-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit für eine elektrische Maschine. Die Steuereinheit weist eine Verarbeitungseinheit und eine mit der Verarbeitungseinheit verbundene Leistungsendstufe auf. Die Leistungsendstufe ist mit Ausgängen der Steuereinheit für Statorspulen eines Stators der elektrischen Maschine verbunden. Die Verarbeitungseinheit ist ausgebildet, die Leistungsendstufe zum Erzeugen eines Statorfeldes, insbesondere Drehfeldes zu bestromen. Die Steuereinheit weist einen mit der Leistungsendstufe verbundenen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Zwischenkreiskondensator oder Akkumulator auf.
-
Bei Fahrzeugen, insbesondere bei Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugen wird eine elektrische Maschine im Motorbetrieb von einer Steuereinheit mit einer Leistungsendstufe bestromt, sodass die elektrische Maschine ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen eines Rotors und so zum Antrieb des Fahrzeugs erzeugen kann. Bei kalten Temperaturen, beispielsweise zwischen –40 und –10 Grad Celsius Umgebungstemperatur besteht das Problem, dass die Leistungsabgabe der Leistungsendstufe reduziert ist im Vergleich zu einer Leistungsabgabe bei höheren Temperaturen als bei dem vorab beschriebenen niedrigen Temperaturbereich.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß weist die Steuereinheit der eingangs genannten Art einen Eingang für ein Steuersignal, insbesondere Temperatursignal auf. Die Verarbeitungseinheit ist bevorzugt ausgebildet, die Leistungsendstufe in Abhängigkeit des Temperatursignals derart anzusteuern, dass der Energiespeicher durch ein von der Leistungsendstufe erzeugtes Bestromungsmuster erwärmt werden kann. Bevorzugt entspricht das Bestromungsmuster einem Statorfeld, das kein wirksames Drehmoment oder keine Drehbewegung, insbesondere eine volle Umdrehung, eines Rotors der elektrischen Maschine erzeugen kann.
-
Es wurde nämlich erkannt, dass die Leistungsabgabe insbesondere von einem internen Serienwiderstand des Zwischenkreiskondensators abhängt, der bei niedrigen Temperaturen kleiner als minus zehn Grad so große Werte annimmt, dass aufgrund des Spannungsabfalls am Serienwiderstand hohe Spannungsspitzen erzeugt werden, die die Leistungsendstufe oder eine Treibereinheit der Leistungsendstufe zerstören können.
-
So kann vorteilhaft der Energiespeicher, insbesondere der Zwischenkreiskondensator der Steuereinheit, durch das Bestromungsmuster erwärmt werden, ohne dass eine an die Leistungsendstufe angeschlossene elektrische Maschine ein Drehmoment erzeugen kann. Die so vorgenommene Ansteuerung der elektrischen Maschine kann beispielsweise vor einem Starten eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybrid-Fahrfahrzeugs vorgenommen werden. Hat der Zwischenkreiskondensator eine vorbestimmte Temperatur, beispielsweise eine Temperatur größer als minus zehn Grad Celsius erreicht, was beispielsweise mittels eines Temperatursensors erfasst werden kann, so kann durch die Verarbeitungseinheit zu einem Motorbetrieb ein Bestromungsmuster beziehungsweise Ansteuermuster zum Ansteuern der Leistungsendstufe erzeugt werden, welches eine geringere Erwärmung des Zwischenkreiskondensators bewirkt als das Ansteuermuster, welches in Abhängigkeit des Temperatursignals für niedrige Temperaturen erzeugt wurde.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit ausgebildet, die Leistungsendstufe in Abhängigkeit des Temperatursignals derart anzusteuern, dass ein von der Leistungsendstufe erzeugtes Bestromungsmuster einem stehenden Feld entspricht. Das stehende Statorfeld ist bevorzugt ein stehendes Magnetfeld eines Stators der elektrischen Maschine. Durch das stehende Statorfeld, insbesondere Magnetfeld kann der Rotor vorteilhaft nicht in eine Drehbewegung versetzt werden, wobei durch die Bestromung der Statorspulen der Zwischenkreiskondensator mit Strom beaufschlagt wird, was den Zwischenkreiskondensator vorteilhaft erwärmt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Steuereinheit ist die Verarbeitungseinheit ausgebildet, die Leistungsendstufe in Abhängigkeit des Temperatursignals derart anzusteuern, dass ein von der Leistungsendstufe erzeugtes Bestromungsmuster einem Feld mit einer Umlauf- oder Wechselfrequenz entspricht, der ein Rotor der elektrischen Maschine aufgrund seiner Masseträgheit nicht folgen kann.
