DE102009055055A1

DE102009055055A1 - Verfahren zur Fehlererkennung bei einer durch einen Wechselrichter angesteuerten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug und Vorrichtung zur Überwachung eines Betriebs der elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102009055055A1
Application number: DE102009055055A
Authority: DE
Inventors: Martin 71696 Trunk; Alexander 70176 Becker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-06-22
Also published as: CN102712255A; EP2516198B1; WO2011085837A2; US9059655B2; CN102712255B; WO2011085837A3; EP2516198A2; US20130041554A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlererkennung bei einer durch einen Wechselrichter (2) angesteuerten elektrischen Maschine (1) in einem Kraftfahrzeug, bei dem die Phasenströme (IU, IV, IW) der elektrischen Maschine (1) ermittelt, insbesondere messtechnisch ermittelt, werden und ein Fehler erkannt wird, wenn zumindest einer der Phasenströme (IU, IV, IW) oder eine daraus abgeleitete Größe einen vorgegebenen oberen Schwellwert überschreitet, wobei der obere Schwellwert in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges, insbesondere der elektrischen Maschine (1) und/oder des Wechselrichters (2), festgelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlererkennung bei einer durch einen Wechselrichter angesteuerten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Betriebs einer durch einen Wechselrichter angesteuerten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen mit Wechselrichtern werden zum Beispiel in Hybridfahrzeugen eingesetzt, wo sie wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden. Im Motorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine ein zusätzliches Antriebsmoment, welches einen Verbrennungsmotor, zum Beispiel in einer Beschleunigungsphase unterstützt, im Generatorbetrieb erzeugt sie elektrische Energie, die in einem Energiespeicher, wie zum Beispiel einer Batterie oder einem Super-Cab gespeichert wird. Betriebsart und Leistung der elektrischen Maschine werden mittels des Wechselrichters eingestellt.
Da bei Hybridkraftfahrzeugen verhältnismäßig hohe Ströme und Spannungen bereitgestellt werden müssen, um die elektrische Maschine motorisch zum Antreiben des Kraftfahrzeugs verwenden zu können, werden zum Schutz des elektrischen Netzwerks und der an dem elektrischen Netzwerk angeschlossenen Komponenten Betriebsparameter, wie z. B. die Phasenströme der elektrischen Maschine, ständig überwacht.
Bei Erkennung einer Fehlfunktion, wie z. B. eines Phasenüberstromes, wird der Pulswechselrichter in einen sicheren Zustand geschaltet, um eine mögliche Schädigung elektrischer Komponenten zu verhindern. Aus dem Stand der Technik sind im Wesentlichen zwei verschiedene Abschaltverfahren bekannt. Bei einem ersten Verfahren werden sämtliche mit einem niedrigen Potential verbundenen Schalter (Low-Side-Schalter) des Pulswechselrichters geschlossen und alle mit einem hohen Potential verbundenen Schalter (High-Side-Schalter) des Pulswechselrichters geöffnet. Diese Betriebsart wird auch als Kurzschluss-Modus bezeichnet. Bei einem anderen Abschaltverfahren werden sämtliche Schalter des Pulswechselrichters geöffnet. Dies wird auch als Freischalt-Modus bezeichnet.
Ein aus der DE 10 2006 003 254 A1 bekanntes Verfahren zum Abschalten einer elektrischen Maschine mit Pulswechselrichter im Falle einer Störung sieht vor, unerwünschte Nebeneffekte beim Abschalten der elektrischen Maschine dadurch zu minimieren und den regulären Maschinenbetrieb zu maximieren, dass die elektrische Maschine zunächst in einen Freischalt-Betrieb, in dem sämtliche Schalter des Pulswechselrichters geöffnet sind, und nachfolgend in einen Kurzschluss-Modus geschaltet wird, in dem die mit dem hohen Potenzial verbundenen Schalter offen und die mit dem niedrigen Potenzial verbundenen Schalter geschlossen sind.
