DE102013213045A1

DE102013213045A1 - Vermeidung von Bremsmomenten bei permanenterregten Synchronmaschinen

Info

Publication number: DE102013213045A1
Application number: DE102013213045.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gross
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-01-08
Also published as: WO2015000669A1

Abstract

Die Beschreibung umfasst ein Verfahren zur Ansteuerung einer mehrphasigen Endstufe einer permanenterregten Elektromaschine 6, wobei die Elektromaschine 6 zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehen ist, wobei die Endstufe Leistungsschalterpaare umfasst mit jeweils einem ersten Leistungsschalter 1 und jeweils einem zweiten Leistungsschalter 2, die in Serie geschaltet sind, wobei der erste Leistungsschalter 1 mit einer Gleichspannung UBAT verbunden ist und der zweite Leistungsschalter 2 mit einem Bezugspotential GND der Gleichspannung UBAT verbunden ist, wobei jeweilige Knotenpunkte des ersten mit dem zweiten Leistungsschalter 1, 2 mit jeweiligen Phasensträngen U, V, W der permanenterregten Elektromaschine 6 verbunden sind, umfassend die Schritte: Feststellen, ob ein unerwünschtes Bremsmoment auf das Fahrzeug aufgrund einer Generatorwirkung der Elektromaschine 6 wirkt, falls ja: Feststellen eines ersten Zeitpunkts T2 zu dem das nächste Spannungsmaximum zwischen zwei Phasensträngen U, V, W eintritt, zum ersten Zeitpunkt T2: Kurzschließen der beiden Phasenstränge U, V, W, Feststellen eines zweiten Zeitpunkts T3 bei dem der Rotor der Elektromaschine 6 elektrisch um 90° nach dem ersten Zeitpunkt T2 weitergedreht ist und zum zweiten Zeitpunkt T3: Überführen der Endstufe in einen Kurzschlussmodus.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer mehrphasigen Endstufe einer permanenterregten Elektromaschine, eine Steuerungseinheit für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Stand der Technik sind permanenterregte Synchronmaschinen bekannt, die sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit auszeichnen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wird eine permanenterregte Synchronmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt und weist dieses Fahrzeug eine hohe Geschwindigkeit auf und fällt ferner die Regelung der Synchronmaschine aus, kann sich durch Rückspeisen elektrischer Energie (die Synchronmaschine arbeitet als Generator) ein unerwünschtes Bremsmoment ergeben. Plötzlich und unkontrolliert auftretende Bremsmomente eines von einer Synchronmaschine angetriebenen Fahrzeugs können die Fahrsicherheit gefährden und müssen daher verhindert bzw. zumindest begrenzt werden.
Ein Rückspeisen und dadurch unerwünschtes Bremsen kann durch das Kurzschalten der Endstufe/des Wechselrichters der Synchronmaschine verhindert werden. Dadurch kann außerdem ein ungewolltes Ansteigen der Zwischenkreisspannung vermieden werden, so dass keine Überspannung auftritt.
Allerdings können sich durch das Kurzschließen Einschwingvorgänge ergeben, die zu hohen transienten Strömen führen. Diese transienten Ströme können die Grenzwerte der Leistungsschalter der Endstufe/des Wechselrichters übersteigen und diese zerstören bzw. deren Lebensdauer erheblich verkürzen.
Eine Aufgabe ist daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das bei mehrphasigen Elektromaschinen zum Antrieb von Fahrzeugen unerwünschte Bremsmomente mindert bzw. vermeidet und dennoch eine Schädigung bzw. eine Zerstörung der Leistungsschalter des Wechselrichters der Elektromaschine verhindert.
Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer mehrphasigen Endstufe einer permanenterregten Elektromaschine zur Verfügung gestellt, wobei die Elektromaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehen ist, wobei die Endstufe Leistungsschalterpaare umfasst mit jeweils einem ersten Leistungsschalter und jeweils einem zweiten Leistungsschalter, die in Serie geschaltet sind, wobei der erste Leistungsschalter mit einer Gleichspannung verbunden ist und der zweite Leistungsschalter mit einem Bezugspotential der Gleichspannung verbunden ist, wobei jeweilige Knotenpunkte des ersten mit dem zweiten Leistungsschalter mit jeweiligen Phasensträngen der permanenterregten Elektromaschine verbunden sind, umfassend die Schritte: Feststellen, ob ein unerwünschtes Bremsmoment auf das Fahrzeug aufgrund einer Generatorwirkung der Elektromaschine wirkt, falls ja: Feststellen eines ersten Zeitpunkts zu dem das nächste Spannungsmaximum zwischen zwei Phasensträngen eintritt, zum ersten Zeitpunkt: Kurzschließen der beiden Phasenstränge, Feststellen eines zweiten Zeitpunkts bei dem der Rotor der Elektromaschine elektrisch um 90° nach dem ersten Zeitpunkt weitergedreht ist und zum zweiten Zeitpunkt: Überführen der Endstufe in einen Kurzschlussmodus.
Durch das erfindungsgemäße gestaffelte Kurzschlussverfahren können überhöhte Strangströme durch Transientenströme verhindert werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass keine zu hohen Ströme an den Leistungsschaltern der betreffenden Endstufe/des Wechselrichters der Synchronmaschine anliegen und diese zerstören.
Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird eine Steuerungseinheit für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, wobei die Steuerungseinheit derart ausgelegt ist, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Als dritte Ausführungsform der Erfindung wird ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, aufweisend eine Steuerungseinheit nach Anspruch 7.
Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, ferner umfassend den Schritt: Feststellen, ob ein unerwünschtes Bremsmoment auf das Fahrzeug aufgrund einer Generatorwirkung der Elektromaschine wirkt durch Messen, ob ein Strom aus der Elektromaschine fließt.
Durch das Bestimmen der Stromrichtung kann auf einfache Weise festgestellt werden, ob ein unerwünschtes Bremsmoment auftreten kann.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei im Kurzschlussmodus sämtliche ersten Leistungsschalter geöffnet sind und sämtliche zweiten Leistungsschalter geschlossen sind oder wobei sämtliche ersten Leistungsschalter geschlossen sind und sämtliche zweiten Leistungsschalter geöffnet sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, ferner umfassend den Schritt: Feststellen der Lage des Rotors der Elektromaschine durch einen Positionssensor zum Bestimmen des ersten Zeitpunkts.
Durch die Anordnung eines Lagesensors an dem Rotor der permanenterregten Synchronmaschine kann auf zuverlässige Weise die Rotorposition bestimmt werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die Elektromaschine drei Phasen umfasst.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die Leistungsschalter Power-Mosfets oder IGBTs sind.
Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, beim Kurzschließen der Phasenstränge einer Elektromaschine das Entstehen von transienten Strömen zu vermeiden. Hierzu werden bei einem erfindungsgemäßen Kurzschlussvorgang nicht gleichzeitig sämtliche Phasenstränge kurzgeschlossen, sondern zunächst nur zwei Phasenstränge und darauffolgend die restlichen Phasenstränge, wodurch sich ein gestaffelter Kurzschlussvorgang ergibt.
Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen
1 einen Wechselrichter/eine Endstufe zur Ansteuerung einer permanenterregten Synchronmaschine,
2 Leiterspannungsverläufe U_UV, U_VW, U_WU einer permanenterregten Synchronmaschine bei einem gleichzeitigen allphasigen Kurzschluss,
3 Strangstromverläufe i_U, i_V, i_W einer permanenterregten Synchronmaschine bei einem gleichzeitigen allphasigen Kurzschluss,
4 Leiterspannungsverläufe U_UV, U_VW, U_WU einer permanenterregten Synchronmaschine bei einem gestaffelten Kurzschluss,
5 Strangstromverläufe i_U, i_V, i_W einer permanenterregten Synchronmaschine bei einem gestaffelten Kurzschluss.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt einen Wechselrichter zur Ansteuerung einer permanenterregten Synchronmaschine 6 mit Leistungsschaltern 1 Highside und Leistungsschaltern Lowside 2 zur Beschaltung der Strangleitungen U, V, W.
2 zeigt die drei sinusförmigen Klemmenspannungen U_UV, U_VW, U_WU an den Phasensträngen U, V, W bis zu einem Zeitpunkt T₁. Ab dem Zeitpunkt T₁ werden die Phasenstränge U, V, W kurzgeschlossen und die Klemmenspannungen U_UV, U_VW, U_WU sind gleich Null.
3 zeigt die Ströme i_U, i_V, i_W 7, 8, 9 in den einzelnen Phasen U, V, W, wobei die Strangströme i_U, i_V, i_W 7, 8, 9 bis zum Zeitpunkt T₁ Null sind. Zum Zeitpunkt T₁ werden die Phasenstränge U, V, W kurzgeschlossen und es ergibt sich ab diesem Zeitpunkt T₁ ein Einschwingvorgang, wodurch sich transiente Ströme ergeben. Diese transienten Ströme führen zu Überhöhungen der resultierenden Strangströme i_U, i_V, i_W 7, 8, 9. Die Strangströme i_U, i_V, i_W 7, 8, 9 können in der Übergangsphase so hoch sein, dass die Stromtragfähigkeit der Leistungsschalter des Wechselrichters überschritten wird. Als Folge können die Leistungsschalter zerstört werden bzw. ihre Lebensdauer kann erheblich verkürzt werden.
4 zeigt analog wie in 2 die drei sinusförmigen Klemmenspannungen U_UV, U_VW, U_WU an den Phasensträngen U, V, W bis zu einem Zeitpunkt T₂. Ab dem Zeitpunkt T₂ werden zwei Phasenstränge U, V, W miteinander kurzgeschlossen, und zwar diejenigen bei denen die Klemmenspannung ein Spannungsmaximum aufweist. Ab dem Zeitpunkt T₃ werden sämtliche Phasenstränge kurzgeschlossen und die Klemmenspannungen U_UV, U_VW, U_WU sind gleich Null. Der Zeitpunkt T₃ kann insbesondere definiert werden als der Zeitpunkt zu dem der Rotor der Synchronmaschine genau elektrisch 90° nach T₂ weitergedreht ist.
5 zeigt die Strangströme i_U, i_V, i_W 10, 11, 12 in den einzelnen Phasen U, V, W, wobei die Ströme i_U, i_V, i_W 10, 11, 12 bis zum Zeitpunkt T₂ Null sind. Ab dem Zeitpunkt T₂ bis zum Zeitpunkt T₃ liegt eine Übergangsphase vor, bei der erfindungsgemäß zwei Phasenstränge U, V, W miteinander kurzgeschlossen sind. Hierdurch ergibt sich, dass ein Strangstrom i_U, i_V, i_W 10, 11, 12 Null bleibt. Insbesondere wird sichergestellt, dass die Strangströme i_U, i_V, i_W 10, 11, 12 keine Überhöhungen aufweisen. Nach dem Zeitpunkt T₃ werden sämtliche Phasenstränge kurzgeschlossen, wodurch der konventionelle Kurzschlussmodus realisiert wird.
Das Kurzschließen kann durch das Ansteuern der entsprechenden Leistungsschalter der Endstufe erfolgen, wobei für einen allphasigen Kurzschluss sämtliche Highside- oder sämtliche Lowside-Leistungsschalter kurzgeschlossen werden.
Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
Bezugszeichenliste

