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Es ist bekannt, elektrische Traktionsantriebe von Fahrzeugen mit einer permanenterregten Synchronmaschine auszustatten. Hierbei weist der Rotor Permanentmagnete auf, die sich innerhalb der Statorwicklungen drehen, welche ein Drehfeld durch entsprechende Bestromung erzeugen. Im fehlerfreien Betrieb wird dadurch ein Drehmoment zwischen Rotor und Stator erzeugt.
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Tritt während des Fahrens ein Fehler auf, werden die Wicklungen nicht mehr zur Erzeugung eines Drehfelds bestromt. Da sich jedoch aufgrund der Restgeschwindigkeit des Fahrzeugs der Rotor weiterhin dreht, erzeugen die dort befindlichen Permanentmagnete eine Spannung in den Statorwicklungen. Um etwa die Schaltelemente zu schützen, die bei fehlerfreien Fahrbetrieb die Bestromung der Statorwicklungen vorsehen, kann beispielsweise ein Kurzschluss der Phasenanschlüsse (AKS) erzeugt werden. Hierbei werden die Phasenanschlüsse von den Schaltelementen kurzgeschlossen, welche im fehlerfreien Betrieb die Bestromung vorsehen. Durch den Kurzschluss ergibt sich ein Abbremsen des Drehmoments, das für den Fahrzeugnutzer unangenehm wirken kann, insbesondere bei Eintritt des Phasenkurzschlusses.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich das beim Phasenkurzschluss auftretende negative Drehmoment, d.h. das Bremsdrehmoment, verringern lässt, um so ein angenehmeres Fahrverhalten bei Eintritt des Phasenkurzschlusses und während des Phasenkurzschlusses zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1. Weitere Merkmale, Eigenschaften, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der 1.
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Es wird vorgeschlagen, während des Zustands des Phasenkurzschlusses temporär ein positives Drehmoment zu erzeugen, um so das Bremsdrehmoment zumindest teilweise zu kompensieren. Dadurch wird der Bremseffekt durch den Phasenkurzschluss zumindest reduziert, wenn nicht aufgehoben, sodass sich ein angenehmeres Fahrverhalten ergibt. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht insbesondere eine Erzeugung eines Drehmoments, das dem Bremsdrehmoment entgegengesetzt ist, ohne dass aufwendige Sensorik oder Regler erforderlich sind. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn durch den Fehler, der den Grund für den Phasenkurzschluss darstellt, auch die Treiber oder die Steuerung oder Sensoren des Antriebs ausfallen.
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Das hier beschrieben Verfahren bezieht sich auf die Ansteuerung der Transistoren (allgemein: Schaltelemente) des Stromrichters, die im fehlerfreien Betrieb die Bestromung für den Stator vorsehen, wobei diese Transistoren des Stromrichters (oder ein Teil hiervon) zur Realisierung des Kurzschlusses der Phasenanschlüsse (AKS) der elektrischen Maschine verwendet werden. Von den Transistoren, die im fehlerfreien Betrieb die Bestromung für den Stator vorsehen, werden alle und bevorzugt ein Teil hiervon gemäß dem hier beschriebenen Verfahren auch zur Erzeugung des Kompensationsdrehmoments verwendet, das dem Bremsdrehmoment entgegengesetzt ist. Zur erfindungsgemäßen Erzeugung des Drehmoments, welches dem Bremsdrehmoment entgegengesetzt ist (Kompensationsdrehmoment) sind somit keine zusätzlichen Leistungshalbleiter erforderlich.
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Beispielsweise werden die Low-Side-Transistoren zur Erzeugung des Phasenkurzschlusses verwendet, und die hierzu komplementären Transistoren (High-Side-Transistoren) werden zum Erzeugen des Kompensationsdrehmoments verwendet. Dies geschieht jedoch vorzugsweise nicht gleichzeitig. Ferner wird das Kompensationsdrehmoment nur für eine temporäre Zeitdauer erzeugt. In dieser Zeitdauer erzeugen die für den Phasenkurzschluss herangezogenen Transistoren temporär keinen Phasenkurzschluss, insbesondere um einen Brückenkurzschluss zu vermeiden. Unter Berücksichtigung der Trägheit des Rotors kann dadurch das Bremsdrehmoment, welches von einer ersten Gruppe von Transistoren (etwa alle oder ein Teil der Low-Side-Transistoren) hergestellt wird, teilweise oder vollständig kompensiert werden von den anderen Transistoren (oder einer Untergruppe hiervon), das heißt von den hierzu komplementären Transistoren (etwa die High-Side-Transistoren).
