CN115552787A - 一种用于变流器的控制装置、一种电驱动系统以及一种用于设定安全的运行状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及设定与转速相关的安全的运行状态。为此设置有两个冗余的操控路径，所述操控路径分别能够与转速相关地将主动的短路或者将空转设定为安全的运行状态。以这种方式，即使在操控路径失效时也可以进一步完全地设定与转速相关的安全的运行状态。

Description

一种用于变流器的控制装置、一种电驱动系统以及一种用于 设定安全的运行状态的方法

技术领域

本发明涉及一种用于变流器的控制装置、一种电驱动系统以及一种用于设定电驱动系统中的安全的运行状态的方法。

背景技术

电驱动系统变得越来越重要。电驱动系统尤其存在于完全或至少部分电驱动的车辆中。在此，出于安全原因需要的是，在故障情况下、尤其在这种驱动系统中的变流器的操控中出现故障时，设定安全的运行状态。作为这种安全的运行状态例如已知主动短路或所谓的空转。在主动短路的情况下，借助于变流器中的开关元件使电机的相端子电短路。相反在空转中，变流器的所有开关元件可以打开，使得电机的相端子不彼此电连接。

文献DE 10 2011 081 173 A1描述了一种用于逆变器的运行状态电路以及一种用于设定逆变器中的运行状态的方法。在此尤其提出，作为安全的运行状态，当电机的转速小于预先确定的转速阈值时，在逆变器中切换空转，并且当电机的所求取的转速大于或等于预先确定的阈值转速时，将逆变器切换到主动短路中。

发明内容

本发明公开了一种具有独立权利要求的特征的用于电驱动系统中的变流器的控制装置、一种电驱动系统以及一种用于设定电驱动系统中的安全的运行状态的方法。其他有利的实施方式是从属权利要求的主题。

因此规定：一种用于电驱动系统中的变流器的控制装置，具有第一操控路径和第二操控路径。第一操控路径和第二操控路径在此分别设计用于，在电驱动系统的变流器中设定安全的运行状态。第一操控路径包括第一安全机构。第一安全机构设计用于求取电驱动系统的电机的转速。此外，第一安全机构设计用于，在使用电机的所求取的转速的情况下，在变流器中设定主动短路或者空转。第二操控路径包括第二安全机构。第二安全机构设计用于求取电驱动系统中的电机的转速。此外，第二安全机构设计用于，在使用电机的通过第二安全机构求取的转速的情况下，在变流器中设定主动短路或者空转。

还规定：一种电驱动系统，所述电驱动系统具有电机、变流器以及根据本发明的用于变流器的控制装置，所述变流器设计用于操控所述电机。

最后规定：一种在电驱动系统中设定安全的运行状态的方法。所述方法包括：第一次求取电驱动系统的电机的转速，以及借助于第一操控路径第一次设定在电机中的安全的运行状态。在此，在使用所求取的转速的情况下设定安全的运行状态。在此，根据所求取的转速在电驱动系统的变流器中设定主动短路或者空转。此外，所述方法包括第二求取电驱动系统的电机的转速和第二设定在电机中的安全的运行状态。转速的第二次求取和安全的运行状态的第二次设定在此借助于第二操控路径进行。类似于安全的运行状态的第一次设定，也在使用所求取的转速的情况下第二次设定安全的运行状态，其中，在电驱动系统的变流器中设定主动短路或者空转。

本发明的优点，本发明基于如下认知，根据电机的转速在电驱动系统中不同的安全的运行状态是有利的。因此，与转速相关地选择相应合适的安全的运行状态可能是有利的。本发明的另一认知在于，在常规系统的故障情况下必要时可能不存在关于电机的转速的足够的信息，或者转速信息的评估不能以合适的方式进行。

因此，本发明的构思是，考虑到该认知并且进一步改善电驱动系统的安全性和可靠性、尤其是用于设定与转速相关的安全的运行状态。为此规定，借助于两个单独的操控路径实现安全的运行状态的与转速相关的设定。两个操控路径在此形成两个冗余的操控路径，用于与转速相关地设定安全的运行状态。以这种方式，如果在两个操控路径中的一个操控路径中出现故障，则也可以可靠地设定相应合适的安全的运行状态。

通过冗余地实现与转速相关的安全的运行状态，当在两个操控路径中的一个操控路径中出现故障情况时，也可以设定相应合适的安全的运行状态。以这种方式例如可以确保，在电驱动系统中必要时避免危险的电压过高。也可以通过适当地选择相应的安全的运行状态来避免不期望的高电流的出现。此外，通过冗余地实施与转速相关的安全的运行状态也可以防止，设定如下运行状态，所述运行状态必要时会产生不期望的高的减速力矩。

