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Die Erfindung betrifft ein System zum aktiven Kurzschließen von Phasen eines Wechselrichters. Die Erfindung betrifft auch einen Kraftfahrzeugantrieb mit einem Wechselrichter zum Betreiben einer E-Maschine des Antriebs, aufweisend ein solches System zum aktiven Kurzschließen der Phasen des Wechselrichters.
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Bekanntermaßen verfügt ein Wechselrichter über Leistungshalbleiterschalter, wie beispielsweise MOSFETs oder IGBTs, zum Anlegen eines elektrischen Stromes mit einer bestimmten Frequenz an die Phasen des Wechselrichters. Eingangsseitig wird dem Wechselrichter dazu ein Gleichstrom zugeführt. Die Leistungshalbleiterschalter werden durch eine Treiberschaltung betätigt, also jeweils eingeschaltet (elektrisch leitend) oder ausgeschaltet (elektrisch nicht-leitend). Dazu werden die Gate- bzw. Basis-Anschlüsse der Leistungshalbleiterschalter durch die Treiberschaltung entsprechend angesteuert. Die Treiberschaltung wird wiederum durch ein Steuergerät angesteuert. Dieses legt fest, welcher und wie lange jeder der Leistungshalbleiterschalter durch den jeweils zugehörigen Treiber der Treiberschaltung betätigt werden soll. Insbesondere gibt das Steuergerät PWM-Signale (PWM = pulsweitenmoduliert) an die Treiberschaltung aus, welche entsprechend die Leistungshalbleiterschalter betätigt.
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Eine mit einem Wechselrichter betriebene E-Maschine, wie beispielsweise eine Synchronmaschine, z. B. eine PSM (= permanent erregte Synchronmaschine), wie sie häufig als Traktionsantrieb in Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeugen zum Einsatz kommt, muss als sicherheitskritisches Teilsystem im Fehlerfall einen sicheren Zustand erreichen. Dies ist in der Regel ein Betriebspunkt in dem die elektrische Maschine ein reduziertes Drehmoment erzeugt, welches das Kraftfahrzeug nicht destabilisieren kann.
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Der sichere Zustand ist bei einer Synchronmaschine, wie einer PSM, wahlweise der aktive Kurzschluss (AKS), auch Kurzschlussmodus genannt, oder die Wechselrichtersperre, auch Freilauf genannt. Im aktiven Kurzschluss/Kurzschlussmodus werden einige oder alle Phasenwicklungen der E-Maschine mittels der Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters willentlich kurzgeschlossen. Dieser Modus lässt sich mit verschiedenen Schalterstellungen der Halbleiterschalter herstellen. In der Wechselrichtersperre/Freilauf wird ein Steuergerät des Wechselrichters ausgeschaltet. Dadurch werden die Leistungshalbleiterschalter in den offenen Zustand gebracht. Wenn sich die E-Maschine dann (noch) dreht wird hierbei allerdings über die im Wechselrichter bzw. den Leistungshalbleiterschaltern immer vorhandenen Dioden eine Spannung in den Zwischenkreis des Wechselrichters induziert. Diese induzierte Spannung kann die Sperrspannung der Leistungshalbleiterschalter überschreiten. Dies kann einen Brückenkurzschluss und/oder ein Defekt des betroffenen Leistungshalbleiterschalters bewirken. Als sicherer Zustand wird daher normalerweise der aktive Kurzschluss/Kurzschlussmodus gewählt.
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In der Regel sind die Leistungshalbleiterschalter eines Wechselrichters als Brückenschaltung miteinander elektrisch verschaltet, typischerweise als B6-Brückenschaltung. Die Leistungshalbleiterschalter teilen sich dann je Phase in ein Paar aus einem Higside-Schalter und einem Lowside-Schalter auf. Als Leistungshalbleiterschalter kommen normalerweise IGBT-Dioden-Kombinationen oder MOSFETs zum Einsatz. Der Kurzschlussmodus wird typischerweise über das gleichzeitige Schließen einiger oder aller Highside-Schalter oder alternativ einiger oder aller Lowside-Schalter hergestellt. Die Leistungshalbleiterschalter der jeweils gegenüberliegenden Seite bleiben geöffnet. Wenn die Highside- bzw. Lowside-Schalter aller Phasen geschlossen sind, wird bei einem dreiphasigen Wechselrichter von einem dreiphasigen Kurzschlussmodus oder bei einem mehrphasigen Wechselrichter von einem vollphasigen Kurzschlussmodus gesprochen.