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Das hier beschriebene Verfahren zur Bremsdrehmomentverringerung einer permanenterregten Synchronmaschine sieht somit zunächst das Herstellen eines Phasenkurzschlusses der Phasen der Synchronmaschine vor. Hierzu wird (nur) eine erste Gruppe von Transistoren (etwa die Low-Side-Transistoren) eines Stromrichters verwendet, oder es wird hierzu die hierzu komplementäre zweite Gruppe von Transistoren verwendet (die High-Side-Transistoren). Der hier beschriebene Stromrichter ist in Brückenschaltung und umfasst somit eine Anzahl von Halbbrücken, wobei jede Halbbrücke jeweils einen Transistor der ersten Gruppe und einen Transistor der zweiten Gruppe umfasst. Innerhalb jeder Halbbrücke sind der Transistor der ersten Gruppe und der Transistor der zweiten Gruppe komplementär zueinander. Insbesondere sind diese (fest) mit den Versorgungspotentialen des Stromrichters verbunden. Die High-Side-Transistoren sind mit dem positiven Versorgungspotential fest verbunden und die Low-Side-Transistoren sind mit einem negativen Versorgungspotential, etwa dem Minuspol oder einem Massepotential, fest verbunden. Insbesondere wird der Phasenkurzschluss nur von den Transistoren einer Gruppe, nicht jedoch von Transistoren der anderen Gruppe erzeugt. Der Phasenkurzschluss wird erzeugt, indem die Transistoren der betreffenden Gruppe eingeschaltet sind und leiten.
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Das Kompensationsdrehmoment, das dem Bremsdrehmoment (erzeugt durch den Phasenkurzschluss) entgegengesetzt ist, wird für eine temporäre Zeitdauer erzeugt. Das Kompensationsdrehmoment wird mittels derjenigen Gruppe von Transistoren erzeugt, die nicht zum Herstellen des Phasenkurzschlusses verwendet wird, das heißt von der anderen Gruppe. Wird die erste Gruppe verwendet zum Erzeugen des Phasenkurzschlusses, dann wird die zweite Gruppe zum Erzeugen des Kompensationsdrehmoments verwendet. Wird die zweite Gruppe der Transistoren verwendet zum Erzeugen des Phasenkurzschlusses, wird die erste Gruppe von Transistoren zum Erzeugen des Kompensationsdrehmoments verwendet. Das Kompensationsdrehmoments wird erzeugt, indem die betreffende Gruppe von Transistoren ein Drehfeld erzeugt, welches dem Bremsdrehmoment entgegenwirkt. Da die Erzeugung eines Drehfelds mittels Transistoren eines Stromrichters innerhalb eines Stators bekannt ist, wird von einer detaillierten Erläuterung an dieser Stelle abgesehen. Die Bestromung erfolgt, bezogen auf die Reihung der Statorwicklungen im Stator, in einer Richtung, in der auch im Fahrbetrieb bestromt wird. Rollt im Fehlerfall das Fahrzeug in Vorwärtsrichtung, so wird die Bestromung derart ausgeführt, wie es beim Fahren in Vorwärtsrichtung der Fall ist, und umgekehrt. Rollt im Fehlerfall das Fahrzeug in Rückwärtsrichtung, so wird die Bestromung derart ausgeführt, wie es beim Fahren in Rückwärtsrichtung der Fall ist, und umgekehrt. Das Bremsdrehmoment wirkt der Rollrichtung des Fahrzeugs entgegen.
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Gemäß einer Ausführungsform stellt die erste Gruppe von Low-Side-Transistoren den Phasenkurzschluss her. Die erste Gruppe der Transistoren (die Low-Side-Transistoren) stellen den Phasenkurzschluss her, und die zweite Gruppe von Transistoren (High-Side-Transistoren) werden zum Erzeugen des Kompensationsdrehmomentes verwendet.
