CN116633236A - 电驱动设备及其逆变装置的运行方法、控制单元和机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及运行电驱动设备(2)的逆变装置(5)的方法，逆变装置(5)设置成将电驱动设备(2)的中间电路(4)的直流电压转换成多相交流电流以运行电驱动设备(2)的电动机(6)。规定：电驱动设备(2)的控制单元(8)接收安全信号(13)，其指示控制单元(8)在预定安全运行模式下运行电动机(6)并同时对中间电路(4)放电。如果预给定预定主动短路模式，操控逆变装置(5)在预定主动短路模式下运行电动机(6)并在预定放电模式下对中间电路(4)放电。如果预给定预定续流模式，操控逆变装置(5)以在预定续流模式下运行电动机(6)，当满足预定电流标准时，操控逆变装置(5)在预定放电模式下对中间电路(4)放电。

Description

电驱动设备及其逆变装置的运行方法、控制单元和机动车
技术领域
本发明涉及一种用于运行电驱动设备的逆变装置的方法、控制单元、电驱动设备和机动车。
背景技术
机动车电驱动设备中的电动机通常以三相交流电流运行。为了提供三相交流电流，电驱动设备具有逆变装置，这些逆变装置被设置用于将所述电驱动设备的中间电路的直流电压转换成用于运行电动机的三相交流电流。在电驱动设备的运行中出现错误的情况下，需要在被称为安全状态的运行模式下运行电动机。在所述安全状态下可以避免扭矩的突然变化。
存在其中两种这样的安全运行模式。第一种运行模式是所谓的续流(Freilauf)。为了实现续流，将逆变装置的所有高侧开关和低侧开关切换到阻断。与这些开关反并联的是如下二极管，在该时间点在定子中流动的电流可以在这些二极管上经由中间电路电容器继续流动并缓慢衰减(abbauen)。
另一种安全运行模式是所谓的主动短路。在这种情况下，逆变装置的开关被如此切换，使得电动机的其中至少一些相绕组被短路并且因此使电流可以衰减。
附加地，出于安全原因而规定：驱动设备的高压中间电路被放电。放电例如可以通过与高压中间电路并联的放电电阻而进行。另一种放电可能性在于，通过逆变装置的开关对高压中间电路进行放电。
然而，在这种情况下需要如此切换逆变装置的功率半导体，使得通过电流可以流过逆变装置。然而，在续流中，有必要将功率半导体切换到阻断，并且因此使电流只能通过二极管形成的续流而流动。出于该原因，在没有另外的措施的情况下，不可能通过现有的功率半导体执行主动放电。
DE 10 2016 207 373 A1公开了一种逆变装置、一种电驱动***和一种用于对逆变装置中的中间电路电容器放电的方法。通过触发(Antakten)逆变器内的半导体开关而对中间电路电容器进行放电。在这此，逆变器的那个相电压最小的桥分支(Brückenzweig)被选择用于所述触发。
CN 103738197A公开了一种用于对电动车的中间电路电容器放电的方法。放电过程中三个下半桥臂处于断开状态，其中发动机状态是不产生反相电位(invertierteselektrisches Potential)的三相短路，由此解决了如下问题：电动车的永磁同步发动机在旋转过程中为中间电路电容器充电。
CN 108964572 A公开了一种用于发动机的主动短路控制的方法和***，其中该发动机由逆变器控制。
发明内容
本发明的任务是实现一种用于主动使中间电路放电并实现安全运行模式的策略。
该任务通过独立专利权利要求的主题而解决。本发明的有利扩展方案通过从属专利权利要求的特征、以下描述和附图而公开。
本发明的第一方面涉及一种用于运行电驱动设备的逆变装置的方法，其中该逆变装置包括至少两个半桥，其具有相应的低侧开关和相应的高侧开关。逆变装置被设置用于，将电驱动设备的中间电路的直流电压转换成多相交流电流以运行所述电驱动设备的电动机。换句话说，电驱动设备包括逆变装置以将由中间电路提供的直流电压转换成多相交流电流。规定：逆变装置针对多相交流电流的每个相都具有相应的半桥，所述半桥包括相应的低侧开关和相应的高侧开关。
