WO2024184116A1 - Optimized pulse pattern taking into account induced machine voltages - Google Patents

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WO2024184116A1
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voltage
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Andreas Krämer
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ZF Friedrichshafen AG
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from AC input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current

Definitions

  • the invention relates to the energization or control of an electrical machine or a rotating field machine.
  • the invention relates to a method for optimizing a pulse pattern for controlling a DC/AC inverter, a control method and a corresponding control device for the DC/AC inverter in an at least partially electrified vehicle.
  • the invention also relates to a computer-readable (storage) medium.
  • Pure electric vehicles and hybrid vehicles are known in the prior art, which are driven exclusively or in a supporting manner by one or more electric machines as drive units.
  • the electric vehicles and hybrid vehicles comprise electrical energy storage devices, in particular rechargeable electric batteries. These batteries are designed as direct voltage sources, but the electric machines generally require alternating voltage. Therefore, power electronics with a so-called DC/AC inverter are usually connected between a battery and an electric machine (electric machine) of an electric vehicle or a hybrid vehicle in order to convert the DC input voltage into an AC output voltage to power the electric machine.
  • the present invention relates to a method for optimizing a pulse pattern for controlling a DC/AC inverter.
  • the inverter is used to supply current to an electrical machine with several coil windings, in particular to convert a DC input voltage provided by a vehicle drive battery into an AC output voltage.
  • the inverter has an intermediate circuit (or commutation circuit) with an intermediate circuit capacitor to which an intermediate circuit voltage is applied.
  • the intermediate circuit capacitor can comprise a single capacitor or an arrangement of several capacitor modules.
  • the inverter also has a phase for each coil winding of the electrical machine.
  • the inverter can be single-phase, i.e. with a single phase, or preferably multi-phase, i.e. with several phases.
  • Each phase comprises several semiconductor-based power switches that form a half-bridge.
  • each half-bridge there is a high-side device from one or more parallel-connected power switches (high-side power switches) and a low-side device from one or more parallel-connected power switches (low-side power switches) in series between different potentials of the intermediate circuit voltage.
  • the high-side device and the low-side device are connected to each other, the corresponding phase is contacted.
  • the desired voltage inverter voltage
  • the predetermined duty cycle is specified by a pulse pattern, which can be pre-stored in a pulse pattern table (e.g.
  • the control unit which controls the inverter for switching the circuit breakers, can access the pulse pattern table in order to extract the predetermined duty cycle from it and to carry out a so-called pulse width modulation (PWM) of the circuit breakers.
  • PWM pulse width modulation
  • the pulse pattern is optimized with the following steps:
  • the inverter voltage is thus generated from the intermediate circuit voltage (corresponding to the DC input voltage of the vehicle drive battery) by switching the Power switches of the phase are generated.
  • the inverter voltage depends on the switching angle of the inverter or can be described mathematically as a function of the switching angle.
  • the switching angle is a phase angle (or electrical angle) of the electrical machine at which the high-side power switches and the low-side power switches of the phase are switched (i.e. the high-side power switches are opened/closed while the low-side power switches are closed/opened at the same time).
  • Each phase angle/electrical angle defines an operating point of the electrical machine.
  • the pulse pattern determines at which phase angles/electrical angles the power switches are switched.
  • the shape (or the time course) of the inverter voltage therefore depends on the values of the switching angle.
  • a coil winding of the electrical machine that is electrically connected to the phase is energized.
  • the time-varying inverter voltage generates a time-varying current in the associated coil winding, which induces a counter voltage in the rotor (or in a rotor bar) of the electrical machine.
  • Both the inverter voltage and the induced voltage can be expressed mathematically, for example according to Fourier expansion, as the sum of oscillation elements, namely a fundamental oscillation (zero-order oscillation) and several harmonics (higher-order oscillations).
  • the inverter voltage is usually not equal to the induced voltage, but is higher in magnitude than the latter. After the inverter voltage and the associated induced voltage have been read in, the difference between these two voltages can be determined.
  • the difference (or differential voltage) can also be described mathematically as the sum of fundamental and harmonic oscillations. In this way, the harmonics of the difference between the inverter voltage and the associated induced voltage can be determined.
  • the harmonics can be summed. Because the inverter voltage depends on the switching angle, the sum of the harmonics also depends on the switching angle. Therefore, those values of the switching angle at which the sum of the harmonics of the differential voltage is at a minimum, can be determined by minimizing the sum. Based on the values of the switching angle determined in this way, an optimized pulse pattern can be generated in order to switch the circuit breakers according to the generated pulse pattern.
  • the method according to the invention for optimizing the pulse pattern can be carried out by a device separate from the control unit, such as a processing unit or an on-board computer in the vehicle.
  • the control unit itself can carry out the optimization of the pulse pattern.
  • the pulse pattern is preferably optimized before the inverter is operated (i.e. "offline") according to the above steps and is only used to control the inverter when the inverter is operating (i.e. "online") by a control unit integrated in the vehicle.
  • the "offline" optimized pulse pattern can be pre-stored in a pulse pattern table in the form of a look-up table (LUT), which the control unit accesses when the inverter is operating.
  • LUT look-up table
  • the values of the switching angle determined "offline" as described above can be included in a switching angle table (e.g. LUT).
  • the control unit can read the values of the switching angle and generate the optimized pulse pattern based on this.
  • the LUT for the optimized pulse pattern and/or the switching angle values can preferably be stored in a storage medium integrated in the control unit or an external storage medium that is connected to the control unit for communication.
  • the optimized pulse pattern is preferably used to control the inverter with synchronous timing.
  • a method for optimizing the pulse pattern has been created in which, in contrast to the methods known from the prior art, the harmonics of the voltage induced in the electrical machine are taken into account.
  • the overall harmonic content of the phase currents can be reduced or certain harmonics can be eliminated.
  • This is therefore a controlled measure for suppressing current harmonics, which cause undesirable losses and noise.
  • Such controlled compensation of the current harmonics is particularly advantageous compared to regulated compensation, which is used at high speeds. is difficult or even impossible due to the limited bandwidth/sampling frequency of the current measurement.
  • an objective function / e ( ⁇ ) dependent on the switching angle is used, which takes the following form (Gig. 1 ): where a is the switching angle, the inverter voltage, e (v) the induced voltage associated with the inverter voltage, v an order number of the harmonics.
  • the values of the switching angle can be determined by minimizing the objective function, in particular according to the following form (Gig. 2): where k describes the number of switching angle values to be determined and n describes a degree of symmetry of the pulse pattern.
  • an amount of a fundamental oscillation of a peak value of the inverter voltage (ß (1) ( ⁇ )) at the specific values of the switching angle corresponds to a predefined modulation level (m) of the inverter.
  • the modulation level indicates the ratio between the peak value of the fundamental oscillation of the inverter voltage and the intermediate circuit voltage and depends on the operating point of the electrical machine.
  • the amount of the fundamental oscillation is equal to the modulation level (Gig. 3):
  • the following condition (Gig. 4) is fulfilled for the specific values of the switching angle: where k is the number of switching angle values to be determined and n describes a degree of symmetry of the pulse pattern to be optimized.
  • the degree of symmetry can preferably assume the values 4, 2 or 1, which correspond to a quarter-wave symmetry, half-wave symmetry or periodicity respectively.
  • the above three conditions are met simultaneously for the specific values of the switching angle.
  • the values of the switching angle determined under these conditions an improved optimization of the pulse pattern can be achieved, in which the spectrum of the current harmonics as a whole or the total harmonic distortion (THD) of the phase currents can be reduced or minimized.
  • a current intensity of a differential current generated by the difference between the inverter voltage and the associated induced voltage falls below or is equal to a predefined threshold value at the specific values of the switching angle.
  • the following condition (Gig. 5) is additionally met for the specific values of the switching angle: where i describes a peak value of the differential current, v t an i-th order number of the harmonics and g t the predefined threshold value associated with the i-th order number, where g t can take the value zero.
  • the condition can apply to one or more order numbers or harmonics. In the case of several harmonics, this is a number of optimization boundary conditions through which individual current harmonics with the order numbers v £ can be kept below or at the predefined threshold value. can be lowered.
  • the above four conditions are met simultaneously for the specific values of the switching angle. Consequently, the optimization produces a modified pulse pattern which is characterized by the fact that its losses, noise emissions and/or torque fluctuations are lower than those of the prior art.
  • the optimization result or the conditions on which it is based depend on the respective properties of the electrical machine (or electric motor) or its harmonic content and thus differ from motor type to motor type. According to the invention, an individually optimized pulse pattern can therefore be generated for each motor type.
  • a degree of anisotropy of the electrical machine to be energized is also taken into account to determine the values of the switching angle.
  • the anisotropy indicates how much the d and q components of the inductances of an electrical machine differ from one another.
  • both the inverter voltage and the induced voltage of the electrical machine are preferably broken down into their corresponding d and q components according to the dq representation (for example using Clarke/Park transformation).
  • the current harmonics i.e. the harmonics of the current caused by the difference voltage between the inverter voltage and the induced voltage of the electrical machine or the associated coil winding
  • the current harmonics determined are minimized in order to optimize the pulse pattern.
  • a winding resistance of the electrical machine to be powered can be taken into account when converting the harmonics of the inverter voltage and the induced voltage into the current harmonics.
  • the invention further relates to a control method and a corresponding control device for an inverter.
  • the control method comprises switching several power switches of the inverter according to the pulse pattern optimized according to the method according to one of the embodiments of the present invention.
  • the control device comprises a processing unit which is designed to carry out the control method according to the invention.
  • the invention further relates to a computer-readable (storage) medium comprising commands which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of the method for optimizing the pulse pattern and/or the control method according to one of the embodiments of the present invention.
  • Fig. 1 shows a schematic circuit diagram of a multi-phase (especially three-phase) inverter for supplying current to an electrical machine;
  • Fig. 2 is a schematic representation of a control method for controlling the inverter by means of a control device
  • Fig. 3 is a schematic representation of a method for optimizing a pulse pattern used by the control unit to control the inverter.
  • Fig. 1 shows a schematic circuit diagram of a multi-phase, here for example three-phase DC/AC inverter 100 for supplying current to an electrical machine 14 (for example a rotating field machine) in an at least partially electrified vehicle (not shown).
  • the inverter 100 has an intermediate circuit (commutation circuit) with an intermediate circuit capacitor 102, into which a DC input voltage, which is provided by a DC voltage supply 11 shown schematically in Fig. 2 (in particular a vehicle drive battery), can be fed via a voltage input 12 of the inverter 100.
  • the electrical voltage present at the intermediate circuit thus essentially corresponds to the DC input voltage.
  • the inverter 100 also has power electronics consisting of several, here for example three, phases 104, 106, 108.
  • Each phase 104, 106, 108 is designed as a half-bridge, which comprises a high-side device and a low-side device electrically connected thereto.
  • the high-side devices each have, purely by way of example, a single high-side power switch S1, S3, S5, with the low-side devices also being purely by way of example have a single low-side power switch S2, S4, S6.
  • S1, S3, S5 the high-side devices
  • S2, S4, S6 purely by way of example have a single low-side power switch S2, S4, S6.
  • Each high-side or low-side device can comprise a plurality of power switches connected in parallel.
  • a voltage output U, V, W is connected to the respective node 105, 107, 109 between the high-side device and the low-side device of each phase 104, 106, 108 in order to supply the AC output voltage of each phase 104, 106, 108 to the electrical machine 14 to be energized, in particular to the associated coil winding of the electrical machine 14.
  • the power switches S1-S6 each comprise a transistor, such as MOSFET, HEMT, IGBT, based on a semiconductor material.
  • the semiconductor material can be silicon or a so-called wide bandgap semiconductor (WBS) such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).
  • WBS wide bandgap semiconductor
  • the phases or half-bridges 104, 106, 108 can be designed in a modular manner, for example in such a way that each half-bridge 104, 106, 108 comprises several half-bridge modules, each of which has a module high side and a module low side.
  • the module high sides are connected in parallel and form the high side device of the phase, with the module low sides being connected in parallel and forming the low side device of the phase.
  • the intermediate circuit capacitor 102 can also have a single capacitor or several capacitor modules.
  • the number of half-bridge and/or capacitor modules used in the inverter can be selected depending on the power class of the electrical machine or
  • the inverter 100 can be used to generate the AC output voltage (alternating voltage) from the DC input voltage (direct voltage). This is done by specifically switching the power switches S1-S6.
  • a control unit 10 is used for this purpose or to control the inverter 100.
  • the control unit 10 is shown purely schematically and by way of example in Fig. 2 and comprises a processing unit 18 which is designed to impress a pulse pattern on the inverter 100.
  • the pulse pattern contains a duty cycle with which the high-side power switches S1, S3, S5 and the low-side power switches S2, S4, S6 are alternately opened and closed so that a desired voltage (inverter voltage) is set at the voltage output of the respective phase.
  • the pulse master can be used "offline”, ie before or after operation of the electrical machine 14, and then pre-stored in a pulse pattern table (for example in the form of a look-up table, LUT).
  • the pulse pattern (or the pulse pattern table) can be stored in a storage medium 16 integrated in the control unit 10 or alternatively in an external storage medium 17.
  • the processing unit 18 can access the storage medium 16,17 "online”, ie when the electrical machine 14 is in operation, to control the inverter 100 and read the pulse pattern pre-stored there in order to switch the power switches S1-S6 accordingly.
  • the pulse pattern is used to provide pulse width modulation (PWM), preferably for synchronous clocking or synchronous modulation of the power switches S1-S6.
  • PWM pulse width modulation
  • the pulse pattern can be optimized using a method according to the invention, which can preferably be carried out offline.
  • Fig. 3 shows the method for optimizing the pulse pattern in a purely schematic and exemplary representation. The method comprises the steps:
  • the inverter voltage depends on the switching angle of the inverter or can be described mathematically as a function of the switching angle.
  • the switching angle is a phase angle (or electrical angle) of the electrical machine 14 at which the high-side power switches S1, S3, S5 and the low-side power switches S2,S4,S6 of phase 104,106,108 are switched (ie the high-side power switches S1,S3,S5 are opened/closed while the low-side power switches S2,S4,S6 are closed/opened at the same time).
  • Each phase angle/electrical angle defines an operating point of the electrical machine 14.
  • the pulse pattern determines at which phase angles/electrical angles the power switches S1-S6 are switched.
  • the shape (or the time course) of the inverter voltage therefore depends on the values of the switching angle.
  • a coil winding of the electrical machine 14 that is electrically connected to phase 104, 106, 108 is energized.
  • the time-varying inverter voltage generates a time-varying current in the associated coil winding that induces a counter voltage in the rotor (or in a rotor bar) of the electrical machine 14.
  • Both the inverter voltage and the induced voltage can be described mathematically, for example according to Fourier expansion, as the sum of oscillation elements, namely a fundamental oscillation (zero-order oscillation) and several harmonics (higher-order oscillations).
  • the inverter voltage is usually not equal to the induced voltage, but is higher in magnitude than the latter. After the inverter voltage and the associated induced voltage have been read in, the difference between these two voltages can be determined.
  • the difference (or differential voltage) can also be described mathematically as the sum of fundamental and harmonic oscillations. In this way, the harmonics of the difference between the inverter voltage and the associated induced voltage can be determined.
  • the harmonics can be summed. Because the inverter voltage depends on the switching angle, the sum of the harmonics also depends on the switching angle. Therefore, those values of the switching angle at which the sum of the harmonics of the differential voltage is at a minimum can be determined by minimizing the sum. Based on the values of the switching angle determined in this way, an optimized pulse pattern can be generated. As already mentioned above, the pulse pattern optimized in this way can be stored as a LUT and pre-stored in the storage medium 16, 17. In this case, the control unit 10 reads the offline generated pulse pattern and controls the inverter 100 according to the optimized pulse pattern.
  • the individual values of the switching angle which are determined by minimizing the sum of the differential voltage, can also be stored as a LUT and pre-stored in the storage medium 16, 17.
  • the control unit 10 reads the offline determined values of the switching angle from the storage medium 16, 17 and generates an optimized pulse pattern based on the switching angle values, which can be done offline or online.
  • an objective function j e (a) that depends on the switching angle is preferably used, which takes the following form (Gig. 1): where a is the switching angle, u ⁇ v) (a) the inverter voltage, e M the induced voltage associated with the inverter voltage, v an order number of the harmonics.
  • the values of the switching angle can be determined by minimizing the objective function, in particular according to the following form (Gig. 2): where k describes the number of switching angle values to be determined and n describes a degree of symmetry of the pulse pattern.
  • the fundamental oscillation of a peak value of the inverter voltage (fi C1) (a)) at the specific values of the switching angle corresponds to a predefined modulation level (m) of the inverter 100 or is equal to it (Gig. 3):
  • the degree of modulation indicates the ratio between the peak value of the fundamental oscillation of the inverter voltage and the intermediate circuit voltage and depends on the operating point of the electrical machine 14.
  • k is the number of switching angle values to be determined and n describes a degree of symmetry of the pulse pattern to be optimized.
  • the degree of symmetry can preferably assume the values 4, 2 or 1, which correspond to a quarter-wave symmetry, half-wave symmetry or periodicity, respectively.
  • a current intensity of a differential current generated by the differential voltage between the inverter voltage and the associated induced voltage falls below or is equal to a predefined threshold value for the specific values of the switching angle.
  • the following condition (Gig. 5) is also met for the specific values of the switching angle: where i describes a peak value of the differential current, v t an i-th order number of the harmonics and the predefined threshold value associated with the i-th order number, where can take the value zero.
  • the condition can apply to one or more harmonics. In the case of several harmonics, this is a number of optimization boundary conditions through which individual current harmonics with the harmonics Vj can be reduced to or below the predefined threshold value. lower,
  • the optimization produces a modified pulse pattern, which is characterized by the fact that its losses, noise emissions and/or torque fluctuations are lower than the state of the art.
  • the optimization result or the conditions underlying it depend on the respective properties of the electrical machine 14 (or electric motor) or its harmonic content and thus differ from Motor type to motor type. According to the invention, an individually optimized pulse pattern can be generated for each motor type.
  • a degree of anisotropy of the electrical machine 14 to be energized can also be taken into account.
  • the anisotropy indicates how much the d and q components of the inductances L of the electrical machine 14 differ from one another.
  • the harmonics of the current caused by the difference voltage between the inverter voltage and the induced voltage of the electrical machine 14 or the associated coil winding can also be determined.
  • the current harmonics determined are minimized in order to optimize the pulse pattern.
  • a winding resistance of the electrical machine 14 to be powered can be taken into account when converting the harmonics of the inverter voltage and the induced voltage into the current harmonics.