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Das Kompensationsdrehmoment wird nur für eine temporäre Zeitdauer erzeugt. Diese entspricht insbesondere nur einem Bruchteil einer Umdrehung der Synchronmaschine. Vorzugsweise wird für die temporäre Zeitdauer, während der das Kompensationsdrehmoment erzeugt wird, der Phasenkurzschluss temporär aufgehoben. Insbesondere wird nach dem Ende der temporären Zeitdauer das Erzeugen des Kompensationsdrehmoments beendet, und der Phasenkurzschluss wird wiederhergestellt. Dieser Wechsel zwischen Erzeugen des Bremsdrehmoments und Erzeugen des Kompensationsdrehmoments wiederholt sich während einer Umdrehung der Synchronmaschine, insbesondere mehrfach.
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Bevorzugt wird das Kompensationsdrehmoment erzeugt, indem zu einem Zeitpunkt, in dem ein Strom durch eine Inversdiode eines Transistors fließt, der derjenigen Gruppe angehört, die den Phasenkurzschluss herstellt, für die temporäre Zeitdauer ein Transistor eingeschaltet, der der anderen Gruppe angehört, und der an dieselbe Phase angeschlossen ist. Der letztgenannte Transistor, der zum Erzeugen des Kompensationsdrehmoments eingeschaltet wird, befindet sich somit in derselben Halbbrücke wie der Transistor, der den Phasenkurzschluss herstellt, und dessen Inversdiode leitet während des Zeitpunkts, indem der zweitgenannte Transistor eingeschaltet ist. Vorzugsweise ist die Einschaltphase des Transistors, der das Kompensationsdrehmoment erzeugt, begrenzt auf das Zeitintervall, in dem die Inversdiode des hierzu komplementären Transistors leitet.
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Als Transistoren werden vorzugsweise IGBTs verwendet oder auch MOSFETs.
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Bevorzugt wird das temporäre Einschalten des Transistors durchgeführt (das heißt der Transistor, der das Kompensationsdrehmoment erzeugt), wenn der Strombetrag durch die Inversdiode maximal ist. Somit liegt der Zeitpunkt, an dem der Strombetrag durch die Inversdiode maximal ist, innerhalb der temporären Zeitdauer, das heißt innerhalb des Zeitfensters, in dem ein Transistor zur Erzeugung des Kompensationsdrehmoments eingeschaltet ist. Gemäß einer Ausführungsform wird die temporäre Zeitdauer bzw. das Zeitfenster, in dem der Transistor zur Erzeugung des Kompensationsdrehmoments eingeschaltet ist, derart gelegt, dass dessen Mitte im Wesentlichen dem Zeitpunkt entspricht, in dem der Strombetrag durch die Diode des hierzu komplementären Transistors maximal ist. Somit wird in der Kuppe, das heißt an dem Zeitpunkt des Maximalbetrags, des Stroms, der durch die Inversdiode fließt, der hierzu komplementäre Transistor temporär eingeschaltet.
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Vorzugsweise wird die nötige Information über die Drehzahl der Maschine und über den Zeitpunkt der Stromkuppe des Stroms, der das Bremsdrehmoment erzeugt, aus einer Spannung über mindestens einen der Transistoren abgeleitet, die das Bremsdrehmoment erzeugen, d.h. aus einer Spannung über (mindestens) einem Transistor, der den Phasenkurzschluss herstellt. An dem Zeitpunkt, an dem die Stromkuppe (d.h. das Maximum) des Stroms besteht, der aufgrund des Phasenkurzschlusses fließt (und der das Bremsdrehmoment erzeugt), wird das Kompensationsdrehmoment durch den betreffenden Transistor erzeugt (indem dieser eingeschaltet wird). Es wird das Kompensationsdrehmoment in einer Zeitspanne erzeugt, in der das Maximum liegt. Die Zeitspanne wird vorzugsweise derart gewählt, dass das Maximum im Wesentlichen in der Mitte liegt. Der Zeitpunkt des Auftretens des Maximums wird vorzugsweise abgeleitet bzw. prognostiziert anhand des tatsächlichen Auftritts eines vergangenen Maximums (am gleichen oder an einem anderen Transistor der gleichen Gruppe) und der aktuellen Drehzahl bzw. Umlaufgeschwindigkeit der elektrischen Maschine.