Aus der DE 10 2007 020 509 A1 ist ein Verfahren zur Fehlerbehandlung bei elektrischen Maschinen eines Hybridantriebs bekannt, bei welchem zunächst erfasst wird, ob mindestens ein Betriebsparameter der elektrischen Maschine über einem zugeordneten Betriebsparameter-Grenzwert liegt. Wird dabei erfasst, dass mindestens ein Betriebsparameter über dem zugeordneten Grenzwert liegt, wird ein Versorgungsanschluss der elektrischen Maschine für ein dem Betriebsparameter zugeordnetes Zeitintervall freigeschaltet und der Versorgungsanschluss nach Ablauf des Zeitintervalls auf Masse kurzgeschlossen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Fehlererkennung bei einer durch einen Wechselrichter angesteuerten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug sieht vor, dass die Phasenströme der elektrischen Maschine ermittelt werden und ein Fehler erkannt wird, wenn zumindest einer der Phasenströme oder eine daraus abgeleitete Größe einen vorgegebenen oberen Schwellwert überschreitet. Erfindungsgemäß wird dabei der obere Schwellwert in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges, insbesondere der elektrischen Maschine und/oder des Wechselrichters, festgelegt. Vorteilhaft werden alle Phasenströme der elektrischen Maschine messtechnisch ermittelt. Alternativ dazu können die Phasenströme aber auch teilweise rechnerisch ermittelt werden.
Die Veränderung des oberen Schwellwertes in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges erlaubt es einerseits, den Eigenschutz des Wechselrichters, insbesondere der Leistungsbauelemente – häufig auch als Leistungshalbleiter bezeichnet – des Wechselrichters zu verbessern. Andererseits können die durch die Leistungsbauelemente des Wechselrichters definierten Betriebsgrenzen des Wechselrichters situationsspezifisch erweitert werden. Des Weiteren erlaubt es die Erfindung, den maximal auftretenden Phasenstrom betriebspunktabhängig zu begrenzen. Da der Phasenstrom direkten Einfluss auf die drehmomentbildenden Größen der elektrischen Maschine hat, kann auf diese Weise auch die Betriebssicherheit des Kraftfahrzeuges erhöht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Fehler auch diagnostiziert, wenn zumindest eine aus den Phasenströmen abgeleitete Größe einen vorgegebenen unteren Schwellwert unterschreitet. Dabei wird auch der untere Schwellwert in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges, insbesondere der elektrischen Maschine und/oder des Wechselrichters, festgelegt. Alternativ zum direkten Vergleich der Phasenströme mit Stromschwellwerten ist es auch möglich, die Phasenströme zunächst in eine korrespondierende andere Größe, wie z. B. eine Spannung, umzusetzen und anschließend die korrespondierenden Spannungen mit einem Spannungsschwellwert zu vergleichen. Dabei können die Phasenströme I_U, I_V und I_W beispielsweise auf korrespondierende Spannungswerte in einem Spannungsintervall von 0 V bis 5 V abgebildet werden. Für den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 kann dann der Spannungsschwellwert beispielsweise derart festgelegt werden, dass er exakt in der Mitte des Spannungsintervalls, also bei 2,5 V liegt. Damit ergibt sich aber für den generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine neben einem oberen Schwellwert für eine positive Halbwelle des Phasenstromes auch ein betragsmäßig unterschiedlicher unterer Schwellwert für eine negative Halbwelle des Phasenstromes. Um die oben genannten Vorteile auch in diesem Fall vollumfänglich zu nutzen, ist es sinnvoll, auch den unteren Schwellwert betriebspunktabhängig festzulegen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der obere und/oder untere Schwellwert aus einer Menge abgespeicherter Schwellwerte ausgewählt wird. Das Abspeichern mehrerer vorgegebener Schwellwerte und die betriebspunktabhängige Auswahl eines jeweils aktuell gültigen Schwellwertes stellt eine besonders einfache und mit geringem schaltungstechnischen und programmiertechnischen Aufwand verbundene Realisierung dar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der obere und/oder untere Schwellwert in Abhängigkeit eines Betriebszustandes der elektrischen Maschine festgelegt.
