DE102021004753A1 - Method for operating an electric drive train of a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, wobei bei Auftreten eines Fehlers (F) im elektrischen Antriebsstrang vom elektrischen Antriebsstrang eine Anforderung (A) für einen sicheren Zustand des elektrischen Antriebsstrangs an eine Steuerung des Antriebsstrangs gesendet wird, wobei der sichere Zustand durch Abkoppeln der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebsstrangs von einer Achse des Fahrzeugs mittels Trennen einer Kupplung oder Einlegen einer Neutral-Stufe eines Getriebes hergestellt wird, wobei die elektrische Maschine so angesteuert wird, dass ihre Drehzahl (n) fällt.The invention relates to a method for operating an electric drive train of a vehicle, wherein when a fault (F) occurs in the electric drive train, a request (A) for a safe state of the electric drive train is sent from the electric drive train to a controller of the drive train, the safe State is produced by decoupling the electric machine of the electric drive train from an axle of the vehicle by disconnecting a clutch or engaging a neutral stage of a transmission, the electric machine being controlled in such a way that its speed (n) falls.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for operating an electric drive train of a vehicle according to the preamble of claim 1.
Sichere Zustände bei einem mittels einer elektrischen Maschine angetriebenen Fahrzeug führen zu einer Begrenzung der Drehzahl der elektrischen Maschine oder zum Stillstand des Fahrzeugs. Wenn der Fehler nicht abgestellt werden kann, dann bleibt die Begrenzung der Drehzahl bestehen. Bei einer Begrenzung der Drehzahl auf 0/min führt dies im Stand der Technik zum Liegenbleiben des Fahrzeugs.Safe states in a vehicle driven by an electric machine lead to a limitation of the speed of the electric machine or to the vehicle stopping. If the error cannot be eliminated, the speed limitation remains. In the prior art, limiting the engine speed to 0 rpm leads to the vehicle breaking down.
Es sind verschiedene sichere Zustände für elektrische Maschinen bekannt, z.B.:
- - APS (active phase short - aktiver Phasenkurzschluss): Der Zustand allphasiger Kurzschluss beschreibt einen aktiven Kurzschluss aller Phasen der elektrischen Maschine. Dies erfolgt durch Schließen der oberen oder unteren Schalter, beispielsweise IGBT, eines Umrichters zur Ansteuerung der elektrischen Maschine. Dies führt zu einem spannungsfreien Modus des elektrischen Antriebsstrangs (eATS) auf einer Gleichspannungsseite und ein Stromfluss in eine Hochspannungsversorgung wird verhindert. Deshalb ist dies in jeglichem Fehlerfall ein sicherer Zustand. Bei aktivem Kurzschluss treten hohe Wechselströme auf, die zu einer schnellen Erwärmung der elektrischen Maschine und des Umrichters führen. Bei vielen elektrischen Maschinen kann dieser Zustand nicht für längere Zeit aufrechterhalten werden.
- - ASO (all switches open - alle Schalter offen): In diesem Zustand sind alle Schalter des Umrichters, beispielsweise IGBT, geöffnet. Da die Dioden der Schalter als Brückengleichrichter wirken, stellt der Zustand ASO keine vollständige Abtrennung der elektrischen Maschine von der Gleichspannungsversorgung sicher. Wenn die durch die rückwirkende elektromotorische Kraft (Back-EMF) induzierte Spannung, die von der Drehzahl der elektrischen Maschine abhängig ist, höher ist als die Zwischenkreisgleichspannung (DC link voltage), dann fließt ein Strom aus der elektrischen Maschine in die Hochspannungsversorgung. Deshalb ist ASO nur dann in jeglichem Fehlerfall ein sicherer Zustand, wenn die drehzahlabhängige induzierte Spannung nicht zu hoch ist. Oberhalb eines Schwellwertes der rückwirkenden elektromotorischen Kraft (Drehzahl) wird APS verwendet.
- - APS/ASO: Ein Wechsel von APS zu ASO soll stattfinden, wenn die induzierte Spannung der elektrischen Maschine geringer ist als die aktuell an der Batterie anliegende Hochvolt-Gleichspannung.
- - Eine variable Begrenzung der Drehzahl kann angefordert werden, um den elektrische Antriebsstrang vor thermischen Problemen zu schützen.
- - APS (active phase short): The all-phase short circuit state describes an active short circuit in all phases of the electrical machine. This is done by closing the top or bottom switch, for example IGBT, of a converter for controlling the electrical machine. This results in a zero voltage mode of the electric powertrain (eATS) on a DC side and current flow into a high voltage supply is prevented. This is therefore a safe state in the event of any error. If there is an active short-circuit, high alternating currents occur, which lead to rapid heating of the electrical machine and the converter. In many electrical machines, this state cannot be maintained for a long period of time.
