EP4259470A1 - Ansteuerschaltung für eine elektrische maschine, elektrisches antriebssystem und verfahren zum abbremsen einer elektrischen maschine - Google Patents

Ansteuerschaltung für eine elektrische maschine, elektrisches antriebssystem und verfahren zum abbremsen einer elektrischen maschine

Info

Publication number
EP4259470A1
EP4259470A1 EP21819803.4A EP21819803A EP4259470A1 EP 4259470 A1 EP4259470 A1 EP 4259470A1 EP 21819803 A EP21819803 A EP 21819803A EP 4259470 A1 EP4259470 A1 EP 4259470A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
connection
voltage
electrical
control circuit
point
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21819803.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Fassnacht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4259470A1 publication Critical patent/EP4259470A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/22—Dynamic electric resistor braking, combined with dynamic electric regenerative braking
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/24—Electrodynamic brake systems for vehicles in general with additional mechanical or electromagnetic braking
    • B60L7/26—Controlling the braking effect
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W30/00—Purposes of road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub-unit, e.g. of systems using conjoint control of vehicle sub-units
    • B60W30/18—Propelling the vehicle
    • B60W30/18009—Propelling the vehicle related to particular drive situations
    • B60W30/18109—Braking
    • B60W30/18127—Regenerative braking
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/79—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/797—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/68—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive based on the temperature of a drive component or a semiconductor component
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P3/00—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters
    • H02P3/06—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter
    • H02P3/18—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor
    • H02P3/22—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor by short-circuit or resistive braking
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/30—AC to DC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/40—DC to AC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/42—Drive Train control parameters related to electric machines
    • B60L2240/421—Speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/545—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/322—Means for rapidly discharging a capacitor of the converter for protecting electrical components or for preventing electrical shock

