DE102022103848A1 - Verfahren zum Betreiben einer Wechselrichtereinrichtung einer Elektroantriebsvorrichtung, Steuereinheit, Elektroantriebsvorrichtung und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wechselrichtereinrichtung (5) einer Elektroantriebsvorrichtung (2), wobei die Wechselrichtereinrichtung (5) dazu eingerichtet ist, eine Gleichspannung eines Zwischenkreises (4) der Elektroantriebsvorrichtung (2) in einen Mehrphasenwechselstrom zum Betreiben eines Elektromotors (6) der Elektroantriebsvorrichtung (2) umzuwandeln. Es ist vorgesehen, dass durch eine Steuereinheit (8) der Elektroantriebsvorrichtung (2) ein Sicherungssignal (13) empfangen wird, welches die Steuereinheit (8) zum Betreiben des Elektromotors (6) in einen vorbestimmten sicheren Betriebsmodus und zeitgleich zu einem Entladen des Zwischenkreises (4) anweist. Falls ein vorbestimmter Aktiver-Kurzschluss-Modus vorgegeben ist, wird die Wechselrichtereinrichtung (5) zum Betreiben des Elektromotors (6) in dem vorbestimmten Aktiven-Kurzschluss-Modus und zum Entladen des Zwischenkreises (4) in dem vorbestimmten Entlademodus angesteuert. Falls ein vorbestimmter Freilauf-Modus vorgegeben ist, wird die Wechselrichtereinrichtung (5) zum Betreiben des Elektromotors (6) in dem vorbestimmten Freilauf-Modus angesteuert und bei einer Erfüllung eines vorbestimmten Stromkriteriums zum Entladen des Zwischenkreises (4) in den vorbestimmten Entlademodus angesteuert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wechselrichtereinrichtung einer Elektroantriebsvorrichtung, eine Steuereinheit, eine Elektroantriebsvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Elektromotoren in Elektroantriebsvorrichtungen von Kraftfahrzeugen werden gewöhnlicherweise mit einem Dreiphasenwechselstrom betrieben. Zu einer Bereitstellung des Dreiphasenwechselstroms weisen Elektroantriebsvorrichtungen Wechselrichtereinrichtungen auf, welche dazu vorgesehen sind, eine Gleichspannung eines Zwischenkreises der Elektroantriebsvorrichtung in den Dreiphasenwechselstrom zum Betreiben des Elektromotors umzuwandeln. In einem Fehlerfall eines Betriebs der Elektroantriebsvorrichtung ist es erforderlich, den Elektromotor in einem Betriebsmodus zu betreiben, der als sicherer Zustand bezeichnet wird. In diesem werden abrupte Änderungen des Drehmoments vermeiden.
  • Es existieren zwei solcher sicherer Betriebsmodi. Ein erster Betriebsmodus ist der sogenannte Freilauf. Zum Erreichen des Freilaufs werden alle High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter der Wechselrichtereinrichtung auf sperrend geschaltet. Antiparallel zu den Schaltern befinden sich Dioden über den der Strom, welcher zu dem Zeitpunkt im Stator fließt weiter über den Zwischenkreiskondensator fließen kann und sich langsam abbaut.
  • Der andere sichere Betriebsmodus ist der sogenannte aktive Kurzschluss. Dabei werden Schalter der Wechselrichtereinrichtung so geschaltet, dass zumindest einige der Phasenwicklungen des Elektromotors kurzgeschlossen sind, und somit der Strom sich abbauen kann.
  • Zusätzlich ist es aus Sicherheitsgründen vorgesehen, den Hochvoltzwischenkreis der Antriebsvorrichtung zu entladen. Die Entladung kann beispielsweise über Entladewiderstände erfolgen, welche parallel zum Hochvoltzwischenkreis geschaltet sein können. Eine andere Möglichkeit der Entladung besteht darin, den Hochvoltzwischenkreis über Schalter der Wechselrichtereinrichtung zu entladen.
