-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung zur Bestromung eines eine Rotorwicklung aufweisenden Rotors einer elektrischen Maschine umfassend ein Steuergerät, einen Eingang mit einem ersten Potentialanschluss und einem zweiten Potentialanschluss sowie einen Ausgang mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss zur Verbindung der elektrischen Schaltungsanordnung mit einem Anfang und einem Ende der Rotorwicklung, wobei der erste Anschluss über ein erstes Schaltelement mit dem ersten Potentialanschluss und über eine erste Diode mit dem zweiten Potentialanschluss verbunden ist und der zweite Anschluss über eine zweite Diode mit dem ersten Potentialanschluss und über ein zweites Schaltelement mit dem zweiten Potentialanschluss verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.
-
Kraftfahrzeuge mit einem elektrischen Traktionsmotor, wie rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge (EV), hybrid-elektrische Fahrzeuge (HEV) und/oder plug-in-hybrid-elektrische Fahrzeuge (PHEV), umfassen in der Regel eine Leistungselektronik, um den elektrischen Traktionsmotor zu bestromen. Dazu wird durch die Leistungselektronik beispielsweise ein aus einer Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs entnommener Gleichstrom in einen insbesondere mehrphasigen Wechselstrom gewandelt, um die zum Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendete Elektromaschine zu bestromen. Abhängig von dem Typ des zum Antrieb verwendeten Elektromotors kann durch die Leistungselektronik beispielsweise ein dreiphasiger Statorstrom erzeugt werden.
-
Eine spezielle Ausführungsform der Elektromaschine, welche als Traktionsmotor in Kraftfahrzeugen verwendet werden kann, ist die sogenannte fremderregte Synchronmaschine. Dieser Maschinentyp kommt im Gegensatz zu einer permanenterregten Synchronmaschine ohne Magnetmaterialien im Rotor aus. Bei der fremderregten Synchronmaschine wird das Rotorfeld durch eine bestromte Rotorwicklung im Rotor erzeugt. Die Bestromung des Rotors kann dabei beispielsweise über Schleifring-Kontrakte erfolgen, welche mit einem leistungselektronischen DCDC-Wandler verbunden sind.
-
Die Bestromung des Rotors hat dabei direkte Auswirkungen auf die Funktion der elektrischen Maschine, so dass es wünschenswert ist, auch bei einem Defekt innerhalb der zum Bestromen des Rotors eingesetzten leistungselektronischen Schaltung einen kontrollierten Betrieb der Rotorbestromung und somit auch des Betriebes der elektrischen Maschine aufrechterhalten zu können. Zur Berücksichtigung und/oder Kompensation von auftretenden Fehlern in Schaltungen, welche zur Bestromung eines elektrischen Motors verwendet werden, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt.
-
In
DE 10 2015 100 133 A1 wird eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Antriebsmotors einer Lenkunterstützung eines Fahrzeuges beschrieben, welche eine oder mehrere Halbbrücken umfasst. Dabei ist zu dem Highside-Schalter und dem Lowside-Schalter einer Halbbrücke jeweils ein weiterer Schalter in Reihe geschaltet, um einen Notbetrieb bei einem dauerhaften Kurzschluss des Highside-Schalters beziehungsweise des Lowside-Schalters zu ermöglichen.
-
Aus
DE 10 2008 042 984 A1 ist ein Verfahren zum fehlertoleranten Betrieb einer elektrischen Drehfeldmaschine bekannt. Dabei werden die für den Normalbetrieb der elektrischen Maschine verwendeten Schalter sowie die jeweils zugeordneten Wicklungen auf Defekte überwacht, wobei bei Vorliegen eines Defekts eine mit dem Sternpunkt der elektrischen Maschine verbundene Reserveschalteinrichtung betrieben wird.
-
In
DE 10 2009 045 351 A1 wird ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsaggregats beschrieben, wobei das Antriebsaggregat eine dreiphasige elektrische Maschine aufweist, die in einem Normalbetrieb mit einem von einem Wechselrichter an mindestens zwei der Phasen bereitgestellten Strom betrieben wird. Dabei werden nach dem Defekt eines Schalters des Wechselrichters die verbleibenden, nicht defekten Schalter in einem Notbetriebsmodus weiterbetrieben.
-
DE 1676220 U beschreibt einen Elektromotor mit einer Ankerwicklung und einer Erregerwicklung, wobei die Erregerwicklung eine Mittenanzapfung besitzt, so dass die Erregerwicklung in zwei Teilwicklungen unterteilt ist. Diese Teilwicklungen sind mit den Kontakten eines Umschalters verbunden, so dass wahlweise entweder die ganze Erregerwicklung oder nur eine der Teilwicklungen mit einer Stromquelle verbunden ist.
