WO2015000669A1 - Vermeidung von bremsmomenten bei permanenterregten synchronmaschinen - Google Patents

Vermeidung von bremsmomenten bei permanenterregten synchronmaschinen Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling a multi-phase output stage of a permanently excited electric machine, a control unit for a vehicle and a vehicle.
  • a permanent-magnet synchronous machine is used to drive a vehicle and if this vehicle has a high speed and if the closed-loop control of the synchronous machine also fails, an undesired braking torque can result from the feedback of electrical energy (the synchronous machine operates as a generator). Sudden and uncontrolled braking torques of a vehicle driven by a synchronous machine can endanger driving safety and must therefore be prevented or at least limited. Regeneration and thus unwanted braking can be prevented by short-circuiting the Endstuf e / of the inverter of the synchronous machine. As a result, an unwanted increase in the intermediate circuit voltage can also be avoided, so that no overvoltage occurs.
  • a method for driving a polyphase output stage of a permanently excited electric machine wherein the electric machine is provided for driving a vehicle, the output stage comprises power switch pairs each having a first circuit breaker and a respective second circuit breaker connected in series are, wherein the first power switch is connected to a DC voltage and the second power switch is connected to a reference potential of the DC voltage, wherein respective nodes of the first connected to the second power switch with respective phase strands of the permanent magnet machine, comprising the steps of: determining whether an undesirable Braking torque acts on the vehicle due to a generator effect of the electric machine, if so: determining a first time at which the next voltage maximum occurs between two phase strands , at the first time: Short circuiting of the two phase strands, determining a second time at which the rotor of the electric machine is further rotated electrically by 90 ° after the first time and at the second time: transferring the final stage in a short circuit mode.
  • control unit for a vehicle is provided, wherein the control unit is designed to carry out a method according to one of claims 1 to 6.
  • a vehicle comprising a control unit according to claim 7.
  • Exemplary embodiments are described in the dependent claims.
  • a method further comprising the step of: determining if an undesirable brake torque is acting on the vehicle due to a generator action of the electric machine by measuring whether a current is flowing from the electric machine.
  • determining the current direction can be determined in a simple manner, whether an undesirable braking torque can occur.
  • a method is provided, wherein in short-circuit mode, all the first power switches are open and all second power switches are closed, or wherein all first power switches are closed and all second power switches are open.
  • a method further comprising the step of: detecting the location of the rotor of the electric machine by a position sensor for determining the first time.
  • the rotor position can be reliably determined.
  • a method is provided, wherein the electric machine comprises three phases.
  • the power switches are power MOSFETs or IGBTs.
  • phase strands are simultaneously short-circuited, but initially only two phase strands and subsequently the remaining phase strands, resulting in a staggered short-circuit process.
  • individual features can also be combined with each other, which can also be partially beneficial effects that go beyond the sum of the individual effects.
  • FIG. 1 shows an inverter / an output stage for controlling a permanent-magnet synchronous machine
  • FIG. 2 shows conductor voltage profiles Uuv, Uvw, Uwu of a permanently excited synchronous machine with a simultaneous all-phase short circuit
  • FIG. 3 shows phase current profiles iu, iv, iw of a permanent-magnet synchronous machine with a simultaneous all-phase short circuit
  • FIG. 4 shows conductor voltage profiles Uuv, Uvw, Uwu of a permanently excited synchronous machine in the case of a staggered short circuit
  • FIG. 5 shows phase current curves iu, iv, iw of a permanently excited synchronous machine in the case of a staggered short circuit.
  • circuit breakers 1 shows an inverter for controlling a permanent-magnet synchronous machine 6 with circuit breakers 1 highside and circuit breakers low side 2 for connecting the line lines U, V, W.
  • phase strands U, V, W up to a point in time Ti. From the time Ti, the phase strands U, V, W are short-circuited and the terminal voltages Uuv, Uvw, Uwu are equal to zero.
  • phase currents iu, iv, iw 7, 8, 9 in the individual phases U, V, W, the phase currents iu, iv, iw 7, 8, 9 being zero by the time Ti.
  • the phase strands U, V, W are short-circuited and it results from this time Ti a transient, resulting in transient currents.
