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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug beim Abschleppen sowie eine elektrische Antriebseinrichtung, wobei ein Antriebselektromotor direkt mit der Antriebsachse gekoppelt ist, mit einem Hochvolt-Bordnetz zum Betrieb des Antriebselektromotors, mit einer Parksperreinrichtung, mittels der die Antriebsachse im Parkzustand sperrbar ist, mit einer Kurzschlusseinrichtung, durch welche der Antriebselektromotor kurzschließbar ist und mit einer Kühleinrichtung zur Kühlung des Antriebselektromotors und der Kurzschlusseinrichtung. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie eine elektrische Antriebseinrichtung.
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Bei Elektrofahrzeugen ist der Antriebselektromotor üblicherweise direkt und ohne Kupplung mit der Antriebsachse des Fahrzeugs verbunden. Wenn ein derartiges Fahrzeug abgeschleppt werden soll, sei es weil das Niedervolt-Bordnetz ausgefallen, der Hochvolt-Energiespeicher des Antriebselektromotors entleert ist oder ein sonstiger Defekt vorliegt, so führt das dazu, dass beim Abschleppvorgang der Antriebselektromotor zwangsläufig mit dreht. Dies führt insbesondere bei Verwendung von permanent-erregten Elektromotoren zu einer generatorisch erzeugten Spannung, die üblicherweise höher als 60 V ist und damit einschlägigen Hochvolt-Sicherheitsvorschriften unterliegt. Das bedeutet, dass dieser Betriebszustand sicher gestaltet werden muss.
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Im normalen Fahrbetrieb werden diverse Prüfungen durchgeführt, z. B. eine Isolationsprüfung, welche wiederum eine Logikschaltung erfordert, die ein Niedervolt-Bordnetz voraussetzt. Beim Abschleppen ist aber nicht sichergestellt, dass das Niedervolt-Bordnetz (üblicherweise ein 12 V-Gleichspannungsnetz) zur Verfügung steht, weil beispielsweise der Anlass für den notwendigen Abschleppvorgang eine defekte oder entleerte 12 V-Batterie sein kann. Um dieses Problem zu umgehen, umfasst der Antriebselektromotor eine Kurzschlusseinrichtung, bei der Über eine Endstufe des Umrichters des Antriebselektromotors dessen Wicklungen kurzgeschlossen werden. Dies wird als „aktiver Kurzschluss” bezeichnet. Damit ist sichergestellt, dass in der Anlage keine unzulässig hohen Spannungen entstehen, selbst wenn die Hochvoltsicherheit nicht gewährleistet ist.
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Problematisch dabei ist allerdings, dass durch den Kurzschluss hohe Ströme in den Wicklungen des Antriebselektromotors und der Endstufe des Umrichters fließen, die hohe Verlustleistungen erzeugen. Diese Verlustleistungen müssen abgeführt werden, was normalerweise über einen Wasserkreislauf mit einer vom Niedervolt-Bordnetz angetriebenen Pumpe erfolgt. Ist nun das Niedervolt-Bordnetz zusammengebrochen, so gilt dies gleichermaßen für den Wasserkreislauf, was zur Folge hat, dass sich die Wicklungen des Antriebselektromotors und die Umrichterendstufe schnell massiv erhitzen können. Insbesondere die Umrichterendstufe kann bei Überschreitung der maximal zulässigen Temperatur sehr schnell thermisch zerstört werden.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die o. g. Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bzw. eine Antriebseinrichtung bereitzustellen, die unabhängig von der Verfügbarkeit des Niedervolt-Bordnetzes ein Abschleppen eines Kraftfahrzeugs mit Elektroantrieb und einer mit der Antriebsachse direkt gekoppelten Antriebseinrichtung ermöglichen.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlusseinrichtung einen Temperatursensor zur Erfassung der Betriebstemperatur umfasst, wobei bei Betätigung der Parksperreinrichtung zwecks deren Entsperrung geprüft wird, ob das Hochvolt-Bordnetz in ordnungsgemäßem Zustand ist und in diesem Fall die Parksperreinrichtung entsperrt und die Kurzschlusseinrichtung aktiviert wird, wobei der Temperatursensor laufend überprüft und die Kurzschlusseinrichtung deaktiviert wird, wenn der Temperatursensor eine unzulässig hohe Temperatur erfasst.
