmaschine kann zusätzlich als Heizeinrichtung für die zumindest eine zu heizende Komponente des Kraftfahrzeugs dienen. Dazu ist es aus dem Stand der Technik, beispielsweise der EP 2 540 552 B1, bekannt, die Traktionsmaschine in einem ineffizienten, verlustleistungserhöhenden Betriebsmodus zu betreiben, in welchem die Traktionsmaschine eine erhöhte Verlustwärme abgibt, welche der zumindest einen zu heizenden Komponente zugeführt werden kann. Dabei wird der ineffiziente Betriebsmodus dadurch bereitgestellt, dass ein Wertepaar ausgewählt wird, welches ebenfalls das geforderte arbeitspunktspezifische Drehmoment erzeugt, jedoch einen erhöhten feldbildenden Soll-Strom aufweist. Die resultierenden Verluste sind dabei hauptsächlich Kupferverluste bzw. Wicklungsverluste, welche durch den ohmschen Widerstand der Statorwicklungen entstehen. Eine maximal mögliche Verlustwärme, welche durch die Traktionsmaschine bereitgestellt werden kann, ist durch den maximalen Strom begrenzt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche in einem ineffizienten Betriebsmodus eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere Verlustwärme bereitstellen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, ein System sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer als Synchronmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, welche in einem verlustleistungsoptimalen, effizienten Betriebsmodus und in einem verlustleistungserhöhenden, ineffizienten Betriebsmodus betreibbar ist. Bei dem Verfahren wird die Synchronmaschine in dem effizienten Betriebsmodus zur Bereitstellung eines arbeitspunktspezifischen Drehmoments derart geregelt, dass ein Stator der Synchronmaschine ein synchron mit einem Rotor der Synchronmaschine rotierendes Synchrondrehfeld erzeugt. Zum Erhöhen einer für die Beheizung zumindest einer zu heizenden Komponente des Kraftfahrzeugs verwendbaren Verlustwärme der Synchronmaschine wird die Synchronmaschine in den ineffizienten Betriebsmodus überführt, in welchem das Synchrondrehfeld mit einem Asynchrondrehfeld beaufschlagt wird, welches unter Beibehaltung des arbeitspunktspezifischen Drehmomentes eine Grundwelle des Synchrondrehfeldes mit verlustleistungserhöhenden Oberwellen überlagert.
Die Erfindung betrifft außerdem ein System für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Synchronmaschine, zumindest eine zu beheizende Komponente und eine Regelungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Die Synchronmaschine ist vorzugsweise eine Traktionsmaschine des Kraftfahrzeugs und die zumindest eine zu heizende Komponente ist vorzugsweise eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs. Die Traktionsbatterie kann ein Hochvoltenergiespeicher sein. Die Traktionsbatterie stellt die elektrische Energie für die Traktionsmaschine bereit und kann beispielsweise über einen Wechselrichter der Regelungseinrichtung elektrisch mit der Traktionsmaschine verbunden sein. Das System weist insbesondere einen Kühlmittel führenden Kühlkreislauf auf, an welchen die Synchronmaschine und die zumindest eine zu heizende Komponente des Kraftfahrzeugs angeschlossen sind, wobei die Regelungseinrichtung dazu ausgelegt ist, den ineffizienten Betriebsmodus für die Synchronmaschine bereitzustellen, wenn die zumindest eine zu heizende Komponente ein Heizanforderungssignal bereitstellt, wobei die von der Synchronmaschine abgegebene Verlustwärme über das Kühlmittel des Kühlkreislaufes zu der zumindest einen zu heizenden Komponente transportierbar ist. Die Synchronmaschine kann die in dem ineffizienten Betriebsmodus bewusst „erzeugte“ Verlustwärme also an das Kühlmittel abgeben, welches die Verlustwärme zu der zumindest einen zu heizenden Komponente transportiert.
