DE102019204205A1 - Method for operating a drive system of an electric vehicle and a drive system for an electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems (100) eines Elektrofahrzeugs, umfassend eine elektrische Maschine (54) eine Invertereinheit (30) zum Ansteuern der elektrischen Maschine (54), welche eine Momentensteuereinheit (32) und eine Ansteuereinheit (52) aufweist, wobei von der Momentensteuereinheit (32) eine Ist-Drehzahl (40) der elektrischen Maschine (54) erfasst und aus der Ist-Drehzahl (40) der elektrischen Maschine (54) und einer Solldrehzahl (62) eine Regelabweichung (46) berechnet wird; von einem Regler (42) der Momentensteuereinheit (32) aus der Regelabweichung (46) ein Korrekturmoment (44) berechnet wird; von der Momentensteuereinheit (32) aus dem Korrekturmoment (44) und einem Vorgabemoment (50) ein Zielmoment (51) berechnet wird; von der Ansteuereinheit (52) aus dem Zielmoment (51) einen Zielstrom (57) berechnet wird; und die elektrische Maschine (54) von der Ansteuereinheit (52) mit dem Zielstrom (57) angesteuert wird. Die Erfindung betrifft auch ein Antriebssystem (100) zur Durchführung des Verfahrens für ein Elektrofahrzeug. The invention relates to a method for operating a drive system (100) of an electric vehicle, comprising an electric machine (54), an inverter unit (30) for controlling the electric machine (54), which has a torque control unit (32) and a control unit (52), wherein the torque control unit (32) detects an actual speed (40) of the electric machine (54) and a control deviation (46) is calculated from the actual speed (40) of the electric machine (54) and a target speed (62); A regulator (42) of the torque control unit (32) calculates a correction torque (44) from the control deviation (46); a target torque (51) is calculated by the torque control unit (32) from the correction torque (44) and a preset torque (50); a target current (57) is calculated by the control unit (52) from the target torque (51); and the electric machine (54) is controlled by the control unit (52) with the target current (57). The invention also relates to a drive system (100) for carrying out the method for an electric vehicle.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems eines Elektrofahrzeugs, welches ein Getriebe mit mindestens einem Achsdifferential mindestens einer angetriebenen Achse des Elektrofahrzeugs, eine elektrische Maschine zum Antrieb des Getriebes und eine Invertereinheit zum Ansteuern der elektrischen Maschine, welche eine Momentensteuereinheit und eine Ansteuereinheit aufweist, umfasst. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeugs, welches ein Getriebe mit mindestens einem Achsdifferential mindestens einer angetriebenen Achse des Elektrofahrzeugs, eine elektrische Maschine zum Antrieb des Getriebes und eine Invertereinheit zum Ansteuern der elektrischen Maschine, welche eine Momentensteuereinheit und eine Ansteuereinheit aufweist, umfasst.The invention relates to a method for operating a drive system of an electric vehicle, which has a transmission with at least one axle differential of at least one driven axle of the electric vehicle, an electric machine for driving the transmission and an inverter unit for controlling the electric machine, which has a torque control unit and a control unit has, includes. The invention also relates to a drive system for an electric vehicle, which has a transmission with at least one axle differential of at least one driven axle of the electric vehicle, an electric machine for driving the transmission and an inverter unit for controlling the electric machine, which has a torque control unit and a control unit, includes.
