DE102017110053A1 - Inverter für ein Elektrofahrzeug und zugehöriges Betriebsverfahren - Google Patents

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Abstract

Inverter (1), der an einen Elektromotor (7) eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs anschließbar oder angeschlossen ist, mit einem Zwischenkreiskondensator (2), Leistungsschaltern (3) und jeweils einer Phase (4, 5, 6) des Elektromotors (7) zugeordneten Ausgängen sowie mit einer Steuerungseinrichtung (17), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Steuersignals einen Entladevorgang des Zwischenkreiskondensators (2) auszulösen, wobei die Steuerungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, die Leistungsschalter (3) während des Entladevorgangs so zu steuern, dass an den Ausgängen ein Strom mit alternierendem Stromwinkel ausgegeben wird. Daneben betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem derartigen Inverter (1) und ein Betriebsverfahren für den Inverter (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Inverter, der an einen Elektromotor eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs anschließbar oder angeschlossen ist, mit einem Zwischenkreiskondensator, Leistungsschaltern und jeweils einer Phase des Elektromotors zugeordneten Ausgängen sowie mit einer Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Steuersignals einen Entladevorgang des Zwischenkreiskondensators auszulösen.
  • Aus der DE 10 2008 061 585 A1 ist ein Inverter zur Regelung und Steuerung eines dreiphasigen Elektromotors mittels eines variablen Drehstromnetzes bekannt. Der dort eingesetzte Zwischenkreiskondensator kann eine beträchtliche Energiemenge bei einer hohen Spannung speichern. Aus Sicherheitsgründen sind derartige Zwischenkreiskondensatoren mit Entladevorrichtungen versehen, die dazu dienen, den Zwischenkreiskondensator außerhalb der Betriebszeit des Fahrzeugs oder bei einem erkannten drohenden oder stattfindenden Unfallereignis zu entladen. Das Entladen kann beispielsweise über einen hochohmigen Widerstand erfolgen. Um die Entladezeit zu verkürzen, wird in der DE 10 2008 061 585 A1 vorgeschlagen, die gespeicherte elektrische Energie in Wärmeenergie umzusetzen.
  • Die DE 10 2016 008 057 A1 schlägt einen elektrischen Energiespeicher mit einer Entladeschaltung vor. Der elektrische Energiespeicher, der auch als Hochvoltbatterie bezeichnet wird, dient als Traktionsbatterie. In bestimmten Situationen, insbesondere nach einem Unfall oder bei einer Wartung der elektrischen Anlage des Kraftfahrzeugs, muss sichergestellt werden, dass kein gefährliches elektrisches Potenzial vorhanden ist, das von Personen berührt werden kann. Um in diesen Situationen eine Entladung der in dem Zwischenkreiskondensator gespeicherten Energie zu ermöglichen, wird dort vorgeschlagen, dass der elektrische Energiespeicher mit einer Entladeschaltung zum Verbrauchen von elektrischer Energie verbunden ist, die mittels einer Steuereinheit steuerbar ist.
  • Diese herkömmlichen Anordnungen weisen den Nachteil auf, dass eine zusätzliche Entladeschaltung benötigt wird, die aufgrund des begrenzten Bauraums nur schwierig im Gehäuse des Inverters integriert werden kann, zudem führt die separate Entladeschaltung zu höheren Kosten. Sofern die elektrische Energie über einen Widerstand in Wärmeenergie umgewandelt wird, sind zumeist besondere Maßnahmen erforderlich, um die entstandene Wärme abzuführen oder zu verteilen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Inverter anzugeben, der ein einfacheres Entladen der in dem Zwischenkreiskondensator gespeicherten elektrischen Energie ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Inverter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Leistungsschalter während des Entladevorgangs so zu steuern, dass an den Ausgängen ein Strom mit alternierendem Stromwinkel ausgegeben wird.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine einfache Entladung des Zwischenkreiskondensators möglich ist, indem der an den Inverter angeschlossene Elektromotor so bestromt wird, dass ein Strom mit alternierendem Winkel erzeugt und ausgegeben wird. Währenddessen entstehen elektrische Verluste im Inverter durch die Leistungsschalter sowie durch den Elektromotor. Diese elektrischen Verluste bewirken die gewünschte Entladung des Zwischenkreiskondensators.
