DE102017124857A1

DE102017124857A1 - Steuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb

Info

Publication number: DE102017124857A1
Application number: DE102017124857.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kromm
Original assignee: Linde Material Handling GmbH
Current assignee: Linde Material Handling GmbH
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2019-04-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen Fahrantrieb, eines Fahrzeugs, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine, wobei der elektrische Antrieb einen Drehstrommotor (208) mit mindestens drei Phasen, einen regelbaren Umrichter (201) für die Versorgung der Phasen mit elektrischer Energie aus einer Energiequelle (207), und eine Steuervorrichtung (211, 212) für den Umrichter (201) aufweist, und in einem ersten Betriebsbereich in einem kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren sowie in einem zweiten Betriebsbereich in einem diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren durch die Steuervorrichtung betrieben wird, wobei die Steuervorrichtung eine Steuerlogik (212) aufweist, die ausgebildet ist, basierend auf Ressourcen der Energiequelle zu entscheiden, ob der Umrichter (201) in dem ersten Betriebsbereich oder in dem zweiten Betriebsbereich betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb, welches insbesondere auf verschiedenen Modulationsverfahren eines Frequenzumrichters eines batteriebetriebenen Fahrzeugs basiert sowie eine entsprechendes Fahrzeug, insbesondere eine mobile Arbeitsmaschine, und eine Steuerungsvorrichtung für einen regelbaren Umrichter eines elektrischen Antriebs.
Ferner betrifft die Erfindung mobile elektrische Antriebe mit Drehstrommotoren, die mittels Niederspannungs-Energiequelle versorgt werden; elektrische Antriebe von batteriebetriebenen Fahrzeugen, die überwiegend mit einer Traktionsbatterie einer limitierten Kapazität betrieben werden; mobile elektrische Antriebe mit Frequenzumrichtern, die unter der Bezeichnung „dreiphasiger Frequenzumrichter mit Pulsweitenmodulation (PWM)“ bekannt sind; Frequenzumrichter und deren Ansteuerung, die in modernen Antriebsystemen mit feldorientierter Regelung (engl. Vector-Control) verwendet werden; moderne Regelalgorithmen für mobile elektrische Antriebe mit Frequenzumrichtern, die die Qualität der Drehmoment- und Drehzahlregelung sowie den Systemwirkungsgrad bei betriebsbedingten Schwankungen der Batteriespannung erhöhen sollen; und innovative Modulationsverfahren des Frequenzumrichters, die die Handling-Qualität von batteriebetriebenen Fahrzeugen bei abgesenkten Batteriespannungen (aufgrund niedrigem Ladezustand der Batterie) verbessern sollen.
In drehzahl- und/oder drehmomentgeregelten Antrieben mit Drehstrommaschinen werden überwiegend Frequenzumrichter (Wechselrichter) implementiert, die die Statorspannung und Statorfrequenz des elektrischen Motors regeln bzw. steuern. In den Frequenzumrichtern werden unterschiedliche Verfahren der Pulsweitenmodulation (PWM) verwendet. Man unterscheidet grundsätzlich drei im folgenden beschriebenen Gruppen der Modulationsverfahren, die oft in der PWM des Frequenzumrichters realisiert werden.
Die Modulationsverfahren aus der ersten Gruppe gewährleisten ein sehr gutes Oberschwingungsspektrum des Statorstromes der elektrischen Maschine, da der Strom nahezu sinusförmig ist. Dieses Verfahren ist als „Sinus-Dreieck-Modulation (SDM)“‘ bekannt. Die beste Aussteuerung des Umrichters während der SDM, welche auch mit einem Modulationsindex beschrieben wird, erreicht maximal den Wert m=0.785. Der geringe Modulationsindex ergibt sich, da mit diesem Verfahren nicht annährend die volle Spannung genutzt wird, welche zur Verfügung steht. Der Modulationsindex definiert sich als Quotient des Spannungswertes einer beliebigen Modulation zu der ersten harmonischen des Blockbetriebs. Es ist leider nachteilig, dass die Modulationsverfahren dieser Gruppe sehr hohe „Spannungsverluste“ im Umrichter verursachen und nicht optimal die Energiequelle (Traktionsbatterie) des Fahrzeuges ausnutzen.
Die Modulationsverfahren der zweiten Gruppe nutzen die Energiequelle des Fahrzeuges besser aus, allerdings noch nicht gut genug. Ein Modulationsverfahren dieser Gruppe, das sehr oft verwendet wird, ist als „symmetrierte Sinus-Dreieck-Modulation (SSDM)“ bekannt. Während der SSDM erreicht der Modulationsindex den Wert m=0.907. Nachteile sind hier, dass die Realisierung der PWM aufwendig ist, weil einige Zusatzsignale zur Sinus-Referenzspannung zugemischt werden. Man erhält kein optimales Spektrum der Statorströme des Elektromotors.
Ein zweites Modulationsverfahren dieser Gruppe, das moderner als die SSDM ist, erzielt den gleichen maximalen Modulationsindex (m=0.907) und wird als Raumzeigermodulation (RZM) bezeichnet. Die Referenzspannung der RZM kann mit zwei klassischen Sinus-Funktionen gebildet werden, die mit den mathematischen Funktionen f1=sin(π/3-x) und f2=sin(x) in jedem Sektor der Spannungsebene des Umrichters beschrieben werden. Die Spannungsebene des Umrichters besteht insgesamt aus sechs Sektoren. Vorteile sind hier die einfache Trajektorie der Referenzspannung und ein gutes Spektrum der Statorströme.
Die Modulationsverfahren der dritten Gruppe nutzen die Energiequelle des Fahrzeuges sehr gut aus. Solche Modulationsverfahren der PWM werden als „Flat-Top-Modulation (FTM)“ bezeichnet. Der Modulationsindex kann im Blockbetrieb während der FTM den Wert m=1 erreichen. In der Literatur sind drei Flat-Top-Modulationsverfahren dargestellt, die jeweils mit fixem Flat-Top-Winkel (30°, 60°, 120°) bzw. mit fixem Modulationsindex konzipiert sind. Nachteile der FTM sind die zusätzlichen Oberwellen im Spektrum des Statorstromes; das Erzeugen von zusätzlichen Stromwärme- und Eisenverluste in der elektrischen Maschine durch verzerrte Ströme und dass, je höher der Modulationsindex, ein umso schlechteres Spektrum der Statorströme erzeugt wird.