Definitions

  • the present invention relates to a control circuit for an electric machine and an electric drive system with such a control circuit. Furthermore, the present invention relates to a vehicle with an electric drive system that includes such a control circuit. Furthermore, the present invention relates to a method for braking an electrical machine.
  • Fully or at least partially electrically powered vehicles include an electric drive system with an electric machine.
  • this electrical machine can use electrical energy from an energy source, such as a traction battery, to drive the vehicle in motor mode.
  • the electric machine can also be operated in generator mode in order to convert the vehicle's kinetic energy into electrical energy. This electrical energy can, for example, charge the vehicle's traction battery.
  • the publication DE 10 201 1085 347 A1 describes a method for controlling an electrical machine of a motor vehicle, the electrical machine being designed to provide drive power and recuperation. A current driving state is evaluated to determine a degree of recuperation.
  • the present invention creates a control circuit for an electric machine, an electric drive system, an electric vehicle and a method for braking an electric machine with the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject matter of the dependent patent claims.
  • a control circuit for an electrical machine with an electrical resistance and a three-level inverter includes a DC voltage connection and an AC voltage connection.
  • the DC voltage connection has a first connection point, a second connection point and a center connection.
  • the electrical resistance is arranged between the center connection and the first connection point.
  • the three-point inverter is designed to be connected to an electrical machine at the AC voltage connection.
  • the three-point inverter is designed to be connected to a DC voltage source at the DC voltage connection between the middle connection and the second connection point of the DC voltage connection.
  • An electric drive system with a control circuit according to the invention and an electric machine is electrically coupled to the AC voltage connection of the control circuit.
  • a method of braking an electric machine comprises a step of providing a device according to the invention control circuit. Furthermore, the method includes a step for rectifying one of the electrical machine on
  • AC voltage connection provided AC voltage and a step for providing the rectified AC voltage at the DC voltage connection of the drive circuit.
  • at least part of the electrical energy of the rectified AC voltage is provided at an electrical resistor between the center connection and the first connection point.
  • the present invention is based on the knowledge that when braking an electric machine in generator mode, the braking torque is significantly greater in a basic speed range than in the field weakening range.
  • the braking torque in the field weakening range decreases significantly with the speed, so that a limited braking effect can be achieved, especially at high speeds.
  • the present invention it is therefore an idea of the present invention to take this knowledge into account and to provide a control circuit for an electrical machine which can brake the electrical machine with the greatest possible braking effect even at high speeds.
  • an inverter for the control circuit of the electrical drive system which can cover a voltage range for braking the electrical machine in recuperation mode, which is higher than the electrical voltage of the DC voltage source that feeds the drive system in motor mode .
  • a three-point inverter or three-level inverter is provided according to the invention.
  • the electrical voltage provided by the DC voltage source is not provided between the external connections of the inverter, but rather between a center connection and an external connection of the inverter.
  • an electrical resistor a so-called chopper resistor
  • a significantly higher electrical voltage can be output between the two external terminals of the three-point inverter.
  • a significantly higher braking torque can be achieved, particularly at high speeds of the electrical machine to be braked.
  • the three-point inverter can in particular be a so-called three-level NPC (Neutral Point Clamped) inverter. Since the basic structure and operation of such inverters are well known to those skilled in the art, a detailed description is omitted here.
  • NPC Neutral Point Clamped
  • the use of a chopper resistor between the center connection and an external connection of the three-level inverter in conjunction with the feeding of electrical energy into the DC voltage source can achieve a significantly higher braking torque, especially at higher speeds.
  • the drive circuit further includes a switching element.
  • the switching element can be arranged in an electrical path between the first connection point and the electrical resistance.
  • the switching element can be, for example, a semiconductor switching element such as a MOSFET or an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the corresponding intermediate circuit voltage can be stabilized by the controlled or regulated activation of this switching element. Accordingly, the control of the switching elements in the three-level inverter can be focused on setting a required (braking) torque on the electrical machine. This can significantly simplify the control of the three-point inverter.
  • the corresponding intermediate circuit voltage can be set, for example, by a pulse width modulated activation of the switching element.
  • the drive circuit includes at least one diode.
  • the at least one diode can be in an electrical path between be arranged the first connection point and the electrical resistance.
  • a suitable number of diodes can be provided between the electrical resistor and the first connection point of the DC voltage connection in order to maintain a minimum intermediate circuit voltage.
  • the drive circuit further includes a control device.
  • the control device is designed to provide electrical energy from the AC voltage connection at least partially at the electrical resistance between the center connection and the first connection point of the DC voltage connection in a recuperation mode.
  • the control device can also simultaneously feed electrical energy into the DC voltage source between the center connection and the second connection point.
  • connection point and the second connection point ie the external connections of the three-point inverter, an electrical voltage which can be higher than the electrical voltage of the connected DC voltage source.
  • the braking performance of the connected electrical machine can be significantly improved, especially at higher speeds.
  • control device is designed to transmit electrical energy from the AC voltage connection to the electrical resistor if a rotational speed of an electrical machine connected to the AC voltage connection is greater than a predetermined limit value. This predetermined limit for the
  • Speed can correspond, for example, to a limit speed at which the electric machine would be driven in the field weakening range in the case of a conventional drive without the chopper resistor according to the invention.
  • the specified speed at which at least part of the electrical energy via the chopper resistor between the center connection and the first connection point of the DC voltage connection is converted into thermal energy also be dynamically adjustable.
  • the speed limit can be adjusted, for example, based on operating parameters of the electrical machine, the inverter and/or the DC voltage source.
  • control device is designed to detect at least one operating parameter of a battery connected between the center connection and the second connection point of the DC voltage connection.
  • control device can also be designed to set an electrical voltage across the electrical resistance using the at least one operating parameter of the battery.
  • the at least one operating parameter can include a state of charge or a temperature of the battery.
  • a high braking power of the electrical machine can be achieved, for example, even when the charging power is limited due to the state of charge or the temperature.
  • the corresponding electrical energy can be converted into thermal energy via the chopper resistor between the center connection and the first connection point of the DC voltage connection, instead of being fed into the DC voltage source.
  • 1 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of an electric drive system with a control circuit for an electric machine according to an embodiment
  • 2 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of an electric drive system with a control circuit according to a further embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of an electric drive system with a control circuit according to yet another embodiment
  • FIG. 4 a flow chart on how a method for braking an electric machine according to an embodiment is based.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of an electric drive system according to one embodiment.
  • the electric drive system includes an electric machine 2.
  • the electric machine 2 can be controlled by a control circuit 1.
  • the control circuit 1 includes an inverter, in particular a three-point inverter 10.
  • the inverter 10 is electrically connected to an AC voltage connection 12 with the electrical machine 2. Furthermore, the inverter 10 is at a
  • the electric drive system can be, for example, the electric drive system of an electric vehicle. Accordingly, the DC voltage source 3 can be the traction battery of the electric vehicle.
  • the DC-DC converter 10 can be a three-point inverter, in particular a three-point NPC (Neutral Point Clamped) inverter.
