DE102016204854A1

DE102016204854A1 - Ermittlung eines Kurzschlussstroms in den Phasen einer mittels eines Wechselrichters angesteuerten E-Maschine

Info

Publication number: DE102016204854A1
Application number: DE102016204854.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hodrius; Igor Jantzen
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-09-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Kurzschlussstroms (iK) in zumindest zwei miteinander kurzgeschlossenen Phasen (U, V, W) einer mit einem Wechselrichter (1) betriebenen E-Maschine (2). Der Wechselrichter (1) verfügt je Phase (U, V, W) über eine Halbbrücke mit einem ersten Halbleiterschalter (3) und einem zweiten Halbleiterschalter (4), und die Halbbrücken sind parallel zueinander an zwei Gleichstromleitungen (5, 6) des Wechselrichters (1) angeschlossen. Auch ist ein Stromsensor (8) an zumindest einer der Gleichstromleitungen (5, 6) vorgesehen, um den in dieser Gleichstromleitung (5, 6) fließende elektrische Strom (i) zu bestimmen. Zur Erzeugung des Kurzschlusses in den zwei Phasen (U, V, W) werden die ersten oder zweiten Halbleiterschalter (3, 4) der diesen Phasen (U, V, W) zugehörigen Halbbrücken geschlossen. Zur Ermittlung des Kurzschlussstroms (iK) in den kurzgeschlossenen Phasen (U, V, W) wird dann zumindest einer der zur Erzeugung des Kurzschlusses geschlossenen Halbleiterschalter (3, 4) geöffnet, und dabei mittels des Stromsensors (8) der in der zugehörigen Gleichstromleitung (5, 6) fließende elektrische Strom (i) bestimmt. Hieraus wird der Kurzschlussstrom (iK) ermittelt. Die Erfindung betrifft auch einen entsprechend ausgeführten Wechselrichter (1) sowie ein Fahrzeugantriebsystem mit einem solchen Wechselrichter (1) und einer E-Maschine (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Kurzschlussstroms in zumindest zwei miteinander kurzgeschlossenen Phasen einer mit einem Wechselrichter betriebenen E-Maschine. Sie betrifft auch einen Wechselrichter, der dazu ausgeführt ist, eine solche Strommessung vorzunehmen sowie ein Fahrzeugantriebsystem mit einem solchen Wechselrichter und einer E-Maschine.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen Stromsensor an zumindest einer der Gleichstromleitungen eines eine E-Maschine betreibenden Wechselrichters vorzusehen, um den in dieser Gleichstromleitung fließenden elektrischen Strom zu bestimmen. Der gemessene Stromwert wird beispielsweise zur Regelung der E-Maschine verwendet.
Aus dem Stand der Technik ist es auch bekannt, Phasen einer E-Maschine aktiv kurzzuschließen, beispielsweise um ein Bremsmoment in der E-Maschine zu erzeugen, wenn diese rotiert. Dabei stellt sich ein von den Parametern der E-Maschine abhängiger Strom (Kurzschlussstrom) in den miteinander kurzgeschlossenen Phasen der E-Maschine ein. Auch hierbei ist es von Vorteil, Kenntnis über diesen Strom zu haben, beispielsweise um ihn durch geeignete Maßnahmen auf einen maximal zulässigen Wert zu begrenzen, siehe beispielsweise EP 1 929 604 A1 .
Eine Messung des Kurzschlussstroms mit einem Stromsensor im Bereich der Gleichstromleitungen ist dabei allerdings nicht ohne weiteres möglich, da der Kurzschlussstrom an sich nicht über die Gleichstromleitungen fließt. Es müssten zusätzliche Stromsensoren in den Phasen selbst vorgesehen sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kurzschlussstrom in miteinander kurzgeschlossenen Phasen einer mit einem Wechselrichter betriebenen E-Maschine einfach zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Hauptansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen entnehmbar. Demnach werden ein Verfahren und ein Wechselrichter vorgeschlagen, zur Ermittlung eines Kurzschlussstroms in zumindest zwei miteinander kurzgeschlossenen Phasen einer mit dem Wechselrichter betriebenen E-Maschine. Es wird auch ein Fahrzeugantriebsystem mit einem solchen Wechselrichter und einer E-Maschine als Traktionsantrieb vorgeschlagen.
