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Es ist bekannt, dass Fahrzeuge mit elektrischen Antrieben ausgestattet werden können, wobei eine elektrische Maschine verwendet wird, deren Wicklungen eine Induktivität darstellen. Beim Betrieb der elektrischen Maschine wird durch den Stromfluss durch die Wicklungen ein magnetisches Feld erzeugt, das zum Antrieb verwendet wird. Wird jedoch die elektrische Maschine durch Öffnen von Schaltern, die zur elektrischen Maschine führen, abgestellt, so wird durch Selbstinduktion der Wicklungen ein Strom erzeugt, der über die geöffneten Schalter abgebaut wird.
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Da gerade bei Fahrzeugantrieben beträchtliche Ströme durch Selbstinduktion entstehen können, ergibt sich die Aufgabe, eine elektrische Maschine eines Antriebs abzustellen, ohne hierbei Schalter zu schädigen oder besonders robuste und kostspielige Schalter einsetzen zu müssen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und durch den elektrischen Antrieb der unabhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Ausführungsformen, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, und der Figur.
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Es wird zur Erzeugung eines sicheren Zustands eines elektrischen Antriebs beim Abschalten vorgeschlagen, zunächst mehrere Leistungsschalter eines an die elektrische Maschine angeschlossenen Inverters zu öffnen, über die die Selbstinduktion der elektrischen Maschine abgebaut wird. Typischerweise sind die Leistungsschalter der elektrischen Maschine für hohe Leistungen ausgelegt. Zudem sind bei der Ausführung der Leistungsschalter als Leistungshalbleiterschalter antiparallel zu den Schaltern angeschlossene Dioden vorgesehen, entweder als Inversdiode oder Bodydiode, die sich inhärent aus dem Aufbau des Halbleiterschaltelements ergibt, durch eine antiparallel angeschlossene diskrete Diode oder eine Kombination hiervon. Über diese antiparallelen Dioden kann der Strom, der sich aus der Selbstinduktion ergibt, über den Inverter abfließen, ohne dass es zu Überspannungen kommt oder zusätzliche Schutzelemente hierfür vorgesehen werden müssten.
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Nachdem als erster Schritt mehrere Leistungsschalter des Inverters geöffnet wurden, insbesondere derart, dass von der elektrischen Maschine über den Inverter kein Strom fließt an eine Gleichspannungsseite des Inverters fließen kann, folgt ein zweiter Schritt.
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In dem zweiten Schritt werden Konfigurationsschalter der elektrischen Maschine in einen offenen Zustand versetzt. Die Konfigurationsschalter sind zwischen den Wicklungen der elektrischen Maschine angeschlossen und definieren durch ihren Schaltungszustand die Konfiguration der elektrischen Maschine. Die Konfiguration kann somit eine Sternkonfiguration oder eine offene Konfiguration sein. Ferner kann die Konfiguration eine Dreieckskonfiguration oder eine offene Konfiguration sein. Zudem kann die Konfiguration eine Sternkonfiguration oder eine Dreieckskonfiguration sein und schließlich kann die Konfiguration eine Sternkonfiguration, eine Dreieckskonfiguration oder eine offene Konfiguration sein. Bei einer offenen Konfiguration sind die Wicklungen voneinander getrennt.
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Da der zweite Schritt des Öffnens der Konfigurationsschalter nach dem ersten Schritt durchgeführt wird, ist die Selbstinduktion der Wicklungen bereits abgeklungen oder zumindest signifikant verringert, so dass das Öffnen der Konfigurationsschalter nur unter einem geringen Stromfluss oder insbesondere unter keinem wesentlichen Stromfluss stattfindet. Die Konfigurationsschalter können dadurch mit einem geringen (Nenn-)Schaltstrom bzw. einer geringen (Nenn-)Schaltleistung ausgelegt werden. Insbesondere verringert sich der Verschleiß der Konfigurationsschalter. Zudem kommen als Konfigurationsschalter neben Halbleiterschaltern auch elektromechanische Schalter in Betracht, da wie erwähnt durch den vorangehenden ersten Schritt der Verschleiß aufgrund der Selbstinduktion beim Öffnen der Konfigurationsschalter stark verringert ist gegenüber einem Fall, bei dem die Konfigurationsschalter als erster Schritt geöffnet werden (oder zusammen mit dem ersten Schritt geöffnet werden) . Die Selbstinduktion wird dadurch mittels der Leistungsschalter des Inverters abgebaut, die ohnehin für hohe Schaltströme und sehr häufige Schaltereignisse ausgelegt sind, insbesondere aufgrund ihrer hohen Nennleistung bzw. ihres hohen Nennstroms und ferner aufgrund ihrer antiparallel geschalteten Diode.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ungewollte Drehmomentspitzen beim Abschalten nicht auftreten. Zudem ist es nicht notwendig, den Motor kurzuschließen, was wiederum zu dauerhaften Kurzschlussströmen und somit zu einer unerwünschten Erwärmung führen kann, wenn bei kurzgeschlossenen Motor dieser weiter bewegt wird (etwa durch Ausrollen des Fahrzeugs). Die Konfigurationsschalter können daher kostengünstiger hergestellt werden, insbesondere da geringere Ansprüche an ihre Schaltleistung gestellt werden.