因此，安全的运行状态的冗余的与速度相关的选择和设定导致提高的安全性。此外，可以避免电压峰值或电流峰值，其会导致所涉及的部件的破坏或至少过早老化。

根据一个实施方式，第一安全机构和/或第二安全机构设计用于，如果电机的所求取的转速超过第一阈值，则在变流器中设定主动短路。附加地或替选地，如果电机的所求取的转速低于第二阈值，则相应的安全机构可以设定空转。

特别地，第二阈值可以大于第一阈值。以这种方式，可以实现空转和主动短路的转换之间的迟滞。主动短路可导致电机的主动制动力矩。这种制动力矩尤其在转速低的情况下可能导致强烈的减速，这例如在电动车辆中可能导致牵引的损失并且因此导致危险的行驶情况。另一方面，在空转中的转速较高时可能出现不期望的高电压峰值，所述高电压峰值可能导致在驱动系统内、尤其在电压转换器内的危险状态。

根据一个实施方式，控制装置设计用于，操控具有多个半桥的变流器。通常，在变流器中为电机的每个相设置具有上开关元件和下开关元件的半桥。在此，第一安全机构以及第二安全机构可以设计用于，为了设定空转，在使用对应相中的相电流的情况下操控各个半桥中的开关元件。这种方式可以确保，在过渡到空转时，即使在缺少与电能量源、例如电动车辆中的牵引电池的连接的情况下，也不会在变流器的中间电路电容器中出现短暂的过电压。例如，可以检测和监控各个相中的相电流。因此，可以在相应的相电流的过零点时或在过零点附近操控各个开关元件，其中，用于设定空转的操控尤其包括打开相应的半桥中的开关元件。

根据一个实施方式，第一安全机构和/或第二安全机构设计用于，为了设定主动短路，在使用对应相中的相电压的情况下操控各个半桥中的开关元件。例如，相应的开关元件可以接通至如下相位角，在该相位角下，即使在稳态运行中也会通过相应的开关元件接收电流。由此可以避免相电流的过强的超高以及相应的开关的相应强的负载。特别地，为了求取用于操控相应的开关元件的合适的时间点，可以考虑相应的相的所检测的电压时间面积。因此例如当相应的相的电压时间面积达到其最大值的一半时，开关元件可以在半桥中切换。必要时也可以更早地切换，因为这由于负的电流方向而没有影响。

根据一个实施方式，第一安全机构设计用于，在使用由第二安全机构求取的转速的情况下验证电机的所求取的转速。因此，借助于第一安全机构和第二安全机构冗余地检测电机的转速能够在运行期间实现各个部件的功能检查。特别地，例如可以通过比较在安全机构中所求取的转速来实现转速求取的故障。当然，第二安全机构也可以在使用通过第一安全机构所求取的转速的情况下验证所求取的转速。

根据一个实施方式，第一操控路径设计用于，由电驱动系统的低压侧馈电。第二操控路径可以设计用于，由电驱动系统的高压侧馈电。以这种方式可以实现两个操控路径的高度独立性。例如，即使在低压侧上的供给电压失灵并且因此第一操控路径完全失灵的情况下，也可以借助于第二操控路径来设定安全的运行状态、尤其是与转速相关的安全的运行状态。

根据一个实施方式，第二安全机构设计用于，如果变流器的中间电路电压低于预先给定的第一阈值电压，则将空转设定为安全的运行状态。尤其是当基于所求取的转速应该选择主动短路时，也可以选择空转作为安全的运行状态。以这种方式，可以通过短暂地设定空转来提高中间电路电压并且因此确保第二操控路径的能量供给。

根据一个实施方式，第二安全机构设计用于，如果变流器的中间电路电压超过预先给定的第二阈值电压并且所求取的转速大于第一阈值，则将主动短路设定为安全的运行状态。由此可以避免中间电路电容器上的危险的电压过高。第二阈值电压尤其可以这样设定，使得中间电路电压始终小于能与中间电路电容器连接的能量源、例如电动车辆的牵引电池的电压。

根据一个实施方式，第二安全机构设计用于，在使用通过变流器中的开关元件的通流电压的情况下求取电机在主动短路期间的转速。特别地，在此可以考虑设定主动短路的开关元件的通流电压，即在主动短路期间关闭的开关元件。因此，可以在高压侧在没有附加部件的情况下求取电机的转速。

