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Die Erfindung betrifft eine Erregerschaltung für eine fremderregte Synchronmaschine, aufweisend zwei Spannungsversorgungsanschlüsse zur Spannungsversorgung, zwei mit einer Erregerwicklung, insbesondere Rotorwicklung, der fremderregten Synchronmaschine zu verbindende Erregerstromanschlüsse und eine an die Spannungsversorgungsanschlüsse anschließbare Brückenschaltung, insbesondere in Form einer asymmetrischen Vollbrücke. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Entregung einer Erregerwicklung einer fremderregten Synchronmaschine.
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Für Hybrid- und Elektrofahrzeuge ist es bekannt, Synchronmaschinen als Traktionsmaschinen zu verwenden. Während herkömmliche Antriebssysteme häufig permanenterregte Synchronmaschinen genutzt haben, wurde inzwischen auch vorgeschlagen, fremderregte Synchronmaschinen in Kraftfahrzeugen als Traktionsmaschinen einzusetzen. Bei fremderregten Synchronmaschinen (oft auch stromerregte Synchronmaschinen) kann auf die kostenintensiven Permanentmagnete im Rotor verzichtet werden. Das notwendige Magnetfeld im Rotor wird durch eine Erregerwicklung als Rotorwicklung bereitgestellt, in die, beispielsweise über Schleifringe, ein Gleichstrom als Erregerstrom eingespeist wird.
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Um diesen Gleichstrom bereitzustellen, wird über den den Statorwicklungen zugeordneten Umrichter (Traktionsinverter) hinaus als weitere Leistungselektronik eine Erregerschaltung als zusätzlicher leistungselektronischer Schaltungsteil benötigt. Für eine derartige Erregerschaltung kann beispielsweise eine Leistung von etwa 15 kW erforderlich sein. Die Erregerschaltung umfasst als hauptsächliche Komponente dabei üblicherweise eine Brückenschaltung, insbesondere eine asymmetrische Vollbrückenschaltung, die den Erregerstrom zur Bestromung der Erregerwicklung an entsprechenden Erregerstromanschlüssen bereitstellt.
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Sowohl der mit den Statorwicklungen der fremderregten Synchronmaschine verbundene Umrichter als auch die Erregerschaltung können physikalisch mit wenigstens einem gemeinsamen Zwischenkreiskondensator, der baulich meist am Umrichter angeordnet wird, verbunden sein und von diesem gespeist werden, wobei der wenigstens eine Zwischenkreiskondensator wiederum mit der Hochspannungsbatterie des Kraftfahrzeugs, also der Traktionsbatterie, verbunden sein kann. Im Rekuperationsbetriebsmodus, also im generatorischen Betrieb der fremderregten Synchronmaschine, können der wenigstens eine Zwischenkreiskondensator sowie die Hochspannungsbatterie des Kraftfahrzeugs geladen werden.
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Abhängig vom Betriebszustand des Umrichters können verschiedene Betriebszustände der Erregerschaltung und somit des aus Erregerschaltung und Erregerwicklung gebildeten Erregerkreises vorgesehen werden. So kann ein erster Betriebszustand, der üblicherweise einem Schaltzustand der Brückenschaltung entspricht, vorsehen, dass ein Erregerstrom aufgebaut wird. Über Freilaufzustände, bei einer asymmetrischen Vollbrückenschaltung beispielsweise einen Highside-Freilauf und einen Lowside-Freilauf, kann Erregerstrom innerhalb des Rotors abgebaut werden. Dabei ist auch ein Betriebszustand denkbar, in dem der Erregerstrom über die Spannungsversorgungsanschlüsse zum wenigstens einen Zwischenkreiskondensator beziehungsweise in das Hochspannungsnetz des Kraftfahrzeugs rückspeist.
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Dabei wird der Abbau des Erregerstroms und die damit verbundene Entmagnetisierung des Rotors üblicherweise über die Freilauf-Betriebszustände erreicht. In diesen führt die Induktivität der Erregerwicklung dazu, dass der Erregerstrom zunächst weiterfließt und erst langsam durch ohmsche Widerstände abgebaut wird. Ein Abbau des Rotorstroms kann aber auch durch Rückspeisen erfolgen.
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Dabei existieren in einem Kraftfahrzeug und anderen Anwendungen jedoch Fälle, in denen eine schnelle Entregung des Rotors, mithin eine Art Not-Entregung, notwendig ist. Kommt es beispielsweise bei einem vollständig magnetisierten, schnell rotierenden Rotor der fremderregten Synchronmaschine zu einem Unfall oder einem relevanten Defekt, besteht die Anforderung, den Rotor schnellstmöglich zu entregen, mithin zu entmagnetisieren, um sowohl die Energie zu eliminieren als auch das elektrische Antriebsmoment abschalten zu können. In einem solchen Notfall muss also der Erregerstrom sofort unterbrochen werden, so dass die sofortige Entmagnetisierung des Rotors folgt und den Sicherheitsanforderungen Genüge getan ist.
