DE102019002781A1 - A method of storing electrical energy in a high voltage power module for a vehicle and high voltage power module for storing electrical energy - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern elektrischer Energie in einem Hochvolt-Leistungsmodul (50) für ein Fahrzeug. Das Hochvolt-Leistungsmodul (50) weist eine Hochvolt-Batterie (10), eine Asynchronmaschine (ASM) und eine Synchronmaschine (PSM) auf. Die Hochvolt-Batterie (10) wird von dem Hochvolt-Leistungsmodul (50) des Fahrzeugs während eines Betriebs der Asynchronmaschine (ASM) und der Synchronmaschine (PSM) elektrisch getrennt. Es wird ein Wert eines vorgegebenen Parameters des Hochvolt-Leistungsmoduls (50) erfasst und der Wert wird mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. In Abhängigkeit von dem Vergleichen wird die Synchronmaschine (PSM) mittels einer Kurzschlusseinheit (KZE) in einen Kurzschlussbetrieb umgeschaltet, in dem die Synchronmaschine (PSM) elektrisch kurzgeschlossen ist. Damit kann ein Zwischenkreiskondensator (16) der Synchronmaschine (PSM) zum Speichern der elektrischen Energie genutzt werden. The invention relates to a method for storing electrical energy in a high-voltage power module (50) for a vehicle. The high-voltage power module (50) has a high-voltage battery (10), an asynchronous machine (ASM) and a synchronous machine (PSM). The high-voltage battery (10) is electrically disconnected from the high-voltage power module (50) of the vehicle during asynchronous machine (ASM) and synchronous machine (PSM) operation. A value of a predetermined parameter of the high-voltage power module (50) is detected and the value is compared with a predetermined threshold value. Depending on the comparison, the synchronous machine (PSM) is switched by means of a short-circuit unit (KZE) into a short circuit mode in which the synchronous machine (PSM) is electrically short-circuited. Thus, a DC link capacitor (16) of the synchronous machine (PSM) can be used to store the electrical energy.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern elektrischer Energie in einem Hochvolt-Leistungsmodul für ein Fahrzeug. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Hochvolt-Leistungsmodul zum Speichern von elektrischer Energie.The invention relates to a method for storing electrical energy in a high-voltage power module for a vehicle. Moreover, the invention relates to a high-voltage power module for storing electrical energy.
Beim Vermarkten von Elektrofahrzeugen spielt insbesondere für die Kunden eine Reichweite des Elektrofahrzeuges eine große Rolle. Viele technische Ansätze versuchen daher, die Reichweite von Elektrofahrzeugen weiter zu steigern. Einer dieser technischen Ansätze besteht darin, mittels einer Rekuperation beim Bremsen von Elektrofahrzeugen einen Teil der Bewegungsenergie in elektrische Energie zurückzugewinnen. Dabei können jedoch im ungünstigsten Fall in einem Bordnetz eines Elektrofahrzeugs unerwünschte Spannungsspitzen entstehen. Eine solche Situation wird häufig auch als Load-Dump Fall bezeichnet.When marketing electric vehicles, a range of the electric vehicle plays a major role, in particular for the customers. Many technical approaches are therefore trying to further increase the range of electric vehicles. One of these technical approaches is to recover part of the kinetic energy into electrical energy by means of recuperation when braking electric vehicles. However, in the worst case, unwanted voltage peaks can occur in a vehicle electrical system of an electric vehicle. Such a situation is often referred to as a load-dump case.