Um Vorteile aller PWM-Verfahren im Antriebssystem zu nutzen, verwendet man eine kombinierte Ansteuerung des Umrichters, d.h. man nutzt SDM-, SSDM- oder RZM-Verfahren bei einer stabilen Spannung der Energiequelle (Traktionsbatterie) sowie kleineren oder mittleren Leistung des Antriebs; sowie FTM-Verfahren im Falle einer abgesenkten Batteriespannung der Energiequelle oder höheren Leistung des Antriebs.
Eine herkömmliche Lösung, die eine kombinierte Ansteuerung des Umrichters realisiert, ist in 1 dargestellt und unten zu 1 beschrieben. Die Lösungsidee ist dabei, dass eine Sinuskommutierung im oberen Drehzahlbereich in eine Flat-Top-Modulation (Blockkommutierung) übergeht, um die Traktionsbatterie besser zu nutzen. Allerdings treten bei dem Antriebssystem 100 gemäß 1 sowie allgemein bei den herkömmlichen Antriebssystemen mit umschaltbaren Modulationsverfahren einer Pulsweitenmodulation des Frequenzumrichters die im Folgenden beschriebenen Probleme auf.
Nach dem Umschalten des Modulationsverfahrens auf FTM bietet die herkömmliche Lösung ausschließlich einen fixen Modulationsindex an, der einem Blockbetrieb (m=1) entspricht. Eine solche sprungartige Erhöhung des Modulationsindex führt zu zusätzlichen Verlusten im Antriebssystem, die durch Oberwellen hervorgerufen werden. Die entstehenden Oberwellen rufen in der elektrischen Maschine nicht nur die Verluste hervor, sondern sorgen auch für einen unrunden Laufverlauf. Die entstehenden Oberwellen und ein unrunder Laufverlauf der elektrischen Maschine führen zu Qualitätsverschlechterung der Drehmoment-Drehzahlregelung im Antriebssystem, schlechtem Wirkungsgrad des Antriebssystems (Anmerkung: in den batteriebetriebenen Fahrzeugen ist die Erhöhung des Wirkungsgrades besonders wichtig), zusätzlichen mechanischen Vibrationen des Fahrzeuges, die sich negativ auf das Handling des Fahrzeugs sowie auf die Lebensdauer der elektrischen Maschine auswirken und folglich zu Unzufriedenheit der Kunden bzw. Nutzer.
Ein Umschalten des Modulationsverfahrens auf FTM berücksichtigt keine Ressourcen der Energiequelle (Traktionsbatterie). Bei tiefer Batteriespannung, die bei einer höheren Antriebsleistung vorkommen kann, kann die FTM im Umrichter nicht aktiviert werden. Der Grund hierfür ist, dass die Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine unter einer fest definierten Schaltdrehzahl bleibt, die im Block 111 parametriert ist. Die beschriebenen Nachteile beschränken die Applikation der herkömmlichen Lösung in den hochdynamischen Antriebssystemen mit FTM oder in der Kombination mit FTW.
Andere Lösungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, mildern diese Nachteile etwas ab, indem sie auch einen bestimmten Modulationsindex anbieten, der sich im Bereich (0.907<m<=1) befindet (kein Blockbetrieb), mit dem Ziel das Spektrum des Statorstromes der elektrischen Maschine während der FTM zu verbessern. Dies ist möglich, wenn die FTM-Referenzspannung mit einer synthetisierten Trajektorie dargestellt wird. Oft sind die Trajektorien der FTM Referenzspannungen sehr komplex, d.h. kompliziert, und sind meistens durch die Addition von mehreren Referenztrajektorien gebildet. Nachteile der Lösungen sind jedoch, dass ausschließlich ein bestimmter Modulationsindex während der FTM verwendet wird, der die weitere Optimierung des Spektrums der Statorströme beschränkt. Die Komplexität von Trajektorien der Referenzspannung: beschränkt die Anwendung der Antriebssysteme auf FTM. Intensive Untersuchungen, Inbetriebnahmen und Parametrierungen des Umrichters mit FTM sind notwendig, um eine „optimale“ Trajektorie der Referenzspannung zu finden bzw. zu definieren. Ferner werden zusätzliche Speicher- und Rechenressourcen der Recheneinheiten/Prozessoren im Falle der Addition von mehreren Referenztrajektorien benötigt.
Um Nachteile beim Umschalten des Modulationsverfahrens auf FTM zu mildern, bieten Lösungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, die Möglichkeit einer gewissen Variation des Modulationsindexes bei FTM an. In diesen Lösungen werden die Referenzspannungen im FTM-Modus dynamisch modifiziert, um Antriebsressourcen besser auszunutzen. Nachteilig an diesem letzterem Stand der Technik ist jedoch, dass die verfügbaren Ressourcen im Antriebssystem nicht optimal ausgenutzt werden, weil die Möglichkeit fehlt, einen gezielten, präzisen Modulationsindex des Umrichters während der FTM vorzugeben. Kennlinien, die den Verlauf des Modulationsindexes in Abhängigkeit von der Referenzspannung im kompletten Bereich der FTM charakterisieren, sind extrem nichtlinear und mathematisch schwer analysierbar. Die betrachteten Verfahren werden überwiegend in den Antriebssystemen mit veränderbaren Strukturen realisiert, die sehr oft Kommutatoren, Multiplexer oder Schaltkomponenten mit einem Hysterese-Effekt beinhalten. In diesem Falle ist die Nachvollziehbarkeit des Modulationsindex-Verlaufs mit den regulären Ausdrücken im mathematischen Sinn sehr problematisch. Intensive Untersuchungen, Inbetriebnahmen und Parametrierungen des Umrichters sind mit den oben beschriebenen Verfahren auch nicht zu vermeiden.