根据一个实施方式，第二安全机构设计用于，在使用电机的至少两个相电压的情况下求取电机在空转期间的转速。尤其可以关于预先给定的参考电势评估至少两个相电压。因此，也可以在空转期间在高压侧在没有附加部件的情况下求取电机的转速。

只要有意义，上述设计方案和改进方案可以任意地相互组合。本发明的其他设计方案、改进方案和实施方案也包括本发明的之前或下面关于实施例描述的特征的未明确提及的组合。特别地，本领域技术人员也将添加各个方面作为对本发明的相应基本形式的改进或补充。

附图说明

本发明的其他特征和优点将在下文中根据附图进行阐述。

图1示出了根据一个实施方式的电驱动系统的框图的示意图；

图2示出了在主动短路期间制动力矩关于转速的变化曲线的示意图；

图3示出了根据一个实施方式的用于控制机构的安全机构的框图的示意图；和

图4示出了流程图，如根据一个实施方式的用于设定安全的运行状态的方法所基于的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据一个实施方式的电驱动系统的框图的示意图。电驱动系统例如可以是完全或至少部分电驱动的车辆的电驱动系统。电驱动系统可以由电蓄能器1，例如电动车辆的牵引电池馈电。由电蓄能器1提供的能量可以必要时通过电池分离开关1a在变流器装置2的输入端子处提供。变流器装置2例如可以包括具有多个开关元件的逆变器30。在逆变器30的输入端子上例如可以设置中间电路电容器31。变流器装置2的输出端子尤其在逆变器30的输出端子上可以连接电机3。在此示出的具有三相电机3的装置在此仅用作用于更好地理解的示例。当然，具有任意其他数量的电相的电机3也是可能的。

逆变器30例如可以针对电机3的每个相包括具有上开关元件H1、H2、H3和下开关元件L1、L2、L3的半桥。在电驱动系统的正常操作运行期间，逆变器30、尤其是逆变器30中的开关元件可以借助于控制机构在第一操控路径10中的操控信号来操控。为此，在控制机构中例如可以接收驱动系统的运行参量的额定值预先给定和必要时也接收传感器信号。基于这些额定值预先给定S和传感器值，控制机构可以生成合适的操控信号，用于操控上开关元件H1、H2、H3和下开关元件L1、L2和L3。

在第一操控路径10中的控制机构例如可以是主计算机，该主计算机在电驱动系统的运行期间发送所需的运行参数并且生成用于操控逆变器30的合适的控制信号。在某些情况下，例如当在电驱动系统中探测到故障时，可能需要在电驱动系统中、特别是在逆变器30中设定所谓的安全的运行状态。该安全的运行状态例如可以是所谓的空转，其中逆变器30的所有开关元件H1、H2、H3以及L1、L2、L3打开。替选地，作为可靠的运行状态可以设定所谓的主动短路，在所述主动短路中，电机3的相端子借助于上开关元件H1、H2、H3或下开关元件L1、L2、L3彼此电连接。

如下面还将详细阐述的那样，可以根据电机3的当前转速来确定是否将空转或主动短路设定为安全的运行状态的选择。为此，可以在第一操控路径10中设置第一安全机构11，所述第一安全机构求取电机3的转速。所求取的转速可用于决定是否应将主动短路或者空转设定为安全的运行状态。例如可以确定用于转速的阈值，并且如果转速超过该阈值，则将主动短路设定为安全的运行状态。在该阈值以下，可以将空转设定为安全的运行状态。如果电机3的转速在应设定安全的运行状态期间变化，则可以为在主动短路和空转之间的转换设置迟滞。在这种情况下，可以设置第一阈值n1，在超过该第一阈值时从空转转换到主动短路。此外，可以设置第二阈值n2，在低于该第二阈值时从主动短路转换到空转。在此，用于第一阈值n1的转速可以小于用于第二阈值n2的转速。

图2示出了在主动短路期间电机3的制动力矩M根据转速n的变化曲线的示意图。如在此可见的那样，尤其是在转速低的情况下，主动短路可能引起强的制动力矩。这种强的制动力矩例如在电动车辆中可能导致车轮与路面之间的牵引损失。为了避免这种危险的行驶情况，仅在较高的转速下设定主动短路，而在较低的转速下将空转设定为安全的运行状态。如进一步在图2示出那样，在用于第一阈值n1的转速和用于第二阈值n2的转速之间可以设置上述迟滞。在此，在第一次设定安全的运行状态时，可以考虑第一阈值n1或第二阈值n2来决定是否应设定主动短路或者空转。此外，原则上任意其它方案也是可能的，例如转速在n1和n2之间的范围内。

