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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebstranges nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Außerdem umfasst die Erfindung eine Ansteuereinrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
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Bei einem zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug, beispielsweise einem Hybridfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug, wird eine elektrische Maschine von einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einem Akkumulator, über einen Umrichter mit elektrischer Energie versorgt. In bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise bei einer Bergabfahrt und/oder beim Bremsen des Kraftfahrzeuges kann eine Rekuperation vorgesehen sein, das bedeutet, dass die elektrische Maschine als Generator betrieben wird und den elektrischen Energiespeicher auflädt. Dabei kann eine Wechselspannung auf einer oder mehreren Wicklungen beziehungsweise Phasensträngen, insbesondere auch drei Phasensträngen, durch die elektrische Maschine erzeugt werden. Diese Spannung wird durch den Umrichter, beispielsweise ein Inverter oder ein Stromrichter, in eine Gleichspannung, insbesondere eine Hochvoltgleichspannung, umgewandelt und in die Batterie eingespeist. Damit Strom von der elektrischen Maschine über den Umrichter in den elektrischen Energiespeicher fließt, muss die Spannung im Zwischenkreis höher als die Spannung des elektrischen Energiespeichers sein. Üblicherweise weist ein Umrichter für eine elektrische Maschine für jeden Phasensträngen einen oberen Schalter und einen unteren Schalter mit jeweils einer parallel geschalteten Freilaufdiode auf. Im Falle einer Drehstrommaschine mit drei Phasensträngen umfasst der Umrichter also drei obere Schalter sowie drei untere Schalter.
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Die Ankopplung des elektrischen Energiespeichers an den Hochvoltzwischenkreis kann über ein Trennelement, insbesondere einen oder mehrere Schütze, realisiert sein. Aufgrund der relativ hohen Spannung im Zwischenkreis ist der Abstand zur zulässigen maximalen Spannung, beispielsweise dem Spannungslevel HV2b, gering. Wird nun, beispielsweise im Falle einer Kollision, das Trennelement, insbesondere der eine oder die mehreren Schütze, während des Rekuperierens geöffnet, um einen sicheren Zustand zu erreichen, wird gemäß dem Stand der Technik ein sogenannter Six Switch Open-Zustand bei einer Asynchronmaschine oder ein aktiver Kurzschluss bei einer permanenterregten Synchronmaschine über den Umrichter eingestellt. Als Six Switch Open-Zustand wird auch im Deutschen der geöffnete Zustand aller oberen und unteren Schalter bezeichnet.
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Wird eine Asynchronmaschine beispielsweise aufgrund eines Defekts am elektrischen Energiespeicher oder aufgrund einer Kollision von dem elektrischen Energiespeicher durch Öffnen des Trennelementes abgekoppelt, so werden gemäß dem Stand der Technik auch die drei oberen Schalter sowie die drei unteren Schalter geöffnet. Aufgrund der im Magnetfeld des Stators gespeicherten magnetischen Energie und einer Selbstinduktion der Wicklungen des Stators steigt die Zwischenkreisspannung daraufhin sehr schnell an, weil für eine Spannungsdämpfung aufgrund des getrennten elektrischen Energiespeichers nur noch eine Kapazität des Zwischenspeichers, beispielsweise realisiert durch Kondensatoren, zur Verfügung steht.