Die Synchronmaschine weist den Stator sowie den gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor auf. Die Synchronmaschine kann eine fremderregte Synchronmaschine sein, bei welcher der Rotor bestrombare Rotorwicklungen aufweist, oder eine permanenterregte Synchronmaschine sein, bei welcher der Rotor Permanentmagnete aufweist. Der Stator weist Statorwicklungen bzw. Phasenwicklungen auf, welchen beispielsweise zu drei Wicklungssträngen u, v, w verschaltet sein können. Diesen Wicklungssträngen können zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes phasenverschobene, elektrische Phasenströme zugeführt werden können. Das magnetische Drehfeld versetzt den Rotor zur Bereitstellung eines Drehmoments in eine Drehbewegung. Bei einer Synchronmaschine rotiert das von den bestromten Phasenwicklungen erzeugte Drehfeld synchron mit dem Rotor, sodass eine Winkelgeschwindigkeit des Synchrondrehfeldes einer Winkelgeschwindigkeit des Rotors entspricht. Die Winkelgeschwindigkeit des Rotors kann über die zeitliche Änderung des Rotorwinkels bestimmt werden. Die Phasenwicklungen können beispielsweise von dem Wechselrichter der Regelungseinrichtung gespeist werden. Zum Bereitstellen eines arbeitspunktspezifischen Drehmomentes, welches beispielsweise von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs angefordert wird, legt der Wechselrichter Soll-Phasenspannungen an die Phasenstränge an, sodass diesen vorbestimmte Soll-Phasenströme zugeführt werden, durch welche das zum Erzeugen des arbeitspunktspezifischen Drehmomentes erforderliche magnetische Synchrondrehfeld erzeugt wird. In dem effizienten Betriebsmodus bestimmt die Regelungseinrichtung die Soll-Größen so, dass die Verlustleistung der Synchronmaschine minimal ist.
Um nun die Synchronmaschine in den ineffizienten Betriebsmodus zu überführen, wird das Asynchrondrehfeld erzeugt, welches dem Synchrondrehfeld überlagert wird. Vorzugsweise wird das Asynchrondrehfeld zum Erhöhen der Verlustwärme immer dann erzeugt, wenn die zumindest eine zu heizende Komponente des Kraftfahrzeugs das Heizanforderungssignal bereitstellt. Die Synchronmaschine wird also nur dann in den ineffizienten Betriebsmodus überführt, wenn die zumindest eine zu heizende Komponente geheizt werden muss. In dem ineffizienten Betriebsmodus werden das zum Bereitstellen des arbeitspunktspezifischen Drehmoments erforderliche Synchrondrehfeld sowie das zum Erhöhen der Verlustwärme erforderliche Asynchrondrehfeld erzeugt. Das Asynchrondrehfeld erzeugt, da es sich nicht synchron mit dem Rotor dreht, kein nutzbares Drehmoment, sodass die Synchronmaschine in dem effizienten Betriebsmodus und dem ineffizienten Betriebsmodus dasselbe, arbeitspunktspezifische Drehmoment erzeugen kann. Das Asynchrondrehfeld hat also keine oder nur minimale Auswirkungen auf das von dem Synchrondrehfeld erzeugte Drehmoment.
Das Asynchrondrehfeld führt lediglich dazu, dass die Grundwelle des Synchrondrehfeldes, deren Grundwellen-Frequenz durch die Winkelgeschwindigkeit des Rotors vorgegeben ist, mit Oberwellen überlagert wird. Dazu ist eine Winkelgeschwindigkeit des Asynchrondrehfeldes ungleich zu der Winkelgeschwindigkeit des Synchrondrehfeldes. Anders ausgedrückt, ist eine Oberwellenfrequenz ungleich zu der Grundwellenfrequenz. Beispielsweise ist die Winkelgeschwindigkeit des Asynchrondrehfeldes deutlich höher als die des Synchrondrehfeldes. Die Oberwellen genieren zusätzlich zu den Kupferverlusten Eisenverluste bzw. Ummagnetisierungsverluste in der Synchronmaschine, deren Höhe von der Oberwellenfrequenz abhängt. Wenn der Stator von einem Kühlmantel des Kühlkreislaufes umgeben ist, ist die thermische Anbindung zum Stator besser als zu den Wicklungen. Dadurch ist die Wärmeübertragung zum Kühlmittel mit Eisenverluste effizienter zu gestalten als mit Kupferverluste. Daher kann mit gleicher elektrischen Leistung mehr Wärme in das Kühlmittel übertragen werden. Auch erzeugt der Wechselrichter zum Bereitstellen des ineffizienten Betriebsmodus der Synchronmaschine Verluste, welche zu Heizen der zumindest einen zu heizenden Komponente verwendet werden können.
Vorzugsweise werden die Frequenz der Oberwellen und damit die Winkelgeschwindigkeit des Asynchrondrehfeldes in Abhängigkeit von einer, durch die zumindest eine Komponente angeforderten Heizleistung vorgegeben. Eisenverluste können im Vergleich zu Kupferverlusten eine höhere Erwärmung der Synchronmaschine generieren, sodass das erfindungsgemäße, mittels der Synchronmaschine bereitgestellte Verfahren eine hohe Effizienz hinsichtlich der generierbaren Heizleistung aufweist.