为了第一次设定在空转或主动短路中的安全的运行状态以及也为了在主动短路与空转之间的转换，尤其可以考虑逆变器30中、尤其在开关元件H1、H2、H3、L1、L2、L3上的电压和电流。特别地，在此可以用于打开或关闭各个开关元件设置如下时间点，所述时间点以合适的方式避免电压和/或电流的过度升高。因此，例如可以有利的是，在电流过零点时或至少在过零点附近打开开关元件，以便避免电压峰值。

如果仅设置第一操控路径10用于操控逆变器30，那么也可以仅通过第一安全机构11来实现安全的运行状态的设定和尤其是在主动短路和空转之间的与转速相关的转换。此外，必要时可以设置附加的部件，所述附加的部件在第一操控路径10完全失效时设定固定地预先给定的安全的运行状态、例如主动短路。然而，在这种情况下，在第一操控路径10失效时，安全的运行状态的与转速相关的设定是不可能的。

因此，在根据图1的电驱动系统中设置具有第二安全机构21的第二操控路径20。该第二安全机构21也可以求取电机3的转速，并且在需要时、尤其在故障情况下，在变流器装置2中、尤其在逆变器30中设定与转速相关的安全的运行状态。在此，与转速相关地设定安全的运行状态的概念在很大程度上对应于之前所描述的用于根据电机3的当前转速设定空转或主动短路的方案。

第一操控路径10例如可以由低压电网馈电。这种低压电网例如是与能量源1分开或独立的电压供给装置。特别地，低压电网的电压水平可以低于具有给电驱动系统馈电的能量源1的高压电网的电压水平。

第二操控路径20例如可以由电驱动系统的高压侧馈电。以这种方式，也可以在电驱动系统的低压侧上的失效或干扰时借助于第二安全机构21在第二操控路径20中此外设定安全的运行状态。

图3示出了根据一个实施方式的安全机构20的框图的示意图。安全机构21例如可以检测电机3的相端子上的电压U_ph。第一评估机构22尤其可以在空转中评估这些相电压U_ph并且在使用相电压U_ph的情况下求取电机3的转速。此外，相电流I_ph可以在第二安全机构21上提供。例如，第二评估机构22可以检测相电流I_ph并且基于相电流I_ph求取电机3的转速。尤其可以基于在主动短路中的相电流I_ph来求取转速。由第一评估机构22和/或第二评估机构23求取的转速可以在处理机构25处提供。因此，处理机构25可以根据转速分别求取合适的安全的运行状态，并且在需要时相应地操控逆变器30中的开关元件H1、H2、H3、L1、L2、L3。

如果在电驱动系统中的安全的运行状态期间电能量源1通过打开电池分离开关1a与变流器装置2分离，则尤其在主动短路的情况下，在逆变器30的输入端处的中间电路电容器31可以随时间放电。因此存在如下危险：在中间电路电容器31放电过深的情况下，不再有足够的能量用于在第二操控路径20中为安全机构21供给。因此，安全机构21可以在第二操控路径20中监控中间电路电容器31的中间电路电压U_ZK。如果中间电路电容器31上的中间电路电压U_ZK下降到预先给定的阈值电压以下，则即使在高转速的情况下也能够短时间地转换到空转中。由此可以进一步给中间电路电容器31充电。然而，为了恰好在转速较高的情况下避免中间电路电容器31上的电压过度升高，可以在超过第二阈值电压的情况下又转换回到主动短路中。优选地，第二阈值电压在此应小于由电蓄能器1提供的电压。例如可以选择如下电压作为用于从主动短路转换到空转中的电压值，所述电压对应于在用于与转速相关的安全状态的转换点中在空转中的磁极转子电压。

为了还进一步提高电驱动系统的可靠性，在电驱动系统的正常运行期间，电机3的由第一安全机构11求取的转速和电机3的由第二安全机构21求取的转速可以相互比较。如果在此探测到两个求取的转速的显著的差，则这可以给出两个安全机构中的至少一个安全机构中的故障的指示。

图4示出了用于在电驱动系统中设定安全的运行状态的方法的流程图的示意图。所述方法原则上可以包括任意的步骤，如其之前已经结合电驱动系统描述的那样。相应地，电驱动系统、尤其是控制装置也可以包括任意合适的部件，如下面结合所述方法描述的那样。

该方法包括两个并行的步骤S1和S2。在此，步骤S1由第一操控路径10实施，并且步骤S2由第二操控路径20实施。如之前已经描述的那样，第一操控路径10可以由低压电网馈电，并且第二操控路径20可以由高压电网馈电。在步骤S1中，求取S11电机3的转速。随后，可以在步骤S12中设定电机的安全的运行状态。在此，安全的运行状态可以与转速相关地，即在使用所求取的转速的情况下设定。尤其可以根据所求取的转速在电驱动系统的变流器中设定主动短路或者空转。

