DE102010062334A1

DE102010062334A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer durch einen Wechselrichter gesteuerten elektrischen Maschine im Falle einer Störung

Info

Publication number: DE102010062334A1
Application number: DE102010062334A
Authority: DE
Inventors: Andreas König
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-06
Also published as: WO2012072311A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer durch einen Wechselrichter (2) gesteuerten elektrischen Maschine (1) im Falle einer Störung, bei dem ein Kurzschluss-Modus für die elektrische Maschine (1) dadurch realisiert wird, dass die elektrische Maschine (1) durch eine Steuereinheit (5; 7) wechselweise in einen ersten Kurzschluss-Modus und in einen zweiten Kurzschluss-Modus geschaltet wird. Dabei sind in dem ersten Kurzschluss-Modus alle mit einem hohen Versorgungsspannungspotential (T+) verbundenen Schaltelemente (3a–3c) des Wechselrichters (2) geschlossen und alle mit einem niedrigen Versorgungsspannu (3d–3f) des Wechselrichters (2) geöffnet sind und in dem zweiten Kurzschluss-Modus alle mit dem hohen Versorgungsspannungspotential (T+) verbundenen Schaltelemente (3a–3c) des Wechselrichters (2) geöffnet und alle mit dem niedrigen Versorgungsspannungspotential (T–) verbundenen Schaltelemente (3d–3f) des Wechselrichters (2) geschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer durch einen Wechselrichter, insbesondere Pulswechselrichter, gesteuerten elektrischen Maschine im Falle einer Störung.
Stand der Technik
Für den Antrieb in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen werden in der Regel elektrische Maschinen in Form von Drehfeldmaschinen eingesetzt, welche in Verbindung mit Wechselrichtern – häufig auch als Inverter bezeichnet – betrieben werden. Die elektrischen Maschinen werden dabei wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben. Im Motorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine ein Antriebsmoment, welches beim Einsatz in einem Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor, zum Beispiel in einer Beschleunigungsphase, unterstützt. Im Generatorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine elektrische Energie, die in einem Energiespeicher, wie zum Beispiel einer Batterie oder einem Super-Cab gespeichert wird. Betriebsart und Leistung der elektrischen Maschine werden über den Wechselrichter eingestellt.
Bekannte Wechselrichter umfassen eine Reihe von Schaltelementen, mit denen die einzelnen Phasen (U, V, W) der elektrischen Maschine wahlweise gegen ein hohes Versorgungsspannungspotential oder gegen ein niedriges Versorgungsspannungspotential geschaltet werden. Dabei bilden jeweils zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente einen Halbbrückenzweig, wobei ein erstes Schaltelement mit dem hohen Versorgungsspannungspotential und ein zweites Schaltelement mit dem niedrigen Versorgungsspannungspotential verbunden sind. Jede Phase der elektrischen Maschine ist dann mit jeweils einem Halbbrückenzweig verbunden. Die Schaltelemente werden im Normalbetrieb, das heißt ohne Auftreten einer Störung, von einer externen Steuereinheit angesteuert, welche in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch (Beschleunigen oder Bremsen) einen Soll-Betriebspunkt für die elektrische Maschine berechnet. Der Wechselrichter ist mit der Steuereinheit verbunden und erhält von diesem die entsprechenden Betriebsdaten bzw. Steuerbefehle.
Im Falle einer Störung, die z. B. durch einen zu hohen Batteriestrom oder einen zu hohen Zuleitungsstrom entstehen kann, wird der Wechselrichter in einen sicheren Zustand geschaltet, um eine mögliche Schädigung elektrischer Komponenten zu verhindern. Aus dem Stand der Technik sind im Wesentlichen zwei verschiedene Abschaltverfahren bekannt, die alternativ angewendet werden. Bei einem ersten Verfahren werden sämtliche mit dem niedrigen Versorgungsspannungspotential verbundenen Schalter (Low-Side-Schalter) geschlossen und alle mit dem hohen Versorgungsspannungspotential verbundenen Schalter (High-Side-Schalter) geöffnet. Diese Betriebsart wird auch als Kurzschluss-Modus bezeichnet. Bei einem anderen Abschaltverfahren werden sämtliche Schalter des Wechselrichters geöffnet. Dies wird auch als Freischalt-Modus bezeichnet.