- - ASO (all switches open): In this state, all switches of the converter, for example IGBT, are open. Since the diodes of the switches act as bridge rectifiers, the ASO state does not ensure complete isolation of the electrical machine from the DC voltage supply. If the voltage induced by the back electromotive force (back-EMF), which depends on the speed of the electrical machine, is higher than the intermediate circuit direct voltage (DC link voltage), then a current flows from the electrical machine into the high-voltage supply. For this reason, ASO is only a safe condition in the event of any error if the speed-dependent induced voltage is not too high. Above a back electromotive force (RPM) threshold, APS is used.
- - APS/ASO: A change from APS to ASO should take place when the induced voltage of the electrical machine is lower than the high-voltage direct current currently applied to the battery.
- - A variable speed limit can be requested to protect the electric drive train from thermal problems.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs eines Fahrzeugs anzugeben.The invention is based on the object of specifying an improved method for operating an electric drive train of a vehicle.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs eines Fahrzeugs wird bei Auftreten eines Fehlers, beispielsweise einer Überhitzung, im elektrischen Antriebsstrang vom elektrischen Antriebsstrang eine Anforderung für einen sicheren Zustand („abgekoppelt“) des elektrischen Antriebsstrangs an eine zentrale Steuerung des Antriebsstrangs gesendet. Erfindungsgemäß wird der sichere Zustand („abgekoppelt“) durch Abkoppeln der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebsstrangs von einer Achse des Fahrzeugs mittels Trennen einer Kupplung oder Einlegen einer Neutral-Stufe (N) eines Getriebes hergestellt, wobei die elektrische Maschine so angesteuert wird, dass ihre Drehzahl fällt, wobei in einem Display des Fahrzeugs ein Hinweis ausgegeben wird, dass das Fahrzeug nur noch mittels eines nicht vom Fehler betroffenen Antriebsstrangs einer anderen Fahrzeugsachse betrieben wird und dass eine Werkstatt aufgesucht werden soll, wobei nach dem Abkoppeln des elektrischen Antriebsstrangs von der Achse ein weiterer sicherer Zustand (APS) eingestellt werden kann, bei dem ein aktiver Kurzschluss aller Phasen der elektrischen Maschine mit Hilfe von Schaltern eines Umrichters zum Betrieb der elektrischen Maschine erfolgt, wobei dann, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine auf 0 abgesunken ist oder sobald die induzierte Spannung geringer ist als die anliegende Hochvolt-Batterie-Spannung, auf einen weiteren sicheren Zustand (ASO) umgeschaltet werden kann, bei dem alle Schalter des Umrichters geöffnet sind.In a method according to the invention for operating an electric drive train of a vehicle, when an error occurs, for example overheating, in the electric drive train, the electric drive train sends a request for a safe state (“decoupled”) of the electric drive train to a central controller of the drive train. According to the safe state ("decoupled") by decoupling the electric machine of the electric drive train from an axle of the vehicle by separating a clutch or engaging a neutral stage (N) of a transmission, with the electric machine being controlled in such a way that its speed falls, with a message being output on a display of the vehicle that the vehicle can only be driven using a drive train that is not affected by the fault another vehicle axle is being operated and that a workshop should be visited, whereby after the electric drive train has been decoupled from the axle, another safe state (APS) can be set, in which an active short-circuit of all phases of the electric machine is carried out with the aid of converter switches takes place to operate the electric machine, and when the speed of the electric machine has dropped to 0 or as soon as the induced voltage is lower than the applied high-voltage battery voltage, it can be switched to a further safe state (ASO) in which all switches of the converter are open.
Die Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Maschine eines elektrischen Antriebsstrangs erfolgt durch einen Umrichter und eine Software zur Steuerung des Umrichters. Bei jeglichem Fehler des elektrischen Antriebsstrangs, beispielsweise bei einem defekten Stromsensor, wird durch die Software ein sicherer Zustand herbeigeführt. Wenn ein Getriebe mit einer Neutral-Stufe (N) oder irgendein anderes Gerät, beispielsweise eine Trennkupplung, verwendet wird, welches die elektrische Maschine mechanisch von einer Fahrzeugachse trennen kann, kann ein neuer sicherer Zustand „abgekoppelt“ in der Software implementiert werden. Dabei ist der elektrische Antriebsstrang von der Achse abgekoppelt.The electric machine of an electric drive train is controlled and/or regulated by a converter and software for controlling the converter. In the event of any error in the electric drive train, for example a defective current sensor, the software will bring about a safe state. When using a transmission with a neutral (N) range or any other device, such as a disconnect clutch, that can mechanically disconnect the electric machine from a vehicle axle, a new safe state “disconnected” can be implemented in the software. The electric drive train is decoupled from the axle.