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Wird eine Synchronmaschine beispielsweise aufgrund eines Defekts am elektrischen Energiespeicher oder aufgrund einer Kollision von dem elektrischen Energiespeicher durch Öffnen des Trennelementes abgekoppelt, so werden entweder die oberen Schalter oder die unteren Schalter in ihren geschlossenen Zustand überführt und auf diese Weise der aktive Kurzschluss eingestellt. Aufgrund des aktiven Kurzschlusses erfolgt kein Spannungseintrag mehr in den Hochvoltzwischenkreis, es ergibt sich jedoch eine besonders hohe thermische Belastung der elektrischen Maschine und des Umrichters aufgrund des Kurzschlussstroms. Würde die Maschine in den Six Switch Open-Zustand überführt wie im Falle der Asynchronmaschine, wären ebenfalls hohe Überspannungen zu erwarten.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebstranges bereitzustellen, mittels welchem sowohl hohe Spannungen als auch hohe Ströme in der elektrischen Maschine und/oder dem Umrichter beim Öffnen des Trennelementes vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Außerdem wird diese Aufgabe gelöst durch eine Ansteuereinrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Um ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mittels welchem das Auftreten hoher Spannungen und/oder hoher Ströme beim Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Umrichter und dem elektrischen Energiespeicher vermieden werden kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der aktive Kurzschluss der Wicklung unterbrochen wird, wenn ein der Wicklung zugeordneter Stromfluss einen Nulldurchgang ausführt. Im Zuge eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird, beispielsweise aufgrund eines Defekts am elektrischen Energiespeicher oder aufgrund einer Kollision, zunächst eine elektrische Verbindung zwischen dem Umrichter und einem elektrischen Energiespeicher getrennt. Um das Auftreten einer hohen Spannung zu vermeiden, wird außerdem ein aktiver Kurzschluss durch Kurzschließen einer Wicklung der elektrischen Maschine eingeleitet. Zusätzlich wird ein der Wicklung zugeordneter Stromfluss ermittelt. Der aktive Kurzschluss wird nun solange beibehalten, bis der der Wicklung zugeordnete Stromfluss einen Nulldurchgang ausführt. Sobald der der Wicklung zugeordnete Stromfluss einen Nulldurchgang ausführt, wird der aktive Kurzschluss unterbrochen. Je nach Betriebszustand der elektrischen Maschine, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Drehzahl, einer induzierten Spannung oder eines induzierten Stromes, kann es vorteilhaft sein, den aktiven Kurzschluss bei einem ersten Nulldurchgang des Stromflusses zu unterbrechen oder den aktiven Kurzschluss erst bei einem späteren Nulldurchgang des der Wicklung zugeordneten Stromflusses zu unterbrechen. Dadurch, dass erfindungsgemäß zunächst ein aktiver Kurzschluss eingeleitet wird, wird das Auftreten einer unzulässig hohen Spannung im Hochvoltzwischenkreis vermieden. Durch Unterbrechen des aktiven Kurzschlusses im Nulldurchgang des der Wicklung zugeordneten Stromflusses wird eine thermische Schädigung der elektrischen Maschine und/oder des Umrichters aufgrund des hohen Kurzschlussstromes vermieden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die elektrische Maschine mehrere Wicklungen und Phasensträngen mit jeweils einem zugeordneten Phasenstrom auf und der aktive Kurzschluss wird für jede der Wicklungen beim Nulldurchgang des jeweiligen Phasenstroms unterbrochen. Insbesondere wird zuerst der aktive Kurzschluss für eine erste Wicklung unterbrochen und anschließend der aktive Kurzschluss für eine zweite Wicklung und anschließend/gleichzeitig der aktive Kurzschluss für eine dritte Wicklung unterbrochen. Mit anderen Worten wird der aktive Kurzschluss für jede der Wicklungen genau dann unterbrochen, wenn der Stromfluss gerade 0 Ampere beträgt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Schütz vorgesehen, der zum Trennen der elektrischen Verbindung zwischen dem Umrichter und dem elektrischen Energiespeicher geöffnet wird. Hierdurch lassen sich die hohen übertragenen Leistungen im Zwischenkreis zuverlässig schalten.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der aktive Kurzschluss der Wicklung maximal für eine vordefinierte Zeitdauer beibehalten wird. Diese vordefinierte Zeitdauer kann daran bemessen sein, wie lange ein aktiver Kurzschluss aufrechterhalten werden kann, ohne eine Komponente, insbesondere die elektrische Maschine oder den Umrichter, aufgrund des hohen Kurzschlussstromes und daraus resultierender Erwärmung stromführender Komponenten zu schädigen. Andererseits kann durch Ausnutzen der vordefinierten Zeitdauer eine Bremswirkung der elektrischen Maschine maximiert werden und eine starke Abregung eines Statormagnetfelds einer Asynchronmaschine erreicht werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine drei Wicklungen und der Umrichter drei Phasenstränge mit jeweils zwei