  • the embodiment of the inverter shown in FIG. 1 is a three-phase inverter for connecting a three-phase electrical machine 2.
  • the present invention is not limited to such three-phase embodiments.
  • the basic principle of the present invention can also be adapted to any other number of electrical phases for the inverter 10 and the electrical machine 2 .
  • the basic structure and the way in which a three-point inverter works is known to a person skilled in the art and is therefore not explained in any more detail at this point.
  • the DC voltage connection 11 of the three-point inverter 10 includes a center connection M and a first connection point A1 and a second connection point A2.
  • the two connection points A1 and A2 are each connected to an external connection of the inverter 10.
  • the three-level inverter 10 includes a first intermediate circuit capacitor CI between the center connection M and the first connection point Al and a second intermediate circuit capacitor C2 between the center connection and the second connection point A2.
  • connection device 1 of the electrical drive system of this exemplary embodiment also includes an electrical resistor R.
  • the electrical resistor R is connected at a first connection to the first connection point A1 of the DC voltage connection 11 .
  • a second connection of the electrical resistance R is connected to the center connection M of the DC voltage connection 11 .
  • a DC voltage source 3 such as a traction battery of an electric vehicle can be connected between the center connection and the second connection point A2.
  • a DC voltage source 3 connected to the DC voltage connection 11 of the inverter 10 can provide electrical energy, which provides an AC voltage at the AC voltage connection 12 by suitably controlling the switching elements in the inverter 10. This AC voltage then drives the electrical machine 2 connected to the AC voltage connection 12 .
  • no external voltage is provided between the center connection M and the first connection point Al.
  • the electrical machine 2 can be operated as a generator, for example.
  • an AC voltage provided by the electrical machine 2 at the AC voltage connection 12 of the inverter 10 is converted by means of the inverter 10 rectified and provided at the DC voltage terminal 11.
  • a DC voltage can be provided between the center connection M and the second connection point A2 of the DC voltage connection 11, which electrical energy is fed into the DC voltage source 3, for example the traction battery of an electric vehicle.
  • the magnitude of the electrical voltage between the center connection M and the second connection point A2 of the DC voltage connection 11 is limited by the properties of the DC voltage source 3 .
  • the electrical machine 2 would therefore have to be operated in a field weakening range due to the voltage specifications by the DC voltage source 3.
  • the maximum achievable power limit on the electrical machine 2 is limited.
  • a voltage that is higher than the maximum permissible voltage that can be fed into the DC voltage source 3 can therefore be provided by suitably controlling the switching elements in the inverter 10 at the DC voltage connection 11 between the first connection point Al and the second connection point A2 .
  • the electrical voltage at the DC voltage connection 11 can be divided between the DC voltage source 3 at the central connection M and the second connection point A2 and the electrical resistance R at the central connection M and the first connection point A1.
  • part of the electrical energy at the DC voltage connection 11 is converted into thermal energy via the electrical resistance R.
  • the remaining part of the electrical energy can continue to be fed into the DC voltage source 3 .
  • a high braking power can be achieved in particular even at higher speeds of the electric machine 2 .
  • the size of the chopper resistor must be selected appropriately for this.
  • the electrical machine 2 and the three-point inverter 10 must be designed for the higher voltages required to achieve the higher braking power.
  • the high electrical voltages and the associated power only occur while the electrical machine 2 is being braked.
  • the electric machine 2 is driven in normal operation using only the DC voltage provided by the DC voltage source 3 .
  • the switching elements in the three-level inverter 10 can be activated, for example, by means of a suitable control device 15 .
  • the individual switching elements can be driven on the basis of a suitable space vector modulation or the like.
  • the switching elements can be controlled in a conventional manner, for example using the DC voltage provided by the DC voltage source 3 between the center connection M and the second connection point A2, in order to apply a desired torque or torque to the electric machine 2 set the desired speed.
  • the electrical energy provided by the electrical machine 2 at the AC voltage connection 12 can be converted into a DC voltage by the inverter 10 and this DC voltage can be provided at the DC voltage connection 11 . If a required braking torque can already be set on the electrical machine 2 by feeding a corresponding DC voltage into the DC voltage source 3 between the center connection M and the second connection point A2, then the kinetic energy of the electrical machine 2 can be completely (subtracting the electrical losses ) are fed into the DC voltage source 3. At high speeds in particular, at least part of the electrical energy can also be converted into thermal energy via the electrical resistance R between the center connection M and the first connection point A1.
  • an electrical voltage can be output between the first connection point Al and the second connection point A2, which is higher than the permissible charging voltage for feeding electrical energy into the DC voltage source 3.
  • a sufficiently high Braking torque can be achieved.
  • half of the electrical energy can be fed into the DC voltage source 3 above a predetermined limit speed and converted into thermal energy via the electrical resistance R.
  • any other ratios for dividing the electrical energy at the DC voltage connection 11 are also possible, depending on the application.
  • control device 15 can also detect any other suitable operating parameters of the electric drive system and/or the DC voltage source 3, in particular a traction battery. Accordingly, the control device 15 these operating parameters when dividing the electrical energy between the DC voltage source 3 and the electrical resistance R into account. If, for example, due to the current temperature or the state of charge of a traction battery between the center connection M and the second connection point A2, no or only a limited amount of electrical energy can be fed into the traction battery 3, the inverter 10 can use a correspondingly higher proportion of the electrical energy convert the electrical resistance R into thermal energy.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of an electric drive system with a control circuit 1 according to a further embodiment.
  • the drive circuit 1 in this embodiment largely corresponds to the embodiment described above. Accordingly, the above statements also apply to the embodiment according to FIG.
  • FIG. 2 differs from the embodiment described above in particular in that a further switching element SW is provided between the electrical resistance R and the first connection point A1. By opening this switching element SW it can be achieved that the full intermediate circuit voltage Ul is always present across the corresponding intermediate circuit capacitor CI during operation. In this way, if required, a correspondingly high braking torque can be set particularly quickly on the electrical machine 2 .
  • the additional switching element SW can be a semiconductor switching element such as a MOSFET or IGBT.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of an electric drive system with a control device 1 according to a further embodiment.
  • This embodiment is also largely identical to the embodiments described above and differs only in that an arrangement with one or more diodes D is provided between the electrical resistor R and the first connection point A1.
  • the statements made above also apply to this embodiment.
  • the at least one diode D between the electrical resistor R and the first connection point Al can ensure that a minimum intermediate circuit voltage Ul is always maintained across the first intermediate circuit capacitor CI. As a result, it can be achieved, for example, that the diodes of the inverter 10 always reliably block even in normal operation.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a flowchart on which a method for braking an electric machine 2 according to one specific embodiment is based.
  • a control circuit 1 corresponding to the previously described embodiments is first provided in step S1.
  • the AC voltage provided by the electric machine 2 at the AC voltage connection 12 is rectified and the rectified AC voltage is made available at the DC voltage connection 11 of the control circuit 1.
  • At least part of the electrical energy of the rectified AC voltage is applied to the electrical resistor R provided between the center connection M and the first connection point Al.
  • the method can include any further steps as have already been described above in connection with the control circuit 1 of the electric drive system.
  • the present invention relates to a circuit arrangement for improved deceleration of a rotating electrical machine using a three-level inverter.
  • an electrical resistance is provided between a center connection and an external connection of the three-level inverter. If necessary, part of the electrical energy generated during the deceleration of the electrical machine can be converted into thermal energy via this electrical resistance.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Stopping Of Electric Motors (AREA)

