DE102007053673A1

DE102007053673A1 - Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102007053673A1
Application number: DE200710053673
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Bautz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-11-10
Filing date: 2007-11-10
Publication date: 2009-05-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine (1) eines Kraftfahrzeuges, mit einer Leistungselektronik (2) und ein Verfahren dazu. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit hoher Lebensdauer und niedrigen Herstellungskosten darzustellen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Trennelement (3) vorgesehen ist, mit welchem der Gleichstrom-Hochvolt-Zwischenkreis (3, 4, 5, 6, 7, 8) von den die Versorgungsspannung der elektrischen Maschine (1) bildenden Leistungshalbleitern (10, 11, 12, 13, 14, 15) der Leistungselektronik (2) abkoppelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Hybridantrieben mit als permanenterregte Synchronmaschinen ausgeführten elektrischen Maschinen, wird üblicherweise im Fehlerfall in der Leistungselektronik die obere oder untere Leistungshalbleiterreihe geschlossen, um bei einer drehenden elektrischen Maschine eine zu hohe Gleichstrom-Spannung im Zwischenkreis zu verhindern. Dabei wird jedoch die elektrische Maschine im Innern, als auch die Leistungselektronik sehr heiß. Dies reduziert die Lebensdauer von elektrischer Maschine und Leistungselektronik.
Als bekannte Abhilfemaßnahme wird der Magnetkreis der elektrischen Maschine so ausgelegt, dass auch bei mit maximal hoher Drehzahl drehender elektrischer Maschine die maximal zulässige Hochvolt-Gleichstrom-Zwischenkreis-Spannung nicht überschritten wird. Diese Abhilfemaßnahme hat jedoch den unerwünschten Nebeneffekt, dass die Leistungselektronik mehr Strom führen muss und damit größer und teurer wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit hoher Lebensdauer und niedrigen Herstellungskosten darzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen den Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Trennelement vorgesehen, mit welchem der Gleichstrom-Hochvolt-Zwischenkreis von den die Versorgungsspannung der elektrischen Maschine bildenden Leistungshalbleitern der Leistungselektronik abkoppelbar ist. Ist das Trennelement aktiviert, so ist der Gleichstrom-Hochvolt-Zwischenkreis von dem Wechselstromkreis der elektrischen Maschine entkoppelt. In diesem Zustand ist es nicht mehr möglich, dass eine von der elektrischen Maschine erzeugte Spannung zu einer unzulässig hohen Spannung im Hochvolt-Gleichstrom-Zwischenkreis führt. Dies schützt die Hochvolt-Batterie und die Hochvolt-Verbraucher vor Überspannung.
Dabei wird in den Hochvolt-Gleichstrom-Zwischenkreis ein Trennelement (ausgeführt als Leistungsschütz, oder zwei antiparallel geschaltete Thyristoren oder dergleichen) geschaltet, um den Hochvolt-Gleichstrom-Zwischenkreis abzukoppeln. Damit kann auch bei abgeschalteten Leistungshalbleitern keine unzulässig hohe Spannung an den vorgeschalteten Elementen (z. B. an der Hochvolt-Batterie oder an einem Hochvolt-Verbraucher) im Hochvolt-Gleichstrom-Zwischenkreis anliegen. Dies hat den Vorteil, dass die elektrische Maschine und die Leistungselektronik nicht thermisch belastet werden und somit nicht schneller altern. Außerdem ist es nicht nötig, die elektrische Maschine und die Leistungselektronik auf unerwünschte hohe Ströme auszulegen, sondern es genügt eine Auslegung auf einen geeignet festlegbaren niedrigeren Betriebsstrom. Damit können die elektrische Maschine und die Leistungselektronik kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung ist auch deshalb vorteilhaft, weil bei einem Fehler im Leistungsteil der Leistungselektronik die Leistungshalbleiter häufiger in offenem Zustand ausfallen, als im Kurzschlusszustand. Auch wenn Mehrfachfehler (z. B. zwei als "offen" ausgefallene Leistungshalbleiter) auftreten, ist die erfindungsgemäße Lösung geeignet.
In einer Ausführungsform ist das Trennelement nach Maßgabe einer Fehlererkennung einer Steuereinheit schaltbar.
In einer Ausführungsform ist das Trennelement als Leistungsschütz ausgeführt.
In einer Ausführungsform ist das Trennelement als zwei antiparallel geschaltete Thyristoren ausgeführt.
In einer Ausführungsform ist das Trennelement in die Leistungselektronik integriert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeuges sieht vor, dass ein Trennelement aktiviert wird, wenn eine Steuereinrichtung einen Fehler in einer Leistungselektronik erkennt.
Erfindungsgemäß erfolgt die Anwendung der Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine als eine Hybridantriebseinheit eines Kraftfahrzeugs.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und anhand der Zeichnung.
Dabei zeigt die Fig. eine erfindungsgemäß mit einem Trennelement versehene Leistungselektronik mit einer ihr zugeordneten elektrischen Maschine.