Während des Betriebes des Wechselrichters in den Leistungsgrenzbereichen gibt es ohne Berücksichtigung von Lebensdauereffekten im Wesentlichen die folgenden begrenzenden Faktoren:

– eine maximal zulässige Überspannung beim Schalten eines Leistungsschaltelementes des Wechselrichters – im Folgenden als Schaltüberspannung bezeichnet,
– ein maximaler Phasenstrom, welcher zu einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete der elektrischen Maschine führt, sowie
– die thermischen Bedingungen des Wechselrichters selbst, welche unmittelbar mit den Phasenströmen korrelieren

Die an einem Leistungsschaltelement in einem Wechselrichter anliegende Spannung U_lh ergibt sich jeweils aus der Summe einer aktuellen Zwischenkreisspannung U_zk, und der Schaltüberspannung U_schalt. Um eine Schädigung des Leistungsschaltelementes oder Leistungshalbleiters zu vermeiden, muss die an dem Leistungsschaltelement anliegende Spannung U_lh stets kleiner als eine Maximalspannung U_max sein. Es gilt somit U_zk + U_schalt = U_lh < U_max (1)
Des Weiteren sind die an den Leistungsschaltelementen des Wechselrichters auftretenden Schaltüberspannungen U_schalt direkt proportional zu den jeweils geschalteten Phasenströmen I_phase, so dass gilt: U_schalt ~ I_phase (2)
Somit wird die die an dem Leistungsschaltelement anliegende Spannung U_lh im Wesentlichen durch die Zwischenkreisspannung U_zk sowie den Phasenstrom I_phase bestimmt. Aufgrund des Innenwiderstandes der Hochvoltbatterie und deren Zuleitungen liegt jedoch an den Leistungsschaltelementen des Wechselrichters im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine eine deutlich höhere Zwischenkreisspannung an als im motorischen Betrieb. Folglich kann im motorischen Betrieb aber ein deutlich höherer Phasenstrom zugelassen werden als im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine. Um den Betriebsbereich des Wechselrichters möglichst optimal auszunutzen ist es daher sinnvoll, den oberen und/oder unteren Schwellwert in Abhängigkeit des Betriebszustandes der elektrischen Maschine festzulegen, das heißt zumindest für den generatorischen und den motorischen Betrieb unterschiedliche Schwellwerte vorzusehen.
Eine besonders einfache Möglichkeit, den Betriebszustand der elektrischen Maschine zu berücksichtigen, besteht in der entsprechenden Berücksichtigung der Zwischenkreisspannung U_zk. Demzufolge sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, den oberen und/oder unteren Schwellwert in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung U_zk festzulegen. Dabei wird insbesondere mit zunehmender Zwischenkreisspannung U_zk der obere Schwellwert abgesenkt und ggf. der untere Schwellwert angehoben. Dementsprechend wird bei abnehmender Zwischenkreisspannung U_zk der obere Schwellwert angehoben und ggf. der untere Schwellwert abgesenkt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der obere und/oder untere Schwellwert in Abhängigkeit von einer Temperatur, insbesondere der Sperrschichttemperatur, eines elektrisch durchbruchfähigen Leistungsbauelementes, insbesondere eines Leistungsschaltelementes, des Wechselrichters festgelegt.
Da bei durchbruchfähigen Leistungsbauelementen, wie sie beispielsweise die Leistungsschaltelemente oder auch Dioden in einem Wechselrichter darstellen, die Sperrspannungen der Bauelemente von der Temperatur des jeweiligen Bauelementes abhängen, ist es vorteilhaft, den zulässigen Phasenstrom in Abhängigkeit von der Temperatur an diesen Bauelementen festzulegen. Dabei wird insbesondere mit zunehmender Bauteiltemperatur der obere Schwellwert abgesenkt und ggf. der untere Schwellwert angehoben. Dementsprechend wird bei abnehmender Bauteiltemperatur der obere Schwellwert angehoben und ggf. der untere Schwellwert abgesenkt. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Sperrschichttemperatur oder Junction-Temperatur der Leistungsschaltelemente.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der obere und/oder untere Schwellwert in Abhängigkeit von Höhen der Phasenströme und/oder in Abhängigkeit von Fließdauern der Phasenströme festgelegt.
Sowohl die Höhe der Phasenströme als auch deren Fließdauer, das heißt die Zeitspanne, über welche ein Phasenstrom fließt, beeinflussen die Verlustleistung an den Leistungsschaltelementen des Wechselrichters. Um den Betriebsbereich des Wechselrichters einerseits vollständig auszunutzen, andererseits aber eine Schädigung der Leistungsbauelemente sicher zu verhindern, ist es daher sinnvoll Grenzwerte für die Phasenströme in Abhängigkeit von der Höhe und der Fließdauer der Phasenströme festzulegen. Dabei wird insbesondere mit zunehmender Stromhöhe und/oder zunehmender Fließdauer der obere Schwellwert abgesenkt und ggf. der untere Schwellwert angehoben. Dementsprechend wird mit abnehmender Stromhöhe und/oder abnehmender Fließdauer der obere Schwellwert angehoben und ggf. der untere Schwellwert abgesenkt.
