WO2018029309A1 - Method for operating a current converter and a current converter operating according to said method - Google Patents

Method for operating a current converter and a current converter operating according to said method Download PDF

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WO2018029309A1
WO2018029309A1 PCT/EP2017/070353 EP2017070353W WO2018029309A1 WO 2018029309 A1 WO2018029309 A1 WO 2018029309A1 EP 2017070353 W EP2017070353 W EP 2017070353W WO 2018029309 A1 WO2018029309 A1 WO 2018029309A1
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current
motor current
motor
switching
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Marco BOHLLÄNDER
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Valeo Siemens Eautomotive Germany Gmbh
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    • 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
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    • H02P27/08—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 with pulse width modulation
    • H02P27/085—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 with pulse width modulation wherein the PWM mode is adapted on the running conditions of the motor, e.g. the switching frequency

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a power converter of an electric machine, in particular for an electrically driven motor vehicle, comprising a Brü ⁇ bridge circuit with a number of semiconductor switches and with an intermediate circuit capacitor. It further relates to a working according to this method power converter and an electric machine with such a power converter.
  • Electric (electric motor) driven vehicles such as electric or hybrid vehicles, have ty ⁇ pically electric machines for driving one or both motor vehicle axles.
  • electromotive drive machines usually include a controlled synchronous or asynchronous motor as an electric motor, which is coupled to the supply of electrical energy to an in-vehicle energy storage (high-voltage battery).
  • the electric motor of the electrical machine conventionally comprises a stator relative to a rotatably mounted ro tor, which is by means of a rotating magnetic field is trie ⁇ ben.
  • the coil windings (phase windings, stator windings) of the stator are acted upon by a corresponding three-phase current (alternating voltage) as motor current, which is converted from a DC voltage or from a direct current (input current) of the energy accumulator by means of a power converter.
  • such power converters are suitable and configured to convert the input current of the energy store into the motor current as inverter (inverter) in normal operation of the machine.
  • the power converters are generally suitable and set up to convert a generated motor current of the electric motor into a direct current (regenerative current) for feeding into the energy store in a regenerative or recuperative operation as a rectifier.
  • the power converter has a bridge circuit coupled to an intermediate circuit capacitor (intermediate circuit, commutation circuit).
  • the bridge circuit comprises a number of (motor) phases corresponding number of bridge modules (half bridges, power module, commutation ⁇ cell) with semiconductor switches, which are connected between an outgoing line and a return line of the converter.
  • the power converter is connected to the power supply by means of supply lines.
  • supply lines For high power or high currents, such as occur ⁇ bil Scheme example in Automo, due to the (re) of the semiconductor switch (over-) are spikes and (chipboard ubens-) oscillations testimony published in the lines of the inverter switching.
  • These interference voltages are typically based ei ⁇ nes voltage mean and peak-to-peak voltage relationship be ⁇ as a voltage amplitude, the so-called
  • the main influences on the ripple voltage are the average motor current, which essentially means the RMS value (root mean square) of the generated three-phase current, as well as the flux and torque-forming components characterizing the motor current.
  • these components are essentially described by a d-current component and a q-current component in the course of a vector control.
  • the modulation ⁇ influenced degree, which means degree of triggering the semiconductor switch, which occurs ripple. This means that the Ripp ⁇ read voltage is dependent on the current operating state of the electric motor and thus of the current operating state of the converter.
  • the DC link capacitor acts by means of its capacity as an additional influencing variable on the ripple voltage.
  • the capacitance has a damping effect on the amplitude of the ripple voltage, which means that the ripple amplitude is reduced by the DC link capacitor.
  • the higher the capacity the lower the voltage occurring Ripplespan ⁇ .
  • Another important factor is the (Um-) switching frequency of the semiconductor switch (clock frequency), that means the PWM (pulse width modulation) controlled, ge ⁇ clocked switching the semiconductor switch (PWM control).
  • the switching frequency is fixed and the ⁇ art chosen such that the frequency of the fundamental oscillation of the motor current does not exceed a switching frequency-dependent threshold value at a maximum speed of Elektromo ⁇ tors (full load).
  • the switching frequency is chosen only as high as at least necessary because (re) switching losses of the semiconductor switches for higher switching frequencies increase. Thus, the overall efficiency and the maximum output power of the electric machine are limited.
  • the capacitance of the intermediate circuit capacitor in such a way to dimen ⁇ sionieren that a maximum current (maximum value) in the overall selected (fixed) switching frequency of the semiconductor switch in any operating point, that is, not even during a high or full load operation from which motor current is exceeded.
  • the portrait or full load operation usually occurs depending ⁇ but oversized only in certain situations, such as in an acceleration process, whereby the DC link capacitor, the (frequent) Normal operation of the electrical machine.
  • the intermediate circuit capacitor has a considerable capacity component (buffer) for the rarely occurring, high motor currents or ripple voltages.
  • the construction costs and the installation space of the power converter are disadvantageously increased.
  • the value of the maximum current is chosen, for example at hand ⁇ a statistical distribution of the power level of the motor current over a service life of the converter.
  • the capacitance of the DC link capacitors is the gate, for example, dimensioned such that this (sta ⁇ tical) maximum value satisfies the allowable values of the Ripplespan- voltage.
  • the invention has the object of providing a ge possible ⁇ One suitable method for operating a power converter suits ⁇ ben.
  • the process is to a use of an intermediate circuit capacitor of the converter with the lowest possible capacitance value, while maintaining a high, reliable as possible motor current ermögli ⁇ chen.
  • the invention is further based on the object of specifying a power converter operated by such a method and an electric machine having such a power converter.
  • the object is achieved according to the invention with the features of claim 1.
  • the stated object with the features of claim 9 and with regard to an electric machine having the power converter with the features of claim 10 is achieved according to the invention.
  • Advantageous embodiments and Wei ⁇ educations are the subject of the respective subclaims.
  • the inventive method is suitable for operating a power ⁇ judge an electric machine and is rich ⁇ tet.
  • the electric machine is in this case for example part of an electrically operated motor vehicle, such as a hybrid or electric vehicle.
  • the power converter for example, as a removable ⁇ converter (inverter) executed has a bridge circuit with a number of semiconductor switches and with an intermediate circuit capacitor.
  • ⁇ current to a maximum value (maximum current) is set, and the switching frequency is increased for the switching of the semiconductor switch for a limited period of time.
  • a high-load operation is in this case an engine operating To Hide ⁇ hen, wherein an increased ripple voltage is generated which is not sufficiently reduced circuit capacitor by the capacitance of the intermediate.
  • the motor current is thus set during the high load operation by means of a time-limited increase in the switching frequency to the maximum value. This signified tet ⁇ that the switching frequency for the machine operation is not fixed or fixed but is varied dynamically between Nor ⁇ malwholesome and high-load operation. In other words, the switching frequency is increased depending on the operating point of the electric machine or the electric motor.
  • the switching frequency is increased as a function of the motor current generated by the bridge circuit.
  • the switching frequency is readjusted or tracked as a function of the output-side motor current.
  • a reliable and reliable increase in the switching frequency affords.
  • between the motor current during normal operation and the maximum value of the motor current during the high-load operation before ⁇ is preferably defines a number of current thresholds. at a setting of the motor current at the maximum value by ⁇ the value of the motor current thus passes successively through the various ver ⁇ Motorschwell tone, wherein the switching frequency is increased, when the motor current reaches such a current threshold or exceeds.
  • the time period is determined based on an operating temperature of the or each semiconductor switch.
  • a junction temperature of the semiconductor switches is used as a measure of the operating temperature.
  • the operating temperature is determined based on a stored thermal model of the semiconductor switches.
  • the actual value of the operating or junction temperature for self-protection and limiting is here in a pre ⁇ given time frame, for example in a Millise Hras ⁇ ter periodically determined purposes.
  • the heat development due to the switching losses is itself dependent on the operating temperature.
  • the heat development is coupled, which means that higher switching losses occur at higher temperatures, which increases the heat development.
  • the operating temperature is compared with a temperature threshold in a particularly reliable training. When the operating temperature reaches or exceeds the temperature threshold, the motor current is reduced and / or limited. This corresponds to the end of the time period.
  • the period begins with the harnessbe- drove conditional increase of the motor current and ends by reaching the temperature threshold of the calculated Be ⁇ operating temperature due to the increased motor current and increased switching frequency.
  • This corresponds to a time limitation of the overload operation of the semiconductor switches for their protection (self-protection).
  • the motor current is set to a value reduced with respect to the maximum value. In other words, there is a current limitation of the motor current. As a result, the switching losses are reduced, so that the operating temperature is reduced ver ⁇ .
  • An additional or further aspect of the method according to the invention provides that the switching frequency during the high load operation in stages, that is in discrete Fre ⁇ quenz suitsen set. As a result, a simple adjustment of the switching frequency is realized.
  • the switching frequency is gradually increased during the high load operation, when the Mo ⁇ gate current falls below the predetermined maximum value or does not exceed the operating temperature ⁇ turschwellwert below the temperature exceeds or not. Additionally or alternatively, the switching frequency during the high load operation is gradually reduced when the motor ⁇ current reaches or falls below the maximum value reduced current threshold. The reduced
  • An inventive converter is suitable for the reliable operation of an electrical machine and set up.
  • the power converter has a controller, which means a control unit, on.
  • the controller is in this case generally - program and / or circuitry - set up to carry out the inventive method described above.
  • the controller is thus specifically directed to be ⁇ set during high-load operation of the motor current to a maximum value and the switching frequency of the semiconductor switches for redirecting switch to increase.
  • the controller is adapted and arranged to adjust or track the Wegfre acid sequence depending on the motor current generated.
  • the controller is formed at least in the core by a microcontroller with a processor and a data memory in which the functionality for performing the method according to the invention in the form of operating software (firmware) is implemented by programming, so that the method - optionally in interaction with a Vehicle user - is performed automatically when running the operating software in the microcontroller.
  • the controller may be alternatively but an ASIC (application-specific integrated circuit) formed in the framework of the invention by a non-programmable electronic component, for example, in which the functionality is implemented through ⁇ out the method according to the invention with circuitry means.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the power converter operated with the method is thus essentially always designed for the point, that is, he works at any time of operation in a possible effec ⁇ tive manner without Begren ⁇ tions, in particular letension the amplitude threshold of Ripp- to exceed safety. This makes it possible to use a particularly cost-effective and space-compact intermediate circuit capacitor.
  • the power converter is installed in an electrical machine, in particular for an electrically operated motor vehicle.
  • the Stromrich ⁇ ter is suitably connected between an input side, in-vehicle energy storage, such as a high-voltage battery, and an output-side electric motor, for example, an asynchronous motor for driving one or both vehicle axles.
  • an inverter (inverter) running converter converts an input current of the energy storage in a motor current for operation of the electric motor.
  • the inverter converts the generated motor current into an input current for feeding it into the energy store.
  • the power converter operated by the method according to the invention or operating thereafter implements a reliable and cost-effective electric machine.
  • FIG. 1 shows an electrical machine with an energy store and an electric motor and a power converter connected therebetween, in simplified and schematic representations.
  • 2 shows a diagram of a desired torque of the electric motor over time
  • FIG. 6 shows a diagram of an operating temperature of the semiconductor switches over time.