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Oft werden ausschließlich entweder die Lowside- oder die Highside-Schalter für den aktiven Kurzschluss verwendet, da sich dies sehr leicht per Hardwareschaltung umsetzen lässt. Dann ist die Durchführung des aktiven Kurzschlusses allerdings auf diese Schalter beschränkt. Es ist auch der wechselnde aktive Kurzschluss bekannt. Hierbei wird zwischen den Lowside- und Highside-Schaltern zur Erzeugung des Kurzschlusses gewechselt.
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Ein elektrischer Kraftfahrzeugantrieb muss sehr strengen Sicherheitserfordernissen genügen. So muss sichergestellt werden, dass kein unzulässiges (Antriebs- oder Brems-)Drehmoment an den Antriebsachsen des Kraftfahrzeugs anliegt. Dazu müssen die Kernkomponenten und die Funktionen des Kraftfahrzeugantriebs ständig überwacht werden. Beim Erkennen einer Fehlfunktion, muss der sichere Zustand eingeleitet und erreicht werden. Wie erläutert ist dies bei einem Wechselrichter, der eine Synchronmaschine betreibt, meist der aktive Kurzschluss der Phasen.
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Aus der
DE 10 2008 026 549 A1 ist ein System zum aktiven Kurzschließen von Phasen eines Wechselrichters bekannt. Dabei ist ein Schutzcontroller zum Anfordern des aktiven Kurzschlusses durch eine Gatetreiberschaltung vorgeschaltet. Der aktive Kurzschluss wird also durch die ohnehin vorhandene und im normalen Betrieb genutzte Gatetreiberschaltung bewirkt.
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Bekannt ist es auch, zum aktiven Kurzschließen das Steuergerät des Wechselrichters zu deaktivieren und den aktiven Kurzschluss über Pull-up- und Pull-down-Widerstände in Ansteuerleitungen der Treiberschaltung herzustellen. Auch hier wird also der aktive Kurzschluss durch die vorhandene Treiberschaltung bewirkt
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Bei diesen Systemen besteht das Problem, dass die Treiberschaltung selbst sowie die elektrische Versorgung der Treiberschaltung zur Durchführung einer sicherheitskritischen Funktion, nämlich den aktiven Kurzschluss, genutzt wird. Diese müssen daher überwacht und durch Sicherheitsfunktionen berücksichtigt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik in dieser Hinsicht zu verbessern, insbesondere ein einfach zu überwachendes System zum aktiven Kurzschließen von Phasen eines Wechselrichters bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Hautpansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Somit wird ein System zum aktiven Kurzschließen von Phasen eines Wechselrichters vorgeschlagen, sowie ein Kraftfahrzeugantrieb mit einem Wechselrichter und einem solchen System.
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Der Wechselrichter verfügt über Leistungshalbleiterschalter zum Anlegen eines elektrischen Stromes an die Phasen, beispielsweise eines PWM-Stromes. Dadurch sind mit den Phasen elektrisch verbundene Phasenwicklungen einer E-Maschine, wie einer Drehfeldmaschine, elektrisch bestrombar. Es ist außerdem eine Treiberschaltung vorgesehen, zum Betätigen der Leistungshalbleiterschalter, also zum Anschalten und Ausschalten der Leistungshalbleiterschalter. Hierzu steuert die Treiberschaltung im Normalbetrieb insbesondere in an sich bekannter Weise Basis-Anschlüsse der Leistungshalbleiterschalter an. Unter Basis-Anschlüsse sind auch Gate-Anschlüsse zu verstehen, je nach Bauart der Leistungshalbleiterschalter.
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In dem System ist auch eine Schutzschaltung vorgesehen, die zum aktiven Kurzschließen der Phasen veranlasst, dass zumindest einige der Leistungshalbleiterschalter geschlossen werden. Die Schutzschaltung ist also dementsprechend ausgeführt. Die Schutzschaltung dient insbesondere ausschließlich zum Einleiten und Halten des aktiven Kurzschlusses. Das Schaltmuster zum Schließen der Leistungshalbleiterschalter zur Erzeugung des aktiven Kurzschlusses kann ein an sich bekanntes Schaltmuster sein.