Des Weiteren können der obere und/oder untere Schwellwert auch in Abhängigkeit einer Kollektor-Emitterspannung oder einer Source-Drainspannung eines Leistungsschaltelementes des Wechselrichters, in Abhängigkeit einer Temperatur eines Kühlkörpers eines Leistungsbauelementes des Wechselrichters, insbesondere eines Leistungsschaltelementes, oder auch in Abhängigkeit eines Kollektorstromes oder eines Sourcestromes eines Leistungsschaltelementes des Wechselrichters festgelegt werden. All diese Größen beeinflussen die thermischen Bedingungen an den durchbruchfähigen Leistungsbauelementen des Wechselrichters und haben damit Einfluss auf die unter den jeweiligen Bedingungen noch zulässigen Phasenströme. Somit kann auch durch Berücksichtigung dieser Betriebsparameter die Eigensicherheit des Wechselrichters erhöht werden bei gleichzeitiger betriebspunktabhängiger Ausreizung der maximal möglichen Phasenströme.
Die Erfindung schafft außerdem eine Vorrichtung zur Überwachung eines Betriebs einer durch einen Wechselrichter angesteuerten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug mit einer Phasenstromüberwachung zum Vergleichen von Phasenströmen oder daraus abgeleiteten Größen der elektrischen Maschine mit einem vorgegebenen oberen Schwellwert und einer Steuereinheit zum Festlegen des oberen Schwellwertes in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges, insbesondere der elektrischen Maschine und/oder des Wechselrichters.
Die Steuereinheit kann dabei als eigenständige Einheit, z. B. in Form eines Mikrocontrollers, oder auch in Form einer Hardware-Schaltung realisiert sein.
Die Phasenstromüberwachung kann eine aus den Phasenströmen abgeleitete Größe auch mit einem unteren Schwellwert vergleichen und die Steuereinheit den unteren Schwellwert in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges, insbesondere der elektrischen Maschine und/oder des Wechselrichters, festlegen. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgestaltet, dass sie das erfindungsgemäße Verfahren inklusive aller Ausführungsformen ausführen kann.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer dreiphasigen durch einen Wechselrichter angesteuerten elektrischen Maschine,
2 eine schematische Darstellung der Spannungskomponenten an einem Leistungsschaltelement eines Wechselrichters,
3 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Betriebs einer durch einen Wechselrichter angesteuerten elektrischen Maschine,
4 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung in einer Phasenstromüberwachung zur Festlegung eines unteren und oberen Spannungsschwellwertes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
5 eine schematische Darstellung der mit Hilfe einer Schaltungsanordnung gemäß 4 festgelegten Spannungsschwellwerte.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 1 mit einem daran angeschlossenen Wechselrichter in Form eines Pulswechselrichters 2. Der Pulswechselrichter 2 umfasst mehrere Leistungsbauelemente – häufig auch als Leistungshalbleiter bezeichnet – in Form von Leistungsschaltelementen 3a–3f, welche mit einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind und die Phasen U, V, W entweder gegen ein hohes Versorgungspotential (Batteriespannung U_Bat+) oder ein niedriges Versorgungspotential (U_Bat+) schalten. Die mit dem hohen Versorgungspotential U_Bat+ verbundenen Leistungsschaltelemente 3a–3c werden dabei auch als ”High-Side-Schalter” und die mit dem niedrigen Versorgungspotential U_Bat– verbundenen Leistungsschaltelemente 3d–3f als ”Low-Side-Schalter” bezeichnet. Der Pulswechselrichter 2 umfasst ferner weitere Leistungsbauelemente in Form von Freilaufdioden 4a–4f, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer sechspulsigen Gleichrichter-Brückenschaltung angeordnet sind. Dabei ist jeweils eine Diode 4a–4f parallel zu einem der Leistungsschaltelemente 3a–3f angeordnet. Die Leistungsschaltelemente können beispielsweise als IGBTs (Insolated Gate Bipolar Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) ausgeführt sein.