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Abstract

The present invention relates to a method for optimizing a pulse pattern for actuating a preferably multiphase inverter (100) in particular with a synchronous clock rate, wherein, in order to energize an electric machine (14) having multiple coil windings, the inverter (100) comprises a link, to which a link voltage is applied, and a phase (104, 106, 108) for each coil winding having multiple circuit breakers (S1-S6) that form a high-side device and a low-side device of a half-bridge, the method comprising: reading an inverter voltage depending on a switching angle of the inverter (100), wherein the inverter voltage is provided by means of a phase (104, 106, 108) of the inverter (100) and based on the link voltage; reading a voltage induced in the electric machine (14) based on the inverter voltage; identifying multiple harmonics relating to a difference between the inverter voltage and the associated induced voltage, preferably by means of Fourier development; determining multiple values of the switching angle at which a sum of the identified harmonics is at a minimum; generating a pulse pattern based on the determined values of the switching angle in order to switch the circuit breakers (S1-S6).

Description

OPTIMIERTES PULSMUSTER UNTER BERÜCKSICHTIGUNG VON INUZIERTEN MASCHINENSPANNUNGEN OPTIMIZED PULSE PATTERN TAKING INCIDENTAL MACHINE VOLTAGES INTO ACCOUNT

Die Erfindung betrifft das Bestromen bzw. die Steuerung einer elektrischen Maschine bzw. einer Drehfeldmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Optimieren eines Pulsmusters zum Ansteuern eines DC/AC-Wechselrichters (Inver- ters), ein Steuerverfahren und ein entsprechendes Steuergerät für den DC/AC-Wech- selrichter in einem zumindest teilweise elektrifizierten Fahrzeug. Außerdem betrifft die Erfindung ein computerlesbares (Speicher)medium. The invention relates to the energization or control of an electrical machine or a rotating field machine. In particular, the invention relates to a method for optimizing a pulse pattern for controlling a DC/AC inverter, a control method and a corresponding control device for the DC/AC inverter in an at least partially electrified vehicle. The invention also relates to a computer-readable (storage) medium.

Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Ma- schinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, ins- besondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet, die elektrischen Maschinen benötigen in der Re- gel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Baterie und einer elektrischen Maschine (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahr- zeugs üblicherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. DC/AC-Wechselrichter geschaltet, um die DC-Eingangsspannung in eine AC-Ausgangsspannung zum Bestromen der E-Maschine umzuwandeln. Pure electric vehicles and hybrid vehicles are known in the prior art, which are driven exclusively or in a supporting manner by one or more electric machines as drive units. In order to supply the electric machines of such electric vehicles or hybrid vehicles with electrical energy, the electric vehicles and hybrid vehicles comprise electrical energy storage devices, in particular rechargeable electric batteries. These batteries are designed as direct voltage sources, but the electric machines generally require alternating voltage. Therefore, power electronics with a so-called DC/AC inverter are usually connected between a battery and an electric machine (electric machine) of an electric vehicle or a hybrid vehicle in order to convert the DC input voltage into an AC output voltage to power the electric machine.