1: Leistungsschalter Highside
2: Leistungsschalter Lowside
3: Freilaufdioden
4: Kondensator
5: Kondensator
6: permanenterregte Synchronmaschine
7: erster Strangstrom bei einem Kurzschlussverfahren nach dem Stand der Technik
8: zweiter Strangstrom bei einem Kurzschlussverfahren nach dem Stand der Technik
9: dritter Strangstrom bei einem Kurzschlussverfahren nach dem Stand der Technik
10: erster Strangstrom bei einem erfindungsgemäßen Kurzschlussverfahren
11: zweiter Strangstrom bei einem erfindungsgemäßen Kurzschlussverfahren
12: dritter Strangstrom bei einem erfindungsgemäßen Kurzschlussverfahren
T₁: Zeitpunkt zu dem ein gleichzeitiger allphasiger Kurzschluss vorgenommen wird
T₂: Zeitpunkt zu dem ein gestaffelter Kurzschluss mit dem Kurzschließen von nur zwei
T₃: Zeitpunkt zu dem der gestaffelte Kurzschluss durch allphasigen Kurzschluss fortgeführt wird
U: erster Phasenstrang
V: zweiter Phasenstrang
W: dritter Phasenstrang

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer mehrphasigen Endstufe einer permanenterregten Elektromaschine (6), wobei die Elektromaschine (6) zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehen ist, wobei die Endstufe Leistungsschalterpaare umfasst mit jeweils einem ersten Leistungsschalter (1) und jeweils einem zweiten Leistungsschalter (2), die in Serie geschaltet sind, wobei der erste Leistungsschalter (1) mit einer Gleichspannung U_BAT verbunden ist und der zweite Leistungsschalter (2) mit einem Bezugspotential GND der Gleichspannung U_BAT verbunden ist, wobei jeweilige Knotenpunkte des ersten mit dem zweiten Leistungsschalter (1, 2) mit jeweiligen Phasensträngen (U, V, W) der permanenterregten Elektromaschine (6) verbunden sind, umfassend die Schritte: Feststellen, ob ein unerwünschtes Bremsmoment auf das Fahrzeug aufgrund einer Generatorwirkung der Elektromaschine (6) wirkt, falls ja: Feststellen eines ersten Zeitpunkts (T₂) zu dem das nächste Spannungsmaximum zwischen zwei Phasensträngen (U, V, W) eintritt, zum ersten Zeitpunkt (T₂): kurzschließen der beiden Phasenstränge (U, V, W), Feststellen eines zweiten Zeitpunkts (T₃) bei dem der Rotor der Elektromaschine (6) elektrisch um 90° nach dem ersten Zeitpunkt (T₂) weitergedreht ist und zum zweiten Zeitpunkt (T₃): überführen der Endstufe in einen Kurzschlussmodus.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt: Feststellen, ob ein unerwünschtes Bremsmoment auf das Fahrzeug aufgrund einer Generatorwirkung der Elektromaschine (6) wirkt durch Messen, ob ein Strom aus der Elektromaschine (6) fließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei im Kurzschlussmodus sämtliche ersten Leistungsschalter (1) geöffnet sind und sämtliche zweiten Leistungsschalter (2) geschlossen sind oder wobei sämtliche ersten Leistungsschalter (1) geschlossen sind und sämtliche zweiten Leistungsschalter (2) geöffnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt: Feststellen der Lage des Rotors der Elektromaschine (6) durch einen Positionssensor zum Bestimmen des ersten Zeitpunkts (T₂).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektromaschine (6) drei Phasen (U, V, W) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistungsschalter (1, 2) Power-Mosfets oder IGBTs sind.
Steuerungseinheit für ein Fahrzeug, wobei die Steuerungseinheit derart ausgelegt ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Fahrzeug, aufweisend eine Steuerungseinheit nach Anspruch 7.