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Auch bei permanenterregten elektrischen Maschinen ergibt sich dadurch ein sicherer Zustand, wenn beide Schalterarten (Leistungsschalter des Inverters und Konfigurationsschalter) geöffnet sind. Es wird ermöglicht, dass die als Magnetfeld gespeicherte Energie in der elektrischen Maschine durch Öffnen der Leistungsschalter des Inverters aus der elektrischen Maschine heraustransportiert werden kann, insbesondere in eine Gleichstromseite oder an Komponenten, die an die Gleichstromseite des Inverters angeschlossen sind. Da beim Durchführen des zweiten Schritts bereits Energie aus der elektrischen Maschine entfernt wurde, kommt es üblicherweise zu keinem Stromfluss, da der Scheitel der durch die Selbstnutzung auftretende Spannung (nachdem die Leistungsschalter des Inverters geöffnet sind) unter der Spannung an der Gleichstromseite des Inverters (entsprechend einer Zwischenkreisspannung) ist.
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Es wird daher ein Verfahren zum Inaktivieren eines elektrischen Antriebs insbesondere eines Fahrzeugs beschrieben. Der Antrieb umfasst einen Inverter und einen daran angeschlossene elektrische Maschine. Der Inverter weist eine Gleichstromseite und eine Wechselstromseite auf, über die hinweg Energie übertragen werden kann, während sich der Stromtyp ändert (Wandlung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom). Der Inverter oder Wechselrichter kann undirektional oder bidirektional ausgestaltet sein. Die elektrische Maschine ist an die Wechselstromseite des Inverters angeschlossen.
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Bei Auftreten eines Ausschaltsignals (das etwa von einer übergeordneten Steuerung abgegeben werden kann) werden zunächst als erster Schritt mehrere Leistungsschalter des Inverters in einen offenen Zustand versetzt, d. h. geöffnet. Der geöffnete Zustand wird beibehalten, entweder bis der elektrische Antrieb wieder aktiviert wird, oder bis eine Änderung der Konfiguration der elektrischen Maschine abgeschlossen ist.
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Die Leistungsschalter der elektrischen Maschine sind insbesondere Vollbrückenschalter. Der Inverter ist vorzugsweise mehrphasig, wobei für jede Phase eine Vollbrücke (mit zwei Leistungsschaltern) vorgesehen ist. Es können alle Leistungsschalter im ersten Schritt geöffnet werden. Es können jedoch nur eine Untergruppe aller Leistungsschalter geöffnet werden, sofern deren Öffnung dazu führt, dass ein Stromfluss durch die verbleibenden Leistungsschalter hindurch, der von der elektrischen Maschine zur Gleichstromseite oder zu daran angeschlossenen Komponenten führt, unterbunden wird.
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Etwa bei einem mehrphasigen Inverter können somit die Leistungsschalter aller Phasen im ersten Schritt geöffnet werden, oder es können die Leistungsschalter aller Phasen bis auf eine Phase geöffnet werden. Der letztgenannte Fall hat die gleiche Auswirkung wie das Öffnen aller Leistungsschalter, so dass allgemein auch nur eine Untergruppe aller Leistungsschalter des Inverters geöffnet werden können, sofern dies die gleiche Wirkung hat (hinsichtlich der Unterbrechung des Stromflusses) wie das Öffnen aller Leistungsschalter. Falls eine der Phasen (insbesondere bei einer Sternkonfiguration) nicht über einen Konfigurationsschalter verfügt, so werden die Konfigurationsschalter der anderen Phasen geöffnet, insbesondere die Konfigurationsschalter aller anderen Phasen.
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Beim Öffnen der Leistungsschalter fließt Energie von der elektrischen Maschine (entsprechend der Selbstinduktion) über die mehreren (oder über alle) Leistungsschalter ab in einer Stromflussrichtung, die entgegengesetzt ist zu der Stromflussrichtung, die der Leistungsschalter bei aktiven elektrischen Antrieb steuert. Die Leistungsschalter weisen eine steuerbare Stromflussrichtung auf, wobei beim Öffnen im ersten Schritt Strom entgegengesetzt durch mehrere oder alle Leistungsschalter fließt. Der letztgenannte Stromfluss entspricht der Entladung der magnetischen Energie aus der elektrischen Maschine über den Inverter hinweg. Insbesondere kann die magnetische Energie, die in der elektrischen Maschine gespeichert ist, über den Inverter hinweg an einen Gleichspannungszwischenkreis abgegeben werden. Der Gleichspannungszwischenkreis ist über den Inverter mit der elektrischen Maschine verbunden. Der Gleichspannungszwischenkreis ist an die Gleichspannungsseite des Inverters angeschlossen.