-
In der gattungsbildenden
DE 10 2018 214 864 A1 wird eine elektrische Maschine beschrieben, deren Erregerwicklung über eine Vollbrückenschaltung zum Erzeugen des Erregerfeldes bestrombar ist. Eine Steuereinheit der elektrischen Maschine ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit eines Defektsignals, das einen Defekt eines der Halbleiterschalter der Vollbrückenschaltung beschreibt, die verbleibenden Halbleiterschalter derart anzusteuern, dass eine Richtung eines Erregerstroms umgekehrt wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative elektrische Schaltungsanordnung zur Bestromung einer fremderregten Synchronmaschine mit einer verbesserten Betriebssicherheit bei Auftreten eines Defekts in der Erregerschaltung anzugeben.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektrischen Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste Potentialanschluss über ein drittes Schaltelement und der zweite Potentialanschluss über ein viertes Schaltelement jeweils mit einem Mittelabgriff der Rotorwicklung verbindbar sind, wobei das Steuergerät mit den Schaltelementen verbunden ist und das Steuergerät dazu ausgebildet ist, in einem Normalbetrieb das dritte und das vierte Schaltelement dauerhaft offen zu schalten und bei Auftreten eines Defekts des ersten Schaltelements oder des zweiten Schaltelements in Abhängigkeit einer einen über die elektrische Schaltungsanordnung einzustellenden Betriebszustand der elektrischen Maschine beschreibenden Zustandsinformation das dritte Schaltelement oder das vierte Schaltelement zumindest zeitweise geschlossen zu schalten.
-
Das erste Schaltelement und die erste Diode sowie das zweite Schaltelement und die zweite Diode bilden eine asymmetrische Vollbrücke, wobei an den jeweiligen Brückenpunkten der Anfang beziehungsweise das Ende von der Rotorwicklung, beziehungsweise ein erstes Ende und ein zweites Ende der Rotorwicklung, angeschlossen sind. Auch das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement bilden zusammen eine Halbbrücke, welche ebenfalls zwischen dem ersten Potentialanschluss und dem zweiten Potentialanschluss geschaltet ist und deren Brückenpunkt mit einem Mittelabgriff der Rotorwicklung verbindbar ist. Das Vorsehen dieses dritten und vierten Schaltelements sowie ein Verbinden des Brückenpunkts der durch das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement gebildeten Halbbrücke mit dem Mittelabgriff der Rotorwicklung ermöglicht es, dass bei Auftreten eines Defekts des ersten Schaltelements oder des zweiten Schaltelements weiterhin ein zumindest teilweiser Betrieb des Rotors und somit auch der elektrischen Maschine aufrechterhalten werden kann. In einem defektfreien Zustand der elektrischen Schaltungsanordnung, wenn das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement keinen Defekt aufweisen, werden das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement von dem Steuergerät derart angesteuert, dass sie dauerhaft geöffnet sind. Die Schaltelemente können zum Beispiel als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) oder als Bipolartransistor mit isolierendem Gate (IGBT) ausgebildet sein.
-
Der erste Potentialanschluss und der zweite Potentialanschluss sind beispielsweise mit einer Gleichstromquelle verbunden, wobei am ersten Potentialanschluss ein positives Gleichstrompotential (DC+) und am zweiten Potentialanschluss ein negatives Gleichstrompotential (DC-) anliegt. Die Dioden sowie die gegebenenfalls vorhandenen Freilaufdioden der Schaltelemente sind insbesondere jeweils bezogen auf die Potentialanschlüsse in Sperrrichtung verschaltet. Über die durch das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement sowie die erste Diode und die zweite Diode gebildete asymmetrische Vollbrücke kann die komplette Rotorwicklung durch das Steuergerät in verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden. Dazu kann beispielsweise die einen von der elektrischen Maschine einzustellenden Betriebszustand beschreibende Zustandsinformation, beispielsweise von einer weiteren Steuereinrichtung, an das Steuergerät übermittelt werden, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, den durch die Zustandsinformation beschriebenen Betriebszustand durch Ansteuern bzw. Schalten des ersten Schaltelements und/oder des zweiten Schaltelements einzustellen.
-
Einen erster Betriebszustand kann dabei ein Erregungs-Modus (Excitation mode) bzw. eine Rotorerregung sein, bei dem für eine Beschleunigung der elektrischen Maschine sowohl das erste als auch das zweite Schaltelement durch das Steuergerät insbesondere mittels Pulsweitenmodulation angesteuert werden, wobei insbesondere das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement immer gleichzeitig leitfähig bzw. geschlossen geschaltet sind. Dadurch wird die Rotorwicklung des Rotors mit einem Gleichstrom bestromt, so dass sich im Rotor ein magnetisches Feld aufbaut, welches direkt zu einer Drehmomenterzeugung der elektrischen Maschine beiträgt.