-
Beispielsweise kann die Umlauffrequenz, der der Rotor aufgrund seiner Masseträgheit nicht folgen kann, nur einer vorbestimmten Drehrichtung des Rotors beziehungsweise des Feldumlaufes entsprechen. Die Umlauffrequenz kann beispielsweise empirisch in Abhängigkeit der Masseträgkeit ermittelt werden.
-
In einer anderen Ausführungsform entspricht das Feld mit der Wechselfrequenz, der der Rotor aufgrund seiner Masseträgheit nicht folgen kann, einem Drehfeld, welches wenigstens eine periodische Drehrichtungsumkehr aufweist. Beispielsweise kann das Feld, dem der Rotor nicht folgen kann, einer Drehbewegung beziehungsweise einem Feldumlauf von 90 Grad für eine erste Halbwelle der Periode entsprechen, für eine zweite Halbwelle entspricht das Feld einer Zurückbewegung um 90 Grad in eine zur Hinbewegung entgegengesetzte Richtung.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform entspricht das Bestromungsmuster einer schnellen, insbesondere vibrierenden Hin- und Herbewegung des Rotors. Der Rotor kann dann vorteilhaft kein wirksames Drehmoment an eine Rotorwelle zum Antrieb des Fahrzeugs abgeben. Die Bestromung der elektrischen Maschine durch die Leistungsendstufe bewirkt jedoch eine Belastung des Zwischenkreiskondensators, was zu dessen innerer Erwärmung führt, da an einem Serienwiderstand des Zwischenkreiskondensators eine Spannung abfällt, sodass in dem Serienwiderstand eine den Zwischenkreiskondensator erwärmende Wirkleistung erzeugt wird.
-
Der Rotor kann so vorteilhaft, auch wenn das Fahrzeug ins Rollen gerät, nicht durch ein leichtes unterstützendes Moment angetrieben werden, da das Bestromungsmuster einer Hin- und Herbewegung entspricht.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht ein von der Leistungsendstufe erzeugtes Bestromungsmuster einem Feld mit einer periodischen Hin- und Herbewegung, wobei die Hin- und Herbewegung nur einem teilweisen Umlauf, insbesondere einem Rotor- oder Feldumlauf entspricht und der ein Rotor aufgrund seiner Masseträgheit nicht folgen kann. Der teilweise Umlauf entspricht bevorzugt einem Rotorwinkel von < 90 Grad, weiter bevorzugt kleiner als 10 Grad, besonders bevorzugt kleiner als 5 Grad.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuereinheit einen mit dem Energiespeicher insbesondere wärmeleitend verbundenen Temperatursensor auf, welcher ausgebildet und angeordnet ist, eine Temperatur des Zwischenkreiskondensators zu erfassen und ein der Temperatur entsprechendes Temperatursignal zu erzeugen. Die Verarbeitungseinheit ist bevorzugt ausgebildet, die Leistungsendstufe in Abhängigkeit des Temperatursignals in einen Betrieb zu überführen, in dem eine geringere Wärme in dem Zwischenkreiskondensator erzeugt wird als bei einer durch das Temperatursignal repräsentierten kleineren Temperatur.
-
Der Temperatursensor ist beispielsweise durch einen temperaturabhängigen Widerstand gebildet, welcher mit dem Zwischenkreiskondensator, insbesondere einem Gehäuse des Zwischenkreiskondensators, verbunden ist. Die Verarbeitungseinheit ist bevorzugt mit dem Temperatursensor verbunden und weist einen Eingang für das Temperatursignal auf. Durch den Temperatursensor kann zusammen mit der Verarbeitungseinheit vorteilhaft ein Regler gebildet sein, sodass mittels der zuvor erwähnten, verlustbehafteten Ansteuerung der elektrischen Maschine die Temperatur des Zwischenkreiskondensators vorteilhaft in einem vorbestimmten Temperaturintervall gehalten werden kann.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuereinheit einen mit dem Energiespeicher insbesondere elektrisch verbundenden Temperatursensor auf, wobei der Temperatursensor ausgebildet ist, Spannungstransienten einer über dem Energiespeicher abfallenden Spannung zu erfassen und das Temperatursignal in Abhängigkeit der Spannung der Spannungstransienten zu erzeugen. Der Temperatursensor ist bevorzugt mit elektrischen Anschlüssen des Energiespeichers, insbesondere des Zwischenkreiskondensators, verbunden. Mittels des so ausgebildeten Temperatursensors kann vorteilhaft eine Temperatur des Zwischenkreiskondensators erfasst werden, ohne dass ein gesonderter Temperatursensor mit einem Gehäuse oder in der Nähe eines Gehäuses des Zwischenkreiskondensators verbunden ist.