在该方法中规定：通过电驱动设备的控制单元而接收安全信号(Sicherungssignal)，其中所述控制单元被设置用于控制逆变装置，其中所述安全信号指示(anweisen)所述控制单元在预定的安全运行模式下运行电动机，并且同时在预定的放电模式下对中间电路放电。换句话说，通过控制单元接收安全信号，该安全信号指示控制单元如此操控电驱动设备的逆变装置，使得电动机在预定的安全运行模式下运行并且中间电路在预定的放电模式下被放电。
在该方法的一个步骤中规定，执行情况区分(Fallunterscheidung)，其中所述情况区分取决于预定的安全运行模式的类型。如果预定的安全运行模式被预给定为预定的主动短路模式，则由控制单元操控逆变装置以在预定的主动短路模式下运行电动机并且同时在预定的放电模式下对中间电路放电。换言之，规定：由控制单元如此切换逆变装置的开关，使得电动机在主动短路模式下运行并且同时中间电路在预定的放电模式下进行主动放电。
如果预定的安全运行模式被预给定为预定的续流模式，则规定：由控制单元操控逆变装置以在预定的续流模式下运行电动机，并且电动机中的由传感器单元检测到的电流强度被检测至少一次，并由控制单元鉴于满足预定的电流标准方面来检查。预定的电流标准与电动机中的电流强度相关并且以这样的方式选择，使得当逆变装置从续流模式切换到放电模式时不发生扭矩的不希望的突然变化。换句话说，规定：如果预定的安全运行模式是预定的续流模式，则控制单元操控逆变装置，使得电动机可以在预定的续流模式下运行。
在电动机以预定续流模式运行期间，由传感器单元检测电动机中的电流强度。由控制单元检查：检测到的电流强度是否满足预定的电流标准。电流标准例如可以规定：电流强度必须低于预定阈值。规定：当满足预定的电流标准时，由控制单元操控逆变装置以结束发动机在续流模式下的运行并且在预定的放电模式下对中间电路放电。换句话说，规定：一旦满足预定的电流标准，就结束发动机在续流模式下的运行。在预定的续流模式结束后，由控制单元操控逆变装置，以便切换预定的放电模式用于对中间电路进行放电。
通过本发明而产生如下优点：启动(Einleitung)放电模式的时间点取决于发动机的所选择的安全运行模式，并且由此防止了扭矩的突然变化。
本发明还包括如下扩展方案，通过这些扩展方案而产生进一步的优点。
本发明的扩展方案规定：在预定的主动短路模式下通过控制单元将逆变装置的其中至少两个低侧开关切换到导通，以便使发动机的至少两个相绕组短路。逆变装置的所有低侧开关也可以被切换为导通。换句话说，规定：主动短路模式包括发动机的至少两个相绕组的短路，其中为了使所述至少两个相绕组短路，通过控制单元将逆变装置的其中至少两个低侧开关切换到导通。
本发明的扩展方案规定：在预定的主动放电模式下通过控制单元将逆变装置的其中至少一个高侧开关和其中至少一个低侧开关切换到导通。在此情况下，其中至少一个开关可以是脉冲式或以线性工作方式运行。换句话说，规定：所述中间电路被放电，其方式为，通过控制单元在逆变装置中将所述逆变装置的其中至少一个高侧开关和其中至少一个低侧开关设置为导通。由此使得电流能够流过逆变装置的高侧开关和低侧开关，该电流使中间电路放电。由此产生的优点是：放电可以通过逆变装置进行并且因此不需要提供额外的放电电阻。
本发明的扩展方案规定：在预定的续流模式下通过控制单元将逆变装置的其中每个低侧开关和逆变装置的其中每个高侧开关切换到阻断。换句话说，规定：为了在续流模式下运行电动机而通过控制单元切换逆变装置，使得电流不能够通过任何低侧开关也不能够通过任何高侧开关流动。在这种运行状态下，只能通过形成续流路径的反并联二极管而发生(stattfinden)通过电流。
本发明的扩展方案规定：在预定的主动短路模式下通过控制单元将逆变装置的其中至少两个高侧开关切换到导通，以便使所述发动机的至少两个相绕组短路。也可以将该逆变装置的全部高侧开关切换到导通。换句话说，通过将逆变装置的其中至少两个高侧开关切换到导通，在发动机的至少两个相绕组中提供短路。
本发明的扩展方案规定：当满足预定的电流标准时，通过控制单元将逆变装置操控到主动短路模式并且暂时(zeitlich)处于预定的放电模式。换句话说，规定：当满足预定的电流标准时结束预定续流模式。同时，通过控制单元在逆变装置中不仅切换主动短路模式而且还切换放电模式。由此产生的优点是：不仅电动机是被短路的而且中间电路也可以进行放电。