  • Hierbei ist es jedoch erforderlich, dass die Leistungshalbleiter der Wechselrichtereinrichtung so geschaltet sind, dass ein Stromfluss durch die Wechselrichtereinrichtung ermöglicht ist. In dem Freilauf ist es jedoch erforderlich, die Leistungshalbleiter auf sperrend zu schalten und somit der Strom nur über den Freilauf, welchen die Dioden bilden, fließen kann. Aus diesem Grund ist es nicht ohne weitere Maßnahmen möglich, eine aktive Entladung über die vorhandenen Leistungshalbleiter durchzuführen.
  • Die DE 10 2016 207 373 A1 offenbart eine Wechselrichteranordnung, ein elektrisches Antriebssystem und ein Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators in einer Wechselrichteranordnung. Das Entladen des Zwischenkreiskondensators erfolgt durch Antakten eines Halbleiterschalters innerhalb des Wechselrichters. Dabei wird jeweils derjenige Brückenzweig des Wechselrichters für das Antakten ausgewählt, dessen Phasenspannung am kleinsten ist.
  • Die CN 103738197 A offenbart ein Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators für Elektrofahrzeuge. Während des Entladevorgangs befinden sich drei untere Halbbrückenarme in einem offenen Zustand, wobei der Zustand des Motors ein dreiphasiger Kurzschluss ist, der kein invertiertes elektrisches Potential erzeugt, wodurch das Problem gelöst wird, dass der Permanentmagnet-Synchronmotor des Elektrofahrzeugs den Zwischenkreiskondensator während der Rotation auflädt.
  • Die CN 108964572 A offenbart ein Verfahren und ein System zur aktiven Kurzschlusssteuerung eines Motors, wobei der Motor durch einen Wechselrichter gesteuert wird.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Strategie zum aktiven Entladen des Zwischenkreises und eines Erreichens eines sicheren Betriebsmodus zu ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wechselrichtereinrichtung einer Elektroantriebsvorrichtung, wobei die Wechselrichtereinrichtung zumindest zwei Halbbrücken mit einem jeweiligen Low-Side-Schalter und einem jeweiligen High-Side-Schalter umfasst. Der Wechselrichtereinrichtung ist dazu eingerichtet, eine Gleichspannung eines Zwischenkreises der Elektroantriebsvorrichtung in einen Mehrphasenwechselstrom zum Betreiben eines Elektromotors der Elektroantriebsvorrichtung umzuwandeln. Mit anderen Worten umfasst die Elektroantriebsvorrichtung die Wechselrichtereinrichtung, um den durch den Zwischenkreis bereitgestellten Gleichspannung in den Mehrphasenwechselstrom umzuwandeln. Es ist vorgesehen, dass die Wechselrichtereinrichtung für jede Phase des Mehrphasenwechselstroms die jeweilige Halbbrücke aufweist, welche den jeweiligen Low-Side-Schalter und den jeweiligen High-Side-Schalter umfasst.
  • In dem Verfahren ist es vorgesehen, dass durch eine Steuereinheit der Elektroantriebsvorrichtung, welche zum Steuern der Wechselrichtereinrichtung vorgesehen ist, ein Sicherungssignal empfangen wird, welches die Steuereinheit zum Betreiben des Elektromotors in einen vorbestimmten sicheren Betriebsmodus und zeitgleich zu einem Entladen des Zwischenkreises in einem vorbestimmten Entlademodus anweist. Mit anderen Worten wird durch die Steuereinheit das Sicherungssignal empfangen, welches die Steuereinheit dazu anweist, die Wechselrichtereinrichtung der Elektroantriebsvorrichtung derart anzusteuern, dass der Elektromotor in dem vorbestimmten sicheren Betriebsmodus betrieben wird und der Zwischenkreis in dem vorbestimmten Entlademodus entladen wird.
  • In einem Schritt des Verfahrens ist es vorgesehen, dass eine Fallunterscheidung durchgeführt wird, welche von einer Art des vorbestimmten sicheren Betriebsmodus abhängt. Falls der vorbestimmte sichere Betriebsmodus als ein vorbestimmter aktiver Kurzschlussmodus vorgegeben ist, wird die Wechselrichtereinrichtung durch die Steuereinheit zum Betreiben des Elektromotors in dem vorbestimmten aktiven Kurzschlussmodus und zeitgleich zum Entladen des Zwischenkreises in dem vorbestimmten Entlademodus angesteuert. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Schalter der Wechselrichtereinrichtung derart durch die Steuereinheit geschaltet werden, dass der Elektromotor in dem aktiven Kurzschlussmodus betrieben wird und zeitgleich das aktive Entladen des Zwischenkreises in dem vorbestimmten Entlademodus erfolgt.