-
Einen zweiten Betriebszustand kann der sogenannte Entregungs-Modus bzw. ein Freilauf (Freewheeling-mode) darstellen, bei dem entweder das erste Schaltelement offen und das zweite Schaltelement geschlossen oder das zweite Schaltelement offen und das erste Schaltelement geschlossen ist. Der Rotorstrom läuft somit über das erste Schaltelement und die zweite Diode beziehungsweise über das zweite Schaltelement und die erste Diode und kann sich so langsam abbauen. Ein Abbauen des Stroms über das erste Schaltelement wird dabei auch als Highside-Freilauf bezeichnet, entsprechend wird der Stromabbau über das zweite Schaltelement auch als Lowside-Freilauf bezeichnet.
-
Ein dritter Betriebszustand kann der sogenannte Schnell-Entregungs-Modus oder Rückspeisemodus (Energy recycling mode) sein, welcher ein besonders schnelles Abbauen des Rotorstroms durch Rückspeisung in einen mit dem ersten Potentialanschluss und dem zweiten Potentialanschluss verbundenen Energiespeicher, beispielsweise einen Zwischenkreiskondensator und/oder eine Batterie, ermöglicht. Der Rotorstrom wird dabei kontrolliert aus dem Rotor in den Energiespeicher gespeist und dadurch schnell abgebaut.
-
Kommt es nun innerhalb der Erregerschaltung zu einem Bauteildefekt des ersten Schaltelements oder des zweiten Schaltelements, so kann der durch die Rotorwicklung fließende Strom nicht mehr kontrolliert geregelt werden, so dass sich ein undefinierter Zustand der elektrischen Maschine einstellt. Ein Defekt des ersten Schaltelements oder des zweiten Schaltelements kann beispielsweise ein Kurzschluss oder eine dauerhafte Unterbrechung, das heißt ein dauerhaft leitfähiger Zustand, des Transistors sein. Ursachen für einen Kurzschluss können beispielsweise eine zu hohe Temperatur und/oder ein zu hohes elektrisches Feld sein, beispielsweise infolge von Überspannungen, welche einen Spannungsdurchschlag im Schaltelement verursachen können, der zu einem Kurzschluss führt. Eine Unterbrechung des Schaltelements kann ebenfalls durch eine zu hohe Temperatur oder durch zu große Stromdichten entstehen, welche als Folge beispielsweise die Zerstörung oder das Ablösen eines Bonddrahts in dem Schaltelement bewirken, so dass durch das Schaltelement dauerhaft kein Strom mehr fließen kann.
-
Beide Arten von Defekten, das heißt sowohl ein Kurzschluss als auch eine Unterbrechung, im ersten Schaltelement oder im zweiten Schaltelement bewirken, dass nicht mehr jeder der drei vorgehend beschriebenen Betriebszustände eingestellt werden kann. Beispielsweise führt ein Kurzschluss im ersten Schaltelement dazu, dass beim Schalten des zweiten Schaltelements immer eine Bestromung des Rotors erfolgt, was eine Beschleunigung der elektrischen Maschine zur Folge hat. Weiterhin ist eine schnelle, kontrollierte Entregung durch eine Rückspeisung in einen Energiespeicher nicht mehr möglich, da nicht das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement gleichzeitig geöffnet werden können. Durch den Kurzschluss des ersten Schaltelements wird beim Öffnen des zweiten Schaltelements immer ein Freilauf erreicht. Entsprechend gilt dies auch für einen Kurzschluss im zweiten Schaltelement.
-
Auch bei einer Unterbrechung des ersten Schaltelements, bei der es dauerhaft offen ist, führt dazu, dass nicht alle Betriebszustände eingestellt werden können. Dadurch, dass das erste Schaltelement nicht mehr geschlossen werden kann, ist eine Bestromung des Rotors nicht mehr möglich, so dass kein magnetisches Feld im Rotor und somit kein Drehmoment der elektrischen Maschine mehr aufgebaut werden kann. Auch bewirkt der Defekt des ersten Schaltelements, dass bei Öffnen des zweiten Schaltelements kein Highside-Freilauf mehr möglich ist, da durch das offene erste Schaltelement in diesem Zustand, das heißt bei ebenfalls geöffnetem zweiten Schaltelement, eine Schnell-Entregung durchgeführt wird und gegebenenfalls unkontrolliert in einen Energiespeicher zurückgespeist wird. Diese Schnell-Entregung führt im Betrieb der elektrischen Maschine zu einem Wegfall oder einer Verzögerung eines von der elektrischen Maschine zu erzeugenden Drehmoments. Weiterhin können durch die unkontrollierte Rückspeisung Beschädigungen an einem Energiespeicher, insbesondere einen Zwischenkreiskondensator, auftreten.
