DE102017009667A1

DE102017009667A1 - Motoransteuerschaltung

Info

Publication number: DE102017009667A1
Application number: DE102017009667.8A
Authority: DE
Inventors: Nathanael Rice; David Moule; Geoffrey Holland
Original assignee: TRW Ltd
Current assignee: ZF Automotive UK Ltd
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2018-04-19
Also published as: CN107968612B; GB2555117A; GB2555117B; US20180109212A1; GB201617653D0; US10305401B2; CN107968612A

Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromotorsteuerung. Es wird eine elektrische Schaltung zum Ansteuern mindestens eines Elektromotors offenbart, wobei der mindestens eine Motor mindestens eine Menge von Phasenwicklungen aufweist. Die elektrische Schaltung ist als mindestens ein Zweig angeordnet, der eine Motoransteuerschaltung umfasst, die betreibbar ist, in Gebrauch einer der Menge von Phasenwicklungen des Motors Ansteuerspannungen zuzuführen. Es ist eine Verpolungs-Batterieschutzschaltung für mindestens einen Zweig vorgesehen und befindet sich entweder in einer Zuführungsleitung zu der Motoransteuerschaltung von einer Stromversorgung oder einem Rückpfad von der Motoransteuerschaltung zur Stromversorgung. Die Verpolungs-Batterieschutzschaltung umfasst einen Schalter, der normalerweise geöffnet ist, wenn die Batterie getrennt ist, und der offen bleibt, falls die Batterie falsch mit umgekehrter Polarität mit der Ansteuerschaltung verbunden wird. Die elektrische Schaltung umfasst außerdem ein Steuermittel, das ausgelegt ist zum Steuern des Schalters der Verpolungs-Batterieschutzschaltung dergestalt, dass der Schalter geschlossen wird, falls das Steuermittel bestimmt, dass die Batterie mit der korrekten Polarität verbunden ist. Der Schalter ist auch während des Betriebs des Motors geöffnet, falls eine oder mehrere zusätzliche Bedingungen erfüllt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Motoransteuerschaltungen für Elektromotoren, insbesondere, aber nicht ausschließlich, zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen.
Es ist bekannt, Elektromotoren in vielfältigen Kraftfahrzeuganwendungen bereitzustellen, darunter elektrische Servolenksysteme, bei denen der Motor direkt an einem Teil des Lenksystems wirkt, um ein Fahrerhilfsdrehmoment zu erzeugen, und in Brems- und Lenksystemen, bei denen der Motor eine Pumpe antreibt, die ihrerseits Hydraulikflüssigkeit in dem System bewegt.
Es ist bekannt, einen mehrphasigen Elektromotor anzusteuern, indem jede Phase des Motors mit einer Motoransteuerschaltung verbunden wird, typischerweise in Form einer Brücke. Bei einer bekannten Ansteuerschaltung wird das Ende jeder Phase mit einem oberen Arm, der einen mit einem Anschluss einer Batterie verbundenen Schalter umfasst, und einem unteren Arm, der einen mit dem anderen Anschluss der Batterie verbundenen Halbleiterschalter umfasst, verbunden. Bei einem Dreiphasenmotor kann die Ansteuerstufe eine Dreiphasenbrücke mit drei dieser Armpaare umfassen.
Im Gebrauch legt eine Steuerung Spannungsmuster an jeden Schalter der Ansteuerschaltung an, um zu bewirken, dass sich die Schalter schnell in einem definierten Muster öffnen und schließen, um somit die Amplitude und Phase der an jede Phase des Motors angelegten Spannung zu steuern. Die Phasen können relativ zu etwaigen durch die Motordrehung erzeugten Rück-EMK-Spannungen abhängig von der verwendeten Motorsteuerstrategie avanciert oder retardiert sein.
Bei einem mit einer Ansteuerschaltung verbundenen Mehrphasenmotor erzeugt der Motor eine Rück-EMK, die die Batterieversorgungsspannung übersteigen kann. Dazu kann es kommen, wenn der Motor nicht durch die Brückenschaltung angesteuert wird, sondern ein Drehmoment auf den Rotor angewandt wird, das bewirkt, dass sich dieser mit hoher Geschwindigkeit dreht, oder sogar wenn er angesteuert wird, wenn die Geschwindigkeiten hoch genug sind. Diese Rück-EMK kann sich als problematisch erweisen, wenn sie ungehemmt gelassen wird. 1 zeigt einen möglichen geschlossenen Pfad um einen Motor 100 durch die Body-Dioden der MOSFET-Schalter in einer Ansteuerbrücke 101 und die Batterieversorgung 102. Beim Motorbetrieb kann die hohe Rück-EMK überwunden werden, indem die an den Motor angelegte Stromsignalform avanciert wird, um das Magnetfeld vor der Spitzen-Rück-EMK zu schwächen. Dadurch kann sich der Motor schneller drehen als anderweitig möglich wäre.
Bei einem Fehler in der Ansteuerschaltung oder in den die Schaltung mit der Stromversorgung verbindenden Versorgungsleitungen oder bei der Motorsteuerung oder einfach wenn der Motor nicht angesteuert wird, sondern durch ein auf den Rotor angewandtes Drehmoment rückgesteuert wird, um so als Generator zu wirken, kann es unmöglich sein, das Feld durch Avancieren des elektrischen Felds ausreichend zu schwächen. Dies führt dazu, dass die volle Rück-EMK erzeugt wird, die dann über die MOSFET-Dioden auf die Batterie - als Konzept auf den DC-Batteriebus und von dort aus in die Batterie - geleitet wird. Obwohl dies nicht destruktiv ist, hat der Anmelder erkannt, dass dies als signifikante Abbremsung am Motor wirken kann, wodurch Hochgeschwindigkeitsbetrieb begrenzt wird.