  • Für den Fall, dass der vorbestimmte sichere Betriebsmodus als ein vorbestimmter Freilaufmodus vorgegeben ist, ist es vorgesehen, dass die Wechselrichtereinrichtung durch die Steuereinheit zum Betreiben des Elektromotors in dem vorbestimmten Freilaufmodus angesteuert wird und zumindest einmal eine durch eine Sensoreinheit erfasste Stromstärke in dem Elektromotor erfasst und durch die Steuereinheit auf eine Erfüllung eines vorbestimmten Stromkriteriums überprüft wird. Das vorbestimmte Stromkriterium betrifft eine Stromstärke in dem Elektromotor und ist so gewählt, dass es nicht zu einer ungewollten sprungartigen Drehmomentänderung kommt, wenn die Wechselrichtereinrichtung von dem Freilaufmodus in den Entlademodus geschaltet wird. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass für den Fall, dass es sich bei dem vorbestimmten sicheren Betriebsmodus um den vorbestimmten Freilaufmodus handelt, die Steuereinheit die Wechselrichtereinrichtung ansteuert, damit der Elektromotor in dem vorbestimmten Freilaufmodus betrieben werden kann.
  • Während des Betriebs des Elektromotors in dem vorbestimmten Freilaufmodus wird durch die Sensoreinheit die Stromstärke in dem Elektromotor erfasst. Durch die Steuereinheit wird überprüft, ob das vorbestimmte Stromkriterium durch die erfasste Stromstärke erfüllt ist. Das Stromkriterium kann beispielsweise vorgeben, dass ein vorbestimmter Schwellenwert der Stromstärke unterschritten sein muss. Es ist vorgesehen, dass bei einer Erfüllung des vorbestimmten Stromkriteriums die Wechselrichtereinrichtung durch die Steuereinheit zum Beenden des Betreibens des Motors in dem Freilaufmodus und zum Entladen des Zwischenkreises in dem vorbestimmten Entlademodus angesteuert wird. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der Betrieb des Motors in dem Freilaufmodus beendet wird, sobald das vorbestimmte Stromkriterium erfüllt ist. Nach dem Beenden des vorbestimmten Freilaufmodus wird die Wechselrichtereinrichtung durch die Steuereinheit zum Schalten des vorbestimmten Entlademodus zum Entladen des Zwischenkreises angesteuert.
  • Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass der Zeitpunkt der Einleitung des Entlademodus in Abhängigkeit von dem gewählten sicheren Betriebsmodus des Motors erfolgt, und dadurch eine sprunghafte Änderung des Drehmoments verhindert wird.
  • Die Erfindung umfasst auch Weiterbildungen durch die sich weitere Vorteile ergeben.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch die Steuereinheit in dem vorbestimmten aktiven Kurzschlussmodus zumindest zwei der Low-Side-Schalter der Wechselrichtereinrichtung auf leitend geschaltet werden, um zumindest zwei Phasenwicklungen des Motors kurzzuschließen. Es können auch sämtliche der Low-Side-Schalter der Wechselrichtereinrichtung auf leitend geschaltet werden. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der aktive Kurzschlussmodus das Kurzschließen von zumindest zwei Phasenwicklungen des Motors umfasst, wobei zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasenwicklungen zumindest zwei der Low-Side-Schalter der Wechselrichtereinrichtung durch die Steuereinheit auf leitend geschaltet werden.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch die Steuereinheit in dem vorbestimmten aktiven Entlademodus zumindest einer der High-Side-Schalter und zumindest einer der Low-Side-Schalter der Wechselrichtereinrichtung auf leitend geschaltet werden. Hierbei kann mindestens einer der Schalter gepulst oder im Linearbetrieb betrieben wird. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der Zwischenkreis entladen wird, indem durch die Steuereinheit in der Wechselrichtereinrichtung zumindest einer der High-Side-Schalter und zumindest einer der Low-Side-Schalter der Wechselrichtereinrichtung auf leitend gestellt werden. Dadurch ist es ermöglicht, dass ein Strom durch den High-Side-Schalter und den Low-Side-Schalter der Wechseleinrichtung fließen kann, welcher den Zwischenkreis entlädt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Entladen über die Wechselrichtereinrichtung erfolgen kann und somit keine Bereitstellung zusätzlicher Entladewiderstände erforderlich ist.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch die Steuereinheit in dem vorbestimmten Freilaufmodus jeder der Low-Side-Schalter der Wechselrichtereinrichtung und jeder der High-Side-Schalter der Wechselrichtereinrichtung auf sperrend geschaltet wird. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Wechselrichtereinrichtung durch die Steuereinheit zum Betreiben des Elektromotors in dem Freilaufmodus so geschaltet wird, dass durch keinen der Low-Side-Schalter und keinen der High-Side-Schalter Strom fließen kann. Der Stromfluss kann in diesem Betriebszustand nur über die antiparallelen Dioden, welche den Freilaufpfad bilden, stattfinden.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch die Steuereinheit in dem vorbestimmten aktiven Kurzschlussmodus zumindest zwei der High-Side-Schalter der Wechselrichtereinrichtung auf leitend geschaltet werden, um zumindest zwei Phasenwicklungen des Motors kurzzuschließen. Es können auch sämtliche der High-Side-Schalter der Wechselrichtereinrichtung auf leitend geschaltet werden. Mit anderen Worten wird der Kurzschluss in den zumindest zwei Phasenwicklungen des Motors bereitgestellt, indem zumindest zwei der High-Side-Schalter der Wechselrichtereinrichtung auf leitend geschaltet werden.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass bei einer Erfüllung des vorbestimmten Stromkriteriums die Wechselrichtereinrichtung durch die Steuereinheit zum aktiven Kurzschlussmodus und zeitlich in dem vorbestimmten Entlademodus angesteuert wird. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass bei der Erfüllung des vorbestimmten Stromkriteriums der vorbestimmte Freilaufmodus beendet wird. Zeitgleich werden sowohl der aktive Kurzschlussmodus als auch der Entlademodus durch die Steuereinheit in der Wechselrichtereinrichtung geschaltet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Elektromotor sowohl kurzgeschlossen ist als auch ein Entladen des Zwischenkreises erfolgen kann.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuereinheit zum Betreiben der Wechselrichtereinrichtung der Elektroantriebsvorrichtung nach einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Die Steuereinheit kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Sicherungssignal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektroantriebsvorrichtung, welche eine Steuereinheit zum Betreiben einer Wechselrichtereinrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung aufweist.
  • Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches eine Elektroantriebsvorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung aufweist.
  • Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
  • Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
  • Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Elektroantriebsvorrichtung;
    • 2 eine schematische Darstellung einer Elektroantriebsvorrichtung in einem Entlademodus;
    • 3 eine schematische Darstellung einer Elektroantriebsvorrichtung in einem aktiven Kurzschlussmodus; und
    • 4 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines Verfahrens zum Betreiben einer Wechselrichtereinrichtung.
  • Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektroantriebsvorrichtung. Gezeigt ist ein Kraftfahrzeug 1, welches die Elektroantriebsvorrichtung 2 aufweisen kann. Die Elektroantriebsvorrichtung 2 kann eine Batterie 3 aufweisen, welche dazu vorgesehen sein kann, Energie zum Antreiben der Elektroantriebsvorrichtung 2 bereitzustellen. Die Batterie 3 kann als Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt sein. Die Elektroantriebsvorrichtung 2 kann einen Zwischenkreis 4 aufweisen, welcher dazu vorgesehen sein kann, die Batterie 3 mit einer Wechselrichtereinrichtung 5 elektrisch leitend zu verbinden. Die Wechselrichtereinrichtung 5 kann dazu vorgesehen sein, eine auf dem Zwischenkreis 4 bereitgestellte Gleichspannung in einen Mehrphasenwechselstrom umzuwandeln, um einen Motor 6 durch den Mehrphasenstrom zu betreiben. Der Mehrphasenstrom kann beispielsweise zwei oder drei Phasen umfassen. Der Zwischenkreis 4 kann einen Zwischenkreiskondensator 7 aufweisen, welcher dazu vorgesehen sein kann, Energie zwischenzuspeichern. Die Wechselrichtereinrichtung 5 kann durch eine Steuereinheit 8 der Elektroantriebsvorrichtung 2 angesteuert werden, um Schaltzustande von High-Side-Schaltern 9 und Low-Side-Schaltern 10 schalten zu können. Phasenwicklungen 11 können mit der Wechselrichtereinrichtung 5 elektrisch leitend verbunden sein. Ein jeweiliger High-Side-Schalter 9 und ein jeweiliger Low-Side-Schalter 10 der Wechselrichtereinrichtung 5 können dabei eine Halbbrücke 12 bilden, welche zur Bestromung einer jeweiligen der Phasenwicklungen 11 des Elektromotors 6 vorgesehen sein kann. Dadurch kann es möglich sein, durch eine jeweilige der Halbbrücken 12 eine jeweilige Phase bereitzustellen. Die Steuereinheit 8 kann dazu eingerichtet sein, die Schaltzustände der Low-Side-Schalter 10 und der High-Side-Schalter 9 während eines Betriebs des Elektromotors 6 zu schalten, um den jeweiligen Mehrphasenstrom bereitzustellen.
  • In bestimmten Situationen, beispielsweise bei einer Fehlfunktion oder einem Unfall, kann es vorgesehen sein, dass der Motor 6 in einen sicheren Betriebsmodus gesetzt werden muss. Hierbei ist es insbesondere erforderlich, spontane Drehmomentänderungen in dem Elektromotor 6 zu vermeiden. Zugleich kann es aus Sicherheitsgründen erforderlich sein, den Zwischenkreis 4 zu entladen. Einer der sicheren Betriebsmodi ist der sogenannte Freilauf. In dem Freilauf ist es vorgesehen, dass jeder der High-Side-Schalter 9 und jeder der Low-Side-Schalter 10 offen beziehungsweise auf sperrend geschaltet wird, um den Stromfluss in die Phasenwicklungen 11 des Elektromotors 6 über einen Freilaufpfad der antiparallelen Dioden 15, 16 abzubauen. Ein solcher Schaltzustand ist in 1 dargestellt. Dies kann durch die Steuereinheit 8 erfolgen, wenn die Steuereinheit 8 ein Sicherungssignal 13 empfängt, welches die Steuereinheit 8 zum Schalten des Freilaufmodus und eines Entlademodus empfängt. Bei einem Schalten der Wechselrichtereinrichtung 5 in den dargestellten Freilaufmodus ergibt sich jedoch die Problematik, dass der Zwischenkreis 4 nicht über die Wechselrichtereinrichtung 5 entladen werden kann, weil durch die Wechselrichtereinrichtung 5 aufgrund der geöffneten High-Side-Schalter 9 und der geöffneten Low-Side-Schalter 10 kein Strom fließen kann. Aus diesem Grund kann es vorgesehen sein, dass durch eine Sensoreinheit 14 ein Stromfluss in dem Elektromotor 6 erfasst wird und durch die Steuereinheit 8 der erfasste Stromfluss mit einem vorbestimmten Stromkriterium verglichen wird. Das vorbestimmte Stromkriterium kann beispielsweise vorgeben, dass eine Stromstärke des Stroms durch eine oder alle der Phasenwicklungen 11 des Elektromotors 6 unterhalb eines vorbestimmten Stromschwellenwerts sein muss. Es kann vorgesehen sein, dass der Zwischenkreis 4 erst entladen wird, wenn die Stromstärke des Stroms unter dem vorbestimmten Schwellenwert der Stromstärke liegt. Es kann vorgesehen sein, dass die Wechselrichtereinrichtung 5 durch die Steuereinheit 8 bei der Erfüllung des Stromkriteriums angesteuert wird und beispielsweise zumindest einer der High-Side-Schalter 9 und zumindest einer der Low-Side-Schalter 10 auf leitend beziehungsweise geschlossen gestellt wird, damit der Zwischenkreis 4 über die Wechselrichtereinrichtung 5 entladen werden kann. Dieser Schaltzustand wird auch als aktiver Entlademodus bezeichnet. Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Wechselrichtereinrichtung 5 gleichzeitig in einen aktiven Kurzschlussmodus gesetzt wird, indem beispielsweise zwei der High-Side-Schalter 9 oder zwei der Low-Side-Schalter 10 auf leitend gestellt werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektroantriebsvorrichtung in einem Entlademodus. Der Entlademodus kann beispielsweise durch ein Schalten eines Low-Side-Schalters 10 und eines High-Side-Schalters 9 einer Halbbrücke 12 erfolgen, sodass eine Entladung über den Wechselrichter 5 erfolgen kann.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektroantriebsvorrichtung in einem aktiven Kurzschlussmodus. Die Wechselrichtereinrichtung 5 kann in den aktiven Kurzschlussmodus durch die Steuereinheit 8 geschaltet sein, indem alle der High-Side-Schalter 9 auf leitend gestellt sind und die Low-Side-Schalter 10 auf sperrend. Es wäre auch möglich, einen aktiven Kurzschluss zu ermöglichen, indem alle der Low-Side-Schalter 10 auf leitend gestellt sind und alle High-Side-Schalter 9 gesperrt sind.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines Verfahrens zum Betreiben einer Wechselrichtereinrichtung.