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Beim Abstellen des Fahrzeugs wird die Parksperre eingelegt, wodurch das Abschleppen des Fahrzeuges zunächst nicht möglich ist, da sich die Antriebsachse nicht drehen kann. Um ein Abschleppen zu ermöglichen, muss eine Entsperrung der Parksperre angestrengt werden, um eine eingeschränkte Fahrbereitschaft herzustellen. Bevor die Parksperre entsperrt wird, erfolgt eine Sicherheitsprüfung des Hochvolt-Bordnetzes auf ordnungsgemäßen Zustand und die tatsächliche Entsperrung der Parksperre erfolgt nur, wenn diese Prüfung bestanden wird, also das Hochvolt-Bordnetz die Hochvolt-Sicherheitsvorschriften erfüllt. In diesem Fall wird die Kurzschlusseinrichtung aktiviert, diese schließt also die Wicklungen des Antriebselektromotors kurz, es liegt dann ein aktiver Kurzschluss (AKS) vor. Alternativ kann der aktive Kurzschluss auch bereits vorher aktiviert sein, beispielsweise als Grundzustand des abgestellten Fahrzeugs. Wenn die Hochvolt-Sicherheitsprüfung nicht bestanden wird, bleibt die Parksperre gesperrt und ein Abschleppen des Fahrzeugs ist nicht möglich.
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Wenn nunmehr der Abschleppvorgang beginnt, so können sich aufgrund des aktivierten Kurzschlusses die Wicklungen und die Endstufe erwärmen, sofern die Elektromotorkühleinrichtung aus irgendeinem Grund nicht funktioniert, beispielsweise dass das Niedervolt-Bordnetz ausgefallen ist. Sofern das Niedervolt-Bordnetz bereits vorher ausgefallen sein sollte, kann der Abschleppvorgang nicht durchgeführt werden, weil die Hochvoltsicherheitsprüfung nicht durchführbar ist und die Parksperre nicht entriegelt wird. Kritischer ist der Fall, dass die Niedervoltbatterie während des Abschleppvorgangs ausfällt, z. B. durch einen Warnblinker o. ä. Die Temperaturerhöhung wird von dem Temperatursensor erfasst, der an der temperatur-kritischsten Stelle, üblicherweise der Halbleiterendstufe, angeordnet ist. Sofern die erfasste Temperatur einen maximal zulässigen Wert überschreitet, so wird die Kurzschlusseinrichtung deaktiviert, wodurch kein Strom mehr fließt und die Erwärmung aufhört. Gleichzeitig läuft die Spannung an den nun offenen Wicklungen des Antriebselektromotors hoch und kann 60 V überschreiten. Da aber eingangs beim Lösen der Parksperre die Hochvolt-Sicherheit geprüft wurde, ist dies nun zulässig.
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Durch die Erfindung wird nach der anfänglichen Prüfung der Hochvoltsicherheit unter Verwendung des Niedervolt-Bordnetzes unabhängig von der späteren Verfügbarkeit des Niedervolt-Bordnetzes ein sicheres Abschleppen eines eingangs genannten Elektrofahrzeugs ohne nennenswerten baulichen Mehraufwand möglich.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen, welche den genannten Temperatursensor, eine damit verbundene Kontrolleinrichtung sowie eine Endstufe zur Ansteuerung der Kurzschlusseinrichtung umfasst, die ausschließlich mittels elektronischer Bauelemente ausgeführt ist, sowie eine Spannungsversorgungseinrichtung, welche am Hochvolt-Bordnetz angeschlossen ist. Hierunter wird verstanden, dass ausschließlich elektronische Bauteile wie Halbleiterelemente, Widerstände, Kondensatoren, NTCs, Signalverstärker oder fest programmierte Bauelemente wie PLAs verwendet werden, nicht jedoch Mikroprozessoren, die mittels Software gesteuert werden. Insbesondere ist die Schaltung vollkommen unabhängig von den Schaltungen zum Betrieb des Fahrzeugs, insbesondere der Antriebsanlage. Hierdurch wird sichergestellt, dass unter allen Umständen, insbesondere bei einem Unfall oder anderen sicherheitsrelevanten Ereignissen immer ohne Zutun von Prozessoren der sichere Betriebszustand erreicht werden kann.