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Bei den bisher bekannten Erregerschaltungen sieht die Topologie eine derartige schnelle Entladung nicht vor, so dass diesbezüglich Verbesserungsbedarf besteht.
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DE 10 2020 120 814 A1 betrifft ein Verfahren zum Überprüfen eines Schnellentregungspfades einer Erregerschaltung für eine fremderregte elektrische Maschine, bei welcher ein erstes und ein zweites Schaltelement in Reihe zwischen einem positiven und einem negativen Spannungsanschluss geschaltet sind und ein viertes Schaltelement parallel zu dem zweiten Schaltelement geschaltet ist. Eine Erregerwicklung der fremderregten elektrischen Maschine ist am ersten Ende zwischen dem ersten und zweiten Schaltelement angeschlossen sowie an dem zweiten Ende mit dem zweiten Schaltelement verbunden. Ein elektrisches Bauelement ist einenends mit dem zweiten Ende der Erregerwicklung und andernends mit einem der Versorgungsanschlüsse verbunden, wobei die Erregerwicklung bei geschlossenem dritten Schaltelement aufgeladen wird, das dritte Schaltelement anschließend geöffnet wird und bei geöffnetem dritten Schaltelement eine für einen Stromfluss in einem die Erregerwicklung und das elektrische Bauelement umfassenden Pfad charakteristische Größe erfasst wird. Anhand dieser Größe wird eine Funktion des elektrischen Bauelements überprüft. Für eine schnelle Entregung können das erste und das dritte Schaltelement geöffnet werden, so dass die Erregerwicklung gegen die positive Versorgungsspannung oder gegen die Spannung, die aufgrund des elektrischen Bauteils entsteht, entregt wird, was zeitlich deutlich schneller sein soll.
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DE 10 2016 219 770 A1 betrifft eine Synchronmaschine mit einem Rotor und einer Schaltung zur Entmagnetisierung des Rotors. Dabei wird beim Abbau der Energie des Rotors ein Rotorstrom in einen Schaltungszweig geleitet, in dem mindestens ein zur Entmagnetisierung vorgesehenes Bauelement angeordnet ist, welches Bauelement ab einem vorgegebenen Spannungswert seinen Widerstand verringert. So soll die gesamte oder ein Großteil der im Rotor gespeicherten Energie vernichtet werden, ohne die Gefahr, den Kondensator bzw. den Zwischenkreiskondensator zu überladen. Das Bauelement kann dabei eine oder mehrere Zenerdioden oder eine oder mehrere Suppressordioden oder einen oder mehrere Varistoren aufweisen.
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DE 10 2013 213 539 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen und/oder Betreiben einer elektrischen Maschine, wobei elektrische Spannungsunterschiede mittels einer elektrisch leitfähigen Ableiteinrichtung ausgeglichen werden, um die Bildung von parasitären elektrischen Feldern zu minimieren. Insbesondere kann dort eine Spannungsdifferenz zwischen Welle und Masse signifikant gesenkt bzw. verhindert werden, ohne dass es zu einem Stromfluss über die Welle kommt und/oder die Welle mit dem masseführenden Schleifring der Schleifringbaugruppe kontaktiert werden muss.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Erregerschaltung zur Bereitstellung erhöhter Sicherheit und/oder verbesserten Schutzes in Notfällen auszugestalten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Erregerschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Erregerschaltung ferner Steuermittel und seitens der Erregerstromanschlüsse eine Schutzanordnung aufweist, welche aufweist:
- - einen zu der Erregerwicklung in Reihe geschalteten Halbleiterschalter, dem eine in Erregerstromflussrichtung sperrende Schutzdiode parallel geschaltet ist, und
- - einen zu der Erregerwicklung parallel verlaufenden, einen Verbindungspunkt zwischen der Brückenschaltung und dem Halbleiterschalter aufweisenden Abschaltspannungsabbaupfad mit wenigstens einer in Erregerstromflussrichtung sperrenden Zenerdiodenanordnung, die eine Durchbruchspannung definiert und wenigstens eine Zenerdiode aufweist,
wobei die Steuermittel bei Vorliegen eines Schnellentregungssignals zum Öffnen des Halbleiterschalters ausgebildet sind.