Derartige Wechselrichter stellen mittels Halbbrücken vorbestimmte Spannungen an Strängen bzw. Phasen der elektrischen Maschine bzw. Drehfeldmaschine ein. In jeder Halbbrücke liegen zwei halbleiterbasierte Leistungsschalter (Highside-Leistungsschal- ter und Lowside-Leistungsschalter) in Serie zwischen unterschiedlichen Potentialen einer Zwischenkreisspannung. Dort, wo die beiden Leistungsschalter miteinander ver- bunden sind, ist die zugehörige Phase kontaktiert. Werden die beiden Leistungsschal- ter abwechselnd mit einem vorbestimmten Tastverhältnis geöffnet und geschlossen, so stellt sich an der Phase die gewünschte Spannung ein. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Ansteuern von Wechselrichtern bekannt, die mittels eines Steuer- gerätes ausführbar sind, um die Leistungsschalter entsprechend umzuschalten. Ein derartiges Steuergerät und zugehöriges Steuerverfahren sind beispielsweise aus DE 10 2016 208 801 A1 betreffend Totzeitkompensation für eine Drehfeldmachine mit einem Pulswechselrichter bekannt. Such inverters use half-bridges to set predetermined voltages on the strings or phases of the electrical machine or rotating field machine. In each half-bridge, two semiconductor-based power switches (high-side power switches and low-side power switches) are connected in series between different potentials of an intermediate circuit voltage. Where the two power switches are connected to each other, the corresponding phase is contacted. If the two power switches are opened and closed alternately with a predetermined duty cycle, the desired voltage is set on the phase. Methods for controlling inverters are known from the prior art, which can be carried out using a control device in order to switch the power switches accordingly. Such a control device and associated control method are known, for example, from DE 10 2016 208 801 A1 concerning dead time compensation for a rotating field machine with a pulse inverter.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Steuerverfahren besteht der Nachteil, dass Leistungsverluste, Geräusche und Drehmomentschwankungen der bestromten elektrischen Maschine, welche auf Oberschwingungen (auch Oberwelten genannt) zu- rückzuführen sind, nicht hinreichend reduziert bzw. minimiert werden können. The disadvantage of the control methods known from the state of the art is that power losses, noise and torque fluctuations of the energized electrical machine, which are due to harmonics (also called overtones), cannot be sufficiently reduced or minimized.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Optimieren eines Pulsmusters zum Ansteuern eines DC/AC-Wechselrichters, ein entsprechendes Steuerverfahren sowie Steuergerät bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben. It is an object of the invention to provide a method for optimizing a pulse pattern for controlling a DC/AC inverter, a corresponding control method and control device in order to at least partially eliminate the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Optimieren eines Pulsmusters, das Steuerverfahren, das Steuergerät sowie das computerlesbare (Spei- cher)medium gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Aus- gestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Pa- tentansprüchen hervor. This object is achieved according to the invention by the method for optimizing a pulse pattern, the control method, the control device and the computer-readable (storage) medium according to the independent patent claims. Advantageous embodiments and further developments of the invention emerge from the dependent patent claims.

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Optimie- ren eines Pulsmusters zum Ansteuern eines DC/AC-Wechselrichters. Der Wechsel- richter dient zum Bestromen einer elektrischen Maschine mit mehreren Spulenwick- lungen, insbesondere dazu, eine von einer Fahrzeugantriebsbaterie bereitgestellte DC-Eingangsspannung in eine AC-Ausgangsspannung umzuwandeln. Dazu weist der Wechselrichter einen Zwischenkreis (bzw. Kommutierungskreis) mit einem Zwischen- kreiskondensator auf, an dem eine Zwischenkreisspannung anliegt. Der Zwischen- kreiskondensator kann einen einzigen Kondensator oder eine Anordnung mehrerer Kondensatormodule umfassen. Der Wechselrichter weist zudem eine Phase für jede Spulenwicklung der elektrischen Maschine auf. Der Wechselrichter kann einphasig, d.h. mit einer einzigen Phase, oder vorzugsweise mehrphasig, d.h. mit mehreren Pha- sen, ausgebildet sein. Jede Phase umfasst mehrere halbleiterbasierte Leistungsschal- ter, die einer Halbbrücke bilden. In jeder Halbbrücke liegen eine Highside-Einrichtung aus einem oder mehreren parallelgeschalteten Leistungsschaltern (Highside-Leis- tungsschalter) und eine Lowside-Einrichtung aus einem oder mehreren parallelge- schalteten Leistungschaltern (Lowside-Leistungsschalter) in Serie zwischen unter- schiedlichen Potentialen der Zwischenkreisspannung. Dort, wo die Highside-Einrich- tung und die Lowside-Einrichtung miteinander verbunden sind, ist die zugehörige Phase kontaktiert. Werden die Highside- und Lowside-Leistungsschalter abwechselnd mit einem vorbestimmten Tastverhältnis geöffnet und geschlossen, so stellt sich an der Phase die gewünschte Spannung (Wechselrichterspannung) ein, die der zugehö- rigen Spulenwicklung zuzuführen ist. Das vorbestimmte Tastverhältnis ist durch ein Pulsmuster vorgegeben, welches in einer Pulsmuster-Tabelle (etwa in Form einer Look-up-Tabelle, LUT) vorabgespeichert werden kann. Das Steuergerät, welches den Wechselrichter zwecks Schaltens der Leistungsschalter ansteuert, kann dabei auf die Pulsmuster-Tabelle zugreifen, um aus dieser das vorbestimmte Tastverhältnis zu ext- rahieren und eine sogenannte Pulsbreitenmodulierung (PWM) der Leistungsschalter auszuführen. In a first aspect, the present invention relates to a method for optimizing a pulse pattern for controlling a DC/AC inverter. The inverter is used to supply current to an electrical machine with several coil windings, in particular to convert a DC input voltage provided by a vehicle drive battery into an AC output voltage. For this purpose, the inverter has an intermediate circuit (or commutation circuit) with an intermediate circuit capacitor to which an intermediate circuit voltage is applied. The intermediate circuit capacitor can comprise a single capacitor or an arrangement of several capacitor modules. The inverter also has a phase for each coil winding of the electrical machine. The inverter can be single-phase, i.e. with a single phase, or preferably multi-phase, i.e. with several phases. Each phase comprises several semiconductor-based power switches that form a half-bridge. In each half-bridge there is a high-side device from one or more parallel-connected power switches (high-side power switches) and a low-side device from one or more parallel-connected power switches (low-side power switches) in series between different potentials of the intermediate circuit voltage. Where the high-side device and the low-side device are connected to each other, the corresponding phase is contacted. If the high-side and low-side power switches are opened and closed alternately with a predetermined duty cycle, the desired voltage (inverter voltage) is set at the phase, which is to be fed to the corresponding coil winding. The predetermined duty cycle is specified by a pulse pattern, which can be pre-stored in a pulse pattern table (e.g. in the form of a look-up table, LUT). The control unit, which controls the inverter for switching the circuit breakers, can access the pulse pattern table in order to extract the predetermined duty cycle from it and to carry out a so-called pulse width modulation (PWM) of the circuit breakers.

Erfindungsgemäß wird das Pulsmuster optimiert, mit den Schritten: According to the invention, the pulse pattern is optimized with the following steps:

Einlesen einer Wechselrichterspannung in Abhängigkeit von einem Schaltwinkel des Wechselrichters, wobei die Wechselrichterspannung mitels einer Phase des Wechselrichters und basierend der Zwischenkreisspannung bereitgestellt ist; Reading in an inverter voltage depending on a switching angle of the inverter, wherein the inverter voltage is provided by means of a phase of the inverter and based on the intermediate circuit voltage;

Einlesen einer basierend auf der Wechselrichterspannung in der elektrischen Maschine induzierten Spannung; Reading a voltage induced in the electrical machine based on the inverter voltage;

Ermitteln mehrerer Oberschwingungen einer Differenz zwischen der Wechsel- richterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung, vorzugsweise mitels Fourierentwicklung; Determining several harmonics of a difference between the inverter voltage and the corresponding induced voltage, preferably by means of Fourier expansion;

Bestimmen mehrerer Werte des Schaltwinkels, bei denen eine Summe der er- mittelten Oberschwingungen im Minimum liegt; Determining several values of the switching angle at which a sum of the determined harmonics is at a minimum;

Generieren eines optimierten Pulsmusters (Engl.: Optimized Pulse Pattern, OPP) basierend auf den bestimmten Werten des Schaltwinkels zum Schalten der Leistungs- schalter. Generating an optimized pulse pattern (OPP) based on the determined values of the switching angle for switching the circuit breakers.

Die Wechselrichterspannung wird somit aus der Zwischenkreisspannung (entspre- chend der DC-Eingangsspannung der Fahrzeugantriebsbatterie) mittels Schaltens der Leistungsschalter der Phase erzeugt. Die Wechselrichterspannung hängt vom Schalt- winkel des Wechselrichters ab bzw. lässt sich mathematisch als Funktion des Schalt- winkels beschreiben. Der Schaltwinkel ist ein Phasenwinkel (bzw. elektrischer Winkel) der elektrischen Maschine, bei dem die Highside-Leistungsschalter und die Lowside- Leistungsschalter der Phase umgeschaltet werden (d . h. die Highside-Leistungsschal- ter werden geöffnet/geschlossen während die Lowside-Leistungsschalter gleichzeitig geschlossen/geöffnet werden). Jeder Phasenwinkel/elektrische Winkel definiert einen Arbeitspunkt der elektrischen Maschine. Das Pulsmuster legt fest, bei welchen Pha- senwinkeln/elektrischen Winkeln die Leistungsschalter umgeschaltet werden. Somit hängt die Form (bzw. der zeitliche Verlauf) der Wechselrichterspannung von den Wer- ten des Schaltwinkels ab. The inverter voltage is thus generated from the intermediate circuit voltage (corresponding to the DC input voltage of the vehicle drive battery) by switching the Power switches of the phase are generated. The inverter voltage depends on the switching angle of the inverter or can be described mathematically as a function of the switching angle. The switching angle is a phase angle (or electrical angle) of the electrical machine at which the high-side power switches and the low-side power switches of the phase are switched (i.e. the high-side power switches are opened/closed while the low-side power switches are closed/opened at the same time). Each phase angle/electrical angle defines an operating point of the electrical machine. The pulse pattern determines at which phase angles/electrical angles the power switches are switched. The shape (or the time course) of the inverter voltage therefore depends on the values of the switching angle.