  • the Ma ⁇ machine 2 in this embodiment comprises a driving ⁇ generating internal electric energy storage 4 in the form of a high-voltage battery and a motor vehicle axes antrei ⁇ inputting electric motor 6.
  • the electric motor 6 is in this case connected to the energy store by means of a power converter.
  • the power converter 8 has an outgoing line 10 a and a return line 10 b, with which the power converter 8 is connected to the energy store 4. Between the lines 10a and 10b, an intermediate circuit capacitor 12 and a bridge circuit 14 with three bridge modules (half bridges, commutation cells) 16 are connected. In the (normal) operation, a power converter 8 to the supplied input current IE of the energy accumulator 4 through the bridges ⁇ circuit 14 in a three-phase motor voltage relationship ⁇ as a three-phase current with the phases u, v, w is converted.
  • the phases u, v, w - hereinafter also referred to collectively as the motor current IM - are guided for operation of the electric motor 6 to corresponding phase or winding ends of a stator, not shown.
  • a generatie ⁇ or recuperative operation of the generated motor current IM is converted to the power converter 8 in the input current IE and fed into the energy storage 4.
  • each bridge module 16 has two semiconductor switches 20 embodied as IGBTs (insulative gate bipolar transistor).
  • the semiconductor switches 20, which are provided only by way of example with reference numerals, are clocked by means of pulse-width-modulated signals (PWM control) of a driver controlled by the control signals with a switching frequency f between a conducting and a non-conducting state. tet.
  • PWM control pulse-width-modulated signals
  • exemplary signal waveforms for the operation of the power converter 8 are shown.
  • the schematic signal curves are along a respective abscissa axis as (common) time axis t and a respective
  • the time axis t is divided into the Figu ⁇ ren in partial or six time periods ti to t6.
  • the Figures 2 to 6 show in particular the temporal Sig- nalverrise during a high-load operation, in particular currency ⁇ rend of a full load operation of the engine 2, wherein the motor current IM is set to a maximum value Imax and the switching frequency f of the switching of the semiconductor switch 20 for a Duration ⁇ during periods t2, t3 and t4 is increased.
  • FIG 2 a time characteristic of a target Drehmo ⁇ D ments of the electric motor 6 during a Bevantungsvor ⁇ path of the motor vehicle is shown.
  • the target torque D is in this case a measure of the requirement which a vehicle user places on the machine 2 or the electric motor 6 or the power converter 8 in this driving situation of the motor vehicle.
  • the FIG 3 shows the time profile of the signal generated from the input stream ⁇ IE motor current IM.
  • the motor current IM is set at full load operation to the maximum value Imax, so that the desired torque is generated by the electric motor.
  • FIG 4 the time course of the ripple voltage generated in the wires 10a and 10b by the switching operations of the semiconductor switches ⁇ R 20 is illustrated.
  • the rippling voltage R increases in the time interval ti up to an upper one
  • FIG. 5 shows the time profile of the switching frequency f, which means the clock frequency of the PWM control of the semiconductor switch 20.
  • f the switching frequency between discrete three (switching) frequency values
  • f3 the switching frequency between discrete three (switching) frequency values
  • FIG. 6 shows an operating temperature TB or a junction temperature Tss of the semiconductor switch 20.
  • the temperature TB or Tss is computationally determined by the controller 18 during operation in a regular time grid.
  • a thermal model of the semiconductor switch 20 is stored in a memory of the controller 18.
  • the thermal model calculates the case Tem ⁇ peraturzuddling the semiconductor switch 20, taking into account of the switching losses, the switching losses in the Wesent ⁇ union directly proportional to the switching frequency f.
  • the electric motor 6 is operated in a normal mode.
  • the desired target torque D is constantly increasing, so that by the controller corresponding to a ⁇ acquisition of the motor current IM generated is controlled.
  • the semiconductor switches 20 are controlled pulse width modulated with a first switching frequency value fi.
  • the ripple R increases at constant frequency fi. Furthermore, the switching and conduction losses of the bridge circuit 14 are increased with increasing motor current IM. The heat generated thereby leads to an increase of the (virtual) operating temperature T B of the semiconductor switches 20.
  • the motor current IM reaches a first current threshold value Ii.
  • the ripple voltage R would be preset by the motor current I M when the current threshold value Ii is exceeded
  • Exceed amplitude threshold Ai To protect the electrical machine 2 to avoid such is exceeded, the switching frequency is f f 2 ⁇ switched by the switching frequency value fi of the this increased switching frequency value. This means that the switching frequency f is tracked to the motor ⁇ current IM. Thereby, the generated Ripplespan ⁇ voltage is reduced to a lower amplitude threshold A2. The motor current IM is further increased, which caused by the hung Erhö- of motor current and the switching frequency f a white ⁇ tere increase in operating temperature TB relationship ⁇ as is expected.
  • the motor current IM exceeds a second current threshold value I2.
  • the current threshold I2 is the ⁇ art dimensioned such that the ripple R in the switching frequency f ⁇ 2 would reach the amplitude threshold Ai. In this case, the switching frequency f becomes the next higher one Switching frequency f3 tracked so that the ripple voltage R is again reduced to the amplitude threshold A2.
  • the operating temperature B of the semiconductor switch 20 is further increased.
  • the motor current IM be assisted by the current I2 ⁇ threshold to the maximum value Imax, for generating the necessary under full load target torque D represents.
  • F at the maximum value Imax of the motor current IM and the switching frequency value f3 of the switching frequency ripple voltage ⁇ R is set to a voltage value smaller than the Amplitu ⁇ denschwellwert Ai limited. This means that the ripple voltage ⁇ R drove the amplitude threshold Ai both Normalbe- and during a full load operation always falls short ⁇ or not exceed.
  • the controller 18 compares the calculated value of the operating temperature T B with the temperature threshold value T ma x in the time interval of the temperature value determination.
  • the temperature threshold Tmax is determined, for example, on the basis of a characteristic curve and / or from the production data of the semiconductor switches 20.
  • the operating temperature B reaches the temperature threshold T ma x. Then reduces the
  • Controller 18 during the following period ts the Mo ⁇ torstrom IM of the maximum value Imax on the current threshold ⁇ 2.
  • the ripple voltage R is reduced to the amplitude threshold value A2.
  • the Wegfre acid sequence f is changed ⁇ switched during the time period t6 from the Wegfre ⁇ quenzwert f3 to the lower switching frequency value f 2.
  • the motor current IM is continuously increased and the switching frequency f is increased stepwise during the time period ⁇ .
  • the semiconductor switches 20 in the course of full load operation, in particular during the period ⁇ , at least partially operated in overload.
  • the increase or the switching between the switching frequency values f i, f 2 and f 3 occurs in this case, taking into account or in Ab ⁇ dependence of the motor current IM.
  • the switching frequency is f ⁇ tracked to the motor current IM, that is, switching between the switching frequency values f i, f 2 and f 3 occurs, when the motor current IM reaches the predetermined Stromschwell ⁇ values Ii or I 2, or exceeds.
  • three motor current areas Bi, B2 and B3 are defi ned ⁇ in the embodiment according to Figures 2 to the 6th
  • the motor current areas Bi, B2 and B3 are (separates ge ⁇ ) through the current threshold values Ii and I2 distinguished from each other.
  • each of these motor current ranges is Bi, B2 and E is a corresponding (operating) switching frequency ⁇ assigns> 3 f supplied.
  • the motor current range Bi corresponds to the normal operating state in which the semiconductor switches 20 having the switching frequency value fi are operated by the PWM drive.
  • the motor current ranges B2 and B3 correspond to the
  • Tracking or readjustment of the switching frequency f takes place during full-load operation in particular such that the ripple voltage R is always limited to a voltage range between the amplitude threshold values Ai and A2.
  • the current threshold values Ii and I2 of the motor current IM ⁇ are selected such that the ripple R in the respective switching frequency value fi, f 2 or f 3 the threshold amplitude Ai always falls below or does not exceed.
  • the hysteresis range H defined by the amplitude threshold values Ai and A2 is in this case dimensioned such that the capacitance of the DC link capacitor 12 is sufficient to smooth the ripple voltage R. This means that the amplitude of the ripple voltage R is substantially completely reduced by the DC link capacitor 12.
  • the motor current IM is set to the maximum value Imax.
  • the switching frequency f ⁇ is tracked by the switching frequency value fi of normal operation to the increased switching frequency f3 value of full load operation. Due to the increased motor current IM and the tracked higher switching frequency f, the switching losses during the period ⁇ of the semiconductor switch 20 to.
  • the temperature threshold value Tmax which is controlled in the series of motor current IM to the low ⁇ ren current threshold I2 or limited. If the motor current IM reaches or falls below the
  • the switching frequency f is tracked and thus from the switching frequency value f3 to the Wegfre ⁇ quenzwert f. 2 reduced. As a result, the switching and conduction losses of the semi ⁇ conductor switches 20 are reduced, whereby the value of the operating temperature T B decreases. Thereby, it is possible to re-adjust the motor current IM from the current threshold I2 to the maximum value Imax, the switching frequency f is adjusted by the switching frequency value f 2 at the switching frequency value f3.

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Abstract

During the operation of a current converter (8) of an electrical machine (2), said converter comprising a bridge circuit (14) with a number of semiconductor switches (20) and comprising an intermediate circuit capacitor (12), in the normal operating mode of the machine (2) an input current (IE) is transformed into a motor current (IM) for an electric motor (6) by the switching of the semiconductor switches (20) using a switching frequency (f), wherein during a high-load operation of the machine (2), the motor current (IM) is set to a maximum value (Imax) and the switching frequency (f) is increased for a period of time (τ) in order to switch the semiconductor switches (20).

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters sowie danach arbeitender Stromrichter Method for operating a converter and thereafter operating converter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters einer elektrischen Maschine, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, mit einer Brü¬ ckenschaltung mit einer Anzahl von Halbleiterschaltern und mit einem Zwischenkreiskondensator . Sie betrifft weiter einen nach diesem Verfahren arbeitenden Stromrichter und eine elektrische Maschine mit einem solchen Stromrichter. The invention relates to a method for operating a power converter of an electric machine, in particular for an electrically driven motor vehicle, comprising a Brü ¬ bridge circuit with a number of semiconductor switches and with an intermediate circuit capacitor. It further relates to a working according to this method power converter and an electric machine with such a power converter.
Elektrisch (elektromotorisch) angetriebene Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, weisen ty¬ pischerweise elektrische Maschinen zum Antrieb einer oder beider Kraftfahrzeugachsen auf. Derartige elektromotorische Antriebsmaschinen umfassen in der Regel einen gesteuerten Synchron- oder Asynchronmotor als Elektromotor, welcher zur Versorgung mit elektrischer Energie an einen fahrzeuginternen Energiespeicher (Hochvolt-Batterie) gekoppelt ist. Electric (electric motor) driven vehicles, such as electric or hybrid vehicles, have ty ¬ pically electric machines for driving one or both motor vehicle axles. Such electromotive drive machines usually include a controlled synchronous or asynchronous motor as an electric motor, which is coupled to the supply of electrical energy to an in-vehicle energy storage (high-voltage battery).