-
Durch das Vorsehen des dritten Schaltelements und des vierten Schaltelements wird es vorteilhaft ermöglicht, dass bei Auftreten eines Defekts des ersten Schaltelements oder des zweiten Schaltelements in Abhängigkeit des über die elektrische Schaltanordnung einzustellenden Betriebszustands der elektrischen Maschine der Betrieb der elektrischen Maschine aufrechterhalten werden kann. Dadurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass bei einem Defekt des ersten Schaltelements oder des zweiten Schaltelements stets ein sicherer Zustand möglich ist, indem die elektrische Maschine definiert in einem der Betriebszustände betrieben werden kann.
-
Insbesondere bei Verwendung der elektrischen Schaltungsanordnung zur Bestromung eines Rotors einer Elektromaschine, welche als Traktionselektromotor in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, können dadurch für den Fahrbetrieb notwendige Sicherheitsziele durch die elektrische Schaltungsanordnung umgesetzt werden. Ein unkontrollierter Zustand der Rotorbestromung kann vorteilhaft vermieden werden. Insbesondere können unerwünschte Effekte, wie ein ungewolltes Beschleunigen des Traktionselektromotors, ein ungewollter Wegfall der Bestromung oder ein unkontrolliertes Rückspeisen von Energie verhindert werden. Dadurch kann ein sicherer Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs erreicht werden. Vorteilhaft wird auch erreicht, dass nach dem Defekt des ersten Schaltelements oder des zweiten Schaltelements ein Weiterbetrieb der elektrischen Maschine möglich ist, so dass beispielsweise ein die elektrische Maschine umfassendes Kraftfahrzeug noch weiterfahren kann.
-
Durch die Verbindung des dritten Schaltelements und des vierten Schaltelements mit dem Mittelabgriff der Rotorwicklung kann bei Auftreten des Defekts in dem ersten Schaltelement und/oder dem zweiten Schaltelement das dritte Schaltelement und/oder das vierte Schaltelement von dem Steuergerät betrieben werden, das heißt zumindest zeitweise geschlossen werden, so dass ein Weiterbetrieb des Rotors der elektrischen Maschine bei einem Defekt des ersten Schaltelements über den Anteil der Rotorwicklung zwischen dem Mittelabgriff und dem Ende der Rotorwicklung beziehungsweise bei einem Defekt des zweiten Schaltelements über den Anteil zwischen dem Anfang der Rotorwicklung und dem Mittelabgriff erfolgen kann.
-
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät dazu ausgebildet ist, im Betriebszustand einer Rotorerregung oder eines Freilaufs der elektrischen Maschine bei einem Defekt des ersten Schaltelements das dritte Schaltelement zumindest zeitweise geschlossen zu schalten und/oder bei einem Defekt des zweiten Schaltelements das vierte Schaltelement zumindest zeitweise geschlossen zu schalten. Das im Normalbetrieb der Schaltung stets offene dritte beziehungsweise vierte Schaltelement kann bei Auftreten eines Defekts im ersten beziehungsweise im zweiten Schaltelement jeweils zumindest zeitweise geschlossen werden, das heißt beispielsweise dauerhaft geschlossen oder im Rahmen einer Pulsweitenmodulation moduliert zwischen einem offen und einem geschlossen Zustand betrieben werden.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät dazu ausgebildet ist, im Betriebszustand einer Rückspeisung bei einem Defekt des ersten Schaltelements das dritte Schaltelement geschlossen zu schalten und/oder bei einem Defekt des zweiten Schaltelements das vierte Schaltelement geschlossen zu schalten. Dies ermöglicht es, dass ein Stromfluss vom zweiten Potentialanschluss durch das vierte Schaltelement sowie durch den Anteil der Rotorwicklung zwischen dem Mittelabgriff und dem Ende der Rotorwicklung zum ersten Potentialanschluss fließt, so dass eine Rückspeisung in einen mit dem ersten Potentialanschluss und dem zweiten Potentialanschluss verbundenen Energiespeicher möglich ist. Dieser Stromfluss kann durch Ansteuerung des vierten Schaltelements gesteuert werden, so dass eine kontrollierte Rückspeisung des Motorstroms möglich ist.
-
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement jeweils eine Freilaufdiode umfassen, wobei im Betriebszustand einer Rückspeisung bei einem Defekt des ersten Schaltelements und/oder des zweiten Schaltelements das dritte Schaltelement und/oder das vierte Schaltelement weiterhin offen bleiben. In diesem Fall fließt der Strom nicht durch das geschlossene dritte Schaltelement beziehungsweise vierte Schaltelement, sondern durch die Freilaufdiode des dritten Schaltelements beziehungsweise des vierten Schaltelements, wodurch eine Rückspeisung möglich ist.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät wenigstens ein Strommessmittel zur Messung eines Stroms im Rotor und/oder eines Eingangsstroms der elektrischen Schaltungsanordnung umfasst, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, den Defekt eines Schaltelements durch einen Vergleich zwischen dem Strom im Rotor und/oder dem Eingangsstrom der elektrischen Schaltung und einem aus der Zustandsinformation ermittelten Sollstrom zu ermitteln. Durch das Steuergerät kann somit ermittelt werden, dass ein tatsächlicher Strom im Rotor bzw. ein tatsächlicher Eingangsstrom der elektrischen Schaltungsanordnung von einem aufgrund des Betriebszustands zu erwartenden Sollstrom abweicht. Über die Höhe einer Abweichung einer Stromstärke und/oder über eine Abweichung in der Stromrichtung kann dadurch ein Defekt des ersten Schaltelements oder ein Defekt des zweiten Schaltelements ermittelt werden.