-
Vielmehr wurde erkannt, dass die bei niedrigen Temperaturen am Serienwiderstand des Zwischenkreiskondensators abfallende Spannung zu den vorab beschriebenen Spannungstransienten im Zwischenkreis beziehungsweise in einem Bordnetz des Fahrzeugs führen kann. Die Temperatur des Zwischenkreiskondensators kann mittels des so ausgebildeten Temperatursensors vorteilhaft in Abhängigkeit der Spannungstransienten und somit vorteilhaft unmittelbar in Abhängigkeit der unerwünschten Auswirkungen des Serienwiderstandes des Zwischenkreiskondensators erfasst werden.
-
Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit ausgebildet, das Bestromungsmuster in Abhängigkeit der Spannungstransienten derart zu regeln, dass ein vorbestimmter Spitzen- oder Mittelwert der Spannungstransienten beibehalten oder nicht überschritten wird.
-
Die zuvor beschriebene Regelung mit dem Temperatursensor, der die Spannungstransienten erfassen kann, regelt die Temperatur des Zwischenkreiskondensators vorteilhaft nicht in Abhängigkeit der absoluten Temperatur des Zwischenkreiskondensators, sondern vielmehr vorteilhaft in Abhängigkeit einer unerwünschten Auswirkung einer Temperatur des Zwischenkreiskondensators. Somit braucht vorteilhaft ein Zusammenhang des tatsächlichen Serienwiderstandes des Zwischenkreiskondensators in Abhängigkeit der Temperatur oder eine absolute Temperatur des Zwischenkreiskondensators nicht bekannt zu sein, da der Regelungsbetrieb zur Temperaturerhöhung so lange erfolgen kann, bis die unerwünschten Auswirkungen, nämlich die Spannungstransienten, einen vorbestimmten Wert unterschritten haben. Die Spannungstransienten, die bei Überschreitung eines vorbestimmten Wertes Schaden in dem Bordnetz erzeugen können, werden so vorteilhaft auf einem unschädlichen niedrigen Spannungswert gehalten, und dienen auch als Regelparameter für eine Einstellung des Bestromungsmusters, insbesondere Pulsweitenmodulationsmusters, das einen Einfluss auf die im Zwischenkreiskondensator erzeugte Wärme hat.
-
Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Maschine mit der Steuereinheit der vorbeschriebenen Art. Der Ausgang der Steuereinheit ist bevorzugt mit dem Stator, insbesondere Statorspulen des Stators verbunden. Die elektrische Maschine weist auch einen insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor auf.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erwärmen eines Zwischenkreiskondensators einer elektrischen Maschine.
-
Die elektrische Maschine weist einen Stator und einen Rotor und eine mit dem Stator verbundene Steuereinheit mit einer Leistungsendstufe auf.
-
Bevorzugt wird bei dem Verfahren die Leistungsendstufe zum Bestromen des Stators und zum Erzeugen eines magnetischen Statorfeldes angesteuert.
-
Weiter bevorzugt wird bei den Verfahren eine Temperatur eines mit der Leistungsendstufe verbundenen Zwischenkreiskondensators mindestens mittelbar erfasst und ein die Temperatur repräsentierendes Temperatursignal erzeugt. Weiter bevorzugt wird in Abhängigkeit des Temperatursignals die Leistungsendstufe derart angesteuert, dass der Rotor in Abhängigkeit des Statorfeldes kein Drehmoment erzeugen kann.
-
Bevorzugt repräsentiert bei dem Verfahren das Feld einen stehenden Feldvektor, insbesondere Magnetfeldvektor.
-
Bevorzugt weist das Feld eine – insbesondere derart schnelle – Dreh- oder Wechselfrequenz auf, welcher der Rotor aufgrund seiner Trägheit nicht folgen kann.
-
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche und den Merkmalen der Figuren.
-
1 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Maschine mit einem Zwischenkreiskondensator und wenigstens einem Temperatursensor, wobei ein Temperatursensor ausgebildet ist, die Temperatur des Zwischenkreiskondensators in Abhängigkeit von Spannungstransienten einer Bordnetzspannung zu erfassen.