Nach Analyse der FTM-Lösungen aus dem Stand der Technik kann festgestellt werden, dass ohne direkte Vorgabe eines gewünschten Modulationsindexes die weiteren Optimierungen des Antriebssystems sehr problematisch sind. Zum Beispiel ruft ein „übersteuerter“ Modulationsindex die zusätzlichen Verluste in der elektrischen Maschine, ein unrundes Laufverhalten und eine Verschlechterung des Wirkungsgrades im Antriebssystem hervor. Ein „untersteuerter“ Modulationsindex begrenzt den Drehzahlbereich der elektrischen Maschine bzw. die Leistung des Antriebs.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung für einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen batteriebetriebenen elektrischen Antrieb zu schaffen, mit der der Antrieb unter Nutzung der verfügbaren Ressourcen des Antriebs möglichst verlustfrei arbeiten kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Steuerungsverfahren für einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen Fahrantrieb, eines Fahrzeugs, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine, wobei der elektrische Antrieb einen Drehstrommotor mit mindestens drei Phasen, einen regelbaren Umrichter für die Versorgung der Phasen mit elektrischer Energie aus einer Energiequelle, und eine Steuervorrichtung für den Umrichter aufweist, und in einem ersten Betriebsbereich in einem kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren sowie in einem zweiten Betriebsbereich in einem diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren durch die Steuervorrichtung betrieben wird, wobei die Steuervorrichtung eine Steuerlogik aufweist, die ausgebildet ist, basierend auf Ressourcen der Energiequelle zu entscheiden, ob der Umrichter in dem ersten Betriebsbereich oder in dem zweiten Betriebsbereich betrieben wird.
Ein solches Steuerungsverfahren bietet eine hochpräzise Ansteuerung eines regelbaren Umrichters mit Umschaltung zwischen einer diskontinuierlichen Pulsweitenmodulation und einer kontinuierlichen Pulsweitenmodulation basierend auf Ressourcen der Energiequelle. Damit lässt sich die Qualität der Regelung von batteriebetriebenen Fahrzeugen steigern, insbesondere bei einer schwankenden Batteriespannung.
Das Steuerungsverfahren ist verbunden mit einer signifikanten Erhöhung der Qualität der Drehmoment- und Drehzahlregelung von batteriebetriebenen Fahrzeuge bzw. Antrieben während des Betriebs, und zwar ohne dass zusätzliche Hardware-Ressourcen benötigt werden. Dadurch fallen keine Kosten in Form von Materialanschaffungen an. Die Qualität der Regelung, insbesondere Präzision des Fahrzeug-Handlings verbessert sich und führt zu einer verbesserten Kundenzufriedenheit. Das Steuerungsverfahren erhöht damit die Reichweite des Fahrzeugs, führt zu verbesserter Dynamik und einer höheren Endgeschwindigkeit.
Die Lösung ist universell und übertragbar auf alle dreiphasigen Umrichter mit B6-Brücken, insbesondere solche, die mit der modernen Raumzeigermodulation ausgestattet sind. Die Lösung ist besonders vorteilhaft für mobile und autarke elektrische Antriebe mit limitierten Ressourcen der Energiequelle.
Gemäß einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens umfasst das kontinuierliche Pulsweitenmodulationsverfahren eine Raumzeigermodulation, RZM.
Die Raumzeigermodulation nutzt die Energiequelle des Antriebs sehr gut aus und erreicht dabei einen maximalen Modulationsindex von m=0.907. Die Raumzeigermodulation erzeugt einfach Trajektorien der Referenzspannung und bietet ein gutes Spektrum der Statorströme.
Gemäß einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens umfasst das diskontinuierliche Pulsweitenmodulationsverfahren eine Flat-Top-Modulation, FTM, mit vorgebbarem Modulationsindex.
Ein solches Steuerungsverfahren bietet eine hochpräzise Aussteuerung eines Umrichters mit direkter Vorgabe seines Modulationsindexes (als Sollwert) während der Flat-Top-Modulation zwecks Erhöhung der Qualität der Regelung von batteriebetriebenen Fahrzeugen bei einer schwankenden Batteriespannung.
Gemäß einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens ist die Steuerlogik ausgebildet, im Falle einer positiven Energiebilanz der Energiequelle den Umrichter im ersten Betriebsbereich zu betreiben und im Falle einer negativen Energiebilanz der Energiequelle den Umrichter im zweiten Betriebsbereich zu betreiben.
Dies bietet den Vorteil, dass der Zustand (Ladezustand) der Energiequelle (Batterie) berücksichtigt wird, um eine optimale Steuerung des elektrischen Antriebs zu realisieren.
Gemäß einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens ist die Steuerlogik ausgebildet, den Umrichter basierend auf einer Schaltkennlinie zwischen dem ersten Betriebsbereich und dem zweiten Betriebsbereich umzuschalten.
Eine solche Schaltkennlinie ermöglicht eine einfache Umschaltung zwischen den beiden Betriebszuständen des Umrichters.
Gemäß einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens nimmt die Schaltkennlinie in einem ersten Drehzahlbereich des Drehstrommotors einen ersten Schwellwert an, nimmt in einem zweiten Drehzahlbereich des Drehstrommotors einen zweiten Schwellwert an, und geht in einem dritten Drehzahlbereich des Drehstrommotors zwischen dem ersten Drehzahlbereich und dem zweiten Drehzahlbereich von dem ersten Schwellwert zu dem zweiten Schwellwert über.
Durch die verschiedenen Bereiche der Schaltkennlinie kann eine sanfte Umschaltung zwischen den Betriebszuständen ermöglicht werden, so dass sich die Ressourcen der Energiequelle optimal ausnutzen lassen.
Gemäß einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens ist der Übergang der Schaltkennlinie von dem ersten Schwellwert zu dem zweiten Schwellwert monoton steigend, insbesondere linear.
Durch eine monoton steigende Schaltkennlinie lässt sich ein gutes Spektrum der Statorströme des elektrischen Motors realisieren, d.h. ein Spektrum, bei dem Harmonische möglichst gedämpft auftreten.
Gemäß einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens ist die Steuerlogik ausgebildet, basierend auf der Schaltkennlinie einen Modulationsindex des diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahrens mit proportionalen Ist- und Sollwerten zu betreiben.
Das Kriterium der Proportionalität zwischen den Soll- und Istwerten des Modulationsindexes garantiert einen gewünschten Aussteuerungsgrad des Umrichters durch den vorgegebenen Sollwert. Die Umsetzung dieses Kriteriums kann durch einen Algorithmus, wie unten beschrieben, optimal ausgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens ist die Steuervorrichtung ausgebildet, den Umrichter in dem ersten Betriebsbereich basierend auf einer vorgegebenen Referenzspannung zu betreiben.
Die Vorgabe der Referenzspannung bietet den Vorteil, dass eine im System vorhandene bzw. vorgegebene Referenzspannung genutzt werden kann, ohne dass weitere Komponenten notwendig sind, um eine bestimmte Referenzspannung zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens ist die Steuervorrichtung ausgebildet, den Umrichter in dem zweiten Betriebsbereich basierend auf einer Skalierung der Referenzspannung zu betreiben.