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Als zweiter Schritt werden Konfigurationsschalter der elektrischen Maschine in einen offenen Zustand versetzt. Der zweite Schritt folgt nach dem ersten Schritt, insbesondere nachdem der erste Schritt vollständig ausgeführt wurde. In dem zweiten Schritt werden Konfigurationsschalter geöffnet, die Enden der Wicklungen der elektrischen Maschine miteinander verbinden. Die Konfigurationsschalter definieren über ihren Schaltzustand die Konfiguration der elektrischen Maschine als offenen Konfiguration einerseits und Stern- und/oder Dreieckskonfiguration andererseits. Die offene Konfiguration wird auch als Leerlaufkonfiguration bezeichnet. Die Konfigurationsschalter sind eingerichtet, neben dem offenen Zustand mindestens einen weiteren Zustand herzustellen, wobei der weitere Zustand einer Sternkonfiguration oder einer Dreieckskonfiguration entsprechen kann. Da, wie erwähnt, der erste Schritt des Öffnens der Leistungsschalter zuerst durchgeführt wird und der zweite Schritt des Öffnens der Konfigurationsschalter darauf folgt, ist der Strom, der der Selbstinduktion der elektrischen Maschine entspricht, beim zweiten Schritt deutlich verringert (und ist insbesondere unter einem vorgegebenen Schwellenwert) oder im Wesentlichen gleich Null, so dass das Öffnen der Konfigurationsschalter die Konfigurationsschalter selbst nicht wesentlich belastet. Insbesondere werden im zweiten Schritt die Konfigurationsschalter bei einem Strom geöffnet, der kleiner ist als der Nennhaltestrom der Konfigurationsschalter, und der insbesondere einen Wert von im Wesentlichen 0 Ampere entsprechen kann.
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Der zweite Schritt wird durchgeführt, wenn ein Strom, der durch die Konfigurationsschalter aufgrund des ersten Schritts fließt (entsprechend der Selbstinduktion), unter einem vorgegebenen Schwellenwert gefallen ist. Dadurch wird ein Verschleiß der Konfigurationsschalter verringert oder verhindert. Die Nennschaltleistung der Konfigurationsschalter kann diesem Schwellenwert angepasst werden. Der Schwellenwert ist wie erwähnt insbesondere kleiner als der Nennhaltestrom der Konfigurationsschalter, und beträgt insbesondere nicht mehr als 80 %, 50 %, 10% oder 5 % des Nennhaltestroms.
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Um diesen Schwellenwert einzuhalten, kann zum einen der Strom gemessen werden, oder es kann der zweite Schritt um mindestens eine vorgegebene Zeitdauer verzögert nach dem ersten Schritt ausgeführt werden.
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Bei einer ersten Möglichkeit wird der Strom von mindestens einem Stromsensor gemessen. Der Stromsensor befindet sich an mindestens einem Konfigurationsschalter, an einem Konfigurationsschalter bis auf einen, oder an allen Konfigurationsschaltern. Der Stromsensor misst den Strom, der durch die Konfigurationsschalter fließt, entweder direkt (etwa als Shunt) oder indirekt (etwa als Magnetsensor) . Der Stromsensor kann sich an Wicklungen oder an Wicklungsenden der elektrischen Maschine befinden. Der Stromsensor misst den an der elektrischen Maschine fließenden Strom, insbesondere den durch die Wicklungen oder durch die Wicklungsenden fließenden Strom. Allgemein betrachtet wird die in der elektrischen Maschine gespeicherte magnetische Energie erfasst, wobei erst dann der zweite Schritt durchgeführt wird, wenn diese Energie unter einem Schwellenwert liegt oder die Dauer des Energietransfers aus der elektrischen Maschine hinaus eine vorgegebene Mindestzeitdauer erreicht hat.
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Gemäß einer Möglichkeit wird der Strom gemessen durch Erfassen des Magnetfeldes, das durch den Strom erzeugt wird. Der verwendete Stromsensor kann somit magnetisch an eine betreffende Wicklung gekoppelt sein, kann an eine Zuleitung der elektrischen Maschine magnetisch gekoppelt sein, oder kann an einen Konfigurationsschalter oder an einer Zuleitung zum Konfigurationsschalter magnetisch gekoppelt sein. Hierzu muss sich der Stromsensor in der Nähe der betreffenden Komponente befinden, um das Magnetfeld zu erfassen, das dort herrscht. Alternativ kann der Strom gemessen werden mittels eines Shunts, d. h. mittels eines Reihenwiderstands. Dieser ist in Reihe mit einem Konfigurationsschalter oder einer Wicklung angeschlossen.
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Wie erwähnt kann der zweite Schritt eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Durchführen des ersten Schritts ausgeführt werden. Die Zeitdauer richtet sich insbesondere nach der Größer der Selbstinduktion und somit nach der Induktivität der Wicklungen der elektrischen Maschine. Die Zeitdauer bei einer elektrischen Maschine, die bei gleicher Betriebsspannung eine erste Menge magnetischer Energie speichern kann, ist größer als eine zweite Zeitdauer, die einer elektrischen Maschine zugeordnet ist, die eine Menge an magnetischer Energie kleiner als die erste Menge speichern kann. Mit anderen Worten steigt die Zeitdauer mit der Induktion bzw. der Menge an speicherbarer magnetischer Energie der elektrischen Maschine an. Eine geeignete Zeitdauer kann auch empirisch ermittelt werden oder durch Modellrechnungen, bei denen insbesondere die Induktivität der elektrischen Maschine berücksichtigt wird (sowie auch die (maximale) Betriebsspannung der elektrischen Maschine).
