DE102019210926A1

DE102019210926A1 - Verfahren und Steuergerät zum Kurzschließen von zumindest zwei Phasen einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102019210926A1
Application number: DE102019210926.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Lengenfelder; Thomas Wolf
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2021-01-28

Abstract

Es wird ein Verfahren (400) zum Kurzschließen von zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) einer elektrischen Maschine (110) eines Fahrzeugs (100) vorgestellt, wobei die elektrische Maschine (110) mittels eines Wechselrichter (120) mit Energie aus einem Energiespeicher (130) versorgbar und/oder wobei der Energiespeicher (130) mittels eines Wechselrichter (120) mit Energie aus der elektrische Maschine (110) versorgbar ist, wobei ein erster Pol (135) des Energiespeichers (130) mittels je eines Schalters (S1, S2, S3) des Wechselrichters (120) mit einer der Phasen (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (110) elektrisch leitfähig verbindbar ist und wobei ein zweiter Pol (135, 140) des Energiespeichers (130) mittels je eines Schalters (S4, S5, S6) des Wechselrichters (120) mit einer der Phasen (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (110) elektrisch leitfähig verbindbar ist. Das Verfahren (400) umfasst einen Schritt des Prüfens (410), ob ein Schalter (S1) des Wechselrichters (120) zu dem ersten Pol (135) des Energiespeichers (130) fehlerhaft ist, um einen defekten Schalter (S1) des Wechselrichters (120) zu erkennen. Ferner umfasst das Verfahren (400) einen Schritt des Verwendens (420) des defekten Schalters (S1), um die zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (110) kurzzuschließen oder Verwenden eines nicht-defekten Schalters des Wechselrichters (120), um die zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (110) kurzzuschließen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Steuergerät zum Kurzschließen von zumindest zwei Phasen einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs gemäß den Hauptansprüchen.
Bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb kommen immer wieder Szenarien vor, bei denen das Fahrzeug externen bewegt wird, beispielsweise bei einem Abschleppen oder bei einem Anschieben. In diesen Situationen wird oftmals der Elektromotor als elektrische Maschine bewegt und wirkt hierbei als Generator, welcher elektrische Energie erzeugt und diese auf entsprechenden Leitungen zurück zum Energiespeicher überträgt. Meist werden in diesem Zusammenhang dreiphasige elektrische Maschinen verwendet, die als Antriebsmotor der Fahrzeuge eingesetzt werden. Um nun zu vermeiden, dass eine zu hohe Spannung auf diesen Phasen der elektrischen Maschine generiert wird, sollten Vorkehrungen getroffen werden, um die durch die elektrische Maschine generierte elektrische Energie gezielt abbauen zu können. Tritt jedoch beispielsweise ein Fehler in einem Schalter eines Wechselrichters auf, der zur Übertragung von elektrischer Energie vom Energiespeicher zur elektrischen Maschine bzw. in umgekehrter Richtung verwendet wird, kann unter Umständen ein sehr gefährliches Szenario eintreten, bei dem eine Überhitzung von Komponenten und/oder das Generieren von Überspannungen dieses Wechselrichters und/oder der elektrischen Maschine durch einen unbeabsichtigten Kurzschluss auftritt.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes Steuergerät zum Kurzschließen von zumindest zwei Phasen einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird daher gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Kurzschließen von zumindest zwei Phasen einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs vorgestellt, wobei die elektrische Maschine mittels eines Wechselrichter mit Energie aus einem Energiespeicher versorgbar und/oder wobei der Energiespeicher mittels eines Wechselrichter mit Energie aus der elektrische Maschine versorgbar ist, wobei ein erster Pol des Energiespeichers mittels je eines Schalters des Wechselrichters mit einer der Phasen der elektrischen Maschine elektrisch leitfähig verbindbar oder verbunden ist und wobei ein zweiter Pol des Energiespeichers mittels je eines Schalters des Wechselrichters mit einer der Phasen der elektrischen Maschine elektrisch leitfähig verbindbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Prüfen, ob ein Schalter des Wechselrichters zu dem ersten Pol des Energiespeichers fehlerhaft ist, um einen defekten Schalter des Wechselrichters zu erkennen; und
- Verwenden des defekten Schalters, um die zumindest zwei Phasen der elektrischen Maschine kurzzuschließen oder Verwenden eines nicht-defekten Schalters des Wechselrichters, um die zumindest zwei Phasen der elektrischen Maschine kurzzuschließen.

Unter einem Wechselrichter kann vorliegend beispielsweise ein elektronisches oder elektrisches Bauelement verstanden werden, welches die einzelnen Phasen der elektrischen Maschine zeitweise mit dem ersten Pol oder dem zweiten Pol des Energiespeichers verbindet. Der Energiespeicher kann hierbei ein elektrochemischer Energiespeicher wie ein Akkumulator sein oder auch ein Zwischenkreis, der beispielsweise eine Kapazität umfasst, die durch einen solchen elektrochemischer Energiespeicher mit elektrischer Energie geladen wird. Der Wechselrichter kann jedoch auch ausgebildet sein, um bei einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine elektrische Energie in den Energiespeicher zu laden, sodass der Wechselrichter in einem solchen Betriebsmodus auch als Gleichrichter arbeiten kann. In diesem Fall ist eine besonders günstige Ansteuerung der Schalter zu verwenden, sodass die Schalter die betreffenden Phasen dann mit den jeweiligen Polen des Energiespeichers elektrisch leitfähig verbinden, wenn an der Phase ein Spannung anliegt, die beispielsweise ein Vorzeichen derjenigen Spannung an dem jeweiligen Pol aufweist, der durch den betreffenden Schalter mit dieser Phase verbunden ist. Unter einem Schalter kann beispielsweise ein elektrisches oder elektronisches Bauelement wie ein Leistungshalbleiterbauelement verstanden werden, welches in der Lage ist, elektrische Energien von beispielsweise mehreren 100 Volt Spannung oder mehreren Ampere Stromstärke von dem entsprechenden Pol des Energiespeichers in die betreffende Phase einleiten zu können. Unter einem Prüfen, ob ein Schalter des Wechselrichters fehlerhaft ist, kann beispielsweise ein Prüfen verstanden werden, ob der Schalter durch eine Beschädigung dauerhaft kurz geschlossen oder zumindest niederohmig ist, beispielsweise nicht mehr als 100 Ohm aufweist. Hierdurch kann erkannt werden, ob beispielsweise durch vorangegangene Herstellungsfehler oder Betriebsschäden dieses Schalters der Schalter nicht mehr funktionsfähig „geöffnet“ werden kann, sodass er fehlerbedingt als dauerhaft geschlossen zu betrachten ist. Dieses Prüfen kann im normalen, also bestimmungsgemäßen Betrieb eines Steuergeräts oder Mikrocontrollers durch dieses (Wechselrichter-) Steuergerät erfolgen, wenn dieses Steuergerät die Schalter des Wechselrichters zur Generierung der Wechselspannung ansteuert. Denkbar ist jedoch auch, dass das Steuergerät als ein separates Prüfsteuergerät ausgebildet ist, das einen Defekt in zumindest einem der Schalter erkennt, wenn lediglich eine Spannung (beispielsweise eine kleine Prüfspannung von 48 V oder auch der normalen für den Traktionsantrieb verwendeten Hochvolt-Spannung) an den betreffenden Schalter angelegt ist. Hierdurch kann dann beispielsweise auch vor einer eigentlichen Inbetriebnahme des Wechselrichters (als beispielsweise beim Hochlaufen des Wechselrichter-Steuergeräts) zur Generierung von Wechselspannung ein Defekt in dem betreffenden Schalter erkannt werden und dieser Schalter für die Verwendung oder Nicht-Verwendung im aktiv zu schaltenden Kurzschluss vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein solches Prüfsteuergerät dann auch bei einem Reset des (Wechselrichter-) Steuergeräts verwendet werden, wenn die aktive Wechselrichter-Funktion durch das (Wechselrichter-) Steuergerät nicht verfügbar ist. Auf diese Weise lässt sich dann durch das (Prüf-)Steuergerät eine Erkennung von zumindest einem Schalter ermöglichen, die dann bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Schalter des Wechselrichters in der Wechselrichter-Funktion für die Schaltung des aktiven Kurzschlusses genutzt werden kann.