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Es wird also vorgeschlagen, zwischen der Brückenschaltung, welche unmodifiziert bleibt, und der Erregerwicklung zusätzliche Komponenten zur Realisierung einer Sicherheitsfunktion zu ergänzen, nämlich die Schutzanordnung, welche auch als eine Schutzschaltung verstanden werden kann und insbesondere der schnellen Entregung der Erregerwicklung und somit Entmagnetisierung des Rotors dient. Anders gesagt wird die in der Erregerschaltung verortete Schaltungstopologie erweitert. Hierzu wird einem der Erregerstromanschlüsse, bevorzugt im Rücklaufpfad des Erregerstroms, ein Halbleiterschalter (oft auch als Leistungshalbleiter bezeichnet) hinzugefügt, der zu der Erregerwicklung in Reihe geschaltet ist. Zwischen dem Halbleiterschalter und der Brückenschaltung wird dem Halbleiterschalter und den Erregerstromanschlüssen, im angeschlossenen Zustand mithin der Erregerwicklung, ein Abschaltspannungsabbaupfad parallel geschaltet. Der Abschaltspannungsabbaupfad weist eine in Erregerstromflussrichtung grundsätzlich, mithin bis zur Durchbruchspannung, sperrende Zenerdiodenanordnung auf, so dass die durch den Erregerstrom bereitgestellte elektrische Leistung im Normalbetrieb weiterhin vollständig durch die Erregerwicklung geführt wird.
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Der Halbleiterschalter kann, wie grundsätzlich bekannt, bevorzugt als IGBT oder MOSFET, insbesondere N-Kanal-MOSFET, ausgebildet sein. Dem Halbleiterschalter ist eine Schutzdiode, insbesondere eine weitere Zenerdiode, parallel geschaltet. Die weitere Zenerdiode dient dem Schutz des Leistungshalbleiters im Abschaltvorgang, da durch das Abschalten der Induktivität eine Gegenspannung aufgebaut wird. Vorliegend dient sie dem weiteren Zweck, einen Energieabbaupfad zu schaffen, wie im Folgenden noch genauer erläutert werden wird.
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Im Normalbetrieb ist der zusätzliche Halbleiterschalter leitend geschaltet, also geschlossen, und der vollständige Erregerstrom fließt über den Halbleiterschalter und die, beispielsweise über Schleifringe an der fremderregten Synchronmaschine angeschlossene, Erregerwicklung des Rotors. Dabei ist der Halbleiterschalter zweckmäßigerweise derart ausgestaltet und ausgelegt, dass seine Leitungsverluste minimiert sind. Insbesondere verbleiben, nachdem ja an der Brückenschaltung nichts geändert ist und der zusätzliche Halbleiterschalter im Normalbetrieb geschlossen ist, sämtliche vorherigen Optionen für Betriebszustände beziehungsweise Betriebsmodi. Insbesondere ist auch weiterhin eine langsame Entregung, beispielsweise über ein Rückspeisen des Rotorstroms, bei der die vorhandene Energie in einen Zwischenkreiskondensator des Umrichters gespeist werden kann, genau wie über einen Freilaufmodus möglich. In diesen Betriebsmodi bleibt, wie bereits erwähnt, der zusätzliche Halbleiterschalter geschlossen und es fließt keinerlei Strom über den Abschaltspannungsabbaupfad beziehungsweise die weitere Zenerdiode.
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Kommt es nun zu einem Fall, in dem eine möglichst schnelle Entregung, und somit Entmagnetisierung; des Rotors, stattfinden soll, liegt also beispielsweise ein Defekt vor oder eine Fahrzeug-Havarie, muss der Erregerstrom in kürzester Zeit abgebaut werden, um die gespeicherte elektrische Energie abzuführen und dadurch sowohl elektrische Sicherheit herbeizuführen als auch den elektrischen Antriebsstrang drehmomentfrei zu schalten.
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Durch das Öffnen des Halbleiterschalters wird der Stromfluss in Richtung der Spannungsversorgungsanschlüsse und somit jeglicher Erregerstrom unterbrochen. Anders gesagt ist es durch den Leistungshalbleiter in Reihenschaltung zur Erregerwicklung möglich den Erregerstromfluss bei Bedarf sofort zu unterbrechen und den Rotor stromlos zu schalten. Da die Erregerwicklung, genauer deren Induktivität (Rotorinduktivität), bestrebt ist, den Erregerstromfluss durch die Induktivität aufrechtzuerhalten, entsteht eine Gegenspannung (Abschaltspannung), welche sprungartig ansteigt, insbesondere auf Werte, die die Betriebsspannung übersteigen. Beispielsweise kann, abhängig vom Erregerstrom, die Induktivität der Erregerwicklung 0,4 bis 1,5 H betragen.