Aus der DE 10 2006 003 254 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Pulswechselrichter im Falle einer Störung bekannt, bei dem die elektrische Maschine im Falle einer Störung zunächst in einen Freischalt-Modus und nachfolgend in einen Kurzschluss-Modus geschaltet wird.
Auch im Normalbetrieb treten aber Betriebsphasen auf, in welchen die elektrische Maschine nicht aktiv durch den Wechselrichter gesteuert wird. Während dieser Betriebsphasen wird die elektrische Maschine häufig auch in den Kurzschluss-Modus geschaltet.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben einer durch einen Wechselrichter, insbesondere Pulswechselrichter, gesteuerten elektrischen Maschine, bei dem ein Kurzschluss-Modus für die elektrische Maschine dadurch realisiert wird, dass die elektrische Maschine wechselweise in einen ersten Kurzschluss-Modus und in einen zweiten Kurzschluss-Modus geschaltet wird. Dabei sind in dem ersten Kurzschluss-Modus alle mit einem hohen Versorgungsspannungspotential verbundenen Schaltelemente des Wechselrichters geschlossen und alle mit einem niedrigen Versorgungsspannungspotential verbundenen Schaltelemente des Wechselrichters geöffnet. In dem zweiten Kurzschluss-Modus sind alle mit dem hohen Versorgungsspannungspotential verbundenen Schaltelemente des Wechselrichters geöffnet und alle mit dem niedrigen Versorgungsspannungspotential verbundenen Schaltelemente des Wechselrichters geschlossen.
Die Erfindung schafft außerdem eine Vorrichtung zum Betreiben einer durch einen Wechselrichter, insbesondere Pulswechselrichter, gesteuerten elektrischen Maschine im Falle einer Störung. Eine Steuereinheit steuert den Wechselrichter zur Realisierung eines Kurzschluss-Modus für die elektrische Maschine so an, dass dieser die elektrische Maschine wechselweise in einen ersten Kurzschluss-Modus und in einen zweiten Kurzschluss-Modus schaltet. Dabei sind in dem ersten Kurzschluss-Modus alle mit einem hohen Versorgungsspannungspotential verbundenen Schaltelemente des Wechselrichters geschlossen und alle mit einem niedrigen Versorgungsspannungspotential verbundenen Schaltelemente des Wechselrichters geöffnet. In dem zweiten Kurzschluss-Modus sind alle mit dem hohen Versorgungsspannungspotential verbundenen Schaltelemente des Wechselrichters geöffnet und alle mit dem niedrigen Versorgungsspannungspotential verbundenen Schaltelemente des Wechselrichters geschlossen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung basiert auf der Grundidee, eine übermäßige Belastung von Bauelementen des Wechselrichters und/oder von Stromschienen im ungeregelten Kurzschluss-Modus dadurch zu vermeiden, dass zwischen zwei Kurzschluss-Modus umgeschaltet wird, wobei der Kurzschlussstrom in dem ersten Kurzschluss-Modus über die High-Side-Schalter und in dem zweiten Kurzschluss-Modus über die Low-Side-Schalter fließt. Auf diese Weise werden die Strombelastung und damit auch die thermische Belastung der Bauelemente und der Stromschienen auf mehrere Komponenten verteilt, so dass eine einseitige Belastung der Wechselrichterkomponenten im Kurschluss-Modus vermieden wird. Dies hat sowohl auf die Dimensionierung der Leistungsbaugruppen des Wechselrichters als auch auf deren Lebensdauer positive Auswirkungen.