Bei vielen Anwendungen sieht man einen ansteigenden Bedarf an Bereitstellung zusätzlicher Sicherheit durch Verwendung von Redundanz im Schaltungsentwurf. Bei einer Anordnung wird eine Zweifach-Ansteuerbrückenschaltung vorgeschlagen, wobei entweder zwei Motoren vorliegen oder ein Motor zwei Mengen von unabhängigen Phasenwicklungen aufweist und die Brücke in zwei unabhängige Zweige aufgeteilt wird, wobei jeder Zweig eine volle H-Brückenschaltung umfasst, die mit einer der Mengen von Phasen verbunden ist. Im Gebrauch kann einer der Zweige zur Ansteuerung des Motors verwendet werden, während der andere zur Verwendung, wenn der eine Zweig fehlerhaft ist, in Reserve gehalten wird. Als Alternative können beide gleichzeitig angesteuert und einer ausgeschaltet werden, wenn ein Fehler in diesem Zweig detektiert wird. Der Vorteil, beide gleichzeitig anzusteuern, besteht darin, dass die Leistungsverluste über beide Zweige geringer als bei Einzelbrückenansteuerung sein können, so dass dünnere Drähte und Schalter mit niedrigeren Nennwerten verwendet werden können.
Bei einer voll unabhängigen Zweifach-Zweiganordnung, d.h. Zweifach-Brücken, kann jeder Zweig Steuersignale von seiner eigenen Steuerschaltung erhalten und kann seine eigenen unabhängigen Verbindungen zur Batterie aufweisen. Als Alternative wird bei einigen Anwendungen eine geteilte Verbindung mit der Batterie und eine geteilte Steuerung vorgesehen.
Wenn eine Zweifach-Zweiganordnung vorgesehen wird und ein Zweig einen Fehler aufweist, könnte eine in diesem Zweig erzeugte Rück-EMK Abbremsung erzeugen, die den Versuchen des funktionierenden Zweigs, den Motor anzusteuern, entgegenwirkt. Dadurch würde die verfügbare Spitzenmotordrehzahl verringert.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine elektrische Schaltung zum Ansteuern mindestens eines Elektromotors bereit, wobei der mindestens eine Motor mindestens eine Menge von Phasenwicklungen aufweist, wobei die Schaltung als mindestens ein Zweig angeordnet ist, der eine Motoransteuerschaltung umfasst, die dafür betreibbar ist, im Gebrauch einer der Mengen von Phasenwicklungen des Motors Versorgungsansteuerspannungen zuzuführen, wobei die elektrische Schaltung für den mindestens einen Zweig eine jeweilige Verpolungs-Batterieschutzschaltung umfasst, die sich entweder in einer Zuführung der Motoransteuerschaltung von einer Stromversorgung oder in einem Rückpfad von der Motoransteuerschaltung zur Stromversorgung befindet, wobei die Verpolungs-Batterieschutzschaltung einen Schalter umfasst, der normalerweise offen ist, wenn die Batterie getrennt ist, und der offen bleibt, falls die Batterie falsch mit einer umgekehrten Polarität mit der Ansteuerschaltung verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung ein Steuermittel umfasst, das ausgelegt ist zum Steuern des Schalters der Verpolungs-Batterieschutzschaltung dergestalt, dass der Schalter geschlossen wird, falls das Steuermittel bestimmt, dass die Batterie mit der korrekten Polarität verbunden ist, und ferner dass das Steuermittel zusätzlich ausgelegt ist zum Öffnen des Schalters während des Betriebs des Motors, falls eine oder mehrere zusätzliche Bedingungen erfüllt sind.
Die eine oder mehreren Bedingungen, die bewirken, dass das Steuermittel den Schalter öffnet, können umfassen, dass die durch den Motor erzeugte Rück-EMK eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Diese Schwelle kann auf im Wesentlichen die Nennbatterieversorgungsspannung oder eine Spannung nahe der Batterieversorgungsspannung, zum Beispiel innerhalb von 1 Volt oder 2 Volt, gesetzt werden. Der Schalter wird dann geöffnet, wenn die Rück-EMK diese Schwellenspannung überschreitet. Die Vorrichtung kann ein Rück-EMK-Messmittel umfassen, das die Spannung an der Motoransteuerstufe misst, um die Rück-EMK zu bestimmen.
Diese Bedingung kann modifiziert werden, so dass der Schalter zu einem Zeitpunkt, wenn die Schaltung absichtlich erfordert, dass der Motor als Generator wirkt und Energie in die Versorgung zurückführt, nicht geöffnet wird. Dementsprechend kann das Steuermittel ein Triggersignal empfangen, das angibt, ob dem Motor erlaubt ist, als Generator zu wirken oder nicht.