Abstract

Die Erfindung schafft eine Schaltungsanordnung für ein verbessertes Verzögern einer rotierenden elektrischen Maschine mittels eines Drei-Punkt-Wechselrichters. Hierzu ist zwischen einem Mittenanschluss und einem Außenanschluss des Drei-Punkt-Wechselrichters ein elektrischer Widerstand vorgesehen. Über diesen elektrischen Widerstand kann bei Bedarf ein Teil der während des Verzögerns der elektrischen Maschine erzeugten elektrischen Energie in thermische Energie umgewandelt werden.

Description

Beschreibung
Titel
Ansteuerschaltung für eine elektrische Maschine, elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Abbremsen einer elektrischen Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für eine elektrische Maschine und ein elektrisches Antriebssystem mit einer solchen Ansteuerschaltung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem, das eine solche Ansteuerschaltung umfasst. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Abbremsen einer elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge umfassen ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine. Diese elektrische Maschine kann zum Antrieb des Fahrzeugs mittels elektrischer Energie von einer Energiequelle, wie zum Beispiel einer Traktionsbatterie, im Motorbetrieb das Fahrzeug antreiben. Darüber hinaus kann die elektrische Maschine auch in einem Generatorbetrieb betrieben werden, um kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umzuwandeln. Diese elektrische Energie kann beispielsweise die Traktionsbatterie des Fahrzeugs aufladen.
Die Druckschrift DE 10 201 1085 347 Al beschreibt ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die elektrische Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung und Rekuperation ausgebildet ist. Zur Bestimmung eines Rekuperationsgrades wird ein aktueller Fahrzustand ausgewertet.
Darüber hinaus sind aktuell verfügbare Elektrofahrzeuge mit einem mechanischen Bremssystem ausgerüstet.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung schafft eine Ansteuerschaltung für eine elektrische Maschine, ein elektrisches Antriebssystem, ein Elektrofahrzeug sowie ein Verfahren zum Abbremsen einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Ansteuerschaltung für eine elektrische Maschine mit einem elektrischen Widerstand und einem Drei-Punkt-Wechselrichter. Der Drei-Punkt- Wechselrichter umfasst einen Gleichspannungsanschluss und einen Wechselspannungsanschluss. Der Gleichspannungsanschuss weist einen ersten Anschlusspunkt, einen zweiten Anschlusspunkt und einen Mittenanschluss auf. Der elektrische Widerstand ist dabei zwischen dem Mittenanschluss und dem ersten Anschlusspunkt angeordnet ist. Der Drei-Punkt-Wechselrichter ist dazu ausgelegt, an dem Wechselspannungsanschluss mit einer elektrischen Maschine verbunden zu werden. Weiterhin ist der Drei-Punkt-Wechselrichter dazu ausgelegt, an dem Gleichspannungsanschluss zwischen dem Mittenanschluss und dem zweiten Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses mit einer Gleichspannungsquelle verbunden zu werden.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein elektrisches Antriebssystem, mit einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung und einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ist hierbei mit dem Wechselspannungsanschluss der Ansteuerschaltung elektrisch gekoppelt.
Darüber hinaus ist vorgesehen:
Ein Elektrofahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung für eine elektrische Maschine, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem.
Schließlich ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Abbremsen einer elektrischen Maschine. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Gleichrichten einer von der elektrischen Maschine am
Wechselspannungsanschluss bereitgestellten Wechselspannung sowie einen Schritt zum Bereitstellen der gleichgerichteten Wechselspannung am Gleichspannungsanschluss der Ansteuerschaltung. Dabei wird insbesondere mindestens ein Teil der elektrischen Energie der gleichgerichteten Wechselspannung an einem elektrischen Widerstand zwischen dem Mittenanschluss und dem ersten Anschlusspunkt bereitgestellt.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Abbremsen einer elektrischen Maschine im Generatorbetrieb das Bremsmoment in einem Grunddrehzahlbereich deutlich größer ist als im Feldschwächebereich. Insbesondere nimmt das Bremsmoment im Feldschwächebereich mit der Drehzahl deutlich ab, sodass gerade bei hohen Drehzahlen eine eingeschränkte Bremswirkung erzielt werden kann.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Ansteuerschaltung für eine elektrische Maschine bereitzustellen, welche die elektrische Maschine auch bei hohen Drehzahlen mit einer möglichst hohen Bremswirkung abbremsen kann. Insbesondere ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, für die Ansteuerschaltung des elektrischen Antriebssystem einen Wechselrichter vorzusehen, welcher für das Abbremsen der elektrischen Maschine im Rekuperationsbetrieb einen Spannungsbereich abdecken kann, welcher höher ist, als die elektrische Spannung der Gleichspannungsquelle, welche das Antriebssystem im Motorbetrieb speist. Hierzu ist erfindungsgemäß ein sogenannter Drei-Punkt-Wechselrichter oder Drei-Level-Wechselrichter (englisch: Three Level Inverter) vorgesehen. Dabei wird die von der Gleichspannungsquelle bereitgestellte elektrische Spannung nicht zwischen den Außenanschlüssen des Wechselrichters, sondern vielmehr zwischen einem Mittenanschluss und einem Außenanschluss des Wechselrichters bereitgestellt. Zwischen dem weiteren Außenanschluss und dem Mittenanschluss des Wechselrichters ist darüber hinaus ein elektrischer Widerstand, ein sogenannter Chopper-Widerstand, vorgesehen. Über diesen zusätzlichen Widerstand kann im Bremsbetrieb, insbesondere bei hohen Motordrehzahlen, ein Teil der elektrischen Energie in thermische Energie umgewandelt werden. Somit kann in Summe zusammen mit der elektrischen Energie, welche während des Bremsvorgangs wieder zurück in die Gleichspannungsquelle gespeist wird, zwischen den beiden Außenanschlüssen des Drei-Punkt-Wechselrichters eine deutlich höhere elektrische Spannung ausgegeben werden. Hierdurch kann insbesondere bei hohen Drehzahlen der abzubremsenden elektrischen Maschine ein deutlich höheres Bremsmoment erzielt werden.
Bei dem Drei-Punkt-Wechselrichter kann es sich insbesondere um einen sogenannten Drei-Level-NPC (Neutral Point Clamped)-Wechselrichter handeln. Da der grundsätzliche Aufbau und Betrieb derartiger Wechselrichter dem Fachmann hinlänglich bekannt sind, wird auf eine detaillierte Beschreibung hier verzichtet.