Dabei kann mit einer vorgebbaren Umschalt-Frequenz zwischen dem ersten und dem zweiten Kurzschluss-Modus gewechselt werden. Die Umschaltfrequenz kann dabei derart vorgegeben werden, dass jeweils nach Ablauf einer vordefinierten Zeitspanne zwischen den beiden Kurzschluss-Modus gewechselt wird. Um einen besonders effektiven Schutz gegen dauerhafte Beschädigungen aufgrund thermischer Überlastungen zu erreichen, ist es aber vorteilhaft, die Umschalt-Frequenz in Abhängigkeit von einem thermischen Verhalten mindestens einer zu schützenden Baugruppe vorzugeben. Dazu kann eine entsprechende Sensorik eingesetzt werden, welche eine das thermische Verhalten der mindestens einen zu schützenden Baugruppe charakterisierende Größe erfasst. Die Steuereinheit kann dann die Umschaltfrequenz zwischen dem ersten und dem zweiten Kurzschluss-Modus in Abhängigkeit von dem thermischen Verhalten der mindestens einen zu schützenden Baugruppe einstellen. Die thermische Belastung der Bauelemente wird dabei im Wesentlichen durch die entsprechende Strombelastung bestimmt. Alternativ zu einer Sensorik kann das thermische Verhalten einer zu schützenden Baugruppe auch modellbasiert ermittelt werden.
Die Sensorik kann dabei einen oder mehrere Temperatursensoren umfassen, welche die Temperatur im Bereich der zu schützenden Bauelemente, also insbesondere der Schaltelemente direkt erfassen. Die erfassten Temperaturen können dann durch eine Auswerteinheit dahingehend ausgewertet werden, dass bei Überschreiten einer vorgebbaren Temperaturschwelle auf den jeweils anderen Kurzschlussmodus umgeschaltet wird.
Eine erforderliche Umschaltfrequenz kann aber auch z. B. dadurch ermittelt werden, dass eine Anzahl von Nulldurchgängen von zumindest einem der Phasenströme der elektrischen Maschine gezählt wird und die Umschaltfrequenz in Abhängigkeit von der Anzahl der Nulldurchgänge vorgegeben wird. Konkret kann dabei zwischen den beiden Kurzschluss-Modus umgeschaltet werden, sobald eine vorgebbare Anzahl von Nulldurchgängen erreicht ist. Dabei macht man sich zunutze, dass der Phasenstrom bei einem aktiven Kurzschluss um den Nullpunkt oszilliert.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist grundsätzlich in allen Betriebsphasen sinnvoll und vorteilhaft, in welchen die elektrische Maschine in einem Kurzschluss-Modus betrieben wird. Insbesondere sind davon Störungsfälle und Betriebsphasen, in welchen die elektrische Maschine nicht aktiv durch den Wechselrichter gesteuert wird, betroffen.
Um die Funktionsfähigkeit der Steuerung auch im Störungsfall sicher zu stellen, ist es vorteilhaft, zwei separate Steuereinheiten vorzusehen, von denen eine erste Steuereinheit den Wechselrichter im Normalbetrieb steuert und eine zweite Steuereinheit den Wechselrichter im Falle einer Störung steuert. Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügte Figur, welche ein schematisches Blockschaltbild einer durch einen Wechselrichter gesteuerten elektrischen Maschine zeigt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 1, welche beispielsweise als Synchron-, Asynchron- oder Reluktanz-Maschine ausgeführt sein kann, mit einem daran angeschlossenen Pulswechselrichter 2. Der Pulswechselrichter 2 umfasst Schaltelemente 3a–3f in Form von Leistungsschaltern, welche mit einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind und die Phasen U, V, W entweder gegen ein hohes Versorgungsspannungspotential T+ oder ein niedriges Versorgungsspannungspotential T– schalten. Die mit dem hohen Versorgungsspannungspotential T+ verbundenen Schaltelemente 3a–3c werden dabei auch als „High-Side-Schalter” und die mit dem niedrigen Versorgungsspannungspotential T– verbundenen Schalter 3d–3f als „Low-Side-Schalter” bezeichnet und können beispielsweise als Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder als Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) ausgeführt sein. Der Pulswechselrichter 2 umfasst ferner mehrere Freilaufdioden 4a–4f, welche jeweils parallel zu einem der Schaltelemente 3a–3f angeordnet sind. Die Schaltelemente 3a und 3d, 3b und 3e sowie 3c und 3f bilden dabei jeweils eine Halbbrücke 10a, 10b bzw. 10f, welche jeweils einer der Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 zugeordnet sind.
