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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, welches einen Elektromotor und eine dem Elektromotor zugeordnete Steuereinheit umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinheit für ein Antriebssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems eines Fahrzeugs.
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Antriebssysteme elektromotorisch angetriebener Fahrzeuge umfassen einen Elektromotor zum Bereitstellen eines Drehmoments für den Vortrieb des Fahrzeugs. Der Elektromotor ist üblicherweise als eine Drehstrommaschine mit drei Phasen, die mit U, V und W bezeichnet werden, ausgebildet. Gebräuchlich sind sogenannte Asynchronmaschinen und permanent erregte Synchronmaschinen (PSM).
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Ferner umfasst ein solches Antriebssystem eine auch als Leistungselektronik bezeichnete Steuereinheit zum Ansteuern des Elektromotors, welche einen Wechselrichter zum Transformieren einer von einer Batterie des Fahrzeugs bereitgestellten Gleichspannung in die zum Betreiben des Elektromotors benötigte und relativ zueinander um 120° phasenverschobene Wechselspannungen U, V und W aufweist.
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Der Wechselrichter umfasst gewöhnlich mehrere Leistungshalbleiter, welche als Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (insulated-gate bipolar transistor, IGBT), MOSFET-Halbleiter (Feldeffekttransistor) und/oder weitere Halbleitertypen ausgebildet sein können. Heute übliche Leistungshalbleiter basieren auf Silizium (Si), während künftige Leistungshalbleiter auch auf anderen Stoffen, wie beispielsweise Siliziumcarbid (SiC) oder GaN (Galliumnitrid) basieren können. Die Leistungshalbleiter bilden schaltende Elemente des Wechselrichters, dessen Gleichspannungseingang (DC Input) an ein Niedervoltbordnetz (z.B. 12V, 24V, 48V) oder an ein Hochvoltbordnetz (über 60V, z.B. 200V, 800V oder höher) des Fahrzeugs angeschlossen sein kann. In der Regel umfasst der Wechselrichter sechs Leistungshalbleiter, die in einer sogenannten B6-Brückenschaltung angeordnet sind. Die B6-Brückenschaltung sieht vor, dass drei obere der sechs Leistungshalbleiter mit einem positiven Pol einer Batterie des Bordnetzes und drei untere der sechs Leistungshalbleiter mit einem negativen Pol der Batterie des Bordnetzes verbunden sind. Entsprechend werden die oberen Leistungshalbleiter als High-Side-Schalter und die unteren Leistungshalbleiter als Low-Side-Schalter bezeichnet.
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Um hinsichtlich der funktionalen Sicherheit des Fahrzeugs die Anforderungen des internationalen Standards ISO 26262 zu erfüllen, darf in keiner Fahrsituation des Fahrzeugs ein Drehmoment von dem Elektromotor ungewollt bereitgestellt werden. Im Sinne der Erfindung wird unter einer Fahrsituation auch ein Stehen des Fahrzeugs verstanden, beispielsweise während eines Ladevorgangs. Fahrsituationen, in denen ein Bereitstellen eines Drehmoments von dem Elektromotor ungewollt ist, werden als kritische Fahrsituationen bezeichnet. Beispielsweise ist eine Fahrsituation kritisch, in der das Fahrzeug abgeschleppt wird oder zum Laden der Batterie an eine Ladestation angeschlossen ist und stillsteht.
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Ein ungewolltes Drehmoment ist ausgeschlossen, wenn sich das Antriebssystem in einem sogenannten sicheren Zustand befindet. Bei dem sicheren Zustand kann es sich um einen Freilaufzustand, bei dem sämtliche Leistungshalbleiter des Wechselrichters geöffnet sind, oder einen aktiven, d. h. beabsichtigten, Kurzschlusszustand (AKS) handeln, bei dem die Leistungshalbleiter der Niederspannungsseite oder der Hochspannungsseite des Wechselrichters geschlossen sind. Um den Sicherheitsanforderungen des Standards ISO 26262 zu genügen, können spezielle Schutzschaltungen vorgesehen sein, welche dem Wechselrichter der Steuereinheit zugeordnet sind und diesen in einer kritischen Fahrsituation in einen sicheren Zustand verstellen.