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Es kann zur Ermittlung der Stromkuppe, insbesondere des Auftrittszeitpunkts der Stromkuppe, eine Spannung über einen der Transistoren ermittelt werden, die der den Phasenkurzschluss herstellt, oder es wird ein entsprechender Abgriff einer Treiberschaltung verwendet, der ohnehin zur Auswertung der Spannung über dem Transistor dient. Dadurch können bereits für den Fahrmodus verwendete Elemente verwendet werden, um das Erzeugen des Kompensationsdrehmoments zeitlich zu steuern, insbesondere um den Beginn und das Ende der temporären Zeitdauer festzulegen. Ferner kann die temporäre Zeitdauer, das heißt deren Beginn und insbesondere deren Ende, welches sich auf einen Transistor einer ersten Halbbrücke bezieht, abgeleitet werden aus einer Spannungs- oder Stromermittlung (oder -Messung) einer anderen Halbbrücke und der aktuellen Drehzahl der Synchronmaschine. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn aufgrund einer Störung, etwa einer Treiberschaltung, die Berechnung für den Transistor selbst nicht möglich ist.
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Wie erwähnt kann die erste Gruppe von Low-Side-Transistoren den Phasenkurzschluss herstellen, während die zweite Gruppe von High-Side-Transistoren zum Erzeugen des Kompensationsdrehmoments verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass alle zur Auswertung nötigen Signale sowie auch die Versorgungsspannungen der Treiberschaltung sich auf das Potential beziehen, an das die zweite Gruppe von Transistoren direkt angeschlossen ist (d.h. auf das positive Versorgungspotential). Die nötige Energie für die Einschaltpulse der betreffenden Treiberschaltung kann dann etwa über Bootstrapping (d.h. über eine Bootstrapschaltung zwischen einer Low-Side-Treiberschaltung und einer High-Side-Treiberschaltung) zur Verfügung gestellt werden.
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Der Zeitpunkt, an dem die Zeitdauer beginnt und der Zeitpunkt, an der diese wieder endet, ist somit vorzugsweise synchron mit der Kuppe des Bremsstroms, der das Bremsdrehmoment erzeugt. Jedoch kann auch die Länge von anderen Parametern abhängen.
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Vorzugsweise ist die Länge der Zeitdauer indirekt proportional zur Drehzahl bzw. zur Zwischenkreisspannung, d.h. zur Gleichspannung an den Gleichspannungs-Versorgungsschienen des Stromrichters (entsprechend der Spannung zwischen dem positiven und dem negativen bzw. masseseitigen Versorgungspotential). Alternativ oder zusätzlich kann die Länge der Zeitdauer proportional sein zu den Verlusten in der elektrischen Maschine und/oder in dem Stromrichter. Es kann vorgesehen sein, dass die Länge der temporären Zeitdauer mit zunehmender Drehzahl und/oder mit zunehmender Spannung zwischen einem Versorgungsspannungspotential und einem Massepotential (oder negativen Versorgungsspannungspotential) steigt. Alternativ oder zusätzlich kann die Länge der temporären Zeitdauer mit zunehmender Verlustleistung in der elektrischen Maschine und/oder in dem Stromrichter ansteigen. Vorzugsweise wird die Länge der Zeitdauer aus einer proportionalen Funktion abgeleitet, die in proportionaler Weise die Verlustleistung der elektrischen Maschine und/oder in dem Stromrichter zu der Länge der Zeitdauer in Beziehung setzt. Es kann ein linearer Zusammenhang (mit positiver Steigung) zwischen der Länge der Zeitdauer und der Drehzahl bzw. der Versorgungsspannung vorgesehen sein.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Länge der temporären Zeitdauer für einen Transistor verlängert wird, um so einen Fehler in einem anderen Transistor, der nicht geschaltet werden kann, zu kompensieren. Bei einem Fehler in einem der Transistoren der Gruppe von Transistoren, die nicht zum Herstellen des Phasenkurzschlusses (sondern zum Erzeugen des Bremsdrehmomentes) verwendet werden, kann die temporäre Zeitdauer länger sein, als bei fehlerfreiem Betrieb aller Transistoren dieser Gruppe. Es ergibt sich eine Kompensation eines fehlerhaften Transistors, der nicht zum Erzeugen des Bremsdrehmoments verwendet werden kann durch eine verlängerte Ein-Phase eines anderen Transistors der gleichen Gruppe, das heißt eines anderen Transistors, der zum Erzeugen des Kompensationsdrehmoments verwendet wird. Bei drei Halbbrücken des Stromrichters können so beispielsweise die beiden noch funktionierenden Transistoren zur Erzeugung des Kompensationsdrehmoments verwendet werden und den Ausfall des defekten Transistors ausgleichen, in dem deren Zeitdauer länger ist, insbesondere ca. 50% länger ist als bei drei intakten Halbbrücken des Stromrichters.