Der Wechselrichter weist je Phase über eine Halbbrücke mit einem ersten Halbleiterschalter und einem zweiten Halbleiterschalter auf, und die Halbbrücken sind parallel zueinander an zwei Gleichstromleitungen angeschlossen. Die Gleichstromleitungen dienen zum Anschluss an die elektrischen Pole einer Gleichspannungsquelle, wie beispielsweise eine Batterie oder einen Gleichspannungsgenerator. Zwischen den Gleichstromleitungen ist insbesondere ein Zwischenkreiskondensator vorgesehen, der parallel zu den Halbbrücken geschaltet ist. Die E-Maschine ist insbesondere als Drehfeldmaschine ausgeführt, also beispielsweise als Synchron- oder Asynchronmaschine.
Die ersten Halbleiterschalter bilden insbesondere Highside-Halbleiterschalter, und die zweiten Halbleiterschalter bilden insbesondere Lowside-Halbleiterschalter. Die Halbleiterschalter sind insbesondere Transistoren, beispielsweise Feldeffekttransistoren, wie MOSFETs, oder Bipolartransistoren, wie IGBTs. Bei dem Wechselrichter handelt es sich vorzugsweise um einen Dreiphasen-Wechselrichter. Dabei sind die Halbleiterschalter als B6-Schaltung ausgeführt, auch Drehstrombrückenschaltung genannt. Halbleiterschalter verfügen standardmäßig über eine Diode, die parallel zwischen dem Drain und Source bzw. Emitter und Kollektor des Halbleiterschalters verschaltet ist. Sie wird auch Inversdiode bzw. Anti-Parallel Diode genannt.
Es ist bei dem Wechselrichter auch ein Stromsensor an zumindest einer der Gleichstromleitungen vorgesehen, um den in dieser Gleichstromleitung fließenden elektrischen Strom zu bestimmen. Diese Gleichstromleitung kann beispielsweise Meßleitung genannt werden.
Es ist vorgesehen, dass zur Erzeugung des Kurzschlusses der zwei Phasen die ersten oder zweiten Halbleiterschalter der diesen Phasen zugehörigen Halbbrücken geschlossen (= elektrische leitend geschaltet) werden. Beispielsweise werden gemeinsam die ersten bzw. Highside-Halbleiterschalter der beiden Phasen geschlossen, oder es werden alternativ gemeinsam die zweiten bzw. Lowside-Halbleiterschalter der beiden Phasen geschlossen. Der jeweils andere Halbleiterschalter dieser beiden Phasen ist bzw. wird dann vorzugsweise geöffnet (= elektrisch nicht-leitend geschaltet). D. h. werden beispielsweise die ersten Halbleiterschalter der beiden Phasen für den Kurzschluss geschlossen, sind die jeweils anderen, zweiten Halbleiterschalter geöffnet, und umgekehrt. Mit anderen Worten sind diejenigen Halbleiter geöffnet, die nicht selbst an der Erzeugung des Kurzschlusses beteiligt sind. Es ist ein Steuermodul für den Wechselrichter vorgesehen, welches ausgeführt ist, die Halbleiterschalter entsprechend zu betätigen, also zu öffnen und zu schließen. Das Steuermodul umfasst insbesondere ein Steuergerät sowie eine damit angesteuerte Treiberschaltung.
Zur Ermittlung des Kurzschlussstroms in den beiden miteinander kurzgeschlossenen Phasen wird dann zumindest einer der zur Erzeugung des Kurzschlusses geschlossenen Halbleiterschalter geöffnet. Dabei wird mittels des Stromsensors der in der zugehörigen Gleichstromleitung fließende elektrische Strom bestimmt und hieraus der Kurzschlussstrom ermittelt. Letzteres erfolgt in einem Ermittlungsmodul des Wechselrichters, welches entsprechend ausgeführt ist. Das Öffnen dieses bzw. dieser Halbleiter zum Ermitteln des Kurzschlussstromes erfolgt vorzugsweise kurzzeitig im Vergleich zum Schalten des Kurzschlusses, insbesondere maximal eine Vollwelle (also eine Umdrehung der E-Maschine), insbesondere maximal eine Halbwelle (also eine halbe Umdrehung der E-Maschine) lang.