Der Elektromotor der elektrischen Maschine umfasst herkömmlicherweise einen gegenüber einem Stator drehbar gelagerten Ro- tor, welcher mittels eines magnetischen Drehfeldes angetrie¬ ben wird. Zur Erzeugung des Drehfeldes werden die Spulenwicklungen (Phasenwicklungen, Statorwicklungen) des Stators mit einem entsprechenden Drehstrom (Wechselspannung) als Motorstrom beaufschlagt, welcher aus einer Gleichspannung bezie- hungsweise aus einem Gleichstrom (Eingangsstrom) des Energiespeichers mittels eines Stromrichters gewandelt wird. Derartige Stromrichter sind einerseits dafür geeignet und eingerichtet, als Wechselrichter (Inverter) in einem Normalbetrieb der Maschine den Eingangsstrom des Energiespeichers in den Motorstrom zu wandeln. Andererseits sind die Strom- richter in der Regel dazu geeignet und eingerichtet, in einem generatorischen oder rekuperativen Betrieb als Gleichrichter einen erzeugten Motorstrom des Elektromotors in einen Gleichstrom (Rückspeisestrom) zur Einspeisung in den Energiespeicher zu wandeln. The electric motor of the electrical machine conventionally comprises a stator relative to a rotatably mounted ro tor, which is by means of a rotating magnetic field is trie ¬ ben. To generate the rotating field, the coil windings (phase windings, stator windings) of the stator are acted upon by a corresponding three-phase current (alternating voltage) as motor current, which is converted from a DC voltage or from a direct current (input current) of the energy accumulator by means of a power converter. On the one hand, such power converters are suitable and configured to convert the input current of the energy store into the motor current as inverter (inverter) in normal operation of the machine. On the other hand, the power converters are generally suitable and set up to convert a generated motor current of the electric motor into a direct current (regenerative current) for feeding into the energy store in a regenerative or recuperative operation as a rectifier.
Zu diesem Zwecke weist der Stromrichter eine mit einem Zwi- schenkreiskondensator gekoppelte Brückenschaltung auf (Zwischenkreis, Kommutierungskreis) . Die Brückenschaltung umfasst eine der Anzahl der (Motor- ) Phasen entsprechende Anzahl von Brückenmodulen (Halbbrücken, Leistungsmodul, Kommutierungs¬ zelle) mit Halbleiterschaltern, die zwischen einer Hinleitung und einer Rückleitung des Stromrichters verschaltet sind. For this purpose, the power converter has a bridge circuit coupled to an intermediate circuit capacitor (intermediate circuit, commutation circuit). The bridge circuit comprises a number of (motor) phases corresponding number of bridge modules (half bridges, power module, commutation ¬ cell) with semiconductor switches, which are connected between an outgoing line and a return line of the converter.
Der Stromrichter ist mittels Zuleitungen an den Energiespei- eher angeschlossen. Insbesondere bei hohen Leistungen beziehungsweise hohen Strömen, wie sie beispielsweise im Automo¬ bilbereich vorkommen, werden aufgrund der (Um- ) Schaltvorgänge der Halbleiterschalter (Über- ) Spannungsspitzen und (Span- nungs-) Oszillationen in den Leitungen des Stromrichters er- zeugt. Diese Störspannungen werden typischerweise anhand ei¬ nes Spannungsmittelwertes und einer Peak-to-Peak-Spannung be¬ ziehungsweise einer Spannungsamplitude, dem sogenannten The power converter is connected to the power supply by means of supply lines. Especially at high power or high currents, such as occur ¬ bilbereich example in Automo, due to the (re) of the semiconductor switch (over-) are spikes and (chipboard nungs-) oscillations testimony published in the lines of the inverter switching. These interference voltages are typically based ei ¬ nes voltage mean and peak-to-peak voltage relationship be ¬ as a voltage amplitude, the so-called
( Spannungs- ) Ripple oder Ripplespannung, charakterisiert. Zur Einhaltung von EMV-Richtlinien (elektromagnetische Verträglichkeit) sowie zum Schutz der elektronischen Bauteile des Stromrichters und insbesondere des daran angeschlossenen Energiespeichers ist es notwendig, dass die Ripplespannung einen bestimmten Schwellwertbereich (Amplitudenschwellwert ) nicht überschreitet. Mit anderen Worten sind anwendungsseitig in der Regel Schwellwerte (Amplitudenschwellwert) vorgegeben, welche die Ripplespannung zu keinem Zeitpunkt des Motorbe- triebs, das bedeutet zu keinem Betriebszeitpunkt, überschrei¬ ten darf. (Voltage) ripple or rippling voltage, characterized. To comply with EMC directives (electromagnetic compatibility) and to protect the electronic components of the power converter and in particular the connected energy storage, it is necessary that the ripple voltage does not exceed a certain threshold range (amplitude threshold value). In other words (amplitude threshold) are application side usually thresholds specified which drive the ripple voltage at any time of the rated motor, which means any time during operation, transfrontier ¬ th may.
Die wesentlichen Einflüsse auf die Rippelspannung sind der mittlere Motorstrom, das bedeutet im Wesentlichen der RMS- Wert (root mean Square) des erzeugten Drehstromes, sowie die den Motorstrom charakterisierenden fluss- und drehmomentbildenden Komponenten. Bei einer feldorientierten Regelung sind diese Komponenten im Wesentlichen durch einen d-Stromanteil und einen q-Stromanteil im Zuge einer Vektorregelung be- schrieben. Mit anderen Worten beeinflusst der Modulations¬ grad, das bedeutet der Ansteuergrad der Halbleiterschalter, die auftretende Ripplespannung. Dies bedeutet, dass die Ripp¬ lespannung abhängig ist von dem aktuellen Betriebszustand des Elektromotors und somit von dem aktuellen Betriebszustand des Stromrichters. Entsprechend treten bei hohen Motorströmen, insbesondere im Zuge eines Hoch- oder Volllastbetriebs des Elektromotors, wenn diese stark drehmomentbildend wirken, ma¬ ximale Ripplespannungswerte auf. Derartige Hochlastbetriebs- zustände treten beispielsweise bei einem Beschleunigungsvor- gang eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges auf. The main influences on the ripple voltage are the average motor current, which essentially means the RMS value (root mean square) of the generated three-phase current, as well as the flux and torque-forming components characterizing the motor current. In a field-oriented control, these components are essentially described by a d-current component and a q-current component in the course of a vector control. In other words, the modulation ¬ influenced degree, which means degree of triggering the semiconductor switch, which occurs ripple. This means that the Ripp ¬ read voltage is dependent on the current operating state of the electric motor and thus of the current operating state of the converter. Accordingly occur at high motor currents, in particular in the course of a high or full load operation of the electric motor, if they have a strong torque-forming, ma ¬ maximum Ripplespannungswerte on. Such high-load operating states occur, for example, during an acceleration process of an electric or hybrid vehicle.
Der Zwischenkreiskondensator wirkt mittels seiner Kapazität als eine zusätzliche Einflussgröße auf die Ripplespannung. Insbesondere wirkt die Kapazität dämpfend auf die Amplitude der Ripplespannung, das bedeutet, dass die Rippleamplitude durch den Zwischenkreiskondensator reduziert wird. Je höher die Kapazität, desto geringer ist die auftretende Ripplespan¬ nung. Eine weitere, wesentliche Einflussgröße ist die (Um- ) Schaltfrequenz der Halbleiterschalter (Taktfrequenz), dass bedeutet das PWM (Pulsweitenmodulation) gesteuerte, ge¬ taktete Umschalten der Halbleiterschalter ( PWM-Ansteuerung) . In der Regel ist die Schaltfrequenz fest eingestellt und der¬ art gewählt, dass bei einer maximalen Drehzahl des Elektromo¬ tors (Volllast) die Frequenz der Grundschwingung des Motorstroms einen schaltfrequenzabhängigen Schwellwert nicht überschreitet. Dadurch wird die Erzeugung von entsprechend her- vorgerufenen Ripplespannungen reduziert oder vollständig vermieden. Die Schaltfrequenz wird jedoch lediglich so hoch gewählt wie mindestens notwendig, da (Um- ) Schaltverluste der Halbleiterschalter für höhere Schaltfrequenzen zunehmen. Somit werden der Gesamtwirkungsgrad sowie die maximale Aus- gangsleistung der elektrischen Maschine beschränkt. The DC link capacitor acts by means of its capacity as an additional influencing variable on the ripple voltage. In particular, the capacitance has a damping effect on the amplitude of the ripple voltage, which means that the ripple amplitude is reduced by the DC link capacitor. The higher the capacity, the lower the voltage occurring Ripplespan ¬. Another important factor is the (Um-) switching frequency of the semiconductor switch (clock frequency), that means the PWM (pulse width modulation) controlled, ge ¬ clocked switching the semiconductor switch (PWM control). In general, the switching frequency is fixed and the ¬ art chosen such that the frequency of the fundamental oscillation of the motor current does not exceed a switching frequency-dependent threshold value at a maximum speed of Elektromo ¬ tors (full load). As a result, the generation of correspondingly induced rippling voltages is reduced or completely avoided. However, the switching frequency is chosen only as high as at least necessary because (re) switching losses of the semiconductor switches for higher switching frequencies increase. Thus, the overall efficiency and the maximum output power of the electric machine are limited.