Die Fig. zeigt eine elektrische Maschine 1 die über drei Versorgungsleitungen mit einer Leistungselektronik 2 verbunden ist. Die elektrische Maschine 1 ist als permanenterregte Drei-Phasen-Synchronmaschine ausgeführt. Die elektrische Maschine 1 ist typischerweise Teil eines Hybridantriebes eines Kraftfahrzeuges.
In einer Ausführungsform des Hybridantriebes ist die elektrische Maschine eine Antriebseinheit des Hybridantriebes.
In einer Ausgestaltung ist eine weitere Antriebseinheit des Hybridantriebes als Verbrennungsmotor ausgebildet.
Die Leistungselektronik 2 weist zwei Anschlüsse 9 und 7 auf. Über diese Anschlüsse 9 und 7 ist die Leistungselektronik 2 mit einer Hochvolt-Batterie 4 verbindbar. In der Fig. ist die Hochvolt-Batterie 4 über die Anschlüsse 9 und 7 mit der Leistungselektronik 2 verbunden und versorgt diese mit einer Hochvolt-Gleichstrom-Zwischenkreis-Spannung 16.
Zwischen der Hochvolt-Batterie 4 und der Leistungselektronik 2 sind Hochvoltkomponenten vorsehbar. In der dargestellten Ausführungsform sind zwischen der Hochvolt-Batterie 4 und dem Anschluss 7 sind zwei Hochvoltkomponenten 5 und 6 angeordnet.
Die Leistungselektronik 1 weist einen Kondensator 8 auf. Der Kondensator 8 und die über die Anschlüsse 9 und 7 und die Hochvoltkomponenten 5 und 6 mit ihm verbundene Hochvolt-Batterie bilden einen Hochvolt-Gleichstrom-Zwischenkreis. Dabei liegt zwischen den Anschlussstellen 7 und 9 die Hochvolt-Gleichstrom-Zwischenkreis-Spannung 16 an.
Die Leistungselektronik 1 weist drei Paare aus in Reihe geschalteten Leistungshalbleitern 10, 13; 11, 14 und 12, 15 auf, wobei die Leistungshalbleiterpaare 10, 13; 11, 14 und 12, jeweils parallel zueinander und parallel zu dem Kondensator 8 angeordnet sind. Jeweils ein oberer Leistungshalbleiter 10, 11, 12, und ein unterer Leistungshalbleiter 13, 14 und 15 bilden die Versorgungsspannung für eine der drei Stromphasen der elektrischen Maschine 1. Dabei bilden die Leistungshalbleiter 10 und 13 die Versorgungsspannung für die erste Phase, die Leistungshalbleiter 11 und 14 die Versorgungsspannung für die zweite Phase und die Leistungshalbleiter 12 und 15 die Versorgungsspannung für die dritte Phase.
In der dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist zwischen dem Kondensator 8 und dem Anschluss 7 ein Trennelement 3 angeordnet. Das Trennelement 3 ist beispielsweise als Leistungsschütz, als zwei antiparallel geschaltete Thyristoren oder Vergleichbares ausführbar. Das Trennelement 3 ist von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung ansteuerbar. Beispielsweise ist diese Steuereinrichtung eine Steuereinheit zur Ansteuerung und Überwachung der Leistungselektronik 2 und/oder der elektrischen Maschine 1 oder zur Ansteuerung eines Hybridantriebes eines Kraftfahrzeugs. Erkennt die Steuereinrichtung einen Fehler im Leistungsteil der Leistungselektronik 2 (z. B. ein oder mehrere Leistungshalbleiter der Leistungselektronik 2 defekt), so wird das Trennelement 3 von der Steuereinrichtung aktiviert.
In der dargestellten Ausführungsform ist das Trennelement 3 ist in die Leistungselektronik 2 integriert. Das hat den Vorteil, dass die Aktivierung des Trennelements 3 über die Steuerleitung erfolgen kann, mit der die Steuereinrichtung die Leistungselektronik 2 steuert.
Wird das Trennelement 3 von der Steuereinrichtung aktiviert, so unterbricht es den Hochvoltstromkreis. Dadurch koppelt das Trennelement 3 den Hochvolt-Gleichstrom-Zwischenkreis von den die Versorgungsspannung der elektrischen Maschine 1 bildenden Leistungshalbleitern 10, 11, 12, 13, 14, 15 der Leistungselektronik 2 ab. Dadurch wird verhindert dass das Drehen der elektrische Maschine 1 eine zu hohe Spannung in den Hochvolt-Gleichstrom-Zwischenkreis einspeist. Damit werden die HV-Batterie 4 und die HV-Verbraucher 5, 6 vor zu hohen Spannungen aus dem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 1 geschützt.

Claims

Vorrichtung zum Betreiben elektrischen Maschine (1) eines Kraftfahrzeuges, mit einer Leistungselektronik (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein Trennelement (3) vorgesehen ist, mit welchem der Gleichstrom-Hochvolt-Zwischenkreis (3, 4, 5, 6, 7, 8) von den die Versorgungsspannung der elektrischen Maschine (1) bildenden Leistungshalbleitern (10, 11, 12, 13, 14, 15) der Leistungselektronik (2) abkoppelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (3) nach Maßgabe einer Fehlererkennung einer Steuereinheit schaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (3) als Leistungsschütz ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (3) als zwei antiparallel geschaltete Thyristoren ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (3) in die Leistungselektronik (2) integriert ist.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (1) eines Kraftfahrzeuges nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trennelement (3) aktiviert wird, wenn eine Steuereinrichtung einen Fehler in einer Leistungselektronik (2) erkennt.
Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zum Betreiben einer elektrischen Maschine (1) als eine Hybridantriebseinheit eines Kraftfahrzeugs.