Vorzugsweise wird die Frequenz der Oberwellen derart gewählt, dass ein durch die Synchronmaschine erzeugtes Geräusch unterhalb einer Unbehaglichkeitsschwelle, vorzugsweise unterhalb einer Hörschelle, des menschlichen Gehörs liegt. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das insbesondere hochfrequente Asynchrondrehfeld zu einer Geräuschentwicklung in der Synchronmaschine führen kann, welche für das menschliche Gehör wahrnehmbar ist. Dabei kann die Oberwellenfrequenz in Abhängigkeit von der geforderten Verlustwärme entweder so gewählt werden, dass die Geräusche nicht oder nur kaum hörbar für den Menschen sind oder zumindest nicht als unangenehm empfunden werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Synchronmaschine zum Bereitstellen des arbeitspunktspezifischen Drehmoments mit einer feldorientierten Regelung geregelt wird. Dazu weist die Regelungseinrichtung beispielsweise einen Regler auf, welcher in einem zweiachsigen, rotororientierten dq-Koordinatensystem arbeitet. In diesem rotororientierten Koordinatensystem können die drei statorbezogenen elektrischen Größen durch zwei elektrische Größen dargestellt werden. Diese zwei elektrischen Größen können wiederum durch einen Zeiger dargestellt werden, welcher in dem dq-Koordinatensystem mit der Winkelgeschwindigkeit des Rotors rotiert. Beispielsweise können die drei Phasenströme, welche den Phasenwicklungen zur Erzeugung des Drehfeldes zugeführt werden, durch einen Strom entlang der q-Achse, welcher als drehmomentbildender Strom bezeichnet wird, und einen Strom entlang der d-Achse, welcher als feldbildender Strom bezeichnet wird, repräsentiert werden. Zum Erzeugen des Synchrondrehfeldes, welches das angeforderte, arbeitspunktspezifische Drehmoment bereitstellt, werden ein feldbildender Soll-Strom und ein drehmomentbildender Soll-Strom vorgegeben, welche in die dreiphasigen Soll-Phasenspannungen zum Anlegen an die Phasenwicklungen umgerechnet werden. Der feldbildende Soll-Strom und der drehmomentbildende Soll- Strom können dabei als ein mit der Winkelgeschwindigkeit des Rotors rotierender Stromzeiger dargestellt werden. Zur Bereitstellung des effizienten Betriebsmodus werden der feldbildende Soll-Strom und der drehmomentbildende Soll-Strom so gewählt, dass die Verluste der Synchronmaschine in dem Arbeitspunkt minimal sind.
Um nun das Asynchrondrehfeld zu erzeugen, wird der feldbildende Soll-Strom und/oder der drehmomentbildende Soll-Strom, und damit die Stromgrundwelle, mit Oberschwingungen beaufschlagt. Diese Stromoberschwingungen erzeugen die Oberwellen, welche die Grundwelle des Synchrondrehfeldes überlagern und die Verluste der Synchronmaschine erhöhen. Zwar erzeugen die Stromoberschwingungen auch Oberwellen im Drehmoment, diese können aber durch das Fahrzeug gedämpft werden.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen System. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug und weist die Synchronmaschine als Traktionsmaschine auf.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße System sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems mit einer Synchronmaschine in einem effizienten Betriebsmodus; und
Fig. 2 das System gemäß Fig. 2 mit der Synchronmaschine in einem ineffizienten
Betriebsmodus. In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen jeweils ein System 1 , welches eine Synchronmaschine 2 sowie eine Regelungseinrichtung 3 aufweist. Das System 1 kann in einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug verwendet werden, in welchem die Synchronmaschine 2 als elektrische Traktionsmaschine des Kraftfahrzeugs dient. Das System 1 weist außerdem zumindest eine zu heizende Komponente 4 auf. Die zu heizende Komponente 4 ist hier eine elektrische Traktionsbatterie 5 in Form von einem Hochvoltenergiespeicher, welcher die Synchronmaschine 2 mit elektrischer Energie versorgt. Die zu heizende Komponente 4 und die Synchronmaschine 2 sind über einen Kühlmittel führenden Kühlkreislauf 6, welcher hier nur schematisch angedeutet ist, thermisch gekoppelt. Gemäß Fig. 1 wird die Synchronmaschine 2 in einem effizienten Betriebsmodus betrieben, in welchem die Synchronmaschine 2 minimale Verlustleistung und damit Verlustwärme abgibt. Der effiziente Betriebsmodus wird immer dann bereitgestellt, wenn die zu heizende Komponente 4 keinen Heizbedarf aufweist. Gemäß Fig. 2 wird die Synchronmaschine 2 in einem ineffizienten Betriebsmodus betrieben, in welchem die Synchronmaschine 2 eine im Vergleich zum effizienten Betriebsmodus höhere Verlustwärme aufweist. Der ineffiziente Betriebsmodus wird immer dann bereitgestellt, wenn die Komponente 4 einen Heizbedarf aufweist. Dann wird der Komponente 4 über das Kühlmittel des Kühlkreislaufes 6 die von der Synchronmaschine 2 „erzeugte“ Verlustwärme zugeführt.