Unter einem einem Verwenden des Schalters kann ein Ansteuern wie beispielsweise ein Schließen oder Niederohmig-Schalten des Schalters verstanden werden.
Günstigerweise sollten die Schalter auch auf einen Defekt hin überprüft werden, durch den sie dauerhaft geöffnet sind. In diesem Fall ließen sich die betreffenden Schalter nicht schließen, was zur Folge hätte, dass für einen gezielten Kurzschluss zur Verbindung von zwei Phasen ein anderer Schalter verwendet werden müsste, da durch einen permanent-offenen Schalter kein Kurzschluss eingeleitet oder aufrechterhalten werden kann. In diesem Fall sollte dann ein oder mehrere Schalter zu einem anderen Pol für einen Kurzschluss verwendet werden. Wird beispielsweise erkannt, dass ein Schalter zu einem ersten der Pole einen Permanent-offen-Defekt aufweist, sollte der Schalter der betreffenden Phase zu dem anderen Pol (zusammen natürlich mit einem Schalter einer weiteren Phase zu diesem Pol) verwendet werden, um den Kurzschluss zu bewirken. In diesem Fall sollten dann somit zumindest der nicht-defekte Schalter des Wechselrichters (also der Schalter, der nicht geschlossen, also permanent offen ist) verwendet werden, die zumindest zwei Phasen der elektrischen Maschine kurzzuschließen.
Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass ein solcher als fehlerhaft oder defekt erkannter Schalter dennoch zum Kurzschließen zwischen zwei Phasen der elektrischen Maschine verwendet werden kann, um eine zu hohe Spannung bzw. eine zu hohe Energie aus der elektrischen Maschine abbauen zu können. In einem solchen Fall des Kurzschließens ist der Defekt nämlich nicht relevant, da der betreffende Schalter für das Kurzschließen sowieso geschlossen sein sollte, um die Spannung an der betreffenden Phase, mit der der defekte Schalter verbunden ist, mit einer anderen Phase kurzzuschließen und hierdurch die von der elektrischen Maschine in der betreffenden Phase erzeugte Energie abzubauen. Wird dagegen dieser defekte Schalter nicht zum Kurzschließen von zumindest zwei Phasen der elektrischen Maschine verwendet, kann beispielsweise ein ungünstiger Schaltzustand auftreten, in dem sowohl der defekte Schalter (der funktionell als „geschlossen“ zu betrachten ist) als auch derjenige Schalter, der die mit dem defekten Schalter verbundene Phase mit dem zweiten Pol kurzschließt, geschlossen wird, sodass der erste Pol des Energiespeichers über den defekten Schalter als auch den weiteren Schalter mit dem zweiten Pol des Energiespeichers kurzgeschlossen ist, was zu einem Kurzschluss der beiden Pole des Energiespeichers führt und aufgrund des zu erwartenden sehr hohen Stromflusses eine erhebliche Brandgefahr des Fahrzeugs bewirkt. Wird nun jedoch der defekte Schalter zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen verwendet, kann die Wahrscheinlichkeit eines solchen unbeabsichtigten Szenarios des Kurzschlusses zwischen den Polen des Energiespeichers reduziert werden, da in diesem Fall bereits eine unkritischere Vorauswahl für die auszuwählenden Schalter zur Erreichung des Kurzschluss zwischen den zwei Phasen festgelegt wird.
Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Verwendens die Schalter zu dem ersten Pol oder die Schalter zu dem zweiten Pol des Energiespeichers geschlossen werden, um die elektrische Maschine oder Phasen der elektrischen Maschine kurzzuschließen. Dies bedeutet zum Beispiel, dass im Schritt des Verwendens neben dem defekten Schalter alle anderen Schalter der Phasen zum ersten Pol geschlossen werden. Alternativ können auch mehrerer Schalter der Phasen zum zweiten Pol geschlossen werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch das aktive Ansteuern eines Schließens der Schalter, von denen beispielsweise einer der defekte Schalter ist, einen parallelen und somit schnellen und effizienten Abbau der von der elektrischen Maschine unbeabsichtigt generierten Energie über den Kurzschluss zwischen zwei oder mehr Phasen der elektrischen Maschine bewirken zu können.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform im Schritt des Prüfens ein Schalter als fehlerhaft erkannt werden, wenn der Schalter einen den betreffenden Pol mit der entsprechenden Phase kurzschließt und/oder den betreffenden Pol zumindest niederohmig mit der entsprechenden Phase verbindet. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, den Fehler des Schalters als einen permanenten Kurzschluss zu identifizieren, sodass dieser „Fehler“ sich unkritisch für den hier angedachten Anwendungsfall des aktiven Abbaus von elektrischer Energie in der elektrischen Maschine vorteilhaft eingesetzt werden kann.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes ein Schritt des Sperrens desjenigen Schalters vorgesehen sein, durch den der zweiten Pol des Energiespeichers mit Phase verbindbar oder verbunden ist, die durch den defekten Schalter mit dem ersten Pol verbunden oder verbindbar ist. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, durch das Sperren desjenigen Schalters, der die mit dem defekten Schalter verbundene Phase mit dem zweiten Pol verbindet gerade einen Schaltungszustand zu vermeiden, bei dem der erste Pol mit dem zweiten Pol des elektrischen Energiespeichers kurzgeschlossen ist. Eine solche Ausführungsform bietet daher den Vorteil, eine mögliche Brandgefahr durch eine aufgrund des Kurzschlussstroms zu starke Belastung der beteiligten Schalter möglich zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.
Günstig ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Prüfens ferner eine Temperatur zumindest des Wechselrichters und/oder eines der Schalter überprüft wird, wobei im Schritt des Verwendens der defekte Schalter und/oder weitere Schalter nicht zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen verwendet wird, wenn die Temperatur größer als ein Temperaturschwellwert ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Überhitzung des Wechselrichters bzw. der Schalter, der zusammen mit den defekten Schalter zum kurzschließen der zumindest zwei Phasen der elektrischen Maschine verwendet wird, vermieden oder zumindest reduziert werden kann. Auch kann beispielsweise ein betreffender Schalter geöffnet werden, wenn die Temperatur größer als der Temperaturschwellenwert ist. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Ansteigen der Temperatur überwacht werden, sodass nach einem Erreichen dieser Temperatur des Wechselrichters und/oder eines der Schalter über den Temperaturschwellwert der Kurzschluss wieder abgebrochen wird, sodass Zeit zur Abkühlung des Wechselrichters bzw. des betreffenden Schalters besteht und somit die gewünschte Funktion des Wechselrichters möglichst lange erhalten bleibt. Denkbar ist auch eine Ausführungsform, bei der nach einem Erkennen einer Überschreitung der Temperatur eines Schalters über den Temperaturschwellwert dieser Schalter geöffnet wird und ein Schalter geschlossen wird, der den anderen Pol mit der Phase verbindet, an der auch der Schalter mit der über dem Temperaturschwellwert liegenden Temperatur angeschlossen ist. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein Wechsel der Kurzschlussseite erfolgt, also ein Wechsel der geschlossenen Schalter, die jeweils den anderen Pol mit einer der Phasen verbinden, an der auch der Schalter mit der zu hohen Temperatur angeschlossen ist. Gegebenenfalls kann beispielsweise auch ein zyklisches Wechseln der geschlossenen Schalter angesteuert werden, sodass beispielsweise die betreffenden Phasen alternierend in einem ersten Schaltzyklus mit dem ersten Pol verbunden werden und in einem zweiten Schaltzyklus mit dem zweiten Pol verbunden werden.