  • Der erfindungsgemäße Inverter weist den Vorteil auf, dass keine separate oder zusätzliche Entladeschaltung erforderlich ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Inverter wird es bevorzugt, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Leistungsschalter so zu steuern, dass sie einen alternierenden Strom zur Entladung des Zwischenkreiskondensators ausgeben, sodass abwechselnd ein positives und ein negatives, auf die Motorwelle des Elektromotors wirkendes Drehmoment erzeugt wird. Wesentlich ist dabei, dass die Summe der positiven und negativen Drehmomente bzw. ein mittleres Drehmoment gleich 0 ist. Dementsprechend wirkt am Ausgang des Elektromotors, d. h. an dessen Motorwelle, durch deren Trägheit, kein effektives Drehmoment. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn der Elektromotor das Elektrofahrzeug oder das Hybridfahrzeug antreibt, da das erzeugte Drehmoment eine unerwünschte (Lenk-)Bewegung des Fahrzeugs verursachen würde. Dies wird jedoch dadurch wirksam verhindert, dass dem Elektromotor abwechselnd ein positives und ein negatives Drehmoment aufgeprägt wird.
  • Mit besonderem Vorteil kann es bei dem erfindungsgemäßen Inverter vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, so schnell zwischen dem positiven Drehmoment und dem negativen Drehmoment hin und her zu schalten, dass kein effektives Drehmoment an der Motorwelle erzeugt wird. Die Geschwindigkeit bzw. Frequenz der Schaltvorgänge wird so festgelegt, dass - bedingt durch die Trägheit des mit der der Motorwelle verbundenen Rotors - kein effektives Drehmoment auftritt. Anders ausgedrückt wird der Elektromotor so bestromt, dass er in sehr kurzen Abständen abwechselnd in eine Drehrichtung und anschließend in die entgegengesetzte Drehrichtung angetrieben wird, sodass sich keines der beiden Drehmomente auswirkt. Die in dem Zwischenkreiskondensator vorhandene Energie kann auf diese Weise effektiv und schnell abgebaut werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Umschalten zwischen dem positiven und dem negativen Drehmoment, das durch Ausgeben des Stroms an den Ausgängen des Inverters erzeugt wird, mit einer Periode von 2 ms oder weniger erfolgt. Die Periode oder Frequenz des Umschaltens wird in Abhängigkeit der Trägheit des Elektromotors so gewählt, dass kein effektives Drehmoment an der Motorwelle auftritt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Inverter wird es bevorzugt, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Entladevorgang solange durchzuführen, bis die Spannung des Zwischenkreiskondensators unterhalb eines festgelegten Grenzwerts liegt. Auf diese Weise kann die Spannung des Zwischenkreiskondensators soweit reduziert werden, bis ein für Personen ungefährlicher Spannungswert erreicht oder unterschritten ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Inverters kann dieser Grenzwert 60 V betragen.
  • Daneben betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer wiederaufladbaren Batterie und wenigstens einem Elektromotor, der mit einem Inverter der beschriebenen Art verbunden ist.
  • Daneben betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren für einen Inverter, der an einen Elektromotor eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs anschließbar oder angeschlossen ist, mit einem Zwischenkreiskondensator, Leistungsschaltern und jeweils einer Phase des Elektromotors zugeordneten Ausgängen sowie mit einer Steuerungseinrichtung, die in Abhängigkeit eines Steuersignals einen Entladevorgang des Zwischenkreiskondensators auslöst. Der Elektromotor kann als dreiphasiger oder mehrphasiger Elektromotor ausgebildet sein.
  • Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungseinrichtung die Leistungsschalter während des Entladevorgangs so steuert, dass an den Ausgängen ein Strom mit alternierendem Stromwinkel ausgegeben wird.
  • Das Steuersignal kann beispielsweise von einem Batteriemanagementsystem erzeugt werden. Das Batteriemanagementsystem erzeugt das Steuersignal, beispielsweise nach Beendigung des Betriebs des Kraftfahrzeugs. Das Steuersignal kann alternativ auch von einem Unfallüberwachungssystem ausgegeben werden, wenn dieses einen bevorstehenden oder bereits stattfindenden Aufprall detektiert hat.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren kann es vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Leistungsschalter während des Entladevorgangs so zu steuern, dass abwechselnd ein positives und ein negatives, auf die Motorwelle des Elektromotors wirkendes Drehmoment erzeugt wird.
  • Vorzugsweise schaltet die Steuerungseinrichtung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so schnell zwischen dem positiven und dem negativen Drehmoment hin und her, dass kein effektives auf die Motorwelle wirkendes Drehmoment erzeugt wird.
  • Erfindungsgemäß kann zwischen dem positiven und dem negativen Drehmoment mit einer Periode von 2 ms oder weniger umgeschaltet werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
    • 1 Einen erfindungsgemäßen Inverter, der mit einer Hochvoltbatterie verbunden ist,
    • 2 ein Flussdiagramm der wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 3 den zeitlichen Verlauf des Ausgangsstroms während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 4 den zeitlichen Verlauf der Zwischenkreisspannung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
    • 5 - 7 den zeitlichen Verlauf des Stroms der einzelnen Phasen
  • 1 zeigt einen Inverter 1, mit einem Zwischenkreiskondensator 2, der mit Leistungsschaltern 3 verbunden ist. Die Leistungsschalter 3 (IGBT) sind in Form von drei Halbbrücken geschaltet. Jede Halbbrücke ist mit einer Phase 4, 5, 6 (U, V, W) verbunden. Die Phasen 4, 5, 6 (U, V, W) bilden Ausgänge des Inverters 1 und sind mit einem Elektromotor 7 verbunden. Der Inverter 1 erzeugt eine dreiphasige Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz und veränderlicher Amplitude, die zum Antrieb des als Drehstrommotor ausgebildeten Elektromotors 7 dient.