Dies bietet den Vorteil, dass eine einzige Referenzspannung ausreichend ist, die für den ersten Betriebsbereich direkt genutzt werden kann und für den zweiten Betriebsbereich in skalierter Form verwendet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens erfolgt die Skalierung der Referenzspannung basierend auf einer vorgebbaren Änderung insbesondere Erhöhung eines Modulationsindex des diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahrens.
Dies bietet den Vorteil, dass durch die vorgebbare Änderung des Modulationsindex ein gewünschter Aussteuerungsgrad des Umrichters realisiert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens wird ein Skalierungsfaktor der Skalierung der Referenzspannung basierend auf dem folgenden Algorithmus bestimmt: Kr = 1+0.01*(exp(Δm/0.036)-1), wobei Kr den Skalierungsfaktor und Δm die vorgebbare Änderung des Modulationsindex angibt.
Ein solcher Algorithmus gewährleistet eine präzise Übereinstimmung zwischen den Soll- und Istwerten des Modulationsindexes durch die Kompensation der extremen Nichtlinearität in der Kennlinie „Referenzspannung-Modulationsindex“. Damit kann mit einem gezielten Aussteuerungsgrad des Umrichters die Qualität des Fahrzeug-Handlings trotz instabiler Batteriespannung erhöht werden. Der Algorithmus stellt insbesondere für eine FTM im Bereich 0.907<m<=1 eine praxisrelevante Lösung dar.
Gemäß einer Ausführungsform des Steuerungsverfahrens wird die mit der Skalierung skalierte Referenzspannung basierend auf einer Begrenzung limitiert.
Dies bietet den Vorteil, dass Übersteuerungen der Referenzspannung verhindert werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch Fahrzeug, insbesondere eine mobile Arbeitsmaschine, mit einem elektrischen Antrieb, der einen Drehstrommotor mit mindestens drei Phasen, einen regelbaren Umrichter für die Versorgung der Phasen mit elektrischer Energie aus einer Energiequelle, und eine Steuervorrichtung für den Umrichter aufweist, bei dem die Steuervorrichtung ein Steuerungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durchführt.
Ein solches Fahrzeugs, beispielsweise eine mobile Arbeitsmaschine, lässt sich mit hoher Qualität steuern, insbesondere bei einer schwankenden Batteriespannung. Die Arbeitsmaschine benötigt dazu keine zusätzlichen Hardware-Ressourcen, so dass keine Kosten in Form von Materialanschaffungen anfallen. Aufgrund der Steuerungsvorrichtung erhöht sich die Reichweite eines mit einer solchen ausgestatteten Fahrzeugs. Das Fahrzeug verfügt über eine verbesserte Dynamik und eine höhere Endgeschwindigkeit.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Steuerungsvorrichtung für einen regelbaren Umrichter eines elektrischen Antriebs, insbesondere eines Fahrantriebs, eines Fahrzeugs, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine, wobei der elektrische Antrieb einen Drehstrommotor mit mindestens drei Phasen aufweist, wobei der regelbare Umrichter ausgebildet ist, die Phasen mit elektrischer Energie aus einer Energiequelle zu versorgen und die Steuervorrichtung ausgebildet ist, den Umrichter in einem ersten Betriebsbereich in einem kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren sowie in einem zweiten Betriebsbereich in einem diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren zu betreiben, wobei die Steuervorrichtung eine Steuerlogik aufweist, die ausgebildet ist, basierend auf Ressourcen der Energiequelle zu entscheiden, ob der Umrichter in dem ersten Betriebsbereich oder in dem zweiten Betriebsbereich betrieben wird.
Eine solche Steuerungsvorrichtung bietet eine hochpräzise Aussteuerung eines regelbaren Umrichters mit Umschaltung zwischen einer diskontinuierlichen Pulsweitenmodulation und einer kontinuierlichen Pulsweitenmodulation basierend auf Ressourcen der Energiequelle. Damit lässt sich die Qualität der Regelung von batteriebetriebenen Fahrzeugen steigern, insbesondere bei einer schwankenden Batteriespannung.
Die Lösung ist universell und übertragbar auf alle dreiphasigen Wechselrichter mit B6-Brücken, insbesondere solche, die mit der modernen Raumzeigermodulation ausgestattet sind. Die Lösung ist besonders vorteilhaft für mobile und autarke elektrische Antriebe mit limitierten Ressourcen der Energiequelle.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt

1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Steuerungsverfahrens 100 eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs,
2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens 200 eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs,
3 ein schematisches Diagramm 300, das verschiedene Trajektorien der Referenzspannung für herkömmliche und erfindungsgemäße Steuerungsverfahren veranschaulicht und
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens 400 eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu vermitteln. Für einen Fachmann kann es jedoch offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form dargestellt, um das Beschreiben von einem oder mehreren Aspekten oder Ausführungsformen zu erleichtern. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Wenngleich ein bestimmtes Merkmal oder ein bestimmter Aspekt einer Ausführungsform bezüglich nur einer von mehreren Implementierungen offenbart worden sein mag, kann außerdem ein derartiges Merkmal oder ein derartiger Aspekt mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie für eine gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein kann. Weiterhin sollen in dem Ausmaß, in dem die Ausdrücke „enthalten“, „haben“, „mit“ oder andere Varianten davon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet werden, solche Ausdrücke auf eine Weise ähnlich dem Ausdruck „umfassen“ einschließend sein. Die Ausdrücke „gekoppelt“ und „verbunden“ können zusammen mit Ableitungen davon verwendet worden sein. Es versteht sich, dass derartige Ausdrücke dazu verwendet werden, um anzugeben, dass zwei Elemente unabhängig davon miteinander kooperieren oder interagieren, ob sie in direktem physischem oder elektrischem Kontakt stehen oder nicht in direktem Kontakt miteinander stehen. Außerdem ist der Ausdruck „beispielhaft“ lediglich als ein Beispiel aufzufassen anstatt der Bezeichnung für das Beste oder Optimale. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen.
Die 1 zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Steuerungsverfahrens 100 eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs. Das Antriebssystem nach 1 beinhaltet die folgenden Blöcke: Frequenzumrichter 101, „Sinus“-Referenzspannung für SSDM 102, „Flat-Top“-Referenzspannung für FTM 103, Selektor der Referenzspannungen 104, PWM-Treiber 105, Transistorbrücke des B6-Umrichters 106, Traktionsbatterie (Energiequelle) 107, elektrische Maschine 108, Drehzahlgeber 109, PWM-Sollwertgeber 110, Schaltkennlinie 111 und Recheneinheit 112.