  • In einem Schritt S1 kann durch eine Steuereinheit 8 der Elektroantriebsvorrichtung 2 ein Sicherungssignal 13 empfangen werden, welches die Steuereinheit 8 zum Betreiben des Elektromotors 6 in einem vorbestimmten sicheren Betriebsmodus und zeitglich zu einem Entladen des Zwischenkreises 4 in einem vorbestimmten Entlademodus anweist.
  • In einem Schritt S2 kann durch die Steuereinheit 8 eine Fallunterscheidung durchgeführt werden, wobei durch die Steuereinheit 8 überprüft wird, ob es sich bei dem vorbestimmten sicheren Betriebsmodus um einen aktiven Kurzschlussmodus oder einen Freilaufmodus handelt. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 8 über einen erfassten Stromverlauf ermitteln, um welche Art es sich bei dem Elektromotor handelt. Handelt es sich um einen Asynchronmotor kann der Freilaufmodus als der sichere Betriebsmodus gewählt werden. Handelt es sich um einen Permanentmagnet-Synchronmotor kann der aktive Kurzschlussmodus als der sichere Betriebsmodus gewählt werden.
  • Für den Fall, dass es sich bei dem vorbestimmten sicheren Betriebsmodus um einen aktiven Kurzschlussmodus handelt, kann in einem Verfahrensschritt S3a die Wechselrichtereinrichtung 5 durch die Steuereinheit 8 zum Betreiben des Elektromotors 6 in dem vorbestimmten aktiven Kurzschlussmodus und zum Entladen des Zwischenkreises 4 in dem vorbestimmten Entlademodus angesteuert werden.
  • Falls es sich bei dem vorbestimmten sicheren Betriebsmodus um einen vorbestimmten Freilaufmodus handelt, kann in einem Verfahrensschritt S3b die Wechselrichtereinrichtung 5 durch die Steuereinheit 8 zum Betreiben des Elektromotors 6 in dem vorbestimmten Freilaufmodus angesteuert werden.
  • In einem Verfahrensschritt S4b kann durch die Sensoreinheit 14 eine Stromstärke in dem Elektromotor 6 erfasst werden und durch die Steuereinheit 8 eine Erfüllung eines vorbestimmten Stromkriteriums durch die erfasste Stromstärke überprüft werden. Die Stromstärke kann beispielsweise zum Erfüllen des vorbestimmten Stromkriteriums unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes liegen. Die Messung kann zumindest einmal erfolgen.
  • Wenn das Stromkriterium erfüllt ist, kann in einem Verfahrensschritt S5b die Wechselrichtereinrichtung 5 durch die Steuereinheit 8 angesteuert werden, um den Freilaufmodus zu beenden und die Wechselrichtereinrichtung 5 in einen aktiven Entlademodus zu stellen.
  • Zusätzlich kann es in einem Schritt S6b vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 8 die Wechselrichtereinrichtung 5 ansteuert, um die Wechselrichtereinrichtung 5 zeitgleich in den aktiven Entlademodus und einen aktiven Kurzschlussmodus zu schalten.