Stand der TechnikState of the art
Eine Vorrichtung zum Regeln eines Motors, insbesondere eines Fahrzeugmotors, ist aus der
Fahrzeuge mit einem elektrischen Antrieb und einem mit diesem verbundenen an einer angetriebenen Achse vorgesehenen Achsdifferential weisen eine sehr hohe Dynamik hinsichtlich der auftretenden Antriebsmomente auf. Dadurch kann es speziell bei inhomogenen Reibwertverhältnissen zu stark unterschiedlichen Radgeschwindigkeiten zwischen dem linken und dem rechten Rad einer angetriebenen Achse kommen. Die daraus resultierende hohe Differenzgeschwindigkeit stellt eine starke mechanische Belastung des Achsdifferentials der angetriebenen Achse dar. Es kann zu Schädigungen des Achsdifferentials und resultierend daraus im schlimmsten Fall zu einem Totalausfall des Antriebsstrangs kommen. Der Fahrkomfort leidet ebenfalls aufgrund auftretender Geräusche und mit diesen einhergehender Vibrationen. Ein korrigierender Eingriff bekannter Radregelsysteme z. B. ESP-TCS, kommt nur nach Ablauf einer Zeitspanne d. h. verspätet zur Wirkung. Die Ursache dafür ist unter anderem in langen Signallaufzeiten, welche auch als Latenzen bezeichnet werden, zwischen den beteiligten Steuergeräten in der Work-Kette im Fahrzeug zu suchen.Vehicles with an electric drive and an axle differential connected to it and provided on a driven axle have very high dynamics with regard to the drive torques that occur. This can lead to very different wheel speeds between the left and right wheels of a driven axle, especially with inhomogeneous coefficients of friction. The resulting high differential speed represents a strong mechanical load on the axle differential of the driven axle. This can damage the axle differential and, in the worst case, lead to a total failure of the drive train. The driving comfort also suffers due to the noises occurring and the vibrations associated with them. A corrective intervention of known wheel control systems z. B. ESP-TCS, comes only after a period of time d. H. belated to take effect. The reason for this is, among other things, long signal transit times, which are also referred to as latencies, between the control units involved in the work chain in the vehicle.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems eines Elektrofahrzeugs vorgeschlagen. Das Antriebssystem umfasst dabei ein Getriebe mit mindestens einem Achsdifferential mindestens einer angetriebenen Achse des Elektrofahrzeugs, eine elektrische Maschine zum Antrieb des Getriebes und eine Invertereinheit zum Ansteuern der elektrischen Maschine. Die Invertereinheit weist dabei eine Momentensteuereinheit und eine Ansteuereinheit auf.A method for operating a drive system of an electric vehicle is proposed. The drive system comprises a transmission with at least one axle differential of at least one driven axle of the electric vehicle, an electric machine for driving the transmission and an inverter unit for controlling the electric machine. The inverter unit has a torque control unit and a control unit.
Von der Momentensteuereinheit wird eine Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine erfasst. Von der Momentensteuereinheit wird aus der Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine und einer Solldrehzahl eine Regelabweichung berechnet. Von einem Regler der Momentensteuereinheit wird aus der Regelabweichung ein Korrekturmoment berechnet. Von der Momentensteuereinheit wird aus dem Korrekturmoment und einem Vorgabemoment ein Zielmoment berechnet. Von der Ansteuereinheit wird aus dem Zielmoment ein Zielstrom berechnet. Die elektrische Maschine wird von der Ansteuereinheit mit dem berechneten Zielstrom angesteuert.An actual speed of the electrical machine is recorded by the torque control unit. The torque control unit turns the actual speed into the electrical machine and a target speed calculated a control deviation. A correction torque is calculated from the control deviation by a regulator of the torque control unit. A target torque is calculated by the torque control unit from the correction torque and a default torque. A target current is calculated from the target torque by the control unit. The electrical machine is controlled by the control unit with the calculated target current.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sorgt ein Regelkreis direkt in der Invertereinheit für eine unmittelbare schnelle unterlagerte Drehzahlregelung der elektrischen Maschine und unterstützt damit einen äußeren Regelkreis zur Regelung der Radgeschwindigkeiten. Damit werden zu hohe Raddrehzahlen beziehungsweise zu hohe Differenzdrehzahlen zwischen den einzelnen angetriebenen Rädern einer Antriebsachse bereits im Ansatz vermieden. Die unterlagerte Drehzahlregelung in der Invertereinheit wird unter bestimmten Bedingungen nun selbstständig aktiv. Aufgrund der dadurch geringeren Differenzdrehzahlen zwischen den angetriebenen Rädern wird das Achsdifferential in der von der elektrischen Maschine angetriebenen Achse mechanisch weniger stark belastet.In the method according to the invention, a control loop directly in the inverter unit ensures immediate, fast, subordinate speed control of the electrical machine and thus supports an external control loop for controlling the wheel speeds. In this way, excessively high wheel speeds or excessively high differential speeds between the individual driven wheels of a drive axle are avoided right from the start. The subordinate speed control in the inverter unit is now automatically active under certain conditions. Because of the lower differential speeds between the driven wheels as a result, the axle differential in the axle driven by the electric machine is mechanically less stressed.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Momentensteuereinheit eine Schutzeinheit auf. Dabei wird die Solldrehzahl von der Schutzeinheit berechnet.According to an advantageous embodiment of the invention, the torque control unit has a protection unit. The target speed is calculated by the protection unit.
Die Solldrehzahl kann von der Schutzeinheit beispielsweise aus Drehzahlsignalen von allen Rädern des Elektrofahrzeugs berechnet werden, insbesondere durch Mittelwertbildung.The target speed can be calculated by the protection unit, for example, from speed signals from all the wheels of the electric vehicle, in particular by averaging.