Besonders vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Prüfens ferner erkannt wird, dass die Temperatur des Wechselrichters und/oder eines der Schalter nach einem Überschreiten des Temperaturschwellwerts den Temperaturschwellwert wieder unterschritten hat, wobei im Schritt des Verwendens der defekte Schalter wieder zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen verwendet wird, wenn die Temperatur wieder niedriger als der Temperaturschwellwert ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch ein wiederholtes Kurzschließen der zumindest zwei Phasen der elektrischen Maschine mit beispielsweise dazwischenliegenden Intervallen des Nicht-Kurzschließens einen Abbau von (beispielsweise unbeabsichtigt) erzeugter elektrischer Energie vornehmen zu können, wobei jedoch elektronische oder elektrische Komponenten des Wechselrichters bzw. die Schalter thermisch nicht überlastet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes kann im Schritt des Prüfens eine Spannung an zumindest einer Phase der elektrischen Maschine erfasst werden, wobei im Schritt des Verwendens der defekte Schalter nicht zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen verwendet wird, wenn die Spannung nicht größer als ein Spannungsschwellwert ist und/oder wobei im Schritt des Verwendens der defekte Schalter zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen verwendet wird, wenn die Spannung größer als der Spannungsschwellwert ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, den Kurzschluss zwischen den zwei Phasen der elektrischen Maschine durch die Ansteuerung der betreffenden Schalter dann zu aktivieren, wenn beispielsweise die Spannung zwischen den zwei Phasen und/oder eine Spannung zwischen einer der Phase und einem Sternpunkt der Phasen der elektrischen Maschine größer als der Spannungsschwellwert ist oder wird, sodass die Gefahr einer Beschädigung der Schalter oder anderer Komponenten der elektrischen Maschine oder des Wechselrichters besteht. Auf diese Weise lässt sich der Kurzschluss vor allem dann einsetzen, wenn tatsächlich Gefahr für Komponenten des hier vorgestellten Systems besteht, jedoch kann der Kurzschluss und damit eine Belastung von Komponenten des Wechselrichters oder vermieden werden, wenn die Spannung durch die von der elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie unkritisch für die Komponenten des hier vorgestellten Systems ist.
Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der die an zumindest einer Phase der elektrischen Maschine erfasste Spannung nach einem Überschreiten des Spannungsschwellwerts den Spannungsschwellwert wieder unterschritten hat, wobei im Schritt des Verwendens der defekte Schalter nicht zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen verwendet wird, wenn die Spannung wieder niedriger als der Spannungsschwellwert ist und/oder wobei im Schritt des Verwendens der defekte Schalter wieder zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen verwendet wird, wenn die Spannung wieder größer als der Spannungsschwellwert ist. Durch ein solches wiederholtes Kurzschließen mit beispielsweise dazwischenliegenden Intervallen des Nicht-Kurzschließens bietet ebenfalls den Vorteil, die Komponenten des hier vorgestellten Systems zu entlasten, beispielsweise auch hinsichtlich ihrer thermischen Belastung, um hierdurch die Funktionsfähigkeit der Schalter, des Wechselrichters und/oder der elektrischen Maschine bzw. des Energiespeichers möglichst lange gewährleisten zu können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes können im Schritt des Verwendens zwei Schalter verwendet werden, die den zweiten Pol des Energiespeichers mit denjenigen Phasen verbinden, die nicht mit dem defekten Schalter verbunden sind. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, auch Schalter zu verwenden, die betreffende Phasen mit dem zweiten Pol verbinden, sodass auch Energie durch einen Stromfluss über den zweiten Pol abgebaut werden kann. Auf diese Weise können die Schalter entlastet werden, die betreffende Phasen mit dem ersten Pol verbinden, sodass beispielsweise diese Schalter zum ersten Pol wieder abkühlen können. Auf diese Weise lässt sich eine deutlich größere Menge von erzeugter elektrischer Energie abbauen, als wenn lediglich Schalter zwischen den betreffenden Phasen und dem ersten Pol verwendet werden. Zu beachten ist jedoch, dass derjenige Schalter nicht geschlossen werden sollte, der die mit dem defekt den Schalter verbundene Phase mit dem zweiten Pol verbindet, da anderenfalls ein Zustand erreicht werden könnte, bei dem der erste Pol mit dem zweiten Pol des Energiespeichers kurz geschlossen ist und hierdurch, wie vorstehend dargelegt wurde, eine erhöhte Brandgefahr besteht.
Besonders effizient ausführbar oder umsetzbar ist eine Ausführungsform des hier Ansatzes, bei der im Schritt des Verwendens als Schalter zumindest ein Leistungshalbleiterelement angesteuert wird. Eine solche Ausführungsform ermöglicht einerseits eine sehr schnelle Ansteuerung der Schalter als auch die Verwendung von bereits ausgereiften Technologien zu Implementierung der Schalter, sodass eine sehr sichere und kostengünstige Möglichkeit des Energieabbaus aus Phasen der elektrischen Maschine sichergestellt werden kann.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Schritt des Prüfens vor einer Inbetriebnahme und/oder in einem Reset-Modus des Wechselrichters erfolgen. hierdurch kann auch unabhängig von einem Normalbetrieb des Wechselrichters, d. h., einem Betrieb des Wechselrichters zur Generierung der Wechselspannung aus der von dem Energiespeicher gelieferten Energie die Prüfung der Funktionsfähigkeit der Schalter erfolgen. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn ein solches Verfahren in einem Prüfsteuergerät implementiert ist, welches unabhängig von einem als Mikrocontroller implementierten Steuergerät des Wechselrichters arbeitet. Alternativ oder zusätzlich kann im Schritt des Verwendens der defekte Schalter oder der nicht-defekte Schalter abhängig von einer Temperatur des betreffenden Schalters, einer Spannung an dem betreffenden Schalter und/oder einem erkannten Defekt an dem betreffenden Schalter automatisch und unabhängig zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen der elektrischen Maschine verwendet werden. Auf diese Weise kann eine sehr schnelle Reaktion der Einleitung des automatischen Kurzschlusses auf einen erkannten Fehler oder Defekt in einem der Schalter reagiert werden sodass keine Beschädigungen von Komponenten des Wechselrichters, der elektrischen Maschine oder des Energiespeichers bewirkt werden.
Der hier vorgestellte Ansatz kann neben einer Umsetzung als Verfahren auch in einer besonders günstigen Ausführungsform als Steuergerät implementiert sein, das eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch die optimale Auswahl und Ansteuerung der betreffenden Schalter ein Risiko eines Brandes des Wechselrichters und somit des Fahrzeugs möglichst gering zu halten und eine langfristige Funktionsfähigkeit der Komponenten des Wechselrichters, der elektrischen Maschine und/oder des Energiespeichers zu ermöglichen.
Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei dem das Steuergerät in einem integrierten Schaltkreis integriert ist, der mit einer Spannung von zumindest 48 V, insbesondere von mehr als 100 V betreibbar ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, das Steuergerät in einem entsprechenden Hochvolt-IC, beispielsweise zusammen mit den Schaltern, anordnen zu können, sodass eine Schaltungseinheit zur Verwendung in einem Wechselrichter oder als Wechselrichter möglich ist, bei der die entsprechenden Komponenten kompakt in einer Einheit vorgesehen oder implementiert sind. Auf diese Weise kann durch die integrierte Bauform des Steuergeräts zusammen mit den Schaltern eine Absicherung der Funktionsfähigkeit des Wechselrichters bereits berücksichtigt werden, ohne dass ein separates Steuergerät oder ein entsprechendes Modul in einem bereits vorhandenen Steuergerät für die Funktionalität gemäß dem hier vorgestellten Ansatzes vorzusehen ist.
Ein Steuergerät kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das mittels einer elektrischen Maschine angetrieben werden soll samt einem Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2A eine schematische Darstellung einer ersten Stellung der Schalter des Wechselrichters;
2B eine schematische Darstellung einer zweiten Stellung der Schalter des Wechselrichters;
2C eine schematische Darstellung einer dritten Stellung der Schalter des Wechselrichters;
3A ein Diagramm, in welchem ein exemplarischer Verlauf der Temperatur eines der Schalter wiedergegeben ist;
3B ein Diagramm, in welchem ein exemplarischer Verlauf einer Spannung zwischen zwei der Phasen oder zwischen einer Phase und einem Sternpunkt über die Zeit dargestellt ist;
3C ein weiteres Diagramm, in welchem ein exemplarischer Verlauf einer Spannung zwischen zwei der Phasen oder zwischen einer Phase und einem Sternpunkt oder zwischen zwei Polen des Energiespeichers über die Zeit t dargestellt ist;
4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren zum Kurzschließen von zumindest zwei Phasen einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs; und
5 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des eines hier vorgestellten Ansatzes als Steuergerät.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100, das mittels einer elektrischen Maschine 110 angetrieben werden soll. Die elektrische Maschine 110 kann hierbei eine dreiphasige elektrische Maschine sein, der elektrische Energie auf einer ersten Phase P1, einer zweiten Phase P2 und einer dritten Phase P3 von einem Wechselrichter 120 zugeführt wird, der nachfolgend noch näher spezifiziert oder beschrieben wird. Der Wechselrichter 120 ist ausgebildet, um elektrische Energie aus dem Energiespeicher 130 zu entnehmen und diese Energie auf die erste Phase P1, die zweite Phase P2 und/oder die dritte Phase P3 zu leiten. Hierzu ist der Wechselrichter mit einem ersten Pol 135 des Energiespeichers 130 und einem zweiten Pol 140 des Energiespeichers 130 verbunden, über welche der Wechselrichter 120 die elektrische Energie aus dem Energiespeicher 130 bezieht. Denkbar ist ferner, dass die Energiespeicher 130 einen Zwischenkreises 145 aufweist, der zur kurzfristigen Aufnahme oder Pufferung von elektrischer Energie aus beispielsweise einem elektrochemischen Teil 150 des Energiespeichers 130 (beispielsweise eines Akkumulators) ausgebildet ist, wobei die konkrete Auslegung dieses Zwischenkreises 145 für den im nachfolgenden vorgestellten Ansatz nicht weiter relevant ist. Mit dem hier vorgesehenen Ansatz kann beispielsweise auf eine Energieübertragung von der elektrischen Maschine 110 über den Wechselrichter 120 in den Energiespeicher 130 oder en Zwischenkreis 145 erfolgen. Auch für diesen Fall sollte sichergestellt sein, dass keine Beschädigung des Zwischenkreises 145 oder des Energiespeichers 130 durch beispielsweise eine zu hohe Spanung aus der elektrischen Maschine 110 erfolgt, sodass beispielsweise eine Brandgefahr für Komponenten des Fahrzeugs 100 auftreten kann. Denkbar ist in diesem Zusammenhang auch eine passive Rückspeisung, die durch Bodydioden der nachfolgend noch näher erläuterten Schalter im Freilauf des Wechselrichters 120 auftreten kann.
Um nun die elektrische Energie, die beispielsweise eine Spannung zwischen dem ersten Pol 135 und dem zweiten Pol 140 des Energiespeichers 130 bewirkt, auf die erste Phase P1, die zweite Phase P2 und/oder die dritte Phase P3 überführen zu können, werden Schalter S von einem Steuergerät 160 angesteuert (d. h. geöffnet oder geschlossen), um einen elektrischen Stromfluss auf der ersten Phase P1, der zweiten Phase P2 und/oder der dritten Phase P3, beispielsweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten, zu bewirken. Über den ersten Pol 135 und den zweiten Pol 140 wird hierbei meist eine Gleichspannung bereitgestellt, die durch den Wechselrichter 120 in eine dreiphasige Wechselspannung auf der ersten Phase P1, der zweiten Phase P2 und/oder der dritten Phase P3 überführt wird. Auf diese Weise kann der elektrischen Maschine 110 sehr effizient elektrische Energie zugeführt werden, mittels welcher das Fahrzeug 100 angetrieben werden kann.
Wird nun jedoch das Fahrzeug 100 extern bewegt, beispielsweise während eines Abschleppens oder eines Anschieben, wird von der elektrischen Maschine 110 eine elektrische Energie generiert, die über die erste Phase P1, die zweite Phase P2 und/oder die dritte Phase P3 an den Wechselrichter 120 übertragen wird. In diesem Fall ist jedoch die von der elektrischen Maschine 110 generierte elektrische Energie unbeabsichtigt generiert, sodass möglicherweise bei einem Vorliegen von bestimmten Schalterstellungen der Schalter S Beschädigungen von Komponenten des Wechselrichters 120, des Energiespeichers 130 und/oder der elektrischen Maschine 110 resultieren können. Insbesondere dann, wenn alle Schalter S des Wechselrichters 120 geöffnet sind, könnte die Spannung auf der ersten Phase P1, der zweiten Phase P2 und/oder der dritten Phase P3 derart ansteigen, dass eine Überspannung in diesen Phasen entsteht, welche zu Beschädigungen von Komponenten der elektrischen Maschine 110, des Energiespeichers 120 und/oder des Wechselrichters 120 führen. Zusätzlich sollte auch berücksichtigt werden, dass auch andere Komponenten des Fahrzeugs 100 bzw. des elektrischen Systems durch eine solche Überspannung beschädigt werden können, wie beispielsweise Leistungshalbleiter, Zwischenkreiskondensatoren oder Messeinheiten. Denkbar ist auch, dass ein oder mehrere Schalter S des Wechselrichters 120 defekt sind, sodass in einem ungünstigen Fall ein und gewünschter Kurzschluss im Wechselrichter 120 entsteht, der eine hohe thermische Belastung der Komponenten des Wechselrichters 120, der elektrischen Maschine 110 und/oder des Energiespeichers 130 bedingt, möglicherweise sogar zu einem Brand des Fahrzeugs 100 führt. Um einem solchen Szenario vorzubeugen, wird mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Möglichkeit vorgestellt, eine von der elektrischen Maschine 110 eine ungewünscht generierte elektrische Energie abzubauen und hierdurch die Funktionssicherheit und Unversehrtheit von Komponenten der elektrischen Maschine 110, des Wechselrichters 120 und/oder des Energiespeichers 130 möglichst optimal sicherzustellen.
2 zeigt in mehreren Teilfiguren Darstellungen von Schaltzuständen der Schalter S des Wechselrichters 120 aus 1, wobei die jeweiligen Schaltzustände durch das in der 1 dargestellte Steuergerät 160 angesteuert werden.