Basierend auf der Wechselrichterspannung wird eine mit der Phase elektrisch verbun- dene Spulenwicklung der elektrischen Maschine bestromt. Dabei erzeugt die zeitlich variierende Wechselrichterspannung einen ebenfalls zeitlich variierenden Strom in der zugehörigen Spulenwicklung, der im Rotor (bzw. In einem Rotorstab) der elektrischen Maschine eine Gegenspannung induziert. Sowohl die Wechselrichterspannung als auch die induzierte Spannung lassen sich jeweils, etwa gemäß Fourierentwicklung, als Summe aus Schwingungsgliedern, nämlich einer Grundschwingung (Schwingung null- ter Ordnung) und mehreren Oberschwingungen (Schwingungen höherer Ordnungen), mathematisch ausdrücken. Based on the inverter voltage, a coil winding of the electrical machine that is electrically connected to the phase is energized. The time-varying inverter voltage generates a time-varying current in the associated coil winding, which induces a counter voltage in the rotor (or in a rotor bar) of the electrical machine. Both the inverter voltage and the induced voltage can be expressed mathematically, for example according to Fourier expansion, as the sum of oscillation elements, namely a fundamental oscillation (zero-order oscillation) and several harmonics (higher-order oscillations).

Die Wechselrichterspannung ist in der Regel nicht gleich der induzierten Spannung, sondern liegt betragsmäßig höher als Letztere. Nachdem die Wechselrichterspannung und die zugehörige induzierte Spannung eingelesen wurden, kann die Differenz zwi- schen diesen beiden Spannungen ermittelt werden. Die Differenz (bzw. Differenzspan- nung) lässt sich ebenfalls als Summe aus Grund- und Oberschwingungen mathema- tisch beschreiben. Somit lassen sich die Oberschwingungen der Differenz zwischen der Wechselrichterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung ermittelt wer- den. The inverter voltage is usually not equal to the induced voltage, but is higher in magnitude than the latter. After the inverter voltage and the associated induced voltage have been read in, the difference between these two voltages can be determined. The difference (or differential voltage) can also be described mathematically as the sum of fundamental and harmonic oscillations. In this way, the harmonics of the difference between the inverter voltage and the associated induced voltage can be determined.

Die Oberschwingungen können summiert werden. Dadurch, dass die Wechselrichter- spannung vom Schaltwinkel abhängt, hängt auch die Summe der Oberschwingungen vom Schaltwinkel ab. Daher können diejenigen Werte des Schaltwinkels, bei denen die Summe der Oberschwingungen der Differenzspannung ein Minimum aufweist, durch Minimieren der Summe bestimmt werden. Basierend auf den auf diese Weise bestimmten Werten des Schaltwinkels lässt sich ein optimiertes Pulsmuster generie- ren, um die Leistungsschalter gemäß dem generierten Pulsmuster zu schalten. The harmonics can be summed. Because the inverter voltage depends on the switching angle, the sum of the harmonics also depends on the switching angle. Therefore, those values of the switching angle at which the sum of the harmonics of the differential voltage is at a minimum, can be determined by minimizing the sum. Based on the values of the switching angle determined in this way, an optimized pulse pattern can be generated in order to switch the circuit breakers according to the generated pulse pattern.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Optimieren des Pulsmusters kann durch eine vom Steuergerät separate Vorrichtung, etwa eine Prozessiereinheit oder ein Bordcom- puter im Fahrzeug, ausgeführt werden. Alternativ kann das Steuergerät selbst die Op- timierung des Pulsmusters ausführen. Vorzugsweise wird das Pulsmuster vorm Be- trieb des Wechselrichters ,(d.h. „offline“) gemäß den obigen Schritten optimiert und erst im Betrieb des Wechselrichters (d.h. „online“) durch ein im Fahrzeug integriertes Steuergerät zum Ansteuern des Wechselrichters herangezogen werden. Insbeson- dere kann das „offline“ optimierte Pulsmuster in einer Pulsmustertabelle in Form einer Look-Up-Tabelle (LUT) vorabgespeichert werden, auf die das Steuergerät im Betrieb des Wechselrichters zugreift. Alternativ oder zusätzlich können die wie oben beschrie- ben „offline“ bestimmten Werte des Schaltwinkels in eine Schaltwinkeltabelle (z.B. LUT) aufgenommen werden. Das Steuergerät kann zum Betreiben des Wechselrich- ters die Werte des Schaltwinkels ablesen und das hierauf basierend optimierte Puls- muster generieren. Die LUT für das optimierte Pulsmuster und/oder die Schaltwinkel- werte kann vorzugsweise in einem im Steuergerät integierten Speichermedium oder einem mit dem Steuergerät kommunikationsverbundenen externen Speichermedium abgelegt werden. Das optimierte Pulsmuster dient vorzugsweise dazu, den Wechsel- richter mit synchroner Taktung anzusteuern. The method according to the invention for optimizing the pulse pattern can be carried out by a device separate from the control unit, such as a processing unit or an on-board computer in the vehicle. Alternatively, the control unit itself can carry out the optimization of the pulse pattern. The pulse pattern is preferably optimized before the inverter is operated (i.e. "offline") according to the above steps and is only used to control the inverter when the inverter is operating (i.e. "online") by a control unit integrated in the vehicle. In particular, the "offline" optimized pulse pattern can be pre-stored in a pulse pattern table in the form of a look-up table (LUT), which the control unit accesses when the inverter is operating. Alternatively or additionally, the values of the switching angle determined "offline" as described above can be included in a switching angle table (e.g. LUT). To operate the inverter, the control unit can read the values of the switching angle and generate the optimized pulse pattern based on this. The LUT for the optimized pulse pattern and/or the switching angle values can preferably be stored in a storage medium integrated in the control unit or an external storage medium that is connected to the control unit for communication. The optimized pulse pattern is preferably used to control the inverter with synchronous timing.

Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zum Optimieren des Pulsmusters geschaffen worden, bei dem im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Ver- fahren die Oberschwingungen der in der elektrischen Maschine induzierten Spannung berücksichtigt werden. Auf diese Weise lässt sich gesamtheitlich der Oberschwin- gungsgehalt der Phasenströme senken bzw. lassen sich bestimmte Oberschwingun- gen eliminieren. Es handelt sich somit um eine gesteuerte Maßnahme zur Unterdrü- ckung von Stromoberschwingungen, welche unerwünschte Verluste und Geräusche verursachen. Eine solche gesteuerte Kompensation der Stromoberschwingungen ist insbesondere gegenüber einer geregelten Kompensation, die bei hohen Drehzahlen aufgrund der limitierten Bandbreite/Abtastfrequenz der Strommessung erschwert oder gar unmöglich ist, vorteilhaft. According to the invention, a method for optimizing the pulse pattern has been created in which, in contrast to the methods known from the prior art, the harmonics of the voltage induced in the electrical machine are taken into account. In this way, the overall harmonic content of the phase currents can be reduced or certain harmonics can be eliminated. This is therefore a controlled measure for suppressing current harmonics, which cause undesirable losses and noise. Such controlled compensation of the current harmonics is particularly advantageous compared to regulated compensation, which is used at high speeds. is difficult or even impossible due to the limited bandwidth/sampling frequency of the current measurement.

Zum Optimieren des Pulsmusters wird gemäß einer Ausführungsform eine vom Schalt- winkel abhängigen Zielfunktion /e(α) verwendet, die die folgende Form (Gig. 1 ) an- nimmt:

Figure imgf000008_0003
wobei a den Schaltwinkel,
Figure imgf000008_0004
die Wechselrichterspannung, e(v) die der Wechsel- richterspannung zugehörige induzierte Spannung, v eine Ordnungszahl der Ober- schwingungen beschreiben. Durch Minimieren der Zielfunktion insbesondere gemäß der folgenden Form (Gig. 2) lassen sich die Werte des Schaltwinkels bestimmen:
Figure imgf000008_0005
wobei k die Anzahl der zu bestimmenden Werte des Schaltwinkels und n einen Sym- metriegrad des Pulsmusters beschreiben. To optimize the pulse pattern, according to one embodiment, an objective function / e (α) dependent on the switching angle is used, which takes the following form (Gig. 1 ):
Figure imgf000008_0003
where a is the switching angle,
Figure imgf000008_0004
the inverter voltage, e (v) the induced voltage associated with the inverter voltage, v an order number of the harmonics. The values of the switching angle can be determined by minimizing the objective function, in particular according to the following form (Gig. 2):
Figure imgf000008_0005
where k describes the number of switching angle values to be determined and n describes a degree of symmetry of the pulse pattern.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform entspricht ein Betrag einer Grundschwingung eines Scheitelwertes der Wechselrichterspannung (ß(1)(α)) bei den bestimmten Werten des Schaltwinkels einem vordefinierten Modulationsgrad (m) des Wechselrichters. Der Modulationsgrad gibt das Verhältnis zwischen dem Scheitelwert der Grundschwingung der Wechselrichterspannung und der Zwischenkreisspannung an und hängt vom Be- triebspunkt der elektrischen Maschine ab. Vorzugsweise ist der Betrag der Grund- schwingung dem Modulationsgrad gleich (Gig. 3):

Figure imgf000008_0001
According to a further embodiment, an amount of a fundamental oscillation of a peak value of the inverter voltage (ß (1) (α)) at the specific values of the switching angle corresponds to a predefined modulation level (m) of the inverter. The modulation level indicates the ratio between the peak value of the fundamental oscillation of the inverter voltage and the intermediate circuit voltage and depends on the operating point of the electrical machine. Preferably, the amount of the fundamental oscillation is equal to the modulation level (Gig. 3):
Figure imgf000008_0001

Durch diese zusätzliche Bedingung neben Minimieren der Zielfunktion wird das Puls- muster mit höherer Zuverlässigkeit und breiterer Einsatzbarkeit optimiert. This additional condition, in addition to minimizing the objective function, optimizes the pulse pattern with higher reliability and wider applicability.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist für die bestimmten Werte des Schaltwin- kels folgende Bedingung (Gig. 4) erfüllt:

Figure imgf000008_0002
wobei k die Anzahl der zu bestimmenden Werte des Schaltwinkels und n einen Sym- metriegrad des zu optimierenden Pulsmusters beschreiben. Der Symmetriegrad kann vorzugsweise die Werte 4, 2 oder 1 annehmen, die einer Viertelwellensymmetrie, Halbwellensymmetrie oder Periodizität jeweils entsprechen. According to a further embodiment, the following condition (Gig. 4) is fulfilled for the specific values of the switching angle:
Figure imgf000008_0002
where k is the number of switching angle values to be determined and n describes a degree of symmetry of the pulse pattern to be optimized. The degree of symmetry can preferably assume the values 4, 2 or 1, which correspond to a quarter-wave symmetry, half-wave symmetry or periodicity respectively.