Durch das Öffnen eines oder mehrerer der am Kurzschluss beteiligten Halbleiterschalter kommutiert der Kurzschlussstrom auf die Diode des jeweils anderen Halbleiters der Halbbrücke. Dadurch wird ein Stromfluss über die mit diesem anderen Halbleiter kontaktierte Gleichstromleitung bewirkt und somit die Strommessung über den Stromsensor an der Gleichstromleitung ermöglicht. Aus dem in der Gleichstromleitung fließende Strom wird dann insbesondere direkt auf den kurz vorher anliegenden Kurzschlussstrom zurückgeschlossen, beispielsweise entspricht der dann vom Stromsensor ermittelte Maximalstrom genau dem Kurzschlussstrom. Dadurch ist der Strom während des Kurzschlusses einfach mittels des ohnehin zumeist vorhandenen Stromsensors an der Gleichstromleitung erfassbar. Vorzugsweise werden zur Ermittlung des Kurzschlussstroms alle der zur Erzeugung des Kurzschlusses geschlossenen Halbleiterschalter geöffnet, insbesondere kurzzeitig geöffnet.
Zur Erzeugung des Kurzschlusses zwischen den zwei Phasen können auch die ersten und zweiten Halbleiterschalter der diesen beiden Phasen zugehörigen Halbbrücken abwechselnd geschlossen werden. Also können in einer ersten Zeitperiode des Kurzschlusses die ersten Halbleiterschalter zweier der Halbbrücken geschlossen sein, während die zweiten Halbleiterschalter dieser Halbbrücken geöffnet sind, und in einer darauffolgenden zweiten Zeitperiode des Kurzschlusses können dann die ersten Halbleiterschalter dieser Halbbrücken geöffnet sein, während die zweiten Halbleiterschalter dieser Halbbrücken geschlossen sind. Hierdurch wird der Kurzschlussstrom alternierend auf die ersten und zweiten Halbleiterschalter aufgeteilt, wodurch die thermische Belastung der einzelnen Halbleiterschalter sinkt und sich deren Lebensdauer erhöht.
Vorzugsweise sind zumindest drei Phasen für die E-Maschine vorgesehen, die jeweils mit einer Halbbrückenschaltung des Wechselrichters gekoppelt sind, wobei die Phasen abwechselnd miteinander kurzgeschlossen werden, und dabei abwechselnd die jeweiligen ersten und zweiten Halbleiterschalter der Halbbrückenschaltung geschlossen werden. Somit werden alle Phasen zeitlich hintereinander miteinander kurzgeschlossen, und der Kurzschlussstrom auf die jeweiligen ersten und zweiten Halbleiterschalter aufgeteilt, wodurch die thermische Belastung der einzelnen Halbleiterschalter noch weiter sinkt.
Bei drei Phasen (erste Phase, zweite Phase und dritte Phase) kann somit beispielsweise in einer ersten Zeitperiode die erste mit der zweiten Phase kurzgeschlossen werden indem die ersten Halbleiterschalter der den beiden Phasen zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind. In einer zweiten Zeitperiode kann dann die erste mit der dritten Phase kurzgeschlossen werden indem die ersten Halbleiterschalter der den beiden Phasen zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind. In einer dritten Zeitperiode kann dann die zweite mit der dritten Phase kurzgeschlossen werden indem die ersten Halbleiterschalter der den beiden Phasen zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind. In einer vierten Zeitperiode kann dann die erste mit der zweiten Phase kurzgeschlossen werden indem die zweiten Halbleiterschalter der den beiden Phasen zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind. In einer fünften Zeitperiode kann dann die erste mit der dritten Phase kurzgeschlossen werden indem die zweiten Halbleiterschalter der den beiden Phasen zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind. In einer sechsten Zeitperiode kann dann die zweite mit der dritten Phase kurzgeschlossen werden indem die zweiten Halbleiterschalter der den beiden Phasen zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind. Diese Zeitperioden können in dieser Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinanderfolgen. Die Reihenfolge dieser Zeitperioden kann jedoch auch umgekehrt oder untereinander vertauscht sein.
Vorzugsweise folgt abwechselnd einer beispielsweise erste oder Kurzschlussperiode genannten Zeitperiode, in der der Kurzschluss erzeugt wird, eine zweite oder Ermittlungsperiode genannte Zeitperiode, in der die Ermittlung des Kurzschlussstroms erfolgt. Der Kurzschlussstroms kann dadurch fortlaufend überwacht werden. Die Länge dieser sich abwechselnden Zeitperioden kann gleich lang sein, vorzugsweise ist jedoch die Kurzschlussperiode länger als die Ermittlungsperiode.