2A zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Stellung der Schalter S des Wechselrichters 120, die einer Wechselrichtersperre / einem Freilauf entspricht. Insbesondere ist hierbei aus der 2A erkennbar, dass zwischen dem ersten Pol 135, wie er auch in der 1 dargestellt ist, und der ersten Phase P1 ein erster Schalter S1 vorgesehen ist, zwischen dem ersten Pol 135 und der zweiten Phase P2 ein zweiter Schalter S2 vorgesehen ist und zwischen dem ersten Pol 135 und der dritten Phase P3 ein dritter Schalter S3 vorgesehen ist. Analog ist zwischen der ersten Phase P1 und dem zweiten Pol 140 ein vierter Schalter S4 vorgesehen, zwischen der zweiten Phase P2 und dem zweiten Pol 140 ein fünfter Schalter S5 vorgesehen und ein sechster Schalter S6 zwischen der dritten Phase P3 und dem zweiten Pol 140 vorgesehen. Beispielsweise kann der erste Pol 135 einen positiven Anschluss des Energiespeichers 130 aus 1 repräsentieren, wogegen der zweite Pol 140 einen negativen Anschluss des Energiespeichers 130 aus 1 oder einen Masseanschluss repräsentiert. Alle Schalter S1, S2, S3, S4, S5 und S6 sind hierbei in einem geöffneten Zustand dargestellt, sodass keine elektrische Energie, die über den ersten Pol 135 und den zweiten Pol 140 von dem in der 2A nicht dargestellten Energiespeicher bereitgestellt wird, in die erste Phase P1, die zweite Phase P2 und die dritte Phase P3 überführt wird. In diesem Schaltzustand, der einer Wechselrichtersperre entspricht, ist somit die elektrische Maschine 110 von dem ersten Pol 135 und dem zweiten Pol 140 elektrisch getrennt. Alternativ kann auch der Wechselrichter 120 zur Übertragung von elektrischer Energie aus der elektrischen Maschine 110 über den ersten Pol 135 und den zweiten Pol 140 in den Energiespeicher 130 verwendet werden. In diesem Fall sollte dann ebenfalls darauf geachtet werden, dass kein Kurzschluss zwischen dem ersten Pol 135 und dem zweiten Pol 140 des elektrischen Energiespeichers 130 durch die Schalterstellung der Schalter S1 bis S6 der Phasen P1 bis P3 der elektrischen Maschine 110 bewirkt wird.
Die Schalter S1 bis S6 können als Schalter in Leistungselektronik ausgestaltet sein, beispielsweise in der Form von MOSFET-Schaltern, IGBTs, Thyristoren oder dergleichen. Bei einer solchen Ausgestaltung kann es jedoch im Betrieb des Wechselrichters 120 vorkommen, dass einer der Schalter einen Defekt aufweist, beispielsweise durch eine thermische Überlastung oder dergleichen, sodass dieser Schalter nicht mehr gemäß einer Spezifikation schalten kann. In der 2A ist dies am Beispiel des ersten Schalters S1 in einer gestrichelten Linie dargestellt, wodurch symbolisiert wird, dass der Schalter S1 als durch den Defekt dauerhaft geschlossen oder niederohmig betrachtet werden kann und somit keine wirksame Entkopplung des ersten Puls 135 von der ersten Phase P1 mehr möglich ist.
Um nun die vorstehend einen Abbau von unerwünscht generierter elektrischer Energie auf einer der Phasen P1, P2 und/oder P3 vornehmen zu können, sollte nun ein Kurzschluss zwischen zumindest zwei der genannten Phasen P1 bis P3 vorgenommen werden, um diese in der elektrischen Maschine 110 generierte elektrische Energie mittels eines Kurzschluss des abbauen zu können. Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel kann nun beispielsweise der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 derart angesteuert werden, dass diese in einen geschlossenen Zustand gebracht werden, wobei der erste Schalter S1 durch den Defekt diesem Zustand bereits dauerhaft annimmt. Hierdurch lässt sich der Kurzschluss zwischen der ersten Phase P1 und der zweiten Phase P2 schalten, sodass zumindest ein Teil der von der elektrischen Maschine 110 generierten elektrische Energie durch den Kurzschluss der ersten Phase P1 mit der zweiten Phase P2 abgebaut werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch der dritte Schalter S3 derart angesteuert werden, dass er in einen geschlossenen Zustand gebracht wird, sodass nun nicht nur die erste Phase P1 und die zweite Phase P2 kurz geschlossen sind, sondern diese beiden Phasen auch mit der dritten Phase P3 kurz geschlossen sind. Auf diese Weise lässt sich ein schnellerer Abbau der von der elektrischen Maschine 110 generierten elektrischen Energie realisieren, wobei auch beispielsweise die Kurzschlussstromstärken durch die Parallelschaltung über die einzelnen Schalter S1 bis S3 kleiner gehalten werden können, als wenn lediglich die erste Phase P1 mit der zweiten Phase P2 kurz geschlossen ist. Auf diese Weise lässt sich eine thermische Belastung des ersten Schalters S1, des zweiten Schalters S2 und des dritten Schalters S3 möglichst niedrig halten, sodass weiterhin ein Ausfall oder Defekt auch des zweiten Schalters S2 und/oder des dritten Schalters S3 möglichst vermieden werden kann.
2B zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Stellung der Schalter S des Wechselrichters 120, die dem vorstehend beschriebenen Schaltzustand entspricht, wobei die drei Schalter S1 bis S3 zum ersten Pol 135 geschlossen sind, wogegen die drei Schalter S4 bis S6 geöffnet sind. Der Schalterzustand gemäß der 2B kann dabei als Kurzschluss der Schalter S1 bis S3 auf Hochvolt-Seite (Highside switch) verstanden werden.
Denkbar ist auch, dass ein Kurzschluss zwischen den Schaltern S5 und S6 zwischen der zweiten Phase B2 und der dritten Phase P3 und dem zweiten Pol 140 geschaltet wird, um mittels eines Kurzschlusses Energie abzubauen, die durch elektrische Maschine 110 ungewollt generiert wird, wie es nachfolgend in der 2 C noch näher dargestellt ist.
2C zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Stellung der Schalter S des Wechselrichters 120, wobei hier angemerkt wird, dass der vierte Schalter S4 geöffnet bleiben sollte, um einen Kurzschluss zwischen dem ersten Pol 135 dem zweiten Pol 140 über den defekten ersten Schalter S1 und einen ansonsten geschlossenen vierten Schalter S4 zu vermeiden. Ein solcher Kurzschluss würde eine erhebliche Kurzschlussstromstärke zur Folge haben, die mit großer Wahrscheinlichkeit neben einer weiteren Schädigung des ersten Schalters S1 auch eine Schädigung des vierten Schalters S4 nach sich ziehen dürfte. In einem ungünstigen Fall könnte die Stromstärke über den Kurzschluss durch die Schalter S1 und S4 dazu führen, dass der Wechselrichter bzw. das Fahrzeug 100 aus 1 insgesamt in Brand gerät und somit eine hohe Gefährdung für Fahrzeuginsassen dieses Fahrzeugs 100 darstellt. Wird dagegen lediglich der fünfte Schalter S5 und der sechste Schalter S6 geschlossen, kann hierdurch auch ein Abbau der von der elektrischen Maschine 110 ungewünscht generierten Energie durch den Kurzschluss der zweiten Phase P2 mit der dritten Phase P3 abgebaut werden. Das Schließen des fünften Schalters S5 und des sechsten Schalters S6 kann hierbei beispielsweise im Wechsel mit dem Schließen des ersten Schalters S1, des zweiten Schalters S2 und/oder des dritten Schalters S3 erfolgen, sodass ein kontinuierlicher Abbau der von der elektrischen Maschine 110 generierten elektrischen Energie über die erste Phase P1, die zweite Phase P2 und die dritte Phase P3 erreicht werden kann, auch wenn beispielsweise zur Abkühlung der erste Schalter S1, der zweite Schalter S2 und/oder der dritte Schalter S3 geöffnet werden oder sind, sodass die elektrische Energie durch den Kurzschluss über den fünften Schalter S5 und den sechsten Schalter S6 abgebaut werden kann. Umgekehrt kann auch ein Öffnen des fünften Schalters S5 und des sechsten Schalters S6 erfolgen, damit diese Schalter abkühlen können, während der erste Schalter S1, der zweite Schalter S2 und/oder der dritte Schalter S3 geschlossen sind, um den Kurzschluss zwischen der ersten Phase P1, der zweiten Phase P2 und/oder dritten Phase P3 zu realisieren. Gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz wird dabei insbesondere der erste Schalter S1, der als defekter oder fehlerhafter Schalter erkannt wurde, verwendet bzw. geschlossen, um den Kurzschluss zu realisieren, da in diesem Fall der Defekt oder Fehler des ersten Schalters S1 unkritisch ist, da dieser Schalter gerade zur Erreichung des Kurzschlusses zwischen zwei der Phasen P1 des P3 sowieso geschlossen werden soll.