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Aufgrund der wenigstens einen Zenerdiode der Zenerdiodenanordnung, die dieser Abschaltspannung aufgrund der Parallelschaltung ja auch entgegenstehen, mithin sperren, entsteht im Abschaltspannungsabbaupfad ein hoher Widerstand. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Abschaltspannung äußerst schnell auf die Durchbruchspannung ansteigt. Ist die Durchbruchspannung erreicht, kann die Abschaltspannung äußerst schnell durch das Durchbrechen der wenigstens einen Zenerdiode abgebaut, also in die Energie in Wärme umgewandelt, werden, wobei die hierbei entstehende Wärme zweckmäßig durch eine entsprechende Kühleinrichtung abgeführt wird. In diesem Zusammenhang wird die Schutzdiode des Halbleiterschalters zweckmäßig genutzt, da sie in der Richtung des Abbaus der Abschaltspannung den Weg für einen Entregungsstrom freigibt, in Gegenrichtung jedoch weiterhin sperrt. Zudem ist der Halbleiterschalter geöffnet.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass im Notfall der Erregerstrom des Rotors sicher direkt abgeschaltet werden kann, da der Halbleiterschalter unmittelbar in Reihe zu der Erregerwicklung angeordnet ist, mithin innerhalb des durch die Erregerwicklung und den Abschaltspannungsabbaupfad gebildeten Kreises. Würde der Halbleiterschalter außerhalb des Kreises angeordnet sein, könnte im normalen Betrieb oder bei einem Defekt ein Betriebspunkt existieren, in dem der Erregerstrom nicht unterbrochen würde, sondern über den beschriebenen Kreis freiliefe. Dies ist hinsichtlich der funktionalen Sicherheit unerwünscht und wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verhindert.
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Der Rotor wird somit entmagnetisiert, so dass die fremderregte Synchronmaschine insbesondere auch drehmomentfrei ist.
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Zusammenfassend wird durch die vorliegende Erfindung also die Sicherstellung funktionaler Sicherheitsanforderungen in allen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs erreicht. Durch die Schutzanordnung wird die Sicherheit, insbesondere hinsichtlich potentiell auftretender Brände, erhöht und die Möglichkeit der Schnellentregung bei einem Fehler beziehungsweise einem Unfall gegeben. Aufgrund der Verortung der Schutzanordnung in der Erregerschaltung kann der Kostenaufwand für Materialkosten reduziert werden und es ist keine diskrete zusätzliche Schutzschaltung mehr notwendig. Auch in der Herstellung/Montage entfällt Aufwand hinsichtlich der Bestückung oder Montage einer diskreten Schutzschaltung. Die Robustheit des Gesamtsystems wird erhöht und Bauraum und Baugröße werden verringert. Allgemein kann zweckmäßig gesagt werden, dass die Schutzanordnung und die Brückenschaltung auf einem gemeinsamen Substrat vorgesehen sein können.
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Zweckmäßigerweise kann die Zenerdiodenanordnung derart ausgebildet sein, dass die Durchbruchspannung größer als eine zur Erzeugung des Erregerstroms genutzte Betriebsspannung ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass es nicht während des üblichen Betriebs zu einem Durchbruch kommen kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Durchbruchspannung wenigstens um 10 % größer als die Betriebsspannung ist. Beträgt die Betriebsspannung beispielsweise 900 V, kann die Durchbruchspannung bei 1000 V gewählt werden. Grundsätzlich sind verschiedenste Werte für die Durchbruchspannung denkbar, so dass diese, allgemein gesprochen, in einem Bereich von 400 bis 1300 V liegen kann.
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Vorzugsweise kann die Zenerdiodenanordnung mehrere in Reihe geschaltete Zenerdioden aufweisen. Durch die Reihenschaltung mehrerer Zenerdioden ist es möglich, bestimmte Werte der Durchbruchspannung bei handelsüblicher Auslegung der einzelnen Zenerdioden problemlos zu erreichen. Werden beispielsweise Zenerdioden mit einer Einzeldurchbruchspannung von 100 V verwendet, kann eine Durchbruchspannung 1200 V durch Reihenschaltung von zwölf derartigen Zenerdioden vorgegeben werden.
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Zweckmäßigerweise können die Steuermittel bei Vorliegen des Schnellentregungssignals auch zum Ansteuern der Brückenschaltung in einen Rückspeisungsmodus ausgebildet sein. Ist die Brückenschaltung als asymmetrische Vollbrücke ausgebildet, können die Steuermittel zum Öffnen der entsprechenden Brückenschalter zusätzlich zu dem Halbleiterschalter ausgebildet sein. Auf diese Weise können auch Anteile der Erregerstromleistung, die dennoch zu den Spannungsversorgungsanschlüssen vordringen, zweckmäßig abgebaut werden und es wird ein verbesserter Schutz des Zwischenkreises und anderer Komponenten erzielt. Denn trotz des sprunghaften Anstiegs der Abschaltspannung kann keine Energie in den Zwischenkreis zurückgespeist werden.