Schaltern umfasst und nach Ablauf der vordefinierten Zeitdauer alle Schalter des Umrichters geöffnet sind. Bei einer elektrischen Maschine mit drei Phasensträngen handelt es sich insbesondere um eine Drehstrommaschine. Jeweils ein Schalter eines Phasenstrangs stellt einen oberen Schalter dar, während der andere Schalter des jeweiligen Phasenstrangs einen unteren Schalter darstellt. Zum Einleiten eines aktiven Kurzschlusses ist insbesondere vorgesehen, dass entweder alle oberen Schalter oder alle unteren Schalter geschlossen werden. Werden die unteren Schalter geschlossen, so bleiben die oberen Schalter geöffnet und umgekehrt. Vorzugsweise wird in dieser Ausführungsform der Erfindung nach Einleitung eines aktiven Kurzschlusses zunächst ein geschlossener Schalter eines Phasenstrangs geöffnet, wenn der jeweilige Phasenstrom einen Nulldurchgang ausführt. Ein zweiter geschlossener Schalter eines zweiten Phasenstrangs wird dann geöffnet, wenn der korrespondierende zweite Phasenstrom einen Nulldurchgang ausführt. Ein dritter Schalter eines dritten Phasenstrangs wird dann geöffnet, wenn sein korrespondierender Phasenstrom einen Nulldurchgang ausführt. In einer Ausführungsform der Erfindung verändert sich eine Phasenbeziehung des zweiten Phasenstrangs und des dritten Phasenstrangs nach Unterbrechen des aktiven Kurzschlusses des ersten Phasenstrangs dahingehend, dass der Nulldurchgang des zweiten Phasenstroms und des dritten Phasenstroms gleichzeitig stattfindet. Dann können der zweite und der dritte Schalter gleichzeitig geöffnet werden.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch eine Ansteuereinrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten, bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäße Ansteuereinrichtung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine Schaltungsanordnung mit einem elektrischen Energiespeicher, einem Umrichter und einer elektrischen Maschine; und
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2 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt exemplarisch eine Schaltungsanordnung mit einem elektrischen Energiespeicher 8, einem Umrichter 16 sowie einer elektrischen Maschine 14, wobei die elektrische Maschine 14 dazu ausgebildet ist, in einem Schubbetrieb der elektrischen Maschine 14 über den Umrichter 16 zu rekuperieren, das bedeutet, der elektrische Energiespeicher 8 wird von der elektrischen Maschine 14 mit Energie versorgt. Die elektrische Maschine 14 ist eine Drehstrommaschine und weist daher drei verschiedene Phasenstränge U, V, W auf. Der Umrichter 16 verbindet die drei Phasenstränge U, V, W der elektrischen Maschine 14 jeweils über einen oberen Schalter S1, S2, S3 und einen unteren Schalter S4, S5, S6 mit dem elektrischen Energiespeicher 8. Jedem der Schalter S1 bis S6 ist eine Freilaufdiode 12 in Parallelschaltung beigeordnet. Um beispielsweise in einem Fehlerfall den elektrischen Energiespeicher 8 von der elektrischen Maschine 14 abzukoppeln, sind zwischen dem elektrischen Energiespeicher 8 und dem Umrichter 16 zwei Schütze 10 vorgesehen.
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Im Falle eines Defekts am elektrischen Energiespeicher 8, aufgrund einer Kollision oder aufgrund eines Betriebszustandes, insbesondere der Forderung nach Momentenfreiheit der elektrischen Maschine 14, werden die Schütze 10 geöffnet und somit der elektrische Energiespeicher 8 vom Umrichter 16 und der elektrischen Maschine 14 getrennt. Um ein starkes Ansteigen der Spannung in einem Hochvoltbordnetz und insbesondere auch im Umrichter 16 zu vermeiden, werden sowohl im Falle einer Synchronmaschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, als auch im Falle einer Asynchronmaschine entweder alle oberen Schalter S1, S2, S3 oder alle unteren Schalter S4, S5, S6 in den geschlossenen Zustand kommandiert und hierdurch ein aktiver Kurzschluss eingeleitet. Die Wicklungen der elektrischen Maschine 14 mit den drei Phasensträngen U, V, W sind somit kurzgeschlossen. Der resultierende hohe Kurzschlussstrom in den Wicklungen des Elektromotors 14 sowie im Umrichter 16 kann dabei hohe Temperaturen und eine thermische Schädigung hervorrufen. Aus diesem Grund ist erfindungsgemäß vorgesehen, den aktiven Kurzschluss eines Phasenstrangs W durch Öffnen des ihr zugeordneten, geschlossenen Schalters S1 beziehungsweise S4 zu unterbrechen, sobald ein Stromfluss des Phasenstrangs W einen Nulldurchgang ausführt. Zum Ermitteln des Stromflusses in den Phasensträngen U, V, W ist für jeden der Phasensträngen U, V, W eine Ermittlungseinheit 18 vorgesehen. Durch Öffnen des geschlossenen Schalters S1 beziehungsweise S4 verändert sich die Phasenbeziehung der Stromflüsse in den beiden noch kurzgeschlossenen Phasensträngen U, V auf 180 Grad. Sobald die Stromflüsse der beiden Phasenstränge U, V nun gleichzeitig einen Nulldurchgang ausführen, werden die beiden geschlossenen Schalter S2, S3 beziehungsweise S5, S6 ebenfalls geöffnet.