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Es ist nun vorgesehen, dass die Schutzschaltung die Leistungshalbleiterschalter zum aktiven Kurzschließen direkt betätigt, also nicht über den Umweg der Treiberschaltung. Das System und die Schutzschaltung sind also dementsprechend ausgeführt. Somit ist die Schutzschaltung autark von der Treiberschaltung. Der aktive Kurzschluss wird also durch die Schutzschaltung unabhängig von der Treiberschaltung hergestellt. Somit erfordert die Schutzschaltung keine funktionierende bzw. eingeschaltete bzw. elektrisch bestromte Treiberschaltung. Die Schutzschaltung kann dann einfach ausgeführt sein. Insbesondere ist sie elektrisch einfacher aufgebaut als die Treiberschaltung. Eine Überwachung der Treiberschaltung ist für den aktiven Kurzschlusses somit nicht erforderlich. Die Sicherheitsüberwachung der Treiberschaltung kann somit entfallen oder einfach ausgeführt sein. Demgegenüber ist die Überwachung der Schutzschaltung einfach zu bewerkstelligen.
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Hierzu ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schutzschaltung mit Basis-Anschlüssen der Leistungshalbleiterschalter zum aktiven Kurzschließen elektrisch kontaktiert ist. D. h. die Ansteuerung der Basis bzw. des Gates der Leistungshalbleiterschalter durch die Schutzschaltung erfolgt direkt und ohne Umweg über die Treiberschaltung oder ähnliche Schaltungen.
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Der Wechselrichter dient insbesondere zur Umwandlung eines Gleichstromes aus einem Gleichstromzweig in einen (quasi) Wechselstrom an den Phasen bzw. in getaktete Stromimpulse an den einzelnen Phasen. Daher kann er auch Pulswechselrichter genannt werden. Die Leistungshalbleiterschalter sind beispielsweise als MOSFETs oder IGBTs bzw. als IGBT-Dioden-Kombination ausgeführt. Die Leistungshalbleiterschalter werden im Normalbetrieb des Wechselrichters, wie erläutert, durch die Treiberschaltung betätigt, also durch Ansteuerung des jeweiligen Basis-Anschlusses gezielt eingeschaltet oder ausgeschaltet. Die Treiberschaltung wird wiederum durch ein Steuergerät des Wechselrichters angesteuert. Das Steuergerät legt also fest, welcher und wie lange jeder der Leistungshalbleiterschalter durch den jeweils zugehörigen Treiber der Treiberschaltung betätigt werden soll.
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Die Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters sind bevorzugt als Brückenschaltung miteinander verschaltet, beispielsweise als B6-Brückenschaltung, also mit Highside-Schaltern und Lowside-Schaltern. Insbesondere ist demnach je Phase ein Paar von Leistungshalbleiterschaltern vorgesehen, nämlich ein Highside-Schalter und ein Lowside-Schalter. Der Wechselrichter kann dreiphasig sein oder mehrphasig (mehr als drei Phasen).
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Die Schutzschaltung ist dazu ausgeführt, zum aktiven Kurzschließen der Phasen einige oder alle der diesen Phasen zugehörigen Highside-Schaltern oder Lowside-Schaltern zu schließen. Zur Erzeugung des aktiven Kurzschlusses werden bevorzugt alle Halbleiterschalter einer Seite betätigt. Dies kann in der Form erfolgen, dass alle Highside-Schalter eingeschaltet und alle Lowside-Schalter ausgeschaltet werden, oder dass alle Lowside-Schalter eingeschaltet und alle Highside-Schalter ausgeschaltet werden. Wenn eine Trennvorrichtung für den Gleichstromzweig des Wechselrichters vorgesehen ist, können auch sowohl alle Lowside-, als auch alle Highside-Schalter zur Erzeugung des aktiven Kurzschlusses eingeschaltet werden. Die Trennvorrichtung verhindert dann ein Kurzschließen in dem Gleichstromzweig, indem es die Gleichstromleitungen öffnet bzw. trennt.
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Bevorzugt ist die Schutzschaltung zum aktiven Kurzschließen der Phasen dazu ausgeführt, eine konstante Spannung an die Basis-Anschlüsse einiger oder alle der diesen Phasen zugehörigen Highside-Schaltern oder Lowside-Schaltern anzulegen. Die so bestromten Leistungshalbleiterschalter schließen dann sicher über die für den Kurzschluss erforderliche Zeitdauer.