  • These transient currents lead to overshoots of the resulting phase currents iu, iv, iw 7, 8, 9.
  • the phase currents iu, iv, iw 7, 8, 9 can be so high in the transition phase that the current carrying capacity of the power switches of the inverter is exceeded. As a result, the circuit breakers can be destroyed or their life can be significantly shortened.
  • FIG. 4 shows, analogously to FIG. 2, the three sinusoidal terminal voltages Uuv, Uvw, Uwu at the phase strands U, V, W up to a point in time T 2 .
  • two phase conductors U, V, W are shorted together, namely those in which the terminal voltage has a voltage maximum.
  • all phase strings are short-circuited and the terminal voltages Uuv, Uvw, Uwu are equal to zero.
  • the time T 3 can be defined in particular as the time at which the rotor of the synchronous machine is exactly further rotated 90 ° to T 2 electrically.
  • T 2 From the time T 2 to the time T 3 is a transition phase, in the present invention, two phase strands U, V, W are shorted together. This results in that a phase current i Us iv, iw 10, 11, 12 remains zero. In particular, it is ensured that the strand currents iu, iv, iw 10, 11, 12 have no elevations.
  • all phase strings are short-circuited, whereby the conventional short-circuit mode is realized.
  • the short-circuiting can be done by driving the corresponding circuit breaker of the power amplifier, with all high-side or all low-side circuit breakers are short-circuited for an all-phase short circuit.

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Abstract

Die Beschreibung umfasst ein Verfahren zur Ansteuerung einer mehrphasigen Endstufe einer permanenterregten Elektromaschine (6), wobei die Elektromaschine (6) zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehen ist, wobei die Endstufe Leistungsschalterpaare umfasst mit jeweils einem ersten Leistungsschalter (1) und jeweils einem zweiten Leistungsschalter (2), die in Serie geschaltet sind, wobei der erste Leistungsschalter (1) mit einer Gleichspannung UBAT verbunden ist und der zweite Leistungsschalter (2) mit einem Bezugspotential GND der Gleichspannung UBAT verbunden ist, wobei jeweilige Knotenpunkte des ersten mit dem zweiten Leistungsschalter (1, 2) mit jeweiligen Phasensträngen U, V, W der permanenterregten Elektromaschine (6) verbunden sind, umfassend die Schritte: Feststellen, ob ein unerwünschtes Bremsmoment auf das Fahrzeug aufgrund einer Generatorwirkung der Elektromaschine (6) wirkt, falls ja: Feststellen eines ersten Zeitpunkts T2 zu dem das nächste Spannungsmaximum zwischen zwei Phasensträngen U, V, W eintritt, zum ersten Zeitpunkt T2: Kurzschließen der beiden Phasenstränge U, V, W, Feststellen eines zweiten Zeitpunkts T3 bei dem der Rotor der Elektromaschine (6) elektrisch um 90° nach dem ersten Zeitpunkt T2 weitergedreht ist und zum zweiten Zeitpunkt T3: Überführen der Endstufe in einen Kurzschlussmodus.

Description

Vermeidung von Bremsmomenten bei permanenterregten Synchronmaschinen
BESCHREIBUNG GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer mehrphasigen Endstufe einer permanenterregten Elektromaschine, eine Steuerungseinheit für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Stand der Technik sind permanenterregte Synchronmaschinen bekannt, die sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit auszeichnen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wird eine permanenterregte Synchronmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt und weist dieses Fahrzeug eine hohe Geschwindigkeit auf und fällt ferner die Regelung der Synchronmaschine aus, kann sich durch Rückspeisen elektrischer Energie (die Synchronmaschine arbeitet als Generator) ein unerwünschtes Bremsmoment ergeben. Plötzlich und unkontrolliert auftretende Bremsmomente eines von einer Synchronmaschine angetriebenen Fahrzeugs können die Fahrsicherheit gefährden und müssen daher verhindert bzw. zumindest begrenzt werden. Ein Rückspeisen und dadurch unerwünschtes Bremsen kann durch das Kurzschalten der Endstuf e/des Wechselrichters der Synchronmaschine verhindert werden. Dadurch kann außerdem ein ungewolltes Ansteigen der Zwischenkreisspannung vermieden werden, so dass keine Überspannung auftritt.