Zur Reduzierung der Ripplespannung ist es weiterhin möglich, die Kapazität des Zwischenkreiskondensators derart zu dimen¬ sionieren, dass ein Maximalstrom (Maximalwert) bei der ge- wählten (fixen) Schaltfrequenz der Halbleiterschalter in keinem Betriebspunkt, das bedeutet auch nicht während eines Hoch- oder Volllastbetriebs, von dem Motorstrom überschritten wird. Der Hoch- oder Volllastbetrieb tritt in der Regel je¬ doch lediglich in bestimmten Situationen, wie beispielsweise bei einem Beschleunigungsvorgang auf, wodurch der Zwischen- kreiskondensator hinsichtlich des (häufigeren) Normalbetriebs der elektrischen Maschine überdimensioniert ist. Mit anderen Worten weist der Zwischenkreiskondensator einen nicht unerheblichen Kapazitätsanteil (Puffer) für die lediglich selten auftretenden, hohen Motorströme beziehungsweise Rippelspan- nungen auf. Dadurch werden die Baukosten sowie der Bauraum des Stromrichters nachteilig erhöht. Alternativ ist der Wert des Maximalstroms beispielsweise an¬ hand einer statistischen Verteilung der Stromhöhe des Motorstroms über eine Lebensdauer des Stromrichters gewählt. Mit anderen Worten wird die Kapazität des Zwischenkreiskondensa- tors beispielsweise derart dimensioniert, dass dieser (sta¬ tistische) Maximalwert die zulässigen Werte der Ripplespan- nung erfüllt. Dadurch werden Einsparungen hinsichtlich der Baukosten sowie des Bauraums ermöglicht, jedoch werden somit nicht alle Anforderungen im Betrieb der elektrischen Maschine abgedeckt. In der Folge ist es möglich, dass, insbesondere im Zuge eines Volllastbetriebs, Störungen, Beschädigungen und/oder Zerstörungen von elektrischen Bauteilen des Stromrichters oder der daran angeschlossenen Maschinenkomponenten auftreten . To reduce the ripple, it is also possible, the capacitance of the intermediate circuit capacitor in such a way to dimen ¬ sionieren that a maximum current (maximum value) in the overall selected (fixed) switching frequency of the semiconductor switch in any operating point, that is, not even during a high or full load operation from which motor current is exceeded. The portrait or full load operation usually occurs depending ¬ but oversized only in certain situations, such as in an acceleration process, whereby the DC link capacitor, the (frequent) Normal operation of the electrical machine. In other words, the intermediate circuit capacitor has a considerable capacity component (buffer) for the rarely occurring, high motor currents or ripple voltages. As a result, the construction costs and the installation space of the power converter are disadvantageously increased. Alternatively, the value of the maximum current is chosen, for example at hand ¬ a statistical distribution of the power level of the motor current over a service life of the converter. In other words, the capacitance of the DC link capacitors is the gate, for example, dimensioned such that this (sta ¬ tical) maximum value satisfies the allowable values of the Ripplespan- voltage. This allows savings in terms of construction costs and space, but thus not all requirements in the operation of the electrical machine are covered. As a result, it is possible that, especially in the course of a full load operation, interference, damage and / or destruction of electrical components of the power converter or the machine components connected thereto occur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst ge¬ eignetes Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters anzuge¬ ben. Insbesondere soll das Verfahren einen Einsatz eines Zwi- schenkreiskondensators des Stromrichters mit einem möglichst geringen Kapazitätswert, unter gleichzeitiger Beibehaltung eines möglichst hohen, betriebssicheren Motorstroms ermögli¬ chen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein nach einem derartigen Verfahren betriebenen Stromrichter sowie eine einen solchen Stromrichter aufweisenden elektrischen Maschine anzugeben. The invention has the object of providing a ge possible ¬ One suitable method for operating a power converter suits ¬ ben. In particular the process is to a use of an intermediate circuit capacitor of the converter with the lowest possible capacitance value, while maintaining a high, reliable as possible motor current ermögli ¬ chen. The invention is further based on the object of specifying a power converter operated by such a method and an electric machine having such a power converter.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Stromrichters wird die genannte Aufgabe mit den Merkmalen des An- spruchs 9 und hinsichtlich einer den Stromrichter aufweisenden elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei¬ terbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Strom¬ richters einer elektrischen Maschine geeignet und eingerich¬ tet. Die elektrische Maschine ist hierbei beispielsweise Teil eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, wie etwa einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug . Der beispielsweise als Wechsel¬ richter (Inverter) ausgeführte Stromrichter weist eine Brückenschaltung mit einer Anzahl von Halbleiterschaltern und mit einem Zwischenkreiskondensator auf. With regard to the method, the object is achieved according to the invention with the features of claim 1. With regard to the power converter, the stated object with the features of claim 9 and with regard to an electric machine having the power converter with the features of claim 10 is achieved according to the invention. Advantageous embodiments and Wei ¬ educations are the subject of the respective subclaims. The inventive method is suitable for operating a power ¬ judge an electric machine and is rich ¬ tet. The electric machine is in this case for example part of an electrically operated motor vehicle, such as a hybrid or electric vehicle. The power converter, for example, as a removable ¬ converter (inverter) executed has a bridge circuit with a number of semiconductor switches and with an intermediate circuit capacitor.
Verfahrensgemäß wird während eines Normalbetriebs der Ma¬ schine durch ein vorzugsweise mittels einer PWM-Ansteuerung (Pulsweitenmodulation) getaktetes Umschalten der Halbleiterschalter mit einer Schaltfrequenz ein dem Stromrichter zuge- führter Eingangsstrom (Gleichstrom) in einen Motorstrom Clocked switching of the semiconductor switch with a switching frequency According to the method, during a normal operation of the Ma ¬ machine by a preferably by means of a PWM control (pulse width modulation), a the power converter conces- convicted input current (DC) in a motor current
(Drehstrom, Ausgangsstrom) für einen Elektromotor gewandelt. Entsprechend wird während eines generatorischen oder rekupe- rativen Betriebs der Maschine der Motorstrom in einen gleichgerichteten Eingangsstrom für eine Einspeisung in den Ener- giespeicher gewandelt.  (Three-phase current, output current) converted for an electric motor. Accordingly, during a regenerative or recuperative operation of the machine, the motor current is converted into a rectified input current for feeding into the energy store.
Während eines Hochlastbetriebs der Maschine wird der Motor¬ strom auf einen Maximalwert (Maximalstrom) eingestellt, und die Schaltfrequenz wird für das Umschalten der Halbleiter- Schalter für eine beschränkte Zeitdauer erhöht. Unter einem Hochlastbetrieb ist hierbei ein Maschinenbetrieb zu verste¬ hen, bei welchem eine erhöhte Ripplespannung erzeugt wird, welche nicht ausreichend mittels der Kapazität des Zwischen- kreiskondensators reduzierbar ist. Unter Hochlastbetrieb ist nachfolgend insbesondere auch ein Volllastbetrieb der Ma¬ schine zu verstehen. Der Motorstrom wird somit während des Hochlastbetriebs durch eine mittels der Zeitdauer zeitlich begrenzte Erhöhung der Schaltfrequenz auf den Maximalwert eingestellt. Dies bedeu¬ tet, dass die Schaltfrequenz für den Maschinenbetrieb nicht fixiert beziehungsweise festgelegt ist, sondern zwischen Nor¬ malbetrieb und Hochlastbetrieb dynamisch variiert wird. Mit anderen Worten wird die Schaltfrequenz abhängig von dem Betriebspunkt der elektrischen Maschine beziehungsweise des Elektromotors erhöht. During a high-load operation of the engine of the motor ¬ current to a maximum value (maximum current) is set, and the switching frequency is increased for the switching of the semiconductor switch for a limited period of time. Under a high-load operation is in this case an engine operating To Hide ¬ hen, wherein an increased ripple voltage is generated which is not sufficiently reduced circuit capacitor by the capacitance of the intermediate. Under high load operation is referred to, this means particularly a full load operation of Ma ¬ machine. The motor current is thus set during the high load operation by means of a time-limited increase in the switching frequency to the maximum value. This signified tet ¬ that the switching frequency for the machine operation is not fixed or fixed but is varied dynamically between Nor ¬ malbetrieb and high-load operation. In other words, the switching frequency is increased depending on the operating point of the electric machine or the electric motor.
Die Erhöhung der Schaltfrequenz bewirkt hierbei eine Reduzie¬ rung der durch die infolge der PWM-Ansteuerung der Halbleiterschalter entstehende Rippelspannung . Dies bedeutet, dass die Ripplespannung durch die Variation der Schaltfrequenz be- grenzt wird. Dadurch ist ein Zwischenkreiskondensator mit einer vergleichsweise niedrigen Kapazität für den Stromrichter einsetzbar. Insbesondere ist es dadurch möglich, den Zwischenkreiskondensator im Wesentlichen ohne eine Überdimensionierung auszuführen, was sich vorteilhaft auf dessen Baukos- ten und Baugröße auswirkt. Increasing the switching frequency this causes a Reduzie ¬ tion of the produced by the result of the PWM-control of the semiconductor switch ripple voltage. This means that the ripple voltage is limited by the variation of the switching frequency. As a result, an intermediate circuit capacitor with a comparatively low capacitance for the power converter can be used. In particular, this makes it possible to carry out the intermediate circuit capacitor essentially without overdimensioning, which has an advantageous effect on its cost and size.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird die Schaltfrequenz in Abhängigkeit des durch die Brückenschaltung erzeugten Motorstroms erhöht. Mit anderen Worten wird die Schaltfrequenz in Abhängigkeit des ausgangsseitigen Motorstroms nachgestellt beziehungsweise nachgeführt. Dadurch ist eine zuverlässige und betriebssichere Erhöhung der Schaltfrequenz sicherge¬ stellt. Zu diesem Zwecke ist in einer geeigneten Weiterbildungsform zwischen dem Motorstrom während des Normalbetriebs und dem Maximalwert des Motorstroms während des Hochlastbetriebs vor¬ zugsweise eine Anzahl von Stromschwellwerten definiert. Bei einem Einstellen des Motorstroms auf den Maximalwert durch¬ läuft der Wert des Motorstroms somit nacheinander die ver¬ schiedenen Motorschwellwerte, wobei die Schaltfrequenz erhöht wird, wenn der Motorstrom einen derartigen Stromschwellwert erreicht oder überschreitet. In a preferred development, the switching frequency is increased as a function of the motor current generated by the bridge circuit. In other words, the switching frequency is readjusted or tracked as a function of the output-side motor current. As a result, a reliable and reliable increase in the switching frequency sicherge ¬ provides. For this purpose, in a suitable training, between the motor current during normal operation and the maximum value of the motor current during the high-load operation before ¬ is preferably defines a number of current thresholds. at a setting of the motor current at the maximum value by ¬ the value of the motor current thus passes successively through the various ver ¬ Motorschwellwerte, wherein the switching frequency is increased, when the motor current reaches such a current threshold or exceeds.
Aufgrund der im Hochlastbetrieb auftretenden hohen Motorströme führt die Erhöhung der Schaltfrequenz zu einer Zunahme der Schaltverluste der Halbleiterschalter. Um zu verhindern, dass die dadurch entstehende Wärmeentwicklung zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Halbleiterschalter führt, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass die Zeitdauer anhand einer Betriebstemperatur des oder jedes Halbleiterschalters bestimmt wird. Zur betriebssi- cheren Beschränkung der Zeitdauer wird hierbei insbesondere eine Sperrschichttemperatur der Halbleiterschalter als Maß für die Betriebstemperatur verwendet. Due to the high motor currents occurring in high-load operation, the increase in the switching frequency leads to an increase in the switching losses of the semiconductor switches. In order to prevent that the resulting heat development leads to damage or destruction of the semiconductor switch, it is provided in an advantageous development of the method that the time period is determined based on an operating temperature of the or each semiconductor switch. For a reliable limitation of the duration, in this case, in particular, a junction temperature of the semiconductor switches is used as a measure of the operating temperature.
In einer zweckmäßigen Ausbildung wird die Betriebstemperatur anhand eines hinterlegten thermischen Modells der Halbleiterschalter bestimmt. Insbesondere wird hierbei in einem vorge¬ gebenen Zeitraster, beispielsweise in einem Millisekundenras¬ ter, periodisch der Istwert der Betriebs- beziehungsweise Sperrschichttemperatur zum Selbstschutz und zu Limitierungs- zwecken bestimmt. In an expedient embodiment, the operating temperature is determined based on a stored thermal model of the semiconductor switches. Specifically, the actual value of the operating or junction temperature for self-protection and limiting, is here in a pre ¬ given time frame, for example in a Millisekundenras ¬ ter periodically determined purposes.