Die Solldrehzahl kann von der Schutzeinheit aber auch ausschließlich aus Drehzahlsignalen von Rädern einer nicht-angetriebenen Achse des Elektrofahrzeugs berechnet werden, insbesondere durch Mittelwertbildung.However, the target speed can also be calculated by the protective unit exclusively from speed signals from wheels of a non-driven axle of the electric vehicle, in particular by averaging.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Solldrehzahl von einem separaten ESP-System (elektronisches Stabilitätsprogramm) berechnet und zu der Momentensteuereinheit der Invertereinheit übertragen. Dabei wird eine situationsbezogen passende Solldrehzahl von dem ESP-System an die Invertereinheit über eine entsprechende Datenschnittstelle übermittelt. Die schnelle unterlagerte Drehzahlregelung erfolgt innerhalb der Invertereinheit. Der zusätzliche Kommunikationsaufwand zwischen dem ESP-System und der Invertereinheit bleibt überschaubar gering.According to another advantageous embodiment of the invention, the target speed is calculated by a separate ESP system (electronic stability program) and transmitted to the torque control unit of the inverter unit. In this case, a situation-related setpoint speed is transmitted from the ESP system to the inverter unit via a corresponding data interface. The fast, subordinate speed control takes place within the inverter unit. The additional communication effort between the ESP system and the inverter unit remains manageable.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird von einem separaten ESP-System ein Kontrollmodussignal erzeugt und zu der Momentensteuereinheit der Invertereinheit übertragen. Das Kontrollmodussignal signalisiert der Invertereinheit mögliche Fahrzustände des Elektrofahrzeugs, beispielsweise Freirollen, TCS-Eingriff (Traction Control System), ABS-Eingriff (Antiblockiersystem) oder DTC-Eingriff (Drag Torque Control).According to a preferred development of the invention, a control mode signal is generated by a separate ESP system and transmitted to the torque control unit of the inverter unit. The control mode signal signals to the inverter unit possible driving states of the electric vehicle, for example free rolling, TCS intervention (Traction Control System), ABS intervention (anti-lock braking system) or DTC intervention (Drag Torque Control).
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Vorgabemoment von einem separaten Fahrzeugsteuergerät (VCU, Vehicle Control Unit) berechnet und zu der Momentensteuereinheit der Invertereinheit übertragen.According to a preferred embodiment of the invention, the specified torque is calculated by a separate vehicle control unit (VCU, Vehicle Control Unit) and transmitted to the torque control unit of the inverter unit.
Es wird auch ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen. Das Antriebssystem umfasst dabei ein Getriebe mit mindestens einem Achsdifferential mindestens einer angetriebenen Achse des Elektrofahrzeugs, eine elektrische Maschine zum Antrieb des Getriebes und eine Invertereinheit zum Ansteuern der elektrischen Maschine. Die Invertereinheit weist eine Momentensteuereinheit und eine Ansteuereinheit auf.A drive system for an electric vehicle is also proposed. The drive system comprises a transmission with at least one axle differential of at least one driven axle of the electric vehicle, an electric machine for driving the transmission and an inverter unit for controlling the electric machine. The inverter unit has a torque control unit and a control unit.
Die Momentensteuereinheit erfasst eine Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine. Die Momentensteuereinheit berechnet aus der Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine und einer Solldrehzahl eine Regelabweichung. Die Momentensteuereinheit weist einen Regler auf, der aus der Regelabweichung ein Korrekturmoment berechnet. Die Momentensteuereinheit berechnet aus dem Korrekturmoment und einem Vorgabemoment ein Zielmoment. Die Ansteuereinheit berechnet aus dem Zielmoment einen Zielstrom. Die Ansteuereinheit steuert die elektrische Maschine mit dem berechneten Zielstrom an.The torque control unit detects an actual speed of the electrical machine. The torque control unit calculates a control deviation from the actual speed of the electrical machine and a target speed. The torque control unit has a regulator which calculates a correction torque from the control deviation. The torque control unit calculates a target torque from the correction torque and a default torque. The control unit calculates a target current from the target torque. The control unit controls the electrical machine with the calculated target current.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Momentensteuereinheit eine Schutzeinheit auf. Dabei berechnet die Schutzeinheit die Solldrehzahl.According to an advantageous embodiment of the invention, the torque control unit has a protection unit. The protection unit calculates the target speed.