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So offenbart die
DE 10 2016 207 195 A1 ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor und einer dem Elektromotor zugeordneten Steuereinheit, welche einen Wechselrichter mit von einer Treiberschaltung betätigten Leistungshalbleitern umfasst. Die Steuereinheit hat ferner eine Schutzschaltung, welche unmittelbar mit den Leistungshalbleitern verbunden und konfiguriert ist, zumindest einige der Leistungshalbleiter zu schließen, wodurch die Phasen des Wechselrichters aktiv kurzgeschlossen werden. Dabei kann der aktive Kurzschlusszustand des Antriebssystems je nach Ausbildung der Schutzschaltung durch Schließen von Leistungshalbleitern einer Hochspannungsseite und/oder Schließen von Leistungshalbleitern einer Niederspannungsseite des Wechselrichters hergestellt werden.
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Die
DE 10 2010 062 334 A1 offenbart ein weiteres Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einem Elektromotor und einer dem Elektromotor zugeordneten Steuereinheit, bei dem im Störungsfall ein Kurzschlusszustand für den Elektromotor gestellt wird. Die Steuereinheit umfasst einen Wechselrichter, welcher erste Leistungshalbleiter einer Hochspannungsseite und zweite Leistungshalbleiter einer Niederspannungsseite des Wechselrichters aufweist. In einem hergestellten aktiven Kurzschlusszustand sind entweder die ersten Leistungshalbleiter geschlossen, während die zweiten Leistungshalbleiter geöffnet sind, oder umgekehrt.
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Neuere Entwicklungen gehen dahin, einen Elektromotor mit zwei Statoren und einem in den beiden Statoren drehbar gelagerten Rotor vorzusehen. Ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einem solchen Elektromotor benötigt folglich zwei Wechselrichter, welche jeweils einem Stator zugeordnet sind. Entsprechend muss daher ein sicherer Zustand des Antriebssystems beide Wechselrichter einschließen.
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Die
DE 10 2012 203 525 A1 offenbart ein solches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einem Elektromotor, der einen Rotor sowie einen ersten Stator und einen zweiten Stator umfasst. Zudem umfasst das Antriebssystem eine dem Elektromotor zugeordnete Steuereinheit. Die Steuereinheit weist einen ersten Wechselrichter und einen zweiten Wechselrichter auf, welche mit verschiedenen Spannungsquellen zweier Bordnetze des Fahrzeugs verbunden sind. Der erste Wechselrichter weist eine mit dem ersten Stator verbundene erste Sternschaltung auf, während der zweite Wechselrichter eine mit dem zweiten Stator verbundene zweite Sternschaltung aufweist. Ferner umfasst das Antriebssystem eine den beiden Wechselrichtern zugeordnete Transferschaltung mit zwei gegenläufig in Reihe geschalteten Dioden, mittels derer die zentralen Sternpunkte der beiden Sternschaltungen für einen Kurzschlusszustand miteinander verbunden werden können.
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Während der Standard ISO 26262 ein Vermeiden eines ungewollten Drehmoments in kritischen Fahrsituationen betrifft, kann in bestimmten Fahrsituationen das Stellen bzw. Einstellen eines sicheren Zustands auch zum Schützen des Wechselrichters vor einer Zerstörung oder Schädigung erforderlich sein. Der jeweils geeignete sichere Zustand des Antriebssystems ist abhängig von der konkreten Fahrsituation des Fahrzeugs und von der Art des Elektromotors (Asynchronmaschine oder Synchronmaschine).
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Beispielsweise ist für permanent-erregte Synchronmaschinen der aktive Kurzschlusszustand zu stellen, wenn das Fahrzeug mit relativ großer Geschwindigkeit abgeschleppt wird. Andernfalls können die Leistungshalbleiter des Wechselrichters durch Überspannungen beschädigt oder zerstört werden, welche beim Abschleppen des Fahrzeugs infolge hoher Drehzahlen des Elektromotors auftreten können.