-
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsnordnung für einen Temperatursensor, der durch einen Spitzenspannungssensor zum Erfassen von Spannungstransienten gebildet ist und ausgebildet ist, die Temperatur des Zwischenkreiskondensators mittelbar in Abhängigkeit der Spannungstransienten zu erfassen;
-
3 zeigt ein Diagramm mit von einer Verarbeitungseinheit der in 1 gezeigten elektrischen Maschine erzeugten Ansteuermuster und die in Abhängigkeit des Ansteuermusters erzeugten Ströme und die Spannungstransienten;
-
4 zeigt ein Diagramm mit von einer Verarbeitungseinheit der in 1 gezeigten elektrischen Maschine erzeugten Ansteuermuster und die in Abhängigkeit des Ansteuermusters erzeugten Ströme und die Spannungstransienten, welche im Vergleich zu den Ansteuermustern der 3 mit einem anderen Ansteuermuster mit kleinerer Pulsweite der Pulse zum Durchsteuern der Transistor- Halbbrücken erzeugt worden sind;
-
5 zeigt ein Diagramm mit von einer Verarbeitungseinheit der in 1 gezeigten elektrischen Maschine erzeugten Ansteuermuster und die in Abhängigkeit des Ansteuermusters erzeugten Ströme und die Spannungstransienten, wobei eine Ansteuerfrequenz der Anstsuersignale im Vergleich zu dem Ansteuermuster der 1 die Hälfte beträgt.
-
1 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 3 und einen Rotor 5 auf. Der Stator 3 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel fünf Statorspulen, nämlich die Statorspulen 6, 7, 8, 9 und 10. Die Statorspulen des Stators 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel in Sternschaltung miteinander verschaltet. Die Statorspulen des Stators 3 können in einer anderen Ausführungsform auch im Pentagon miteinander verschaltet sein. Die elektrische Maschine 1 weist auch eine Leistungsendstufe 14 auf. Die Leistungsendstufe 14 ist ausgangseitig über einen Ausgang 12 einer Steuereinheit 2 der elektrischen Maschine 1 mit dem Stator 3 und dort mit dem Statorspulen verbunden.
-
Der Ausgang 12 weist in diesem Ausführungsbeispiel für jede Statorspule des Stators 3 einen Anschluss auf. Der Ausgang 12 weist in diesem Ausführungsbeispiel für die Statorspule 6 einen Anschluss 30 auf, einen Anschluss 31 für die Statorspule 10, einen Anschluss 32 für die Statorspule 9, einen Anschluss 33 für die Statorspule 8 und einen Anschluss 34 für die Statorspule 7 auf. Die Steuereinheit 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Stator 3 verbunden, sodass die jeweiligen Anschlüsse mit den entsprechenden Statorspulen verbunden sind.
-
Die Leistungsendstufe 14 ist ausgebildet, die Statorspulen des Stators 3 über den Ausgang 12 zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes zu bestromen. Dazu ist die Leistungsendstufe 14 mit einem Anschluss 15 für eine Bordnetzspannung verbunden. Die Leistungsendstufe 14 ist auch mit einem Masseanschluss 35 verbunden. Die Leistungsendstufe 14 ist eingangsseitig über eine – mehrkanalige – Verbindung 37 mit einer Verarbeitungseinheit 16 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 16 ist ausgebildet, Steuersignale zum Ansteuern von Steueranschlüssen von Halbleiterschaltern der Leistungsendstufe 14 – in diesem Ausführungsbeispiel Feldeffekttransitoren als Halbleiterschalter der Leistungsendstufe 14 – zu erzeugen und diese über die Verbindung 37 an die Leistungsendstufe 14 zum Ansteuern der Halbleiterschalter zu senden. Die Verarbeitungseinheit 16 kann so mittels Erzeugen eines entsprechenden Ansteuermusters die Leistungsendstufe 14 zum Erzeugen des Statorfeldes ansteuern. Das Statorfeld kann im Falle eines Betriebs der elektrischen Maschine 1 als Elektromotor ein Drehfeld sein. Die Verarbeitungseinheit 16 kann – in Abhängigkeit eines an einem Eingang 50 empfangenen Temperatursignals 45 ein Ansteuermuster erzeugen, welches einem stehenden Magnetfeld entspricht, sodass der Rotor 5 in Abhängigkeit des stehenden Magnetfelds nicht in eine Drehbewegung versetzt werden kann. Während dieses Ansteuerbetriebes wird in dem Stator 3 eine elektrische Leistung in den Statorspulen umgesetzt, sodass ein mit der Leistungsendstufe 14 verbundener Zwischenkreiskondensator 20 belastet und durch die elektrische Belastung erwärmt werden kann.
-
Der Zwischenkreiskondensator 20 der elektrischen Maschine 1 ist mit einem Anschluss mit dem Anschluss 15 für die Bordnetzspannung, und mit einem anderen Anschluss mit dem Masseanschluss 35 verbunden.