Die eine oder mehreren Bedingungen können zusätzlich oder als Alternative umfassen, dass die durch den Motor erzeugte Rück-EMK im Wesentlichen die Momentan-Batterieversorgungsspannung erreicht oder überschreitet. Der Anmelder erkennt, dass in einigen Fällen die Batteriespannung unter den Nennwert fällt. Die Vorrichtung kann ein Versorgungsspannungs-Messmittel umfassen, das die Batterieversorgungsspannung misst. Wieder kann diese Bedingung modifiziert werden, so dass der Schalter zu einem Zeitpunkt, wenn die Schaltung absichtlich erfordert, dass der Motor als Generator wirkt und Energie in die Versorgung zurückführt, nicht geöffnet wird. Dementsprechend kann das Steuermittel ein Triggersignal empfangen, das angibt, ob dem Motor erlaubt ist, als Generator zu wirken oder nicht.
Die eine oder mehreren Bedingungen können umfassen, dass bestimmt wird, dass ein Teil der Vorrichtung fehlerhaft ist, zum Beispiel dass ein Kurzschluss vorliegt, der eine geschlossene Schleife bildet, die mindestens zwei Motorphasen umfasst. Die Vorrichtung kann ein Fehlerbestimmungsmittel umfassen, das die Integrität eines oder mehrerer Teile der Schaltung prüft, um zu bestimmen, ob ein Fehler vorliegt. Zum Beispiel können Prüfspannungen an die Brückenschalter und Motorphasen angelegt werden, um ihre Integrität zu bestimmen.
Fehler, die detektiert werden können, wären zum Beispiel ein Ausfall eines Ansteuerstufenschalters der Ansteuerstufe oder der Steuerung für die Ansteuerschaltung, die die Modulation der Ansteuerstufenschalter steuert.
Wenn die Vorrichtung mindestens zwei Zweige umfasst, können die eine oder mehreren Bedingungen umfassen, dass bestimmt wird, dass ein Teil eines Zweigs fehlerhaft ist, wo der Zweig nicht zum Ansteuern des Motors verwendet wird. Die Steuerschaltung kann deshalb die Funktion jedes der zwei oder mehr Zweige der Ansteuerschaltung überwachen, und kann, falls ein Fehler detektiert wird, zusätzlich den Schalter der entsprechenden Verpolungs-Batterieschutzschaltung öffnen.
Diese Handlung verhindert, dass die Rück-EMK in dem fehlerhaften Zweig einen Stromfluss zurück auf die Versorgung verursacht, selbst eine Rück-EMK unter dem Schwellenwert. Dies kann sich auch dabei von Nutzen erweisen, sicherzustellen, dass unerwünschte Energie im Motor nicht auf die Batterie abgeladen wird.
Wenn zwei Zweige oder mehr vorgesehen sind, hat der Anmelder erkannt, dass es nützlich ist, einen fehlerhaften Zweig zu isolieren, um sicherzustellen, dass keine Rück-EMK auf die Batterieversorgung geleitet wird, die die Batteriespannung, die von dem verbleibenden funktionsfähigen Zweig gesehen wird, verringern würde, um dadurch die dem Motor verfügbare Leistung zu verringern. Ohne Isolation würde der eine funktionsfähige Zweig versuchen, den Motor anzusteuern, und der fehlerhafte Zweig kann eine Abbremsung anwenden, die versucht, den angesteuerten Motor zu stoppen. Isolieren des fehlerhaften Zweigs entfernt diese Abbremsung.
Die vorliegende Erfindung stellt deshalb Steuerung des Betriebs einer Verpolungs-Batterieschutzschaltung bereit, um eine zweifache Funktion des Batterie-Verpolungsverbindungsschutzes und der Minderung der Auswirkung von Motor-Rück-EMK auf die Motorversorgung unter vielfältigen Betriebsbedingungen bereitzustellen. Durch Verwendung eines Schalters in zweifacher Kapazität werden die Komplexität der Schaltkreise verringert und Spannungsabfälle minimiert, verglichen mit einer Lösung, die jedes Problem unabhängig behandelt, wie etwa Bereitstellen von isolierenden Schaltern am Motorsternpunkt für jeden Zweig.
Die Stromversorgung kann eine Batterie umfassen, zum Beispiel wenn die elektrische Schaltung als Teil einer elektrischen Vorrichtung eines Fahrzeugs bereitgestellt wird. Diese Vorrichtung kann ein elektrisches Servolenksystem umfassen, bei dem der Motor ein Drehmoment auf die Lenkung anwendet, um dem Fahrer zu helfen. Als Alternative kann die Vorrichtung ein Lenk- oder Bremssystem umfassen, das den Motor zum Antrieb des Flügelrads einer Pumpe verwendet. Bei einer anderen Alternative kann die Vorrichtung eine Betätigungsvorrichtung zum Betätigen einer primären Steuerfläche eines Flugzeugs oder vielleicht ein Positionierungssystem für ein Betätigungsglied in einer sicherheitskritischen Anwendung umfassen.
Der Schalter der Verpolungs-Batterieschutzschaltung kann ein Relais oder einen Halbleiterschalter, wie etwa einen Transistor oder einen MOSFET, in Reihe zwischen der Ansteuerschaltung und dem positiven Anschluss der Stromversorgung oder in Reihe zwischen der Motoransteuerschaltung und einem Rückpfad zur Stromversorgung umfassen. Eine Diode kann extern mit dem Schalter parallel geschaltet sein oder kann intern parallel an den Polen des Schalters vorgesehen sein, die so orientiert ist, dass Leitung von Strom erlaubt wird, wenn die Batterie mit der korrekten Polarität verbunden ist, aber Leitung in der Verpolungsrichtung nicht erlaubt wird.
Der Schalter kann tatsächlich zwei parallel angeordnete Teilschalter umfassen, die beide durch das Steuermittel gesteuert werden.