Vorzugsweise sind für die bestimmten Werte des Schaltwinkels die obigen drei Bedin- gungen (Gig. 2 bis 4) gleichzeitig erfüllt. Mit Hilfe der unter diesen Bedingungen be- stimmten Werte des Schaltwinkels kann daher eine verbesserte Optimierung des Puls- musters erzielt werden, bei denen sich das Spektrum der Stromoberschwingungen in Gänze bzw. die Oberschwingungsgesamtverzerrung (THD) der Phasenströme redu- zieren bzw. minimieren lässt. Preferably, the above three conditions (Gig. 2 to 4) are met simultaneously for the specific values of the switching angle. With the help of the values of the switching angle determined under these conditions, an improved optimization of the pulse pattern can be achieved, in which the spectrum of the current harmonics as a whole or the total harmonic distortion (THD) of the phase currents can be reduced or minimized.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform unterschreitet eine Stromstärke eines durch die Differenz zwischen der Wechselrichterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung erzeugten Differenzstroms bei den bestimmten Werten des Schaltwinkels einen vordefinierten Schwellenwert oder ist diesem gleich. Vorzugsweise ist für die bestimmten Werte des Schaltwinkels zusätzlich folgende Bedingung (Gig. 5) erfüllt:

Figure imgf000009_0002
wobei i einen Scheitelwert des Differenzstroms, vt eine i-te Ordnungszahl der Ober- schwingungen und gt den der i-ten Ordnungszahl zugehörigen vordefinierten Schwel- lenwert beschreiben, wobei gt den Wert Null annehmen kann. Die Bedingung kann für eine oder mehrere Ordnungszahlen bzw. Oberschwingungen gelten. Im Fall meherer Oberschwingungen handelt es sich hierbei um eine Mehrzahl von Optimierungsrand- bedingungen, durch die sich einzelne Stromoberschwingungen mit den Ordnungszah- len v£ unter bzw. auf den vordefinierten Schwellwert
Figure imgf000009_0001
senken lassen. According to a further embodiment, a current intensity of a differential current generated by the difference between the inverter voltage and the associated induced voltage falls below or is equal to a predefined threshold value at the specific values of the switching angle. Preferably, the following condition (Gig. 5) is additionally met for the specific values of the switching angle:
Figure imgf000009_0002
where i describes a peak value of the differential current, v t an i-th order number of the harmonics and g t the predefined threshold value associated with the i-th order number, where g t can take the value zero. The condition can apply to one or more order numbers or harmonics. In the case of several harmonics, this is a number of optimization boundary conditions through which individual current harmonics with the order numbers v £ can be kept below or at the predefined threshold value.
Figure imgf000009_0001
can be lowered.

Vorzugsweise sind für die bestimmten Werte des Schaltwinkels die obigen vier Bedin- gungen (Gig. 2 bis 5) gleichzeitig erfüllt. Folglich entsteht bei der Optimierung ein mo- difiziertes Pulsmuster, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass dessen Verluste, Geräuschemission und/oder Drehmomentschwankungen gegenüber dem Stand der Technik geringer sind. Das Optimierungsergebnis bzw. die diesem zugrundeliegenden Bedingungen sind von den jeweiligen Eigenschaften der elektrischen Maschine (bzw. Elektromotor) bzw. deren Oberschwingungsgehalt abhängig und unterscheiden sich somit von Motortyp zu Motortyp. Erfindungsgemäß lässt sich daher für jeden Motortyp ein individuell optimiertes Pulsmuster generieren. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden zum Bestimmen der Werte des Schaltwinkels zusätzlich ein Grad der Anisotropie der zu bestromenden elektrischen Maschine berücksichtigt. Die Anisotropie gibt an, wie stark sich die d- und q-Kompo- nenten der Induktivitäten einer elektrischen Maschine voneinander unterscheiden. Zur Berücksichtigung der Anisotropie erfolgt vorzugsweise eine Zerlegung sowohl der Wechselrichterspannung als auch der induzierten Spannung der elektrischen Ma- schine in deren entsprechenden d- und q-Komponente gemäß der dq-Darstellung (etwa mittels Clarke-/Park-Transformation). Auf diese Weise lassen sich mit Hilfe der Induktivitäten der elektrischen Maschine in d- und q-Richtung (bzw. mit Hilfe der d- und q-Komponenten der Induktivitäten) auch die Stromoberschwingungen (d.h. die Ober- schwingungen des Stroms, der durch die Differenzspannung zwischen der Wechsel- richterspannung und der induzierten Spannung der elektrischen Maschine bzw. der zugehörigen Spulenwicklung) ermitteln. Die ermittelten Stromoberschwingungen wer- den zwecks Optimierung des Pulsmusters minimiert. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wicklungswiderstand der zu bestromenden elektrischen Maschine bei der Umrech- nung von den Oberschwingungen der Wechselrichterspannung und der induzierten Spannung in die Stromoberschwingungen berücksichtigt. Preferably, the above four conditions (Gig. 2 to 5) are met simultaneously for the specific values of the switching angle. Consequently, the optimization produces a modified pulse pattern which is characterized by the fact that its losses, noise emissions and/or torque fluctuations are lower than those of the prior art. The optimization result or the conditions on which it is based depend on the respective properties of the electrical machine (or electric motor) or its harmonic content and thus differ from motor type to motor type. According to the invention, an individually optimized pulse pattern can therefore be generated for each motor type. According to a further embodiment, a degree of anisotropy of the electrical machine to be energized is also taken into account to determine the values of the switching angle. The anisotropy indicates how much the d and q components of the inductances of an electrical machine differ from one another. To take the anisotropy into account, both the inverter voltage and the induced voltage of the electrical machine are preferably broken down into their corresponding d and q components according to the dq representation (for example using Clarke/Park transformation). In this way, with the help of the inductances of the electrical machine in the d and q directions (or with the help of the d and q components of the inductances), the current harmonics (i.e. the harmonics of the current caused by the difference voltage between the inverter voltage and the induced voltage of the electrical machine or the associated coil winding) can also be determined. The current harmonics determined are minimized in order to optimize the pulse pattern. Alternatively or additionally, a winding resistance of the electrical machine to be powered can be taken into account when converting the harmonics of the inverter voltage and the induced voltage into the current harmonics.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuerverfahren und ein entsprechendes Steuerge- rät für einen Wechselrichter. Das Steuerverfahren umfasst Schalten mehrerer Leis- tungsschalter des Wechselrichters gemäß dem nach dem Verfahren gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung optimierten Pulsmuster. Das Steuer- gerät umfasst eine Prozessiereinheit, die dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Steuerverfahren auszuführen. Die Erfindung betrifft ferner ein computerlesbares (Spei- cher)medium umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer die- sen veranlassen, die Schritte des Verfahrens zum Optimieren des Pulsmusters und/oder des Steuerverfahrens gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auszuführen. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Optimieren des Pulsmusters beschriebenen Vor- teile auch für das erfindungsgemäße Steuerverfahren, das erfindungsgemäße Steuer- gerät sowie das erfindungsgemäße (Speicher)medium. The invention further relates to a control method and a corresponding control device for an inverter. The control method comprises switching several power switches of the inverter according to the pulse pattern optimized according to the method according to one of the embodiments of the present invention. The control device comprises a processing unit which is designed to carry out the control method according to the invention. The invention further relates to a computer-readable (storage) medium comprising commands which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of the method for optimizing the pulse pattern and/or the control method according to one of the embodiments of the present invention. This results in the advantages already described in connection with the method according to the invention for optimizing the pulse pattern also for the control method according to the invention, the control device according to the invention and the (storage) medium according to the invention.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungs- formen beispielhaft erläutert. Es zeigen: The invention is explained below using embodiments shown in the figures. They show:

Fig. 1 eines schematisches Schaltbild eines mehrphasigen (insbesonere drei- phasigen) Wechselrichters zum Bestromen einer elektrischen Maschine; Fig. 1 shows a schematic circuit diagram of a multi-phase (especially three-phase) inverter for supplying current to an electrical machine;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Steuerverfahrens zum Ansteuern des Wechselrichters mittels eines Steuergerätes; Fig. 2 is a schematic representation of a control method for controlling the inverter by means of a control device;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Optimieren eines Pulsmusters, welches durch das Steuergerät zum Ansteuern des Wech- selrichters verwendet wird. Fig. 3 is a schematic representation of a method for optimizing a pulse pattern used by the control unit to control the inverter.

Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figu- renübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer techni- schen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt. Identical objects, functional units and comparable components are designated with the same reference symbols across all figures. These objects, functional units and comparable components are identical in terms of their technical features, unless the description explicitly or implicitly indicates otherwise.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines mehrphasigen, hier beispielhaft drei- phasigen DC/AC-Wechselrichters 100 zum Bestromen einer elektrischen Maschine 14 (etwa Drehfeldmaschine) in einem zumindest teilweise elektrifizierten Fahrzeug (nicht gezeigt). Der Wechselrichter 100 weist einen Zwischenkreis (Kommutierungskreis) mit einem Zwischenkreiskondensator 102 auf, in welchen über einen Spannungseingang 12 des Wechselrichters 100 eine DC-Eingangsspannung, die durch eine in Fig. 2 sche- matisch gezeigte DC-Spannungsversorgung 11 (insbesondere eine Fahrzeugantriebs- batterie) bereitgeteilt wird, eingespeist werden kann. Die am Zwischenkreis anliegende elektrische Spannung entspricht somit im Wesentlichen der DC-Eingangsspannung. Der Wechselrichter 100 weist ferner eine Leistungselektronik bestehend aus mehre- ren, hier beispielhaft drei, Phasen 104, 106, 108. Jede Phase 104, 106, 108 ist als eine Halbbrücke ausgebildet, die eine Highside-Einrichtung und damit elektrisch verbun- dene eine Lowside-Einrichtung umfasst. Im hier gezeigten Beispiel weisen die Highside-Einrichtungen rein beispielhaft jeweils einen einzigen Highside-Leistungs- schalter S1 , S3, S5 auf, wobei die Lowside-Einrichtungen ebenfalls rein beispielhaft einen einzigen Lowside-Leistungsschalter S2, S4, S6 aufweisen. Dies ist jedoch für die vorliegende Erfindung keineswegs einschränkend. Jede Highside- oder Lowside- Einrichtung kann eine Mehrzahl von parallelgeschalteten Leistungsschaltern umfas- sen. An dem jeweiliegen Knotenpunkt 105, 107, 109 zwischen der Highside-Einrich- tung und der Lowside-Einrichtung jeder Phase 104, 106, 108 wird ein Spannungsaus- gang U, V, W angeschlossen, um die AC-Ausgangsspannung jeder Phase 104, 106, 108 der zu bestromenden elektrischen Maschine 14, insbesondere der zugehörigen Spulenwicklung der elektrischen Maschine 14, zuzuführen. Fig. 1 shows a schematic circuit diagram of a multi-phase, here for example three-phase DC/AC inverter 100 for supplying current to an electrical machine 14 (for example a rotating field machine) in an at least partially electrified vehicle (not shown). The inverter 100 has an intermediate circuit (commutation circuit) with an intermediate circuit capacitor 102, into which a DC input voltage, which is provided by a DC voltage supply 11 shown schematically in Fig. 2 (in particular a vehicle drive battery), can be fed via a voltage input 12 of the inverter 100. The electrical voltage present at the intermediate circuit thus essentially corresponds to the DC input voltage. The inverter 100 also has power electronics consisting of several, here for example three, phases 104, 106, 108. Each phase 104, 106, 108 is designed as a half-bridge, which comprises a high-side device and a low-side device electrically connected thereto. In the example shown here, the high-side devices each have, purely by way of example, a single high-side power switch S1, S3, S5, with the low-side devices also being purely by way of example have a single low-side power switch S2, S4, S6. However, this is in no way restrictive for the present invention. Each high-side or low-side device can comprise a plurality of power switches connected in parallel. A voltage output U, V, W is connected to the respective node 105, 107, 109 between the high-side device and the low-side device of each phase 104, 106, 108 in order to supply the AC output voltage of each phase 104, 106, 108 to the electrical machine 14 to be energized, in particular to the associated coil winding of the electrical machine 14.