Unter einem Load-Dump Fall versteht man insbesondere das Entstehen einer Spannungsspitze in einem Hochvoltzwischenkreis. Es kann beispielsweise dann auftreten, wenn eine Rekuperationsleistung der elektrischen Maschine im generatorischen Betrieb erzeugt wird und eine vorgesehene Energierückeinspeisung unerwartet nicht mehr möglich ist, weil beispielsweise eine Hochvolt-Batterie elektrisch vom Bordnetz abgetrennt wurde. Im ungünstigsten Fall wird die Rekuperationsleistung nicht reduziert, sodass eine elektrische Spannung im Hochvoltzwischenkreis ansteigt. Dieser Spannungsanstieg kann dann nur noch durch eventuell vorhandene Kondensatoren in dem Zwischenkreis der Hochvoltkomponenten gemildert werden. Steigt im Load-Dump Fall die elektrische Spannung im Zwischenkreis aufgrund der elektrisch getrennten Hochvoltbatterie weiter über eine definierte Schwelle, so wird in der Regel mithilfe entsprechender Leistungselektronik eine Ersatzreaktion eingeleitet. Diese Ersatzreaktion zielt meistens darauf ab, die Hochvoltkomponenten der Bordelektronik des Elektrofahrzeugs vor Beschädigung zu schützen.A load-dump case is understood to mean, in particular, the occurrence of a voltage spike in a high-voltage intermediate circuit. It can occur, for example, when a recuperation power of the electric machine is generated in regenerative operation and an envisaged energy feedback is unexpectedly no longer possible because, for example, a high-voltage battery was disconnected electrically from the electrical system. In the worst case, the recuperation power is not reduced, so that an electrical voltage in the high-voltage intermediate circuit increases. This voltage increase can then only be alleviated by any existing capacitors in the intermediate circuit of the high-voltage components. If, in the load-dump case, the electrical voltage in the DC link continues to rise above a defined threshold due to the electrically isolated high-voltage battery, a replacement reaction is usually initiated by means of the corresponding power electronics. This replacement reaction mostly aims to protect the high voltage components of the on-board electronics of the electric vehicle from damage.
Die Offenlegungsschrift
Die Offenlegungsschrift
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren beziehungsweise ein Hochvolt-Leistungsmodul bereitzustellen, womit in einem Load-Dump Fall elektrische Energie gespeichert werden kann.It is an object of the present invention to provide a method or a high-voltage power module, with which electrical energy can be stored in a load-dump case.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe der unabhängigen Ansprüche dieser Anmeldung gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen und alternative Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren beschrieben.This object is achieved by the independent claims of this application. Meaningful developments and alternative embodiments are described in the subclaims, the description and the figures.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Speichern elektrischer Energie in einem Hochvolt-Leistungsmodul für ein Fahrzeug vor. Das Hochvolt-Leistungsmodul weist eine Hochvolt-Batterie, eine Asynchronmaschine für eine erste Achse des Fahrzeugs und eine Synchronmaschine für eine zweite Achse des Fahrzeugs auf. Eine Asynchronmaschine ist insbesondere eine Drehstrommaschine, bei der ein Rotor einem Drehfeld eines Stators vor- beziehungsweise nachläuft. Somit sind bei einer Asynchronmaschine die jeweiligen Drehfelder des Rotors und des dazugehörigen Magnetfeldes zueinander nicht in Phase, also asynchron zueinander. Bei einer Synchronmaschine hingegen läuft bevorzugt der Rotor synchron mit dem Drehfeld des Stators. Das Verfahren sieht folgende Schritte vor:The invention provides a method for storing electrical energy in a high-voltage power module for a vehicle. The high-voltage power module has a high-voltage battery, an asynchronous machine for a first axis of the vehicle and a synchronous machine for a second axis of the vehicle. An asynchronous machine is in particular a three-phase machine in which a rotor advances or follows a rotating field of a stator. Thus, in an asynchronous machine, the respective rotating fields of the rotor and the associated magnetic field to each other are not in phase, so asynchronous to each other. In a synchronous machine, however, the rotor preferably runs synchronously with the rotating field of the stator. The procedure provides the following steps:
In einem ersten Schritt a) wird die Hochvolt-Batterie elektrische von dem Hochvolt-Leistungsmodul des Fahrzeugs während eines Betriebs der Asynchronmaschine und der Synchronmaschine getrennt. Dieses elektrische Trennen geschieht insbesondere mithilfe entsprechender Hochvoltschütze in oder an der Hochvolt-Batterie. Dabei ist zu beachten, dass dieser Schritt a) kein gewünschter Verfahrensschritt ist, sondern eine Situation darstellt, in der die Hochvolt-Batterie aus anderen Gründen elektrisch von dem Hochvolt-Leistungsmodul getrennt wird oder werden muss. Somit kann dieses elektrische Trennen im Schritt a) beispielsweise aufgrund einer anderen Leistungselektronik hervorgerufen werden. Schritt a) kann als eine unerwünschte Situation betrachtet werden, die jedoch im Rahmen dieser Erfindung soweit wie möglich sinnvoll behandelt wird.In a first step a), the high-voltage battery electrical is disconnected from the high-voltage power module of the vehicle during operation of the asynchronous machine and the synchronous machine. This electrical disconnection is done in particular by means of appropriate high-voltage contactors in or on the high-voltage battery. It should be noted that this step a) is not a desired process step, but represents a situation in which the high-voltage battery is electrically disconnected from the high-voltage power module for other reasons or must be. Thus, this electrical separation in step a), for example, due to another Power electronics are caused. Step a) can be regarded as an undesirable situation, but this is treated as meaningfully as possible within the scope of this invention.
In einem weiteren Schritt b) wird ein Wert eines vorgegebenen Parameters des Hochvolt-Leistungsmoduls erfasst und dieser Wert wird mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Der vorgegebene Parameter kann beispielsweise der Ladezustand der Hochvolt-Batterie, eine Spannung in dem Hochvolt-Leistungsmodul, eine Rekuperationsleistung, ein Rekuperationsmoment oder eine Temperatur eines Kondensators in dem Hochvolt-Leistungsmodul sein.In a further step b), a value of a predetermined parameter of the high-voltage power module is detected and this value is compared with a predetermined threshold value. The predetermined parameter may be, for example, the state of charge of the high-voltage battery, a voltage in the high-voltage power module, a recuperation power, a recuperation torque or a temperature of a capacitor in the high-voltage power module.
In Abhängigkeit von dem Vergleichen wird in Schritt c) die Synchronmaschine in einen Kurzschlussbetrieb umgeschaltet. In dem Kurzschlussbetrieb ist die Synchronmaschine elektrisch kurzgeschlossen. Die Synchronmaschine wird umgeschaltet, um einen Zwischenkreiskondensator der Synchronmaschine zum Speichern der elektrischen Energie zu nutzen. Die Situation nach Schritt a) kann als Load-Dump Fall bezeichnet werden. In dieser Situation wird insbesondere aufgrund einer Rekuperation elektrische Energie in dem Hochvolt-Leistungsmodul gewonnen, welche jedoch nicht in die Hochvolt-Batterie geleitet werden kann, da diese elektrisch von dem Rest des Hochvolt-Leistungsmoduls getrennt ist. In dieser Situation wird bevorzugt die Synchronmaschine kurzgeschlossen. Dies ist insbesondere deshalb möglich, da bei der Synchronmaschine deutlich geringere Kurzschlussströme beim Kurzschließen auftreten als im Vergleich zur Asynchronmaschine. Meistens weist die Synchronmaschine einen Zwischenkreiskondensator oder anderweitige Kapazitäten zur Speicherung elektrischer Energie auf. Durch das Kurzschließen der Synchronmaschine können vorhandenen Energiespeicherkapazitäten in der Synchronmaschine sinnvoll zum Speichern der von der Asynchronmaschine erzeugten elektrischen Energie genau dann sinnvoll genutzt werden. Depending on the comparison, in step c), the synchronous machine is switched to a short-circuit operation. In the short-circuit operation, the synchronous machine is electrically short-circuited. The synchronous machine is switched to use a DC link capacitor of the synchronous machine for storing the electric power. The situation after step a) can be called a load-dump case. In this situation, especially due to recuperation, electrical energy is gained in the high-voltage power module, which, however, can not be conducted into the high-voltage battery because it is electrically isolated from the remainder of the high-voltage power module. In this situation, the synchronous machine is preferably short-circuited. This is particularly possible because in the synchronous machine significantly lower short-circuit currents occur during short-circuiting compared to the asynchronous machine. In most cases, the synchronous machine has an intermediate circuit capacitor or other capacity for storing electrical energy. By short-circuiting the synchronous machine, existing energy storage capacities in the synchronous machine can be usefully used to save the electrical energy generated by the asynchronous machine.
