DE102018106608A1

DE102018106608A1 - Verfahren zum thermischen Management eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE102018106608A1
Application number: DE102018106608.2A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Tipper; Huan FU
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2019-09-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Management eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeuges, bei welchem eine elektrische Maschine bei Vorliegen eines Fehlers durch aktive Einwirkung auf in einer Endstufe zur Ansteuerung der elektrischen Maschine vorhandene Leistungshalbleiterschalter kurzgeschlossen wird. Bei einem Verfahren, bei welchem ein gutes thermisches Management möglich ist, werden im Kurzschlussfall die Leistungshalbleiterschalter mit einer analogen Versorgungsspannung angesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Management eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeuges, bei welchem eine elektrische Maschine bei Vorliegen eines Fehlers durch aktive Einwirkung auf in einer Endstufe zur Ansteuerung der elektrischen Maschine vorhandene Leistungshalbleiterschalter kurzgeschlossen wird.
Aus der DE 10 2015 214 839 A1 ist ein Verfahren zum zeitdiskreten Regeln eines elektrisch kommutierten Elektromotors bekannt, der insbesondere als elektrischer Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist. Dabei wird der Elektromotor mit einer variablen PWM-Frequenz angesteuert.
Darüber hinaus ist es bekannt, dass in elektrischen Fahrzeugantrieben eine elektrische Maschine kurzgeschlossen wird, wenn ein Batterieabwurf aufgetreten ist oder auf einen Fehler reagiert werden muss. Das Kurzschließen der elektrischen Maschine erfolgt dabei zum Erreichen eines sicheren Zustandes der elektrischen Maschine. Dieser Kurzschluss ist notwendig, um die generierte Spannung der elektrischen Maschine im generatorischen Betrieb kontrollieren zu können. Der Kurzschluss wird dabei aktiv über die in einer als Brückenschaltung ausgebildeten Endstufe vorhandenen Leistungshalbleiterschalter vorgenommen, bei denen entweder alle High-Side-Leistungshalbleiterschalter oder alle Low-Side-Leistungshalbleiterschalter bestromt werden. Durch sehr hohe Kurzschlussströme, die durch die bestromten Leistungshalbleiterschalter fließen, kann es bei einem Dauerkurzschluss zu einem hohen thermischen Belastungszustand der elektrischen Maschine kommen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Dauerkurzschlussströme in der Regel höher sind als die Nenndauerströme der elektrischen Maschine. Um einen solchen Belastungszustand zu reduzieren, ist es bekannt, eine elektrische Maschine so auszulegen, dass diese für den normalen Betrieb überdimensioniert wird, wodurch Kosten ansteigen und mehr Bauraum benötigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum thermischen Management eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeuges anzugeben, bei welchem auf eine Überdimensionierung der elektrischen Maschine für einen Dauerkurzschluss der elektrischen Maschine verzichtet werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass während des Kurzschlusszustandes die Leistungshalbleiterschalter mit einer analogen Versorgungsspannung angesteuert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Leistungshalbleiterschalter, die bei dem satten Kurzschluss voll durchgeschaltet sind, in eine analoge Betriebsweise versetzt werden. Das bedeutet, dass in diesem Zustand die Leistungshalbleiterschalter nicht mehr voll angesteuert werden und somit einen abhängig von den thermischen Verhältnissen regelbaren elektrischen Innenwiderstand aufweisen. Somit lassen sich die thermischen Verhältnisse der elektrischen Maschine auch im Kurzschlussfall einstellen. Eine Überdimensionierung der elektrischen Maschine kann somit entfallen.
Vorteilhafterweise erfolgt eine Umschaltung von einer digitalen Versorgungsspannung auf die analoge Versorgungsspannung der Leistungshalbleiterschalter in Abhängigkeit der Temperatur der elektrischen Maschine. Somit lässt sich bei Kenntnis der thermischen Verhältnisse von elektrischer Maschine und Leistungshalbleiterschalter die Thermik im Kurzschlussfall ausbalancieren.
In einer Ausgestaltung ist die analoge Versorgungsspannung kleiner als eine Maximalversorgungsspannung, mit welcher die Leistungshalbleiterschalter im Kurzschlussfall angesteuert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kurzschlussströme durch den zusätzlichen Widerstand begrenzt werden und immer geringer sind als bei einer digitalen Maximalansteuerung der Leistungshalbleiterschalter.
In einer Ausführungsform liegt die analoge Versorgungsspannung unterhalb eines Schwellwertes, der annähernd zwei Drittel einer analogen Maximalversorgungsspannung beträgt. Damit wird sichergestellt, dass die über die Leistungshalbleiterschalter fließenden Ströme immer kleiner sind als ein Sättigungswert, welcher sich ab einer vorgegebenen Größe der Versorgungsspannung einstellt. In dem Bereich unterhalb des Schwellwertes lassen sich die analogen Ströme einstellen.