  • In definierten Fehlerfällen, zum Beispiel bei einem Lastabwurf oder Crash-Fall versucht der Hochvolt-Antriebsstrang in einen sicheren Zustand überzugehen. Das bedeutet in der Regel ein Runterfahren der Hochvolt-Spannung und der elektrischen Maschine wobei versucht wird Sprünge im Drehmoment sowie abrupte Bremsmomente zu vermeiden.
  • Zur Entladung des Hochvolt-Zwischenkreises werden entweder extra dafür vorgesehene Entladewiderstände parallel zum Hochvolt-Bordnetz geschaltet. Oder alternativ dazu kann, soweit möglich, die Energie zum Beispiel auch über die Leistungshalbleiter des Antriebsumrichters abgebaut werden.
  • Zeitgleich wird die elektrische Maschine je nach Maschinentyp (zum Beispiel Permanentmagnet-Synchronmotor oder Asynchronmotor) in einen sicheren Zustand überführt, zum Beispiel aktiver Kurzschluss (AKS) oder Freilauf.
  • Da zum Beispiel für einen Freilauf es zwingend notwendig ist, dass die Leistungshalbleiter des Pulswechselrichters nicht durchgesteuert sind, kann in diesem Betriebszustand nicht ohne weitere Maßnahmen eine aktive Entladung über die vorhandenen Leistungshalbleiter erfolgen.
  • Die Erfindung schlägt eine Betriebsstrategie vor, wie ein sicherer Zustand der elektrischen Maschine eingenommen werden kann und maschinentypunabhängig eine aktive Entladung über die Leistungshalbleiter möglich ist.
  • Auf eine separate aktive Entladung über zusätzliche Bauteile kann verzichtet werden, was Kosten und Bauraumbedarf reduziert und die Fehlerstrategie zumindest in einem gewissen Maß maschinentypunabhängig macht.
  • Geht der Pulswechselrichter in den sicheren Zustand über und zeitgleich soll die aktive Entladung angesteuert werden, wird wie folgt verfahren. Wird als sichere Zustand der aktive Kurzschluss eingenommen, so kann zeitgleich mit der aktiven Entladung begonnen werden, da der aktive Kurzschluss zum Beispiel durch ansteuern der Low-Side-Schalter umgesetzt werden und die aktive Entladung durch Einschalten eines oder mehrerer High-Side-Schalter erfolgen kann. Dabei spielt es keine Rolle ob der/die High-Side-Schalter gepulst angesteuert oder zum Beispiel im Linearbetrieb betrieben werden. Für den Fall, dass der Freilauf eingenommen werden soll, zum Beispiel bei einem Asynchronmotor, so wird initial der geforderte Betriebszustand eingenommen. Der Freilauf wird solange beibehalten, bis der Strom in der Maschine auf null oder zumindest unter einen bestimmten Wert gefallen ist, was üblicherweise nur wenige 100 ms dauert. Während dieser Zeit bleibt die aktive Entladung inaktiv, damit es nicht zu einer ungewollten sprungartigen Drehmomentänderung kommt. Erst wenn der Strom entsprechend gesunken ist, wird die aktive Entladung aktiviert. Dabei werden mindestens ein High-Side-Schalter 9 und ein Low-Side-Schalter 10 angesteuert. Da der Strom zu diesem Zeitpunkt in der Maschine sehr klein und/oder. gleich 0 ist, entsteht kein ungewolltes Drehmoment. Optional kann zusätzlich dazu noch ein aktiver Kurzschlussmodus eingenommen werden, der über die High-Side-Schalter oder die Low-Side-Schalter geschaltet sein kann.
  • Bei der Auslegung ist zu beachten, dass die Zeitdauer bis der Strom unter den gewünschten Wert gefallen ist und im Anschluss die aktive Entladung den Zwischenkreis auf eine ungefährliche Spannung entladen hat, nicht länger dauert, als die in den Normen geforderte Zeitspanne. Die aktive Entladung und gegebenenfalls auch die E-Maschine sind demnach auszulegen.