-
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät eine Regelungseinrichtung zur Regelung eines Rotorstroms umfasst, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, bei Auftreten eines Defekts des ersten Schaltelements oder des zweiten Schaltelements die Regelung an den Anteil der Rotorwicklung zwischen Mittelabgriff und Ende und/oder zwischen Anfang und Mittelabgriff anzupassen. Bei einem Defekt des ersten Schaltelements kann eine Anpassung an den Anteil der Rotorwicklung zwischen dem Mittelabgriff und dem Ende erfolgen, bei einem Defekt des zweiten Schaltelements entsprechend an den Anteil zwischen dem Anfang der Rotorwicklung und dem Mittelabgriff. Insbesondere bei einem mittig zwischen dem Anfang und dem Ende der Rotorwicklung angeordneten Mittelabgriff, welcher die Rotorwicklung in zwei gleichgroße Anteile teilt, ist es möglich, dass eine zum Betrieb des Rotors eingesetzte Rotorstromregelung auf einen halben Rotorstrom angepasst wird.
-
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät dazu ausgebildet ist, das dritte Schaltelement und/oder das vierte Schaltelement nach dem Auftreten eines Defekts mittels Pulsweitenmodulation zu betreiben. Im Normalbetrieb können insbesondere auch das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement mittels Pulsweitenmodulation betrieben werden.
-
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Potentialanschluss ein Energiespeicher, insbesondere ein Zwischenkreiskondensator, angeordnet ist. Dieser dient beispielsweise zur Filterung von durch das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement erzeugten Störungen und/oder zur Aufnahme eines in dem Betriebszustand der Rückspeisung aus dem Rotor abgegebenen Stroms.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Schaltungsanordnung einen insbesondere dreiphasigen Wechselrichter umfasst, wobei eine Gleichstromseite des Wechselrichters mit dem ersten Potentialanschluss und dem zweiten Potentialanschluss verbunden ist. Der Wechselrichter kann insbesondere dazu ausgebildet sein, aus einem an dem ersten Potentialanschluss und dem zweiten Potentialanschluss eingespeisten Gleichstrom einen Wechselstrom zur Bestromung eines Stators einer elektrischen Maschine zu erzeugen. Das Steuergerät kann dabei dazu ausgebildet sein, den Wechselrichter in Abhängigkeit der Zustandsinformation anzusteuern.
-
Für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine ist vorgesehen, dass sie eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung und einen Rotor umfasst, wobei der Rotor eine Rotorwicklung mit einem Mittelabgriff aufweist, wobei ein Anfang der Rotorwicklung mit dem ersten Anschluss, ein Ende der Rotorwicklung mit dem zweiten Anschluss und der Mittelabgriff mit dem dritten Schaltelement und dem vierten Schaltelement der elektrischen Schaltungsanordnung verbunden ist. Die elektrische Maschine ist dabei insbesondere als eine fremderregte Synchronmaschine ausgeführt.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Mittelabgriff mittig zwischen dem Anfang und dem Ende der Rotorwicklung angeordnet ist. Der Mittelabgriff teilt dabei die Rotorwicklung in zwei Hälften, wobei der Anteil zwischen dem Anfang der Rotorwicklung und dem Mittelabgriff dem Anteil zwischen Mittelabgriff und dem Ende der Rotorwicklung zumindest im Wesentlichen in Bezug auf seinen elektrischen Widerstand und/oder seine Induktivität entspricht.
-
Sämtliche vorangehend in Bezug zu der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
-
Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung oder eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine ein elektrischer Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs ist. Durch die erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung kann aufgrund des dritten Schaltelements beziehungsweise des vierten Schaltelements bei einem Defekt des ersten Schaltelements beziehungsweise des zweiten Schaltelements vorteilhaft ein sicherer Betrieb eines Traktionsmotors des Kraftfahrzeugs ermöglicht werden.