Wie oben bereits beschrieben, kann durch die Verwendung eines Chopper- Widerstandes zwischen dem Mittenanschluss und einem Außenanschluss des Drei-Punkt-Wechselrichters in Zusammenschau mit dem Einspeisen elektrischer Energie in die Gleichspannungsquelle gerade bei höheren Drehzahlen ein deutlich höheres Bremsmoment erzielt werden. Hierdurch ist es gegebenenfalls möglich, über den gesamten konzeptionellen Betriebsbereich der elektrischen Maschine ein ausreichend hohes Bremsmoment zu erzielen, sodass beispielsweise bei Elektrofahrzeugen auf eine zusätzliche mechanische Bremsanlage ganz oder teilweise verzichtet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ansteuerschaltung ferner ein Schaltelement. Das Schaltelement kann in einem elektrischen Pfad zwischen dem ersten Anschlusspunkt und dem elektrischen Widerstand angeordnet sein. Bei dem Schaltelement kann es sich beispielsweise um ein Halbleiterschaltelement wie zum Beispiel einen MOSFET oder einen bipolaren Transistor mit einem isolierten Gateanschluss (IGBT) handeln. Durch das gesteuerte bzw. geregelte Ansteuern dieses Schaltelements kann die korrespondierende Zwischenkreisspannung stabilisiert werden. Entsprechend kann die Ansteuerung der Schaltelemente in dem Drei-Punkt-Wechselrichter auf das Einstellen eines erforderlichen (Brems-) Momentes an der elektrischen Maschine fokussiert werden. Hierdurch kann die Regelung des Drei-Punkt- Wechselrichters deutlich vereinfacht werden. Das Einstellen der entsprechenden Zwischenkreisspannung kann beispielsweise durch eine pulsbreitenmodulierte Ansteuerung des Schaltelements erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ansteuerschaltung mindestens eine Diode. Die mindestens eine Diode kann in einem elektrischen Pfad zwischen dem ersten Anschlusspunkt und dem elektrischen Widerstand angeordnet sein. Insbesondere kann zwischen dem elektrischen Widerstand und dem ersten Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses eine geeignete Anzahl von Dioden vorgesehen sein, um eine Mindestzwischenkreisspannung aufrechtzuerhalten. Dies hat den Vorteil, dass im Normalbetrieb der Ansteuerschaltung eine Mindestzwischenkreisspannung vorhanden ist, was dazu führt, dass Dioden des Drei-Punkt-Wechselrichters während des Normalbetriebs zuverlässig sperren.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst Ansteuerschaltung ferner eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, in einem Rekuperationsbetrieb elektrische Energie von dem Wechselspannungsanschluss zumindest teilweise an dem elektrischen Widerstand zwischen dem Mittenanschluss und dem ersten Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses bereitzustellen. Die Steuereinrichtung kann darüber hinaus gleichzeitig auch zwischen dem Mittenanschluss und dem zweiten Anschlusspunkt elektrische Energie in die Gleichspannungsquelle einspeisen. Somit ergibt sich in der Summe zwischen dem ersten
Anschlusspunkt und dem zweiten Anschlusspunkt, also den Außenanschlüssen des Drei-Punkt-Wechselrichters, eine elektrische Spannung, welche höher sein kann als die elektrische Spannung der angeschlossenen Gleichspannungsquelle. Auf diese Weise kann die Bremsleistung an der angeschlossenen elektrischen Maschine gerade bei höheren Drehzahlen signifikant verbessert werden. Dies wird auch dadurch erreicht, dass nur ein Teil der Bremsenergie in der Batterie gespeichert werden muss und ein Teil im Widerstand in thermische Energie umgewandelt werden kann, was den Vorteil bietet, dass die Batterie nicht für die nur seltenen auftretenden stärkeren Bremsmanöver überausgelegt werden muss.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, elektrische Energie von dem Wechselspannungsanschluss zu dem elektrischen Widerstand zu übertragen, falls eine Drehzahl einer am Wechselspannungsanschluss angeschlossenen elektrischen Maschine größer ist als ein vorbestimmter Grenzwert. Dieser vorbestimmte Grenzwert für die
Drehzahl kann beispielsweise einer Grenzdrehzahl entsprechen, bei welcher bei einer konventionellen Ansteuerung ohne den erfindungsgemäßen Chopper- Widerstand die elektrische Maschine im Feldschwächebereich angesteuert würde. Darüber hinaus kann die vorgegebene Drehzahl, bei welcher zumindest ein Teil der elektrischen Energie über den Chopper-Widerstand zwischen dem Mittenanschluss und dem ersten Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses in thermische Energie umgewandelt wird, auch dynamisch anpassbar sein. Insbesondere kann die Drehzahlgrenze beispielsweise anhand von Betriebsparametern der elektrischen Maschine, des Wechselrichters und/oder der Gleichspannungsquelle angepasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, mindestens einen Betriebsparameter einer zwischen dem Mittenanschluss und dem zweiten Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses angeschlossenen Batterie zu erfassen. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung ferner dazu ausgelegt sein, eine elektrische Spannung über den elektrischen Widerstand unter Verwendung des mindestens einen Betriebsparameters der Batterie einzustellen.
Insbesondere kann der mindestens eine Betriebsparameter einen Ladezustand oder eine Temperatur der Batterie umfassen. Auf diese Weise kann beispielsweise auch bei einer Limitierung der Ladeleistung aufgrund des Ladezustandes oder der Temperatur eine hohe Bremsleistung der elektrischen Maschine erzielt werden. Hierzu kann die entsprechende elektrische Energie über den Chopper-Widerstand zwischen dem Mittenanschluss und dem ersten Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses in thermische Energie umgewandelt werden, anstatt in die Gleichspannungsquelle eingespeist zu werden.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebssystems mit einer Ansteuerschaltung für eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform; Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebssystems mit einer Ansteuerschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebssystems mit einer Ansteuerschaltung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform; und
Fig. 4: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Abbremsen einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine elektrische Maschine 2. Die elektrische Maschine 2 kann von einer Ansteuerschaltung 1 angesteuert werden. Hierzu umfasst die Ansteuerschaltung 1 einen Wechselrichter, insbesondere einen Drei-Punkt- Wechselrichter 10. Der Wechselrichter 10 ist an einem Wechselspannungsanschluss 12 mit der elektrischen Maschine 2 elektrisch verbunden. Ferner ist der Wechselrichter 10 an einem