Der Umrichter 101 dient zur Versorgung eines Drehstrommotors 108 über Halbleiterbrücken 106 bzw. Transistorbrücken. Die Halbleiterbrücken 106 und der Umrichter 101 werden aus einer Spannungsquelle 107, die in dem vorliegenden Beispiel eine Traktionsbatteriebatterie ist, mit Spannung versorgt. Der Umrichter 101 weist eine erste Referenzspannung 102 für eine Sinuskommutierung bzw. kontinuierliche Pulsweitenmodulation und eine zweite Referenzspannung 103 für eine Flat-Top-Modulation bzw. diskontinuierliche Pulsweitenmodulation auf. Über einen Selektor 104 erzeugt ein PMW-Treiber 105 die Ansteuersignale für die Halbleiterbrücken 106, wobei die Sollwerte 110 für die Ansteuerung der Phasen des Drehstrommotors 108 vorgegeben werden. Ein Drehzahlsensor 109 erfasst die Istdrehzahl des Drehstrommotors 108, aus denen eine Recheneinheit 112 die entsprechenden Drehzahlwerte bestimmt. Eine Schaltkennlinie 111 gibt einen systemspezifischen Schwellenwert vor, ab dem der Selektor 104 von einer Pulsweitenmodulation auf der Grundlage der ersten Referenzspannung 102 auf die zweite Referenzspannung 103 und somit von einer Sinuskommmutierung als kontinuierliche Pulsweitenmodulation auf eine Flat-Top-Modulation als diskontinuierliche Pulsweitenmodulation umschaltet.
Der Umrichter 101 verfügt über zwei Referenzspannungen 102, 103, die beim Umschalten der Modulationsverfahren jeweils zwei maximale Modulationsindizes des Umrichters gewährleisten können. Die erste Referenzspannung gemäß Block 102 ist für die Sinuskommutierung zuständig. Während der Sinuskommutierung wird die Aussteuerung des Umrichters mit einem maximalen Wert (m=0.907) limitiert. Die zweite Referenzspannung gemäß Block 103 generiert eine „Flat-Top“-Referenzspannung für eine bessere Ausnutzung der Energiequelle 107. Der Modulationsindex beträgt in diesem Betriebszustand einen maximalen Wert (m=1).
Der Selektor 104 wählt das gewünschte Modulationsverfahren mit Hilfe eines Schaltkommandos aus dem Block 111, d.h. der Schaltkennlinie aus. Die Kennlinie des Blocks 111 hat einen systemspezifischen Drehzahlpegel, ab dem das Schaltkommando für den Block 104 aktiviert wird. Der PWM-Treiber, d.h. Block 105 bestimmt die Breiten der Impulse, die durch den Vergleich zwischen Sollwert (Block 110) und ausgewählter Referenzspannung (Block 104) entstehen. Die Transistorbrücke des Umrichters (Block 106) liefert die erforderliche Spannung (bzw. Leistung) für die elektrische Maschine (Block 108). Die Recheneinheit (Block 112) ermittelt die Ist-Drehzahl des Motors 108 mit Hilfe des Drehzahlsensors (Block 109) und bildet die digitalen Kommandos für den Block 104.
Das Antriebssystem mit dem Umschalten der Modulationsverfahren gemäß 1 bietet die folgenden Vorteile: Bei niedrigen Motordrehzahlen gewährleistet der Umrichter ein sehr gutes Spektrum des Statorstromes der elektr. Maschine. Im höheren Drehzahlbereich gewährleistet die FTM minimale „Spannungsabfälle“ im Umrichter und eine maximale Leistung des Antriebs.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens 200 eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs. Das Blockschaltbild umfasst die folgenden Blöcke: Frequenzumrichter 201, Referenzspannung 202, z.B. sinusförmig (beispielsweise entsprechend der SSDM, wie oben zu 1 beschrieben), Produkt-Block 203, Begrenzer 204 der Referenzspannung, PWM-Treiber 205, Transistorbrücke 206 des Umrichters, Batterie (Spannungsquelle) 207, elektrische Maschine 208, Drehzahlgeber 209, PWM-Sollwert 210, Schaltkennlinie (SSDM-FTM) 211, Recheneinheit 212, Funktionsblock 213 der Skalierung der Referenzspannungs-Trajektorie (FBSR).
Der Frequenzumrichter 201 beinhaltet vorteilhaft nur eine klassische sinusoidale Referenzspannung 202, deren Trajektorie der modernen Raumzeigermodulation (RZM) entspricht. Der Frequenzumrichter 201 kann mit dieser Referenzspannung den maximalen Wert des Modulationsindexes (m=0.907) erreichen. In Abhängigkeit von den verfügbaren Ressourcen der Energiequelle 207 wird entschieden, ob im Antriebssystem entweder die Raumzeigermodulation (RZM) mit der klassischen Referenzspannung 202 oder FTM mit Vorgabe des gewünschten Modulationsindexes aktiviert werden soll.
Die Auswahlentscheidung kommt durch die Kommandos aus einer Recheneinheit 212. Die Recheneinheit 212 „sammelt“ bzw. bestimmt alle wichtigen Informationen über die Antriebsressourcen (Blöcke 207, 209, 210) und im Falle einer positiven Energiebilanz wird der Ausgang des Blocks 212 deaktiviert. Ein inaktiver Zustand des Blocks 212 liefert mit Hilfe des Blocks 211 ,,Schaltkennlinie (SSDM-FTM)“ ein NULL-Kommando (Strecke OA, 211a). Dieses Kommando entspricht einer PWM-Ansteuerung des Umrichters 201, die ein gutes Spektrum der Statorströme des elektrischen Motors erzielt. Der Funktionsblock 213 liefert in diesem Zustand einen Skalierfaktor (Kr=1), um die RZM-Referenzspannung ohne Modifikation bzw. Korrektur durchzulassen und einen gewünschten Modulationsindex bis zu k=0.907 zu gewährleisten. Der gewünschte Modulationsindex wird klassisch über den PWM-Sollwert (Ausgang des Blocks 210) vorgegeben.
Wenn die Raumzeigermodulation (RZM) eine erforderte Antriebsleistung aufgrund der limitierten Aussteuerung des Umrichters 201 beschränkt, aktiviert die Recheneinheit (Ausgang des Blocks 212) mit Hilfe der Schaltkennlinie (Block 211, Strecke AB, 211b) den FTM-Modus im Umrichter 201 (Bereich: 0.907<m<=1) durch eine zusätzliche Skalierung (Blöcke 203, 213) der RZM-Referenzspannung 202. Der Ausgang des Blocks 210 liefert im FTM-Modus des Umrichters 201 immer einen maximalen Wert, der einer maximalen Aussteuerung (m=0.907) während der RZM entspricht.