-
Sämtliche vorangehend in Bezug zu der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung und der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
- 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung,
- 3 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung mit Strompfaden zur Erläuterung ihres Betriebs, und
- 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
-
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung 2, welche zur Bestromung einer Rotorwicklung 3 eines Rotors 4 einer elektrischen Maschine 5 ausgebildet ist. Die elektrische Schaltungsanordnung 2 ist mit einer Traktionsbatterie 6 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden und dient dazu, aus einem von der Traktionsbatterie 6 bereitgestellten Gleichstrom einen Rotorstrom zur Bestromung der Rotorwicklung 3 der elektrischen Maschine 5 zu erzeugen. Die elektrische Schaltungsanordnung 2 arbeitet dabei als ein Gleichspannungswandler und stellt eine Erregerschaltung dar. Die elektrische Schaltungsanordnung 2 ist mit einem Anfang 7, einem Ende 8 sowie einem Mittelabgriff 9 der Rotorwicklung 3 verbunden. Im Normalbetrieb wird durch die elektrische Schaltungsanordnung 2 die gesamte Rotorwicklung zwischen dem Anfang 7 und dem Ende 8 der Rotorwicklung betrieben.
-
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 2 dargestellt. Die Schaltungsanordnung 2 umfasst als Eingang einen ersten Potentialanschluss 10 sowie einen zweiten Potentialanschluss 11, zwischen denen ein Zwischenkreiskondensator 12 geschaltet ist. Der erste Potentialanschluss 10 und der zweite Potentialanschluss 11 sind beispielsweise mit der Traktionsbatterie 6 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden, wobei am ersten Potentialanschluss 10 ein positives Gleichstrompotential (DC+) und an dem zweiten Potentialanschluss 11 ein negatives Gleichstrompotential (DC-) anliegt. Bei dem zwischen dem ersten Potentialanschluss 10 und dem zweiten Potentialanschluss 11 angelegten Gleichstrom kann es sich um einen von der Traktionsbatterie 6 bereitgestellten Hochspannungsgleichstrom mit einer Spannung von beispielsweise 800 V handeln. Zur Wandlung dieser Spannung sowie zum Erzeugen verschieden großer Rotorströme umfasst die Schaltungsanordnung 2 eine asymmetrische Halbbrücke, welche durch ein erstes Schaltelement 13, ein zweites Schaltelement 14, eine erste Diode 15 und eine zweite Diode 16 gebildet wird.
-
Die Freilaufdioden des ersten Schaltelements 13 und des zweiten Schaltelements 14 sowie die Dioden 15, 16 sind bezüglich der an dem ersten Potentialanschluss 10 und dem zweiten Potentialanschluss 11 anliegenden Gleichspannung jeweils in Sperrrichtung geschaltet. Ein erster Anschluss 17 zwischen der Reihenschaltung aus dem ersten Schaltelement 13 und der ersten Diode 15 ist mit dem Anfang 7 der Rotorwicklung 3 verbunden. Entsprechend ist ein zweiter Anschluss 18 zwischen der Reihenschaltung aus der zweiten Diode 16 und dem zweiten Schaltelement 14 mit dem Ende 8 der Rotorwicklung 3 verbunden.
-
Die elektrische Schaltungsanordnung 2 umfasst weiterhin ein drittes Schaltelement 19 sowie ein viertes Schaltelement 20. Das dritte Schaltelement 19 ist dabei mit dem ersten Potentialanschluss 10 und dem Mittelabgriff 9 der Rotorwicklung 3 verbunden. Der Mittelabgriff 9 teilt die Rotorwicklung in zwei gleichgroße Anteile zwischen dem Anfang 7 und dem Mittelabgriff 9 beziehungsweise dem Mittelabgriff 9 und dem Ende 8 der Rotorwicklung. Für jeden Anteil der Rotorwicklung ist ein Widerstand R1 beziehungsweise R2 sowie eine Induktivität L1 beziehungsweise L2 dargestellt, wobei aufgrund der hälftigen Teilung zumindest im Wesentlichen R1 = R2 und L1 = L2 gilt.
-
Die Schaltungsanordnung 2 umfasst weiterhin ein Steuergerät 21, welche jeweils mit den Eingängen der beispielsweise als MOSFET oder IGBT ausgebildeten Schaltelemente 13, 14, 19, 20 verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Steuergerät 21 und den jeweiligen Eingängen der Schaltelemente 12, 13, 19, 20 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
-
Das Steuergerät 21 ist dazu eingerichtet, die Schaltelemente 13, 14 in einem Normalbetrieb der Schaltung zum Erzeugen eines Rotorstroms durch die Rotorwicklung 3 anzusteuern. Im Normalbetrieb der Schaltung werden das dritte Schaltelement 19 und das vierte Schaltelement 20 nicht benötigt, das dritte Schaltelement 19 und das vierte Schaltelement 20 sind daher im Normalbetrieb der Schaltungsanordnung 2 stets offen. Das Steuergerät 21 ist dazu ausgebildet, die Schaltelemente 13, 14, 19, 20 in Abhängigkeit einer einen einzustellenden Betriebszustand der elektrischen Maschine beschreibenden Zustandsinformation zu betreiben, d.h. die Schaltelemente 13, 14, 19, 20 jeweils insbesondere gemäß einer Pulsweitenmodulation zu öffnen und zu schließen. Die Zustandsinformation kann dazu zum Beispiel von einer weiteren Steuerungseinrichtung, zum Beispiel einen Motorsteuergerät, an das Steuergerät 21 übermittelt werden.