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Dagegen können geschlossene Leistungshalbleiter des Wechselrichters bei einem Ladevorgang des Fahrzeugs unabhängig von der Art des Elektromotors durch die allgegenwärtige sogenannte Höhenstrahlung besonders stark geschädigt werden, wenn das Hochvoltbordnetz eine Nennspannung von 800V oder darüber aufweist. Jedoch kann es während des Ladens auch bei geringeren Nennspannungen des Hochvoltbordnetzes zu einer Schädigung geschlossener Leistungshalbleiter kommen, wobei die schädliche Wirkung der Höhenstrahlung stets von dem Aufbau und der Bauart des Leistungshalbleiters abhängt. Durch das Stellen des Freilaufzustands während des Ladens wird eine an dem Wechselrichter anliegende Sperrspannung auf zwei einer Phase zugeordnete Leistungshalbleiter aufgeteilt, so dass die Sperrspannung je Leistungshalbleiter halbiert ist. Entsprechend ist die schädliche Wirkung der Höhenstrahlung verringert, wodurch die Lebensdauer der Leistungshalbleiter verlängert ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem zu schaffen, welches abhängig von einer Fahrsituation automatisch zwischen einem Freilaufzustand und einem aktiven Kurzschlusszustand umschaltet. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Steuergerät für ein Antriebssystem zur Verfügung zu stellen und ein einfaches Verfahren zum automatischen Umschalten eines Antriebssystems zwischen einem Freilaufzustand und einem aktiven Kurzschlusszustand anzugeben.
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Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, welches einen Elektromotor und eine dem Elektromotor zugeordnete Steuereinheit umfasst. Solche Antriebssysteme sind in allen elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen verbaut. Entsprechend kann die Erfindung vielfältige Verwendung finden.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem ist ausgebildet, abhängig von einer Drehzahl des Elektromotors automatisch zwischen einem Freilaufzustand und einem aktiven Kurzschlusszustand umzuschalten. Auf diese Weise stellt das Antriebssystem sicher, dass abhängig von einer kritischen Fahrsituation stets der optimale sichere Zustand des Antriebssystems gestellt bzw. eingestellt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Antriebssystem einen Sensor, welcher zum Erfassen einer Winkelposition eines Rotors des Elektromotors ausgebildet ist. Ein solcher Sensor kann als Rotorlagegeber bezeichnet werden und beispielsweise als ein Hall-Sensor, ein magnetoresistiver Sensor oder ein Wirbelstromsensor ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor mit der Steuereinheit verbunden, um die Steuereinheit zu aktivieren, wenn er eine Drehbewegung des Rotors erfasst. Hierfür muss der Sensor einen besonderen Anschluss aufweisen, der beispielsweise hardwareseitig als ein zusätzlicher Pin vorgesehen sein kann und an den eine Verbindungsleitung zu dem Wechselrichter der Steuereinheit angeschlossen ist. Mittels dieser Verbindung kann der Wechselrichter der Steuereinheit bei einer Drehbewegung des Rotors aufgeweckt werden (Wake-Up).
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In vorteilhaften Ausführungsformen ist der Sensor mit der Steuereinheit verbunden, um von der Steuereinheit mit elektrischer Energie versorgt zu werden. Um ein Aufwecken der Steuereinheit durch den Sensor zu ermöglichen, muss der Sensor mit elektrischer Energie versorgt sein. Bei einer geringen Ruhestromaufnahme des Sensors kann die Steuereinheit den erforderlichen Ruhestrom bereitstellen, auch während der Wechselrichter im Ruhezustand ist. Allerdings darf die Ruhestromaufnahme der Steuereinheit aufgrund der Versorgung des Sensors einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreiten.
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In alternativen Ausführungsformen umfasst der Sensor einen magnetischen Dipol zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einer Drehbewegung des Rotors mittels magnetischer Induktion. Ein solcher Sensor benötigt keinen permanenten Ruhestrom, welcher von der Steuereinheit bereitgestellt wird und daher die Steuereinheit belastet. Stattdessen erzeugt der Sensor die von ihm benötigte elektrische Energie während der Drehbewegung des Rotors mittels magnetischer Induktion selbst (Energy Harvesting).