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Das Verfahren kann zur Aktivierung des elektrischen Antriebs im Fehlerfall oder bei Auftreten eines Inaktivierungssignals durch den Fahrer oder einer Steuerung durchgeführt werden. Insbesondere kann das Verfahren ausgeführt werden, wenn der elektrische Antrieb inaktiviert wird, auch wenn das Fahrzeug noch fährt, d. h. entweder ohne Antrieb rollt oder rein verbrennungsmotorisch fährt. Ferner kann das Verfahren ausgeführt werden, wenn das Fahrzeug abgestellt wird, um bei einem (möglichen) zukünftigen Abschleppvorgang die elektrische Maschine in einen sicheren Zustand vorzufinden, entweder wenn beim Abschleppen die elektrische Maschine durch äußere Einwirkung (und/oder Zuführung elektrischer Energie) rotiert wird.
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Ferner kann das Verfahren ausgeführt werden, wenn ein Konfigurationswechsel der elektrischen Maschine durchgeführt wird. Hierbei wird zunächst von einer ersten Konfiguration in die Leerlaufkonfiguration geschaltet, und aus der Leerlaufkonfiguration wird in die geänderte Konfiguration geschaltet. So kann von einer Sternkonfiguration über eine temporäre Leerlaufkonfiguration in eine Dreieckskonfiguration umgestellt werden. Ferner kann von einer Dreieckskonfiguration über eine temporäre Leerlaufkonfiguration in eine Sternkonfiguration gewechselt werden. Da der Konfigurationswechsel über eine Leerlaufkonfiguration abläuft, wird das hier beschriebene Verfahren zum Inaktivieren beim Übergang zur Leerlaufkonfiguration ausgeführt. Nachdem die Konfiguration geändert wurde (durch Einstellen der Konfigurationsschalter gemäß der geänderten Konfiguration), wird Traktionsleistung und/oder Rekuperationsleistung über den Inverter übertragen, insbesondere in dem die Leistungsschalter des Inverters zur Stromwandlung betrieben werden. Die durch das Verfahren hergestellte Inaktivierung kann somit dauerhaft sein, etwa wenn ein Fehler auftritt oder das Fahrzeug geparkt wird oder der elektrische Antrieb im Rahmen eines Betriebsmoduswechsels ausgeschaltet wird, oder kann nur temporär sein, d. h. weniger als 1 Minute, 10 Sekunden oder weniger als 1 Sekunde andauern. Insbesondere kann der Zustand der Inaktivierung nur solange andauern, bis durch Selbstinduktion erzeugte Ströme unter einen Schwellenwert abgeklungen sind, die Konfigurationsschalter eine Dreiecks- oder Sternkonfiguration eingenommen haben und der Inverter wieder zum elektromotorischen oder generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine bereitsteht (oder einen entsprechenden Betrieb ausführt).
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Weiterhin kann während oder nach dem zweiten Schritt die elektrische Maschine durch Übertragen einer (externen) Bewegung an die elektrische Maschine rotiert werden. Hierbei wird die elektrische Maschine passiv bewegt bzw. in Rotation versetzt oder in Rotation gehalten. Hierbei wird keine elektrische Leistung an die elektrische Maschine übertragen; beispielsweise wird von der elektrischen Maschine kein Drehmoment erzeugt, und insbesondere nicht durch Erzeugen entsprechender magnetischer Felder. Alternativ kann während und/oder nach dem zweiten Schritt die elektrische Maschine für ein Rotieren durch übertragende Bewegung, d. h. durch passives Rotieren vorbereitet werden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Antrieb beim Anhalten des Fahrzeugs inaktiviert wird und ggf. ein Abschleppvorgang folgt, während der Antrieb sich in einem inaktiven Zustand befindet. Hierbei sind sowohl die Konfigurationsschalter offen als auch die mehreren Leistungsschalter des Inverters, so dass das Rotieren der elektrischen Maschine in passiver Weise nicht zu einem Stromfluss in der elektrischen Maschine oder zu einem Drehmoment (aufgrund der Lorenz-Kraft) führt.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Kondensator über den Inverter an die elektrische Maschine angeschlossen ist. Der Kondensator befindet sich somit an der Gleichstromseite des Inverters. Der Kondensator ist insbesondere ein Kondensator eines Gleichspannungszwischenkreises, der an den Inverter angeschlossen ist. Es kann vorgesehen sein, dass nach dem Vollenden des ersten Schritts der Kondensator vorzugsweise über einen Widerstand entladen wird. Hierbei kann ein Schalter geschlossen werden (der zusammen mit einem Serienwiderstand zur Strombegrenzung beim Entladen) parallel zum Kondensator angeschlossen ist. Das Entladen findet insbesondere während und/oder nach dem Durchführen des zweiten Schritts statt. Der Kondensator ist insbesondere der Zwischenkreiskondensator. Es kann ein elektrischer Energiespeicher, insbesondere ein Aktionsakkumulator, parallel zu dem Kondensator angeschlossen sein. Das Entladen des Energiespeichers, der sich an oder in einer Gleichstromseite des Inverters befindet, kann im Rahmen des zweiten Schritts ausgeführt werden. Das Entladen des Energiespeichers kann wie erwähnt durch Schließen eines Entladeschalters realisiert werden, wobei der Entladeschalter über einen Entladewiderstand parallel zum Energiespeicher angeschlossen ist. Der zu entladende Energiespeicher ist insbesondere ein Kondensator. Wie erwähnt kann ein weiterer Energiespeicher etwa in Form eines Akkumulators parallel zu dem Kondensator angeschlossen sein.