Die Skalierung der RZM-Referenzspannung im FTM-Modus kann gemäß dem Kriterium „Proportionalität zwischen den Soll- und Istwerten des Modulationsindexes“ realisiert werden, um einen gewünschten Aussteuerungsgrad des Umrichters 201 durch den vorgegebenen Sollwert zu erzielen. Die Umsetzung dieses Kriteriums gewährleistet der Funktionsblock 213, der den aktuellen Skalierungsfaktor gemäß dem folgenden vorgeschlagenen Algorithmus zur Verfügung stellt: $Kr = 1 + 0.01 * (exp (Δ m / 0.036) - 1),$
wobei Kr den Skalierungsfaktor der RZM-Referenzspannung darstellt (Ausgang des Blockes 213) und Δm eine Vorgabe einer Erhöhung des Modulationsindexes während der FTM (Ausgang des Blockes 211). Ein resultierender Modulationsindex des Umrichters 201 ergibt sich also zu m=0.907+ Δm, wobei m<=1. Das Resultat der Skalierung (Ausgang des Blockes 203) wird im Block 204 „Begrenzer der Referenzspannung“ limitiert (max. „1“, normiert).
Der oben dargestellte Algorithmus stellt einen Kernpunkt des Steuerungsverfahrens 200 dar. Dieser praxisrelevante mathematische Algorithmus für die FTM (Bereich: 0.907<m<=1) gewährleistet eine präzise Übereinstimmung zwischen den Soll-und Istwerten des Modulationsindexes durch die Kompensation der extremen Nichtlinearität in der Kennlinie „Referenzspannung-Modulationsindex“. Damit kann mit einem gezielten Aussteuerungsgrad des Umrichters die Qualität des Fahrzeug-Handlings trotz instabiler Batteriespannung erhöht werden.
Die hochdynamische Anpassung des Aussteuerungsgrades vom Umrichter 201 bietet eine adaptive Regelung der Statorspannung des elektrischen Motors 208 (Eingang des Blocks 208) im Falle der schwankenden Batteriespannung (Block 207). Die Blöcke 205-209 sind identisch mit den Blöcken 105-109, die bei der Beschreibung der herkömmlichen Lösung 100 gemäß 1 erläutert wurden.
Der oben beschriebene Algorithmus wurde mit Hilfe von Methoden der numerischen Mathematik synthetisiert. Die maximale Abweichung zwischen Soll-und Istwerten des Modulationsindexes beträgt weniger als +/-1%.
Die vorgeschlagene Lösung bietet eine hochpräzise Aussteuerung eines Frequenzumrichters mit direkter Vorgabe seines Modulationsindexes (als Sollwert) während der Flat-Top-Modulation zwecks Erhöhung der Qualität der Regelung von batteriebetriebenen Fahrzeugen bei einer schwankenden Batteriespannung.
Die Lösung basiert auf den folgenden Voraussetzungen: Trajektorie(n) der Referenzspannung sind klassisch; eine Addition von mehreren Trajektorien wird aufgrund der Komplexität der Realisierung nicht akzeptiert; die stationäre und dynamische Genauigkeit der Umsetzung des vorgegebenen Modulationsindexes ist hoch; eine Vorgabe des Modulationsindexes während der FTM ist mit einem separaten Eingang vorgesehen; es werden keine Kommutatoren, Multiplexer und Schaltkomponenten mit Hysterese-Effekten genutzt; und es sind keine intensiven Untersuchungen und Inbetriebnahmen des Umrichters nötig.
Damit können die folgenden Vorteile erzielt werden: Der Frequenzumrichter 201 wird immer optimal ausgesteuert, d.h. es kommt immer zu einer korrekten Statorspannung und Statorfrequenz des elektrischen Motors 208 mit einem bestmöglichen Spektrum der Statorströme. Eine „komfortable“ Vorgabe des Modulationsindexes während der FTM kann erreicht werden, der mit einem separaten Eingang vorgegeben wird. Eine einfache Realisierung des Algorithmus „Proportionalität zwischen den Soll- und Istwerten des Modulationsindexes“ ist möglich, der auf einer klassischen Exponentialfunktion basiert. Ferner ist eine einfache Realisierung und Skalierung der Referenzspannung möglich. Die Lösung bietet eine hohe Qualität der Drehmoment- und Drehzahlregelung des elektrischen Motors bzw. eine hohe Handling-Qualität des Fahrzeuges. Keine zusätzlichen Hardware-Ressourcen im Antriebssystem werden benötigt. Die Reduktion der Oberschwingungen im Statorstrom mindert die Verluste in der elektrischen Maschine. Ein hoher Wirkungsgrad des Antriebssystems ist erzielbar. Es kommt zu keinen oder nur geringen zusätzlichen mechanischen Vibrationen, so dass eine längere Lebensdauer der Maschine gewährleistet werden kann, was mit einer erhöhten Zufriedenheit der Kunden bzw. Nutzer einhergeht.
Die vorgeschlagene Lösung erhöht die Qualität der Drehmoment- und Drehzahlregelung der batteriebetriebenen Fahrzeuge/Antriebe während des Betriebs (ohne zusätzliche Hardware-Ressourcen) signifikant. Dadurch fallen keine Kosten in Form von Materialanschaffungen an. Die Qualität der Regelung (z.B. Präzision des Fahrzeug-Handlings oder Kundenzufriedenheit) kann erhöht werden. Es kommt zu Ersparnissen z.B. in Form von erhöhten Reichweiten, Dynamik oder Endgeschwindigkeit des Fahrzeugs.
Die Lösung ist universell und übertragbar auf alle dreiphasigen Wechselrichter mit B6-Brücken, die mit der modernen Raumzeigermodulation ausgestattet sind. Die Lösung ist für mobile und autarke elektrische Antriebe besonders vorteilhaft, bei denen die Ressourcen der Energiequelle limitiert sind.
Die beschriebene Lösung kann beispielsweise in einem Frequenzumrichter von batteriebetriebenen AGV (engl. Automated Guided Vehicle, deutsch: Fahrerloses Transportfahrzeug) eingesetzt werden.