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Bevorzugt ist das System dazu ausgeführt, die Treiberschaltung und insbesondere auch das Steuergerät des Wechselrichters zum aktiven Kurzschluss zu deaktivieren. Somit wird sichergestellt, dass die Treiberschaltung keinen Einfluss auf den aktiven Kurzschluss ausübt, beispielsweise durch eine fehlerhafte, ungewollte Betätigung von Leistungshalbleiterschaltern. Diese Deaktivierung kann insbesondere dadurch bewirkt werden, dass eine elektrische Energieversorgung der Treiberschaltung und/oder des Steuergeräts ausgeschaltet wird und/oder dass alle Treiber innerhalb der Treiberschaltung ausgeschaltet werden und/oder dass alle Ausgänge der Treiberschaltung für die Leistungshalbleiterschalter (also zu den Basis-Anschlüssen der Leistungshalbleiterschalter) ausgeschaltet werden und/oder dass alle Eingänge der Treiberschaltung für das Steuergerät ausgeschaltet werden.
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Bevorzugt ist das System dazu ausgeführt, die Schutzschaltung zu deaktivieren, wenn die Treiberschaltung (wieder) aktiviert wird. Insbesondere deaktiviert es die Schutzschaltung automatisch, wenn eine elektrische Energieversorgung der Treiberschaltung eingeschaltet wird. Die Aktivierung der Treiberschaltung ist somit als Zeichen für eine willentliche Beendigung des aktiven Kurzschlusses zu verstehen. Somit ist die Treiberschaltung gegenüber der Schutzschaltung dominant. Dieses Aktivierung kann insbesondere dadurch bewirkt werden, dass eine elektrische Energieversorgung der Treiberschaltung und/oder des Steuergeräts eingeschaltet wird und/oder dass alle Treiber innerhalb der Treiberschaltung eingeschaltet werden und/oder dass alle oder bestimmte Ausgänge der Treiberschaltung für die Leistungshalbleiterschalter (also zu den Basis-Anschlüssen der Leistungshalbleiterschalter) eingeschaltet werden und/oder dass alle oder bestimmte Eingänge der Treiberschaltung für das Steuergerät eingeschaltet werden.
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Wie oben erwähnt wird außerdem ein Kraftfahrzeugantrieb vorgeschlagen. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Kraftfahrzeugantriebsystem handeln. Der Kraftfahrzeugantrieb weist einen Wechselrichter zum Betreiben einer E-Maschine des Kraftfahrzeugantriebs an Phasen des Wechselrichters auf. Bei der E-Maschine handelt es sich bevorzugt um eine Drehfeldmaschine, insbesondere um eine Synchronmaschine. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der E-Maschine um eine PSM. Die E-Maschine kann insbesondere als Traktionsantrieb dienen, also zur Bereitstellung eines Drehmoments zum Antrieb- oder Abbremsen des Fahrzeugs. Alternativ kann sie als Aktorantrieb dienen, also zur Betätigung eines Aktors des Kraftfahrzeugantriebs, wie eines Kraftfahrzeugaggregats oder eines anderen Kraftfahrzugteils. Der Kraftfahrzeugantrieb verfügt über das vorgeschlagene System zum aktiven Kurzschließen der Phasen des Wechselrichters. Dadurch kann die E-Maschine einfach in den aktiven Kurzschluss überführt werden. Eine Sicherheitsüberwachung des Kraftfahrzeugantriebs ist somit vereinfacht.
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Das vorgeschlagene System arbeitet besonders bevorzugt wie folgt:
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- • Die Schutzschaltung für den aktiven Kurzschluss wird aktiviert. Diese legt eine konstante Spannung an die Basis-Anschlüsse wahlweise der Highside- oder Lowside-Schalter der kurzzuschließenden Phasen an. Dadurch wird der aktive Kurzschluss eingeleitet.
- • Sobald die Treiberstromversorgung wieder aktiviert wird, überstimmt die Treiberschaltung die Schutzschaltung. Die Schutzschaltung wird deaktiviert. Die Treiberschaltung ist also ansteuerdominant gegen über der Schutzschaltung.