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Ferner wird ein elektrischer Antrieb mit einem Inverter und einem daran angeschlossene elektrische Maschine beschrieben. Der elektrische Antrieb umfasst Konfigurationsschalter, die mit der elektrischen Maschine bzw. mit deren Wicklungen verbunden sind. Die Konfigurationsschalter sind eingerichtet, eine Konfiguration der elektrischen Maschine einzustellen, d. h. mindestens eine Leerlaufkonfiguration einerseits und eine Dreiecks- und/oder Sternkonfiguration andererseits. Der elektrische Antrieb weist eine Steuerung mit einem Ausschaltsignal-Eingang auf. Die Steuerung lässt ansteuern mit Leistungsschaltern des Inverters sowie mit den Konfigurationsschaltern an der Steuerung verbunden. Die Steuerung ist eingerichtet, bei Empfang eines Ausschaltsignals an dem Ausschaltsignal-Eingang in einem ersten Schritt mehrere Leistungsschalter des Inverters wie hierin beschrieben in einen offenen Zustand zu versetzen.
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Die Steuerung ist eingerichtet, beim Empfang des Ausschaltsignals den ersten Schritt durchzuführen, um einen Leistungsfluss von oder zu der elektrischen Maschine zu unterbinden, der über den Inverter hinweg führt. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, in einem zweiten Schritt die Konfigurationsschalter in einen offenen Zustand zu versetzen. Die Steuerung ist eingerichtet, den zweiten Schritt nach dem ersten Schritt auszuführen und ist insbesondere eingerichtet, den zweiten Schritt auszuführen, nachdem die mehreren Leistungsschalter des Inverters in offenen Zustand vorgesehen sind bzw. in einen offenen Zustand gebracht wurden.
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Wie erwähnt werden hierbei alle Konfigurationsschalter geöffnet oder nur diejenigen, die notwendig sind, um eine gegenseitige Verbindung zwischen den Wicklungen zu unterbinden. Ferner werden alle Leistungsschalter des Inverters im ersten Schritt geöffnet, oder es wird nur eine Untergruppe der Leistungsschalter des Inverters geöffnet, wobei die Untergruppe der Leistungsschalter in offenen Zustand hinsichtlich des Leistungsflusses durch den Inverter hindurch den gleichen Effekt hat wie ein offener Zustand aller Leistungsschalter des Inverters.
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Die elektrische Maschine kann eine permanent erregte elektrische Maschine sein. Ferner kann die elektrische Maschine eine fremderregte elektrische Maschine sein oder eine elektrische Maschine, bei der ein elektrisches Feld vom Rotor durch einen Strom erzeugt wird, der durch den Stator fließt.
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Der elektrische Antrieb kann ein oder mehrere Stromsensoren umfassen, die an den Konfigurationsschaltern, an der elektrischen Maschine, oder an deren Wicklungen vorgesehen sind, um den Strom zu erfassen (bei der Selbstinduktion, die beim Öffnen der betreffenden Schalter im ersten Schritt folgt) zu messen. Die Steuerung kann hierbei einen Sensoreingang aufweisen, der mit den Sensoren verbunden ist.
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Die Steuerung ist ferner eingerichtet, die Signale der Stromsensoren mit einem Schwellenwert zu vergleichen und ist eingerichtet, den zweiten Schritt auszuführen, wenn die betreffenden Signale der Sensoren unter den Schwellenwert fallen. Hierzu kann die Steuerung einen Komparator aufweisen.
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Alternativ kann die Steuerung einen Zeitgeber aufweisen, der die Zeitdauer ab dem Beginn des ersten Schritts bzw. ab dem Öffnen der Leistungsschalter des Inverters misst. Die Steuerung ist eingerichtet, zu erfassen, wenn eine vorbestimmte Zeitdauer erreicht wird. Hierzu kann die Steuerung einen Zeitgeber aufweisen. Ist die vorbestimmte Zeitdauer erreicht, so öffnet die Steuerung durch entsprechende Ansteuerung die Konfigurationsschalter. Zu erfassen, ob die vorbestimmte Zeitdauer überschritten ist oder nicht, kann die Steuerung ebenfalls einen Komparator aufweisen.
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Der elektrische Antrieb kann zudem einen Energiespeicher, etwa in Form eines Kondensators aufweisen, zu dem eine Entladeschaltung parallel geschaltet ist. Dieser Energiespeicher ist insbesondere an einer Gleichstromseite oder in einer Gleichstromseite des Inverters angeschlossen. Ein derartiger Energiespeicher ist insbesondere ein Kondensator eines Gleichspannungszwischenkreises. Die Steuerung ist ansteuernd mit der Entladeschaltung verbunden und ist eingerichtet, mit dem Beginn des zweiten Schritts auch den Energiespeicher zu entladen. Die Entladeschaltung kann einen steuerbaren Schalter aufweisen, der über einen Entladewiderstand parallel zu dem Energiespeicher angeschlossen ist. Wird der Schalter von der Steuerung geschlossen, dann entlädt sich die Spannung des Energiespeichers über den Entladewiderstand.