Die Regelungseinrichtung 3 weist einen Wechselrichter 7 auf, welcher zwischen die Traktionsbatterie 5 und die Synchronmaschine 2 geschaltet ist. Der Wechseltrichter 7 ist insbesondere ebenfalls in den Kühlkreislauf 6 eingebunden, sodass zusätzlich Verlustwärme des Wechselrichters 7 zu der zu heizenden Komponente 4 transportiert werden kann. Der Wechselrichter 7 ist mit drei Phasenwicklungen u, v, w eines Stators der Synchronmaschine 2 verbunden. Um ein angefordertes, arbeitspunktspezifisches Drehmoment M bereitstellen zu können, legt der Wechselrichter 7 Soll- Phasenspannungen u*u, u*v, u*w an die drei Phasenwicklungen u, v, w der Synchronmaschine 2 an, durch welche die Phasenwicklungen mit Phasenströmen iu, iv, iw bestromt werden. Diese Phasenströme iu, iv, iw erzeugen ein Drehfeld, welches einen Rotor der Synchronmaschine 2 zur Bereitstellung des arbeitspunktspezifischen Drehmomentes M in Rotation versetzt. Die Soll-Phasenspannungen u*u, u*v, u*w bestimmt ein Regler 8 der Reglungseinrichtung 3 basierend auf Soll-Strömen i*q und i*d sowie Ist- Strömen id, iq. Der Regler 8 arbeitet dabei in einem zweiachsigen, rotororientierten dq- Koordinatensystem. Die Ist-Ströme id, iq sind ein drehmomentbildender Ist-Strom iq und ein feldbildender Ist-Strom id, welche anhand von den gemessenen Ist-Phasenströmen iu, iv, iw bestimmt werden. Die gemessenen Ist-Phasenströme iu, iv, iw werden durch Koordinatentransformation in die Ist-Ströme id, iq umgerechnet. Da das dq- Koordinatensystem mit einer Winkelgeschwindigkeit w des Rotors der Synchronmaschine 2 rotiert, wird die Koordinatentransformation unter Berücksichtigung eines aktuellen, gemessenen Rotorwinkels g durchgeführt.
Da bei der vorliegenden Synchronmaschine 2 das nutzbare Drehmoment M nur erzeugt wird, wenn das magnetische Drehfeld synchron mit dem Rotor rotiert, also wenn eine Winkelgeschwindigkeit des Synchrondrehfeldes mit der Winkelgeschwindigkeit w des Rotors rotiert, werden die Soll-Phasenspannungen u*u, u*v, u*w in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung des Rotorwinkels g, welcher der Winkelgeschwindigkeit w des Rotors entspricht, bestimmt. Diese Soll-Phasenspannungen u*u, u*v, u*w werden in Steuersignale für den Wechselrichter 7 umgewandelt. Die Soll-Ströme i*q und i*d werden dabei derart bestimmt, dass das geforderte Drehmoment M erzeugt wird. Das Drehmoment M berechnet sich zu
Figure imgf000010_0001
mit der Polpaarzahl p, der Flussverkettung Yά entlang der d-Achse und der Flussverkettung Yά entlang der q-Achse.
Dabei existieren unterschiedliche Kombinationen der Soll-Ströme i*q, i*d, welche dasselbe Drehmoment M generieren. In dem effizienten Betriebsmodus werden die Werte Soll- Ströme i*q, i*d so gewählt, dass eine Amplitude des Stromes I = Ji* + id * minimal ist.