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Wenn eine elektrische Energiequelle wie ein Akkumulator über einen Trennschalter an den Stromrichter angeschlossen ist, so bleibt dieser vorzugsweise geschlossen, um so zu ermöglichen, dass das Kompensationsdrehmoment erzeugt wird.
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Die 1 dient zur näheren Erläuterung der hier beschriebenen Vorgehensweise.
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Die 1 zeigt ein Fahrzeugbordnetz mit einem Akkumulator AK, der über einen Trennschalter TS mit einem positiven Versorgungspotential + eines Stromrichters SR verbunden ist. Der Akkumulator ist ferner mit dem Massepotential M verbunden, an das auch der Stromrichter SR angeschlossen ist.
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Der Stromrichter umfasst eine erste Gruppe von Low-Side-Transistoren L1 bis L3, die jeweils eine Inversdiode DL aufweisen, sowie eine zweite Gruppe von High-Side-Transistoren H1 bis H3, die ebenso jeweils Inversdioden DH aufweisen. Eine erste Halbbrücke des Stromrichters umfasst die Serienschaltung von Transistor L1 und Transistor H1; eine zweite Halbbrücke sieht die Serienschaltung von Transistor L2 und Transistor H2 vor und eine dritte Halbbrücke wird realisierst durch die Serienschaltung von Transistor L3 und Transistor H3. Jede Halbbrücke umfasst somit einen Low-Side und einen High-Side-Transistor. Diese sind komplementär zueinander verschaltet. Die jeweiligen Verbindungspunkte zwischen dem Low-Side und High-Side-Transistor jeder Halbbrücke dienen zum Anschluss der drei Phasen P1 bis P3 der elektrischen Maschine IM. Es ergibt sich ein B6C-Stromrichter.
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Weiterhin besteht eine dreiteilige Low-Side-Treiberschaltung LT, die ansteuernd mit dem Low-Side-Transistoren L1 bis L3 verbunden. Zudem besteht eine dreiteilige High-Side-Treiberschaltung HT1 bis HT3 die ansteuernd mit den High-Side-Transistoren H1 bis H3 verbunden ist. Die zur Ansteuerung vorgesehene Verbindung ist gestrichelt dargestellt. Die drei Teile der jeweiligen Treiberschaltung sind, wie dargestellt, mit den einzelnen Transistoren individuell verbunden. Es ergibt sich eine individuelle Ansteuerung durch die einzelnen Teile der Treiberschaltungen. Die Einschaltpulse für die High-Side-Treiberschaltung können über eine Bootstrapping-Schaltung ausgehend von der Low-Side-Treiberschaltung vorgesehen werden. Die Bootstrapping-Schaltung ist vereinfacht durch die Dioden B wiedergegeben.
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In einem Fahrmodus erzeugt die als permanenterregte Synchronmaschine ausgestaltete elektrische Maschine EM einen Traktionsdrehmoment, indem die Transistoren des Stromrichters in bekannter Weise zur Erzeugung eines Drehfelds einen entsprechenden Strom durch wechselsweises Schalten der Transistoren H1 bis H3, L1 bis L3 erzeugen. Wird ein High-Side-Transistor geschlossen, dann wird die betreffende Phase mit dem daran angeschlossenen Potential (+) verbunden. Wird ein Low-Side-Transistor L1 bis L3 geschlossen, wird die betreffende Phase mit dem Massepotential M (allgemein: das negative Versorgungspotential) verbunden. Durch zeitversetzte Steuerung der Halbbrücken lässt sich dadurch wie bekannt ein Drehfeld erzeugen.