Die Leistungsschalter S1-S6 umfassen jeweils einen Transistor, etwa MOSFET, HEMT, IGBT, basierend auf einem Halbleitermaterial. Das Halbleitermaterial kann Si- lizium, oder ein sogenannter Halbleiter mit großer Bandlücke (Engi.: Wide-Bandgap- Semiconductor, WBS) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Die Phasen bzw. die Halbbrücken 104, 106, 108 können modular ausgebildet sein, etwa derart, dass jede Halbbrücke 104, 106, 108 mehrere Halbbrückenmodule umfasst, die jeweils eine Modulhighside und eine Modullowside aufweisen. Die Modulhighsides sind paral- lelgeschaltet und bilden die Highside-Einrichtung der Phase, wobei die Modullowsides parallelgeschaltet sind und die Lowside-Einrichtung der Phase bilden. Auch der Zwi- schenkreiskondensator 102 kann einen einzigen Kondensator oder mehrere Konden- satormodule aufweisen. Die Anzahl der im Wechselrichter verwendeten Halbbrücken- und/oder Kondensatormodule kann je nach Leistungsklasse der zu bestromenden elektrischen Maschine bzw. des Fahrzeugs entsprechend gewählt werden. The power switches S1-S6 each comprise a transistor, such as MOSFET, HEMT, IGBT, based on a semiconductor material. The semiconductor material can be silicon or a so-called wide bandgap semiconductor (WBS) such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN). The phases or half-bridges 104, 106, 108 can be designed in a modular manner, for example in such a way that each half-bridge 104, 106, 108 comprises several half-bridge modules, each of which has a module high side and a module low side. The module high sides are connected in parallel and form the high side device of the phase, with the module low sides being connected in parallel and forming the low side device of the phase. The intermediate circuit capacitor 102 can also have a single capacitor or several capacitor modules. The number of half-bridge and/or capacitor modules used in the inverter can be selected depending on the power class of the electrical machine or vehicle to be powered.

Mittels des Wechselrichters 100 kann aus der DC-Eingangsspannung (Gleichspan- nung) die AC-Ausgangsspannung (Wechselspannung) erzeugt werden. Dies erfolgt durch gezieltes Schalten der Leistungsschalter S1-S6. Dazu, bzw. zum Ansteuern des Wechselrichters 100 wird ein Steuergerät 10 verwendet. Das Steuergerät 10 ist rein schematisch und beispielhaft in Fig. 2 gezeigt und umfasst eine Prozessiereinheit 18, welche dazu ausgebildet ist, ein Pulsmuster auf den Wechselrichter 100 einzuprägen. Das Pulsmuster enthält ein Tastverhältnis, mit dem die Highside-Leistungsschalter S1 ,S3,S5 und die Lowside-Leistungsschalter S2,S4,S6 abwechselnd geöffnet und ge- schlossen werden, sodass sich am Spannungsausgang der jeweiligen Phase eine ge- wünschte Spannung (Wechselrichterspannung) einstellt. Das Pulsmuter kann „offline“, d.h. vorm bzw. außer Betrieb der elektrischen Maschine 14, vorbestimmt und anschlie- ßend in einer Pulsmuster-Tabelle (etwa in Form einer Look-up-Tabelle, LUT) vorabge- speichert werden. Das Pulsmuster (bzw.. die Pulsmuster-Tabelle) kann in einem im Steuergerät 10 integrierten Speichermedium 16 oder alternativ in einem externen Speichermedium 17 abgelegt werden. Die Prozessiereinheit 18 kann „online“, d.h. im Betrieb der elektrischen Maschine 14, zum Ansteuern des Wechselrichters 100 auf das Speichermedium 16,17 zugreifen und das dort vorabgespeicherte Pulsmuster ab- lesen, um die Leistungsschalter S1-S6 entsprechend umzuschalten. Das Pulsmuster dient zur Bereitstellung einer Pulsbreitenmodulation (PWM), vorzugsweise zur syn- chronen Taktung bzw. synchronen Modulation der Leistungsschalter S1 -S6. The inverter 100 can be used to generate the AC output voltage (alternating voltage) from the DC input voltage (direct voltage). This is done by specifically switching the power switches S1-S6. A control unit 10 is used for this purpose or to control the inverter 100. The control unit 10 is shown purely schematically and by way of example in Fig. 2 and comprises a processing unit 18 which is designed to impress a pulse pattern on the inverter 100. The pulse pattern contains a duty cycle with which the high-side power switches S1, S3, S5 and the low-side power switches S2, S4, S6 are alternately opened and closed so that a desired voltage (inverter voltage) is set at the voltage output of the respective phase. The pulse master can be used "offline", ie before or after operation of the electrical machine 14, and then pre-stored in a pulse pattern table (for example in the form of a look-up table, LUT). The pulse pattern (or the pulse pattern table) can be stored in a storage medium 16 integrated in the control unit 10 or alternatively in an external storage medium 17. The processing unit 18 can access the storage medium 16,17 "online", ie when the electrical machine 14 is in operation, to control the inverter 100 and read the pulse pattern pre-stored there in order to switch the power switches S1-S6 accordingly. The pulse pattern is used to provide pulse width modulation (PWM), preferably for synchronous clocking or synchronous modulation of the power switches S1-S6.

Das Pulsmuster lässt sich mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens optimiert wer- den, welches vorzugsweise offline ausführbar ist. Fig. 3 zeigt das Verfahren zum Op- timieren des Pulsmusters in einer rein schematischen und beispielhaften Darstellung. Das Verfahren umfasst die Schritte: The pulse pattern can be optimized using a method according to the invention, which can preferably be carried out offline. Fig. 3 shows the method for optimizing the pulse pattern in a purely schematic and exemplary representation. The method comprises the steps:

Einlesen einer Wechselrichterspannung in Abhängigkeit von einem Schaltwinkel des Wechselrichters 100, wobei die Wechselrichterspannung mittels einer Phase 104,106,108 des Wechselrichters 100 und basierend der Zwischenkreisspannung be- reitgestellt ist; Reading in an inverter voltage as a function of a switching angle of the inverter 100, wherein the inverter voltage is provided by means of a phase 104,106,108 of the inverter 100 and based on the intermediate circuit voltage;

Einlesen einer basierend auf der Wechselrichterspannung in der elektrischen Maschine 14 induzierten Spannung; Reading in a voltage induced in the electric machine 14 based on the inverter voltage;

Ermitteln mehrerer Oberschwingungen einer Differenz zwischen der Wechsel- richterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung, vorzugsweise mittels Fourierentwicklung; Determining several harmonics of a difference between the inverter voltage and the corresponding induced voltage, preferably by means of Fourier expansion;

Bestimmen mehrerer Werte des Schaltwinkels, bei denen eine Summe der er- mittelten Oberschwingungen im Minimum liegt; Determining several values of the switching angle at which a sum of the determined harmonics is at a minimum;

Generieren eines optimierten Pulsmusters (Engl.: Optimized Pulse Patem, OPP) basierend auf den bestimmten Werten des Schaltwinkels zum Schalten der Leistungs- schalter S1-S6. Generating an optimized pulse pattern (OPP) based on the determined values of the switching angle for switching the circuit breakers S1-S6.

Die Wechselrichterspannung hängt vom Schaltwinkel des Wechselrichters ab bzw. lässt sich mathematisch als Funktion des Schaltwinkels beschreiben. Der Schaltwinkel ist ein Phasenwinkel (bzw. elektrischer Winkel) der elektrischen Maschine 14, bei dem die Highside-Leistungsschalter S1 ,S3,S5 und die Lowside-Leistungsschalter S2,S4,S6 der Phase 104,106,108 umgeschaltet werden (d.h. die Highside-Leistungs- schalter S1 ,S3,S5 werden geöffnet/geschlossen während die Lowside-Leistungs- schalter S2,S4,S6 gleichzeitig geschlossen/geöffnet werden). Jeder Phasenwin- kel/elektrische Winkel definiert einen Arbeitspunkt der elektrischen Maschine 14. Das Pulsmuster legt fest, bei welchen Phasenwinkeln/elektrischen Winkeln die Leistungs- schalter S1-S6 umgeschaltet werden. Somit hängt die Form (bzw. der zeitliche Verlauf) der Wechselrichterspannung von den Werten des Schaltwinkels ab. The inverter voltage depends on the switching angle of the inverter or can be described mathematically as a function of the switching angle. The switching angle is a phase angle (or electrical angle) of the electrical machine 14 at which the high-side power switches S1, S3, S5 and the low-side power switches S2,S4,S6 of phase 104,106,108 are switched (ie the high-side power switches S1,S3,S5 are opened/closed while the low-side power switches S2,S4,S6 are closed/opened at the same time). Each phase angle/electrical angle defines an operating point of the electrical machine 14. The pulse pattern determines at which phase angles/electrical angles the power switches S1-S6 are switched. The shape (or the time course) of the inverter voltage therefore depends on the values of the switching angle.