本发明的第二方面涉及一种用于按照根据本发明第一方面所述的方法来运行电驱动设备的逆变装置的控制单元。控制单元可以具有数据处理设备或处理器装置，其被设置用于执行根据本发明的方法的实施例。为此，处理器装置可以具有至少一个微处理器和/或至少一个微控制器和/或至少一个FPGA(现场可编程门阵列)和/或至少一个DSP(DigitalSicherungssignal Processor(数字安全信号处理器))。此外，处理器装置可以具有程序代码，所述程序代码被设置为在由处理器装置执行时执行根据本发明的方法的实施方式。程序代码可以存储在处理器装置的数据存储器中。
本发明的第三方面涉及一种电驱动设备，其具有根据本发明第二方面所述的用于运行逆变装置的控制单元。
本发明的第四方面涉及一种机动车，其具有根据本发明的第三方面所述的电驱动设备。
本发明还包括根据本发明的方法的扩展方案，其具有已经结合根据本发明的机动车的扩展方案所描述的特征。出于此原因，这里不再次描述根据本发明的方法的相应扩展方案。
根据本发明的机动车优选构型为汽车、特别是载客汽车或载货汽车，或构型为客车或摩托车。
本发明还包括所描述的实施方式的特征的组合。本发明还包括分别具有其中多个所描述的实施方式的特征的组合的实现方案，除非这些实施方式已被描述为相互排斥的。
附图说明
下面描述本发明的实施例。其中：
图1示出了电驱动设备的示意图；
图2示出处于放电模式的电驱动设备的示意图；
图3示出了主动短路模式下的电驱动设备的示意图；和
图4示出了用于运行逆变装置的方法的流程的示意图。
以下说明的实施例是本发明的优选实施方式。在这些实施例中，这些实施方式的所述组件分别是本发明的单独的、应彼此无关地考虑的特征，这些特征分别也彼此无关地扩展本发明。因此，本公开还应涵盖这些实施方式的与所示出的不同的特征组合。此外，所描述的实施方式也可以由已经描述的本发明的其他特征来补充。
在图中，相同的附图标记表示具有相同功能的元件。
具体实施方式
图1示出了电驱动设备的示意图。示出了机动车1，其可以具有电驱动设备2。电驱动设备2可以具有电池3，电池3可以设置用于提供用于驱动电驱动设备2的能量。电池3可以实施为锂离子电池。电驱动设备2可以具有中间电路4，中间电路4可以设置用于将电池3与逆变装置5导电地连接。逆变装置5可以设置用于，将在中间电路4上提供的直流电压转换成多相交流电流，以便通过多相电流运行发动机6。例如，多相电流可以包括两相或三相。中间电路4可以具有中间电路电容器7，其可以被设置用于中间存储能量。逆变装置5可以由电驱动设备2的控制单元8来操控，以便能够切换高侧开关9和低侧开关10的开关状态。相绕组11可以与逆变装置5导电连接。逆变装置5的相应的高侧开关9和相应的低侧开关10可以在此形成半桥12，半桥12可以被设置用于给电动机6的相绕组11中的相应相绕组供电。由此可以通过这些半桥12其中的相应半桥提供相应的相。控制单元8可以被设置成在电动机6运行期间切换低侧开关10和高侧开关9的开关状态，以便提供相应的多相电流。
在特定的情况下，例如在功能故障或事故的情况下，可以规定：发动机6必须置于安全运行模式。在此情况下，尤其需要避免电动机6中突发的(spontan)扭矩变化。同时，出于安全原因可能需要对中间电路4进行放电。其中一种安全的运行模式是所谓的续流。在续流中规定：其中每个高侧开关9和其中每个低侧开关10都被切换为断开或者说阻断，以便通过反并联二极管15、16的续流路径而使进入到电动机6的相绕组11中的通过电流衰减。这种切换状态在图1中示出。这可以在控制单元8接收到安全信号13时由控制单元8进行，其中控制单元8接收该安全信号以切换续流运行模式和放电模式。然而，当逆变装置5切换到所示的续流模式时产生如下问题：中间电路4不能通过逆变装置5放电，这是因为由于断开高侧开关9并且断开低侧开关10而使得没有电流能够流过逆变装置5。