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Besteht ein Fehler, dann wird in der dargestellten Ausführungsform ein Phasenkurzschluss hergestellt, indem die Low-Side-Transistoren L1 bis L3 kurzgeschlossen werden. Dieser Kurzschluss wird zur Erzeugung des Kompensationsdrehmoments für die temporäre Zeitdauer aufgehoben. Während der temporären Zeitdauer werden die High-Side-Transistoren H1 bis H3 zur Erzeugung eines Drehfelds in dem Stator der elektrischen Maschine EM derart angesteuert, dass sich das Kompensationsdrehmoments ergibt, welches dem Bremsdrehmoment entgegengesetzt wird. Das Bremsdrehmoment ergibt sich durch die Induktion in der permanenterregten Synchronmaschine und durch die geschlossenen Low-Side-Transistoren, d.h. durch den Phasenkurzschluss, der von diesen Transistoren hergestellt wird.
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Zur Erzeugung des Phasenkurzschlusses sind die Low-Side-Transistoren in einem geschlossenen Zustand und erzeugen dadurch einen (abgesehen von der Zeitdauer) durchgehenden Kurzschluss zwischen den Phasenanschlüssen der Synchronmaschine. Im Gegensatz hierzu wird während der temporären Zeitdauer nicht nur dieser Phasenkurzschluss aufgehoben, sondern die High-Side-Transistoren werden abwechselnd gemäß einem Pulsmodulationsverfahren derart angesteuert, dass sich für die Phasen P1 bis P3 der elektrischen Maschine ein Drehstrom ergibt, der zu einem Drehfeld in der elektrischen Maschine führt. Dieses Drehfeld erzeugt, in Zusammenwirkung mit den Permanentmagneten in der Synchronmaschine (das heißt in Zusammenwirkung mit dem permanenterregten Rotor) ein Kompensationsdrehmoment, welches in der gleichen Richtung wie die aktuelle Laufrichtung der Synchronmaschine wirkt, das heißt in Fahrtrichtung (Rollrichtung des Fahrzeugs bzw. Drehrichtung der elektrischen Maschine). Im Gegensatz hierzu wirkt das Bremsdrehmoment hierzu entgegengesetzt und somit entgegen der Laufrichtung der Synchronmaschine. Es ergibt sich durch das Kompensationsdrehmoment eine Verringerung, wenn nicht eine vollständige Kompensation des Bremsdrehmoments, wodurch die Wirkung des Phasenkurzschlusses auf die Bewegung der Synchronmaschine und somit des Fahrzeugs verringert wird oder aufgehoben wird.
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Zur Erfassung, wann die Kuppe des Kurzschlussstroms durch den Phasenkurzschluss in jeder einzelnen Halbbrücke erreicht ist, wird eine Spannung über den Transistoren von den jeweiligen Teilen der High-Side- und Low-Side-Treiberschaltungen HT, LT erfasst. Da diese Spannungen auch zum Durchführen des Fahrbetriebs erfasst werden, sind die hierzu erforderlichen Komponenten bereits vorhanden. Insbesondere werden die Spannungen an den jeweiligen Treiberschaltungen oder an den Kollektoren (oder Drains) der Transistoren L1 bis L3 und H1 bis H3 erfasst. Ferner können zur Durchführung des Verfahrens auch nur die Kollektorspannungen der Low-Side-Transistoren (allgemein die Spannungen über den Low-Side-Transistoren) erfasst werden, um festzustellen, wann der Bremsstrom (der durch den Phasenkurzschluss erzeugt wird) maximal ist (d.h. dieser eine Kuppe aufweist). Dieser Zeitpunkt dient zur zeitlichen Steuerung der temporären Zeitdauer, in der das Kompensationsdrehmoment erzeugt wird. Die temporäre Zeitdauer kann dann so gelegt werden, dass die Kuppe bzw. das Maximum des Bremsstroms (aus der Spannung am betreffenden Low-Side-Transistor ableitbar) in die Zeitdauer fällt. Insbesondere können der Anfang und das Ende der Zeitdauer so bestimmt werden, dass die Kuppe des Bremsstroms in das betreffende Intervall fällt.