  • Insgesamt zeigen die Beispiele, wie ein Entladen eines Zwischenkreises ermöglicht sein kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016207373 A1 [0007]
    • CN 103738197 A [0008]
    • CN 108964572 A [0009]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Wechselrichtereinrichtung (5) einer Elektroantriebsvorrichtung (2), wobei die Wechselrichtereinrichtung (5) zumindest zwei Halbbrücken (12) mit einem jeweiligen Low-Side-Schalter (10) und einem jeweiligen High-Side-Schalter (9) umfasst und dazu eingerichtet ist, eine Gleichspannung eines Zwischenkreises (4) der Elektroantriebsvorrichtung (2) in einen Mehrphasenwechselstrom zum Betreiben eines Elektromotors (6) der Elektroantriebsvorrichtung (2) umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, dass - durch eine Steuereinheit (8) der Elektroantriebsvorrichtung (2) ein Sicherungssignal (13) empfangen wird, welches die Steuereinheit (8) zum Betreiben des Elektromotors (6) in einen vorbestimmten sicheren Betriebsmodus und zeitgleich zu einem Entladen des Zwischenkreises (4) in einem vorbestimmten Entlademodus anweist, - falls als der vorbestimmte sichere Betriebsmodus ein vorbestimmter Aktiver-Kurzschluss-Modus vorgegeben ist, die Wechselrichtereinrichtung (5) durch die Steuereinheit (8) zum Betreiben des Elektromotors (6) in dem vorbestimmten Aktiven-Kurzschluss-Modus und zum Entladen des Zwischenkreises (4) in dem vorbestimmten Entlademodus angesteuert wird, - falls als der vorbestimmte sichere Betriebsmodus ein vorbestimmter Freilauf-Modus vorgegeben ist, die Wechselrichtereinrichtung (5) durch die Steuereinheit (8) zum Betreiben des Elektromotors (6) in dem vorbestimmten Freilauf-Modus angesteuert wird, und zumindest einmal eine durch eine Sensoreinheit (14) erfasste Stromstärke in dem Elektromotor (6) erfasst und durch die Steuereinheit (8) auf eine Erfüllung eines vorbestimmten Stromkriteriums überprüft wird, welches ein zulässiges Entladen indiziert, und - -bei einer Erfüllung des vorbestimmten Stromkriteriums die Wechselrichtereinrichtung (5) durch die Steuereinheit (8) zum Beenden des Betreibens des Elektromotors (6) in dem Freilauf-Modus und zum Entladen des Zwischenkreises (4) in dem vorbestimmten Entlademodus angesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinheit (8) in dem vorbestimmten Aktiven-Kurzschluss-Modus zumindest zwei der Low-Side-Schalter (10) der Wechselrichtereinrichtung (5) auf leitend geschaltet werden, um zumindest zwei Phasenwicklungen (11) des Elektromotors (6) kurzzuschließen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinheit (8) in dem vorbestimmten Aktiven-EntladeModus zumindest einer der High-Side-Schalter (9) und zumindest einer der Low-Side-Schalter (10) der Wechselrichtereinrichtung (5) auf leitend geschaltet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinheit (8) in dem vorbestimmten Freilauf-Modus jeder der Low-Side-Schalter (10) der Wechselrichtereinrichtung (5) und jeder der High-Side-Schalter (9) der Wechselrichtereinrichtung (5) auf sperrend geschaltet wird,
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinheit (8) in dem vorbestimmten Aktiven-Kurzschluss-Modus zumindest zwei der High-Side-Schalter (9) der Wechselrichtereinrichtung (5) auf leitend geschaltet werden, um zumindest zwei Phasenwicklungen (11) des Elektromotors (6) kurzzuschließen.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Erfüllung des vorbestimmten Stromkriteriums die Wechselrichtereinrichtung (5) durch die Steuereinheit (8) zum Aktiven-Kurzschluss-Modus und zeitgleich in den vorbestimmten Entlademodus angesteuert wird.
  7. Steuereinheit (8), eingerichtet zum Betreiben der Wechselrichtereinrichtung (5) nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. Elektroantriebsvorrichtung (2), umfassend eine Steuereinheit (8) nach Anspruch 7.
  9. Kraftfahrzeug (1) umfassend eine Elektroantriebsvorrichtung (2) nach Anspruch 8.
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