-
Der Normalbetrieb der Schaltungsanordnung 2 umfasst als ersten Betriebszustand einen Erregungs-Modus (Excitation mode) bzw. eine Rotorerregung, in dem der Rotor 4 der elektrischen Maschine 5 bestromt wird. Dadurch bildet sich im Rotor 4 der elektrischen Maschine 5 ein magnetisches Feld aus, so dass es zu einem Drehmomentaufbau und beispielsweise zu einer Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 1 kommt. In dem Zustand der Rotorerregung sind das erste Schaltelement 13 und das zweite Schaltelement 14 geschlossen. Die Schaltelemente 13, 14 müssen dabei jeweils nicht dauerhaft geschlossen sein, sondern können je nach einem einzustellenden Strom von dem Steuergerät 21 mittels Pulsweitenmodulation angesteuert werden.
-
Ein zweiter Betriebszustand stellt einen sogenannten Entregungs-Modus beziehungsweise Freilauf (Freewheeling-mode) dar. Dabei ist in einem sogenannten Highside-Freilauf das erste Schaltelement 13 geschlossen und das zweite Schaltelement 14 offen, so dass ein aufgrund der Induktivität L1 + L2 der Rotorwicklung 3 vorhandener Rotorstrom über die Diode 16 sowie das erste Schaltelement 13 im Kreis fließt und sich somit abbaut. Entsprechend kann dieser Zustand auch durch eine Lowside-Freilauf erreicht werden, indem entsprechend das zweite Schaltelement 14 geschlossen und das erste Schaltelement 13 offen ist, wobei der Rotorstrom durch die zweite Diode 15 sowie das zweite Schaltelement 14 fließt und sich abbaut.
-
Als dritten Betriebszustand des Normalbetriebsmodus ist ein Schnell-Entregungs-Modus beziehungsweise eine Rückspeisung (Energy recycling mode) vorgesehen. Dadurch kann der Rotorstrom schneller als im Freilaufmodus abgebaut werden, indem der Rotorstrom in einen zwischen dem ersten Potentialanschluss 10 und dem zweiten Potentialanschluss 11 vorgesehenen Energiespeicher rückgeführt wird. Dies kann beispielsweise der zwischen dem ersten Potentialanschluss 10 und dem zweiten Potentialanschluss 11 geschaltete Zwischenkreiskondensator 12 und/oder die mit dem ersten Potentialanschluss 10 und dem zweiten Potentialanschluss 11 verbundene Traktionsbatterie 6 sein.
-
Das Steuergerät 21 umfasst ein Strommessmittel 22, durch welches der Eingangsstrom in die Schaltungsanordnung 2 gemessen werden kann. Zusätzlich oder alternativ dazu ist es auch möglich, dass über das Strommessmittel 22 der durch die Rotorwicklung 3 fließende Rotorstrom gemessen wird. Dazu kann das Strommessmittel 22 oder ein weiterer Sensor des Strommessmittels 22 am Ausgang der Schaltungsanordnung 2, beispielsweise am ersten Anschluss 17 oder am zweiten Anschluss 18, angeordnet sein. Ein Defekt des ersten Schaltelements 13 oder des zweiten Schaltelements 14 kann von dem Steuergerät 21 dadurch ermittelt werden, dass der aktuelle, über das Strommessmittel 22 gemessene Strom, mit einem Sollstrom verglichen wird, welcher sich aus dem von dem Steuergerät 21 einzustellenden aktuellen Betriebszustand der Schaltungsanordnung 2 ergibt. Wenn der am Strommessmittel 22 gemessene Strom, insbesondere hinsichtlich zeitlichem Verlauf, Betrag und/oder Richtung, nicht mit dem gemäß dem Betriebszustand zu erwartenden Sollstrom übereinstimmt, so kann auf einen Defekt des ersten Schaltelements 13 beziehungsweise des zweiten Schaltelements 14 geschlossen werden.
-
Ein Defekt des ersten Schaltelements 13 kann beispielsweise vorliegen, wenn das erste Schaltelement 13 kurzgeschlossen ist oder wenn es dauerhaft unterbrochen, das heißt also nicht mehr leitfähig schaltbar, ist. In diesem Fall kann das dritte Schaltelement 19 an Stelle des ersten Schaltelements 13 betrieben werden. Die sich für die vorgenannten Betriebszustände ergebenden Strompfade sind in 3 schematisch dargestellt.