Der Pulswechselrichter 2 bestimmt Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 und wird von einem Steuergerät 6 entsprechend angesteuert. Die elektrische Maschine 1 kann somit wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden. Im Motorbetrieb erzeugt sie ein zusätzliches Antriebsmoment, das den Verbrennungsmotor z. B. in einer Beschleunigungsphase unterstützt. Im Generatorbetrieb wird dagegen mechanische Energie in elektrische Energie gewandelt und in einem Energiespeicher, hier einer Batterie 5 gespeichert. Die Batterie 5 ist mit einem nicht dargestellten Energieversorgungsnetz in einem Kraftfahrzeug verbunden, wobei die Batterie als Hochvoltbatterie und das Energieversorgungsnetz zum Beispiel als Hochvolt-Traktionsnetz in einem Hybridfahrzeug ausgeführt sein kann.
Parallel zum Pulswechselrichter 2 ist ein so genannter Zwischenkreis-Kondensator C angeordnet, der im Wesentlichen zur Stabilisierung der Batterie-Spannung U_Bat dient und an welchem eine Zwischenkreisspannung U_zk anliegt.
Phasenströme I_U, I_V und I_W in den Phasen I, U bzw. W der elektrischen Maschine 1 werden mit Hilfe von Stromsensoren (vgl. 4) ermittelt. Vorteilhaft werden alle Phasenströme I_U, I_V und I_W messtechnisch ermittelt. Alternativ ist es aber auch möglich nur einen Teil der Phasenströme über Stromsensoren zu messen und die übrigen Phasenströme rechnerisch zu ermitteln.
Zum Eigenschutz der elektrischen Maschine 1 sowie des Pulswechselrichters 2 ist es erforderlich, die Phasenströme I_U, I_V und I_W zu überwachen und den Pulswechselrichter 2 in einen sicheren Betriebszustand zu überführen, wenn zumindest einer der Phasenströme I_U, I_V oder I_W einen vorgegeben Schwellwert – häufig auch als Überstromschwelle bezeichnet – überschreitet. Bei Erkennung einer Fehlfunktion in Form eines zu hohen Stromes in mindestens einer der Phasen U, V oder W schaltet der Pulswechselrichter 2, getriggert vom Steuergerät 6, automatisch in einen Freischalt- oder Kurzschluss-Modus.
Innerhalb des Pulswechselrichters 2 sind die durchbruchfähigen Leistungsbauelemente und dabei insbesondere die Leistungsschaltelemente 3a–3f besonders spannungsempfindlich. Eine an einem Leistungsschaltelement 3 auftretende Spannung U_lh ergibt sich als Summe einer zwischenkreisspannung U_zk am Zwischenkreiskondensator C und einer Schaltüberspannung U_schalt (vgl. 2). Um eine dauerhafte Schädigung der Leistungsschaltelemente zu vermeiden, muss die an dem Leistungsschaltelement anliegende Spannung U_lh stets kleiner als eine Maximalspannung U_max sein. Die Schaltüberspannung U_schalt ist unmittelbar abhängig von dem jeweiligen Phasenstrom. Werden die Phasenströme I_U, I_V und I_W mit einem einzigen fest vorgegebenen Überstromschwellwert verglichen, muss dieser anhand der größtmöglichen Zwischenkreisspannung U_zk und der sich daraus ergebenden maximal zulässigen Schaltüberspannung U_schalt festgelegt werden. Auf ein Absinken der Zwischenkreisspannung U_zk kann dann aber nicht mehr reagiert werden, so dass der Betriebsbereich des Pulswechselrichters 2 in derartigen Betriebssituationen nicht optimal ausgenutzt wird.
Erfindungsgemäß wird ein oberer Schwellwert für die Phasenströme I_U, I_V und I_W in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges, insbesondere der elektrischen Maschine 1 und/oder des Pulswechselrichters 2, festgelegt. Auf diese Weise ist es möglich, den maximal zulässigen Phasenstrom, also den maximal möglichen, nicht zur Zerstörung der Leistungsschaltelemente 3 führenden Phasenstrom, betriebspunktabhängig festzulegen und damit den Betriebsbereich des Pulswechselrichters 2 deutlich auszuweiten.