Zum Bereitstellen des ineffizienten Betriebsmodus wird das Synchrondrehfeld mit einem Asynchrondrehfeld überlagert. Die Winkelgeschwindigkeit des Asynchrondrehfeldes ist dabei unterschiedlich, beispielsweise deutlich größer, als die Winkelgeschwindigkeit w des Rotors, welche auch der Winkelgeschwindigkeit des Synchrondrehfeldes entspricht. Auch kann die Winkelgeschwindigkeit des Asynchrondrehfeldes kleiner als die Winkelgeschwindigkeit w des Rotors sein. Das Asynchrondrehfeld wird erzeugt, indem die Soll-Ströme i*q und i*d mit Oberschwingungen Aid, Aiq überlagert werden. Aid, Aiq können sich beispielsweise berechnen zu:
Aid = Im * sin(a2t) Aiq = Im * cos(a)2t)
Diese Oberschwingungen Äid, Äiq überlagern eine Grundwelle des Synchrondrehfeldes mit Oberwellen, welche Eisenverluste und damit eine erhöhte Verlustwärme generieren. Das resultierende Drehmoment M+DM berechnet sich zu
Figure imgf000011_0001
wobei DM Oberwellen im Drehmoment M sind, welche durch das Kraftfahrzeug gedämpft werden können. Die durch Aid, Aiq erzeugte Verlustwärme wird der zu heizenden Komponente 4 zugeführt. In dem ineffizienten Betriebsmodus fungiert die Synchronmaschine 2 also als Heizeinrichtung für die Komponente 4.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in Form von einer Synchronmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, welche in einem verlustleistungsoptimalen, effizienten Betriebsmodus und in einem verlustleistungserhöhenden, ineffizienten Betriebsmodus betreibbar ist, wobei bei dem Verfahren die Synchronmaschine (2) in dem effizienten Betriebsmodus zur Bereitstellung eines arbeitspunktspezifischen Drehmoments derart geregelt wird, dass ein Stator der Synchronmaschine (2) ein synchron mit einem Rotor der Synchronmaschine (2) rotierendes Synchrondrehfeld erzeugt, und wobei zum Erhöhen einer für die Beheizung zumindest einer zu heizenden Komponente (4) des Kraftfahrzeugs verwendbaren Verlustwärme der Synchronmaschine (2), die Synchronmaschine (2) in den ineffizienten Betriebsmodus überführt wird, in welchem das Synchrondrehfeld mit einem Asynchrondrehfeld beaufschlagt wird, welches unter Beibehaltung des arbeitspunktspezifischen Drehmomentes eine Grundwelle des Synchrondrehfeldes mit verlustwärmeerhöhenden Oberwellen überlagert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der ineffiziente Betriebsmodus der Synchronmaschine (2) zum Erhöhen der Verlustwärme dann bereitgestellt wird, wenn die zumindest eine zu heizende Komponente (4) des Kraftfahrzeugs ein Heizanforderungssignal bereitstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelgeschwindigkeit des Asynchrondrehfeldes unterschiedlich zu einer Winkelgeschwindigkeit des Synchrondrehfeldes ist, sodass eine Frequenz der Oberwellen unterschiedlich ist zu einer Frequenz der Grundwelle.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Oberwellen und damit die Winkelgeschwindigkeit des Asynchrondrehfeldes in Abhängigkeit von einer, durch die zumindest eine Komponente (4) angeforderten Heizleistung vorgegeben werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Oberwellen und damit die Winkelgeschwindigkeit des Asynchrondrehfeldes derart gewählt werden, dass ein aus dem Asynchronfeld resultierendes Geräusch der Synchronmaschine (2) unterhalb einer Unbehaglichkeitsschwelle, vorzugsweise unterhalb einer Hörschelle, des menschlichen Gehörs liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine (2) zum Bereitstellen des arbeitspunktspezifischen Drehmoments mit einer feldorientierten Regelung geregelt wird und dazu zum Erzeugen des Synchrondrehfeldes ein feldbildender Soll-Strom id und ein drehmomentbildender Soll-Strom iq vorgegeben werden, wobei zum Erzeugen des Asynchrondrehfeldes zumindest einer der Soll-Ströme mit einer Stromoberschwingung überlagert wird.
7. System (1) für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Synchronmaschine (2), zumindest eine zu heizende Komponente (4) und eine Regelungseinrichtung (3), welche dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
8. System (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) einen Kühlmittel führenden Kühlkreislauf (6) aufweist, an welchen die Synchronmaschine (2) und die zumindest eine zu heizende Komponente (4) des Kraftfahrzeugs angeschlossen sind, wobei die Regelungseinrichtung (3) dazu ausgelegt ist, das Asynchrondrehfeld für die Synchronmaschine bereitzustellen, wenn die zu heizende Komponente (4) ein Heizanforderungssignal bereitstellt, wobei die von der Synchronmaschine (2) abgegebene Verlustwärme über das Kühlmittel des Kühlkreislaufes (6) zu der zu heizenden Komponente (4) transportierbar ist.
9. System (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine zu heizende Komponente (4) eine Traktionsbatterie und die Synchronmaschine (2) eine Traktionsmaschine des Kraftfahrzeugs ist.
10. Kraftfahrzeug mit einem System (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
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