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Mit besonderem Vorteil können die Steuermittel ausgebildet sein, nach Abfall einer Abschaltspannung an der Erregerwicklung unter die Durchbruchspannung und/oder nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne den Halbleiterschalter zu schließen und die Brückenschaltung in einem Rückspeisemodus oder einem Freilaufmodus zu betreiben. Mithin kann dann, wenn die Spannung wieder im Bereich eines normalen Betriebspunktes liegt, der Halbleiterschalter wieder geschlossen werden, wobei die überschüssige Energie dann beispielsweise wieder in den Zwischenkreis zurückgespeist werden kann. Anders gesagt ist dann, wenn die Abschaltspannung unter die Durchbruchspannung absinkt, der kritische Moment überstanden und die restliche, noch vorhandene Energie kann auch etwas langsamer auf herkömmlichem Wege, mithin im Freilauf oder durch Rückspeisen, noch genutzt werden. Um einen aktuellen Wert der Abschaltspannung zu bestimmen, ist es beispielsweise denkbar, einen entsprechenden Spannungssensor einzusetzen. Möglich ist es jedoch auch, zu überprüfen, ob im Abschaltspannungsabbaupfad noch Stromfluss herrscht, mithin die Durchbruchspannung noch überschritten ist, oder nicht (Durchbruchspannung unterschritten). Sind typische Zeiten bekannt, die der Abbau des Spannungspeaks nach Unterbrechen des Erregerstroms benötigt, können diese auch genutzt werden, um eine vorbestimmte Zeitspanne zu definieren, nach der restliche Energie wie bekannt langsam im Freilauf oder durch Rückspeisen entregt werden kann.
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Die Steuermittel können ferner zum Betrieb des Halbleiterschalters im geschlossenen Zustand in einen Normalbetrieb, in dem kein Schnellentregungssignal vorliegt, ausgebildet sein. Das bedeutet, im Normalbetrieb verhält sich die Erregerschaltung im Wesentlichen so, als wäre die Schutzanordnung nicht vorhanden, nachdem der Halbleiterschalter auf möglichst minimalen Widerstand ausgelegt ist.
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Konkret kann das Schnellentregungssignal ein Unfallsignal und/oder ein Fehlersignal sein. Ein Unfallsignal kann beispielsweise von Unfallsensoren, beispielsweise Crashsensoren, beziehungsweise einem deren Sensordaten auswertenden Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, in dem die fremderregte Synchronmaschine als Traktionsmaschine genutzt wird, bereitgestellt werden. Fehlersignale, die beispielsweise einen die Abschaltung der fremderregten Synchronmaschine erfordernden Fehler beschreiben, können beispielsweise von entsprechenden Diagnose-Steuergeräten beziehungsweise einem der fremderregten Synchronmaschine selbst zugeordneten Steuergerät bereitgestellt werden.
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Neben der Erregerschaltung betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine fremderregte Synchronmaschine, eine der fremderregten Synchronmaschine zugeordnete Erregerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung und eine an ein Hochspannungsnetz angeschlossene, insbesondere einen der Synchronmaschine zugeordneten Umrichter umfassende Leistungselektronikanordnung. Die Erregerschaltung ist dabei mit der Erregerwicklung der fremderregten Synchronmaschine, welche im Rotor angeordnet ist, verbunden und kann mittels der Spannungsversorgungsanschlüsse ebenso an das Hochspannungsnetz angeschlossen sein. Insbesondere weist die Leistungselektronikanordnung an den Eingängen des Umrichters wenigstens einen Zwischenkreiskondensator auf, über den sowohl der Umrichter als auch die Erregerschaltung mit dem Hochspannungsnetz verbunden sein können. Bei dem Umrichter handelt es sich insbesondere um einen Drei-Phasen-Umrichter, der entsprechend eine B6-Brückenschaltung umfassen kann. Der Umrichter ist mit den Statorwicklungen der fremderregten Synchronmaschine verbunden. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Erregerschaltung lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, mit welchem mithin ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Die Erregerschaltung kann konkret als Teil eines insbesondere ein Gehäuse umfassenden Erregermoduls realisiert sein. Dies erleichtert die Handhabung, erhöht die Sicherheit und erlaubt insbesondere einen Verbau vergleichbar mit Leistungsmodulen der Leistungselektronikanordnung, für die beispielsweise für jede Phase ein Leistungsmodul vorgesehen sein kann.