Hierbei ist anzumerken, dass bei den in den 2A bis 2C dargestellten Schaltzuständen eine permanente Überwachung der Schalter gegeben ist, um eine entsprechende Reaktion einleiten zu können. Eine solche Rektion kann dann beispielsweise eine kurzfristige Öffnung eines der Schalter von einem Pol zu einer der Phasen sein, wenn erkannt wurde, dass ein als Kurzschluss wirkender Defekt in einem in der Brücke die Phase mit dem anderen Pol verbindenden Schalter aufgetreten ist bei gleichzeitigem Schließen des als defekt erkannten Schalters.
3A zeigt ein Diagramm, in welchem ein exemplarischer Verlauf der Temperatur eines der Schalter S wiedergegeben ist. In einer ersten Zeitspanne t₁ , die einem geschlossenen Zustand dieses Schalters S entspricht, steigt die Temperatur T an, bedingt durch den über den betreffenden Schalter S fließenden Kurzschlussstrom. Erreicht diese Temperatur T einen Temperaturschwellwert Ts kann beispielsweise dies dem Steuergerät 160 aus 1 übermittelt werden, sodass das Steuergerät 160 zur Vermeidung einer Beschädigung des betreffenden Schalters S diesen Schalter wieder öffnet, sodass in einer nachfolgenden zweiten Zeitspanne t₂ die Temperatur T wieder abnimmt. Wird dann beispielsweise erkannt, dass die Temperatur T einen Minimumwert T_M erreicht hat, kann diese ebenfalls dem Steuergerät 160 aus 1 übermittelt werden, sodass in einer dritten Zeitspanne t₃ der betreffende Schalter S wieder derart angesteuert wird, dass er in den geschlossenen Zustand gebracht wird, wodurch die Temperatur T aufgrund des über den betreffenden Schalter S wieder fließenden Kurzschlussstroms zunimmt. Ein solches Ansteuern des geöffneten oder geschlossenen Zustands des betreffenden Schalters S durch das Steuergerät 160 kann für jeden der Schalter S1, S2, S3, S4, S5 und/oder S6 separat vorgenommen werden, solange die Ansteuerung eines Kurzschlusses zwischen zwei der Phasen P1, P2 und/oder P3 ermöglicht wird. Auf diese Weise kann möglichst effizient sichergestellt werden, dass die Schalter S thermisch nicht über belastet werden und somit möglichst lange ihre Funktionsfähigkeit behalten.
3B zeigt ein Diagramm, in welchem ein exemplarischer Verlauf einer Spannung zwischen zwei der Phasen P1 bis P3 oder zwischen einer Phase und einem Sternpunkt über die Zeit t dargestellt ist. Beispielsweise kann eine solche Spannung ebenfalls dem in der 1 dargestellten Steuergerät 160 übermittelt werden, sodass das Steuergerät 160 die Schalter S1 bis S6 derart ansteuern kann, dass die Spannung eine Schwellenspannung Us nicht überschreitet. Beispielsweise kann zur Vermeidung von einer thermischen Belastung der in der 2A dargestellte Schaltzustand der Schalter S1 bis S6 in der Form einer Wechselrichtersperre durch das Steuergerät 160 angesteuert werden, auch wenn durch die elektrische Maschine 110 aus 1 elektrische Energie und gewünscht generiert wird und somit eine Spannung zwischen den Phasen P1 bis P3 bzw. einer der Phasen P1 bis P3 und dem Sternpunkt generiert wird, wie dies in einem ersten Zeitabschnitt t_A aus 3B ersichtlich ist. In diesem Fall steigt die Spannung U, da die Schalter S des Wechselrichters 120 geöffnet sind und somit die von der elektrischen Maschine bereitgestellte Energie nicht mittels eines Kurzschluss abgebaut wird. Erreicht die Spannung U jedoch die obere Schwellenspannung Uso kann zur Vermeidung von Beschädigungen von Komponenten des Wechselrichters 120 wie beispielsweise der Schalter S, der elektrischen Maschine 110 und/oder des Energiespeichers 130 aus 1 durch das Steuergerät 160 ein aktiver Kurzschluss AKS in einem folgenden zweiten Zeitabschnitt t_B angesteuert werden, beispielsweise in der Form des Ansteuerns des ersten Schalters S1 und des zweiten Schalters S2 in den geschlossenen Zustand, sodass die Spannung zwischen den Phasen P bzw. einer der Phase P und einem entsprechenden Sternpunkt wieder sinkt. Das Absinken der Spannung U kann in diesem Fall bis zur unteren Schwellenspannung U_Su erfolgen, die je nach Anwendungsszenario unterschiedliche Werte, gegebenenfalls auch den Wert 0 V annehmen kann. Hieran anschließend können beispielsweise in einem dritten Zeitabschnitt tc die Schalter S durch die das Steuergerät 160 aus 1 wieder in den geöffneten Zustand entsprechend den Zustand der Wechselrichtersperre geschaltet werden, sodass die Spannung U wieder ansteigt. Auf diese Weise lässt sich die unbeabsichtigt generierte Energie der elektrischen Maschine 100 nur in kurzen Zeitabschnitten abbauen, sodass ebenfalls eine thermische Überlastung von Komponenten des Wechselrichters 120, wie beispielsweise den Schalter S möglichst vermieden oder zumindest gering gehalten werden kann.
In Bezug auf die Funktionalität des Steuergeräts 160 kann ausgeführt werden, dass mehrere Funktionsblöcke in einem solchen Steuergerät 160. Ein Funktionsblock kann beispielsweise Funktionsblock sein, der einen automatischen Sicherheitszustand ermöglicht. Ein solcher Funktionsblock kann beispielsweise dann aktiviert sein, wenn ein Hauptmikrocontroller nicht aktiv ist, nicht korrekt arbeitet, sich in einer Startphase befinden oder aktuell einen Reset erhält. Kann beispielsweise einen Endtest des Steuergeräts sein und in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt sein. Wenn beispielsweise eine Spannung auf einer Phase überschritten wird, kann ein solcher Funktionsblock die Schalter derart, dass beispielsweise alle Schalter geöffnet sind und somit ein Zustand einer Wechselrichtersperre angesteuert wird. Wird beispielsweise erkannt, dass die Spannung einen zweiten Schwellenwert, der dem vorstehend genannten Spannungsschwellwert entspricht, überschreitet, kann dieser Funktionsblock automatisch einen Kurzschluss zwischen zumindest zwei Phasen gemäß der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise ansteuern, um einen sicheren Zustand des Wechselrichters zu erreichen und hierdurch eine Spannung an einer der Phase abzubauen. auch können die vorstehend genannten Schwellenwerte auf der Basis von Spannungshysterese-Schwellwerten geändert werden, beispielsweise abhängig von einer Temperatur in einem der Schalter, einem Temperaturanstieg in einem der Schalter oder weiteren Parametern. Dies bedeutet, dass der Spannungsschwellwert oder die Spannungsschwellenwerte zeitlich unterschiedlich oder veränderlich ausgestaltet sein.