Vorteilhafterweise kann aus dem zeitlichen Verlauf des Kurzschlussstroms auch eine Drehzahl der E-Maschine bestimmt werden. Dem liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass der Kurzschlussstrom in jeder Phase mit der Drehbewegung der E-Maschine schwankt.
Vorzugsweise sind der Wechselrichters und die E-Maschine Teil eines Fahrzeugantriebssystems. Die E-Maschine dient hierbei als Traktionsantrieb, also zur Erzeugung eines Vortriebsmoments für das Fahrzeug. Ein anderweitiger Einsatz von Wechselrichter und E-Maschine ist jedoch ebenso möglich, beispielsweise als Antrieb eines Aktors, Manipulators oder Werkzeugs.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung entnehmbar sind. Dabei zeigen:
1 einen Wechselrichter mit einer davon angesteuerten E-Maschine mit miteinander kurzgeschlossenen Phasen,
2 einen prinzipiellen Aufbau eines Wechselrichters,
3 Schaltmuster zur Erzeugung von Phasenkurzschlüssen,
4 weitere Schaltmuster zur Erzeugung von Phasenkurzschlüssen,
5 ein zeitlicher Verlauf eines von einem Stromsensor ermittelten Stroms.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Bauteile/Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt den schematischen Aufbau eines Wechselrichters 1, der eine E-Maschine 2 betreibt, also insbesondere mit elektrischer Energie zum Antrieb der E-Maschine versorgt. Hierzu ist der Wechselrichter mit Phasen U, V, W der E-Maschine über Phasenleitungen gekoppelt. Die E-Maschine 2 ist als Drehfeldmaschine ausgeführt, hier beispielhaft als dreiphasige PSM (= permanenterregte Synchronmaschine). Sie kann insbesondere auch als Asynchronmaschine ausgeführt sein. Der Wechselrichter ist beispielhaft als Dreiphasen-Wechselrichter mit einer B6-Schaltung (Drehstrombrückenschaltung) ausgeführt. Es können prinzipiell auch zusätzliche Phasen für die E-Maschine 2 und den Wechselrichter 1 vorgesehen sein.
Beispielsweise sind der Wechselrichters 1 und die E-Maschine 2 Teil eines Fahrzeugantriebsystems, wobei die E-Maschine als Traktionsantrieb dient. Prinzipiell kann der Wechselrichter 1 und die E-Maschine 2 jedoch auch anderweitig eingesetzt werden.
Je Phase U, V, W verfügt der Wechselrichter 1 über eine Halbbrückenschaltung, jeweils umfassend einen ersten und einen zweiten elektrisch in Reihe geschalteten Halbleiterschalter 3, 4. Die ersten Halbleiterschalter 3 sind als Highside-Halbleiterschalter ausgeführt, während die zweiten Halbleiterschalter 4 als Lowside-Halbleiterschalter ausgeführt sind. Die Halbbrückenschaltungen sind elektrisch parallel zueinander geschaltet. Jede der Phasen U, V, W bzw. deren Phasenleitungen ist an die je zugehörige Halbbrückenschaltung zwischen den dortigen Halbleiterschaltern 3, 4 elektrisch angeschlossen.
Die Halbbrücken sind elektrisch parallel zueinander an zwei Gleichstromleitungen 5, 6, auch DC-Busbar (DC = direct current, Gleichstrom) genannt, angeschlossen. Die Gleichstromleitungen 5, 6 zusammen ergeben einen DC-Bus. Die Gleichstromleitungen 5, 6 sind jeweils an einen elektrischen Pol einer Gleichstromquelle, wie beispielsweise eine Batterie oder einen Gleichstromgenerator, angeschlossen. An die Gleichstromleitungen 5, 6 ist parallel zu den Halbbrückenschaltungen auch ein Zwischenkreiskondensator 7 geschaltet. An ihm liegt die Zwischenkreisspannung U_ZK des Wechselrichters 1 an.