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Vorteilhaft an dem System ist der wesentlich geringere Aufwand, die einzelnen Schaltungsfunktionen abzusichern und zu überprüfen. Im Stand der Technik muss der gesamte Signalpfad vom Wechselrichtersteuergerät bis zum Basis-Anschluss jedes Leistungshalbleiterschalters überprüfbar sein. Dieser Pfad beinhaltet die Software und jegliche beteiligte Hardware, wie beispielsweise Treiber-ICs, Spannungsversorgung und weitere aktive und passive elektrische Bauelemente. Bei dem vorgeschlagenen System muss der beschriebene Pfad in Gänze nicht sicher sein. Im Fehlerfall wird hierbei von einer Fehlfunktion der Treiberschaltung oder des Steuergeräts ausgegangen, weshalb diese sicherheitshalber deaktiviert werden. Lediglich für einen relativ kleinen überschaubaren Schaltungsteil, nämlich für den Pfad von der Schutzschaltung zu den Leistungshalbleiterschaltern, muss die hohe sichere Funktionalität gewährleistet werden und dieser überwacht werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Die Figuren zeigen in schematischer Darstellung:
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1 ein Kraftfahrzeugantrieb,
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2 ein Wechselrichter und einer Schutzschaltung,
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3 ein System mit einem Wechselrichter und einer Schutzschaltung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 gezeigte Kraftfahrzeugantrieb verfügt über einen Wechselrichter 1 und eine E-Maschine 2, wie insbesondere eine Synchronmaschine, bevorzugt eine PSM.
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Die E-Maschine 2 dient als Traktionsantrieb und ist daher mit Fahrzeugrädern 3 mechanisch gekoppelt, die somit von der E-Maschine 2 antreibbar sind. Die E-Maschine 2 und der Wechselrichter 1 sind beispielhaft dreiphasig ausgeführt, d. h. sie verfügen vorliegend über drei Phasen U, V, W. Über diese Phasen U, V, W wird die E-Maschine 2 vom Wechselrichter 1 zum Betreiben mit elektrischer Energie versorgt.
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Der Wechselrichter 1 verfügt demnach ausgangsseitig über drei Phasenanschlüsse. Eingangsseitig verfügt der Wechselrichter 1 über zwei Gleichstromanschlüsse zum Anschluss an je eine Gleichstromleitung DC+ und DC–. Die Gleichstromleitungen DC+, DC– sind mit je einem Pol einer elektrischen Gleichstromquelle 4 kontaktiert. Bei der Gleichstromquelle 4 kann es sich beispielsweise um eine Traktionsbatterie oder einen Gleichstromgenerator handeln. Der Wechselrichter 1 verfügt auch über ein Steuergerät, das den Wechselrichter 1 zum Betrieb der E-Maschine 2 ansteuert, also steuert oder regelt. Das Steuergerät kann Teil des Wechselrichters 1 sein. Das Steuergerät steuert hierzu eine Treiberschaltung an, welche wiederum Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters 1 betätigt.
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3 zeigt einen Wechselrichter 1, wie er bevorzugt in dem Kraftfahrzeugantrieb gemäß 1 eingesetzt ist. Hierbei handelt es sich beispielhaft um einen Drei-Phasen-Wechselrichter zum Betreiben einer E-Maschine 2, also zum elektrischen Bestromen der Phasen U, V, W, mit welchen die E-Maschine 2, im Detail Phasenwicklungen der E-Maschine 2, gekoppelt ist.
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In dem Wechselrichter 1 sind Leistungshalbleiterschalter 5 zu einer Brückenschaltung miteinander verschaltet, hier beispielhaft zu einer B6-Brückenschaltung. Je Phase U, V, W ist somit in an sich bekannter Weise eine elektrische Halbbrücke durch ein Paar von in Serie geschalteter Leistungshalbleiterschalter 5 vorgesehen. Je Phase ist damit genau ein Highside-Schalter 5A und genau ein Lowside-Schalter 5B vorgesehen. Jeder der Schalter 5, 5A, 5B kann durch ein einzelnes oder mehrere Halbleiterschaltelemente gebildet werden. Die Schalter 5, 5A, 5B können daher jeweils auch als Halbleiterventil bezeichnet werden. Die Halbbrücken sind parallel zueinander zwischen die zwei Gleichstromleitungen DC+, DC– des Gleichstromzweiges des Wechselrichters 1 geschaltet. Darüber hinaus ist ein Zwischenkreiskondensator 6 in dem Gleichstromzweig parallel zu den Halbbrücken zwischen die zwei Gleichstromleitungen DC+, DC– geschaltet.