出于此原因，可以规定：由传感器单元14检测电动机6中的通过电流并且通过控制单元8将检测到的通过电流与预定的电流标准进行比较。预定的电流标准例如可以规定：通过电动机6的一个或所有相绕组11的电流的电流强度必须低于预定的电流阈值。可以规定：仅当所述电流的电流强度低于预定的电流强度阈值时才对中间电路4进行放电。可以规定，在满足所述电流标准时由控制单元8操控所述逆变装置5，并且例如将其中至少一个高侧开关9和其中至少一个低侧开关10设置为导通或闭合，以使得中间电路4可以通过所述逆变装置5被放电。这种切换状态也称为主动放电模式。还可以规定，所述逆变装置5被同时置于主动短路模式，其方式例如为，将高侧开关9中的两个或低侧开关10中的两个设置为导通。
图2示出处于放电模式的电驱动设备的示意图。放电模式例如可以通过切换半桥12的低侧开关10和高侧开关9来进行，从而可以通过逆变器5进行放电。
图3示出处于主动短路模式下的电驱动设备的示意图。通过将所有高侧开关9设置为导通并且将低侧开关10设置为阻断，可以由控制单元8将逆变装置5切换到主动短路模式。也可以通过将所有低侧开关10设置为导通并且将所有高侧开关9设置为阻断而实现主动短路。
图4示出了用于运行逆变装置的方法的流程的示意图。
在步骤S1中，通过电驱动设备2的控制单元8可以接收安全信号13，该安全信号指示控制单元8在预定的安全运行模式下运行电动机6并且同时使中间电路4在预定的放电模式下放电。
在步骤S2中，可以通过控制单元8执行情况区分，其中通过控制单元8检查所述预定的安全运行模式是主动短路模式还是续流模式。为此，控制单元8可以通过所检测到的电流变化过程而确定：电动机为何种类型。如果是异步发动机，则可以选择续流模式作为安全运行模式。如果是永磁同步发动机，则可以选择主动短路模式作为安全运行模式。
如果预定的安全运行模式是主动短路模式，则在方法步骤S3a中，可以由控制单元8操控逆变装置5以在预定的主动短路模式下运行电动机6并且在预定的放电模式下使中间电路4放电。
如果预定的安全运行模式是预定的续流模式，则在方法步骤S3b中，可以由控制单元8操控逆变装置5以在预定的续流模式下运行电动机6。
在方法步骤S4b中，通过传感器单元14可以检测电动机6中的电流强度，并且通过控制单元8可以检查所检测到的电流强度是否满足预定的电流标准。为了满足预定的电流标准，例如，电流强度可以低于预定阈值。所述测量可以进行至少一次。
如果满足电流标准，则可以在方法步骤S5b中由控制单元8操控逆变装置5，以便结束续流模式并且将逆变装置5设置为主动放电模式。
附加地，可以在步骤S6b中规定，控制单元8操控逆变装置5，以便将逆变装置5同时切换到主动放电模式和主动短路模式。
在所定义的错误情况下，例如减载(Lastabwurf)或崩溃故障(Crash-Fall)的情况下，高压传动系会尝试转换到安全状态。这通常意味着关断(Runterfahren)高电压和电机，其中尝试避免扭矩突变和突然的制动力矩。
为了使高压中间电路放电，将为此额外设置的放电电阻与高压汽车电器网络并联。或者替代于此地，只要可能的话，能量也可以例如通过驱动变换器(Antriebsumrichter)的功率半导体而被衰减。
同时，根据机器类型(例如永磁同步发动机或异步发动机)而定，电机转换到安全状态，例如主动短路(AKS)或续流。
因为例如为了续流而绝对需要使脉冲逆变器的功率半导体不被接通(durchsteuern)，所以在该运行状态下不采取进一步措施就不能通过现有的功率半导体来进行主动放电。
本发明提出了一种运行策略，即，如何能够采取电机的安全状态以及与机器类型无关地通过功率半导体实现主动放电。
可以省去通过附加组件的单独的主动放电，这降低了成本和结构空间需求并且使错误策略至少在一定程度上与机器类型无关。