Das Steuermittel kann eine diskrete Anordnung von analogen elektrischen Komponenten umfassen, die dafür ausgelegt sind, zu bewirken, dass sich der Schalter schließt, wenn die Batterie korrekt verbunden ist, indem ein Teil der Batteriespannung an die Basis des Transistors angelegt wird.
Als Alternative oder zusätzlich kann das Steuermittel eine digitale Schaltung umfassen, die die an einem oder mehreren Teilen der elektrischen Schaltung abfallende Spannung misst und aus den Messungen eine Spannung erzeugt, die an den Schalter - z.B. an die Basis des Transistors oder das Gate des MOSFET - angelegte Spannung, wenn der Schalter zu öffnen oder zu schließen ist, erzeugt.
Das Steuermittel kann zwei diskrete Schaltungen zum Steuern des Schalters abhängig von der Batteriepolarität und Steuern des Schalters abhängig von der Rück-EMK umfassen, wobei die Ausgabe der zwei Schaltungen durch ein Logikgatter geleitet wird, bevor sie an den Schalter angelegt wird.
Als Alternative kann das Steuermittel eine digitale Schaltung umfassen, die die an einem oder mehreren Teilen der elektrischen Schaltung abfallende Spannung misst, um den Schalter zum Verpolungs-Batterieschutz zu steuern und um zu bewirken, dass sich der Schalter öffnet, wenn die gemessenen Spannungen angeben, dass die Rück-EMK ausreicht, um eine Abbremsung am Motor bereitzustellen.
Das Steuermittel kann eine digitale Schaltung umfassen, die den Schalter zum Verpolungs-Batterieschutz auf der Basis des Betriebsmodus des Motors oder der Integrität aller Komponenten in der Ansteuerschaltung steuert.
Das Steuermittel kann ein Mittel zum Messen der Richtung von Strom durch den Verpolungs-Batterieschutz messen und Fluss von regenerativem Strom nur erlauben, wenn es ihm befohlen wird, um aber den Schalter während des Normalbetriebs freizugeben, um Verluste zu minimieren.
Jeder Zweig kann mit einer jeweiligen Verpolungs-Batterieschutzschaltung versehen werden, die sich zwischen dem Zweig und der Stromversorgung befindet. Es kann eine gemeinsame Steuerschaltung bereitgestellt werden, die unabhängige Steuerung jedes Schalters der Batterieschutzschaltungen gewährleistet, oder jede Verpolungs-Batterieschutzschaltung kann mit ihrem eigenen Steuermittel versehen werden.
Die Ansteuerschaltung kann einen Filterkondensator umfassen, der zwischen die positive Zuführung zu zwei Zweigen und die Erd-Rückführung für die zwei Zweige geschaltet wird, wobei der Verpolungs-Batterieschutzschalter jedes Zweigs sich dergestalt in der elektrischen Schaltung befindet, dass, wenn er offen ist, er den Filterkondensator nicht von der Ansteuerschaltung isoliert, während die Batterie isoliert wird.
Dadurch kann der Filterkondensator Energie speichern, wenn die Batterie isoliert ist. Es kann zwei Filterkondensatoren geben. Jeder Kondensator kann einen Superkondensator umfassen.
Die Steuerschaltung kann deshalb dafür ausgelegt sein, im Gebrauch den Schalter zu öffnen, wenn der Motor Energie erzeugt, zum Beispiel wenn der Rotor im Stator aufgrund einer externen Last gedreht wird. In diesem Fall wird die produzierte elektrische Energie auf den Filterkondensator geschoben, in dem die Energie zur späteren Freigabe in den Motor gespeichert wird.
Die Steuerschaltung kann die im Kondensator gespeicherte Energie überwachen und den Schalterbetrieb als Funktion der gespeicherten Energie im Kondensator steuern.
Die Steuerschaltung kann bestimmen, dass die Rück-EMK einen vorbestimmten Wert überschritten hat, indem eine Spannung gemessen wird, die an einem in Reihe mit dem Schalter der Batterie-Verpolungs-Spannungsschutzschaltung vorgesehenen Widerstand abfällt, wobei die Spannung proportional zum Stromfluss durch den Widerstand ist, der seinerseits von der Rück-EMK abhängt und daher eine Angabe liefert, dass der Motor regeneriert.
Die Batterie kann direkt mit der elektrischen Schaltung verbunden sein oder kann mit einem Energieübertragungsbus verbunden sein, mit dem die Ansteuerschaltung verbunden ist. Im letzteren Fall kann die Verpolungs-Batterieschutzschaltung, wenn sie offen ist, die Ansteuerschaltung von einer der Verbindungen mit dem Bus isolieren.
Jede Ansteuerstufe kann einen H-Brückentreiber umfassen, der für jede Phase des Motors einen Ansteuerstufenschalter, der jede Phase mit einem Anschluss der Stromversorgung verbindet, und einen weiteren Ansteuerstufenschalter, der jede Phase mit dem anderen Anschluss der Stromversorgung verbindet, umfasst.
Der Motor kann eine Menge von Phasenwicklungen für jeden Zweig der Ansteuerschaltung umfassen, wobei jede Menge voll unabhängig von der anderen ist. Als Alternative können die zwei oder mehr Zweige alle mit der einen Menge von Versorgungen verbunden werden, so dass sie nur teilweise unabhängig sind. Nur die erste Anordnung gibt voll unabhängige Steuerung des Motors.