Basierend auf der Wechselrichterspannung wird eine mit der Phase 104,106,108 elektrisch verbundene Spulenwicklung der elektrischen Maschine 14 bestromt. Dabei erzeugt die zeitlich variierende Wechselrichterspannung einen ebenfalls zeitlich vari- ierenden Strom in der zugehörigen Spulenwicklung, der im Rotor (bzw. In einem Ro- torstab) der elektrischen Maschine 14 eine Gegenspannung induziert. Sowohl die Wechselrichterspannung als auch die induzierte Spannung lassen sich jeweils, etwa gemäß Fourierentwicklung, als Summe aus Schwingungsgliedern, nämlich einer Grundschwingung (Schwingung nullter Ordnung) und mehreren Oberschwingungen (Schwingungen höherer Ordnungen), mathematisch beschreiben. Based on the inverter voltage, a coil winding of the electrical machine 14 that is electrically connected to phase 104, 106, 108 is energized. The time-varying inverter voltage generates a time-varying current in the associated coil winding that induces a counter voltage in the rotor (or in a rotor bar) of the electrical machine 14. Both the inverter voltage and the induced voltage can be described mathematically, for example according to Fourier expansion, as the sum of oscillation elements, namely a fundamental oscillation (zero-order oscillation) and several harmonics (higher-order oscillations).

Die Wechselrichterspannung ist in der Regel nicht gleich der induzierten Spannung, sondern liegt betragsmäßig höher als Letztere. Nachdem die Wechselrichterspannung und die zugehörige induzierte Spannung eingelesen wurden, kann die Differenz zwi- schen diesen beiden Spannungen ermitelt werden. Die Differenz (bzw. Differenzspan- nung) lässt sich ebenfalls als Summe aus Grund- und Oberschwingungen mathema- tisch beschreiben. Somit lassen sich die Oberschwingungen der Differenz zwischen der Wechselrichterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung ermittelt wer- den. The inverter voltage is usually not equal to the induced voltage, but is higher in magnitude than the latter. After the inverter voltage and the associated induced voltage have been read in, the difference between these two voltages can be determined. The difference (or differential voltage) can also be described mathematically as the sum of fundamental and harmonic oscillations. In this way, the harmonics of the difference between the inverter voltage and the associated induced voltage can be determined.

Die Oberschwingungen können summiert werden. Dadurch, dass die Wechselrichter- spannung vom Schaltwinkel abhängt, hängt auch die Summe der Oberschwingungen vom Schaltwinkel ab. Daher können diejenigen Werte des Schaltwinkels, bei denen die Summe der Oberschwingungen der Differenzspannung ein Minimum aufweist, durch Minimieren der Summe bestimmt werden. Basierend auf den auf diese Weise bestimmten Werten des Schaltwinkels lässt sich ein optimiertes Pulsmuster generie- ren. Wie oben bereits erwähnt, kann das so optimierte Pulsmuster als LUT abgelegt und im Speichermedium 16,17 vorabgespeichert werden. In diesem Fall liest das Steuer- gerät 10 das offline generierte Pulsmuster ab und steuert den Wechselrichter 100 ge- mäß dem optimierten Pulsmuster. Alternativ können die einzelnen Werte des Schalt- winkels, die durch Minimieren der Summe der Differenzspannung bestimmt werden, ebenfalls als LUT abgelegt und im Speichermedium 16,17 vorabgespeichert werden. Im letzteren Fall liest das Steuergerät 10 die offline bestimmten Werte des Schaltwin- kels vom Speichermedium 16,17 ab und erzeugt ein optimiertes Pulsmuster auf Basis der Schaltwinkelwerte, was offline oder online erfolgen kann. The harmonics can be summed. Because the inverter voltage depends on the switching angle, the sum of the harmonics also depends on the switching angle. Therefore, those values of the switching angle at which the sum of the harmonics of the differential voltage is at a minimum can be determined by minimizing the sum. Based on the values of the switching angle determined in this way, an optimized pulse pattern can be generated. As already mentioned above, the pulse pattern optimized in this way can be stored as a LUT and pre-stored in the storage medium 16, 17. In this case, the control unit 10 reads the offline generated pulse pattern and controls the inverter 100 according to the optimized pulse pattern. Alternatively, the individual values of the switching angle, which are determined by minimizing the sum of the differential voltage, can also be stored as a LUT and pre-stored in the storage medium 16, 17. In the latter case, the control unit 10 reads the offline determined values of the switching angle from the storage medium 16, 17 and generates an optimized pulse pattern based on the switching angle values, which can be done offline or online.

Zum Optimieren des Pulsmusters wird vorzugsweise eine vom Schaltwinkel abhängi- gen Zielfunktion je(a) verwendet, die die folgende Form (Gig. 1) annimmt:

Figure imgf000015_0001
wobei a den Schaltwinkel, u{v)(a) die Wechselrichterspannung, eM die der Wechsel- richterspannung zugehörige induzierte Spannung, v eine Ordnungszahl der Ober- schwingungen beschreiben. Durch Minimieren der Zielfunktion insbesondere gemäß der folgenden Form (Gig. 2) lassen sich die Werte des Schaltwinkels bestimmen:
Figure imgf000015_0002
wobei k die Anzahl der zu bestimmenden Werte des Schaltwinkels und n einen Sym- metriegrad des Pulsmusters beschreiben. To optimize the pulse pattern, an objective function j e (a) that depends on the switching angle is preferably used, which takes the following form (Gig. 1):
Figure imgf000015_0001
where a is the switching angle, u {v) (a) the inverter voltage, e M the induced voltage associated with the inverter voltage, v an order number of the harmonics. The values of the switching angle can be determined by minimizing the objective function, in particular according to the following form (Gig. 2):
Figure imgf000015_0002
where k describes the number of switching angle values to be determined and n describes a degree of symmetry of the pulse pattern.

Die Grundschwingung eines Scheitelwertes der Wechselrichterspannung (fiC1)(a)) bei den bestimmten Werten des Schaltwinkels entspricht einem vordefinierten Modulati- onsgrad (m) des Wechselrichters 100 bzw. ist diesem gleich (Gig. 3):

Figure imgf000015_0003
The fundamental oscillation of a peak value of the inverter voltage (fi C1) (a)) at the specific values of the switching angle corresponds to a predefined modulation level (m) of the inverter 100 or is equal to it (Gig. 3):
Figure imgf000015_0003

Der Modulationsgrad gibt das Verhältnis zwischen dem Scheitelwert der Grundschwin- gung der Wechselrichterspannung und der Zwischenkreisspannung an und hängt vom Betriebspunkt der elektrischen Maschine 14 ab. The degree of modulation indicates the ratio between the peak value of the fundamental oscillation of the inverter voltage and the intermediate circuit voltage and depends on the operating point of the electrical machine 14.

Außerdem ist für die bestimmten Werte des Schaltwinkels folgende Bedingung (Gig. In addition, the following condition (Gig.

4) erfüllt:

Figure imgf000016_0003
wobei k die Anzahl der zu bestimmenden Werte des Schaltwinkels und n einen Sym- metriegrad des zu optimierenden Pulsmusters beschreiben. Der Symmetriegrad kann vorzugsweise die Werte 4, 2 oder 1 annehmen, die einer Viertelwellensymmetrie, Halbwellensymmetrie oder Periodizität jeweils entsprechen. 4) fulfilled:
Figure imgf000016_0003
where k is the number of switching angle values to be determined and n describes a degree of symmetry of the pulse pattern to be optimized. The degree of symmetry can preferably assume the values 4, 2 or 1, which correspond to a quarter-wave symmetry, half-wave symmetry or periodicity, respectively.

Mit Hilfe der unter diesen Bedingungen (Gig. 2 bis 4, was einer Bedingungsgruppe I entspricht) bestimmten Werte des Schaltwinkels kann daher eine verbesserte Optimie- rung des Pulsmusters erzielt werden, bei denen sich das Spektrum der Stromober- schwingungen in Gänze bzw. die Oberschwingungsgesamtverzerrung (THD) der Pha- senströme reduzieren bzw. minimieren lässt With the help of the switching angle values determined under these conditions (Gig. 2 to 4, which corresponds to a condition group I), an improved optimization of the pulse pattern can be achieved, in which the spectrum of the current harmonics as a whole or the total harmonic distortion (THD) of the phase currents can be reduced or minimized.

Zusätzlich kann beim Optimieren des Pulsmusters berücksichtigt werden, dass eine Stromstärke eines durch die Differenzspannung zwischen der Wechselrichterspan- nung und der zugehörigen induzierten Spannung erzeugten Differenzstroms bei den bestimmten Werten des Schaltwinkels einen vordefinierten Schwellenwert unterschrei- tet oder diesem gleich ist. Vorzugsweise ist für die bestimmten Werte des Schaltwin- kels zusätzlich folgende Bedingung (Gig. 5) erfüllt:

Figure imgf000016_0004
wobei i einen Scheitelwert des Differenzstroms, vt eine i-te Ordnungszahl der Ober- schwingungen und den der i-ten Ordnungszahl zugehörigen vordefinierten Schwel- lenwert beschreiben, wobei
Figure imgf000016_0001
den Wert Null annehmen kann. Die Bedingung kann für eine oder mehrere Ordnungszahlen bzw. Oberschwingungen gelten. Im Fall meherer Oberschwingungen handelt es sich hierbei um eine Mehrzahl von Optimierungsrand- bedingungen, durch die sich einzelne Stromoberschwingungen mit den Ordnungszah- len Vj unter bzw. auf den vordefinierten Schwellwert
Figure imgf000016_0002
senken lassen, In addition, when optimizing the pulse pattern, it can be taken into account that a current intensity of a differential current generated by the differential voltage between the inverter voltage and the associated induced voltage falls below or is equal to a predefined threshold value for the specific values of the switching angle. Preferably, the following condition (Gig. 5) is also met for the specific values of the switching angle:
Figure imgf000016_0004
where i describes a peak value of the differential current, v t an i-th order number of the harmonics and the predefined threshold value associated with the i-th order number, where
Figure imgf000016_0001
can take the value zero. The condition can apply to one or more harmonics. In the case of several harmonics, this is a number of optimization boundary conditions through which individual current harmonics with the harmonics Vj can be reduced to or below the predefined threshold value.
Figure imgf000016_0002
lower,

Im Fall, dass die Bedingungen (Gig. 2 bis 5, was einer Bedingungsgruppe II entspricht) gleichzeitig erfüllt werden, entsteht bei der Optimierung ein modifiziertes Pulsmuster, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass dessen Verluste, Geräuschemission und/oder Drehmomentschwankungen gegenüber dem Stand der Technik geringer sind. Das Optimierungsergebnis bzw. die diesem zugrundeliegenden Bedingungen sind von den jeweiligen Eigenschaften der elektrischen Maschine 14 (bzw. Elektromo- tor) bzw. deren Oberschwingungsgehalt abhängig und unterscheiden sich somit von Motortyp zu Motortyp. Erfindungsgemäß lässt sich daher für jeden Motortyp ein indivi- duell optimiertes Pulsmuster generieren. If the conditions (Gig. 2 to 5, which corresponds to a condition group II) are met simultaneously, the optimization produces a modified pulse pattern, which is characterized by the fact that its losses, noise emissions and/or torque fluctuations are lower than the state of the art. The optimization result or the conditions underlying it depend on the respective properties of the electrical machine 14 (or electric motor) or its harmonic content and thus differ from Motor type to motor type. According to the invention, an individually optimized pulse pattern can be generated for each motor type.