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Die Steuerung kann zum Ansteuern der Leistungsschalter des Inverters und zum Ansteuern der Konfigurationsschalter eingerichtet sein (insbesondere durch eine ansteuernde Verbindung) . Alternativ ist eine erste Steuerung mit den Leistungsschaltern des Inverters verbunden, und eine zweite Steuerung mit den Konfigurationsschaltern. Entweder besteht eine Verbindung zwischen diesen Steuerungen zur Abstimmung des ersten und des zweiten Schritts, oder eine Koordinationssteuerung ist angesteuert mit der ersten oder zweiten Steuerung verbunden, um so gezielt den ersten und den zweiten Schritt auszulösen. Im letztgenannten Fall umfasst die Koordinationssteuerung den Inaktivierungseingang und/oder auch den Sensoreingang. Als Steuerung wird hierin eine Vorrichtung verstanden, die zum Ansteuern insbesondere der genannten Schalter ausgestaltet ist. Zur Realisierung können etwa Mikroprozessoren verwendet werden. Der Zeitgeber kann durch eine Schwingkreisschaltung mit Zähler, durch eine Timerschaltung eines Mikroprozessors oder durch ein RC-Glied realisiert werden. Der Komparator kann als analoger Komparator ausgebildet sein oder als Software in Kombination mit dem Prozessor realisiert werden.
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Der hier beschriebene Inverter kann Leistungsschalter aufweisen, die als mehrphasige Vollwellenbrücke geschaltet sind, beispielsweise als B6C-Brücke. Bei einer derartigen Brücke befinden sich für jede der drei Phasen zwei Schalter in Reihe, wobei deren Zusammenschaltungspunkt eine Wechselstromphase bildet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass alle betreffenden Schalter, d. h. dass alle sechs Schalter geöffnet werden, oder kann vorsehen, dass nur die Schalter von zwei von drei Phasen geöffnet werden, da die verbleibende Phase bei geöffneten anderen Phasen nicht in der Lage ist, einen Stromfluss (abgesehen von dem Strom durch die Selbstinduktion) zu ermöglichen.
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Allgemein können die Konfigurationsschalter als BnC-Brücke ausgebildet sein, wobei n die Phasen multipliziert mit 2 (entsprechend 2 Halbwellenschalter pro Phase) ist. Es können hierbei alle Leistungsschalter des Inverters geöffnet werden, oder es können alle Schalter aller Phasen bis auf eine im ersten Schritt geöffnet werden. Die Leistungsschalter sind insbesondere MOSFETs oder IGBTs.
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Wie erwähnt kann das hier beschriebene Verfahren und der hier beschriebene Antrieb verwendet werden, um einen „elektrischen Freilauf“ herzustellen, d. h. einen inaktiven Zustand des Antriebs, bei dem sich jedoch der Rotor durch Einigung von außen dreht. Ferner kann das hier beschriebene Verfahren und die hier beschriebene Vorrichtung verwendet werden, um die elektrische Maschine zur Umschaltung zwischen Stern- und Dreieckskonfiguration zwischendurch zu inaktivieren bzw. die Konfiguration aufzulösen (entsprechend einer Leerlaufkonfiguration) . Auch im Stillstand kann das hier beschriebene Verfahren bzw. die hier beschriebene Vorrichtung verwendet werden, da bei abgestellten Fahrzeug nicht auszuschließen ist, dass dieses abgeschleppt wird, wodurch die elektrische Maschine passiv bewegt wird. Um einen Stromfluss und Wärmeerzeugung zu vermeiden, der durch passives Bewegen der elektrischen Maschine entstehen würde, werden wie hier beschrieben die Leistungsschalter des Inverters sowie (danach) die Konfigurationsschalter geöffnet. Hierbei wird das Verfahren ausgeführt, wenn das Fahrzeug abgestellt wird, wobei zum Vorbereiten auf einen potentiellen Abschleppvorgang auch die Leistungsschalter sowie die Konfigurationsschalter gleichzeitig geöffnet werden können, wenn sichergestellt ist, dass das Magnetfeld in der elektrischen Maschine unter einen vorbestimmten Schwellenwert liegt.
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Ein aktiver Kurzschluss der Starterwicklungen ist nicht notwendig, so dass auch keine elektromotorische Kraft bei passiven Bewegen der elektrischen Maschine entsteht, die zu einem ungewollten Stromfluss führen könnte. Es ist zudem eine aktive Entladung des Gleichspannungszwischenkreises insbesondere des Zwischenkreiskondensators möglich, insbesondere nachdem der erste Schritt ausgeführt wurde. So kann auch während der Fahrt der Kondensator bzw. der entsprechende Energiespeicher entladen werden, insbesondere wenn der Antrieb inaktiviert wird, etwa aufgrund eines Betriebsmoduswechsels oder aufgrund eines Fehlers.
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Das hier beschriebene Verfahren und der hier beschriebene elektrische Antrieb eignen sich insbesondere für Fahrzeuge und insbesondere für Traktionsantriebe, wobei auch der Antrieb andere Komponenten des Fahrzeugs in Betracht kommt, etwa der Betrieb eines elektrischen Klimakompressors. Die betreffenden Fahrzeuge sind hierbei entweder Betriebsfahrzeuge oder elektrische Fahrzeuge, insbesondere Plug-in-Hybridfahrzeuge.