Es werden nun lediglich anhand von Beispielen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die darin dargestellt sind, beschrieben. Es zeigen:

1 ein Schaltbild einer vorbekannten elektrischen Schaltung zum Ansteuern eines Elektromotors;
2 ein Schaltbild des Motors und eines Zweigs einer ersten Ausführungsform der elektrischen Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine ausführlichere Ansicht der Schaltung von 2, die die Steuerschaltung für den Schalter der Verpolungs-Batterieschutzschaltung zeigt;
4 ein Schaltbild des Motors und eines Zweigs einer zweiten Ausführungsform einer elektrischen Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine ausführliche Ansicht einer möglichen Anordnung von Steuerschaltung für den Schalter der Verpolungs-Spannungsschutzschaltung der ersten oder zweiten Ausführungsform; und
6 ein Schaltbild einer elektrischen Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei voll unabhängigen Zweigen zum Ansteuern von zwei Mengen von voll unabhängigen Motorphasen.

2 zeigt einen Teil einer Ausführungsform einer elektrischen Schaltung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Klarheit halber zeigt die Figur einen einzigen Zweig einer Schaltung mit mehreren Zweigen, wobei die anderen Zweige weggelassen sind.
Die Schaltung 1 umfasst eine herkömmliche Dreiphasen-Brücken-Motoransteuerschaltung 2, die in die gestrichelte Linie in der Figur eingeschlossen ist, die mit dem positiven Anschluss 3 eines (nicht gezeigten) Versorgungsbusses auf einer Nennspannung V_DC _Bus und mit einem Erdanschluss 4 des Versorgungsbusses verbunden ist. Der Versorgungsbus wird durch eine (auch nicht gezeigte) Batterie versorgt. Die Brücke 2 umfasst wie gezeigt drei Paare von Armen 6, wobei jedes Paar an einer Mittelanzapfung mit einem freien Ende einer Phase eines Elektromotors verbunden ist. Die Schaltung dient zum Ansteuern eines Motors 7, der wie gezeigt drei Phasen 7a, 7b, 7c aufweist, die alle an einem Sternpunkt 8 miteinander verbunden sind. Andere Topologien, wie etwa ein Delta-geschalteter Motor sind auch auf die vorliegende Erfindung anwendbar. Jeder Arm 6 der Brücke umfasst einen Halbleiter-MOSFET- oder Bipolartransistor-Ansteuerstufenschalter 9. Jeder Schalter 9 wird durch eine (nicht gezeigte) Motorsteuerung gesteuert, die PWM-Spannungssignalformen an das Gate oder die Basis jedes Schalters anlegt, wenn der Motor angesteuert wird. Die Form und das Timing dieser Signalformen werden dem Leser wohlbekannt sein und werden hier nicht weiter beschrieben.
In der Leitung zwischen der Brücke 2 und dem Erdanschluss 4 in Reihe geschaltet befindet sich eine Verpolungs-Batterieschutzschaltung 10. Dies ist in 2 sehr einfach durch einen MOSFET-Schalter 11 parallel mit einer Diode 12 repräsentiert. Die Diode 12 ist so angeordnet, dass mit offenem Schalter 11 Strom von dem positiven Anschluss durch die Diode zur Erde fließen kann, aber nicht anders herum. Dadurch wird sichergestellt, dass eine richtig verbundene Batterie sofort durch die Brücke und über die Diode heraus leitet, aber, wenn sie falsch verbunden ist, durch den offenen Schalter oder die in Umkehrrichtung verbundene Diode nicht leiten kann.
3 zeigt zusätzliche Einzelheiten der elektrischen Schaltung und insbesondere ein Steuermittel, das das Öffnen und Schließen des Schalters aktiv steuert. Wie gezeigt umfasst das Steuermittel einen Mikroprozessor 13, der Steuerlogik ausführt, um zu bestimmen, wann der Schalter zu öffnen ist. In diesem Beispiel reagiert die Steuerschaltung auf Messungen von Spannungen an verschiedenen Orten in der elektrischen Schaltung sowie auf Ergebnisse von an Teilen der Schaltung, wie etwa den Ansteuerstufenbrücken, ausgeführten Integritätsprüfungen. Zum Beispiel kann der Mikroprozessor eine Steuerstrategie ausführen, die auf der Basis der Bestimmung des Zustands des Brückentreibers und/oder der Brücke und/oder des Zustands der Steuerlogik und/oder einer Messung des Rück-EMK-Werts und/oder einer Messung der Versorgungsspannung und/oder des Zustands der Batterie und/oder der Integrität der Brückenschalter bestimmt, wann der Schalter zu öffnen oder zu schließen ist.
Im Fall einer korrekt verbundenen Batterie wird die Diode 12 der Verpolungs-Batterieschutzschaltung für Leitung benutzt, bis das Steuermittel 13 oder eine andere Sicherheitsschaltung den Betrieb der Brücke und den Batteriezustand bestätigt. Dabei erlaubt in diesem Zustand die Diode 12 Leitung in der Durchlassrichtung, wodurch erlaubt wird, dass Strom zur Versorgung der Steuerschaltung und anderer Schaltkreise fließt, aber verhindert, dass die Brückendioden eine etwaige Rück-EMK von dem Motor auf die DC-Versorgung gleichrichten. Sobald die geeigneten Bedingungen erfüllt wurden, um zu demonstrieren, dass die Brücke in der Lage ist, den Motor zu steuern, wird dann durch Schließen des Schalters 11 die Verpolungs-Batterieschutzvorrichtung freigegeben. Man erreicht dies, indem das Steuermittel eine Spannung an das Gate des MOSFET-Schalters anlegt, die bewirkt, dass er sich schließt. Dies führt zu einer Verringerung von Verlusten an der Vorrichtung während Hochstromanforderungen und erlaubt der Einheit, während des Normalbetriebs auf den DC-Bus zu erzeugen, falls dies erwünscht ist.