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Bei den letztgenannten Ausführungsformen kann der Sensor als ein In-Shaft-Sensor ausgebildet und in dem Rotor angeordnet sein. Ein als In-Shaft-Sensor ausgebildeter Rotorlagegeber benötigt keinen eigenen Bauraum, da er in dem Rotor integriert ist. Dadurch lässt sich eine große Kompaktheit des Antriebssystems erreichen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Steuereinheit für ein Antriebssystem eines Fahrzeugs, insbesondere für ein erfindungsgemäßes Antriebssystem.
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Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit ausgebildet, abhängig von einer Drehzahl eines Elektromotors des Fahrzeugs automatisch zwischen einem Freilaufzustand und einem aktiven Kurzschlusszustand umzuschalten. Die Steuereinheit weist entsprechend zwei verschiedene sichere Zustände auf, zwischen denen es in einer kritischen Fahrsituation drehzahlabhängig wechseln kann.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems eines Fahrzeugs mit einem Elektromotor, insbesondere eines erfindungsgemäßen Antriebssystems. Mit anderen Worten wird ein Arbeitsverfahren für ein Antriebssystem eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs vorgeschlagen. Das Arbeitsverfahren ist grundsätzlich für jedes Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs geeignet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Drehzahl des Elektromotors erfasst und das Antriebssystem in einer kritischen Fahrsituation des Fahrzeugs abhängig von der erfassten Drehzahl automatisch zwischen einem Freilaufzustand und einem aktiven Kurzschlusszustand umgeschaltet. Die Drehzahl des Elektromotors, welche zu der Winkelgeschwindigkeit des Rotors des Elektromotors korrespondiert und üblicherweise in Umdrehungen pro Zeiteinheit angegeben wird, kann in jeder Fahrsituation des Fahrzeugs erfasst werden und ist während des Stillstands ebenso definiert wie während einer Fahrt des Fahrzeugs.
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In bevorzugten Ausführungsformen wird das Antriebssystem in den Freilaufzustand gestellt, wenn die erfasste Drehzahl unterhalb eines vorbestimmten Umschaltwerts liegt, oder in den aktiven Kurzschlusszustand gestellt, wenn die erfasste Drehzahl mindestens den vorbestimmten Umschaltwert aufweist. Der Umschaltwert wird abhängig von dem Antriebssystem des Fahrzeugs derart festgelegt, dass nur bei Drehzahlen oberhalb des Umschaltwerts schädliche Überspannungen auftreten können. Dabei kann der Umschaltwert eine Hysterese aufweisen, d. h. abhängig von einem zeitlichen Verlauf der erfassten Drehzahl variieren, um bei um den Umschaltwert geringfügig schwankenden Drehzahlen ein mehrfaches Umschalten zwischen den beiden sicheren Zuständen zu vermeiden. Auf diese Weise ist während des Ladens, also bei der Drehzahl Null sicher der Freilaufzustand gestellt. Während des Abschleppens wird der sichere Zustand abhängig von der Drehzahl automatisch derart umgeschaltet, dass bei unschädlich geringen Drehzahlen der Freilaufzustand, bei schädlich hohen Drehzahlen der aktive Kurzschlusszustand gestellt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Drehzahl von einem Sensor des Antriebssystems erfasst, welcher eine Winkelposition eines Rotors des Elektromotors erfasst. Der Sensor wird gewöhnlich als Rotorlagegeber bezeichnet, ist in unterschiedlichen Ausgestaltungen, von denen oben einige genannt sind, verfügbar und kann kostengünstig vorgesehen werden.
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In einer Ausführungsform wird der Sensor von einer Steuereinheit des Antriebssystems mit elektrischer Energie versorgt und die Steuereinheit aktiviert, wenn eine Drehbewegung des Rotors erfasst wird. Die Steuereinheit kann den Sensor mit einem Ruhestrom versorgen, wenn ihre eigene Ruhestromaufnahme infolgedessen einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Sensor mittels magnetischer Induktion mit elektrischer Energie versorgt. Auf diese Weise kann sich der Sensor selbst mit der benötigten elektrischen Energie versorgen (Energy Harvesting).
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 in einer schematischen Darstellung eine Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems,
- 2 in einer schematischen Darstellung eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems 10. Das Antriebssystem 10 umfasst einen Elektromotor 20 mit einem Rotor 21.