-
Die Verarbeitungseinheit 16 weist zum Erzeugen der zuvor erwähnten Ansteuermuster in diesem Ausführungsbeispiel einen Pulsweitenmodulator 17 auf. Der Pulsweitenmodulator 17 ist ausgebildet, für jede der Statorspulen des Stators 3 ein pulsweitenmoduliertes, periodisches Rechtecksignal zu erzeugen, wobei die Rechtecksignale für die Statorspulen zueinander in einer vorbestimmten Phasenbeziehung stehen. Die Rechtecksignale, insbesondere deren Phasenbeziehung, welche in Abhängigkeit des am Eingang 50 erfassten Temperatursignals zueinander verschieden sind, erwirken somit eine Drehbewegung des Rotors 5, oder ein Stehen des Rotors 5, während die Statorspulen des Stators 3 bestromt werden.
-
Die Steuereinheit 2 der elektrischen Maschine 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel auch einen Temperatursensor 18 auf, welcher mit dem Zwischenkreiskondensator 20, insbesondere einem Gehäuse des Zwischenkreiskondensators 20 verbunden ist. Der Temperatursensor 18 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 39 mit der Verarbeitungseinheit 16 verbunden. Der Temperatursensor 18 ist ausgebildet, eine Temperatur des Zwischenkreiskondensators 20 zu erfassen und ein der Temperatur entsprechendes Temperatursignal zu erzeugen und dieses ausgangsseitig über die Verbindungsleitung 39 an die Verarbeitungseinheit 16 zu senden. Der Temperatursensor 18 ist beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand. Die Steuereinheit 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel auch – unabhängig vom Temperatursensor 18 oder zusätzlich zu dem Temperatursensor 18 – einen Temperatursensor 24 auf. Der Temperatursensor 24 ist eingangsseitig mit dem Anschluss 15 verbunden und ist ausgebildet, Spannungstransienten 45 einer Betriebsspannung, in diesem Ausführungsbeispiel der Bordnetzspannung, zu erfassen. Die Betriebsspannung fällt in diesem Ausführungsbeispiel auch über dem Zwischenkreiskondensator 20 ab, welcher in diesem Ausführungsbeispiel den zuvor erwähnten Energiespeicher der Steuereinheit bildet.
-
Der Temperatursensor 24 ist eingangsseitig über eine Verbindungsleitung 41 mit dem Anschluss 15 für die Bordnetzspannung verbunden und kann über diesen die Spannungstransienten 45 empfangen.
-
Dazu weist der Temperatursensor 24 ein Peak-Hold-Glied 28 auf, welches ausgangsseitig mit einem Analog-Digitalwandler 26 verbunden ist. Der Analog- Digitalwandler 26 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 43 mit dem Eingang 50 der Verarbeitungseinheit 16 verbunden.
-
Die Temperatursensoren 18 und 24 können gemeinsam oder unabhängig voneinander in der Steuereinheit 2 verwirklicht sein.
-
Die Verarbeitungseinheit 16 ist beispielsweise durch einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, ein FPGA (FPGA = Field-Programmable-Gate-Array), oder ein ASIC (ASIC = Application-Specific-Integrated-Circuit) gebildet.
-
Die von der Verarbeitungseinheit 16, insbesondere von dem Pulsweitenmodulator 17 erzeugten Ansteuersignale sind beispielhaft in den folgenden 3 bis 5 dargestellt.
-
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den in 1 bereits dargestellten Temperatursensor 24. Dargestellt ist der Analog-Digitalwandler 26, welcher ausgangsseitig mit dem Eingang 50 verbunden ist und eingangsseitig mit einem Ausgang 55 der Peak-Hold-Einheit 28. Die Peak-Hold-Einheit 28 ist eingangsseitig mit dem Anschluss 15 verbunden.
-
Die Peak-Hold-Einheit 28 ist ausgebildet, eine an dem Anschluss 15 anliegende Betriebsspannung zu erfassen und einen Spitzenwert der Betriebsspannung zu ermitteln und den Spitzenwert ausgangsseitig am Ausgang 55 auszugeben. Die Peak-Hold-Einheit 28 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine mit dem Anschluss 15 verbundene Diode 54 auf, welche über einen Widerstand 53 in Serie mit dem Ausgang 55 verbunden ist.
-
Die Peak-Hold-Einheit 28 weist auch einen Speicherkondensator 52 auf, welcher mit einem Anschluss mit dem Ausgang 55 und mit einem anderen Anschluss mit dem Masseanschluss 35 verbunden ist. Ein weiterer Ausgangswiderstand 51 ist zu dem Kondensator 52 parallel geschaltet.
-
Die am Ausgangswiderstand 51 abfallende Spannung – bezogen auf den Masseanschluss 35 – kann von dem Analog-Digitalwandler 26 eingangsseitig empfangen und analog-zu-digital gewandelt werden.