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Antriebssystem ferner ein separates ESP-System (elektronisches Stabilitätsprogramm). Das ESP-System berechnet die Solldrehzahl und überträgt die Solldrehzahl zu der Momentensteuereinheit der Invertereinheit.According to another advantageous embodiment of the invention, the drive system also includes a separate ESP system (electronic stability program). The ESP system calculates the target speed and transmits the target speed to the torque control unit of the inverter unit.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Antriebssystem ferner ein separates Fahrzeugsteuergerät (VCU, Vehicle Control Unit). Das Fahrzeugsteuergerät berechnet das Vorgabemoment und überträgt das Vorgabemoment zu der Momentensteuereinheit der Invertereinheit.According to a preferred embodiment of the invention, the drive system also includes a separate vehicle control unit (VCU, Vehicle Control Unit). The vehicle control unit calculates the specified torque and transmits the specified torque to the torque control unit of the inverter unit.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Erfindung stellt ein Regelkonzept dar, welches eine Kombination aus einer externer Drehzahlvorgabe und einer internen Drehzahlregelung in der Invertereinheit umfasst. Hierdurch wird dem Ansatz der langen Signallaufzeiten begegnet, die auch als Latenzen bezeichnet werden, welche insbesondere bei vorgegebener Architektur im Steuergeräteverbund aus ESP, VCU und Invertereinheit häufig Probleme bereitet. Bei bisherigen Lösungen wird bei durchdrehenden Rädern das Antriebsmoment der mindestens einen elektrischen Maschine über die klassische TCS-Regelung des ESP reduziert. Die alleinige Reduktion des Antriebsmoments durch die TCS-Funktion kommt jedoch aufgrund der Latenzen nur verspätet zur Wirkung, sodass stark durchdrehende Antriebsräder bei niedrigem Reibwert die Folge sein können. Bei der erfindungsgemäßen Lösung treten durch die schnelle unterlagerte Drehzahlregelung direkt in der Invertereinheit keine nennenswerten Latenzen auf. Somit werden hohe Drehzahldifferenzen der Räder sowie ein Durchdrehen der Antriebsräder, insbesondere während einer Anfahrphase des Elektrofahrzeugs, weitgehend vermieden. Das erfindungsgemäße Regelkonzept dient also vorteilhaft zum Schutz eines Getriebes, insbesondere eines Achsdifferentials einer angetriebenen Achse eines ElektrofahrzeugsThe invention represents a control concept which is a combination of an external speed specification and an internal speed control in the inverter unit includes. This counteracts the approach of long signal propagation times, which are also referred to as latencies, which often causes problems, particularly with a given architecture in the control unit network of ESP, VCU and inverter unit. In previous solutions, when the wheels spin, the drive torque of the at least one electric machine is reduced via the classic TCS control of the ESP. The sole reduction of the drive torque through the TCS function, however, only comes into effect with a delay due to the latencies, so that the drive wheels spinning heavily with a low coefficient of friction can result. In the solution according to the invention, the fast, subordinate speed control directly in the inverter unit means that there are no significant latencies. This largely prevents high speed differences between the wheels and spinning of the drive wheels, in particular during a start-up phase of the electric vehicle. The control concept according to the invention therefore advantageously serves to protect a transmission, in particular an axle differential of a driven axle of an electric vehicle
FigurenlisteFigure list
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen:
-
1 ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform, -
2 ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform und -
3 ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug gemäß einer dritten Ausführungsform.
-
1 a drive system for an electric vehicle according to a first embodiment, -
2 a drive system for an electric vehicle according to a second embodiment and -
3 a drive system for an electric vehicle according to a third embodiment.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Das Antriebssystem
Das Antriebssystem
Das Antriebssystem
Die Momentensteuereinheit
Die Momentensteuereinheit
Die Momentensteuereinheit
Das Korrekturmoment
Das TCS-Sollmoment
Aus den Drehzahlsignalen
Die Solldrehzahl
Solange eine Anforderung des TCS-Moduls
Dadurch wird der Überschuss des Antriebsmoments reduziert und das durchdrehende Rad oder beide durchdrehenden Räder stabilisiert. Als Regler
Das Antriebssystem
Das Antriebssystem
Das ESP-System
Das Antriebssystem
Die Momentensteuereinheit
Die Momentensteuereinheit
Das Korrekturmoment
Das Vorgabemoment
Die Berechnung der Solldrehzahl
Die Regelabweichung
Sobald die entstehende Regelabweichung
Als Regler
Der Arbeitspunkt wird vom dem Fahrzeugsteuergerät
Das Antriebssystem
Das Antriebssystem
Das ESP-System
Das Antriebssystem
Die Momentensteuereinheit
Die Momentensteuereinheit
Das Korrekturmoment
Das Vorgabemoment
Die Drehzahlregelung arbeitet während der Latenzphase lediglich auf Basis der aktuellen Ist-Drehzahl
Die Berechnung der Solldrehzahl
Als Regler
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible that are within the scope of expert knowledge.
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