Die Wärmeentwicklung aufgrund der Schaltverluste ist selbst von der Betriebstemperatur abhängig. Die Wärmeentwicklung ist insbesondere mitkoppelnd, das bedeutet, dass bei höheren Tem- peraturen stärkere Schaltverluste entstehen, wodurch die Wärmeentwicklung erhöht wird. Um eine betriebssichere und zuver¬ lässige Erhöhung und Nachführung der Schaltfrequenzen zu gewährleisten, ist es daher notwendig die Betriebstemperatur während der Zeitdauer zu beschränken. Zu diesem Zwecke wird in einer besonders betriebssicheren Weiterbildung die Betriebstemperatur mit einem Temperaturschwellwert verglichen. Wenn die Betriebstemperatur den Temperaturschwellwert er- reicht oder überschreitet, wird der Motorstrom reduziert und/oder limitiert. Dies entspricht dem Ende der Zeitdauer. The heat development due to the switching losses is itself dependent on the operating temperature. In particular, the heat development is coupled, which means that higher switching losses occur at higher temperatures, which increases the heat development. To ensure a reliable and reli ¬ permeable increase and tracking of the switching frequencies, it is therefore necessary operating temperature during the time limit. For this purpose, the operating temperature is compared with a temperature threshold in a particularly reliable training. When the operating temperature reaches or exceeds the temperature threshold, the motor current is reduced and / or limited. This corresponds to the end of the time period.
Mit anderen Worten beginnt die Zeitdauer mit der hochlastbe- triebsbedingten Erhöhung des Motorstroms und endet mit dem Erreichen des Temperaturschwellwertes der berechneten Be¬ triebstemperatur aufgrund des erhöhten Motorstroms und der erhöhten Schaltfrequenz. Dies entspricht einer zeitlichen Beschränkung des Überlastbetriebs der Halbleiterschalter zu deren Schutz (Selbstschutz) . In other words, the period begins with the hochlastbe- drove conditional increase of the motor current and ends by reaching the temperature threshold of the calculated Be ¬ operating temperature due to the increased motor current and increased switching frequency. This corresponds to a time limitation of the overload operation of the semiconductor switches for their protection (self-protection).
Bei einem Überschreiten oder Erreichen des Temperaturschwellwertes wird der Motorstrom auf einen gegenüber dem Maximalwert reduzierten Wert eingestellt. Mit anderen Worten erfolgt eine Stromlimitierung des Motorstroms. Dadurch werden die Schaltverluste reduziert, sodass die Betriebstemperatur ver¬ ringert wird. If the temperature threshold value is exceeded or reached, the motor current is set to a value reduced with respect to the maximum value. In other words, there is a current limitation of the motor current. As a result, the switching losses are reduced, so that the operating temperature is reduced ver ¬ .
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Schaltfrequenz während des Hochlastbetriebs stufenweise, das bedeutet in diskreten Fre¬ quenzschritten, eingestellt wird. Dadurch ist eine einfache Einstellung der Schaltfrequenz realisiert. An additional or further aspect of the method according to the invention provides that the switching frequency during the high load operation in stages, that is in discrete Fre ¬ quenzschritten set. As a result, a simple adjustment of the switching frequency is realized.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird die Schaltfrequenz während des Hochlastbetriebs stufenweise erhöht, wenn der Mo¬ torstrom den vorgegebenen Maximalwert unterschreitet oder nicht überschreitet und die Betriebstemperatur den Tempera¬ turschwellwert unterschreitet oder nicht überschreitet. Zusätzlich oder alternativ wird die Schaltfrequenz während des Hochlastbetriebs stufenweise reduziert, wenn der Motor¬ strom einen gegenüber dem Maximalwert reduzierten Strom- schwellwert erreicht oder unterschreitet. Der reduzierteIn a preferred embodiment, the switching frequency is gradually increased during the high load operation, when the Mo ¬ gate current falls below the predetermined maximum value or does not exceed the operating temperature ¬ turschwellwert below the temperature exceeds or not. Additionally or alternatively, the switching frequency during the high load operation is gradually reduced when the motor ¬ current reaches or falls below the maximum value reduced current threshold. The reduced
Stromschwellwert wird hierbei insbesondere durch die Motor¬ stromreduzierung im Zuge der Temperaturregelung unterschritten. Dadurch wird die Betriebstemperatur auf einen Wert unterhalb des Temperaturschwellwertes reduziert. Bei einem Er- reichen oder Unterschreiten des Stromschwellwertes wird die Schaltfrequenz dem Motorstrom nachgeführt, dies bedeutet, dass in diesem Falle die Schaltfrequenz verringert (ernied¬ rigt) wird. Dadurch ist ein quasistationärer Betriebszustand während des Hochlastbetriebs bewirkt. Das Einschwingen beziehungsweise das Hin- und Herpendeln der Schaltfrequenz, des Motorstroms und der Betriebstemperatur wird hierbei vorzugsweise durch eine Auswahl geeigneter Hysteresen eingestellt beziehungs- weise unterdrückt. Somit ist eine besonders kostengünstige und technisch einfache Einstellung der Schaltfrequenz, insbesondere hinsichtlich einer Nachführung anhand des Motorstroms, realisiert. Durch die Nachführung der Schaltfrequenz wird gewährleistet, dass ein vorgegebener Amplitudenschwellwert für die infolge einer PWM-Ansteuerung der Halbleiterschalter entstehende Rip- pelspannung während des Hochlastbetriebs stets unterschritten oder nicht überschritten wird. Dadurch ist eine betriebssi- chere Reduzierung der Kapazität des Zwischenkreiskondensators möglich . Ein erfindungsgemäßer Stromrichter ist für den zuverlässigen Betrieb einer elektrischen Maschine geeignet und eingerichtet. Der Stromrichter weist einen Controller, das bedeutet ein Steuergerät, auf. Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu einge¬ richtet, während eines Hochlastbetriebs den Motorstrom auf einen Maximalwert einzustellen und die Schaltfrequenz zum Um- schalten der Halbleiterschalter zu erhöhen. Insbesondere ist der Controller dazu geeignet und eingerichtet, die Schaltfre¬ quenz in Abhängigkeit des erzeugten Motorstroms nachzustellen beziehungsweise nachzuführen. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Controller zumindest im Kern durch einen MikroController mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Fahrzeugnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem MikroController automatisch durchgeführt wird. Current threshold is in this case exceeded in particular by the motor ¬ current reduction in the course of temperature control. As a result, the operating temperature is reduced to a value below the temperature threshold. In an ER-rich or below the current threshold, the switching frequency is tracked to the motor current, this means that in this case the switching frequency is decreased (ernied ¬ rigt) is. As a result, a quasi-stationary operating state is effected during the high-load operation. The transient oscillation or oscillation of the switching frequency, the motor current and the operating temperature is preferably set or suppressed by a selection of suitable hystereses. Thus, a particularly cost-effective and technically simple adjustment of the switching frequency, in particular with regard to a tracking based on the motor current realized. Tracking the switching frequency ensures that a predetermined amplitude threshold value for the ripple voltage arising as a result of PWM activation of the semiconductor switches is always undershot or not exceeded during high-load operation. As a result, a reliable reduction of the capacitance of the DC link capacitor is possible. An inventive converter is suitable for the reliable operation of an electrical machine and set up. The power converter has a controller, which means a control unit, on. The controller is in this case generally - program and / or circuitry - set up to carry out the inventive method described above. The controller is thus specifically directed to be ¬ set during high-load operation of the motor current to a maximum value and the switching frequency of the semiconductor switches for redirecting switch to increase. In particular, the controller is adapted and arranged to adjust or track the Schaltfre acid sequence depending on the motor current generated. In a preferred embodiment, the controller is formed at least in the core by a microcontroller with a processor and a data memory in which the functionality for performing the method according to the invention in the form of operating software (firmware) is implemented by programming, so that the method - optionally in interaction with a Vehicle user - is performed automatically when running the operating software in the microcontroller.
Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, z.B. einen ASIC (anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis) , gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durch¬ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist. The controller may be alternatively but an ASIC (application-specific integrated circuit) formed in the framework of the invention by a non-programmable electronic component, for example, in which the functionality is implemented through ¬ out the method according to the invention with circuitry means.
Der mit dem Verfahren betriebene Stromrichter ist somit im Wesentlichen stets auf den Punkt ausgelegt, das bedeutet, er arbeitet zu jedem Betriebszeitpunkt in einer möglichst effek¬ tiven Art und Weise, ohne dabei sicherheitstechnische Begren¬ zungen, wie insbesondere den Amplitudenschwellwert der Ripp- lespannung, zu überschreiten. Dadurch ist es ermöglicht, ei- nen besonders kostengünstigen und bauraumkompakten Zwischen- kreiskondensator zu verwenden. The power converter operated with the method is thus essentially always designed for the point, that is, he works at any time of operation in a possible effec ¬ tive manner without Begren ¬ tions, in particular lespannung the amplitude threshold of Ripp- to exceed safety. This makes it possible to use a particularly cost-effective and space-compact intermediate circuit capacitor.
In einer bevorzugten Anwendung ist der Stromrichter in einer elektrischen Maschine, insbesondere für ein elektrisch be- triebenes Kraftfahrzeug, eingebaut. Hierzu ist der Stromrich¬ ter geeigneterweise zwischen einem eingangsseitigen, fahrzeuginternen Energiespeicher, wie beispielsweise einer Hochvolt-Batterie, und einem ausgangsseitigen Elektromotor, beispielsweise einem Asynchronmotor zum Antrieb einer oder bei- der Fahrzeugachsen, verschaltet. Der in dieser Anwendung insbesondere als Wechselrichter (Inverter) ausgeführte Stromrichter wandelt einen Eingangsstrom des Energiespeichers in einen Motorstrom zum Betrieb des Elektromotors. Im Zuge eines generatorischen oder rekuperativen Betriebs wandelt der Wech- selrichter den erzeugten Motorstrom in einen Eingangsstrom für die Einspeisung in den Energiespeicher. Durch den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen beziehungsweise danach arbeitenden Stromrichter ist eine betriebssichere und kostengünstige elektrische Maschine realisiert. In a preferred application, the power converter is installed in an electrical machine, in particular for an electrically operated motor vehicle. For this purpose, the Stromrich ¬ ter is suitably connected between an input side, in-vehicle energy storage, such as a high-voltage battery, and an output-side electric motor, for example, an asynchronous motor for driving one or both vehicle axles. In this application, in particular as an inverter (inverter) running converter converts an input current of the energy storage in a motor current for operation of the electric motor. In the course of a regenerative or recuperative operation, the inverter converts the generated motor current into an input current for feeding it into the energy store. The power converter operated by the method according to the invention or operating thereafter implements a reliable and cost-effective electric machine.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachten und schematischen Darstellungen: FIG 1 eine elektrische Maschine mit einem Energiespeicher und einem Elektromotor sowie einem dazwischen geschalteten Stromrichter, FIG 2 ein Diagramm eines Soll-Drehmoments des Elektromotors über die Zeit, An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. 1 shows an electrical machine with an energy store and an electric motor and a power converter connected therebetween, in simplified and schematic representations. 2 shows a diagram of a desired torque of the electric motor over time,
FIG 3 ein Diagramm eines von dem Stromrichter erzeugten 3 shows a diagram of a generated by the power converter
Motorstroms über die Zeit,  Motor current over time,
FIG 4 ein Diagramm einer beim Erzeugen des Motorstroms 4 shows a diagram of when generating the motor current
entstehenden Ripplespannung über die Zeit,  resulting rippling voltage over time,
FIG 5 ein Diagramm einer Schaltfrequenz für das Umschalten von Halbleiterschaltern des Stromrichters über die Zeit, und 5 shows a diagram of a switching frequency for the switching of semiconductor switches of the power converter over time, and
FIG 6 ein Diagramm einer Betriebstemperatur der Halbleiterschalter über die Zeit. 6 shows a diagram of an operating temperature of the semiconductor switches over time.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference numerals in all figures.