  • Eingangsseitig ist der Inverter 1 über zwei Hochvoltleitungen 8, 9 mit einer Hochvoltbatterie 10 verbunden. Die Hochvoltbatterie 10 umfasst eine Vielzahl von Einzelzellen, die so miteinander verschaltet sind, dass eine hohe Spannung, beispielsweise in der Größenordnung von 400 V, abgegeben werden kann.
  • Die Hochvoltbatterie 10 umfasst ein Batteriemanagementsystem 11, das mit einem Schütz 12 verbunden ist. In bestimmten Situationen steuert das Batteriemanagementsystem 11 den Schütz 12 so, dass dieser öffnet, wodurch die Verbindung zwischen der Hochvoltbatterie 10 und dem Inverter 1 unterbrochen wird. Ein Beispiel für eine derartige Situation ist die Beendigung des Betriebs des Elektrofahrzeugs. Aus Sicherheitsgründen wird dann die Verbindung zwischen der Hochvoltbatterie 10 und dem Inverter 1 unterbrochen. Ein anderes Beispiel ist ein bevorstehendes oder momentan stattfindendes Unfallereignis. Ein Unfallereignis kann durch Umfeldsensoren und/oder Aufprallsensoren erfasst werden. Um eine Gefahr durch spannungsführende Komponenten zu vermeiden, öffnet das Batteriemanagementsystem 11 den Schütz 12, sodass die Hochvoltleitungen 8, 9 unterbrochen sind.
  • 2 ist ein Flussdiagramm und zeigt die wesentlichen Schritte des Betriebsverfahrens. Nach dem Start 13 wird im Schritt 14 geprüft, ob ein Signal des Batteriemanagementsystems 11 oder ein Signal eines Crashmanagementsystems vorliegt. Sofern keines der beiden Signale vorliegt, wird das Verfahren im Schritt 14 in Form einer Schleife fortgesetzt. Andernfalls wird im Schritt 15 der Entladevorgang des Zwischenkreiskondensators 2 ausgelöst. Dazu wird im Schritt 16 ein Strom mit alternierendem Winkel einem Stromregler des Inverters 1 eingeprägt. In 1 ist schematisch eine Steuerungseinrichtung 17 als Bestandteil des Inverters 1 dargestellt, die als Stromregler dient und die Leistungsschalter 3 (IGBT) entsprechend ansteuert. Die im Schritt 18 stattfindende Ansteuerung der IGBT durch die als Stromregler ausgebildete Steuerungseinrichtung 17 ist schematisch in 4 dargestellt.
  • 3 ist ein Diagramm, bei dem auf der waagerechten Achse die Zeit und auf der senkrechten Achse der Strom dargestellt ist, der über die Phasen 4, 5, 6, (U, V, W) die die Ausgänge des Inverters 1 bilden, dem Elektromotor 7 zugeführt wird. In 3 erkennt man, dass die Richtung des Stroms in kurzen Zeitabständen umgekehrt wird. Demnach prägt die Steuerungseinrichtung 17 dem Elektromotor 7 einen Strom mit alternierendem Winkel ein. Die Frequenz bzw. Periodendauer ist dabei so abgestimmt, dass aufgrund der Trägheit der rotierenden Komponenten des Elektromotors 7 kein resultierendes Drehmoment an dessen Motorwelle auftritt. Währenddessen wird der Zwischenkreiskondensator 2 durch die in entgegengesetzte Richtungen erfolgende Bestromung des Elektromotors 7 kontinuierlich entladen.
  • 4 ist ein Diagramm, bei dem auf der waagerechten Achse die Zeit und auf der senkrechten Achse die Spannung des Zwischenkreiskondensators 2 dargestellt ist. Der Maßstab der waagerechten Achsen der 3 und 4 ist gleich, sodass zu jedem Stromverlauf der entsprechende Spannungsverlauf angezeigt wird. In 4 erkennt man, dass sich der Zwischenkreiskondensator 2 durch die alternierende Ansteuerung des Elektromotors 7 kontinuierlich entlädt.