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Kraftfahrzeug ferner eine Kühleinrichtung mit einem Kühlkörper aufweisen, an den die Erregerschaltung mit der Schutzanordnung, insbesondere in dem Erregermodul, thermisch zur Entwärmung angebunden ist. An einem solchen Kühlkörper kann mit besonderem Vorteil auch wenigstens ein Teil der Leistungselektronikanordnung thermisch zur Entwärmung angebunden sein, insbesondere als wenigstens ein ein Gehäuse umfassendes Leistungsmodul. Durch die Anbindung der Erregerschaltung, insbesondere in Form des Erregermoduls, direkt an den Kühlkörper kann nicht nur in der Brückenschaltung entstehende Verlustleistung direkt an den Kühlkörper und somit die Kühleinrichtung abgegeben werden, sondern auch die bei Durchbruch insbesondere an der Zenerdiodenanordnung entstehende Wärme bei der Schnellentregung. Dennoch sei angemerkt, dass auch ein entstehender Verlustleistungsanteil durch den zusätzlichen Halbleiterschalter der Schutzanordnung direkt an den Kühlkörper abgeleitet wird, da ja die Schutzanordnung in die Erregerschaltung, insbesondere das Erregermodul, integriert ist und somit thermisch möglichst unmittelbar an den Kühlkörper angebunden ist. Durch die Anbindung der Schutzanordnung an die bevorzugt aktive Kühlung der Kühleinrichtung kann die große Energiemenge des Rotors, konkret des Erregerstroms in der Erregerwicklung, beherrscht werden, was durch die Integration in die Erregerschaltung, insbesondere das Erregermodul, besonders einfach möglich ist, da für das Erregermodul vorgeschlagen wurde, dieses an den Kühlkörper, der auch den Umrichter aktiv kühlt, anzubinden. Mit anderen Worten ist auf diese Art ein äußerst robustes Gesamtsystem gegeben, in dem die schnelle Entregungsfunktion von der Erregerschaltung übernommen wird und die Schutzanordnung mit der Erregerschaltung, insbesondere als Erregermodul und/oder auf einem gemeinsamen Substrat, an den Kühlkörper mit angebunden ist. Insbesondere sehen durch die hervorragende Kühlung auch die Bauelemente der Schutzanordnung nur einen normalen Temperaturhub, was sich positiv auf deren Lebensdauer auswirkt.
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Wie bereits erwähnt wurde, kann es sich bei dem Kraftfahrzeug insbesondere um ein Hybridkraftfahrzeug, bevorzugt jedoch um ein Elektrokraftfahrzeug, handeln. Hierbei ist die fremderregte Synchronmaschine eine Traktionsmaschine des Kraftfahrzeugs, bildet mithin einen Teil des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs. Gerade bei Elektrokraftfahrzeugen, jedoch auch bei Hybridkraftfahrzeugen, werden an die funktionale Sicherheit hohe Anforderungen gestellt, die durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise besonders einfach erfüllt werden können.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Entregung einer Erregerwicklung einer fremderregten Synchronmaschine mit einer Erregerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung oder in einem Kraftfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei bei Vorliegen des Schnellentregungssignals der Halbleiterschalter geöffnet wird. Auch auf das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich alle Ausführungen zur erfindungsgemäßen Erregerschaltung und zum erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug übertragen.
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Die Steuermittel können insbesondere als Teil eines Steuergeräts des Kraftfahrzeugs realisiert werden, beispielsweise eines Antriebssteuergeräts oder auch eines speziell für die Leistungselektronik der fremderregten Synchronmaschine vorgesehenen Steuergeräts.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
- 2 eine Ansicht eines Kühlkörpers mit thermisch an diesen angebundenen Modulen,
- 3 einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer Erregerschaltung,
- 4 schematisch den Stromfluss in einem ersten Betriebsmodus des Normalbetriebs,
- 5 schematisch den Stromfluss in einem zweiten Betriebsmodus des Normalbetriebs, und
- 6 schematisch den Stromfluss in einem Schnellentregungsbetriebsmodus.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1, vorliegend eines Elektrokraftfahrzeugs. Das Elektrokraftfahrzeug umfasst in einem hier nicht näher gezeigten Antriebsstrang eine Traktionsmaschine, die als fremderregte Synchronmaschine 2 ausgebildet ist. Die fremderregte Synchronmaschine 2 umfasst einen in 1 nicht näher gezeigten Rotor mit einer Erregerwicklung und einem Stator mit Statorwicklungen, wobei von den Statorwicklungen eine für jede von drei Phasen vorgesehen ist.
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Die fremderregte Synchronmaschine 2 ist über eine Leistungselektronikanordnung 3 an ein Hochspannungsnetz 4 des Kraftfahrzeugs 1 angebunden. Zur Verbindung der Erregerwicklung mit dem Hochspannungsnetz 4 umfasst das Kraftfahrzeug 1 ferner eine Erregerschaltung 5, die auch als Teil der Leistungselektronikanordnung 3 aufgefasst werden kann. Die Leistungselektronikanordnung 3 umfasst einen Umrichter 6, über den die Statorwicklungen mit dem Hochspannungsnetz 4 verbunden sind. Dabei weist das Hochspannungsnetz 4 eine höhere Spannung als ein Niedrigspannungsnetz des Kraftfahrzeugs 1 auf, welches hier nicht gezeigt ist. Die Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes 4 kann beispielsweise in einem Bereich über 200 V, insbesondere 350 bis 1000 V, liegen, wobei es sich um ein Gleichspannungsnetz handelt. Das Hochspannungsnetz 4 wird gespeist von einer Hochspannungsbatterie 7. In dem Hochspannungsnetz 4 können auch weitere Hochspannungskomponenten beziehungsweise Netzkomponenten vorgesehen und an dieses angeschlossen sein, beispielsweise ein zwischen dem Niedrigspannungsnetz und dem Hochspannungsnetz vorgesehener Gleichspannungswandler, ein On-Board-Ladegerät für die Hochspannungsbatterie 7, ein elektrischer Klimakompressor und/oder ein elektrischer Heizer.