Allerdings können sich durch das Kurzschließen Einschwingvorgänge ergeben, die zu hohen transienten Strömen führen. Diese transienten Ströme können die Grenzwerte der Leistungsschalter der Endstuf e/des Wechselrichters übersteigen und diese zerstören bzw. deren Lebensdauer erheblich verkürzen.
Eine Aufgabe ist daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das bei mehrphasigen Elektromaschinen zum Antrieb von Fahrzeugen unerwünschte Bremsmomente mindert bzw. vermeidet und dennoch eine Schädigung bzw. eine Zerstörung der Leistungsschalter des Wechselrichters der Elektromaschine verhindert.
Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer mehrphasigen Endstufe einer permanenterregten Elektromaschine zur Verfügung gestellt, wobei die Elektromaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehen ist, wobei die Endstufe Leistungsschalterpaare umfasst mit jeweils einem ersten Leistungsschalter und jeweils einem zweiten Leistungsschalter, die in Serie geschaltet sind, wobei der erste Leistungsschalter mit einer Gleichspannung verbunden ist und der zweite Leistungsschalter mit einem Bezugspotential der Gleichspannung verbunden ist, wobei jeweilige Knotenpunkte des ersten mit dem zweiten Leistungsschalter mit jeweiligen Phasensträngen der permanenterregten Elektromaschine verbunden sind, umfassend die Schritte: Feststellen, ob ein unerwünschtes Bremsmoment auf das Fahrzeug aufgrund einer Generatorwirkung der Elektromaschine wirkt, falls ja: Feststellen eines ersten Zeitpunkts zu dem das nächste Spannungsmaximum zwischen zwei Phasensträngen eintritt, zum ersten Zeitpunkt: Kurzschließen der beiden Phasenstränge, Feststellen eines zweiten Zeitpunkts bei dem der Rotor der Elektromaschine elektrisch um 90° nach dem ersten Zeitpunkt weitergedreht ist und zum zweiten Zeitpunkt: Überführen der Endstufe in einen Kurzschlussmodus. Durch das erfindungsgemäße gestaffelte Kurzschlussverfahren können überhöhte Strangströme durch Transientenströme verhindert werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass keine zu hohen Ströme an den Leistungsschaltern der betreffenden Endstuf e/des Wechselrichters der Synchronmaschine anliegen und diese zerstören.
Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird eine Steuerungseinheit für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, wobei die Steuerungseinheit derart ausgelegt ist, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Als dritte Ausführungsform der Erfindung wird ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, aufweisend eine Steuerungseinheit nach Anspruch 7. Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, ferner umfassend den Schritt: Feststellen, ob ein unerwünschtes Bremsmoment auf das Fahrzeug aufgrund einer Generatorwirkung der Elektromaschine wirkt durch Messen, ob ein Strom aus der Elektromaschine fließt.
Durch das Bestimmen der Stromrichtung kann auf einfache Weise festgestellt werden, ob ein unerwünschtes Bremsmoment auftreten kann.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei im Kurzschlussmodus sämtliche ersten Leistungsschalter geöffnet sind und sämtliche zweiten Leistungsschalter geschlossen sind oder wobei sämtliche ersten Leistungsschalter geschlossen sind und sämtliche zweiten Leistungsschalter geöffnet sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, ferner umfassend den Schritt: Feststellen der Lage des Rotors der Elektromaschine durch einen Positionssensor zum Bestimmen des ersten Zeitpunkts.
Durch die Anordnung eines Lagesensors an dem Rotor der permanenterregten Synchronmaschine kann auf zuverlässige Weise die Rotorposition bestimmt werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die Elektromaschine drei Phasen umfasst. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die Leistungsschalter Power-Mosfets oder IGBTs sind.
Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, beim Kurzschließen der Phasenstränge einer Elektromaschine das Entstehen von transienten Strömen zu vermeiden. Hierzu werden bei einem erfindungsgemäßen Kurzschlussvorgang nicht gleichzeitig sämtliche Phasenstränge kurzgeschlossen, sondern zunächst nur zwei Phasenstränge und darauffolgend die restlichen Phasenstränge, wodurch sich ein gestaffelter Kurzschlussvorgang ergibt. Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen
Fig. 1 einen Wechselrichter/eine Endstufe zur Ansteuerung einer permanenterregten Synchronmaschine,
Fig. 2 Leiterspannungsverläufe Uuv, Uvw, Uwu einer permanenterregten Synchronmaschine bei einem gleichzeitigen allphasigen Kurzschluss, Fig. 3 Strangstromverläufe iu, iv, iw einer permanenterregten Synchronmaschine bei einem gleichzeitigen allphasigen Kurzschluss, Fig. 4 Leiterspannungsverläufe Uuv, Uvw, Uwu einer permanenterregten Synchronmaschine bei einem gestaffelten Kurzschluss,
Fig. 5 Strangstromverläufe iu, iv, iw einer permanenterregten Synchronmaschine bei einem gestaffelten Kurzschluss.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Fig. 1 zeigt einen Wechselrichter zur Ansteuerung einer permanenterregten Synchronmaschine 6 mit Leistungsschaltern 1 Highside und Leistungsschaltern Lowside 2 zur Beschaltung der Strangleitungen U, V, W.
Fig. 2 zeigt die drei sinusförmigen Klemmenspannungen Uuv, Uvw, Uwu an den Phasensträngen U, V, W bis zu einem Zeitpunkt Ti . Ab dem Zeitpunkt Ti werden die Phasenstränge U, V, W kurzgeschlossen und die Klemmenspannungen Uuv, Uvw, Uwu sind gleich Null.
Fig. 3 zeigt die Ströme iu, iv, iw 7, 8, 9 in den einzelnen Phasen U, V, W, wobei die Strangströme iu, iv, iw 7, 8, 9 bis zum Zeitpunkt Ti Null sind. Zum Zeitpunkt Ti werden die Phasenstränge U, V, W kurzgeschlossen und es ergibt sich ab diesem Zeitpunkt Ti ein Einschwingvorgang, wodurch sich transiente Ströme ergeben. Diese transienten Ströme führen zu Überhöhungen der resultierenden Strangströme iu, iv, iw 7, 8, 9. Die Strangströme iu, iv, iw 7, 8, 9 können in der Übergangsphase so hoch sein, dass die Stromtragfähigkeit der Leistungsschalter des Wechselrichters überschritten wird. Als Folge können die Leistungsschalter zerstört werden bzw. ihre Lebensdauer kann erheblich verkürzt werden. Fig. 4 zeigt analog wie in Fig. 2 die drei sinusförmigen Klemmenspannungen Uuv, Uvw, Uwu an den Phasensträngen U, V, W bis zu einem Zeitpunkt T2. Ab dem Zeitpunkt T2 werden zwei Phasenstränge U, V, W miteinander kurzgeschlossen, und zwar diejenigen bei denen die Klemmenspannung ein Spannungsmaximum aufweist. Ab dem Zeitpunkt T3 werden sämtliche Phasenstränge kurzgeschlossen und die Klemmenspannungen Uuv, Uvw, Uwu sind gleich Null. Der Zeitpunkt T3 kann insbesondere definiert werden als der Zeitpunkt zu dem der Rotor der Synchronmaschine genau elektrisch 90° nach T2 weitergedreht ist. Fig. 5 zeigt die Strangströme iu, iv, iw 10, 11, 12 in den einzelnen Phasen U, V, W, wobei die Ströme iu, iv, iw 10, 11, 12 bis zum Zeitpunkt T2 Null sind. Ab dem Zeitpunkt T2 bis zum Zeitpunkt T3 liegt eine Übergangsphase vor, bei der erfindungsgemäß zwei Phasenstränge U, V, W miteinander kurzgeschlossen sind. Hierdurch ergibt sich, dass ein Strangstrom iUs iv, iw 10, 11, 12 Null bleibt. Insbesondere wird sichergestellt, dass die Strangströme iu, iv, iw 10, 11, 12 keine Überhöhungen aufweisen. Nach dem Zeitpunkt T3 werden sämtliche Phasenstränge kurzgeschlossen, wodurch der konventionelle Kurzschlussmodus realisiert wird.