-
Die Diode 54 wirkt in der Peak-Hold-Einheit 28 als Gleichrichterdiode. Die Widerstände 53 und 51 bilden zusammen einen Spannungsteiler. Der Ausgangswiderstand 51 ist derart hochohmig ausgebildet, dass eine von dem Kondensator 52 gespeicherte Spannung dem eingangsseitig empfangenen Spitzenwert der Bordnetzspannung, abzüglich der über der Diode 54 und dem Widerstand 53 abfallenden Spannungen entspricht. Ein Widerstandwert des Ausgangswiderstands 51 ist insbesondere größer gewählt als der Widerstandswert des Widerstands 53, so dass eine langsame Entladung des Kondensators 52 bewirkt werden kann.
-
3 zeigt anhand eines Diagramms die zuvor beschriebenen, vom Pulsweitenmodulator 17 erzeugten Ansteuersignale, insbesondere den Rechtecksignalen entsprechenden, von der Leistungsendstufe 14 in 1 erzeugten Spannungspulse, die den Spannungspulsen entsprechenden Ströme in den Statorspulen des Stators 3, den entsprechenden Stromverlauf im Zwischenkreiskondensator 20 der in 1 dargestellten Steuereinheit 2, und die Spannungstransienten der Bordnetzspannung. Die dargestellten Spannungsverläufe repräsentieren dabei durch Spannungsverläufe repräsentierte Ansteuermuster zum Erzeugen von Ansteuersignalen zur Ansteuerung der Transistor-Halbbrücken der Leistungsendstufe 14 in 1. Ein positiver Ausschlag in einem Spannungsverlauf entspricht einer Durchsteuerung eines High-Side-Transistors der Transistor- Halbbrücke, ein negativer Ausschlag in einem Spannungsverlauf entspricht einer Durchsteuerung eines Low-Side-Transistors der Transistor-Halbbrücke. Die Transistor-Halbbrücke ist dabei einer Statorspule zugeordnet und mit dieser ausgangsseitig verbunden.
-
Dargestellt ist ein Spannungsverlauf 60 der Statorspule 6, ein Spannungsverlauf 61 der Statorspule 7, ein Spannungsverlauf 62 der Statorspule 8, ein Spannungsverlauf 63 der Statorspule 9 und ein Spannungsverlauf 64 der Statorspule 10. Die Low-Side-Transistoren der Statorspulen 6, 7 und 8 sind dabei gemeinsam durchgeschaltet, wohingegen die Low-Side-Transistoren der Statorspule 9 und 10 während derselben Halbperiode gesperrt sind. Während einer darauffolgenden Halbperiode sind die Low-Side-Transistoren der Statorspulen 6, 7 und 8 gesperrt, wohingegen die Low-Side-Transistoren der Statorspulen 9 und 10 durchgeschaltet sind.
-
Die dem zuvor beschriebenen Ansteuermuster entsprechenden Ströme sind in den Kurven 65, 66, 67, 68 und 69 der Statorspulen dargestellt, welche jeweils einen dreieckförmigen Verlauf aufweisen. Der Stromverlauf 65 der Statorspule 6, der Stromverlauf 66 der Statorspule 7 und der Stromverlauf 67 der Statorspule 8 befinden sich gemeinsam in Phase. Zu dieser Phase verlaufen die Ströme der übrigen Statorspulen, nämlich der Statorspulenstrom 68 der Statorspule 9 und der Statorspulenstrom 69 der Statorspule 10 um 180 Grad phasenversetzt.
-
Dargestellt ist auch ein Stromverlauf 70 eines durch den Zwischenkreiskondensator 20 in 1 fließenden Stromes. Der Strom durch den Zwischenkreiskondensator steigt demgemäß periodisch sprunghaft an und fällt exponentiell ab. Daraus resultiert eine Spannungswelligkeit der Bordnetzspannung am Anschluss 15, welche durch den Spannungsverlauf 71 dargestellt ist. Die Bordnetzspannung schwankt dabei zwischen 35 und 90 Volt. Der Strom des Zwischenkreiskondensators variiert dabei zwischen minus 20 Ampere und plus 110 Ampere. Der Stromverlauf 70 des Zwischenkreiskondensatorstromes und der Spannungsverlauf 71 der Bordnetzspannung entsprechen dabei einer Umgebungstemperatur von minus 40 Grad. Der Zwischenkreiskondensator 20 in 1 weist dabei ebenfalls die Temperatur minus 40 Grad auf. Dargestellt ist auch ein am Eingang 50 von dem Temperatursensor 24 erzeugter Spitzenspannungswert, repräsentiert von dem Spannungsverlauf 72. Der Spitzenspannungswert kann als Differenz zu einem durch einen Spannungsverlauf 77 repräsentierten Mittelwert der Bordnetzspannung – beispielsweise durch die Verarbeitungseinheit 16 – ermittelt werden. Dazu kann der Spannungssensor 24 in 1, insbesondere die Peak- Hold-Einheit 28 zum Erfassen des Mittelwertes der Bordnetzspannung ausgebildet sein. Der Mittelwert kann beispielsweise mittels eines zusätzlichen R-C- Gliedes der Peak-Hold-Einheit 28 erfasst werden. Das R-C-Glied weist einen Widerstand und einen mit dem Widerstand in Serie geschalteten Kondensator auf, wobei eine über dem Kondensator abfallende Spannung die den Mittelwert repräsentierende Ausgangsspannung bildet.