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Der Wechselrichter 1 dient zur Umwandlung des Gleichstromes aus dem Gleichstromzweig in einen (quasi) Wechselstrom an den Phasen U, V, W. Dadurch wird in der E-Maschine 2 ein Drehfeld erzeugt, das ein Drehmoment auf den Rotor der E-Maschine 2 ausübt. Dieses kann entweder zum Antrieb oder zum Abbremsen genutzt werden.
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Der Wechselrichter 1 verfügt über eine Treiberschaltung 7. Diese ist mit den Basis-Anschlüssen der einzelnen Leistungshalbleiterschalter 5 kontaktiert. Je nach Bauart der Leistungshalbleiterschalter 5 können als Basis-Anschlüsse auch Gate-Anschlüsse verstanden werden. Die Treiberschaltung 7 enthält Treiber zum Betätigen der Leistungshalbleiterschalter 5, also zum Öffnen bzw. Einschalten und Schließen bzw. Ausschalten. Die Leistungshalbleiterschalter 5 werden im Normalbetrieb des Wechselrichters 1 und der E-Maschine 2 durch die Treiberschaltung 7 betätigt, also durch Ansteuerung des jeweiligen Basis-Anschlusses gezielt eingeschaltet oder ausgeschaltet.
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Die Treiberschaltung 7 wird durch das Steuergerät 8 des Wechselrichters 1 angesteuert. Das Steuergerät 8 legt fest, welcher und wie lange jeder der Leistungshalbleiterschalter 5 durch den jeweils zugehörigen Treiber der Treiberschaltung 7 betätigt werden soll. Beispielsweise wird dem Steuergerät 8 ein Soll-Drehmoment und/oder eine Soll-Drehzahl zur Verfügung gestellt, welche an der E-Maschine 2 anliegen sollen. Das Steuergerät 8 ermittelt hieraus den jeweils erforderlichen Stromverlauf in den Phasen U, V, W und steuert die Treiberschaltung 7 entsprechend getaktet an, beispielsweise durch PWM-Signale. Die Treiberschaltung 7 setzt die Ansteuersignale des Steuergeräts 8 sodann in entsprechende Signale für die Basis-Anschlüsse der Leistungshalbleiterschalter 5 um, d. h. sie werden entsprechen betätigt.
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Im Fehlerfall kann es nun erforderlich sein, einen definierten sicheren Zustand in dem Wechselrichter 1 und der E-Maschine 2 herzustellen, beispielsweise wenn ein oder mehrere Ist-Werte an dem Wechselrichter 1 und/oder der E-Maschine 2 unzulässig stark von entsprechenden Soll-Werten abweichen, beispielsweise Werte für ein Drehmoment der E-Maschine 2. Der sichere Zustand ist vorliegend ein aktiver Kurzschluss in den Phasen U, V, W. Dazu werden wahlweise zwei oder bevorzugt alle der Highside-Schalter 5A oder alternativ alle Lowside-Schalter 5B geschlossen. Die jeweils gegenüberliegenden bzw. korrespondierenden Lowside-/Highside-Schalter 5B, 5A werden geöffnet. Dadurch stellt sich der aktive Kurzschluss in den daran beteiligten Phasen U, V, W ein. Dieser generiert ein gewisses Bremsmoment in der E-Maschine 1. Bei Verwendung in einem Kraftfahrzeugantrieb bewirkt dieses Bremsmoment bevorzugt eine Stabilisierung des zugehörigen Kraftfahrzeugs, in jedem Fall jedoch keine Destabilisierung. Der sichere Zustand ist somit erreicht.
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Das für die Durchführung des aktiven Kurzschlusses vorgesehene System verfügt über eine Schutzschaltung 9. Die Schutzschaltung 9 ist nicht auf die Treiberschaltung 7 angewiesen. Sie ist somit autark von der der Treiberschaltung 7. Dazu betätigt die Schutzschaltung 9 die an dem aktiven Kurzschluss beteiligten Leistungshalbleiterschalter 5 direkt, also ohne Erfordernis der Treiberschaltung 7. Sie ist dazu mit den Basis-Anschlüssen der Leistungshalbleiterschalter 5 für den aktiven Kurzschluss elektrisch kontaktiert. Vorliegend teilen sich die Treiberschaltung 7 und die Schutzschaltung 9 also die entsprechenden Basis-Anschlüsse.