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Die Leistungselektronikanordnung 3 kann auch einen Zwischenkreis mit wenigstens einem Zwischenkreiskondensator umfassen, über den auch die Erregerschaltung 5 an das Hochspannungsnetz 4 angebunden ist.
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In die Erregerschaltung 5 integriert ist vorliegend eine Schutzanordnung 8, die einen Abschaltspannungsabbaupfad mit einer Zenerdiodenanordnung bereitstellt, mittels welchem die elektrische Energie eines Erregerstroms in Wärmeenergie umgewandelt werden kann.
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Auch in diesem Zusammenhang umfasst das Kraftfahrzeug 1 ferner eine Kühleinrichtung 9, die ein in einem Kühlkreislauf zirkulierendes Kühlfluid umfasst, beispielsweise Kühlwasser, und zur Kühlung des Umrichters 6 sowie der Erregerschaltung 5 mit der Schutzanordnung 8 dient. Zur Steuerung des Betriebs der erläuterten Komponenten weist das Kraftfahrzeug ferner auch eine Steuereinrichtung 10 auf, die ein oder mehrere Steuergeräte umfassen kann.
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2 zeigt beispielhaft einen Kühlkörper 11 der Kühleinrichtung 9, welcher vorliegend auf nicht näher gezeigte Weise wenigstens einen Kanal und/oder wenigstens einen Hohlraum, der von dem Kühlfluid in den Kühlkreislauf durchströmt wird, aufweist. Auf dem Kühlkörper 11 befestigt und an diesen thermisch zur Kühlung angebunden ist neben Leistungsmodulen 12 für jede Phase, die zusammen den Umrichter 6 bilden, auch ein Erregermodul 13, in welchem in einem Gehäuse die Erregerschaltung 5 mit der Schutzanordnung 8 angeordnet ist. Auf diese Weise können durch den Kühlkörper 11 neben als Halbleiterschalter ausgebildeten Brückenschaltern einer Brückenschaltung der Erregerschaltung 5 auch die Komponenten der Schutzanordnung 8 gekühlt werden.
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Auch die Leistungsmodule 12 können die entsprechenden Leistungselektronikkomponenten, insbesondere ebenso umfassend Halbleiterschalter, einfassende Gehäuse aufweisen. Gezeigt sind vorliegend auch die Leistungsanschlüsse 14 der Leistungsmodule 12 an das Hochspannungsnetz 4 sowie die Leistungsanschlüsse 15 zu den Statorwicklungen für die einzelnen Phasen sowie entsprechende Ansteueranschlüsse 16. Am Erregermodul 13 sind diese der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
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3 zeigt einen Schaltplan einer Erregerschaltung 5 sowie umliegender Komponenten in einem Ausführungsbeispiel. Der hier als B6-Brückenschaltung ausgebildete Umrichter 6 ist nicht genauer gezeigt. Über einen Zwischenkreis mit Zwischenkreiskondensatoren 17, denen sowohl der Umrichter 6 als auch die Erregerschaltung 5 parallel geschaltet sind, sind der Umrichter 6 und die Erregerschaltung 5 an das Hochspannungsnetz 4 angeschlossen.
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Hierzu weist die Erregerschaltung 5 Spannungsversorgungsanschlüsse 18 auf, an die eine Brückenschaltung 19, hier eine asymmetrische Vollbrücke, auf einem Substrat anschließt. Die Brückenschaltung 19 weist, wie grundsätzlich bekannt, zwei Brückenschalter 20, 21 auf, die beispielsweise als IGBTs oder MOSFETs ausgebildet sein können. Zudem sind, wie grundsätzlich bekannt, Dioden 23 vorgesehen.