Das Steuermittel 13 öffnet im Gebrauch auch den Schalter 11, um die Batterie teilweise vom Motor zu trennen, um Stromfluss, während die Einheit nicht funktionsfähig ist, zu verhindern. 1 zeigt den Stromfluss während normaler Motordrehung, wodurch eine Rück-EMK über dem V_DC-Buswert verursacht wird, ohne dass die Brücke aktiv angesteuert wird. Dies führt zu dem Stromfluss durch die internen Dioden in den MOSFETs und auf die Versorgungsleitungen, wodurch Strom von der Masse entnommen und auf die Versorgung geschoben wird. Der gezeigte Pfad ist nur einer von vielen möglichen Pfaden abhängig von der Rotorstellung während der Drehung des Motors. Mit der Ausführungsform gemäß der Erfindung kann dieser Fluss verhindert werden, indem die Steuerschaltung den Batterie-Verpolungs-Spannungsschutzschalter öffnet.
Die Funktion des Steuermittels 13 bei den gezeigten Ausführungsformen kann folgendermaßen sein:

- anfängliches Bestimmen, wann die Brücke funktionsfähig ist, und Schließen des Schalters der Verpolungs-Polaritätsschutzschaltung nur dann, wenn
1. (i) das System normalen Motor-Betrieb erfüllen kann, oder
2. (ii) wenn die Steuerschaltung bestimmt, dass eine Anforderung besteht, es dem Motor zu erlauben, zu generieren und Energie zurück in die Versorgung zu bringen, zum Beispiel wenn der Motor schnell gebremst wird.

Zu anderen Zeiten, wie etwa wenn eine hohe Rück-EMK oder ein Fehler besteht oder wenn bestimmt wird, dass es wünschenswert ist, Energie in den Filterkondensator abzuladen, öffnet die Steuerschaltung den Schalter oder hält ihn offen.
Diese Szenarien könnten auf der Basis von Brückenbetrieb, Stromfluss, DC-Busspannungserfassung, Phasenspannungserfassung, prädiktiven Algorithmen oder beliebigen anderen Prozessen zur Verhinderung von Stromfluss auf die Versorgung, wenn es nicht erwünscht ist, bestimmt werden.
Bis die Verpolungs-Batterieschutzschaltung durch den geschlossenen Schalter 11 freigegeben wird, kann normaler Strom zur Versorgung der Steuerschaltung und anderer Steuerlogik für die Brückentreiberschaltung durch die Diode der Batterie-Verpolungs-Schutzschaltung fließen, so dass energiesparende Vorrichtungen weiter betrieben werden können. Bevor irgendwelche hohe Leistung konsumiert wird, wie etwa bei normalen Motorbetrieb, muss der Verpolungs-Batterieschutz verbunden werden, um Verlustleistung in der Vorrichtung und etwaige Überhitzungsprobleme, die dadurch verursacht werden können, zu verringern. Er muss auch verbunden werden, bevor irgendein gewünschtes Dämpfungsdrehmoment bereitgestellt werden kann.
Die Verpolungs-Batterieschutzschaltung der Ausführungsform von 2 und 3 wird im Rückweg zur Erde platziert. Für Fachleute ist jedoch erkennbar, dass es im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegt, als Alternative dies mit der gleichen Wirkung in der positiven Versorgungsleitung zu platzieren. Eine Anordnung dieser Art ist in 4 der Zeichnungen gezeigt.
Obwohl die Ausführungsformen von 2 bis 4 zur Bereitstellung voller aktiver Steuerung des Schalters einen Mikrocontroller verwenden können, kann eine alternative Anordnung vorgesehen werden, die passiven Betrieb des Schalters nach korrekter Verbindung der Batterie und aktive Steuerung des Schalters für alle anderen Funktionen kombiniert. Eine Anordnung dieser Art ist in 5 gezeigt. Es ist zu sehen, dass das Gate des Schalters 11 mit einer passiven Analogschaltung verbunden ist, die einen Spannungsteiler (Widerstände R1 und R2) und eine Zenerdiode 14 umfasst. Die Analogschaltung legt eine Spannung an das Gate des Schalters 11 an, sobald Strom durch einen Erfassungswiderstand R1 fließt. Dieser Strom fließt anfänglich von dem positiven Batterieanschluss durch die Diode zur Erde. Wie gezeigt umfasst die Schaltung einen Strombegrenzungswiderstand R1, eine Spannungsbegrenzungs-Zenerdiode 14 und einen Gatewiderstand R2 (optional). Wenn die Spannung auf VDCBUS über die Schwellenspannung des Schalters geht, wird der Schalter eingeschaltet, der Schalter dann durch die Zenerdiode 14 durch eine Überspannung am Gate geschützt und die Zenerdiode 14 durch eine Überspannung auf der Versorgung durch den Widerstand R1 geschützt. R2 schützt den Schalter vor einem Ausfall entweder von R1 oder 14.