In der FIG 1 ist eine elektrische (Antriebs- ) Maschine 2 eines elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, dargestellt. Die Ma¬ schine 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen fahr¬ zeuginternen, elektrischen Energiespeicher 4 in Form einer Hochvolt-Batterie und einen die Kraftfahrzeugachsen antrei¬ benden Elektromotor 6. Der Elektromotor 6 ist hierbei mittels eines Stromrichters 8 an den Energiespeicher angeschlossen. 1 shows an electric (drive) machine 2 of an electric motor-driven motor vehicle, in particular an electric or hybrid vehicle. The Ma ¬ machine 2 in this embodiment comprises a driving ¬ generating internal electric energy storage 4 in the form of a high-voltage battery and a motor vehicle axes antrei ¬ inputting electric motor 6. The electric motor 6 is in this case connected to the energy store by means of a power converter. 8
Der Stromrichter 8 weist eine Hinleitung 10a und eine Rück- leitung 10b auf, mit welchen der Stromrichter 8 an den Energiespeicher 4 angeschlossen ist. Zwischen den Leitungen 10a und 10b ist ein Zwischenkreiskondensator 12 sowie eine Brückenschaltung 14 mit drei Brückenmodulen (Halbbrücken, Kommutierungszellen) 16 geschaltet. Im (Normal- ) Betrieb wird ein dem Stromrichter 8 zugeführter Eingangsstrom I E des Energiespeichers 4 durch die Brücken¬ schaltung 14 in eine dreiphasige Motorspannung beziehungs¬ weise einen Drehstrom mit den Phasen u, v, w gewandelt wird. Die Phasen u, v, w - nachfolgend zusammenfassend auch als Mo- torstrom IM bezeichnet - werden zum Betrieb des Elektromotors 6 an entsprechende Phasen- oder Wicklungsenden eines nicht näher dargestellten Stators geführt. Während eines generato¬ rischen oder rekuperativen Betriebs wird der erzeugte Motorstrom IM mit dem Stromrichter 8 in den Eingangsstrom I E ge- wandelt und in den Energiespeicher 4 eingespeist. The power converter 8 has an outgoing line 10 a and a return line 10 b, with which the power converter 8 is connected to the energy store 4. Between the lines 10a and 10b, an intermediate circuit capacitor 12 and a bridge circuit 14 with three bridge modules (half bridges, commutation cells) 16 are connected. In the (normal) operation, a power converter 8 to the supplied input current IE of the energy accumulator 4 through the bridges ¬ circuit 14 in a three-phase motor voltage relationship ¬ as a three-phase current with the phases u, v, w is converted. The phases u, v, w - hereinafter also referred to collectively as the motor current IM - are guided for operation of the electric motor 6 to corresponding phase or winding ends of a stator, not shown. During a generatie ¬ or recuperative operation of the generated motor current IM is converted to the power converter 8 in the input current IE and fed into the energy storage 4.
Zur Wandlung des aus der Hochvolt-Gleichspannung des Energiespeichers 4 gestellten Eingangsstrom I E in den Motorstrom (Ausgangsstrom) IM werden die Brückenmodule 16 mittels eines an eine Motorsteuerung angeschlossenen Controllers 18 gesteuert und/oder geregelt. Zu diesem Zwecke sendet der Controller 18 nicht näher bezeichnete Steuersignale an die Brückenmodule 16. Jedes Brückenmodul 16 weist hierbei zwei als IGBTs (insu- lated gate bipolar transistor) ausgeführte Halbleiterschalter 20 auf. To convert the input current I E into the motor current (output current) IM from the high-voltage DC voltage of the energy store 4, the bridge modules 16 are controlled and / or regulated by means of a controller 18 connected to a motor controller. For this purpose, the controller 18 sends unspecified control signals to the bridge modules 16. In this case, each bridge module 16 has two semiconductor switches 20 embodied as IGBTs (insulative gate bipolar transistor).
Die lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehenen Halbleiterschalter 20 werden mittels pulsweitenmodulierter Signale ( PWM-Ansteuerung) eines durch die Steuersignale gesteu- erten Treibers getaktet mit einer Schaltfrequenz f zwischen einem leitenden und einem nicht-leitenden Zustand umgeschal- tet. Diese PWM-Ansteuerung ist in der FIG 1 mittels gate- be¬ ziehungsweise ansteuerseitigen Pfeilen schematisch dargestellt. Die Leitungen 10a und 10b führen im Normalbetrieb des Elekt¬ romotors 6 beziehungsweise der Maschine 2 den Eingangsstrom IE von dem Energiespeicher 4 zu der Brückenschaltung 14. Während eines generatorischen oder rekuperativen Betriebs des Elektromotors 6 wird elektrische Energie in den Energiespei- eher 4 eingespeist. The semiconductor switches 20, which are provided only by way of example with reference numerals, are clocked by means of pulse-width-modulated signals (PWM control) of a driver controlled by the control signals with a switching frequency f between a conducting and a non-conducting state. tet. This PWM driving is schematically illustrated in FIG 1 by means of gate- be ¬ relationship as ansteuerseitigen arrows. The lines 10a and 10b result in normal operation of Elect ¬ romotors 6 and the engine 2 to the input current I E by the energy accumulator 4 to the bridge circuit 14. During a regenerative or recuperative operation of the electric motor 6, electric energy in the energy store 4 is fed.
In den Figuren 2 bis 6 sind beispielhafte Signalverläufe für den Betrieb des Stromrichters 8 gezeigt. Die schematisierten Signalverläufe sind hierbei entlang einer jeweiligen Abszis- senachse als (gemeinsame) Zeitachse t und einer jeweiligenIn the figures 2 to 6 exemplary signal waveforms for the operation of the power converter 8 are shown. The schematic signal curves are along a respective abscissa axis as (common) time axis t and a respective
Ordinatenachse aufgetragen. Die Zeitachse t ist in den Figu¬ ren in sechs Teil- oder Zeitabschnitte ti bis t6 unterteilt. Plotted ordinate axis. The time axis t is divided into the Figu ¬ ren in partial or six time periods ti to t6.
Die FIG 2 bis FIG 6 zeigen insbesondere die zeitlichen Sig- nalverläufe während eines Hochlastbetriebs, insbesondere wäh¬ rend eines Volllastbetriebs, der Maschine 2, bei welchem der Motorstrom IM auf einen Maximalwert Imax eingestellt und die Schaltfrequenz f für das Umschalten der Halbleiterschalter 20 für eine Zeitdauer τ während der Zeitabschnitte t2, t3 und t4 erhöht wird. The Figures 2 to 6 show in particular the temporal Sig- nalverläufe during a high-load operation, in particular currency ¬ rend of a full load operation of the engine 2, wherein the motor current IM is set to a maximum value Imax and the switching frequency f of the switching of the semiconductor switch 20 for a Duration τ during periods t2, t3 and t4 is increased.
In der FIG 2 ist ein zeitlicher Verlauf eines Soll-Drehmo¬ ments D des Elektromotors 6 während eines Beschleunigungsvor¬ gangs des Kraftfahrzeugs dargestellt. Das Soll-Drehmoment D ist hierbei ein Maß für die Anforderung, welcher ein Fahrzeugnutzer an die Maschine 2 beziehungsweise den Elektromotor 6 oder den Stromrichter 8 in dieser Fahrsituation des Kraftfahrzeugs stellt. Die FIG 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des aus dem Eingangs¬ stroms IE erzeugten Motorstroms IM. Der Motorstrom IM wird im Volllastbetrieb auf den Maximalwert Imax eingestellt, sodass das gewünschte Drehmoment von dem Elektromotor erzeugt wird. In FIG 2, a time characteristic of a target Drehmo ¬ D ments of the electric motor 6 during a Beschleunigungsvor ¬ path of the motor vehicle is shown. The target torque D is in this case a measure of the requirement which a vehicle user places on the machine 2 or the electric motor 6 or the power converter 8 in this driving situation of the motor vehicle. The FIG 3 shows the time profile of the signal generated from the input stream ¬ IE motor current IM. The motor current IM is set at full load operation to the maximum value Imax, so that the desired torque is generated by the electric motor.
In der FIG 4 ist der zeitliche Verlauf der durch die Schalt¬ vorgänge der Halbleiterschalter 20 in den Leitungen 10a und 10b erzeugten Ripplespannung R dargestellt. Die Ripplespan- nung R steigt im Zeitabschnitt ti bis zu einem oberen In FIG 4, the time course of the ripple voltage generated in the wires 10a and 10b by the switching operations of the semiconductor switches ¬ R 20 is illustrated. The rippling voltage R increases in the time interval ti up to an upper one
Amplitudenschwellwert Ai an. Amplitude threshold Ai on.
Die FIG 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Schaltfrequenz f, das bedeutet die Taktfrequenz der PWM-Ansteuerung der Halb- leiterschalter 20. Wie in der FIG 5 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, erfolgt im Betrieb der Maschine 2 eine schritt- oder stufenweise Einstellung oder Umstellung der Schaltfrequenz f. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Schaltfrequenz f zwischen drei diskreten ( Schalt- ) Frequenz- werten fi, f2 und f3 dynamisch umgeschaltet. 5 shows the time profile of the switching frequency f, which means the clock frequency of the PWM control of the semiconductor switch 20. As is comparatively clear in FIG. 5, during operation of the machine 2, a stepwise or stepwise adjustment or changeover of the machine 2 takes place Switching frequency f. In this embodiment, the switching frequency f between discrete three (switching) frequency values is fi, f 2, and dynamically switched f3.
In der FIG 6 ist eine Betriebstemperatur TB beziehungsweise eine Sperrschichttemperatur Tss der Halbleiterschalter 20 dargestellt. Die Temperatur TB beziehungsweise Tss wird im Be- trieb von dem Controller 18 in einem regelmäßigen Zeitraster rechnerisch bestimmt. Hierzu ist ein thermisches Modell der Halbleiterschalter 20 in einem Speicher des Controllers 18 hinterlegt. Das thermische Modell berechnet hierbei die Tem¬ peraturzunahme der Halbleiterschalter 20 unter Berücksichti- gung der Schaltverluste, wobei die Schaltverluste im Wesent¬ lichen direkt proportional zu der Schaltfrequenz f sind. In dem Zeitabschnitt ti wird der Elektromotor 6 in einem Normalbetrieb betrieben. Das gewünschte Soll-Drehmoment D nimmt stetig zu, sodass durch den Controller eine entsprechende Zu¬ nahme des erzeugten Motorstroms IM geregelt wird. Hierbei werden die Halbleiterschalter 20 mit einem ersten Schaltfrequenzwert fi pulsweitenmoduliert angesteuert. Durch die Zu¬ nahme des Motorstroms IM nimmt bei gleichbleibender Frequenz fi die Ripplespannung R zu. Des Weiteren werden mit zunehmendem Motorstrom IM die Schalt- und Leitverluste der Brücken- Schaltung 14 erhöht. Die dadurch erzeugte Wärmeentwicklung führt zu einer Zunahme der (virtuellen) Betriebstemperatur TB der Halbleiterschalter 20. FIG. 6 shows an operating temperature TB or a junction temperature Tss of the semiconductor switch 20. The temperature TB or Tss is computationally determined by the controller 18 during operation in a regular time grid. For this purpose, a thermal model of the semiconductor switch 20 is stored in a memory of the controller 18. The thermal model calculates the case Tem ¬ peraturzunahme the semiconductor switch 20, taking into account of the switching losses, the switching losses in the Wesent ¬ union directly proportional to the switching frequency f. In the period ti, the electric motor 6 is operated in a normal mode. The desired target torque D is constantly increasing, so that by the controller corresponding to a ¬ acquisition of the motor current IM generated is controlled. Here, the semiconductor switches 20 are controlled pulse width modulated with a first switching frequency value fi. By For ¬ acquisition of the motor current IM, the ripple R increases at constant frequency fi. Furthermore, the switching and conduction losses of the bridge circuit 14 are increased with increasing motor current IM. The heat generated thereby leads to an increase of the (virtual) operating temperature T B of the semiconductor switches 20.