In einer Variante wird die Größe der analogen Versorgungsspannung in Abhängigkeit der thermischen Verhältnisse der elektrischen Maschine und/oder der Leistungshalbleiterschalter eingestellt. Somit ist ein Ausbalancieren der thermischen Verhältnisse an der elektrischen Maschine möglich, da die thermischen Verhältnisse sowohl durch die Verlustleistung der Leistungshalbleiterschalter als auch der elektrischen Maschine beeinflusst werden.
In einer Weiterbildung steuert ein Operationsverstärker die Leistungshalbleiterschalter ab einem vorgegebenen Temperaturschwellwert mit der analogen Versorgungsspannung an. Bei der Verwendung des Operationsverstärkers handelt es sich um ein kostengünstig zu erwerbendes Bauteil.
In einer Alternative wird für die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter ab dem vorgegebenen Temperaturschwellwert eine ASIC-Schaltung verwendet, welche direkt in einen Steuerspannungstreiber jedes Leistungshalbleiterschalters integriert ist. Dadurch entfällt die Verwendung von zusätzlichen Bauteilen zur Beschaltung der Leistungshalbleiterschalter.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges mit einer elektrischen Maschine,
2 ein Ausführungsbeispiel für die Beschaltung einer Endstufe der elektrischen Maschine,
3 Ausführungsbeispiele für die Darstellung der Dauerkurzschlussströme in Abhängigkeit von einer an der Steuerelektrode des Leistungshalbleiterschalters anliegenden analogen Versorgungsspannung U_dc über der Zeit,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kurzschlussdauerströme in Abhängigkeit der analogen Versorgungsspannung U_dc der Leistungshalbleiterschalter.

In 1 ist eine Prinzipdarstellung eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges dargestellt. Dieser Antriebsstrang 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2 und einen Elektromotor 3. Zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Elektromotor 3 ist direkt hinter dem Verbrennungsmotor 2 eine Hybridtrennkupplung 4 angeordnet. Verbrennungsmotor 2 und Hybridtrennkupplung 4 sind über eine Kurbelwelle 5 miteinander verbunden. Der Elektromotor 3 weist einen drehbaren Rotor 6 und einen feststehenden Stator 7 auf. Die Abtriebswelle 8 der Hybridtrennkupplung 4 ist mit einem Getriebe 9 verbunden, welches ein nicht weiter dargestelltes Koppelelement, beispielsweise eine zweite Kupplung oder einen Drehmomentwandler enthält, die zwischen dem Elektromotor 3 und dem Getriebe 9 angeordnet sind. Das Getriebe 9 überträgt das von dem Verbrennungsmotor 2 und/oder dem Elektromotor 3 erzeugte Drehmoment auf die Antriebsräder 10 des Hybridfahrzeuges. Der Elektromotor 3 und der Verbrennungsmotor 2 werden von einem Motorsteuergerät 11 angesteuert.
Die zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Elektromotor 3 angeordnete Hybridtrennkupplung 4 wird geschlossen, um während der Fahrt des Hybridfahrzeuges mit dem von dem Elektromotor 3 erzeugten Drehmoment den Verbrennungsmotor 2 zu starten oder während eines Boostbetriebes mit angetriebenen Verbrennungsmotor 2 und Elektromotor 3 zu fahren. Es ist aber auch eine rein elektrische Fahrt nur mit dem Elektromotor 3 möglich, indem die Hybridtrennkupplung 4 geöffnet wird.
Bei einem solchen Antriebssystem 1 wird der Elektromotor 3 von einer Endstufe 12 betrieben, wie sie in 2 dargestellt ist. Bei dieser Endstufe 12 handelt es sich um eine B6-Brückenschaltung, die an eine Versorgungsspannung U_dc angeschlossen sind. In jeder Motorphase des Elektromotors 3 ist eine B2-Halbbrücke 14 ausgebildet, wie sie in 2b gezeigt ist. Diese B2-Halbbrücke 14 umfasst in einer Motorphase jeweils zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiterschalter 15. Bei insgesamt drei Motorphasen sind also sechs Leistungshalbleiterschalter 15 vorhanden. Die Leistungshalbleiterschalter 15 sind beispielsweise als IGBTs (Isolated Gate Bipolar-Transistoren) ausgebildet.
In einem Fehlerfall wird der Elektromotor 3 kurzgeschlossen, wobei zunächst die Leistungshalbleiterschalter 15 auf der Low-Side oder die Leistungshalbleiterschalter 15 auf der High-Side bestromt und voll durchgeschaltet werden. Dabei liegen die Low-Side-Transistoren 15 an Masse, während die High-Side-Transistoren15 mit der Versorgungsspannung U_dc gekoppelt sind. Jeder Leistungshalbleiterschalter 15 weist dabei einen Steuereingang 16 auf, welcher durch das Gate des Leistungshalbleiterschalters 15 gebildet ist. Nachdem die Leistungshalbleiterschalter 15 in den Kurzschluss versetzt worden sind, werden diese in eine analoge Betriebsweise versetzt. Dies erfolgt dadurch, dass eine ASIC-Schaltung, welche Bestandteil eines nicht weiter dargestellten Gate-Treibers jedes Leistungshalbleiterschalter 15 ist, in Abhängigkeit von einem Temperaturschwellwert die Versorgungsspannung U_dc am Steuereingang 16 des Leistungshalbleiters 15 herabsetzt. Dadurch werden die jeweiligen Leistungshalbleiterschalter 15 nicht mehr voll angesteuert. In Abhängigkeit von den thermischen Verhältnissen an dem Elektromotor 3 erfolgt eine Einstellung eines regelbaren elektrischen Innenwiderstandes des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters 15.