3 zeigt ein schematisches Diagramm 300, das verschiedene Trajektorien der Referenzspannung für ein erfindungsgemäßes Steuerungsverfahren veranschaulicht. Es werden beispielhaft drei Trajektorien 301, 302, 303 der Referenzspannung (Ausgang des Blockes 204 gem. 2) für die unterschiedlichen Modulationsindizes des Umrichters 201 dargestellt.
Die erste Trajektorie 301 gewährleistet einen Modulationsindex im Bereich 0<=m<=0.907. Sie entspricht der klassischen Raumzeigermodulation (RZM), d.h. gemäß der Strecke OA der Schaltkennlinie 211 aus 2.
Die zweite Trajektorie 302 gewährleistet einen Modulaltionsindex (m=0.95) während der FTM mit der Proportionalität zwischen den Soll-und Istwerten des Modulationsindexes gewährleistet (Mitte der Strecke AB der Schaltkennlinie 11).
Die dritte Trajektorie 303 gewährleistet den Modulationsindex m=0.99 während der FTM mit der Proportionalität zwischen den Soll-und Istwerten des Modulationsindexes (Strecke AB, in der Nähe vom Punkt B der Schaltkennlinie 211). Im Blockbetrieb (m=1) ist die modifizierte Referenzspannung am Ausgang des Blockes 204 immer auf „1“ begrenzt, weil die Schaltkennlinie 211 eine maximale Erhöhung des Modulationsindexes mit dem Wert Δm=0.1 (Strecke BC) erfordert.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens 400 eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine. Das Steuerungsverfahren 400 dient zur Steuerung eines elektrischen Antriebs, insbesondere eines Fahrantriebs einer mobilen Arbeitsmaschine, wobei der elektrische Antrieb einen Drehstrommotor 208 mit mindestens drei Phasen, einen regelbaren Umrichter 201 für die Versorgung der Phasen mit elektrischer Energie aus einer Energiequelle 207, und eine Steuervorrichtung 211, 212 für den Umrichter 201 aufweist, wie in 2 dargestellt. Das Steuerungsverfahren 400 wird in einem ersten Betriebsbereich in einem kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren sowie in einem zweiten Betriebsbereich in einem diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren durch die Steuervorrichtung betrieben 401. Die Steuervorrichtung weist eine Steuerlogik 212 auf, wie zu 2 näher beschrieben, welche ausgebildet ist, basierend auf Ressourcen der Energiequelle 207 zu entscheiden 402, ob der Umrichter 201 in dem ersten Betriebsbereich oder in dem zweiten Betriebsbereich betrieben wird.
Das kontinuierliche Pulsweitenmodulationsverfahren kann in einer Ausführungsform eine Raumzeigermodulation, RZM, umfassen, wie z.B. zu den 1 und 2 beschrieben. Das diskontinuierliche Pulsweitenmodulationsverfahren kann in einer Ausführungsform eine Flat-Top-Modulation, FTM, mit vorgebbarem Modulationsindex umfassen, wie z.B. zu den 1 und 2 beschrieben.
Die Steuerlogik 212 kann im Falle einer positiven Energiebilanz der Energiequelle 207 den Umrichter 201 im ersten Betriebsbereich betreiben und im Falle einer negativen Energiebilanz der Energiequelle 207 den Umrichter 201 im zweiten Betriebsbereich betreiben. Die Steuerlogik 212 kann den Umrichter 201 basierend auf einer Schaltkennlinie 211 zwischen dem ersten Betriebsbereich und dem zweiten Betriebsbereich umschalten, wie z.B. oben zu 2 beschrieben.
Die Schaltkennlinie 211 kann in einem ersten Drehzahlbereich 211a des Drehstrommotors 208 einen ersten Schwellwert annehmen, in einem zweiten Drehzahlbereich 211c des Drehstrommotors 208 einen zweiten Schwellwert annehmen, und in einem dritten Drehzahlbereich 211b des Drehstrommotors 208 zwischen dem ersten Drehzahlbereich 211a und dem zweiten Drehzahlbereich 211c von dem ersten Schwellwert zu dem zweiten Schwellwert übergehen, wie z.B. oben zu 2 beschrieben. Der Übergang der Schaltkennlinie 211 von dem ersten Schwellwert zu dem zweiten Schwellwert kann monoton steigend, insbesondere linear sein, wie z.B. oben zu 2 beschrieben.
Die Steuerlogik 212 kann ausgebildet sein, basierend auf der Schaltkennlinie 211 einen Modulationsindex des diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahrens mit proportionalen Ist- und Sollwerten zu betreiben. Die Steuervorrichtung 211, 212 kann ferner ausgebildet sein, den Umrichter 201 in dem ersten Betriebsbereich basierend auf einer vorgegebenen Referenzspannung 202 zu betreiben, wie z.B. oben zu 2 beschrieben. Die Steuervorrichtung 211, 212 kann ausgebildet sein, den Umrichter 201 in dem zweiten Betriebsbereich basierend auf einer Skalierung 203, 213 der Referenzspannung 202 zu betreiben, wie z.B. oben zu 2 beschrieben. Die Skalierung 203, 213 der Referenzspannung 202 kann basierend auf einer vorgebbaren Änderung insbesondere Erhöhung eines Modulationsindex des diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahrens erfolgen, wie z.B. oben zu 2 beschrieben.
Ein Skalierungsfaktor der Skalierung 203, 213 der Referenzspannung 202 kann z.B. basierend auf dem folgenden Algorithmus bestimmt werden: Kr = 1+0.01*(exp(Δm/0.036)-1), wobei Kr den Skalierungsfaktor und Δm die vorgebbare Änderung des Modulationsindex angibt. Die mit der Skalierung 203, 213 skalierte Referenzspannung kann basierend auf einer Begrenzung 204 limitiert werden, wie z.B. oben zu 2 beschrieben.
Das Steuerungsverfahren 400 kann von einer Steuervorrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine, durchgeführt werden. Eine solche mobile Arbeitsmaschine umfasst einen elektrischen Antrieb, der einen Drehstrommotor 208 mit mindestens drei Phasen, einen regelbaren Umrichter 201 für die Versorgung der Phasen mit elektrischer Energie aus einer Energiequelle 207, und die Steuervorrichtung 211, 212 für den Umrichter 201, wie z.B. oben zu 2 beschrieben.