-
Dargestellt sind auch ein Stromverlauf 73 des Zwischenkreiskondensatorstromes und ein Spannungsverlauf 74 der Bordnetzspannung bei einer Umgebungstemperatur von minus 10 Grad. Der Zwischenkreiskondensatorstrom, präsentiert durch den Stromverlauf 73, schwankt dabei zwischen minus 40 Ampere und plus 90 Ampere. Ein resultierender Mittelwert des Stromverlaufes des Phasenstromes ist Null, so dass ein abgegebenes Drehmoment Null beträgt. Ein Effektivwert des Zwischenkreiskondensatorstromes liegt jedoch in diesem Ausführungsbeispiel bei 25 Ampere. Die Spannungstransienten der Bordnetzspannung, repräsentiert durch den Spannungsverlauf 74, schwanken dabei in Abhängigkeit des Zwischenkreiskondensatorstromverlaufes 73 zwischen 39 Volt und 52 Volt. Ein erfasster Spitzenspannungswert, erzeugt von dem Temperatursensor 24, ist durch den Spannungsverlauf 75 dargestellt. Eine Differenz des erfassten Spitzenspannungswertes von dem tatsächlichen Spitzenspannungswert ergibt sich aus einer Trägheit der in 2 angegebenen Schaltungsanordnung. Einen Mittelwert des Spannungsverlaufes 74 zeigt ein Spannungsverlauf 78.
-
4 zeigt eine Variante eines von der Verarbeitungseinheit 16, insbesondere von dem Pulsweitenmodulator 17 erzeugten Ansteuermusters zum Strom in der Statorspulen des Stators 3, wobei das so erzeugte Ansteuermuster einem stehenden Rotormagnetfeld entspricht. Der Rotor 5 der in 1 dargestellten elektrischen Maschine 1 kann dadurch nicht in eine Drehbewegung versetzt werden. Dargestellt sind ein Spannungsverlauf 60 zur Ansteuerung des Low-Side- Transistors für die Statorspule 6, der Spannungsverlauf 61 des Low-Side- Transistors für die Statorspule 7, der Spannungsverlauf 62 des Low-Side- Transistors für die Statorspule 8, der Spannungsverlauf 63 des Low-Side- Transistors für die Statorspule 9 und der Spannungsverlauf 64 des Low-Side- Transistors für die Statorspule 10. Dargestellt ist auch ein Spannungsverlauf 76 eines High-Side-Transistors der Statorspule 6, ein Spannungsverlauf 77 des High-Side-Transistors für die Statorspule 7, ein Spannungsverlauf 78 des High- Side-Transistors für die Statorspule 8, ein Spannungsverlauf 79 des High-Side- Transistors für die Statorspule 9 und ein Spannungsverlauf 80 des High-Side- Transistors für die Statorspule 10.
-
Die mit dem Diagramm in 4 dargestellten Ansteuermuster entsprechen hinsichtlich der Phasenbeziehungen der Ansteuersignale für die Statorspulen des Stators 3 in 1 denen, wie bereits in 3 dargestellt, mit dem Unterschied, dass die High-Side-Transistoren während eines durchgeschalteten Zustandes nur zur Hälfte einer Halbperiode, also während eines Viertels einer ganzen Periode, durchgeschaltet sind.
-
Die in 1 dargestellte Verarbeitungseinheit 16 ist dazu ausgebildet, den High-Side-Anteil der Ansteuersignale in Abhängigkeit des eingangsseitig empfangenen Temperatursignals, welches die Temperatur des Zwischenkreiskondensators repräsentiert, zu ändern, insbesondere zwischen 50 Prozent und 100 Prozent einer Halbperiode einzustellen. Mit Einstellung von 100 Prozent geht das Ansteuermuster gemäß 4 in ein Ansteuermuster gemäß 3 über.
-
Die Verkürzung des Einschaltzeitintervalls der High-Side-Transistoren während einer Halbperiode der gepulsten Ansteuerung bewirkt eine Begrenzung der Ströme durch die Statorspulen, und somit auch eine Begrenzung des Stroms durch den Zwischenkreiskondensator, repräsentiert durch den Kurvenverlauf 70 in 4.