Es ist außerdem zumindest an einer der Gleichstromleitungen 5, 6 ein Stromsensor 8 vorgesehen, hier beispielhaft in der Gleichstromleitung 6. Diese dient vorliegend also als Messleitung. Der Stromsensor 8 ist damit elektrisch in Serie mit den Halbbrückenschaltungen bzw. den Halbleiterschaltern 3, 4 und parallel zum Zwischenkreiskondensator 7 geschaltet. Mittels des Stromsensors 8 kann ein über die Gleichstromleitung/Messleitung 6 fließender elektrischer Strom i bestimmt werden. Beispielsweise handelt es sich bei dem Stromsensor 8 um einen Mess-Shunt.
Die Halbleiterschalter 3, 4 des Wechselrichters 1 werden von einem Steuermodul betätigt, d. h. mit einem entsprechenden Pulsmustern angesteuert, beispielsweise pulsweitenmoduliert. Hierdurch kann die E-Maschine 2 beispielsweise mit einer feldorientierten Steuerung oder Regelung betrieben werden. Dadurch wird in der E-Maschine 2 ein Drehfeld erzeugt, welches einen Rotor der E-Maschine 2 in Rotation versetzt. Durch ein entsprechendes Pulsmuster kann arbeitspunkabhängig Leistung aus dem DC-Bus entnommen oder eingespeist werden (motorischer und generatorischer Betrieb der E-Maschine 1 möglich). Die E-Maschine erzeugt, wenn sie in Rotation versetzt wird, an den Phasen U, V, W eine Spannung, die sogenannte Gegen-EMK (EMK = elektromotorische Kraft). Werden nun Phasen U, V, W der E-Maschine elektrisch miteinander kurzgeschlossen, stellt sich ein Motorparameterabhängiger Kurzschlussstrom i_K in den am Kurzschluss beteiligten Phasen U, V, W ein. Dieser führt zu einem Bremsmoment der E-Maschine und wird bewusst dazu eingesetzt, um beispielsweise die E-Maschine 1 Abzubremsen oder zum Stillstand zu bringen ohne Leistung aus der E-Maschine 1 zu entnehmen, beispielsweise wenn die Gleichstromquelle voll ist und/oder wenn schnell ein sicherer Zustand der E-Maschine 1 eingestellt und aufrechterhalten werden soll. Dieses Vorgehen wird auch AKS (= aktiver Kurzschluss) genannt.
Soll dieser aktive Kurzschluss mittels des Wechselrichters 1 eingestellt werden, so werden entweder zumindest zwei oder insbesondere alle der ersten Halbleiter 3 geschlossen, oder es werden zumindest zwei oder insbesondere alle der zweiten Halbleiterschalter 4 geschlossen. In 1 sind beispielhaft die zweiten Halbleiterschalter 4 geschlossen. Die die in den Halbbrücken jeweils gegenüberliegenden ersten bzw. zweiten Halbleiterschalter 3, 4 sind dann geöffnet. Andernfalls läge ein (normalerweise) ungewollter Kurzschluss zwischen den Gleichstromleitung 5, 6 vor. Somit fließt ein Kurzschlussstrom i_K in den Phasen U, V, W, was in 1 beispielhaft für die Phasen V und W gezeigt ist. Dieser Kurzschlussstrom i_K kann mit dem Stromsensor 8 in den gemeinsamen Gleichstromleitungen 5, 6 nicht ohne weiteres erfasst werden, da dieser nicht über den DC-Bus geführt wird.
Es ist daher vorgesehen, dass zur Ermittlung des Kurzschlussstroms i_K in den (zumindest zwei oder mehr) kurzgeschlossenen Phasen U, V, W zumindest einer oder vorzugsweise alle der zur Erzeugung des Kurzschlusses geschlossenen Halbleiterschalter 3, 4 geöffnet werden. Bei der Ausführung gemäß 1 werden also beispielhaft die zweiten Halbleiterschalter 4 zur Strommessung geöffnet, insbesondere nur kurzzeitig geöffnet. Dabei wird mittels des Stromsensors 8 der in der Gleichstromleitung 6 fließende elektrische Strom i bestimmt. Hieraus wird dann der vorher in den Phasen U, V, W fließende Kurzschlussstrom i_K ermittelt. Beispielsweise entspricht der vom Stromsensor 8 gemessene/ermittelte maximale Strom i genau dem Kurzschlussstrom i_K.