Aufgrund des Innenwiderstandes der Batterie 5 und deren Zuleitungen ergibt sich im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 eine deutlich höhere Zwischenkreisspannung U_zk als im motorischen Betrieb. Folglich können im motorischen Betrieb deutlich größere Schaltüberspannungen U_schalt und damit deutlich höherer Phasenströme I_U, I_V und I_W zugelassen werden als im generatorischen Betrieb. Wird der obere Grenzwert des Phasenstromes in Abhängigkeit der Betriebsart der elektrischen Maschine 1 oder in Abhängigkeit der Zwischenkreisspannung U_zk, welche unter anderem auch die Betriebsart charakterisiert, festgelegt, so kann der Betriebsbereich des Pulswechselrichters 2 insbesondere im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 erheblich ausgeweitet werden.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Betriebs einer durch einen Wechselrichter angesteuerten elektrischen Maschine. Zwischen das Steuergerät 6, welches den Pulswechselrichter 2 ansteuert, und Stromsensoren 30a–30c, welche die Phasenströme I_U, I_V bzw. I_W erfassen, ist eine Phasenstromüberwachung 31 geschaltet. Durch die Phasenstromüberwachung 31 werden die Phasenströme I_U, I_V und I_W, beispielsweise mit Hilfe von Komparatoren, mit einem vorgegebenen oberen Schwellwert verglichen. Überschreitet zumindest einer der Phasenströme I_U, I_V oder I_W den oberen Schwellwert, so wird ein Fehler erkannt und in Form eines Signals NIPHMAX an die Steuereinheit 6 sowie eine Fehlerlogik 32 gemeldet. Die Fehlerlogik ist in 3 als eigenständige Einheit dargestellt, kann aber auch in die Steuereinheit 6 integriert sein. Durch die Fehlerlogik 32 und/oder die Steuereinheit 6 wird der Pulswechselrichter 2 daraufhin in einen sicheren Betriebszustand in Form eines Freilaufes oder eines Kurzschlusses gebracht. Erfindungsgemäß überträgt die Steuereinheit 6 an die Phasenstromüberwachung 31 ein Steuersignal IPHMAX-CTRL, mit Hilfe dessen der obere Schwellwert festgelegt wird. Vorteilhaft sind dabei in der Phasenstromüberwachung 31 mehrere obere Schwellwerte gespeichert, aus denen in Abhängigkeit von dem Steuersignal IPHMAX-CTRL ein aktuell gültiger Schwellwert ausgewählt wird. Auf diese Weise kann der obere Schwellwert betriebspunktabhängig festgelegt werden.
Sind nur zwei unterschiedliche obere Schwellwerte, z. B. für den generatorischen bzw. motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 vorgesehen, so kann das Steuersignal IPHMAX-CTRL zum Beispiel in Form eines einfachen logischen Signals, welches die Pegel „High” oder „Low” annehmen kann, realisiert sein. Dabei führt beispielsweise die Übertragung eines Low-Pegels zur Einstellung eines ersten oberen Schwellwertes für den motorischen Betrieb und die Übertragung eines High-Pegels zur Einstellung eines zweiten oberen Schwellwertes für den generatorischen Betrieb. Sind mehr als zwei obere Schwellwerte vorgesehen, so können mehrere derartige Steuersignale IPHMAX-CTRL vorgesehen sein. Alternativ dazu kann das Steuersignal aber auch in Form eines pulsweitenmodulierten Signals oder eines Analogsignals realisiert sein.