Daher öffnet sich der Schalter automatisch, wenn eine korrekt orientierte Batterie verbunden ist. Dieses Signal wird durch ein AND-Gatter 16 zum Gate geleitet, wobei der andere Eingang des AND-Gatters eine Spannung von der Steuerschaltung 13 erhält. Dadurch kann die Steuerschaltung 13 den Schalter immer dann wieder öffnen, wenn es erforderlich ist, indem die Spannung von dem AND-Gatter genommen wird.
Natürlich könnte anstelle des AND-Gatters andere Logik verwendet werden, oder die an dem Erfassungswiderstand abfallende Spannung könnte als Steuereingabe in die Steuerschaltung eingegeben werden.
Die Erfindung ist insbesondere auf Zweifach-Zweig-Schaltungen anwendbar. Obwohl 1 bis 3 der Klarheit der Erläuterung der Funktionsweise der Schaltung halber nur einen Zweig zeigen, werden in der Praxis mindestens zwei Zweige vorliegen. 6 zeigt die Anordnung von zwei Zweigen, die voll unabhängig sind. Jeder Zweig umfasst eine Ansteuerbrücke 2a und 2b, einen eigenen Batterie-Verpolungs-Schutzschalter 11a, 11b und eine Diode 12a, 12b und eine eigene Steuerung 13a und 13b. Außerdem ist wie gezeigt der Motor in diesem Beispiel zweifach gewickelt, mit zwei unabhängigen Mengen von Dreiphasenwicklung, jede Menge mit ihrem eigenen Sternpunkt. Für Fachleute ist erkennbar, dass es möglich ist, zwei Motoren zu verwenden, die durch eine mechanische Verbindung verbunden sind, statt einen Motor. Jeder Motor hätte eine der Mengen von Wicklungen.
Angesichts der zweifachen Anordnung von 6 können die signifikanten Vorteile der aktiven Batterie-Verpolungs-Schutzschaltung leicht erkannt werden. Man nehme den Fall eines Fehlers mit relativ niedrigem, aber von null verschiedenem Widerstand außerhalb der Motoransteuerung in dem Stromversorgungsnetzwerk eines der zwei Zweige (in einem Mehrfachzweigsystem könnten natürlich mehr als zwei Zweige vorliegen). Dies bewirkt, dass sich die Spannung an den Anschlüssen der Motoransteuer-Leistungselektronik verringert, um so diesen Zweig der Motoransteuerung effektiv für Motor-Betrieb unbenutzbar zu machen. Ohne jegliches Verpolungs-Batteriemodul (vorbekannte Schaltung von 1) führt jeder Motor-Betrieb aus den funktionsfähigen Zweigen des Motors (sobald die Rück-EMK die von zwei Diodenspannungsabfällen überschritten hat) zur Generierung durch die Body-Dioden der sechs Transistoren in der Dreiphasenbrücke. Dies führt dazu, dass der fehlerhafte Zweig ein Abbremsdrehmoment bereitstellt. Wenn ein Verpolungs-Batteriemodul vorgesehen ist und nicht betrieben wird, wird der Generierungsbetrieb gestoppt. Mit passiver Steuerung des Verpolungs-Batteriemoduls könnte jedoch dann abhängig von der Rück-EMK, dem externen Widerstand in der fehlerhaften Versorgung und der Schwelle zum Freigeben des Verpolungs-Batteriemoduls das Verpolungs-Batteriemodul automatisch schließen, sobald höhere Geschwindigkeiten erreicht sind: Dies würde die Generierung von Energie in den Niederwiderstandsfehler und ein daraus folgendes Abbremsdrehmoment erlauben, wodurch die Leistungsfähigkeit der Ansteuerung kompromittiert wird.
Die Schaltung der Erfindung stellt eine aktiv gesteuerte Verpolungs-Batterieschutzschaltung bereit. Dies hilft bei der Verhinderung der Abbremsung und hilft beim Mindern eines Stromversorgungsfehlers außerhalb der Motoransteuerung.
Jegliche erzeugte und in dem DC-Verbindungskondensator mit inaktivem Verpolungs-Batteriemodul erzeugte Energie kann ferner in der Motoransteuerung gehalten und zur Versorgung der relativ geringen Energieanforderungen des Mikroprozessors verwendet werden, damit er Einzelheiten des Fehlers mit anderen Systemkomponenten kommunizieren kann.
Die Aufnahme eines gesteuerten Verpolungs-Batteriemoduls (und aus praktischen Gründen wahrscheinlich auch einer Freilaufdiode um eine etwaige Leistungsstufen-Filterschaltung herum) gibt auch die Gelegenheit zu Folgendem, solange ausreichende lokale Energiespeicherung mit ausreichend hoher Nennspannung verfügbar ist:

(i) Mindern einiger der Transienten, die andernfalls von anderen Geräten, die mit derselben Stromversorgung verbunden sind, gesehen würden. Motoransteuerungen werden häufig mit komplexen Stromnetzen verbunden. Schnelle Transienten können zu Instabilität dieser Netze führen: in der Lage zu sein, Transienten in Geräten zu halten, kann bei der Verbesserung der Netzstabilität und Verringerung von Spannungstransienten, gegenüber denen andere verbundene Geräte immun sein müssen, helfen.
(ii) Erhöhung der zur Beschleunigung verfügbaren Ansteuerspannung durch lokales Speichern von Energie aus Verlangsamung des Motors, die sich aus dem oben beschriebenen Szenario ergibt, wobei die Rück-EMK des Motors in einer Nicht-Schalt-Brücke die Versorgungsspannung überschreitet. Neben der Gewährleistung einer für Beschleunigung verfügbaren erhöhten Spannung und der Überwindung der Induktivität des Motors, wodurch der Phasenstrom schneller geändert werden kann, hat dies den weiteren Vorteil des Minimierens von Verlusten, die ansonsten in Verbindungskabeln resultieren würden.