-
Die Stromverläufe 65, 66, 67, 68 und 69 der Statorspulenströme weisen jeweils in Abhängigkeit des durch die zuvor beschriebenen Spannungsverläufe entsprechenden Ansteuermusters einen begrenzten, abgeflachten Scheitelwert auf. Der Strom durch den Zwischenkreiskondensator, repräsentiert durch die Kurve 70 in 4, schwankt zwischen minus 35 und plus 42 Ampere. Mittels der so gebildeten pulsweitenmodulierten Ansteuersteuerung der High-Side-Transistoren kann der Strom durch den Zwischenkreiskondensator in Abhängigkeit des Temperatursignals durch die Verarbeitungseinheit geregelt sein.
-
Die Spannungstransienten der Bordnetzspannung, repräsentiert durch den Spannungsverlauf 71 in 4, schwanken dabei zwischen 41,3 Volt und 49 Volt. Dargestellt ist auch der von dem Temperatursensor 24 in 1 erfasste Spitzenwert der Bordnetzspannung, repräsentiert durch den Spannungsverlauf 72.
-
Anders als in 4 dargestellt, kann eine Regelung des Stromes des Zwischenkreiskondensators auch durch eine Phasenverschiebung der Ansteuermuster, repräsentiert durch die Spannungsverläufe 60 und 61 in 3 im Vergleich zu den Ansteuermustern für die übrigen Statorspulen – gesteuert durch die Verarbeitungseinheit 16 in 1 – erfolgen.
-
Das bewirkt eine Regelung des Zwischenkreisstromes bis hin zu einem gleichzeitigen Durchschalten oder Sperren aller Statorspulen, bei dem kein Drehmoment erzeugt wird aber auch kein Zwischenkreisstrom fließt.
-
5 zeigt eine Variante von Ansteuersignalen, welche von der Verarbeitungseinheit 16 erzeugt worden sind, repräsentiert durch die Spannungsverläufe der zuvor beschriebenen High-Side- und Low-Side-Transitoren für die Statorspulen 6, 7, 8, 9 und 10 des Stators 3 der elektrischen Maschine 1 in 1.
-
Die Spannungsverläufe mit denselben Bezugszeichen wie in 4 entsprechen dabei dem Spannungsverlauf des entsprechenden High-Side-Transistors beziehungsweise Low-Side-Transistors.
-
Die Verarbeitungseinheit 16 ist ausgebildet, eine Ansteuerfrequenz der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale, insbesondere mittels des Pulsweitenmodulators 17, zu verändern. 5 zeigt die Ansteuersignale, welche im Vergleich zu den Ansteuersignalen in 3 die halbe Frequenz aufweisen. Die Frequenzhalbierung der Ansteuersignale bewirkt ein Ansteigen der Statorspulenströme, gezeigt durch die Kurven der Statorspulenströme 65, 66, 67, 68 und 69, welche im Vergleich zu den Statorspulenströmen bei der Ansteuerung gemäß 3 jeweils den doppelten Spitzenwert aufweisen. Der Strom durch den Zwischenkreiskondensator, repräsentiert durch den Stromverlauf 70 in 5, schwankt dabei zwischen 60 Ampere und 240 Ampere, eine Effektivwert liegt bei 70 Ampere. Ein resultierender Mittelwert des Stromverlaufes der Statorspulenströme ist Null, so dass ein abgegebenes Drehmoment Null beträgt. Die Spannungstransienten der Betriebsspannung, repräsentiert durch den Spannungsverlauf 71, schwanken dabei zwischen 36 Volt und 62 Volt.
-
Die Verarbeitungseinheit 16 in 1 ist beispielsweise ausgebildet, die Frequenz der pulsweitenmodulierten Ansteuerung in Abhängigkeit der Spannungstransienten der über dem Zwischenkreiskondensator abfallenden Spannung zu verändern. Beispielsweise kann dabei ein vorbestimmter Spitzenwert der Spannungstransienten nicht überschritten werden. Dementsprechend ergibt sich ein unterer Wert für eine Ansteuerfrequenz, welcher einem Höchstwert der Spitzenspannung der Spannungstransienten entspricht. Mittels einer so begrenzten Regelung kann vorteilhaft mittels der Verarbeitungseinheit 16 in 1 ein zu hohes Ansteigen der Spannungstransienten während eines Regelungsvorganges verhindert werden, sodass elektronische Bauteile der Steuereinheit oder der elektrischen Maschine 1 durch die Spitzenwerte der Spannungstransienten nicht zerstört werden können.