Alternativ zum direkten Vergleich der Phasenströme I_U, I_V und I_W mit Stromschwellwerten ist es auch möglich, die Phasenströme I_U, I_V und I_W zunächst in eine korrespondierende andere Größe, wie z. B. eine Spannung, umzusetzen und anschließend die korrespondierenden Spannungen mit einem Spannungsschwellwert zu vergleichen. Dabei können die Phasenströme I_U, I_V und I_W beispielsweise auf korrespondierende Spannungswerte in einem Spannungsintervall von 0 und 5 V abgebildet werden. Für den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 kann dann der Spannungsschwellwert beispielsweise derart festgelegt werden, dass er exakt in der Mitte des Spannungsintervalls, also bei 2,5 V liegt. Somit ergibt sich aber für den generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 neben einem oberen Schwellwert für eine positive Halbwelle des Phasenstromes auch ein betragsmäßig abweichender unterer Schwellwert für eine negative Halbwelle des Phasenstromes. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird auch dieser untere Schwellwert betriebspunktabhängig festgelegt.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung in einer Phasenstromüberwachung 31 zur Festlegung eines unteren und oberen Spannungsschwellwertes gemäß der genannten Ausführungsform der Erfindung. Dabei wird das Steuersignal IPHMAX-CTRL an einen Basis-Anschluss eines ersten Transistors T1 angelegt. Ein Kollektor-Anschluss des ersten Transistors T1 ist über einen Pull-up-Widerstand R1 mit einem Gate-Anschluss eines zweiten Transistors T2 verbunden, welcher in der dargestellten Ausführungsform als Feldeffekttransistors T2 ausgeführt ist. Dem zweiten Transistor T2 nachgeschaltet ist ein Spannungsteiler, welcher durch eine Reihenschaltung dreier Widerstände R2, R3 und R4 gebildet wird. Dabei ist ein Drain-Anschluss des zweiten Transistors T2 mit einem ersten Mittelabgriff M1 zwischen dem ersten Widerstand R2 und dem zweiten Widerstand R3 des Spannungsteilers und ein Source-Anschluss des zweiten Transistors T2 mit einem zweiten Mittelabgriff M2 zwischen dem zweiten Widerstand R3 und dem dritten Widerstand R4 des Spannungsteilers verbunden. An dem ersten Mittelabgriff M1 wird der obere Schwellwert für eine zum Phasenstrom korrespondierende Spannung abgenommen. Am zweiten Mittelabgriff M2 wird der untere Schwellwert für eine zum Phasenstrom korrespondierende Spannung abgenommen.
Sobald das Steuersignal IPHMAX-CTRL im Falle eines motorischen Betriebes der elektrischen Maschine 1 einen Wert von 0 V annimmt (Low-Pegel) wird über den ersten Transistor T1 und den Pull-up-Widerstand R1 der zweite Transistor T2 eingeschaltet. Hierdurch stellt sich am Spannungsteiler ein Spannungsverhältnis von 1:1 ein, so dass der obere und der untere Schwellwert für die positive bzw. negative Halbwelle des Phasenstromes auf einem Wert von z. B. 2,5 V zusammenfallen. Weist das Steuersignal IPHMAX-CTRL einen High-Pegel auf, so ist der zweite Transistor T2 geschlossen, so dass sich für den oberen und unteren Schwellwert unterschiedliche Spannungswerte ergeben. Im Falle einer positiven Halbwelle darf dabei der obere Schwellwert nicht überschritten und im Falle einer negativen Halbwelle der untere Schwellwert nicht unterschritten werden. Die in 4 dargestellte Schaltung stellt damit eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung einer Phasenstromüberwachung 31 dar, welche dazu geeignet ist, obere und untere Schwellwerte für die Phasenströme einzustellen, wenn die Phasenströme I_U, I_V und I_W vor dem Vergleich mit den Schwellwerten in korrespondierende Spannungen gewandelt wurden.
In 5 sind schematisch die mit Hilfe der Schaltungsanordnung gemäß 4 festgelegten Spannungsschwellwerte dargestellt. Dabei ist der obere Schwellwert für den motorischen Betrieb, der gemäß der gewählten Ausführungsform mit dem unteren Schwellwert für den motorischen Betrieb zusammenfällt mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet. Der obere und untere Schwellwert für den generatorischen Betrieb sind als gestrichelte Linien 51 bzw. 52 dargestellt. Die Schwellwerte 51 und 52 liegen dabei symmetrisch um den Mittelwert von 2,5 V und charakterisieren einen Phasenstrom von +m Ampere für eine positive Halbwelle bzw. –m Volt für eine negative Halbwelle des Phasenstromes.