Die Zeitdauer des Öffnens der an dem Kurzschluss beteiligen Halbleiterschalter 3, 4 ist im Verhältnis zur Dauer des Kurzschlusses kurz. Sie kann beispielsweise lediglich die Zeitdauer eine Vollwelle, also einer Umdrehung der E-Maschine, oder eine Halbwelle, also einer halben Umdrehung der E-Maschine, oder auch kürzer betragen.
2 stellt eine bevorzugte Ausführungsform des Wechselrichters aus 1 dar. Die Halbleiterschalter 3, 4 sind hierbei als normal sperrende Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) ausgeführt. Solche Halbleiterschalter verfügen jeweils über eine parallel zum eigentlichen Schalter geschaltete Diode 9 zwischen Source und Drain, auch Inversdiode oder Body-Diode genannt. Durch das (kurzzeitige) Öffnen des bzw. der am Kurzschluss beteiligen Halbleiterschalter 4, 5 und der Induktivität der E-Maschine 2 entsteht an diesen Halbleiterschaltern 4, 5 eine Freilaufspannung, welche über die dem jeweiligen Halbleiterschalter 4, 5 zugehörige Diode eine Kommutierung des Kurzschlussstroms i_K auf die Gleichstromleitung 5, 6 bzw. das Zwischen kreispotential hervorruft. Dadurch ist die Kurzschlussstromermittlung über den Stromsensor 8 möglich. Je nach verwendetem Kurzschlussmuster (Highside- oder Lowside-Halbleiterschalter 3, 4 geschlossen), siehe insbesondere 3 und 4, kommutiert der Strom für die positive oder negative Halbwelle der entsprechenden Phase U, V, W auf das Zwischenkreispotential und erzeugt somit einen Stromfluss durch den Stromsensor 8 bzw. die jeweilige Gleichstromleitung 5, 6.
Durch den Phasenversatz der E-Maschine 2 (bei drei Phasen 120°) ist zu jedem Zeitpunkt erkennbar, ob in der E-Maschine 2 bzw. deren Phasen U, V, W noch ein Kurzschlussstrom i_K fließt und daher ob sie noch rotiert. Im Stillstand wird nämlich keine Gegen-EMK erzeugt und damit auch kein Kurzschlussstrom i_K in den Phasen U, V, W erzeugt.
Um eine gleichmäßige Belastung der Halbleiterschalter 3, 4 zu erreichen, können, insbesondere mit hoher Frequenz, alternierend alle am Kurzschluss beteiligen Halbleiterschalter 3, 4 mit einbezogen werden. Werden zudem abwechselnd die ersten und zweiten, d. h. High- und Lowside-Halbleiterschalter 3, 4 geschlossen, können positive und negative Stromhalbwelle erfasst werden. Somit ist eine exaktere Auswertung des Kurzschlussstroms i_K ermöglicht.
Es ist auch möglich alle beteiligen Halbleiterschalter 3, 4 gleichzeitig zur Ermittlung des Kurzschlussstroms i_K zu öffnen. Somit entsteht ein annähernd konstanter Stromfluss durch den Stromsensor 8, da sich die Ströme der positiven bzw. negativen Halbwelle addieren. Dies ist in 5, die einen zeitlichen Verlauf des vom Stromsensor 8 ermittelten elektrischen Stroms i zeigt, dargestellt. Insbesondere entspricht ein Maximalwert des vom Stromsensor 8 ermittelten Stroms i dem Wert des Kurzschlussstroms i_K. Damit ist ein eindeutiger Bezug zwischen dem vom Stromsensor 8 ermittelten Strom i und dem Kurzschlussstrom i_K gegeben. Die Bestimmung des Kurzschlussstroms i_K aus dem vom Stromsensor 8 ermittelten Strom i erfolgt in einem Ermittlungsmodul des Wechselrichters 1.
Die 3 und 4 zeigen mögliche Schaltmuster A bis H für die Halbleiterschalter 3, 4 des Wechseltrichters 1 aus 1 und 2 zur Erzeugung eines Kurzschlusses in den Phasen U, V, W. Dabei steht ein schwarz ausgefülltes Quadrat für einen geschlossenen Halbleiterschalter 3, 4 und ein weiß ausgefülltes Quadrat für einen geöffneten Halbleiterschalter 3, 4.