Da im Load-Dump Fall in der Regel die Asynchronmaschine eine höhere Rekuperationsleistung erzeugt, ist es sinnvoll, die Synchronmaschine kurzzuschließen, um so vorhandene Energiespeichermöglichkeiten sinnvoll zu nutzen. Auf diese Weise kann auch im Load-Dump Fall die von der Asynchronmaschine erzeugte elektrische Energie gespeichert werden.Since the asynchronous machine generally generates a higher recuperation power in the load-dump case, it makes sense to short-circuit the synchronous machine in order to meaningfully use existing energy storage options. In this way, the electrical energy generated by the asynchronous machine can also be stored in the load-dump case.
Die Erfindung stellt auch ein Hochvolt-Leistungsmodul zum Speichern elektrischer Energie bereit. Das Hochvolt-Leistungsmodul weist eine Hochvolt-Batterie auf, welche von dem Hochvolt-Leistungsmodul elektrisch trennbar ist. Zu dem Hochvolt-Leistungsmodul gehören ferner eine Asynchronmaschine und eine Synchronmaschine, die einen Zwischenkreiskondensator aufweist. Das Hochvolt-Leistungsmodul weist ferner eine Kurzschlusseinheit auf, die ausgestaltet ist, einen Wert eines vorgegebenen Parameters des Hochvolt-Leistungsmoduls in einem Zustand zu erfassen, in welchem die Hochvolt-Batterie elektrisch von dem Hochvolt-Leistungsmodul getrennt ist, und diesen Wert mit einem vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen. Ferner ist die Kurzschlusseinheit dazu ausgestaltet, die Synchronmaschine in Abhängigkeit von dem Vergleichen in einen Kurzschlussbetrieb umzuschalten, indem die Synchronmaschine kurzgeschlossen ist, um den Zwischenkreiskondensator der Synchronmaschine zum Speichern der elektrischen Energie zu nutzen.The invention also provides a high voltage power module for storing electrical energy. The high-voltage power module has a high-voltage battery, which is electrically separable from the high-voltage power module. The high-voltage power module further includes an asynchronous machine and a synchronous machine having an intermediate circuit capacitor. The high-voltage power module further includes a short-circuit unit configured to detect a value of a predetermined parameter of the high-voltage power module in a state where the high-voltage battery is electrically disconnected from the high-voltage power module, and that value to a predetermined one Threshold to compare. Further, the short-circuit unit is configured to switch the synchronous machine to short-circuit operation depending on the comparison by short-circuiting the synchronous machine to use the DC link capacitor of the synchronous machine to store the electric power.
Mithilfe dieses Hochvolt-Leistungsmoduls kann nicht nur elektrische Energie gespeichert werden, vielmehr können zugleich auftretende elektrische Spannungsspitzen gedämpft beziehungsweise geglättet werden. Die in dem Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile und Beispiele gelten sinngemäß und analog für das erfindungsgemäße Hochvolt-Leistungsmodul und umgekehrt.Using this high-voltage power module not only electrical energy can be stored, but also occurring electrical voltage peaks can be attenuated or smoothed. The advantages and examples described in connection with the method apply mutatis mutandis and analogously for the high-voltage power module according to the invention and vice versa.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Fig. sowie die dazugehörige Beschreibung lediglich darstellen sollen, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. Die in der Figurenbeschreibung genannten Beispiele und Merkmale sind nicht als Einschränkungen zu verstehen.The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the figures and the accompanying description are merely intended to illustrate how the invention can be carried out. The examples and features mentioned in the description of the figures are not to be understood as limitations.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Dabei zeigt:
-
1 schematisch ein Hochvolt-Leistungsmodul, welches mehrere Komponenten aufweist; -
2 beispielhaft eine Situation, welche einem Load-Dump Fall entspricht; -
3 eine schematische Darstellung von Parametern für eine Kurzschlusseinheit.