Gleichspannungsanschluss 11 mit einer Gleichspannungsquelle 3, beispielsweise einer Batterie verbunden. Bei dem elektrischen Antriebssystem kann es sich beispielsweise um das elektrische Antriebssystem eines Elektrofahrzeuges handeln. Entsprechend kann es sich bei der Gleichspannungsquelle 3 um die Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs handeln.
Bei dem Gleichspannungswandler 10 kann es sich um einen Drei-Punkt- Wechselrichter, insbesondere um einen Drei-Punkt NPC (Neutral Point Clamped) Wechselrichter handeln. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform des Wechselrichters handelt es sich um einen dreiphasigen Wechselrichter zum Anschluss einer dreiphasigen elektrischen Maschine 2. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf solche dreiphasigen Ausführungsformen beschränkt. Darüber hinaus kann das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung auch auf eine beliebige andere Anzahl von elektrischen Phasen für den Wechselrichter 10 sowie die elektrische Maschine 2 angepasst werden. Der grundsätzliche Aufbau sowie die Funktionsweise eines Drei-Punkt- Wechselrichters ist dem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Der Gleichspannungsanschluss 11 des Drei-Punkt-Wechselrichters 10 umfasst einen Mittenanschluss M sowie einen ersten Anschlusspunkt Al und einen zweiten Anschlusspunkt A2. Die beiden Anschlusspunkte Al und A2 sind dabei jeweils mit einem Außenanschluss des Wechselrichters 10 verbunden. Ferner umfasst der Drei-Punkt-Wechselrichter 10 einen ersten Zwischenkreiskondensator CI zwischen dem Mittenanschluss M und dem ersten Anschlusspunkt Al sowie einen zweiten Zwischenkreiskondensator C2 zwischen dem Mittenanschluss und dem zweiten Anschlusspunkt A2.
Die Anschlussvorrichtung 1 des elektrischen Antriebssystems dieses Ausführungsbeispiels umfasst ferner einen elektrischen Widerstand R. Der elektrische Widerstand R ist an einem ersten Anschluss mit dem ersten Anschlusspunkt Al des Gleichspannungsanschlusses 11 verbunden. Ein zweiter Anschluss des elektrischen Widerstands R ist mit dem Mittenanschluss M des Gleichspannungsanschlusses 11 verbunden.
Darüber hinaus kann zwischen dem Mittenanschluss und dem zweiten Anschlusspunkt A2 eine Gleichspannungsquelle 3 wie zum Beispiel eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges angeschlossen werden.
Zum Antrieb der elektrischen Maschine 2 kann eine am Gleichspannungssanschluss 11 des Wechselrichters 10 angeschlossene Gleichspannungsquelle 3 elektrische Energie bereitstellen, welche durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente in dem Wechselrichter 10 am Wechselspannungsanschluss 12 eine Wechselspannung bereitstellt. Diese Wechselspannung treibt daraufhin die am Wechselspannungsanschluss 12 angeschlossene elektrische Maschine 2 an. Im Gegensatz zu einer konventionellen Schaltungsanordnung wird jedoch zwischen dem Mittenanschluss M und dem ersten Anschlusspunkt Al keine externe Spannung bereitgestellt.
Um eine rotierende elektrische Maschine 2 abzubremsen, kann die elektrische Maschine 2 beispielsweise als Generator betrieben werden. Dabei wird eine von der elektrischen Maschine 2 am Wechselspannungsanschluss 12 des Wechselrichters 10 bereitgestellte Wechselspannung mittels Wechselrichters 10 gleichgerichtet und am Gleichspannungsanschluss 11 bereitgestellt. Beispielsweise kann zwischen dem Mittenanschluss M und dem zweiten Anschlusspunkt A2 des Gleichspannungsanschlusses 11 eine Gleichspannung bereitgestellt werden, welche elektrische Energie in die Gleichspannungsquelle 3, beispielsweise die Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs einspeist. Hierbei wird die Höhe der elektrischen Spannung zwischen dem Mittenanschluss M und dem zweiten Anschlusspunkt A2 des Gleichspannungsanschlusses 11 durch die Eigenschaften der Gleichspannungsquelle 3 limitiert. Bei höheren Drehzahlen der elektrischen Maschine 2 müsste die elektrische Maschine 2 daher aufgrund der Spannungsvorgaben durch die Gleichspannungsquelle 3 in einem Feldschwächebereich betrieben werden. Hierdurch ist die maximal erzielbare Grenzleistung an der elektrischen Maschine 2 limitiert.
Zur Erhöhung der Bremsleistung kann daher durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente in dem Wechselrichter 10 am Gleichspannungsanschluss 11 zwischen dem ersten Anschlusspunkt Al und dem zweiten Anschlusspunkt A2 eine Spannung bereitgestellt werden, welche höher ist als die maximal zulässige Spannung, die in die Gleichspannungsquelle 3 eingespeist werden kann. In diesem Fall kann die elektrische Spannung am Gleichspannungsanschluss 11 zwischen der Gleichspannungsquelle 3 an dem Mittenanschluss M und dem zweiten Anschlusspunkt A2 und dem elektrischen Widerstand R an dem Mittenanschluss M und dem ersten Anschlusspunkt Al aufgeteilt werden. Somit wird ein Teil der elektrischen Energie am Gleichspannungsanschluss 11 über den elektrischen Widerstand R in thermische Energie umgewandelt. Der übrige Teil der elektrischen Energie kann dabei weiterhin in die Gleichspannungsquelle 3 eingespeist werden. Auf diese Weise kann insbesondere auch bei höheren Drehzahlen der elektrischen Maschine 2 eine hohe Bremsleistung erzielt werden. Die Größe des Chopperwiderstands ist hierfür passend zu wählen.
Die elektrische Maschine 2 sowie der Drei-Punkt-Wechselrichter 10 müssen hierzu für die für die Erzielung der höheren Bremsleistung erforderlichen höheren Spannungen ausgelegt sein. Die hohen elektrischen Spannungen und die damit verbundenen Leistungen treten jedoch lediglich während des Abbremsens der elektrischen Maschine 2 auf. Der Antrieb der elektrischen Maschine 2 im Normalbetrieb erfolgt dagegen lediglich unter Verwendung der von der Gleichspannungsquelle 3 bereitgestellten Gleichspannung.
Das Ansteuern der Schaltelemente in dem Drei-Punkt-Wechselrichter 10 kann beispielsweise mittels einer geeigneten Steuereinrichtung 15 erfolgen. Beispielsweise kann das Ansteuern der einzelnen Schaltelemente auf Basis einer geeigneten Raumzeigermodulation oder Ähnlichem erfolgen. Für den Antrieb der elektrischen Maschine 2 im Normalbetrieb können die Schaltelemente dabei beispielsweise unter Verwendung der von der Gleichspannungsquelle 3 zwischen dem Mittenanschluss M und dem zweiten Anschlusspunkt A2 bereitgestellten Gleichspannung auf konventionelle Weise angesteuert werden, um an der elektrischen Maschine 2 ein gewünschtes Drehmoment bzw. eine gewünschte Drehzahl einzustellen.