Es ist selbstverständlich, dass die Merkmale der verschiedenen beispielhaft hierin beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, außer wenn spezifisch anderweitig angegeben. Wie in der Beschreibung und den Zeichnungen dargestellt müssen einzelne Elemente, die in Verbindung stehend dargestellt wurden, nicht direkt miteinander in Verbindung stehen; Zwischenelemente können zwischen den verbundenen Elementen vorgesehen sein. Ferner ist es selbstverständlich, dass Ausführungsformen der Erfindung in einzelnen Schaltungen, teilweise integrierten Schaltungen oder vollständig integrierten Schaltungen oder Programmiermitteln implementiert sein können. Der Begriff „beispielsweise“ ist lediglich als ein Beispiel gemeint und nicht als das Beste oder Optimale. Es wurden bestimmte Ausführungsformen hierin veranschaulicht und beschrieben, doch für den Fachmann ist es offensichtlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichartigen Implementierungen anstelle der gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen verwirklicht werden können, ohne vom Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Steuerungsverfahren (400) für einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen Fahrantrieb, eines Fahrzeugs, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine, wobei der elektrische Antrieb einen Drehstrommotor (208) mit mindestens drei Phasen, einen regelbaren Umrichter (201) für die Versorgung der Phasen mit elektrischer Energie aus einer Energiequelle (207), und eine Steuervorrichtung (211, 212) für den Umrichter (201) aufweist, und in einem ersten Betriebsbereich in einem kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren sowie in einem zweiten Betriebsbereich in einem diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren durch die Steuervorrichtung betrieben (401) wird, wobei die Steuervorrichtung eine Steuerlogik (212) aufweist, die ausgebildet ist, basierend auf Ressourcen der Energiequelle (207) zu entscheiden (402), ob der Umrichter (201) in dem ersten Betriebsbereich oder in dem zweiten Betriebsbereich betrieben wird.
Steuerungsverfahren (400) nach Anspruch 1, wobei das kontinuierliche Pulsweitenmodulationsverfahren eine Raumzeigermodulation, RZM, umfasst.
Steuerungsverfahren (400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das diskontinuierliche Pulsweitenmodulationsverfahren eine Flat-Top-Modulation, FTM, mit vorgebbarem Modulationsindex umfasst.
Steuerungsverfahren (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerlogik (212) ausgebildet ist, im Falle einer positiven Energiebilanz der Energiequelle (207) den Umrichter (201) im ersten Betriebsbereich zu betreiben und im Falle einer negativen Energiebilanz der Energiequelle (207) den Umrichter (201) im zweiten Betriebsbereich zu betreiben.
Steuerungsverfahren (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerlogik (212) ausgebildet ist, den Umrichter (201) basierend auf einer Schaltkennlinie (211) zwischen dem ersten Betriebsbereich und dem zweiten Betriebsbereich umzuschalten.
Steuerungsverfahren (400) nach Anspruch 5, wobei die Schaltkennlinie (211) in einem ersten Drehzahlbereich (211a) des Drehstrommotors (208) einen ersten Schwellwert annimmt, in einem zweiten Drehzahlbereich (211c) des Drehstrommotors (208) einen zweiten Schwellwert annimmt, und in einem dritten Drehzahlbereich (211b) des Drehstrommotors (208) zwischen dem ersten Drehzahlbereich (211a) und dem zweiten Drehzahlbereich (211c) von dem ersten Schwellwert zu dem zweiten Schwellwert übergeht.
Steuerungsverfahren (400) nach Anspruch 6, wobei der Übergang der Schaltkennlinie (211) von dem ersten Schwellwert zu dem zweiten Schwellwert monoton steigend, insbesondere linear ist.
Steuerungsverfahren (400) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Steuerlogik (212) ausgebildet ist, basierend auf der Schaltkennlinie (211) einen Modulationsindex des diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahrens mit proportionalen Ist- und Sollwerten zu betreiben.
Steuerungsverfahren (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (211, 212) ausgebildet ist, den Umrichter (201) in dem ersten Betriebsbereich basierend auf einer vorgegebenen Referenzspannung (202) zu betreiben.
Steuerungsverfahren (400) nach Anspruch 9, wobei die Steuervorrichtung (211, 212) ausgebildet ist, den Umrichter (201) in dem zweiten Betriebsbereich basierend auf einer Skalierung (203, 213) der Referenzspannung (202) zu betreiben.
Steuerungsverfahren (400) nach Anspruch 10, wobei die Skalierung (203, 213) der Referenzspannung (202) basierend auf einer vorgebbaren Änderung insbesondere Erhöhung eines Modulationsindex des diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahrens erfolgt.
Steuerungsverfahren (400) nach Anspruch 11, wobei ein Skalierungsfaktor der Skalierung (203, 213) der Referenzspannung (202) basierend auf dem folgenden Algorithmus bestimmt wird: Kr = 1+0.01*(exp(Δm/0.036)-1), wobei Kr den Skalierungsfaktor und Δm die vorgebbare Änderung des Modulationsindex angibt.
Steuerungsverfahren (400) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die mit der Skalierung (203, 213) skalierte Referenzspannung basierend auf einer Begrenzung (204) limitiert wird.
Fahrzeug, insbesondere mobile Arbeitsmaschine mit einem elektrischen Antrieb, der einen Drehstrommotor (208) mit mindestens drei Phasen, einen regelbaren Umrichter (201) für die Versorgung der Phasen mit elektrischer Energie aus einer Energiequelle (207), und eine Steuervorrichtung (211, 212) für den Umrichter (201) aufweist, bei dem die Steuervorrichtung ein Steuerungsverfahren (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchführt.
Steuerungsvorrichtung (211, 212) für einen regelbaren Umrichter (201) eines elektrischen Antriebs, insbesondere eines Fahrantriebs, eines Fahrzeugs, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine, wobei der elektrische Antrieb einen Drehstrommotor (208) mit mindestens drei Phasen aufweist, wobei der regelbare Umrichter (201) ausgebildet ist, die Phasen mit elektrischer Energie aus einer Energiequelle (207) zu versorgen und die Steuervorrichtung (211, 212) ausgebildet ist, den Umrichter (201) in einem ersten Betriebsbereich in einem kontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren sowie in einem zweiten Betriebsbereich in einem diskontinuierlichen Pulsweitenmodulationsverfahren zu betreiben, wobei die Steuervorrichtung eine Steuerlogik (212) aufweist, die ausgebildet ist, basierend auf Ressourcen der Energiequelle (207) zu entscheiden, ob der Umrichter (201) in dem ersten Betriebsbereich oder in dem zweiten Betriebsbereich betrieben wird.