Zu dem Beginn des Zeitabschnitts t2 erreicht der Motorstrom IM einen ersten Stromschwellwert Ii. Bei der Schaltfrequenz fi würde die Ripplespannung R bei einem Überschreiten des Stromschwellwert Ii durch den Motorstrom IM den vorgegeben At the beginning of the time interval t2, the motor current IM reaches a first current threshold value Ii. At the switching frequency fi, the ripple voltage R would be preset by the motor current I M when the current threshold value Ii is exceeded
Amplitudenschwellwert Ai überschreiten. Zum Schutz der elektrischen Maschine 2 wird zur Vermeidung einer derartigen Überschreitung die Schaltfrequenz f von dem Schaltfrequenz- wert fi auf den hierzu erhöhten Schaltfrequenzwert f2 umge¬ schaltet. Das bedeutet, die Schaltfrequenz f wird dem Motor¬ strom IM nachgeführt. Dadurch wird die erzeugte Ripplespan¬ nung auf einen unteren Amplitudenschwellwert A2 reduziert. Der Motorstrom IM wird weiter erhöht, wobei durch die Erhö- hung des Motorstroms IM sowie der Schaltfrequenz f eine wei¬ tere Zunahme der Betriebstemperatur TB bewirkt beziehungs¬ weise erwartet wird. Exceed amplitude threshold Ai. To protect the electrical machine 2 to avoid such is exceeded, the switching frequency is f f 2 ¬ switched by the switching frequency value fi of the this increased switching frequency value. This means that the switching frequency f is tracked to the motor ¬ current IM. Thereby, the generated Ripplespan ¬ voltage is reduced to a lower amplitude threshold A2. The motor current IM is further increased, which caused by the hung Erhö- of motor current and the switching frequency f a white ¬ tere increase in operating temperature TB relationship ¬ as is expected.
Im Zeitabschnitt t3 überschreitet der Motorstrom IM einen zweiten Stromschwellwert I2. Der Stromschwellwert I2 ist der¬ art dimensioniert, dass die Ripplespannung R bei der Schalt¬ frequenz f2 den Amplitudenschwellwert Ai erreichen würde. In diesem Falle wird die Schaltfrequenz f auf den nächst höheren Schaltfrequenzwert f3 nachgeführt, sodass die Ripplespannung R erneut auf den Amplitudenschwellwert A2 reduziert wird. In the time interval t3, the motor current IM exceeds a second current threshold value I2. The current threshold I2 is the ¬ art dimensioned such that the ripple R in the switching frequency f ¬ 2 would reach the amplitude threshold Ai. In this case, the switching frequency f becomes the next higher one Switching frequency f3 tracked so that the ripple voltage R is again reduced to the amplitude threshold A2.
Durch die Zunahme des Motorstroms IM und der Schaltfrequenz f wird die Betriebstemperatur B der Halbleiterschalter 20 wei- ter erhöht. Due to the increase of the motor current IM and the switching frequency f, the operating temperature B of the semiconductor switch 20 is further increased.
Im Zeitabschnitt t3 wird der Motorstrom IM von dem Strom¬ schwellwert I2 auf den Maximalwert Imax, für die Erzeugung des im Volllastbetrieb notwendigen Soll-Drehmoments D, einge- stellt. Bei dem Maximalwert Imax des Motorstroms IM und dem Schaltfrequenzwert f3 der Schaltfrequenz f ist die Ripple¬ spannung R auf einen Spannungswert kleiner als der Amplitu¬ denschwellwert Ai beschränkt. Dies bedeutet, dass die Ripple¬ spannung R den Amplitudenschwellwert Ai sowohl im Normalbe- trieb als auch während eines Volllastbetriebs stets unter¬ schreitet beziehungsweise nicht überschreitet. In the period t3, the motor current IM be assisted by the current I2 ¬ threshold to the maximum value Imax, for generating the necessary under full load target torque D represents. F at the maximum value Imax of the motor current IM and the switching frequency value f3 of the switching frequency ripple voltage ¬ R is set to a voltage value smaller than the Amplitu ¬ denschwellwert Ai limited. This means that the ripple voltage ¬ R drove the amplitude threshold Ai both Normalbe- and during a full load operation always falls short ¬ or not exceed.
In dem Zeitabschnitt t4 wird der Motorstrom IM auf dem Maxi¬ malwert Imax und die Schaltfrequenz f auf dem Schaltfrequenz- wert f3 gehalten, sodass die erzeugte Ripplespannung R eben¬ falls einen konstanten Verlauf aufweist. Über die Zeitab¬ schnitte t3 und t4 hinweg entsteht eine zunehmend größer wer¬ dende Wärmeentwicklung der Halbleiterschalter 20 aufgrund der erhöhten Schalt- und Leitverluste. Dadurch steigt auch der berechnete Temperaturverlauf der Betriebstemperatur TB bezie¬ hungsweise Sperrschichttemperatur Tss. Um eine Beschädigung oder Zerstörung der Halbleiterschalter 20 zu vermeiden, ist ein Temperaturschwellwert Tmax in dem Speicher des Controllers 18 hinterlegt. In the period t4, the motor current IM on the Maxi ¬ malwert Imax and the switching frequency f is maintained at the value Schaltfrequenz- f3, so that the ripple voltage generated just ¬ R optionally having a constant course. About the Zeitab ¬ cuts t3 and t4 across an increasingly larger ¬ Dende heat generation of the semiconductor switch 20 is created due to the increased switching and conduction losses. This also the calculated temperature variation in the operating temperature TB rises rela ¬ hung as junction temperature Tsk. In order to avoid damage or destruction of the semiconductor switches 20, a temperature threshold T ma x is stored in the memory of the controller 18.
Der Controller 18 vergleicht im Zeitraster der Temperaturwertbestimmung den berechneten Wert der Betriebstemperatur TB mit dem Temperaturschwellwert Tmax . Der Temperaturschwellwert Tmax ist beispielsweise anhand einer Kennlinie und/oder aus den Herstellungsdaten der Halbleiterschalter 20 bestimmt. The controller 18 compares the calculated value of the operating temperature T B with the temperature threshold value T ma x in the time interval of the temperature value determination. The temperature threshold Tmax is determined, for example, on the basis of a characteristic curve and / or from the production data of the semiconductor switches 20.
Am Ende des Zeitabschnitts t4 erreicht die Betriebstemperatur B den Temperaturschwellwert Tmax . Daraufhin reduziert derAt the end of the period t4, the operating temperature B reaches the temperature threshold T ma x. Then reduces the
Controller 18 während des folgenden Zeitabschnitts ts den Mo¬ torstrom IM von dem Maximalwert Imax auf den Stromschwellwert ±2. Dadurch wird die Ripplespannung R auf den Amplituden- schwellwert A2 reduziert. Erreicht oder unterschreitet der Motorstrom IM den Stromschwellwert I2, so wird die Schaltfre¬ quenz f während des Zeitabschnittes t6 von dem Schaltfre¬ quenzwert f3 auf den geringeren Schaltfrequenzwert f2 umge¬ schaltet . In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zu Beginn des Volllastbetriebs der Motorstrom IM kontinuierlich und die Schaltfrequenz f während der Zeitdauer τ stufenweise erhöht. Dadurch werden die Halbleiterschalter 20 im Zuge des Volllastbetriebs, insbesondere während der Zeitdauer τ, zumindest teilweise in Überlast betrieben. Die Erhöhung beziehungsweise das Umschalten zwischen den Schaltfrequenzwerten fi, f2 und f3 erfolgt hierbei unter Berücksichtigung beziehungsweise in Ab¬ hängigkeit des Motorstromes IM. Insbesondere wird die Schalt¬ frequenz f dem Motorstrom IM nachgeführt, das bedeutet, das Umschalten zwischen den Schaltfrequenzwerten fi, f2 und f3 erfolgt, wenn der Motorstrom IM die vorgegeben Stromschwell¬ werte Ii beziehungsweise I2 erreicht oder überschreitet. Controller 18 during the following period ts the Mo ¬ torstrom IM of the maximum value Imax on the current threshold ± 2. As a result, the ripple voltage R is reduced to the amplitude threshold value A2. Reaches or falls below the motor current IM to the current threshold I2, the Schaltfre acid sequence f is changed ¬ switched during the time period t6 from the Schaltfre ¬ quenzwert f3 to the lower switching frequency value f 2. In the described embodiment, at the beginning of the full-load operation, the motor current IM is continuously increased and the switching frequency f is increased stepwise during the time period τ. As a result, the semiconductor switches 20 in the course of full load operation, in particular during the period τ, at least partially operated in overload. The increase or the switching between the switching frequency values f i, f 2 and f 3 occurs in this case, taking into account or in Ab ¬ dependence of the motor current IM. In particular, the switching frequency is f ¬ tracked to the motor current IM, that is, switching between the switching frequency values f i, f 2 and f 3 occurs, when the motor current IM reaches the predetermined Stromschwell ¬ values Ii or I 2, or exceeds.
Mit anderen Worten sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2 bis 6 drei Motorstrombereiche Bi, B2 und B3 defi¬ niert. Die Motorstrombereiche Bi, B2 und B3 sind durch die Stromschwellwerte Ii und I2 voneinander unterschieden (ge¬ trennt) . Dadurch ist jedem dieser Motorstrombereiche Bi, B2 und E>3 eine entsprechende (Betriebs- ) Schaltfrequenz f zuge¬ ordnet. Der Motorstrombereich Bi entspricht dem Normalbe- triebszustand, in welchem die Halbleiterschalter 20 mit dem Schaltfrequenzwert fi durch die PWM-Ansteuerung betrieben werden. Die Motorstrombereiche B2 und B3 entsprechen demIn other words, three motor current areas Bi, B2 and B3 are defi ned ¬ in the embodiment according to Figures 2 to the 6th The motor current areas Bi, B2 and B3 are (separates ge ¬) through the current threshold values Ii and I2 distinguished from each other. As a result, each of these motor current ranges is Bi, B2 and E is a corresponding (operating) switching frequency ¬ assigns> 3 f supplied. The motor current range Bi corresponds to the normal operating state in which the semiconductor switches 20 having the switching frequency value fi are operated by the PWM drive. The motor current ranges B2 and B3 correspond to the
Hochlast- und Volllastbetriebszustand, in welchem die Halb¬ leiterschalter 20 zur Begrenzung oder Beschränkung der Ripplespannung R mit den Schaltfrequenzwerten f2 beziehungsweise f3 angesteuert werden. High load and full load operating state in which the semiconductor switch ¬ 20 are controlled to limit or limit the rippling voltage R with the switching frequency values f 2 and f3.