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Die Aufgabe wird ferner durch eine elektrische Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem direkt mit einer Antriebsachse verbundenen Antriebselektromotor gelöst, die einen Temperatursensor zur Erfassung der Betriebstemperatur der Kurzschlusseinrichtung sowie eine Abschalteinrichtung zur Abschaltung der Kurzschlusseinrichtung umfasst, wenn der Temperatursensor eine unzulässig hohe Temperatur erfasst.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die elektrische Antriebseinrichtung eine Verzögerungseinheit, die eine Abschaltung der Kurzschlusseinrichtung erst nach einer gewissen Verzögerung durchführt. Diese Verzögerungszeit liegt vorzugsweise im Bereich von 500 ms bis 2000 ms. Durch die verzögerte Aktivierung wird sichergestellt, dass beispielsweise bei Auftreten eines Crashereignisses (Unfall) die Abschaltung der Kurzschlusseinrichtung durchgeführt wird, was zur Einhaltung einschlägiger Sicherheitsvorschriften für Crashsituationen zweckmäßig ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1: ein schematisches Blockdiagramm einer Antriebseinrichtung,
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2: ein Schaltbild eines Teils der Kontrolleinrichtung als Bestandteil der Antriebseinrichtung gemäß 1, und
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3: eine Darstellung von Signalverläufen.
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In 1 ist schematisch eine Antriebseinrichtung 1 zum Antrieb eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs dargestellt. Diese umfasst einen Antriebselektromotor 2, der mit einer Antriebsachse 3 verbunden ist. Eine Hochvolt-Batterie 4 versorgt den Antriebselektromotor 2 mit der notwendigen Energie zum Fahrantrieb. Eine Parksperreinrichtung 5 ist mit der Antriebsachse 3 koppelbar, um diese festzusetzen. Der Antriebselektromotor 2 weist ferner eine Elektromotorkühleinrichtung 6 zur Kühlung der Windungen des Antriebselektromotors 2 auf, die von einem nicht näher dargestellten Niedervolt-Bordnetz betrieben wird. Ferner ist eine Kurzschlusseinrichtung 7 vorgesehen, mittels der die Windungen des Antriebselektromotors 2 kurzgeschlossen werden können. Die Kurzschlusseinrichtung 7 weist einen Temperatursensor 8 auf, mittels dessen die kritischste Temperatur in der Kurzschlusseinrichtung 7 gemessen werden kann. Eine Kontrolleinrichtung 9 erhält das Signal des Temperatursensors 8 und ein Fahrbereitschaftssignal 10 von einer Fahrzeugsteuerungseinrichtung, das eine eingeschränkte Fahrbereitschaft signalisiert, um die Parksperreinrichtung 5 zu lösen. Daraufhin führt die Kontrolleinrichtung 9 einen Hochvolt-Sicherheitstest im Hochvolt-Bordnetz 4 aus und nur wenn der Test bestanden wird, erfolgt ein Signal an die Parksperreinrichtung 5 zu deren Entsperrung. Ferner stellt die Kontrolleinrichtung 9 fest, dass die vom Temperatursensor 8 gemessene Temperatur der Kurzschlusseinrichtung 7 im zulässigen Bereich liegt, so dass diese aktiviert wird, also die Wicklungen des Antriebselektromotors 2 kurzgeschlossen werden.
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In 2 ist eine Schaltung 12 dargestellt, die Bestandteil der in 1 gezeigten Kontrolleinrichtung 9 ist. Dabei ist links eine Spannungsversorgung 11 für die nachstehend näher erläuterte Schaltung 12 dargestellt. Von den Anschlusskontakten HV+ und HV– des Hochvolt-Energiespeichers wird über Vorwiderstände 14 und Z-Dioden 16 eine 5 V- sowie eine 15 V-Betriebsspannung erzeugt, die unabhängig vom Niedervolt-Bordnetz die notwendigen Spannungen bereitstellt. Die 5 V-Spannung wird für die Logikelemente und die 15 V-Spannung für die Endstufe verwendet.
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Die Schaltung 12 umfasst einen Temperatursensor 8, im vorliegenden Fall ein NTC. Alternativ kann bei anderer Schaltungsauslegung auch eine andere Sensorart, z. B. ein PTC, verwendet werden. Die durch den Temperatursensor 8 sowie einen Widerstand 20 am Pluseingang eines Komparators 22 definierte Spannung wird mittels einer am Minuseingang des Komparators 22 anliegenden Vergleichsspannung 24 verglichen. Der Ausgang des Komparators 22 beaufschlagt ein erstes Gatter 26, dessen zweiter Eingang 28 ein Signal von der Kraftfahrzeugsteuerung bekommt, dass der aktive Kurzschluss aktiviert werden soll.