Bei der hier verwendeten dreiphasigen E-Maschinen 2 mit den Phasen U, V, W können somit gemäß 3 in einer ersten Zeitperiode (Schaltmuster A) die Phase V, W miteinander kurzgeschlossen werden indem die ersten Halbleiterschalter 3 der den beiden Phasen V, W zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind. In einer zweiten Zeitperiode (Schaltmuster B) können die Phase U, V miteinander kurzgeschlossen werden indem die ersten Halbleiterschalter 3 der diesen Phasen U, V zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind. In einer dritten Zeitperiode (Schaltmuster C) können die Phase U, W miteinander kurzgeschlossen werden indem die ersten Halbleiterschalter 3 der diesen Phasen U, W zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind. In einer vierten Zeitperiode (Schaltmuster D) können die Phase V, W miteinander kurzgeschlossen werden indem die zweiten Halbleiterschalter 4 der diesen Phasen V, W zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind. In einer fünften Zeitperiode (Schaltmuster E) können die Phase U, V miteinander kurzgeschlossen werden indem die zweiten Halbleiterschalter 4 der diesen Phasen U, V zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind. In einer sechsten Zeitperiode (Schaltmuster F) können die Phase U, W miteinander kurzgeschlossen werden indem die zweiten Halbleiterschalter 4 der diesen Phasen U, W zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind.
Es können auch gemäß 4 in einer Zeitperiode (Schaltmuster G) die (alle) Phase U, V, W miteinander kurzgeschlossen werden indem die (alle) ersten Halbleiterschalter 3 der diesen Phasen U, V, W zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind. Und in einer anderen Zeitperiode (Schaltmuster H) können die (alle) Phase U, V, W miteinander kurzgeschlossen werden indem die (alle) zweiten Halbleiterschalter 4 der diesen Phasen U, V, W zugeordneten Halbbrücken geschlossen sind.
Die in 3 und 4 gezeigten Zeitperioden bzw. Schaltmuster A, B, C, D, E, F, G, H können zur Erzeugung eines Bremsmoments in der Reihenfolge: Schaltmuster A, B, C, D, E, F oder A, B, C, D, E, F, G, H jeweils unmittelbar aufeinanderfolgen. Die Reihenfolge kann jedoch auch umgekehrt oder untereinander vertauscht sein oder es können einzelne oder mehrere der Schaltmuster A bis H ausgelassen werden. Vorzugsweise werden die Schaltmuster so gewählt, dass eines der Halbleiterschaltelemente 3, 4 nicht länger als zwei aufeinanderfolgende Zeitperioden geschlossen ist. Somit wird die thermische Belastung der Halbleiterschaltelemente 3, 4 reduziert.
Vorzugsweise folgt abwechselnd einer der Zeitperiode mit zumindest einem der Schaltmuster A, B, C, D, E, F, G, H (= Kurzschlussperiode), eine weitere Zeitperiode, in der die Ermittlung des Kurzschlussstroms erfolgt (= Ermittlungsperiode) und in der demnach zumindest einer oder alle der am Kurzschluss beteiligten Halbleiterschalter 3, 4 geöffnet sind. Kurzschlussperioden folgt demnach jeweils immer zunächst eine Ermittlungsperiode. Die Ermittlungsperiode kann dabei gleich lang sein, wie die Kurzschlussperiode, vorzugsweise ist sie jedoch (deutlich) kürzer.