Zum Abbremsen der elektrischen Maschine 2 kann die von der elektrischen Maschine 2 am Wechselspannungsanschluss 12 bereitgestellte elektrische Energie durch den Wechselrichter 10 in eine Gleichspannung konvertiert werden und diese Gleichspannung kann am Gleichspannungsanschluss 11 bereitgestellt werden. Kann ein erforderliches Bremsmoment an der elektrischen Maschine 2 bereits dadurch eingestellt werden, dass zwischen dem Mittenanschluss M und dem zweiten Anschlusspunkt A2 eine entsprechende Gleichspannung in die Gleichspannungsquelle 3 eingespeist wird, so kann die kinetische Energie der elektrischen Maschine 2 vollständig (unter Abzug der elektrischen Verluste) in die Gleichspannungsquelle 3 eingespeist werden. Insbesondere bei hohen Drehzahlen kann darüber hinaus zumindest ein Teil der elektrischen Energie über dem elektrischen Widerstand R zwischen dem Mittenanschluss M und dem ersten Anschlusspunkt Al in thermische Energie umgewandelt werden. Somit kann zwischen dem ersten Anschlusspunkt Al und dem zweiten Anschlusspunkt A2 eine elektrische Spannung ausgegeben werden, welche höher ist als die zulässige Ladespannung für das Einspeisen elektrischer Energie in die Gleichspannungsquelle 3. Auf diese Weise kann auch bei höheren Drehzahlen der elektrischen Maschine 2 ein ausreichend hohes Bremsmoment erzielt werden. Beispielsweise kann oberhalb einer vorbestimmten Grenzdrehzahl die elektrische Energie jeweils zur Hälfte in die Gleichspannungsquelle 3 eingespeist werden und über dem elektrischen Widerstand R in thermische Energie umgewandelt werden. Darüber hinaus sind jedoch auch je nach Anwendungsfall auch beliebige andere Verhältnisse zur Aufteilung der elektrischen Energie am Gleichspannungsanschluss 11 möglich.
Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 15 auch beliebige weitere geeignete Betriebsparameter des elektrischen Antriebssystems und/oder der Gleichspannungsquelle 3, insbesondere einer Traktionsbatterie erfassen. Entsprechend kann die Steuereinrichtung 15 diese Betriebsparameter bei der Aufteilung der elektrischen Energie zwischen der Gleichspannungsquelle 3 und dem elektrischen Widerstand R berücksichtigen. Kann zum Beispiel aufgrund der aktuellen Temperatur oder des Ladezustandes einer Traktionsbatterie zwischen dem Mittenanschluss M und dem zweiten Anschlusspunkt A2 keine oder nur eine begrenzte Menge an elektrischer Energie in die Traktionsbatterie 3 eingespeist werden, so kann der Wechselrichter 10 einen entsprechend höheren Anteil der elektrischen Energie über den elektrischen Widerstand R in thermische Energie umwandeln.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebssystems mit einer Ansteuerschaltung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Ansteuerschaltung 1 in dieser Ausführungsform entspricht weitestgehend der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Entsprechend gelten die vorherigen Ausführungen auch für die Ausführungsform gemäß Figur 2.
Figur 2 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform insbesondere dadurch, dass zwischen dem elektrischen Widerstand R und dem ersten Anschlusspunkt Al ein weiteres Schaltelement SW vorgesehen ist. Durch das Öffnen dieses Schaltelements SW kann erreicht werden, dass über dem entsprechenden Zwischenkreiskondensator CI stets die volle Zwischenkreisspannung Ul während des Betriebs anliegt. Auf diese Weise kann bei Bedarf an der elektrischen Maschine 2 besonders schnell ein entsprechend hohes Bremsmoment eingestellt werden. Durch ein moduliertes Ansteuern des Schaltelements SW, beispielsweise mittels der Steuereinrichtung 15, kann hierbei dem elektrischen Widerstand R elektrische Energie zugeführt werden, die in dem elektrischen Widerstand R in thermische Energie umgewandelt wird. Da bei geeigneter Ansteuerung des Schaltelements SW über dem Zwischenkreiskondensator CI jeweils eine bekannte, ausreichend hohe Zwischenkreisspannung Ul anliegt, ist es für das Einstellen des gewünschten Bremsmoments an der elektrischen Maschine 2 ausreichend, die Schaltelemente des Drei-Punkt-Wechselrichters 10 auf Grundlage der bekannten Zwischenkreisspannungen Ul, U2 anzusteuern. Hierdurch kann die Regelung der Schaltelemente deutlich vereinfacht werden.
Beispielsweise kann es sich bei dem zusätzlichen Schaltelement SW um ein Halbleiterschaltelement wie z.B. einen MOSFET oder IGBT handeln.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebssystems mit einer Ansteuervorrichtung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Auch diese Ausführungsform ist mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen weitestgehend identisch und unterscheidet sich lediglich darin, dass zwischen dem elektrischen Widerstand R und dem ersten Anschlusspunkt Al eine Anordnung mit einer oder mehreren Dioden D vorgesehen ist. Darüber hinaus gelten die zuvor gemachten Ausführungen auch für diese Ausführungsform.
Durch die mindestens eine Diode D zwischen dem elektrischen Widerstand R und dem ersten Anschlusspunkt Al kann erreicht werden, dass über dem ersten Zwischenkreiskondensator CI stets eine Mindestzwischenkreisspannung Ul aufrechterhalten wird. Hierdurch kann beispielsweise erreicht werden, dass die Dioden des Wechselrichters 10 auch im Normalbetrieb stets zuverlässig sperren.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Abbremsen einer elektrischen Maschine 2 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Zum Ausführen des Verfahrens wird zunächst in Schritt S1 eine Ansteuerschaltung 1 entsprechend den zuvor beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt. Zum Abbremsen der elektrischen Maschine erfolgt in Schritt S2 ein Gleichrichten der von der elektrischen Maschine 2 am Wechselspannungsanschluss 12 bereitgestellten Wechselspannung und ein Bereitstellen der gleichgerichteten Wechselspannung am Gleichspannungsanschluss 11 der Ansteuerschaltung 1. Dabei wird mindestens ein Teil der elektrischen Energie der gleichgerichteten Wechselspannung an dem elektrischen Widerstand R zwischen dem Mittenanschluss M und dem ersten Anschlusspunkt Al bereitgestellt.
Darüber hinaus kann das Verfahren beliebige weitere Schritte umfassen, wie sie zuvor in Zusammenhang mit der Ansteuerschaltung 1 des elektrischen Antriebssystems bereits beschrieben worden sind.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Schaltungsanordnung für ein verbessertes Verzögern einer rotierenden elektrischen Maschine mittels eines Drei-Punkt-Wechselrichters. Hierzu ist zwischen einem Mittenanschluss und einem Außenanschluss des Drei-Punkt-Wechselrichters ein elektrischer Widerstand vorgesehen. Über diesen elektrischen Widerstand kann bei Bedarf ein Teil der während des Verzögerns der elektrischen Maschine erzeugten elektrischen Energie in thermische Energie umgewandelt werden.