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Vorliegend werden lediglich die Lowside-Schalter 5B der Leistungshalbleiterschalter 5 für den aktiven Kurzschluss verwendet. Diese sind schraffiert dargestellt. Die Schutzschaltung 9 ist daher lediglich mit den Basis-Anschlüssen der Lowside-Schalter 5B kontaktiert. Eine Kontaktierung mit den Basis-Anschlüssen der Highside-Schaltern 5A besteht nicht. Somit können die Highside-Schalter 5A durch die Schutzschaltung 9 an nicht selbst betätigt werden.
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Grundsätzlich können durch die Schutzschaltung 9 statt der Lowside-Schalter 5B auch die Highside-Schalter 5A für den aktiven Kurzschluss betätigt werden. Dann ist die Schutzschaltung 9 mit den Basis-Anschlüssen der Highside-Schalter 5A kontaktiert, also eben nicht mit denjenigen der Lowside-Schalter 5B. Alternativ dazu kann die Schutzschaltung 9 auch sowohl mit den Basis-Anschlüssen der Highside-Schalter 5A, als auch mit den Basis-Anschlüssen der Lowside-Schalter 5B kontaktiert sein. Dann kann die Schutzschaltung 9 dazu ausgeführt sein, wahlweise die Highside-Schalter 5A oder die Lowside-Schalter 5B zu schließen.
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Es können dann für den aktiven Kurzschluss auch alternierend die Highside-Schalter 5A und die Lowside-Schalter 5B geschlossen werden. Oder es können dann auch alle der Leistungshalbleiterschalter 5 für den aktiven Kurzschluss geschlossen werden. Da dabei jedoch der Gleichstromzweig, also die Gleichstromleitungen DC+ und DC–, ebenfalls kurzgeschlossen werden, empfiehlt es sich hier, die Gleichstromleitungen DC+ und DC– durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise einen oder mehrere zusätzliche Schalter, zu öffnen bzw. aufzutrennen.
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Das System ist dazu ausgeführt, zum Durchführen des aktiven Kurzschlusses die Treiberschaltung 7 zu deaktivieren, beispielsweise im Rahmen einer Wechselrichtersperre. Somit wird kein elektrisches Potential an die Basis-Anschlüsse der Highside-Schalter 5A angelegt. Die Highside-Schalter 5A sind dadurch automatisch geöffnet. Hierzu werden besonders bevorzugt die Treiber innerhalb der Treiberschaltung 7 und/oder die Ausgänge der Treiberschaltung 7 zu den Basis-Anschlüssen und/oder die Eingänge der Treiberschaltung 7 zu dem Steuergerät 8 ausgeschaltet.
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Die Schutzschaltung 9 wird durch den Gleichstromzweig des Wechselrichters 1 mit elektrischer Energie versorgt. Dazu ist es mit den Gleichstromleitungen DC+ und DC– kontaktiert. Es kann alternativ auch eine autarke Stromversorgung für die Schutzschaltung 9 vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer eigenen Batterie oder die Stromversorgung kann aus dem Niedervoltnetz, beispielsweise mit 12, 24 oder 48 V, erfolgen.
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3 zeigt einen Antriebssystem, insbesondere einen Fahrzeugantrieb, wie dasjenige aus 1. Es setzt sich aus einer ersten Ebene A und einer zweiten Ebene B zusammen. Die zweite Ebene B bildet eine Überwachungsfunktion, welche die Funktionalität der ersten Ebene A überwacht. Die Überwachung in der zweiten Ebene B kann insbesondere dergestalt erfolgen, dass ein Vergleich zwischen Ist- und Soll-Werten erfolgen. Es können auch Plausibilitätsprüfungen und/oder Aktivitätsprüfungen etc. in der zweiten Ebene B erfolgen. Wenn die zweite Ebene einen Fehler erkennt, dazu zählen beispielsweise übermäßig große Abweichungen zwischen Soll-Werten und Ist-Werten oder die ungewollte Inaktivität von Bestandteilen des Antriebssystems, darin kann die zweite Ebene B einen sicheren Zustand des Antriebsystems anfordern.
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Die erste Ebene A weist ein Steuergerät 8 und eine Treiberschaltung 7 auf. Wie 1 und 2 erläutert betreiben diese mittels eines Wechselrichters 1 eine E-Maschine 2. Es kann sich um den Wechselrichter 1 und die E-Maschine aus 1 und 2 handeln. Bei dem Steuergerät 8 und der Treiberschaltung 7 kann es sich insbesondere um diejenigen von 2 handeln. Die dazu vorgebrachten Erläuterungen gelten dann auch für 3. Zusätzlich ist in 3 eine üblicherweise zwischen dem Steuergerät 8 und der Treiberschaltung 7 vorgesehene galvanische Trennung 7A gezeigt. Diese wird durch entsprechend ausgeführte und zwischengeschaltete Koppler 7B bewirkt.