Wenn ein Fehler im elektrischen Antriebsstrang auftritt, dann kann der erste sichere Zustand „abgekoppelt“ sein.If an electric powertrain fault occurs, then the first safe state may be “disconnected”.
Sobald der elektrische Antriebsstrang von der Achse abgekoppelt ist, können weitere sichere Zustände (beispielsweise APS) ohne weitere Einschränkungen des Fahrzeugs eingestellt werden.As soon as the electric drive train is decoupled from the axle, other safe states (e.g. APS) can be set without further restrictions on the vehicle.
Wenn während des Fahrbetriebs keine Entkopplung des elektrischen Antriebsstrangs von der Achse möglich ist, dann kann das Fahrzeug angehalten werden (beispielsweise mittels einer Halteanforderung oder einer Signalisierung in einem Display) und die Entkoppelung kann während des Stillstands vorgenommen werden.If the electric drive train cannot be decoupled from the axle while driving, the vehicle can be stopped (e.g. by means of a request to stop or a signal on a display) and the decoupling can be carried out while the vehicle is stationary.
Nachdem die elektrische Maschine abgekoppelt wurde, wird kein Drehmoment gestellt oder angefordert. Daher fließt kein Strom und die Drehzahl der abgekoppelten elektrischen Maschine fällt bis zum Stillstand ab. Um einen Stromfluss in die Hochspannungsversorgung der abgekoppelten elektrischen Maschine zu verhindern, kann der sichere Zustand APS auf die abgekoppelte elektrische Maschine angewandt werden.After the electric machine has been decoupled, no torque is provided or requested. As a result, no current flows and the speed of the decoupled electrical machine drops to a standstill. In order to prevent current flow into the high voltage supply of the decoupled electric machine, the safe state APS can be applied to the decoupled electric machine.
Erst wenn der Fehler behoben oder die Temperatur unterhalb eines Grenzwerts ist, wird eine Kopplung der elektrischen Maschine mit der Achse wieder erlaubt.Coupling of the electrical machine with the axis is only permitted again when the error has been corrected or the temperature is below a limit value.
Mit dem neuen sicheren Zustand „abgekoppelt“ kann bei einem Fahrzeug mit Allradantrieb ein elektrischer Antriebsstrang von einer Achse abgekoppelt werden und ein Fahrer des Fahrzeugs kann die Fahrt mit Zweiradantrieb (2WD) ohne weitere Einschränkungen bis zur nächsten Werkstatt fortsetzen.With the new safe state “disconnected”, an electric drive train can be disconnected from an axle in a four-wheel drive vehicle and a driver of the vehicle can continue driving in two-wheel drive (2WD) without further restrictions to the nearest workshop.
Ebenso erlaubt der neue sichere Zustand ein sicheres Abschleppen des Fahrzeugs in allen Abschlepp-Szenarien.The new safe state also allows the vehicle to be towed safely in all towing scenarios.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing.
Dabei zeigt:
-
1 ein schematisches Diagramm zur Darstellung von Ereignissen eines Fehler-Szenarios eines elektrischen Antriebsstrangs in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug mit Allradantrieb über der Zeit.
-
1 FIG. 12 is a schematic diagram showing events of an electric powertrain failure scenario in an electric four-wheel drive vehicle over time.
Zu einem Zeitpunkt t0 tritt ein Fehler F, beispielsweise eine Überhitzung, im elektrischen Antriebsstrang auf. Nach Detektion des Fehlers F und Ablauf einer Entprellzeit Δt1 erfolgt eine Anforderung A für einen sicheren Zustand „abgekoppelt“ des elektrischen Antriebsstrangs. In einem Display des Fahrzeugs kann ein Hinweis ausgegeben werden, dass das Fahrzeug nur noch mit Zweiradantrieb (2WD), das heißt mittels eines nicht vom Fehler F betroffenen Antriebsstrangs einer anderen Fahrzeugsachse, betrieben wird und dass eine Werkstatt aufgesucht werden soll. Wenig später zu einem Zeitpunkt t2 wird der sichere Zustand „abgekoppelt“ durch Abkoppeln der elektrischen Maschine von einer Achse des Fahrzeugs mittels Trennen einer Kupplung oder Einlegen einer Neutral-Stufe (N) eines Getriebes erreicht. Die Drehzahl n der elektrischen Maschine beginnt allmählich bis auf 0 abzufallen während das Fahrzeug unbeeinflusst davon, beispielsweise mit gleichbleibender Geschwindigkeit, weiterfährt.At a point in time t0, an error F, for example overheating, occurs in the electric drive train. After the error F has been detected and a debouncing time Δt1 has elapsed, a request A for a safe “decoupled” state of the electric drive train is made. A message can be output in a display of the vehicle that the vehicle is only being operated with two-wheel drive (2WD), i.e. using a drive train on another vehicle axle that is not affected by error F, and that a workshop should be visited. A little later, at a point in time t2, the safe “uncoupled” state is achieved by uncoupling the electric machine from an axle of the vehicle by disconnecting a clutch or engaging a neutral stage (N) of a transmission. The speed n of the electrical machine gradually begins to fall to 0 while the vehicle continues to drive unaffected by this, for example at a constant speed.