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Das Antriebssystem 10 umfasst zudem eine als Leistungselektronik ausgebildete Steuereinheit 30 mit einem eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern umfassenden Wechselrichter 31. Die Steuereinheit 30 ist dem Elektromotor 20 zugeordnet und mit diesem über drei jeweils eine Wechselstromphase U, V oder W bereitstellende Verbindungsleitungen verbunden. Ferner ist die Steuereinheit 30 ausgebildet, abhängig von einer Drehzahl des Elektromotors 20 automatisch zwischen einem Freilaufzustand und einem aktiven Kurzschlusszustand umzuschalten.
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Das Antriebssystem 10 umfasst weiterhin einen als Rotorlagegeber bezeichneten Sensor 22, welcher zum Erfassen einer Winkelposition des Rotors 21 des Elektromotors 20 ausgebildet ist. Der Sensor 22 ist mit der Steuereinheit 30 über eine Verbindungsleitung verbunden, um die Steuereinheit 30 zu aktivieren, wenn er in einer kritischen Fahrsituation des Fahrzeugs eine Drehbewegung des Rotors 21 erfasst. Zudem ist der Sensor 22 mit der Steuereinheit 30 verbunden, um von der Steuereinheit 30 fortlaufend mit elektrischer Energie versorgt zu werden. Beide Verbindungsleitungen sind in der 1 symbolisch durch eine einzelne Linie gezeigt.
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Während des Betrieb des Antriebssystems 10 wird von dem Sensor 22 eine Winkelposition des Rotors 21 und eine Drehzahl des Elektromotors 20 erfasst. Dazu wird der Sensor 22 von der Steuereinheit 30 des Antriebssystems 10 fortlaufend mit elektrischer Energie versorgt. Der von dem Sensor 22 benötigte geringe Ruhestrom führt nicht zu einer Erhöhung des von der Steuereinheit 30 benötigten Ruhestroms über einen vorgegebenen Maximalwert hinaus.
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In einer kritischen Fahrsituation des Fahrzeugs wird die Steuereinheit 30 aktiviert (Wake-Up), wenn von dem Sensor 22 eine Drehbewegung des Rotors 21 erfasst wird, und das Antriebssystem 10 abhängig von der erfassten Drehzahl in einen sicheren Zustand verstellt sowie in der Folge abhängig von der erfassten Drehzahl automatisch zwischen einem Freilaufzustand und einem aktiven Kurzschlusszustand umgeschaltet.
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Dabei stellt das Antriebssystem 10 den Freilaufzustand, wenn die erfasste Drehzahl unterhalb eines vorbestimmten Umschaltwerts liegt, oder den aktiven Kurzschlusszustand (AKS), wenn die erfasste Drehzahl mindestens den vorbestimmten Umschaltwert aufweist.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems 10, dessen Aufbau weitgehend mit der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform identisch ist. Abweichend von dieser ist der Sensor 22 als ein In-Shaft-Sensor ausgebildet, in dem Rotor 21 des Elektromotors 20 angeordnet und umfasst einen magnetischen Dipol zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einer Drehbewegung des Rotors 21 mittels magnetischer Induktion (Energy Harvesting). Die von dem Sensor 22 erfasste Drehzahl des Rotors 21 wird mittels einer zusätzlichen Verbindungsleitung von dem Elektromotor 20 zu dem Steuergerät 30 übertragen.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebssystems besteht darin, dass in jeder Fahrsituation des Fahrzeugs der jeweils adäquate sichere Zustand des Antriebssystems automatisch gestellt wird. Einerseits wird eine Schädigung der Leistungshalbleiter durch Höhenstrahlung während eines Ladevorgangs zuverlässig vermieden, indem als sicherer Zustand automatisch der Freilaufzustand gestellt wird. Andererseits wird eine Schädigung der Leistungshalbleiter durch Überspannung während eines Abschleppvorgangs sicher ausgeschlossen, indem als sicherer Zustand automatisch der aktive Kurzschlusszustand gestellt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antriebssystem
- 20
- Elektromotor
- 21
- Rotor
- 22
- Sensor
- 30
- Steuereinheit
- 31
- Wechselrichter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016207195 A1 [0007]
- DE 102010062334 A1 [0008]
- DE 102012203525 A1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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