Bezugszeichenliste

1: Wechselrichter
2: E-Maschine
3: erster Halbleiterschalter/Highside
4: zweiter Halbleiterschalter/Lowside
5: Gleichstromleitung
6: Gleichstromleitung
7: Zwischenkreiskondensator
8: Stromsensor
9: Diode
U, V, W: Phasen
U_ZK: Zwischenkreisspannung
i: elektrischer Strom
i_K: Kurzschlussstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1929604 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Kurzschlussstroms (i_K) in zumindest zwei miteinander kurzgeschlossenen Phasen (U, V, W) einer mit einem Wechselrichter (1) betriebenen E-Maschine (2), wobei der Wechselrichter (1) je Phase (U, V, W) über eine Halbbrücke mit einem ersten Halbleiterschalter (3) und einem zweiten Halbleiterschalter (4) verfügt und die Halbbrücken parallel zueinander an zwei Gleichstromleitungen (5, 6) des Wechselrichters (1) angeschlossen sind, wobei ein Stromsensor (8) an zumindest einer der Gleichstromleitungen (5, 6) vorgesehen ist, um den in dieser Gleichstromleitung (5, 6) fließenden elektrischen Strom (i) zu bestimmen, wobei zur Erzeugung des Kurzschlusses der zwei Phasen (U, V, W) die ersten oder zweiten Halbleiterschalter (3, 4) der diesen Phasen (U, V, W) zugehörigen Halbbrücken geschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Kurzschlussstroms (i_K) in den kurzgeschlossenen Phasen (U, V, W) zumindest einer der zur Erzeugung des Kurzschlusses geschlossenen Halbleiterschalter (3, 4) geöffnet wird, und dass dabei mittels des Stromsensors (8) der in der zugehörigen Gleichstromleitung (5, 6) fließende elektrische Strom (i) bestimmt wird, und hieraus der Kurzschlussstrom (i_K) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Ermittlung des während des Kurzschlusses in den zwei kurzgeschlossenen Phasen (U, V, W) fließenden Kurzschlussstroms (i_K) alle der zur Erzeugung des Kurzschlusses geschlossenen Halbleiterschalter (3, 4) der zugehörigen Halbbrücken geöffnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Erzeugung des Kurzschlusses der zwei Phasen (U, V, W) die ersten und zweiten Halbleiterschalter (3, 4) der diesen zwei Phasen (U, V, W) zugehörigen Halbbrücken abwechselnd geschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest drei Phasen (U, V, W) vorgesehen sind und die Phasen (U, V, W) abwechselnd miteinander kurzgeschlossen werden, und dabei abwechselnd die jeweiligen ersten und zweiten Halbleiterschalter (3, 4) geschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der oder die zur Ermittlung des Kurzschlussstroms (i_K) geöffneten Halbleiterschalter (3, 4) kürzer als eine Umdrehung der E-Maschine (2), insbesondere kürzer als eine halbe Umdrehung der E-Maschine (2), geöffnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei abwechselnd einer Zeitperiode, in der der Kurzschluss erzeugt wird, eine Zeitperiode, in der die Ermittlung des Kurzschlussstroms (i_K) erfolgt, folgt.
Wechselrichter (1) mit zumindest zwei Phasen (U, V, W) zum Betreiben einer daran angeschlossenen E-Maschine (2) und mit zumindest zwei Gleichstromleitungen (5, 6) zum Anschluss an eine Gleichstromquelle, mit einer elektrischen Halbbrücke je Phase (U, V, W), aufweisend einen ersten und einen zweiten Halbleiterschalter (3, 4), wobei die Halbbrücken parallel zueinander an den Gleichstromleitungen (5, 6) angeschlossen sind, mit einem Steuermodul zum Betätigen der Halbleiterschalter (3, 4), mit einem Stromsensor (8) an zumindest einer der Gleichstromleitungen (5, 6) zum Bestimmen des in dieser Gleichstromleitung (5, 6) fließenden elektrischen Stroms (i), mit einem Ermittlungsmodul zum Ermitteln eines Kurzschlussstroms (i_K) in zwei miteinander kurzgeschlossenen Phasen (U, V, W), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul dazu ausgeführt ist, den Kurzschluss der zwei Phasen (U, V, W) zu erzeugen, indem es die ersten oder zweiten Halbleiterschalter (3, 4) der diesen Phasen (U, V, W) zugehörigen Halbbrücken schließt, und anschließend zumindest einen der zur Erzeugung des Kurzschlusses geschlossenen Halbleiterschalter (3, 4) zu öffnen, wobei das Ermittlungsmodul, dazu ausgeführt ist, den Kurzschlussstrom (i_K) mittels des vom Stromsensor (8) dabei ermittelten Stromes (i) zu bestimmen.
Wechselrichter (1) nach Anspruch 7, wobei das Ermittlungsmodul dazu ausgeführt ist, aus dem zeitlichen Verlauf des Kurzschlussstroms (i_K) eine Drehzahl der E-Maschine (2) zu bestimmen.
Wechselrichter (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei dieser als Dreiphasen-Wechselrichter ausgeführt ist.
Fahrzeugantriebsystem mit zumindest einem Wechselrichter (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 und mit einer vom Wechselrichter (1) betriebenen E-Maschine (2) als Traktionsantrieb.