类似地，步骤S2包括用于求取电机的转速的步骤S21和用于设定安全的运行状态的步骤S22。在此，也可以在使用在步骤S21中求取的转速的情况下设定安全的运行状态，其中，作为安全的运行状态，可以与转速相关地设定空转或主动短路。

总之，本发明涉及设定与转速相关的安全的运行状态。为此设置有两个冗余的操控路径，所述操控路径分别能够与转速相关地将主动的短路或者空转设定为安全的运行状态。以这种方式，即使在操控路径失效时也可以进一步完全地设定与转速相关的安全的运行状态。

Claims (12)

1.一种用于电驱动系统中的变流器（30）的控制装置，所述控制装置具有： 第一操控路径（10）和第二操控路径（20），所述第一操控路径和第二操控路径分别设计用于，在所述电驱动系统的变流器（30）中设定安全的运行状态，

其中，所述第一操控路径（10）包括第一安全机构（11），所述第一安全机构设计用于，求取所述电驱动系统的电机（3）的转速并且在使用电机（3）的所求取的转速的情况下在所述变流器（30）中设定主动短路或者空转；和 其中，所述第二操控路径（20）包括第二安全机构（21），所述第二安全机构设计用于，求取所述电驱动系统的电机（3）的转速并且在使用电机（3）的所求取的转速的情况下在所述变流器（30）中设定主动短路或者空转。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述第一安全机构（11）和/或所述第二安全机构（21）设计用于，如果所述电机（3）的所求取的转速超过第一阈值（n1），则在所述变流器（30）中设定主动短路，并且如果所述电机（3）的所求取的转速低于第二阈值（n2），则设定空转。

3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其中，所述控制装置设计用于，操控具有多个半桥的变流器（30），并且其中，所述第一安全机构（11）和/或所述第二安全机构（21）设计用于，为了设定空转，在使用对应相中的相电流的情况下操控各个半桥中的开关元件（L1、L2、L3、H1、H2、H3）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制装置，其中，所述控制装置设计用于，操控具有多个半桥的变流器（30），并且其中，所述第一安全机构（11）和/或所述第二安全机构（21）设计用于，为了设定主动短路，在使用对应相中的相电压的情况下操控各个半桥中的开关元件（L1、L2、L3、H1、H2、H3）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制装置，其中，所述第一安全机构（11）设计用于，在使用由所述第二安全机构（20）求取的转速的情况下验证所述电机（3）的所求取的转速。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的控制装置，其中，所述第一操控路径（10）设计用于，由所述电驱动系统的低压侧馈电，并且所述第二操控路径（20）设计用于，由所述电驱动系统的高压侧馈电。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的控制装置，其中，所述第二安全机构（21）设计用于，如果所述变流器（30）的中间电路电压低于预先给定的第一阈值电压，则将所述空转设定为安全的运行状态。

8.根据权利要求7所述的控制装置，其中，所述第二安全机构设计用于，如果所述变流器的中间电路电压超过预先给定的第二阈值电压并且所求取的转速大于所述第一阈值，则将所述主动短路设定为安全的运行状态。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的控制装置，其中，所述第二安全机构（21）设计用于，在主动短路期间在使用通过所述变流器（30）中的开关元件的通流电压的情况下求取所述电机（3）的转速。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的控制装置，其中，所述第二安全机构（21）设计用于，在所述电机（3）的至少两个相电压的情况下求取所述电机（3）在空转期间的转速。

11.一种电驱动系统，具有： 电机（3）； 变流器（30），所述变流器设计用于操控所述电机（3）；和 根据权利要求1至10中任一项所述的控制装置。

12.一种用于设定电驱动系统中的安全的运行状态的方法，所述方法具有以下步骤：求取（S11）所述电驱动系统的电机（3）的转速并且借助于第一操控路径（10）在所述电机（3）中设定（S12）安全的运行状态，其中，所述安全的运行状态的设定（S12）在使用所求取的转速的情况下在所述电驱动系统的变流器（30）中设定主动短路或者空转；和/或 求取（S21）所述电驱动系统的电机（3）的转速并且借助于第二操控路径（20）在所述电机（3）中设定（S22）安全的运行状态，其中，所述安全的运行状态的设定（S22）在使用所求取的转速的情况下在所述电驱动系统的变流器（30）中设定主动的短路或者空转。

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