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Die 1 zeigt einen Inverter IN mit Leistungsschaltern 11 - 23. Die Schalter 11 - 13 sind High-Side-Schalter, während die Schalter 21 - 23 Low-Side-Schalter sind. Die Schalter 11 und 21 bilden eine erste Phase, die Schalter 12 und 22 bilden eine zweite Phase und die Schalter 13 sowie 23 bilden eine dritte Phase des Inverters IN.
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Der Antrieb umfasst eine elektrische Maschine EM, die Wicklungen W1 - W3 aufweist, welche an die betreffenden Phasen des Inverters IN angeschlossen sind.
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In jeder Phase sind die Schalter in Reihe geschaltet, wobei an dieser Reihenschaltung das positive Potential P und das Massepotential anliegt. In der Gleichspannungsseite des Inverters IN, befindet sich ein Kondensator CN (als Energiespeicher) eines Zwischenkreises. An die Gleichspannungsseite ist ein weiterer Energiespeicher ES angeschlossen, insbesondere ein Traktionsakkumulator. Das positive Potential wird von dem weiteren Energiespeicher ES definiert.
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Zu dem weiteren Energiespeicher ES ist der Kondensator CN parallel geschaltet. Dieser Kondensator CN bildet den Zwischenkreis . Parallel zu dem Kondensator ist eine Reihenschaltung eines Entladewiderstands R und eines Entladeschalters DS angeschlossen. Wird der Antrieb inaktiviert (insbesondere auf Dauer), dann wird der Schalter DS geschlossen, und der Kondensator C entlädt sich. Dies wird insbesondere mit dem zweiten Schritt ausgeführt, insbesondere nach Beginn oder nach Abschluss des ersten Schritts .
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Die Wicklungen W1 - W3 der elektrischen Maschine EM sind über Konfigurationsschalter K1 und K2 miteinander verbunden. Sind die Schalter K1 und K2 geschlossen, so ergibt sich ein gemeinsamer Sternpunkt SP für die Enden der Wicklungen W1 - W3. Sind diese geöffnet, dann befindet sich die elektrische Maschine in Leerlaufkonfiguration (d.h. in offener Konfiguration). Ferner sind weitere Konfigurationsschalter D1 - D3 vorgesehen, die im geschlossenen Zustand die elektrische Maschine in einer Dreieckskonfiguration vorsehen. Die Untergruppe D1 - D3 der Konfigurationsschalter und die Untergruppe K1 und K2 der Konfigurationsschalter sind nicht gleichzeitig geschlossen. Vielmehr sind die Schalter jeder Untergruppe gleichzeitig geschlossen, während die Schalter der anderen Untergruppe geöffnet sind. Es kann so zwischen einer Dreiecks- und einer Sternkonfiguration gewechselt werden. In einer Leerlaufkonfiguration sind die Konfigurationsschalter D1 - D3 und K1 und K2 geöffnet. Dies entspricht dem Zustand, der durch den zweiten Schritt herbeigeführt wird, d.h. der Leerlaufkonfiguration der elektrischen Maschine EM.
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Eine Steuerung C steuert die Leistungsschalter 11 - 23 an. Ferner steuert die Steuerung C die Konfigurationsschalter D1 - D3 und K1, K2 an. Eine entsprechende ansteuernde Verbindung ist gegeben durch den Doppelpfeil zwischen der Steuerung C und dem Inverter IN sowie durch die Punktlinien zwischen der Steuerung C und Konfigurationsschalter D1 - D3 sowie K1 und K2.
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Eine erste Möglichkeit sieht vor, dass Sensoren S1 - S5 vorgesehen sind (oder auch nur die Sensoren S1 und S2 oder nur die Sensoren S3 - S5) . Diese erfassen den durch die Konfigurationsschalter Kl, K2 sowie D1 - D3 fließenden Strom bzw. den Strom, der durch die Wicklungen D1 - D3 fließt. Wurden in einem ersten Schritt die Schalter 11 - 23 von der Steuerung C geöffnet, dann wird mittels zumindest eines Sensors der Sensoren S1 - S5 erfasst, welcher Strom durch die Konfigurationsschalter fließt. Liegt dieser Strom unter einem vorbestimmten Schwellenwert, dann werden die Konfigurationsschalter geöffnet, d. h. der Konfigurationsschalter K1 und K2 oder die Konfigurationsschalter D1 - D3. Dadurch werden alle Konfigurationsschalter D1 - D3 und K1, K2 in offenen Zustand vorgesehen.
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Aus Gründen der besseren Darstellbarkeit sind nur die Verbindungen zwischen den Sensoren S1 und S2 einerseits und dem Sensoreingang SE der Steuerung C als Punktstrichlinien dargestellt.
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Vorzugsweise bestehen zwischen allen Sensoren und dem Sensoreingang Verbindungen, sodass die Steuerung C die entsprechenden Sensorsignale erfassen kann.