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Dieser Eingang 28 wird zusätzlich auf eine Monovibrator-Einheit 30 geführt, die für einen vorgegebenen Zeitraum von ca. 500 ms bis 2000 ms nach Auftreten eines „high” (Hi)-Signals am Eingang ein Hi-Signal am Ausgang aufweist und anschließend wieder auf „low” (Lo) fällt. Die Ausgänge des ersten Gatters 26 und der Monovibrator-Einheit 30 beaufschlagen ein zweites Gatter 32, dessen Ausgang eine Endstufe 34 ansteuert, welche wiederum einen nicht dargestellten Umrichter ansteuert, mittels der die Wicklungen des Antriebselektromotors kurzgeschlossen werden können.
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Im Normalzustand, also nicht überhöhter Temperatur weist der Temperatursensor 8 einen hohen Widerstand auf, so dass die Spannung am Pluseingang des Komparators 22 höher ist als die Vergleichsspannung 24, so dass der Ausgang des Komparators 22 auf Hi liegt. Sobald die Temperatur des Temperatursensors 8 über einen durch die Vergleichsspannung 24 vorgegebenen Grenzwert steigt (welches die maximal zulässige Temperatur in der Kurzschlusseinrichtung ist), springt der Ausgang des Komparators 22 auf Lo. Sofern an dem Eingang 28 ein Hi-Signal anliegt und der Ausgang des Komparators 22 aufgrund erhöhter gemessener Temperatur ebenfalls ein Hi-Signal aufweist, ist das Ausgangssignal des AND-Gatters 26 ebenfalls Hi. Das am Eingang 28 dann anliegende Hi-Signal gelangt über die Monovibrator-Einheit 30 zeitverzögert zusammen mit dem Ausgang des AND-Gatters 26 auf das OR-Gatter 32, in welchem Fall dieses die Endstufe 34 ansteuert.
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In 3 sind die Spannungsverläufe beim Auftreten einer überhöhten Temperatur am Temperatursensor 8 näher dargestellt. Der oberste Signalverlauf entspricht dem Signal am Eingang 28, der zweitoberste Signalverlauf dem Ausgang des Komparators 22, der drittoberste Signalverlauf dem Ausgang der Monovibrator-Einheit 30 und der unterste Signalverlauf dem Ausgang der Endstufe 34.
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Zum Zeitpunkt T1 wird am Eingang 28 ein Hi-Signal von der Fahrzeugsteuerung angelegt, wenn vom Benutzer die Parksperre gelöst werden soll und die Hochvoltsicherheitsprüfung erfolgreich absolviert wurde, um die Kurzschlusseinrichtung zu aktivieren. Da das Fahrzeug zu diesem Zeitpunkt steht und dementsprechend der Temperatursensor 8 eine niedrige Temperatur feststellt, ist das Ausgangssignal des Komparators 22 auf Hi. Da die Monovibrator-Einheit 30 gestartet wurde, geht deren Ausgangssignal zu diesem Zeitpunkt ebenfalls auf Hi und dementsprechend wird der Ausgang der Endstufe 34 Hi und die Kurzschlusseinrichtung wird aktiviert. Zum Zeitpunkt T2 überschreitet die vom Temperatursensor 8 gemessene Temperatur den Schwellwert, so dass der Ausgang des Komparators 22 auf Lo fällt. Zu diesem Zeitpunkt sei in dem dargestellten Beispiel die Verzögerungszeit der Monovibrator-Einheit 30 noch nicht abgelaufen, so dass damit das OR-Gatter 32 noch auf Hi bleibt.
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Zum Zeitpunkt T3 endet die Verzögerungszeit der Monovibrator-Einheit 30, so dass deren Ausgang auf Lo und damit auch der Ausgang des OR-Gatters 32 auf Lo fällt. Dementsprechend schaltet sich die Kurzschlusseinrichtung wieder ab, es fließt kein Strom durch den Antriebselektromotor mehr und dieser kühlt sich wieder ab.
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Zum Zeitpunkt T4 hat sich die Kurzschlusseinrichtung wieder soweit abgekühlt, dass die Grenztemperatur unterschritten wird und der Ausgang des Komparators 22 wieder auf Hi geht, womit gleichzeitig auch der Ausgang des OR-Gatters 32 wieder auf Hi geht und die Kurzschlusseinrichtung wieder aktiviert wird.