  • Die 5, 6 und 7 zeigen Diagramme von Sollwerten des Stroms. Auf der waagerechten Achse ist die Zeit über eine Periode von 2 ms aufgetragen. Auf der senkrechten Achse ist der Strom aufgetragen. 5 zeigt den Sollwert des Stroms der Phase U, 6 zeigt den Sollwert des Stroms der Phase V und 7 zeigt den Sollwert des Stroms der Phase W. In den 5, 6 und 7 erkennt man, dass der Strom der einzelnen Phasen U, V, W jeweils gleichzeitig geändert wird. Die drei Phasen U, V, W ergeben zusammen den in 3 gezeigten Stromverlauf, bei dem die Richtung des Stroms in kurzen Zeitabständen umgekehrt wird.
  • Wieder bezugnehmend auf 2 wird in dem Schritt 19 geprüft, ob die Drehzahl des Motors gleich 0 ist. Falls diese Bedingung nicht erfüllt ist und der Motor somit eine Drehzahl aufweist, wird wieder zum Schritt 15 verzweigt und der Entladevorgang fortgesetzt. Falls der Motor zum Stillstand gekommen ist, wird im Schritt 20 geprüft, ob die Spannung des Zwischenkreiskondensators 2 unter einen festgelegten Grenzwert gefallen ist. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt dieser Grenzwert 60 V. Wenn die Bedingung erfüllt ist, wird das Verfahren in dem Schritt 21 beendet. Andernfalls wird das Verfahren wieder mit dem Schritt 15 fortgesetzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Inverter
    2
    Zwischenkreiskondensator
    3
    Leistungsschalter
    4, 5, 6
    Phasen (U, V, W)
    7
    Elektromotor
    8, 9
    Hochvoltleitung
    10
    Hochvoltbatterie
    11
    Batteriemanagementsystem
    12
    Schütz
    13
    Start
    14
    Schritt
    15
    Schritt
    16
    Schritt
    17
    Steuerungseinrichtung
    18
    Schritt
    19
    Schritt
    20
    Schritt
    21
    Ende
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008061585 A1 [0002]
    • DE 102016008057 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Inverter (1), der an einen Elektromotor (7) eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs anschließbar oder angeschlossen ist, mit einem Zwischenkreiskondensator (2), Leistungsschaltern (3) und jeweils einer Phase (4, 5, 6) des Elektromotors (7) zugeordneten Ausgängen sowie mit einer Steuerungseinrichtung (17), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Steuersignals einen Entladevorgang des Zwischenkreiskondensators (2) auszulösen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, die Leistungsschalter (3) während des Entladevorgangs so zu steuern, dass an den Ausgängen ein Strom mit alternierendem Stromwinkel ausgegeben wird.
  2. Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, die Leistungsschalter (3) so zu steuern, dass sie einen alternierenden Strom zur Entladung des Zwischenkreiskondensators ausgeben, sodass abwechselnd ein positives und ein negatives, auf die Motorwelle des Elektromotors (7) wirkendes Drehmoment erzeugt wird.
  3. Inverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, so schnell zwischen dem positiven Drehmoment und dem negativen Drehmoment hin und her zu schalten, dass kein effektives Drehmoment an der Motorwelle erzeugt wird.
  4. Inverter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten zwischen dem positiven und dem negativen Drehmoment mit einer Periode von 2 ms oder weniger erfolgt.
  5. Inverter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, den Entladevorgang so lange durchzuführen, bis die Spannung des Zwischenkreiskondensators (2) unterhalb eines festgelegten Grenzwerts liegt.
  6. Inverter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert unterhalb einer Schutzkleinspannung liegt, die vorzugsweise 60 V beträgt.
  7. Fahrzeug mit einer wiederaufladbaren Batterie und wenigstens einem Elektromotor (7), der mit einem Inverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verbunden ist.
  8. Betriebsverfahren für einen Inverter (1), der an einen Elektromotor (7) eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs anschließbar oder angeschlossen ist, mit einem Zwischenkreiskondensator (2), Leistungsschaltern (3) und jeweils einer Phase (4, 5, 6) des Elektromotors (7) zugeordneten Ausgängen sowie mit einer Steuerungseinrichtung (17), die in Abhängigkeit eines Steuersignals einen Entladevorgang des Zwischenkreiskondensators (2) auslöst, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (17) die Leistungsschalter (3) während des Entladevorgangs so steuert, dass an den Ausgängen ein Strom mit alternierendem Stromwinkel ausgegeben wird.
  9. Betriebsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, die Leistungsschalter (3) während des Entladevorgangs so zu steuern, dass abwechselnd ein positives und ein negatives, auf die Motorwelle des Elektromotors (7) wirkendes Drehmoment erzeugt wird.
  10. Betriebsverfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (17) so schnell zwischen dem positiven Drehmoment und dem negativen Drehmoment hin und her schaltet, dass kein effektives Drehmoment an der Motorwelle erzeugt wird.
  11. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem positiven und dem negativen Drehmoment mit einer Periode von 2 ms oder weniger umgeschaltet wird.
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