Der Pulswechselrichter 2 bestimmt Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 und wird von einer lediglich schematisch dargestellten ersten Steuereinheit 5, welche auch in den Wechselrichter 2 integriert sein kann, entsprechend angesteuert. Die elektrische Maschine 1 kann dabei wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden.
Parallel zum Pulswechselrichter 2 ist ein so genannter Zwischenkreis-Kondensator 6 angeordnet, welcher auch in den Pulswechselrichter 2 integriert sein kann und welcher im Wesentlichen zur Stabilisierung einer Spannung eines Energiespeichers, also beispielsweise einer Batteriespannung dient.
Die elektrische Maschine 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel dreiphasig ausgeführt, kann aber auch weniger oder mehr als drei Phasen aufweisen.
Bei einer Störung des Systems, die z. B. in zu hohen Strom- oder Spannungswerten oder in einer zu hohen Temperatur begründet sein kann, schaltet der Pulswechselrichter 2, getriggert von einer zweiten Steuereinheit 7, die elektrische Maschine 1 automatisch in einen ersten Kurzschlussmodus, um eine Schädigung der elektrischen Maschine 1 oder spannungsempfindlicher Bauteile zu vermeiden. In dem ersten Kurzschluss-Modus sind alle High-Side-Schalter 3a–3c des Pulswechselrichters 2 geschlossen und alle Low-Side-Schalter 3d–3f des Pulswechselrichters 2 geöffnet.
Um die Strombelastung an den High-Side-Schaltern 3a–3c sowie weiteren in einem sich ergebenden Kurzschlussstromkreis liegenden Bauelementen aber nicht zu groß werden zu lassen, ist ein zweiter Kurschluss-Modus vorgesehen, in welchem alle High-Side-Schalter 3a–3c des Pulswechselrichters 2 geöffnet und alle Low-Side-Schalter 3d–3f des Pulswechselrichters 2 geschlossen sind. Die zweite Steuereinheit 7 steuert dann den Pulswechselrichter 2 so an, dass dieser die elektrische Maschine 1 wechselweise in einen ersten Kurzschluss-Modus und in einen zweiten Kurzschluss-Modus schaltet. Insofern kann selbstverständlich zunächst auch in den zweiten Kurzschluss-Modus geschaltet werden.
Die Umschaltfrequenz wird dabei durch die zweite Steuereinheit 7 in Abhängigkeit von der Strombelastung der zu schützenden elektrischen Bauelemente vorgegeben. Zur Bestimmung der Strombelastung und damit der thermischen Belastung werden Phasenströme mit Hilfe einer Sensorik in Form von Stromsensoren 11-U, 11-V und 11-W erfasst. In der zweiten Steuereinheit 7 werden dann Nulldurchgänge der Phasenströme oder zumindest eines Phasenstroms gezählt und ein Wechsel des Kurzschlussmodus initiiert, sobald die Anzahl der Nulldurchgänge einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht.
Alternativ oder zusätzlich zur Erfassung der Phasenströme kann auch die Temperatur an den zu schützenden elektrischen Bauelementen gemessen werden. Durch die zweite Steuereinheit 7 kann dann ein Wechsel des Kurzschlussmodus initiiert werden, sobald ein vorgebbarer Temperaturschwellwert überschritten wird.
Um die Verfügbarkeit der Steuerung auch im Störungsfall sicher zu stellen, ist die zweite Steuereinheit 7 separat zu der ersten Steuereinheit 5 realisiert, welche den Pulswechselrichter 2 im Normalbetrieb steuert. Grundsätzlich kann die zweite Steuereinheit 7 auch in die erste Steuereinheit 5 integriert sein.
Auch ist es für die Anwendbarkeit der Erfindung unerheblich, ob die elektrische Maschine 1 nach Erkennen eines Störungsfalls unmittelbar in einen Kurzschlussbetrieb geschaltet wird oder ob dem Kurzschlussbetrieb eine andere Betriebsweise, wie bspw. ein Freilaufbetrieb vorgeschaltet ist.