Das Kurzschließen kann durch das Ansteuern der entsprechenden Leistungsschalter der Endstufe erfolgen, wobei für einen allphasigen Kurzschluss sämtliche Highside- oder sämtliche Lowside-Leistungsschalter kurzgeschlossen werden.
Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen" weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff„ein" und„eine" mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird. LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1 Leistungsschalter Highside
2 Leistungsschalter Lowside
3 Freilaufdioden
4 Kondensator
5 Kondensator
6 permanenterregte Synchronmaschine
7 erster Strangstrom bei einem Kurzschlussverfahren nach dem Stand der Technik
8 zweiter Strangstrom bei einem Kurzschlussverfahren nach dem Stand der Technik
9 dritter Strangstrom bei einem Kurzschlussverfahren nach dem Stand der Technik
10 erster Strangstrom bei einem erfindungsgemäßen Kurzschlussverfahren
11 zweiter Strangstrom bei einem erfindungsgemäßen Kurzschlussverfahren
12 dritter Strangstrom bei einem erfindungsgemäßen Kurzschlussverfahren
Ti Zeitpunkt zu dem ein gleichzeitiger allphasiger Kurzschluss vorgenommen wird
T2 Zeitpunkt zu dem ein gestaffelter Kurzschluss mit dem Kurzschließen von nur zwei Phasensträngen startet
T3 Zeitpunkt zu dem der gestaffelte Kurzschluss durch allphasigen Kurzschluss fortgeführt wird
U erster Phasenstrang
V zweiter Phasenstrang
W dritter Phasenstrang

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Ansteuerung einer mehrphasigen Endstufe einer permanenterregten Elektromaschine (6), wobei die Elektromaschine (6) zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehen ist, wobei die Endstufe Leistungsschalterpaare umfasst mit jeweils einem ersten Leistungsschalter (1) und jeweils einem zweiten Leistungsschalter (2), die in Serie geschaltet sind, wobei der erste Leistungsschalter (1) mit einer Gleichspannung UBAT verbunden ist und der zweite Leistungsschalter (2) mit einem Bezugspotential GND der Gleichspannung UBAT verbunden ist, wobei jeweilige Knotenpunkte des ersten mit dem zweiten Leistungsschalter (1, 2) mit jeweiligen Phasensträngen (U, V, W) der permanenterregten Elektromaschine (6) verbunden sind, umfassend die Schritte:
Feststellen, ob ein unerwünschtes Bremsmoment auf das Fahrzeug aufgrund einer Generatorwirkung der Elektromaschine (6) wirkt,
falls ja: Feststellen eines ersten Zeitpunkts (T2) zu dem das nächste
Spannungsmaximum zwischen zwei Phasensträngen (U, V, W) eintritt, zum ersten Zeitpunkt (T2): kurzschließen der beiden Phasenstränge (U, V, W),
Feststellen eines zweiten Zeitpunkts (T3) bei dem der Rotor der Elektromaschine (6) elektrisch um 90° nach dem ersten Zeitpunkt (T2) weitergedreht ist und
zum zweiten Zeitpunkt (T3): überführen der Endstufe in einen Kurzschlussmodus.
2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt: Feststellen, ob ein unerwünschtes Bremsmoment auf das Fahrzeug aufgrund einer Generatorwirkung der Elektromaschine (6) wirkt durch Messen, ob ein Strom aus der Elektromaschine (6) fließt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei im Kurzschlussmodus sämtliche ersten Leistungsschalter (1) geöffnet sind und sämtliche zweiten Leistungsschalter (2) geschlossen sind oder wobei sämtliche ersten Leistungsschalter (1) geschlossen sind und sämtliche zweiten Leistungsschalter (2) geöffnet sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt: Feststellen der Lage des Rotors der Elektromaschine (6) durch einen Positionssensor zum Bestimmen des ersten Zeitpunkts (T2).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektromaschine (6) drei Phasen (U, V, W) umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistungsschalter (1, 2) Power-Mosfets oder IGBTs sind.
7. Steuerungseinheit für ein Fahrzeug, wobei die Steuerungseinheit derart ausgelegt ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
8. Fahrzeug, aufweisend eine Steuerungseinheit nach Anspruch 7.
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