-
Ein Betriebszustand der Rotorerregung, in dem die Rotorwicklung 3 mit einem Rotorstrom versorgt wird, kann dadurch erfolgen, dass das erste Schaltelement 19 zumindest zeitweise geschlossen wird. Dabei kann beispielsweise das dritte Schaltelement 19 entsprechend einer Rotorstromvorgabe von dem Steuergerät 21 beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation angesteuert werden. Der dadurch erzeugte Rotorstrom fließt durch das dritte Schaltelement 19 und durch den Anteil der Rotorwicklung zwischen dem Mittelabgriff 9 und dem Ende 8 der Rotorwicklung gemäß dem Strompfad 23.
-
Im Falle eines Kurzschlusses des ersten Schaltelements 13 kann dabei ein kleiner Teilstrom auch durch das erste Schaltelement 13 sowie durch den ersten Teil der Rotorwicklung vom Anfang 7 zum Mittelabgriff 9 und von dort zu dem zweiten Teil der Rotorwicklung zum Ende 8 fließen, dieser Anteil des Stroms ist jedoch aufgrund des höheren Widerstandes und der höheren Induktivität der Gesamtrotorwicklung wesentlich kleiner als der durch den zweiten Teil zwischen dem Mittelabgriff 9 und dem Ende 8 der Rotorwicklung und somit durch den Betrieb des dritten Schaltelements 19 steuerbaren Anteil des Rotorstroms.
-
In einem Freilauf-Betriebszustand kann bei einem Defekt des ersten Schaltelements 13 entsprechend das weitere Schaltelement 19 zumindest zeitweise geschlossen werden, so dass sich entsprechend dem eingezeichneten Strompfad 24 ein Abbau des Rotorstroms durch einen Kreisstrom durch den zweiten Teil der Rotorwicklung sowie durch die zweite Diode 16 und das erste Schaltelement 19 ergibt, wodurch der Rotorstrom abgebaut werden kann. Bei einem kurzgeschlossenen ersten Schaltelement 13 ist auch hier ein vergleichsweise kleinerer Kreisstrom durch die gesamte Rotorwicklung 3 und das erste Schaltelement 13 möglich.
-
Im Betriebsmodus einer Rückspeisung kann bei einem Defekt des ersten Schaltelements 13 eine Rückspeisung des Rotorstroms über das vierte Schaltelement 20 erfolgen. Dabei kann das vierte Schaltelement 20 leitfähig geschaltet sein, es ist jedoch auch möglich, dass das vierte Schaltelement 20 nicht angesteuert wird und dass der sich ergebende Rückspeisestrom gemäß dem Strompfad 25 über eine Freilaufdiode des vierten Schaltelements 20 fließt.
-
Die vorangehend beschriebenen Betriebszustände bei einem Defekt des ersten Schaltelements 13 treffen analog auf einen Defekt des zweiten Schaltelements 14 zu, wobei jeweils statt dem dritten Schaltelement 19 entsprechend das vierte Schaltelement 20 angesteuert wird, wobei jeweils statt durch den zweiten Anteil der Rotorwicklung ein Strom durch den ersten Anteil der Rotorwicklung zwischen dem Anfang 7 der Rotorwicklung und dem Mittelabgriff 9 fließt. Wenn durch das Steuergerät 21 ein Defekt festgestellt wird, kann eine von einer Regelungseinrichtung des Steuergeräts 21 implementierte Rotorstromregelung entsprechend an den verbleibenden Anteil der Rotorwicklung 3 angepasst werden. Insbesondere ist der Mittelabgriff 9 mittig in der Rotorwicklung vorgesehen, so dass der erste Anteil und der zweite Anteil der Rotorwicklung jeweils im Wesentlichen gleiche Widerstände und Induktivitäten aufweisen, so dass die Regelung auf den halben Wert des Rotorstroms erfolgen kann.
-
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 5 dargestellt. Die elektrische Maschine 5 umfasst dabei eine elektrische Schaltungsanordnung 2, welche im Wesentlichen dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht, jedoch zusätzlich einen Wechselrichter 26 umfasst. Dieser Wechselrichter 26 umfasst einen Zwischenkreiskondensator 27 sowie sechs beispielsweise als IGBT oder MOSFET ausgeführte Schaltelemente 28, wobei der Wechselrichter 26 als ein dreiphasiger Pulswechselrichter ausgebildet ist. Die Gleichstromseite des Wechselrichters 26 ist mit dem ersten Potentialanschluss 10 und dem zweiten Potentialanschluss 11 verbunden. Die Wechselstromseite des Wechselrichter 26 ist mit einem Stator 29 der elektrischen Maschine 5 verbunden. Die Rotorwicklung 3 des Rotors 4 der elektrischen Maschine 5 ist mit der elektrischen Schaltungsanordnung 2 wie vorangehend beschrieben verbunden. Ein Betrieb des Wechselrichters 26 kann insbesondere auch durch das Steuergerät 21 in Abhängigkeit der Zustandsinformation erfolgen, wobei die Verbindungen zwischen dem Steuergerät 21 und den Schaltelementen 28 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.