Zum Bestimmen der Werte des Schaltwinkels kann zusätzlich ein Grad der Anisotropie der zu bestromenden elektrischen Maschine 14 berücksichtigt werden. Die Anisotropie gibt an, wie stark sich die d- und q-Komponenten der Induktivitäten L der elektrischen Maschine 14 voneinander unterscheiden. Zur Berücksichtigung der Anisotropie erfolgt vorzugsweise eine Zerlegung sowohl der Wechselrichterspannung als auch der indu- zierten Spannung der elektrischen Maschine 14 in deren entsprechenden d- und q- Komponente gemäß der dq-Darstellung (etwa mittels Clarke-/Park-Transformation). Auf diese Weise lassen sich mit Hilfe der Induktivitäten L der elektrischen Maschine 14 in d- und q-Richtung (bzw. mit Hilfe der d- und q-Komponenten der Induktivitäten L) auch die Stromoberschwingungen (d.h. die Oberschwingungen des Stroms, der durch die Differenzspannung zwischen der Wechselrichterspannung und der induzier- ten Spannung der elektrischen Maschine 14 bzw. der zugehörigen Spulenwicklung) ermitteln. Die ermitelten Stromoberschwingungen werden zwecks Optimierung des Pulsmusters minimiert. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wicklungswiderstand der zu bestromenden elektrischen Maschine 14 bei der Umrechnung von den Oberschwin- gungen der Wechselrichterspannung und der induzierten Spannung in die Stromober- schwingungen berücksichtigt. To determine the values of the switching angle, a degree of anisotropy of the electrical machine 14 to be energized can also be taken into account. The anisotropy indicates how much the d and q components of the inductances L of the electrical machine 14 differ from one another. To take the anisotropy into account, it is preferable to break down both the inverter voltage and the induced voltage of the electrical machine 14 into their corresponding d and q components according to the dq representation (for example using Clarke/Park transformation). In this way, with the help of the inductances L of the electrical machine 14 in the d and q directions (or with the help of the d and q components of the inductances L), the current harmonics (i.e. the harmonics of the current caused by the difference voltage between the inverter voltage and the induced voltage of the electrical machine 14 or the associated coil winding) can also be determined. The current harmonics determined are minimized in order to optimize the pulse pattern. Alternatively or additionally, a winding resistance of the electrical machine 14 to be powered can be taken into account when converting the harmonics of the inverter voltage and the induced voltage into the current harmonics.

Bezugszeichen Reference symbol

10 Steuergerät 10 Control unit

12 Spannungseingang 12 Voltage input

14 elektrische Maschine 14 electric machine

16 integriertes Speichermedium 16 integrated storage medium

17 externes Speichermedium 17 external storage medium

18 Prozessiereinheit 18 Processing unit

100 Wechselrichter 100 inverters

102 Zwischenkreiskondensator102 DC link capacitor

104,106,108 Phasen/Halbbrücken104,106,108 phases/half bridges

105,107,109 Knotenpunkte 105,107,109 Nodes

S1-S6 Leistungsschalter u,v,w Spannungsausgänge S1-S6 circuit breaker u,v,w voltage outputs

Claims

Patentansprüche Patent claims 1. Verfahren zum Optimieren eines Pulsmusters zum Ansteuern eines vorzugs- weise mehrphasigen Wechselrichters (100) insbesondere mit synchroner Taktung, wo- bei der Wechselrichter (100) zum Bestromen einer elektrischen Maschine (14) mit mehreren Spulenwicklungen einen Zwischenkreis, an dem eine Zwischenkreisspan- nung anhegt, und eine Phase (104. 106, 108) für jede Spulenwicklung mit mehreren Leistungsschaltern (S1-S6) aufweist, die eine Highside-Einrichtung und eine Lowside- Einrichtung einer Halbbrücke bilden, das Verfahren umfassend: 1. Method for optimizing a pulse pattern for controlling a preferably multi-phase inverter (100), in particular with synchronous clocking, wherein the inverter (100) for energizing an electrical machine (14) with a plurality of coil windings has an intermediate circuit to which an intermediate circuit voltage is applied, and a phase (104, 106, 108) for each coil winding with a plurality of power switches (S1-S6) which form a high-side device and a low-side device of a half-bridge, the method comprising: Einlesen einer Wechselrichterspannung in Abhängigkeit von einem Schaltwinkel des Wechselrichters (100), wobei die Wechselrichterspannung mittels einer Phase (104, 106, 108) des Wechselrichters (100) und basierend der Zwischenkreisspannung bereitgestellt ist; Reading in an inverter voltage as a function of a switching angle of the inverter (100), wherein the inverter voltage is provided by means of a phase (104, 106, 108) of the inverter (100) and based on the intermediate circuit voltage; Einlesen einer basierend auf der Wechselrichterspannung in der elektrischen Maschine (14) induzierten Spannung; Reading in a voltage induced in the electrical machine (14) based on the inverter voltage; Ermitteln mehrerer Oberschwingungen einer Differenz zwischen der Wechsel- richterspannung und der zugehörigen induzierten Spannung, vorzugsweise mittels Fourierentwicklung; Determining several harmonics of a difference between the inverter voltage and the corresponding induced voltage, preferably by means of Fourier expansion; Bestimmen mehrerer Werte des Schaltwinkels, bei denen eine Summe der er- mittelten Oberschwingungen im Minimum liegt; Determining several values of the switching angle at which a sum of the determined harmonics is at a minimum; Generieren eines Pulsmusters basierend auf den bestimmten Werten des Schalt- winkels zum Schalten der Leistungsschalter (S1-S6). Generating a pulse pattern based on the determined values of the switching angle for switching the circuit breakers (S1-S6). 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Werte des Schaltwinkels mittels einer vom Schaltwinkel abhängigen Zielfunktion je(a) bestimmt werden, die die folgende Form annimmt:
Figure imgf000019_0001
wobei a den Schaltwinkel, u(v)(a) die Wechselrichterspannung, e(v) die der Wechsel- richterspannung zugehörige induzierte Spannung, v eine Ordnungszahl der Ober- schwingungen beschreiben. 2. Method according to claim 1, wherein the values of the switching angle are determined by means of a target function j e (a) which is dependent on the switching angle and takes the following form:
Figure imgf000019_0001
where a is the switching angle, u (v) (a) the inverter voltage, e (v) the induced voltage associated with the inverter voltage, v is an ordinal number of the harmonics. 3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Werte des Schaltwinkels durch Minimieren der Zielfunktion gemäß der folgenden Form bestimmt werden:
Figure imgf000020_0001
wobei k die Anzahl der zu bestimmenden Werte des Schaltwinkels und n einen Sym- metriegrad des Pulsmusters beschreiben. 3. The method according to claim 2, wherein the values of the switching angle are determined by minimizing the objective function according to the following form:
Figure imgf000020_0001
where k describes the number of switching angle values to be determined and n describes a degree of symmetry of the pulse pattern. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Betrag einer Grund- schwingung eines Scheitelwertes der Wechseirichterspannung bei den bestimmten Werten des Schaltwinkels einem vordefinierten Modulationsgrad des Wechselrichters (100) entspricht, vorzugsweise gleich ist, und/oder wobei für die bestimmten Werte des Schaltwinkels folgende Bedingung erfüllt ist:
Figure imgf000020_0002
wobei k die Anzahl der zu bestimmenden Werte des Schaltwinkels und n einen Sym- metriegrad des Pulsmusters beschreiben. 4. Method according to one of claims 1 to 3, wherein an amount of a fundamental oscillation of a peak value of the inverter voltage at the specific values of the switching angle corresponds to a predefined degree of modulation of the inverter (100), preferably is equal to it, and/or wherein the following condition is met for the specific values of the switching angle:
Figure imgf000020_0002
where k describes the number of switching angle values to be determined and n describes a degree of symmetry of the pulse pattern. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Stromstärke eines durch die Differenz zwischen der Wechselrichterspannung und der zugehörigen indu- zierten Spannung erzeugten Differenzstroms bei den bestimmten Werten des Schalt- winkels einen vordefinierten Schwellenwert unterschreitet oder diesem gleich ist. 5. Method according to one of claims 1 to 4, wherein a current intensity of a differential current generated by the difference between the inverter voltage and the associated induced voltage at the specific values of the switching angle falls below or is equal to a predefined threshold value. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei für die bestimmten Werte des Schaltwinkels zusätzlich folgende Bedingung erfüllt ist:
Figure imgf000020_0003
wobei i einen Scheitelwert des Differenzstroms, vt eine i-te Ordnungszahl der Ober- schwingungen und gi den der i-ten Ordnungszahl zugehörigen vordefinierten Schwel- lenwert beschreiben. 6. Method according to one of claims 1 to 5, wherein the following condition is additionally fulfilled for the determined values of the switching angle:
Figure imgf000020_0003
where i describes a peak value of the differential current, v t an i-th order number of the harmonics and gi the predefined threshold value associated with the i-th order number. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zum Bestimmen der Werte des Schaltwinkels zusätzlich ein Grad der Anisotropie und/oder ein Wicklungswider- stand der zu bestromenden elektrischen Maschine (14) berücksichtigt werden. 7. Method according to one of claims 1 to 6, wherein, for determining the values of the switching angle, a degree of anisotropy and/or a winding resistance of the electrical machine (14) to be energized are additionally taken into account. 8. Steuerverfahren für einen vorzugsweise mehrphasigen Wechselrichter (100), umfassend Schalten mehrerer Leistungsschalter (S1 -S6) des Wechselrichters (100) gemäß dem nach einem der in den Ansprüchen 1 bis 7 definierten Verfahren optimier- ten Pulsmuster. 8. Control method for a preferably multiphase inverter (100), comprising switching several power switches (S1 -S6) of the inverter (100) according to the pulse pattern optimized according to one of the methods defined in claims 1 to 7. 9. Steuergerät (10) für einen vorzugsweise mehrphasigen Wechselrichter (100), mit einer Prozessiereinheit (18), die dazu ausgebildet ist, das Steuerverfahren nach An- spruch 8 auszuführen. 9. Control device (10) for a preferably multi-phase inverter (100), with a processing unit (18) which is designed to carry out the control method according to claim 8. 10. Computerlesbares (Speicher)medium, umfassend Befehle, die bei der Ausfüh- rung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach ei- nem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen. 10. Computer-readable (storage) medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of the method according to one of claims 1 to 8.
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