Claims

Ansprüche:
1. Ansteuerschaltung (1) für eine elektrische Maschine (2), mit: einem elektrischen Widerstand (R); und einem Drei-Punkt-Wechselrichter (10), mit einem Gleichspannungsanschluss (11) und einen Wechselspannungsanschluss (12), wobei der Gleichspannungsanschuss (11) einen ersten Anschlusspunkt (Al), einen zweiten Anschlusspunkt (A2) und einen Mittenanschluss (M) umfasst, wobei der elektrische Widerstand (R) zwischen dem Mittenanschluss (M) und dem ersten Anschlusspunkt (Al) angeordnet ist, und wobei der Drei-Punkt-Wechselrichter (10) dazu ausgelegt ist, an dem Wechselspannungsanschluss (12) mit einer elektrischen Maschine (2) verbunden zu werden, und an dem Gleichspannungsanschluss (11) zwischen dem Mittenanschluss (M) und dem zweiten Anschlusspunkt (A2) mit einer Gleichspannungsquelle (3) verbunden zu werden.
2. Ansteuerschaltung (1) nach Anspruch 1, mit einem Schaltelement (SW), das in einem elektrischen Pfad zwischen dem ersten Anschlusspunkt (Al) und dem elektrischen Widerstand (R) angeordnet ist.
3. Ansteuerschaltung (1) nach Anspruch 1, mit mindestens einer Diode (D), die in einem elektrischen Pfad zwischen dem ersten Anschlusspunkt (Al) und dem elektrischen Widerstand (R) angeordnet ist.
4. Ansteuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Steuerschaltung (15), die dazu ausgelegt ist, in einem Rekuperationsbetrieb elektrische Energie von dem Wechselspannungsanschluss (12) zumindest teilweise an dem elektrischen Widerstand (R) zwischen dem Mittenanschluss (M) und dem ersten Anschlusspunkt (Al) des Gleichspannungsanschluss (11) bereitzustellen.
5. Ansteuerschaltung (1) nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (15) dazu ausgelegt ist, elektrische Energie von dem Wechselspannungsanschluss (12) zu dem elektrischen Widerstand (R) zu übertragen, falls eine Drehzahl einer am Wechselspannungsanschluss (12) angeschlossenen elektrischen Maschine (2) größer ist als ein vorbestimmter Grenzwert.
6. Ansteuerschaltung (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Steuereinrichtung (15) dazu ausgelegt ist, mindestens einen Betriebsparameter einer zwischen dem Mittenanschluss (M) und dem zweiten Anschlusspunkt (A2) des Gleichspannungsanschlusses (11) angeschlossenen Batterie zu erfassen, und eine elektrische Spannung über dem elektrischen Widerstand (R) unter Verwendung des mindestens einen Betriebsparameters der Batterie einzustellen.
7. Ansteuerschaltung (1) nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Betriebsparameter mindestens einen Ladezustand oder eine Temperatur der Batterie umfasst.
8. Elektrisches Antriebssystem, mit: einer Ansteuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und einer elektrischen Maschine (2), die elektrisch mit dem Wechselspannungsanschluss (12) der Ansteuerschaltung (1) gekoppelt ist.
9. Elektrofahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem nach Anspruch 7.
10. Verfahren zum Abbremsen einer elektrischen Maschine (2), mit den Schritten: - 15 -
Bereitstellen (Sl) einer Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und Gleichrichten (S2) einer von der elektrischen Maschine (2) am
Wechselspannungsanschluss (12) bereitgestellten Wechselspannung und Bereitstellen der gleichgerichteten Wechselspannung am Gleichspannungsanschluss (11) der Ansteuerschaltung (1), wobei mindestens ein Teil der Energie der gleichgerichteten Wechselspannung an dem elektrischen Widerstand (R) zwischen dem Mittenanschluss (M) und den ersten Anschlusspunkt (Al) bereitgestellt wird.
EP21819803.4A 2020-12-10 2021-11-24 Ansteuerschaltung für eine elektrische maschine, elektrisches antriebssystem und verfahren zum abbremsen einer elektrischen maschine Pending EP4259470A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020215604.2A DE102020215604A1 (de) 2020-12-10 2020-12-10 Ansteuerschaltung für eine elektrische Maschine, elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Abbremsen einer elektrischen Maschine
PCT/EP2021/082780 WO2022122382A1 (de) 2020-12-10 2021-11-24 Ansteuerschaltung für eine elektrische maschine, elektrisches antriebssystem und verfahren zum abbremsen einer elektrischen maschine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4259470A1 true EP4259470A1 (de) 2023-10-18

Family

ID=78821830

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21819803.4A Pending EP4259470A1 (de) 2020-12-10 2021-11-24 Ansteuerschaltung für eine elektrische maschine, elektrisches antriebssystem und verfahren zum abbremsen einer elektrischen maschine

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240022187A1 (de)
EP (1) EP4259470A1 (de)
CN (1) CN116601041A (de)
DE (1) DE102020215604A1 (de)
WO (1) WO2022122382A1 (de)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3890551A (en) * 1974-01-24 1975-06-17 Gen Electric Regenerative braking circuit
JP2011166954A (ja) * 2010-02-10 2011-08-25 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp 電動機制御装置
DE102011085347A1 (de) 2011-10-27 2013-05-02 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs
JP5638704B2 (ja) * 2011-12-12 2014-12-10 三菱電機株式会社 電気車駆動システム
EP2768128A1 (de) * 2013-02-15 2014-08-20 ABB Oy Dreistufen-Bremschopper und Dreistufenwandler

Also Published As

Publication number Publication date
CN116601041A (zh) 2023-08-15
US20240022187A1 (en) 2024-01-18
WO2022122382A1 (de) 2022-06-16
DE102020215604A1 (de) 2022-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0875089B1 (de) Vorrichtung zur spannungsversorgung
DE19857645B4 (de) Elektrisches System für Elektrofahrzeug
DE69216365T2 (de) Stromversorgungsvorrichtung für ein Fahrzeug
DE102009033185B4 (de) Ladesystem und Ladeverfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs und Fahrzeug mit einem solchen Ladesystem
DE102008063465A1 (de) Betriebsanordnung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug
WO2016058742A1 (de) Elektrisches antriebssystem und verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine für ein elektrisches fahrzeug
WO2013068158A2 (de) Verfahren und vorrichtung zum ansteuern einer elektrischen maschine
DE10055531B4 (de) Elektronische Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung in Kraftfahrzeugen, deren Verwendung und Verfahren zum Betreiben einer Spannungsversorgung
EP3699016A1 (de) Verfahren zum betrieb von wenigstens zwei mit einem gleichstromnetzwerk verbundenen pulswechselrichtern, schaltungsanordnung und kraftfahrzeug
EP2277259A1 (de) Dieselelektrisches antriebssystem
EP1646522B1 (de) Mehrspannungs-bordnetz mit einem mehrspannungsgeneratormotor
WO2017186390A1 (de) Elektrisches system mit mindestens zwei modulen
WO2018087073A1 (de) Kraftfahrzeug-bordnetz für ein elektrisch angetriebenes fahrzeug und verfahren zum betrieb eines kraftfahrzeug-bordnetzes
DE102016217494A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters sowie danach arbeitender Stromrichter
EP2883301B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur dynamischen einstellung einer betriebsspannung für einen elektromotor
EP4259470A1 (de) Ansteuerschaltung für eine elektrische maschine, elektrisches antriebssystem und verfahren zum abbremsen einer elektrischen maschine
DE102019124214A1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer permanenterregten Synchronmaschine und Kraftfahrzeug
WO2022106338A1 (de) Elektromotoranordnung sowie kraftfahrzeug
DE102018200513A1 (de) Bremsvorrichtung
DE102017214972A1 (de) Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug
EP2648328A2 (de) Schutz eines Stromrichters mit Zwischenkreis vor Beschädigungen durch die Gegenspannung der angeschlossenen Synchronmaschine
DE102021205265A1 (de) Fahrzeug-Spannungswandler und Fahrzeugbordnetz mit einem Spannungswandler
WO2019091686A1 (de) Stromrichtervorrichtung, elektrisches antriebssystem und verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine
DE102016215008A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters sowie danach arbeitender Stromrichter
WO2019110242A1 (de) Elektrisches antriebssystem und verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230710

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)