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Alternativ ist die Steuerung C eingerichtet, den zweiten Schritt einzuleiten, nachdem eine vorgegebene Zeitdauer seit dem ersten Schritt vergangen ist. Hierzu kann die Steuerung C einen Zeitgeber aufweisen, der die Zeitdauer vorgibt, welche wiederum so gewählt ist, dass der Strom an den Konfigurationsschaltern in jedem Fall kleiner als ein vorgegebener Wert ist und insbesondere im Wesentlichen 0 Ampere beträgt.
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Die Steuerung C umfasst einen Inaktivierungseingang AE, an dem ein Inaktivierungssignal erfasst werden kann. Auch ein Konfigurationsänderungssignal ist von dem Signaleingang AE erfassbar, da ein Konfigurationswechsel der elektrischen Maschine EM eine zwischenzeitliche Leerlaufkonfiguration (zwischen der Stern- und der Dreieckskonfiguration) erfordert. Mit dem Inaktivierungssignal am Inaktivierungseingang AE wird der erste Schritt ausgeführt, d.h. das Inaktivierungssignal löst den ersten Schritt aus. Das Inaktivierungssignal kann einen einzustellenden Sollzustand wiedergeben, in dem die elektrische Maschine dauerhaft inaktiv ist und passiv bewegt werden kann (oder still steht), oder kann einen einzustellenden Sollzustand wiedergeben, in dem die elektrische Maschine nur zwischenzeitlich inaktiv ist, etwa beim Übergang von einer Aktiv-Konfiguration zu einer anderen Aktiv-Konfiguration. Als Aktiv-Konfiguration wird eine Sternkonfiguration oder eine Dreieckkonfiguration bezeichnet. Daher wird ein Konfigurationswechselsignal (das einen gewünschten Konfigurationswechsel wiedergibt) auch als Inaktivierungssignal betrachtet. Auch hierbei wird der erste und der zweite Schritt durchgeführt, wobei jedoch in einem folgenden, dritten Schritt eine Untergruppe der Konfigurationsschalter (d.h. entweder K1, K2 oder D1 - D3) wieder gemäß einer geänderten Konfiguration geschlossen werden.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die Schalter D1 bis D3 nicht existent und es bestehen keine entsprechenden Verbindungen. In diesem Fall kann mittels der Konfigurationsschalter K1 und K2 entweder die Sternkonfiguration mit dem Sternpunkt SP oder die Leerlaufkonfiguration eingestellt werden, bei der die Wicklungen W1 bis W3 abgetrennt sind.
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Werden in dem ersten Schritt die Leistungsschalter 11 bis 23 des Inverters IN geöffnet, fließt ein durch die Selbstinduktion der Wicklungen W1 bis W3 ergebende Strom durch die Dioden 1 bis 6.
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Die Dioden 1 bis 6 sind entweder Inversdioden und somit Teil von MOSFET-Schaltern, die auch die Schaltelemente 11 bis 23 ausbilden, oder sind als diskrete Bauelemente ausgeführte Dioden, die (antiparallel) mit den betreffenden Schaltern 11 bis 23 verbunden sind. Vorzugsweise werden die Schalter 11 bis 23 mittels MOSFET-Schaltern oder IGBTs realisiert, die die dargestellten Dioden als Inversdioden aufgrund ihres strukturellen Aufbaus ohnehin realisieren. Es können zusätzliche Dioden als diskrete Bauelemente zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit angeschlossen sein (in gleicher Durchlassrichtung). Es ist zu erkennen, dass die Dioden 1 bis 6 eine Durchflussrichtung haben, die entgegengesetzt ist zur Stromrichtung der Schalter 11 bis 23, in der diese im Stande sind, den Stromfluss zu steuern.
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Schließlich kann vorgesehen sein, dass eine ansteuernde Verbindung zwischen der Steuerung C und dem Entladeschalter DS besteht, um den Zwischenkreiskondensator CN nach Ausführung des ersten Schritts (oder während dessen Ausführung) zu entladen.
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In der 1 ist nur beispielhaft eine dreiphasige Ausgestaltung des Inverters und der elektrischen Maschine EN dargestellt, wobei auch andere Phasenanzahlen in Betracht kommen. Zudem sind die Schalter 11 bis 23 als mehrphasige Vollwellenbrückenschaltungen verbunden, wobei jedoch auch eine H-Brückenschaltung in Betracht kommt.
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Bezugszeichenliste
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- EM
- elektrische Maschine
- ES
- Energiespeicher, Traktionsakkumulator
- C
- Steuerung
- AE
- Inaktivierungseingang
- SE
- Sensoreingang
- CN
- Zwischenkreiskondensator
- DS, R
- Entladeschaltung des Zwischenkreiskondensators mit Entladewiderstand R und Entladeschalter DS
- K1, K2
- Konfigurationsschalter für Sternkonfiguration/Leerlaufkonfiguration
- D1 - D3
- Konfigurationsschalter für Dreieckskonfiguration/Leerlaufkonfiguration
- S1 - S5
- Stromsensoren bzw. Magnetsensoren
- P
- positives Potential
- IN
- Inverter
- W1 - W3
- Wicklungen der elektrischen Maschine EM
- 11 - 13
- Highside-Leistungsschalter
- 21 - 23
- Lowside-Leistungsschalter
- 1 - 6
- Inversdioden
- SP
- Sternpunkt