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Die Wicklungen der elektrischen Maschine 14 weisen eine Induktivität auf, wobei die Induktivität durch Selbstinduktion Veränderungen des Stromflusses durch Selbstinduktion verlangsamt. Werden beispielsweise die Schütze 10 sowie die Schalter S1 bis S6 geöffnet, so ergibt sich aufgrund der Selbstinduktion durch die Induktivität der Wicklungen der elektrischen Maschine 14 eine hohe Spannung im Hochvoltbordnetz und insbesondere auch im Wechselrichter 16. Dadurch, dass gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens die Schalter S1, S2, S3 dann geöffnet werden, wenn der Stromfluss in den Phasensträngen W, V, U einen Nulldurchgang ausführt, kann das Auftreten hoher Spannungen aufgrund einer Selbstinduktion wirkungsvoll vermieden werden. Der aktive Kurzschluss wird dabei insbesondere nur solange aufrechterhalten, dass die Schalter S1, S2, S3, die Freilaufdioden 12 und alle weiteren Bauteile des Umrichters 16 sowie der elektrischen Maschine 14 nicht geschädigt werden.
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2 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehreren Verfahrensschritten V1 bis V5. Zunächst wird in dem Verfahrensschritt V1, beispielsweise aufgrund eines Betriebszustandes der elektrischen Maschine 14 oder des elektrischen Energiespeichers 8 oder aufgrund einer Kollision, die elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher 8 und der elektrischen Maschine 14 zwischen der elektrischen Maschine 8 und dem Umrichter 16 durch Öffnen der Schütze 10 unterbrochen. Um einen daraus resultierenden hohen Anstieg der Spannung im Umrichter 16 zu vermeiden, werden alle oberen Schalter S1, S2, S3 in den geschlossenen und alle unteren Schalter S4, S5, S6 in den offenen Zustand kommandiert, wobei auch eine umgekehrte Kommandierung der oberen Schalter S1, S2, S3 in den offenen und der unteren Schalter S4, S5, S6 in den geschlossenen Zustand möglich ist. Dadurch werden die drei Phasenstränge U, V, W der elektrischen Maschine 14 kurzgeschlossen. In einem Verfahrensschritt V3, der sich über den gesamten Betrieb der Maschine erstrecken kann, wird ein Stromfluss der drei Phasenstränge U, V, W ermittelt. Wenn ein erster Stromfluss eines ersten Phasenstrangs W seinen Nulldurchgang ausführt, wird in einem Verfahrensschritt V3 der mit dem Phasenstrang W korrespondierende Schalter S1 geöffnet. Dies kann gleich beim ersten Nulldurchgang des Stromes des Phasenstrangs W geschehen, es ist jedoch auch möglich, den aktiven Kurzschluss eine längere Zeit aufrechtzuerhalten, beispielsweise bis ein Statormagnetfeld der elektrischen Maschine 14 hinreichend abgeregt ist, um eine weitere Induktion durch das Rotieren eines Rotors einzudämmen. Vorzugsweise wird darauf geachtet, dass die Zeitspanne des aktiven Kurzschlusses hinreichend kurz ist, um Beschädigungen der elektrischen Maschine 14 und/oder des Umrichters 16 zu vermeiden. Nach dem Abschalten des ersten Phasenstrangs W durch Öffnen des Schalters S1 werden in einem folgenden Verfahrensschritt V5 die weiteren Schalter S2, S3 der weiteren Phasenstränge V, U geöffnet, wenn die korrespondierenden Stromflüsse der Phasenstränge V, U ihren Nulldurchgang ausführen. Hierfür können auch mehrere Verfahrensschritte V5 vorgesehen sein, wenn mehrere weitere Phasenstränge V, U vorhanden sind, und/oder die Stromflüsse der mehreren weiteren Phasenstränge V, U ihren Nulldurchgang nicht gleichzeitig ausführen.
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Bezugszeichenliste
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- 8
- elektrischer Energiespeicher
- 10
- Schütz
- 12
- Freilaufdiode
- 14
- elektrische Maschine
- 16
- Umrichter
- 18
- Ermittlungseinheit
- S1, S2, S3
- obere Schalter
- S4, S5, S6
- untere Schalter
- U, V, W
- Phasen
- V1
- Trennen einer elektrischen Verbindung
- V2
- Einleiten eines aktiven Kurzschlusses
- V3
- Ermitteln eines Stromflusses
- V4
- Unterbrechen des aktiven Kurzschlusses einer ersten Phase
- V5
- Unterbrechen des aktiven Kurzschlusses der weiteren Phasen