如果脉冲逆变器过渡到安全状态并且同时应操控主动放电，则以如下方式进行。如果采用主动短路作为安全状态，则可以同时开始主动放电，这是因为通过例如操控低侧开关来实现主动短路并且能够通过接通一个或多个高侧开关而进行主动放电。在此，所述一个或多个高侧开关是脉冲式操控还是例如以线性工作方式运行是无关紧要的。如果例如在异步发动机的情况下应采用续流，则首先采取所需的运行状态。所述续流一直保持直到机器中的电流降至零或至少低于特定值，则这通常只持续几百毫秒。在此期间，主动放电保持未激活，从而不会出现不期望的扭矩突然变化。只有当电流相应下降时，主动放电才会被激活。在此，至少一个高侧开关9和一个低侧开关10***控。由于此时机器中的电流非常小和/或等于0，所以并不产生不期望的扭矩。对此附加地，还能够可选地采用可通过所述高侧开关或低侧开关而切换的主动短路模式。
设计时需要注意的是，直至电流降到期望值以下并且接下来所述主动放电将中间电路放电到不危险的电压的持续时间不要超过法规所要求的时间段。主动放电和可能的电机应与此相应地设计。
总的来说，这些例子展示了如何实现中间电路的放电。

Claims (9)

1.一种用于运行电驱动设备(2)的逆变装置(5)的方法，其中所述逆变装置(5)包括至少两个半桥(12)，所述半桥具有相应的低侧开关(10)和相应的高侧开关(9)，并且所述逆变装置(5)被设置用于，将所述电驱动设备(2)的中间电路(4)的直流电压转换成多相交流电流以运行所述电驱动设备(2)的电动机(6)，其特征在于，
-通过所述电驱动设备(2)的控制单元(8)接收安全信号(13)，其中所述安全信号指示所述控制单元(8)在预定的安全运行模式下运行所述电动机(6)并同时在预定的放电模式下对所述中间电路(4)放电；
-如果作为所述预定的安全运行模式而预给定预定的主动短路模式，则由所述控制单元(8)操控所述逆变装置(5)以在所述预定的主动短路模式下运行所述电动机(6)并且在所述预定的放电模式下对所述中间电路(4)放电；
-如果作为所述预定的安全运行模式而预给定预定的续流模式，则由所述控制单元(8)操控所述逆变装置(5)以在预定的续流模式下运行所述电动机(6)，并且所述电动机(6)中的由传感器单元(14)检测到的电流强度被检测至少一次，并且由所述控制单元(8)鉴于满足预定的电流标准方面来检查，所述电流标准指示允许放电；并且
-当满足所述预定的电流标准时，由所述控制单元(8)操控所述逆变装置(5)以结束所述电动机(6)在所述续流模式下的运行并且在所述预定的放电模式下对所述中间电路(4)放电。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述预定的主动短路模式下通过所述控制单元(8)将所述逆变装置(5)的其中至少两个低侧开关(10)切换到导通，以便使所述电动机(6)的至少两个相绕组(11)短路。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述预定的主动放电模式下通过所述控制单元(8)将所述逆变装置(5)的其中至少一个高侧开关(9)和其中至少一个低侧开关(10)切换到导通。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述预定的续流模式下通过所述控制单元(8)将所述逆变装置(5)的其中每个低侧开关(10)和所述逆变装置(5)的其中每个高侧开关(9)切换到阻断。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述预定的主动短路模式下通过所述控制单元(8)将所述逆变装置(5)的其中至少两个高侧开关(9)切换到导通，以便使所述电动机(6)的至少两个相绕组(11)短路。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当满足所述预定的电流标准时，通过所述控制单元(8)将所述逆变装置(5)操控到所述主动短路模式并且同时进入所述预定的放电模式。
7.控制单元(8)，所述控制单元被设置用于按照根据前述权利要求中任一项所述的方法来运行逆变装置(5)。
8.电驱动设备(2)，所述电驱动设备包括根据权利要求7所述的控制单元(8)。
9.机动车(1)，所述机动车包括根据权利要求8所述的电驱动设备(2)。
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