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Zur Verbindung mit der hier als Ersatzschaltbild mit der Induktivität 23 und dem ohmschen Widerstand 24 gezeigten Erregerwicklung 25 im Rotor 26 der fremderregten Synchronmaschine 2 weist die Erregerschaltung 5 ferner Erregerstromanschlüsse 27 auf. Zwischen den Erregerstromanschlüssen 27 und der Brückenschaltung 19 ist nun eine, hier ebenso auf dem Substrat angeordnete, Schutzanordnung 8 vorgesehen, die einen in Reihe zu der Erregerwicklung 25 geschalteten Halbleiterschalter 28 aufweist, dem eine Schutzdiode 29, hier eine Zener-Diode, in Sperrrichtung parallel geschaltet ist. Ferner weist die Schutzanordnung 8 einen Abschaltspannungsabbaupfad 30 auf, der wenigstens eine Zenerdiode 31, hier mehreren Zenerdioden 31, als Teil einer Zenerdiodenanordnung 32 umfasst. Der Abschaltspannungsabbaupfad 30 ist der Erregerwicklung 25 parallel geschaltet, wobei ein Verbindungspunkt 33 zwischen dem Halbleiterschalter 28 und der Brückenschaltung 25 liegt. Der Halbleiterschalter 28 ist beispielhaft im Rücklaufpfad angeordnet und ist vorliegend als N-Kanal-MOSFET realisiert, kann jedoch auch als ein IGBT realisiert werden. Er ist Teil eines durch die Erregerwicklung 25 und den Abschaltspannungsabbaupfad 30 gebildeten Abschaltspannungsabbaukreises.
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Der Halbleiterschalter 28 kann durch Steuermittel 34 der Steuereinrichtung 10, vgl. 1, angesteuert werden. In einem Normalbetrieb, wenn kein Schnellentregungssignal vorliegt, ist der Halbleiterschalter 28 dabei geschlossen. Es können mithin die üblichen Betriebszustände beziehungsweise Betriebsmodi, die über die asymmetrische Vollbrücke erreicht werden können, eingesetzt werden.
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Beispielhaft zeigen die 4 und die 5 mit den hier nur vereinfacht angedeuteten Schaltern 20, 21 und 28 den Stromfluss für einen Betriebsmodus zum Aufbau von Rotorstrom (4), in dem beide Brückenschalter 20, 21 geschlossen sind, und einen Rückspeisungsmodus (5), in dem die Brückenschalter 20, 21 geöffnet sind. Der Halbleiterschalter 28 ist geschlossen.
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Bei einem Unfall und bei einem relevanten Fehler kann mittels anderer Komponenten des Kraftfahrzeugs 1, beispielsweise von Unfallsensoren, einem Diagnose-Steuergerät und dergleichen als Unfallsignal beziehungsweise Fehlersignal ein Schnellentregungssignal an die Steuermittel 34 bereitgestellt werden. Bei Vorliegen des Schnellentregungssignals steuern die Steuermittel 34 den Halbleitereschalter 28 sowie vorliegend auch die Brückenschalter 20, 21 zum Öffnen an. Dann ergibt sich der in 6 schematisch illustrierte Notfallbetriebsmodus, in dem der Stromfluss Richtung Hochspannungsnetz 4 durch Öffnen des Halbleiterschalters 28 unterbrochen ist.
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Da die Induktivität 23 bestrebt ist, den Erregerstrom aufrechtzuerhalten, wird als Gegenspannung eine Abschaltspannung aufgebaut, vgl. Pfeil 35. Da die Zenerdioden 31 des Abschaltspannungsabbaupfades 30 sperren, mithin einen großen Widerstand darstellen, steigt die Abschaltspannung sprungartig an, bis die Durchbruchspannung der Zenerdiodenanordnung 32 erreicht ist. Diese liegt beispielsweise um wenigstens 10% höher als die Betriebsspannung des Hochspannungsnetzes 4 und ist durch die Reihenschaltung mehrerer Zenerdioden 31 gezielt eingestellt. Mit Erreichen der Durchbruchspannung brechen die Zenerdioden 31 durch und die elektrische Energie in der Erregerwicklung 25 wird sehr schnell in Verlustleistung, hier Wärmeenergie, umgewandelt und dem Kühlkörper 11 zugeführt. Der Rotor 26 wird somit entmagnetisiert. Hierbei kann problemlos die große Energiemenge des Rotors 26 abgebaut werden, da die Erregerschaltung 5 und somit die Schutzanordnung 8 unmittelbar an die aktive Kühlung mittels der Kühleinrichtung 9 angebunden sind, vgl. hierzu auch die Erläuterungen zu 2.
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Zum (langsameren) Abbau von ggf. verbliebener Restenergie können die Steuermittel 34 ausgebildet sein, die Brückenschaltung 19 dann, wenn die Abschaltspannung unter die Durchbruchspannung fällt bzw. die Zenerdioden 31 wieder sperren, in einen Rückspeisemodus oder einen Freilaufmodus zu schalten und den Halbleiterschalter 28 wieder zu schließen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020120814 A1 [0009]
- DE 102016219770 A1 [0010]
- DE 102013213539 A1 [0011]