Das Nachführen oder Nachstellen der Schaltfrequenz f erfolgt während des Volllastbetriebs insbesondere derart, dass die Rippelspannung R stets auf einen Spannungsbereich zwischen den Amplitudenschwellwerten Ai und A2 beschränkt ist. Mit an- deren Worten sind die Stromschwellwerte Ii und I2 des Motor¬ stroms IM derart gewählt, dass die Ripplespannung R bei dem jeweiligen Schaltfrequenzwert fi, f2 oder f3 den Amplituden- schwellwert Ai stets unterschreitet oder nicht überschreitet. Der durch die Amplitudenschwellwerte Ai und A2 definierte Hysteresebereich H ist hierbei derart dimensioniert, dass die Kapazität des Zwischenkreiskondensators 12 ausreichend ist, um die Ripplespannung R zu glätten. Dies bedeutet, dass die Amplitude der Ripplespannung R durch den Zwischenkreiskonden- sator 12 im Wesentlichen vollständig reduziert wird. Tracking or readjustment of the switching frequency f takes place during full-load operation in particular such that the ripple voltage R is always limited to a voltage range between the amplitude threshold values Ai and A2. With different electrical words, the current threshold values Ii and I2 of the motor current IM ¬ are selected such that the ripple R in the respective switching frequency value fi, f 2 or f 3 the threshold amplitude Ai always falls below or does not exceed. The hysteresis range H defined by the amplitude threshold values Ai and A2 is in this case dimensioned such that the capacitance of the DC link capacitor 12 is sufficient to smooth the ripple voltage R. This means that the amplitude of the ripple voltage R is substantially completely reduced by the DC link capacitor 12.
Während des Volllastbetriebs wird der Motorstrom IM auf den Maximalwert Imax eingestellt. Im Zuge dessen wird die Schalt¬ frequenz f von dem Schaltfrequenzwert fi des Normalbetriebs auf den erhöhten Schaltfrequenzwert f3 des Volllastbetriebs nachgeführt. Durch den erhöhten Motorstrom IM sowie durch die nachgeführte höhere Schaltfrequenz f nehmen die Schaltverluste während der Zeitdauer τ der Halbleiterschalter 20 zu. Nach der Zeitdauer τ erreicht die (virtuelle) Betriebstempe¬ ratur B der Halbleiterschalter 20 den Temperaturschwellwert Tmax, wodurch in der Folge der Motorstrom IM auf den niedrige¬ ren Stromschwellwert I2 geregelt beziehungsweise limitiert wird. Erreicht oder unterschreitet der Motorstrom IM denDuring full load operation, the motor current IM is set to the maximum value Imax. In the course of the switching frequency f ¬ is tracked by the switching frequency value fi of normal operation to the increased switching frequency f3 value of full load operation. Due to the increased motor current IM and the tracked higher switching frequency f, the switching losses during the period τ of the semiconductor switch 20 to. After the period of time τ the (virtual) reaches operating temperature Tempe ¬ B of the semiconductor switch 20 the temperature threshold value Tmax, which is controlled in the series of motor current IM to the low ¬ ren current threshold I2 or limited. If the motor current IM reaches or falls below the
Stromschwellwert I2, so wird die Schaltfrequenz f nachgeführt und somit von dem Schaltfrequenzwert f3 auf den Schaltfre¬ quenzwert f. 2 reduziert. In der Folge werden die Schalt- und Leitverluste der Halb¬ leiterschalter 20 reduziert, wodurch der Wert der Betriebstemperatur TB abnimmt. Dadurch ist es möglich, den Motorstrom IM von dem Stromschwellwert I2 erneut auf den Maximalwert Imax einzustellen, wobei die Schaltfrequenz f von dem Schaltfre- quenzwert f2 auf den Schaltfrequenzwert f3 nachgestellt wird. Current threshold I2, the switching frequency f is tracked and thus from the switching frequency value f3 to the Schaltfre ¬ quenzwert f. 2 reduced. As a result, the switching and conduction losses of the semi ¬ conductor switches 20 are reduced, whereby the value of the operating temperature T B decreases. Thereby, it is possible to re-adjust the motor current IM from the current threshold I2 to the maximum value Imax, the switching frequency f is adjusted by the switching frequency value f 2 at the switching frequency value f3.
Somit ergibt sich ein quasistationärer Betriebszustand während des Volllastbetriebs, bei welchem der Motorstrom IM und somit die daran nachgeführte Schaltfrequenz f unter Berück- sichtigung der Betriebstemperatur TB erhöht beziehungsweise erniedrigt werden. Das Einschwingen beziehungsweise das Hin- und Herpendeln der Schaltfrequenz f, des Motorstroms IM und der Betriebstemperatur TB wird hierbei durch eine Auswahl geeigneter Hysteresen durch die Vorgabe der Schwellwerte Ii und I2 eingestellt beziehungsweise unterdrückt. This results in a quasi-stationary operating state during full-load operation, in which the motor current IM and thus the switching frequency f fed thereto are increased or decreased, taking into account the operating temperature TB. The settling or reciprocation of the switching frequency f, the motor current IM and the operating temperature T B is set or suppressed by selecting suitable hystereses by specifying the threshold values Ii and I2.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Aus¬ führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Va¬ rianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. The invention is not limited to the above described example from ¬ guide. Rather, other Va ¬ variants of the invention to those skilled in can be derived therefrom without departing from the scope of the invention. In particular, all the individual features described in connection with the exemplary embodiment are also applicable to others Way combined with each other, without departing from the subject invention.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters (8) einer elektrischen Maschine (2), mit einer Brückenschaltung (14) mit einer Anzahl von Halbleiterschaltern (20) und mit einem Zwischenkreiskondensator (12), 1. A method for operating a power converter (8) of an electrical machine (2), comprising a bridge circuit (14) having a number of semiconductor switches (20) and having an intermediate circuit capacitor (12),
- bei welchem während eines Normalbetriebs der Maschine (2) durch Umschalten der Halbleiterschalter (20) mit einer Schaltfrequenz (f) ein Eingangsstrom (IE) in einen Motor- ström (IM) für einen Elektromotor (6) gewandelt wird, und- Wherein during normal operation of the machine (2) by switching the semiconductor switch (20) with a switching frequency (f) an input current (I E ) in a Motorström (IM) for an electric motor (6) is converted, and
- bei welchem während eines Hochlastbetriebs der Maschine (2) der Motorstrom (IM) auf einen Maximalwert ( Imax ) eingestellt und die Schaltfrequenz (f) für das Umschalten der Halbleiterschalter (20) für eine Zeitdauer (τ) erhöht wird. - Wherein during a high load operation of the engine (2) the motor current (IM) is set to a maximum value (Imax) and the switching frequency (f) for switching the semiconductor switches (20) for a period of time (τ) is increased.
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz (f) in Abhängigkeit des durch die Brückenschaltung (14) erzeugten Motorstroms (IM) erhöht wird. characterized in that the switching frequency (f) is increased as a function of the motor current (IM) generated by the bridge circuit (14).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 3. The method according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer (τ) anhand einer Betriebstemperatur (TB) , insbesondere einer Sperrschichttemperatur (TSS) , des oder jedes Halbleiterschalters (20) be- stimmt wird. characterized in that the time duration (τ) is determined on the basis of an operating temperature (T B ), in particular a junction temperature (T SS ), of the or each semiconductor switch (20).
4. Verfahren nach Anspruch 3, 4. The method according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur (TB) an¬ hand eines hinterlegten thermischen Modells der Halbleiter- Schalter (20) bestimmt wird. characterized in that the operating temperature (TB) is determined on the basis ¬ hand of a stored thermal model of the semiconductor switch (20).
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, 5. The method according to claim 3 or 4,
dadurch gekennzeichnet, - dass die Betriebstemperatur (TB) mit einem Temperaturschwellwert (Tmax) verglichen wird, und characterized, - That the operating temperature (T B ) is compared with a temperature threshold (Tmax), and
- dass der Motorstrom (IM) reduziert und/oder limitiert wird, wenn die Betriebstemperatur (TB) den Temperaturschwellwert (Tmax) erreicht oder überschreitet.  - that the motor current (IM) is reduced and / or limited when the operating temperature (TB) reaches or exceeds the temperature threshold (Tmax).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. The method according to any one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz (f) während des Hochlastbetriebs stufenweise eingestellt wird. characterized in that the switching frequency (f) is set in steps during the high load operation.
7. Verfahren nach Anspruch 6, 7. The method according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
- dass die Schaltfrequenz (f) während des Hochlastbetriebs stufenweise erhöht wird, wenn der Motorstrom (IM) den vor¬ gegebenen Maximalwert (Imax) unterschreitet oder nicht über¬ schreitet und die Betriebstemperatur (TB) den Temperaturschwellwert (Tmax) unterschreitet oder nicht überschreitet, und/oder - That the switching frequency (f) during the high load operation is gradually increased when the motor current (IM) falls below the pre ¬ given maximum value (Imax) or does not exceed ¬ and the operating temperature (T B ) the temperature threshold (Tmax) below or does not exceed , and or
- dass die Schaltfrequenz (f) während des Hochlastbetriebs stufenweise reduziert wird, wenn der Motorstrom (IM) einen gegenüber dem Maximalwert (Imax) reduzierten Stromschwell¬ wert (I2) erreicht oder unterschreitet. - That the switching frequency (f) during the high load operation is gradually reduced when the motor current (IM) reaches or falls below the maximum value (Imax) reduced Stromschwell ¬ value (I 2 ).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 8. The method according to any one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einstellung der characterized in that by adjusting the
Schaltfrequenz (f) ein vorgegebener Amplitudenschwellwert (Ai) für die infolge einer PWM-Ansteuerung der Halbleiterschalter (20) entstehende Rippelspannung (R) von dieser unterschritten oder nicht überschritten wird. Switching frequency (f) a predetermined amplitude threshold (Ai) for the result of a PWM control of the semiconductor switch (20) resulting ripple voltage (R) of this falls below or not exceeded.
9. Stromrichter (8) für eine elektrische Maschine (2) mit einem Elektromotor (6), insbesondere für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, mit einer Brückenschaltung (14) mit einer Anzahl von Halbleiterschaltern (20) und mit einem Zwi- schenkreiskondensator (12) sowie mit einem signaltechnisch an die Brückenschaltung (14) angebundenen Controller (18) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8. 9. power converter (8) for an electrical machine (2) with an electric motor (6), in particular for an electrically operated motor vehicle, with a bridge circuit (14) with a number of semiconductor switches (20) and with an intermediate circuit capacitor (12) and with a signal-wise connected to the bridge circuit (14) controller (18) for performing a method according to any one of claims 1 to 8.
10. Elektrische Maschine (2), insbesondere für ein 10. Electric machine (2), in particular for a
elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, mit einem zwischen ei¬ nem Energiespeicher (4) und einem Elektromotor (6) geschalte- ten Stromrichter (8) nach Anspruch 9. electrically operated motor vehicle, with a between ei ¬ nem energy store (4) and an electric motor (6) geschalte- th power converter (8) according to claim. 9
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