Zusätzlich ist es möglich in dem Funktionsblock des Steuergeräts 160 eine Berücksichtigung der Temperatur in zumindest einem Schalter für die Ansteuerung des Schalters zum Öffnen oder Schließen zu verwenden, sodass beispielsweise ein abwechselndes Schließen von Schaltern zum ersten Pol oder zum zweiten Pol des Energiespeichers möglich ist, um einen Kurzschluss zwischen zwei der Phasen zu erreichen.
Um eine möglichst sichere Ausgestaltung der Funktionsfähigkeit zum Abbau von Energie der elektrischen Maschine sicherzustellen, sollte in einem vorausgegangenen internen Prüfzyklus überprüft werden, ob ein als Schalter verwendeter Leistungshalbleiterbaustein in dem Wechselrichter defekt ist, als in Bezug auf ein Sperrverhalten in einem niederohmigen Zustand ist. Für den Fall, dass in einem Prüfzyklus durch das Steuergerät 160 erkannt wird, dass einer der Schalter (zu dem ersten Pol oder zu dem zweiten Pol) einen solchen internen Kurzschluss aufweist, wird ein solcher Schalter aktiv zur Einstellung des Kurzschlusses verwendet, um ein unbeabsichtigtes Kurzschließen des ersten Punktes 135 des Energiespeichers mit dem zweiten Pol 140 des Energiespeichers durch ein Schließen desjenigen Schalters zu dem anderen Pol, hier dem zweiten Pol, zu vermeiden.
3C zeigt ein weiteres Diagramm, in welchem ein exemplarischer Verlauf einer Spannung zwischen zwei der Phasen P1 bis P3 oder zwischen einer Phase und einem Sternpunkt oder zwischen zwei Polen des Energiespeichers über die Zeit t dargestellt ist. Wird nun beispielsweise im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 110 eine Spannung U generiert, wie sie in dem Diagramm aus der 3C dargestellt ist, kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten to, t₁ , t₂ , t₃ , t4, ... ein konkreter Spannungswert abgetastet werden. Hierbei kann angenommen werden, dass zu den Zeitpunkten to und t₁ ein Normalbetrieb des Wechselrichters 120 vorliegt, jedoch zum Zeitpunkt t₁ ein Load-Dump-Event auftritt, bei dem ein Lastabfall an den Klemmen der betreffenden Phase der elektrischen Maschine 110 erfolgt, sodass innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls (bis zum Zeitpunkt t₂ ) die Spannung stark steigt, was zu einem hohen Steigungswert du/dt führt. Zum Zeitpunkt t₂ wird dann annahmegemäß eine Maximalspannung Umax überschritten zu dem eine Gefährdung von Komponenten des Wechselrichters 120 bzw. anderen Komponenten des hier dargestellten elektrischen Systems zu befürchten ist. In einem solchen Fall sollte sehr schnell ein automatischer Kurzschluss eingeleitet werden, um die zu hohe Spannung (d. h. die Spannung über Umax) abbauen zu können. Zu diesem Zweck wird zum dritten Zeitpunkt t₃ die AKS-Reaktion durch das die Schalter steuernde Steuergerät aktiviert, sodass ein Eigenverbrauch des Wechselrichters induziert wird, und die Spannung wieder fällt, was zum vierten Zeitpunkt t4 in einer Wechselrichtersperre bzw. in einem Freilauf des Wechselrichters bei einer U_max-Hystereseschwelle mündet. Durch den Load-Dump-Fall kann somit auch bei einem Überspannungseintritt ein automatischer Kurzschluss eingeleitet werden. Hierbei kann dann eine Erkennung der Schaltzustände der Schalter und/oder eine Defekterkennung erfolgen. Durch die entsprechende AKS-Reaktion des die Schalter steuernden Steuergeräts kann dann beispielsweise in einer sehr kurzen Zeit ein Wechsel des Schaltzustands der Schalter erfolgen, sodass dann beispielsweise die Phasen mit dem anderen Pol verbunden werden, als derjenige Pol, der durch den defekten Schalter mit der betreffenden Phase verbunden ist. Auf diese Weise kann auch verhindert werden, dass ein Brückenkurzschluss durch das Schließen von zwei Schaltern erfolgt, die eine Phase mit jeweils unterschiedlichen Polen verbindet.
Zusammenfassend ist anzumerken, das durch die Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes beispielsweise der primäre Gateansteuerpfad eines als Leistungshalleiterbauelement ausgelegten Schalters um einen zweiten, entkoppelten (sekundären) Gatesignalweg / Logikeinheit erweitert wird. Dieser sekundäre Ansteuerpfad zeichnet sich durch die Unabhängigkeit von der Mikrocontroller- und Steuereinheitsverfügbarkeit aus. Weiter bietet der hier vorgestellte Ansatz in einem Ausführungsbeispiel die Möglichkeit einer intelligenten und definierten Reaktion auf die Zustände der Leistungshalbleiter als Schalter in der Aktorendstufe. Der aktive Kurzschluss, der als ein sicherer Zustand des Aktors definiert ist, wird abhängig von der fehlerfreien Leistungshalbleiterverfügbarkeit in der Leistungsendstufe die Aktivierung der topologischen Halbleiterschalteranordnung vorgenommen. Dies stellt sicher, dass bei Beschädigung einer topologischen Anordnung (Highside- oder Lowside-Halbleiter) die Möglichkeit besteht, automatisch auf die gegenüberliegende Topologie umzuschalten und dadurch sicherzustellen, dass der Anstieg des Spannungspotenzials (wird durch aktive Kurzschluss der Leistungshalbleiter sichergestellt) im Zwischenkreissystem auf ein definiertes und zulässiges Wert begrenzt werden kann. Somit kann der sichere Zustand (AKS = Aktiver Kurzschluss und WRS = Wechselrichtersperre) des Leistungselektroniksystems sichergestellt werden.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren 400 zum Kurzschließen von zumindest zwei Phasen einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs, wobei die elektrische Maschine mittels eines Wechselrichter mit Energie aus einem Energiespeicher versorgbar und/oder wobei der Energiespeicher mittels eines Wechselrichter mit Energie aus der elektrische Maschine versorgbar ist, wobei ein erster Pol des Energiespeichers mittels je eines Schalters des Wechselrichters mit einer der Phasen der elektrischen Maschine elektrisch leitfähig verbindbar ist und wobei ein zweiter Pol des Energiespeichers mittels je eines Schalters des Wechselrichters mit einer der Phasen der elektrischen Maschine elektrisch leitfähig verbindbar ist. Das Verfahren 400 umfasst einen Schritt 410 des Prüfens, ob ein Schalter des Wechselrichters zu dem ersten Pol des Energiespeichers fehlerhaft ist, um einen defekten Schalter des Wechselrichters zu erkennen. Ferner umfasst das Verfahren 400 einen Schritt 420 des Verwendens des defekten Schalters, um die zumindest zwei Phasen der elektrischen Maschine kurzzuschließen oder des Verwendens eines nicht-defekten Schalters des Wechselrichters, um die zumindest zwei Phasen der elektrischen Maschine kurzzuschließen.