(iii) Erhöhen der zur Beschleunigung verfügbaren Ansteuerspannung durch Anlegen von Phasenströmen an einen Zweig eines Zweifach-Zweig-Systems mit einer geeigneten Verzögerung relativ zu der Rück-EMK, um einen Generierungs-Betriebsmodus zu ermöglichen. Dies könnte für eine beliebige Geschwindigkeit über null gelten. Ein zweiter (oder weiterer) Zweig bzw. zweite (oder weitere) Zweige des Systems gewährleisten Motor-Betrieb zur Bereitstellung sowohl von Lastdrehmoment als auch Energietransfer zur Vergrößerung der internen Spannung der DC-Verbindung in dem ersten Zweig.
(iv) In diesen drei Szenarien wird, statt zu erlauben, dass die durch den Motor erzeugte Energie in die Versorgung zurückgeführt wird, das Verpolungs-Batteriemodul geöffnet, und die Energie in dem DC-Verbindungskondensator oder einem anderen geeigneten Energiespeicher gespeichert.

Claims

Elektrische Schaltung zum Ansteuern mindestens eines Elektromotors, wobei der mindestens eine Motor mindestens eine Menge von Phasenwicklungen aufweist, wobei die Schaltung als mindestens ein Zweig angeordnet ist, der eine Motoransteuerschaltung umfasst, die dafür betreibbar ist, im Gebrauch einer der Mengen von Phasenwicklungen des Motors Versorgungsansteuerspannungen zuzuführen, wobei die elektrische Schaltung für den mindestens einen Zweig eine jeweilige Verpolungs-Batterieschutzschaltung umfasst, die sich entweder in einer Zuführung der Motoransteuerschaltung von einer Stromversorgung oder in einem Rückpfad von der Motoransteuerschaltung zur Stromversorgung befindet, wobei die Verpolungs-Batterieschutzschaltung einen Schalter umfasst, der normalerweise offen ist, wenn die Batterie getrennt ist, und der offen bleibt, falls die Batterie falsch mit einer umgekehrten Polarität mit der Ansteuerschaltung verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung ein Steuermittel umfasst, das ausgelegt ist zum Steuern des Schalters der Verpolungs-Batterieschutzschaltung dergestalt, dass der Schalter geschlossen wird, falls das Steuermittel bestimmt, dass die Batterie mit der korrekten Polarität verbunden ist, und ferner dass das Steuermittel zusätzlich ausgelegt ist zum Öffnen des Schalters während des Betriebs des Motors, falls eine oder mehrere zusätzliche Bedingungen erfüllt sind.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren Bedingungen, die bewirken, dass das Steuermittel den Schalter öffnet, umfassen, dass die durch den Motor erzeugte Rück-EMK eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Schwelle auf im Wesentlichen die Nennbatterieversorgungsspannung oder eine Spannung in der Nähe der Batterieversorgungsspannung gesetzt wird.
Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eine oder mehreren Bedingungen umfassen, dass die durch den Motor erzeugte Rück-EMK im Wesentlichen die Momentan-Batterieversorgungsspannung erreicht oder überschreitet.
Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eine oder mehreren Bedingungen umfassen, dass bestimmt wird, dass ein Teil der Vorrichtung fehlerhaft ist.
Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuermittel die Bedingung dergestalt modifiziert, dass der Schalter zu einem Zeitpunkt, wenn die Schaltung erfordert, dass der Motor als Generator arbeitet und Energie in die Versorgung zurückbringt, nicht geöffnet wird.
Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schalter der Verpolungs-Batterieschutzschaltung in Reihe geschaltet ist zwischen der Ansteuerschaltung und dem positiven oder Erdanschluss der Batterie und einer Diode, die außerhalb mit dem Schalter parallel geschaltet oder intern parallel an den Polen des Schalters vorgesehen ist, die so orientiert ist, dass Leitung von Strom erlaubt wird, wenn die Batterie mit der korrekten Polarität verbunden ist, aber in der umgekehrten Richtung keine Leitung erlaubt.
Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuermittel eine diskrete Anordnung von analogen elektrischen Komponenten umfasst, die dafür ausgelegt sind, zu bewirken, dass sich der Schalter schließt, wenn die Batterie korrekt verbunden wird, indem ein Teil der Batteriespannung an den Schalter angelegt wird.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Steuermittel eine digitale Schaltung umfasst, die die an einem oder mehreren Teilen der elektrischen Schaltung abfallende Spannung misst und aus den Messungen eine Spannung erzeugt, die an den Schalter angelegt wird.
Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Zweige vorliegen und jeder Zweig mit einer jeweiligen Verpolungs-Batterieschutzschaltung versehen ist, die sich zwischen dem Zweig und der Stromversorgung befindet.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 10, die einen Filterkondensator umfasst, der zwischen der positiven Zuführungsleitung zu zwei Zweigen und der Erdrückführung für die zwei Zweige geschaltet ist, wobei sich der Verpolungs-Batterieschutzschalter jedes Zweigs dergestalt in der elektrischen Schaltung befindet, dass, wenn er offen ist, er den Filterkondensator nicht von der Ansteuerschaltung isoliert, während die Batterie isoliert wird.