Die als Steuerspannung dienende Gatespannung des Leistungshalbleiterschalters 15 beträgt im Falle der voll durchgeschalteten Leistungshalbleiterschalter 15 beispielsweise 15 Volt, wobei in der analogen Betriebsweise die Versorgungsspannung U_dc unter 15 Volt abgesenkt wird. Dies ist in 3 dargestellt, wo der Phasenstrom jedes Leistungshalbleiterschalters 15 in Abhängigkeit der Zeit t dargestellt ist. Dabei ändert sich die Versorgungsspannung U_dc bei der analogen Einstellung. 3a zeigt eine Amplitude von etwa 500 Ampere des Phasenstromes bei einer Versorgungsspannung U_dc von 14 Volt, d.h. etwa 95% der maximalen Versorgungsspannung. Ein Amplitudenwert der Phasenströme von etwa 450 Ampere wird eingestellt, wenn die Versorgungsspannung U_dc an der Endstufe 12 9 Volt beträgt. Wie aus den 3c und 3d hervorgeht, reduziert sich die Amplitude auffällig bei noch kleineren Versorgungsspannungen U_dc . So beträgt die Maximalamplitude des Phasenstromes bei einer Versorgungsspannung U_dc von 8,5 Volt des Leistungshalbleiterschalters 15 noch etwa 350 Ampere, während bei einer Versorgungsspannung 15 von 8 Volt die Amplitude der Phasenströme annähernd 200 Ampere umfasst. Aufgrund dieses Verhaltens lassen sich die thermischen Verhältnisse an dem Elektromotor 3 zuverlässig variieren.
In 4 ist ein Effektivwert der Kurzschlussströme I_PH -AKS des Elektromotors 3 über der Versorgungsspannung U_dc der Leistungshalbleiterschalter 15 dargestellt. Dabei ist ersichtlich, dass sich die Kurzschlussströme I_PH -AKS des Elektromotors 3 durch die Steuerspannung der Leistungshalbleiterschalters 15 einfach steuern lassen. Während ab einer Versorgungsspannung U_dc von 10 Volt die Effektivwerte der Kurzschlussströme I_PH -AKS des Elektromotors in eine Sättigung übergehen, lassen sich diese bei Versorgungsspannungen U_dc von annähernd zwei Drittel des Maximalwertes unterhalb der Sättigungsgrenze in Abhängigkeit der Versorgungsspannung U_dc einfach einstellen.
Unter Berücksichtigung der thermischen Verhältnisse an dem Elektromotor 3 als auch an der Endstufe 12 ist es möglich, die Thermik der gesamten Baueinheit im Kurzschlussfall auszubalancieren.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsstrang
2: Verbrennungsmotor
3: Elektromotor
4: Hybridtrennkupplung
5: Kurbelwelle
6: Rotor
7: Stator
8: Abtriebswelle
9: Getriebe
10: Fahrzeugräder
11: Motorsteuergerät
12: Endstufe
13: Versorgungsspannung
14: B2-Halbbrücke
15: Leistungshalbleiterschalter
16: Steuereingang des Leistungshalbleiterschalters

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015214839 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum thermischen Management eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeuges, bei welchem eine elektrische Maschine (3) bei Vorliegen eines Fehlers durch aktive Einwirkung auf in einer Endstufe (12) zur Ansteuerung der elektrischen Maschine (3) vorhandene Leistungshalbleiterschalter (15) kurzgeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Kurzschlusszustandes die Leistungshalbleiterschalter (15) mit einer analogen Versorgungsspannung (13) angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung von einer digitalen Versorgungsspannung auf die analoge Versorgungsspannung der Leistungshalbleiterschalter (15) in Abhängigkeit einer Temperatur der elektrischen Maschine (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die analoge Versorgungsspannung kleiner ist als eine Maximalversorgungsspannung, mit welcher die Leistungshalbleiterschalter (15) im Kurzschlussfall angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die analoge Versorgungsspannung unterhalb eines Schwellwertes liegt, der annähernd zwei Drittel einer analogen Maximalversorgungsspannung beträgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der analogen Versorgungsspannung in Abhängigkeit der thermischen Verhältnisse der elektrischen Maschine (3) und/oder der Leistungshalbleiterschalter (15) eingestellt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Operationsverstärker die Leistungshalbleiterschalter (15) ab einem vorgegebenen Temperaturschwellwert mit der analogen Versorgungsspannung (13) ansteuert.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter (15) ab dem vorgegebenen Temperaturschwellwert eine ASIC-Schaltung verwendet wird, welche direkt in einem Steuerspannungstreiber jedes Leistungshalbleiterschalters (15) integriert ist.