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Die zweite Ebene B überwacht zumindest die Funktionen des Steuergeräts 8 und der Treiberschaltung 7. Die zweite Ebene B ist auch dazu ausgeführt, ein System zur Einleitung eines aktiven Kurzschlusses in den Phasen U, V, W des Wechselrichters 1 zu überwachen und zumindest dann zu betätigen, wenn ein sicherer Zustand erforderlich ist. Das System weist dazu analog zur 2 eine Schutzschaltung 9 auf. Diese ist also wie zu 2 erläutert ausgeführt. Die dazu vorgebrachten Erläuterungen gelten daher auch zu 3. Für den aktiven Kurzschluss betätigt sie direkt, also ohne die Treiberschaltung 7, die entsprechenden Leistungshalbleiterschalter 5 des Wechselrichters 1.
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Vorliegend wird der ersten und zweiten Ebene A, B beispielhaft ein Soll-Drehmoment Msoll vorgebenen. In der ersten Ebene A werden hieraus die dazu erforderlichen PWM-Signale für die Leistungshalbleiterschalter 5 des Wechselrichters 1 ermittelt. Entsprechend werden diese dann von der Treiberschaltung 7 betätigt. Ein an der E-Maschine 2 anliegendes Ist-Drehmoment Mist wird ebenfalls ermittelt, beispielsweise gemessen oder berechnet. In der zweiten Ebene B wird die Funktionalität der ersten Ebene A dann beispielsweise dadurch geprüft, dass dort zumindest ein Vergleich zwischen dem Soll- und Ist-Drehmoment Msoll, Mist stattfindet. Alternativ oder darüber hinaus können auch andere Werte, wie beispielsweise eine Drehzahl oder ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung, Zwischenergebnisse, oder Zustände der Komponente der ersten Ebene A überwacht werden.
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Wenn unzulässige Werte, Wertabweichungen oder Zustände etc. durch die zweite Ebene B festgestellt werden, wird diese den sicheren Zustand für den Wechselrichter 1 und die E-Maschine 2 anfordern. Dazu gibt sie ein entsprechendes Signal zum Einlegen des aktiven Kurzschlusses an die Schutzschaltung 9 aus (Signalpfad „Einlegen des AKS”). Parallel dazu fordert sie durch ein entsprechendes Signal auch eine Deaktivierung der ersten Ebene A an (Signalpfad „Deaktivieren der Ebene A”). Die Deaktivierung der ersten Ebene A beinhaltet eine Deaktivierung des Steuergeräts 8 sowie der Treiberschaltung 7, also eine Wechselrichtersperre. Dadurch legt die Treiberschaltung kein Signal/Strom mehr an die Basis-Anschlüsse der Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters 1 an. Die Schutzschaltung 9 leitet den aktiven Kurzschluss, wie oben erläutert, in einigen oder allen Phasen U, V, W des Wechselrichters 9 ein.
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Durch ein anderes, insbesondere übergeordnetes Signal kann die Wechselrichtersperre sowie der aktive Kurzschluss durch die Schutzschaltung 9 aufgelöst werden, beispielsweise durch die zweite Ebene B oder durch einen externen Zugriff. Die erste Ebene A wird dann also wieder aktiviert, was mit einer Deaktivierung der Schutzschaltung 9 einhergeht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wechselrichter
- 2
- E-Maschine
- 3
- Fahrzeugrad
- 4
- Gleichstromquelle
- 5
- Leistungshalbleiterschalter
- 5A
- Higside-Schalter
- 5B
- Lowside-Schalter
- 6
- Zwischenkreiskondensator
- 7
- Treiberschaltung
- 7B
- Koppler
- 8
- Steuergerät
- 9
- Schutzschaltung
- A
- erste Ebene, Funktionsebene
- B
- zweite Ebene, Überwachungsfunktion, Überwachungsebene
- DC+, DC–
- Gleichstromleitung
- Mist
- Ist-Drehmoment
- Msoll
- Soll-Drehmoment
- U, V, W
- Phase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008026549 A1 [0008]