Sobald der elektrische Antriebsstrang von der Achse abgekoppelt ist, können weitere sichere Zustände (beispielsweise APS) ohne weitere Einschränkungen des Fahrzeugs eingestellt werden, beispielsweise um einen Stromfluss in die Hochspannungsversorgung der abgekoppelten elektrischen Maschine zu verhindern.Once the electric powertrain is decoupled from the axle, other safe states (e.g. APS) can be set without further restrictions on the vehicle, for example to prevent current flow into the high-voltage supply of the decoupled electric machine.
Der Zustand APS beschreibt einen aktiven Kurzschluss aller Phasen der elektrischen Maschine. Dies erfolgt durch Schließen der oberen oder unteren Schalter, beispielsweise IGBT, eines Umrichters zur Ansteuerung der elektrischen Maschine. Dies führt zu einem spannungsfreien Modus des elektrischen Antriebsstrangs (eATS) auf einer Gleichspannungsseite und ein Stromfluss in eine Hochspannungsversorgung wird verhindert.The APS state describes an active short circuit in all phases of the electrical machine. This is done by closing the top or bottom switch, for example IGBT, of a converter for controlling the electrical machine. This results in a zero voltage mode of the electric powertrain (eATS) on a DC side and current flow into a high voltage supply is prevented.
Wenn die Drehzahl n der elektrischen Maschine auf 0 abgesunken ist oder wenn die induzierte Spannung geringer ist als die anliegende Hochvolt-Batterie-Spannung, so kann auf den sicheren Zustand ASO gewechselt werden.When the speed n of the electrical machine has dropped to 0 or when the induced voltage is lower than the applied high-voltage battery voltage, it is possible to switch to the safe ASO state.
Im sicheren Zustand ASO sind alle Schalter, beispielsweise IGBT, des Umrichters geöffnet.In the safe state ASO, all switches, for example IGBT, of the converter are open.
Das Fahrzeug setzt die Fahrt mit Zweiradantrieb mit einer fehlerfreien elektrischen Maschine fort.The vehicle continues to travel in two-wheel drive with a healthy electric machine.
Daraus ergeben sich folgende Vorteile:
- - die Limitierung der Fahrzeuggeschwindigkeit oder Anforderung zum Fahrzeugstillstand ist nicht mehr nötig,
- - die Fahrzeugverfügbarkeit bei einem Problem im elektrischen Antriebsstrang wird erhöht,
- - eine Weiterfahrt ist ohne Drehzahleinschränkung möglich, falls ein weiterer Antrieb vorhanden ist,
- - falls ein weiterer Antrieb vorhanden ist, bleibt das Fahrzeug nicht liegen,
- - während eines Abschleppvorgangs kann der elektrische Antriebsstrang entkoppelt werden.
- - it is no longer necessary to limit the vehicle speed or to require the vehicle to stand still,
- - the vehicle availability in the event of a problem in the electric drive train is increased,
- - it is possible to continue driving without reducing the speed if another drive is available,
- - if there is another drive, the vehicle does not stop,
- - the electric drive train can be decoupled during towing.
Bei einem Fahrzeug mit Zweiradantrieb (2WD, 4x2) setzt das Fahrzeug die Fahrt nicht fort, sondern rollt aus.In a two-wheel drive (2WD, 4x2) vehicle, the vehicle does not continue to move but coasts.
Bezugszeichenlistereference list
- AA
- AnforderungRequirement
- APS, ASOAPS, ASO
- sicherer Zustandsafe condition
- Ff
- FehlerMistake
- nn
- Drehzahlnumber of revolutions
- tt
- ZeitTime
- t0, t1, t2t0, t1, t2
- Zeitpunkttime
- Δt1Δt1
- Entprellzeitdebounce time
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