Neben der Zwischenkreisspannung U_zk und der Betriebsart der elektrischen Maschine 1 beeinflussen weitere Faktoren, wie z. B. die Sperrschichttemperaturen der Leistungsschaltelemente 3a–3f, die Höhen und die Fließdauern der Phasenströme I_U, I_V und I_W, die Kollektor-Emitterspannungen oder Source-Drainspannungen der Leistungsschaltelemente 3a–3f, die Temperaturen an Kühlkörpern der Leistungsschaltelemente 3a–3f oder auch Kollektorströme oder Sourceströme der Leistungsschaltelemente 3a–3f die Verlustleistungen und/oder thermischen Verhältnisse an den Leistungsschaltelementen 3a–3f und damit die maximal zulässigen Phasenströme I_U, I_V und I_W. Um den Betriebsbereich des Pulswechselrichters 2 möglichst optimal auszunutzen ist es daher vorteilhaft, auch diese Betriebsparameter bei der Festlegung des oberen Schwellwertes und ggf. auch des unteren Schwellwertes zu berücksichtigen.
Die Erfindung für anhand einer dreiphasigen elektrischen Maschine erläutert, ist aber selbstverständlich auch für elektrische Maschinen mit mehr oder weniger als drei Phasen anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006003254 A1 [0005]
DE 102007020509 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Fehlererkennung bei einer durch einen Wechselrichter (2) angesteuerten elektrischen Maschine (1) in einem Kraftfahrzeug, bei dem die Phasenströme (I_U, I_V, I_W) der elektrischen Maschine (1) ermittelt, insbesondere messtechnisch ermittelt, werden und ein Fehler erkannt wird, wenn zumindest einer der Phasenströme (I_U, I_V, I_W) oder eine daraus abgeleitete Größe einen vorgegebenen oberen Schwellwert überschreitet, wobei der obere Schwellwert in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges, insbesondere der elektrischen Maschine (1) und/oder des Wechselrichters (2), festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Fehler erkannt wird, wenn zumindest eine aus den Phasenströmen (I_U, I_V, I_W) abgeleitete Größe einen vorgegebenen unteren Schwellwert unterschreitet, wobei der untere Schwellwert in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges, insbesondere der elektrischen Maschine (1) und/oder des Wechselrichters (2), festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der obere und/oder untere Schwellwert aus einer Menge abgespeicherter Schwellwerte ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der obere und/oder untere Schwellwert in Abhängigkeit eines Betriebszustandes der elektrischen Maschine (1) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der obere und/oder untere Schwellwert in Abhängigkeit von einer Zwischenkreisspannung (U_zk) festgelegt wird.
Verfahren nach, wobei der obere und/oder untere Schwellwert in Abhängigkeit von einer Temperatur, insbesondere der Sperrschichttemperatur, eines elektrisch durchbruchfähigen Leistungsbauelementes, insbesondere eines Leistungsschaltelementes (3), des Wechselrichters (2) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der obere und/oder untere Schwellwert in Abhängigkeit von Höhen der Phasenströme (I_U, I_V, I_W) und/oder in Abhängigkeit von Fließdauern der Phasenströme (I_U, I_V, I_W) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der obere und/oder untere Schwellwert in Abhängigkeit einer Kollektor-Emitterspannung oder einer Source-Drainspannung eines Leistungsschaltelementes (3) des Wechselrichters (2) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der obere und/oder untere Schwellwert in Abhängigkeit einer Temperatur eines Kühlkörpers eines Leistungsbauelementes, insbesondere eines Leistungsschaltelementes (3), des Wechselrichters (2) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der obere und/oder untere Schwellwert in Abhängigkeit eines Kollektorstromes oder eines Sourcestromes eines Leistungsschaltelementes (3) des Wechselrichters (2) festgelegt wird.
Vorrichtung zur Überwachung eines Betriebs einer durch einen Wechselrichter (2) angesteuerten elektrischen Maschine (1) in einem Kraftfahrzeug mit – einer Phasenstromüberwachung (31) zum Vergleichen von Phasenströmen (I_U, I_V, I_W) oder daraus abgeleiteten Größen der elektrischen Maschine (1) mit einem vorgegebenen oberen Schwellwert und – einer Steuereinheit (6) zum Festlegen des oberen Schwellwertes in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges, insbesondere der elektrischen Maschine (1) und/oder des Wechselrichters (2).
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Phasenstromüberwachung (31) aus den Phasenströmen (I_U, I_V, I_W) abgeleitete Größen mit einem unteren Schwellwert vergleicht und die Steuereinheit (6) den unteren Schwellwert in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges, insbesondere der elektrischen Maschine (1) und/oder des Wechselrichters (2), festlegt.