5 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des eines hier vorgestellten Ansatzes als Steuergerät 160. Das Steuergerät 160 umfasst unter anderem eine Einheit 510 zum Prüfen, ob ein Schalter des Wechselrichters zu dem ersten Pol des Energiespeichers fehlerhaft ist, um einen defekten Schalter des Wechselrichters zu erkennen. Ferner umfasst das Steuergerät 160 unter anderem eine Einheit 520 zum Verwenden oder Ansteuern des defekten Schalters, um die zumindest zwei Phasen der elektrischen Maschine kurzzuschließen oder zum Verwenden eines nicht-defekten Schalters des Wechselrichters, um die zumindest zwei Phasen der elektrischen Maschine kurzzuschließen.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Fahrzeug
110: elektrische Maschine
120: Wechselrichter
S: Schalter
130: Energiespeicher
135: erster Pol
140: zweiter Pol
145: Zwischenkreis
150: elektrochemischer Energiespeicher, Akku
160: Steuergerät
P1: erste Phase
P2: zweite Phase
P3: dritte Phase
S1: erster Schalter
S2: zweiter Schalter
S3: dritter Schalter
S4: vierter Schalter
S5: fünfter Schalter
S6: sechster Schalter
Ts: Temperaturschwelle
T_M: Mindesttemperatur
t₁: erste Zeitspanne
t₂: zweite Zeitspanne
t₃: dritte Zeitspanne
U_So: Spannungsschwelle oben
U_Su: Spannungsschwelle unten
t_A: erster Zeitabschnitt
t₂: zweiter Zeitabschnitt
t₃: dritter Zeitabschnitt
t4: vierte Zeitabschnitt
Umax: Maximalspannung
400: Verfahren zum Kurzschließen von zumindest zwei Phasen einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs
410: Schritt des Prüfens
420: Schritt des Verwendens
510: Einheit zum Prüfen
520: Einheit zum Verwenden

Claims

Verfahren (400) zum Kurzschließen von zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) einer elektrischen Maschine (110) eines Fahrzeugs (100), wobei die elektrische Maschine (110) mittels eines Wechselrichter (120) mit Energie aus einem Energiespeicher (130) versorgbar und/oder wobei der Energiespeicher (130) mittels eines Wechselrichter (120) mit Energie aus der elektrische Maschine (110) versorgbar ist, wobei ein erster Pol (135) des Energiespeichers (130) mittels je eines Schalters (S1, S2, S3) des Wechselrichters (120) mit einer der Phasen (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (110) elektrisch leitfähig verbindbar ist und wobei ein zweiter Pol (135, 140) des Energiespeichers (130) mittels je eines Schalters (S4, S5, S6) des Wechselrichters (120) mit einer der Phasen (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (110) elektrisch leitfähig verbindbar ist, wobei das Verfahren (400) die folgenden Schritte aufweist: - Prüfen (410), ob ein Schalter (S1) des Wechselrichters (120) zu dem ersten Pol (135) des Energiespeichers (130) fehlerhaft ist, um einen defekten Schalter (S1) des Wechselrichters (120) zu erkennen; und - Verwenden (420) des defekten Schalters (S1), um die zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (110) kurzzuschließen oder Verwenden eines nicht-defekten Schalters des Wechselrichters (120), um die zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (110) kurzzuschließen.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (420) des Verwendens die Schalter (S1, S2, S3) zu dem ersten Pol (135) oder die Schalter (S4, S5, S6) zu dem zweiten Pol (140) des Energiespeichers (130) geschlossen werden, um die Maschine (110) kurzzuschließen.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (410) des Prüfens ein Schalter (S1) als fehlerhaft erkannt wird, wenn der Schalter (S1) einen betreffenden Pol (135, 140) mit der entsprechenden Phase (P1, P2, P3) kurzschließt und/oder den betreffenden Pol (135, 140) zumindest niederohmig mit der entsprechenden Phase (P1, P2, P3) verbindet.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt des Sperrens desjenigen Schalters (S4), durch den der zweiten Pol (140) des Energiespeichers (130) mit Phase (P1) verbindbar oder verbunden ist, die durch den defekten Schalter (S1) mit dem ersten Pol (135) verbunden oder verbindbar ist.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (410) des Prüfens ferner eine Temperatur (T) zumindest des Wechselrichters (120) und/oder eines der Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) überprüft wird, wobei im Schritt (420) des Verwendens der defekte Schalter (S1) und/oder weitere Schalter (S2, S3, S4, S5, S6) nicht zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) verwendet wird, wenn die Temperatur (T) größer als ein Temperaturschwellwert (Ts) ist.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (410) des Prüfens ferner erkannt wird, dass die Temperatur (T) des Wechselrichters (120) und/oder eines der Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) nach einem Überschreiten des Temperaturschwellwerts (Ts) den Temperaturschwellwert (Ts) wieder unterschritten hat, wobei im Schritt (420) des Verwendens der defekte Schalter (S1) wieder zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) verwendet wird, wenn die Temperatur (T) wieder niedriger als der Temperaturschwellwert (Ts) ist.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (410) des Prüfens eine Spannung (U) an zumindest einer Phase (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (110) erfasst wird, wobei im Schritt (420) des Verwendens der defekte Schalter (S1) nicht zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) verwendet wird, wenn die Spannung (U) nicht größer als ein Spannungsschwellwert (Uso) ist und/oder wobei im Schritt (420) des Verwendens der defekte Schalter (S1) zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) verwendet wird, wenn die Spannung (U) größer als der Spannungsschwellwert (Us) ist.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (410) des Prüfens ferner erkannt wird, dass die an zumindest einer Phase (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (110) erfasste Spannung (U) nach einem Überschreiten des Spannungsschwellwerts (Uso) den Spannungsschwellwert (Us) wieder unterschritten hat, wobei im Schritt (420) des Verwendens der defekte Schalter (S1) nicht zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) verwendet wird, wenn die Spannung (U) wieder niedriger als der Spannungsschwellwert (Uso) ist und/oder wobei im Schritt (420) des Verwendens der defekte Schalter (S1) wieder zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) verwendet wird, wenn die Spannung (U) wieder größer als der Spannungsschwellwert (Uso) ist.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (420) des Verwendens zumindest zwei Schalter (S4, S5, S6) verwendet werden, die den zweiten Pol (140) des Energiespeichers (130) mit denjenigen Phasen (P1, P2, P3) verbinden, die nicht mit dem defekten Schalter (S1) verbunden sind.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (420) des Verwendens als Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) zumindest ein Leistungshalbleiterelement angesteuert wird.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (410) des Prüfens vor einer Inbetriebnahme und/oder in einem Reset-Modus des Wechselrichters (120) erfolgt und/oder dass im Schritt (420) des Verwendens der defekte Schalter (S1) oder der nicht-defekte Schalter abhängig von einer Temperatur des betreffenden Schalters, einer Spannung an dem betreffenden Schalter und/oder einem erkannten Defekt an dem betreffenden Schalter automatisch und unabhängig zum Kurzschließen der zumindest zwei Phasen (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (110) verwendet wird.
Steuergerät (160), das eingerichtet ist, um die Schritte (410, 420) des Verfahrens (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten (510, 520) auszuführen und/oder anzusteuern.
Steuergerät (160) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (160) in einem integrierten Schaltkreis integriert ist, der mit einer Spannung von zumindest 48 V, insbesondere von mehr als 100 V betreibbar ist.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte (410, 420) des Verfahrens (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.