-
1 schematically a high-voltage power module having a plurality of components; -
2 exemplarily a situation which corresponds to a load-dump case; -
3 a schematic representation of parameters for a short-circuiting unit.
Die Situation in
Dieser aktive Kurzschluss
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass nach dem elektrischen Trennen der Hochvolt-Batterie
Die Transistoren des Hochvoltbordnetzes, hier beispielsweise IGBTs, werden von einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung, kurz PWM, in den offenen Zustand überführt bzw. kommandiert. Die Zeitdauer zwischen Verletzung der Spannungsgrenze und einem Öffnen der Transistoren, d.h. der IGBTs, liegt im Mikro-Sekunden-Bereich (µs-Bereich). Sobald die Transistoren bzw. IGBTs geöffnet sind, wird die Rekuperationsleistung sofort begrenzt. Die Restenergie in den Motorwicklungen, insbesondere in den Spulen, führt zu einer weiteren Erhöhung der Zwischenkreisspannung. Im ungünstigen Fall kann somit die Höhe der Zwischenkreisspannung
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass bei einem Dreiphasenwechselstrom für die Synchronmaschine
Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt bei einem Bremsbetrieb des Fahrzeugs Anwendung. Dies bedeutet, dass insbesondere die Hochvolt-Batterie
Bei der Synchronmaschine
Wie
Wird beispielsweise bezogen auf die Hinterachse die vorgegebene Schwelle für die Spannung zum Umschalten sehr gering gewählt, beispielsweise z.B. 430 Volt, so wird ab 430 Volt der aktive Kurzschluss
Dies bedeutet, dass mithilfe des gezielten Einleitens des aktiven Kurzschlusses
Der aktive Kurzschluss wird insbesondere mittels einer Kurzschlusseinheit
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Hochvolt-BatterieHigh-voltage battery
- 1212
- Motorinvertermotor inverter
- 1414
- HochvoltschützeHigh-voltage contactors
- 1616
- ZwischenkreiskondensatorLink capacitor
- 1818
- ZwischenkreisDC
- 5050
- Hochvolt-LeistungsmodulHigh voltage power module
- AKSAKS
- aktiver Kurzschlussactive short circuit
- ASMASM
- Asynchronmaschineasynchronous
- 11, 12, 1311, 12, 13
- Stromflüsse im Hochvolt-LeistungsmodulCurrent flows in the high-voltage power module
- KZEKZE
- KurzschlusseinheitShort-circuit unit
- MRKMRK
- Rekuperationsmomentrecuperation
- PRKPRK
- RekuperationsleistungRekuperationsleistung
- PSMPSM
- Synchronmaschinesynchronous machine
- SOCSOC
- LadezustandSOC
- TT
- Temperaturtemperature
- U, V, WAND MANY MORE
- Phasen des DreiphasenwechselstromsPhases of the three-phase alternating current
- UZKUDC
- Spannung im Hochvolt-LeistungsmodulVoltage in the high-voltage power module
- IAKIAK
- KurzschlussstromShort circuit current
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102018000870 A1 [0004]DE 102018000870 A1 [0004]
- DE 102009049623 A1 [0005]DE 102009049623 A1 [0005]
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DE102022128275A1 (en) | 2022-10-25 | 2024-04-25 | Elringklinger Ag | Control method for a HV contactor in a battery storage system and control device for its implementation |
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DE102022128275A1 (en) | 2022-10-25 | 2024-04-25 | Elringklinger Ag | Control method for a HV contactor in a battery storage system and control device for its implementation |
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