Auch im Normalbetrieb treten Betriebsphasen auf, in welchen die elektrische Maschine nicht aktiv durch den Wechselrichter gesteuert wird. Während dieser Betriebsphasen wird die elektrische Maschine ebenfalls in den Kurzschluss-Modus geschaltet. Analog zur zweiten Steuereinheit 7 im Störungsfall steuert dann die erste Steuereinheit 5 den Pulswechselrichter 2 so an, dass dieser die elektrische Maschine 1 wechselweise in den ersten Kurzschluss-Modus und in einen zweiten Kurzschluss-Modus schaltet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006003254 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer durch einen Wechselrichter (2), insbesondere Pulswechselrichter, gesteuerten elektrischen Maschine (1), bei dem ein Kurzschluss-Modus für die elektrische Maschine (1) dadurch realisiert wird, dass die elektrische Maschine wechselweise in einen ersten Kurzschluss-Modus und in einen zweiten Kurzschluss-Modus geschaltet wird, wobei in dem ersten Kurzschluss-Modus alle mit einem hohen Versorgungsspannungspotential (T+) verbundenen Schaltelemente (3a–3c) des Wechselrichters (2) geschlossen und alle mit einem niedrigen Versorgungsspannungspotential (T–) verbundenen Schaltelemente (3d–3f) des Wechselrichters (2) geöffnet sind und in dem zweiten Kurzschluss-Modus alle mit dem hohen Versorgungsspannungspotential (T+) verbundenen Schaltelemente (3a–3c) des Wechselrichters (2) geöffnet und alle mit dem niedrigen Versorgungsspannungspotential (T–) verbundenen Schaltelemente (3d–3f) des Wechselrichters (2) geschlossen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit einer vorgebbaren Umschalt-Frequenz zwischen dem ersten und dem zweiten Kurzschluss-Modus gewechselt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Umschalt-Frequenz in Abhängigkeit von einem thermischen Verhalten mindestens einer zu schützenden Baugruppe vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Umschaltfrequenz in Abhängigkeit von einer Temperatur an mindestens einer zu schützenden Baugruppe vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Umschaltfrequenz in Abhängigkeit von einer Anzahl von Nulldurchgängen von zumindest einem der Phasenströme der elektrischen Maschine (1) vorgegeben wird.
Vorrichtung zum Betreiben einer durch einen Wechselrichter (2), insbesondere Pulswechselrichter, gesteuerten elektrischen Maschine (1) mit einer Steuereinheit (5; 7), welche den Wechselrichter (2) zur Realisierung eines Kurzschluss-Modus für die elektrische Maschine (1) so ansteuert, dass dieser die elektrische Maschine (1) wechselweise in einen ersten Kurzschluss-Modus und in einen zweiten Kurzschluss-Modus schaltet, wobei in dem ersten Kurzschluss-Modus alle mit einem hohen Versorgungsspannungspotential (T+) verbundenen Schaltelemente (3a–3c) des Wechselrichters (2) geschlossen und alle mit einem niedrigen Versorgungsspannungspotential (T–) verbundenen Schaltelemente (3d–3f) des Wechselrichters (2) geöffnet sind und in dem zweiten Kurzschluss-Modus alle mit dem hohen Versorgungsspannungspotential (T+) verbundenen Schaltelemente (3a–3c) des Wechselrichters (2) geöffnet und alle mit dem niedrigen Versorgungsspannungspotential (T–) verbundenen Schaltelemente (3d–3f) des Wechselrichters (2) geschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei eine Sensorik (11a–11c) zum Erfassen einer das thermische Verhalten mindestens einer zu schützenden Baugruppe charakterisierenden Größe vorgesehen ist und die Steuereinheit (5; 7) eine Umschaltfrequenz zwischen dem ersten und dem zweiten Kurzschluss-Modus in Abhängigkeit von dem thermischen Verhalten der mindestens einen zu schützenden Baugruppe einstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei eine zweite Steuereinheit (7), welche den Wechselrichter (2) im Falle einer Störung steuert, separat von einer ersten Steuereinheit (5) realisiert ist, welche den Wechselrichter (2) im Normalbetrieb steuert.