DE102021201859A1 - Method and control unit for switching an electric drive between an operating mode with an active short circuit and a freewheeling operating mode - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Umschalten, insbesondere automatischen Umschalten, eines eine mehrphasige elektrische Maschine (18) und einen der elektrischen Maschine (18) vorgeschalteten Stromrichter (12) umfassenden Elektroantriebs (10) wird beschrieben. Es wird zwischen einem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss und einem Freilauf-Betriebsmodus in Abhängigkeit von zumindest einem am Elektroantrieb (10) erfassten Signal umgeschaltet.
Es ist vorgesehen, dass das Umschalten von dem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss in den Freilauf-Betriebsmodus und/oder das Umschalten von dem Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss sowohl in Abhängigkeit eines mit der Drehzahl n der elektrischen Maschine (18) verknüpften Signals als auch in Abhängigkeit eines mit einer Zwischenkreisspannung eines Zwischenkreises des Stromrichters (12) verknüpften Signals erfolgt.
Ferner werden ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und eine entsprechende Steuereinheit (40) beschrieben.
A method for switching, in particular automatic switching, of an electric drive (10) comprising a multi-phase electric machine (18) and a power converter (12) connected upstream of the electric machine (18) is described. There is a switchover between an operating mode with an active short circuit and a freewheeling operating mode depending on at least one signal detected on the electric drive (10).
It is provided that the switching from the operating mode with an active short circuit to the freewheeling operating mode and/or the switching from the freewheeling operating mode to the operating mode with an active short circuit both depend on a signal linked to the speed n of the electrical machine (18). and as a function of a signal linked to an intermediate circuit voltage of an intermediate circuit of the converter (12).
A corresponding computer program product and a corresponding control unit (40) are also described.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umschaltung eines eine mehrphasige elektrische Maschine und einen der elektrischen Maschine vorgeschalteten Stromrichter umfassenden Elektroantriebs zwischen einem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss und einem Freilauf-Betriebsmodus in Abhängigkeit von zumindest einem am Elektroantrieb erfassten Signal.The invention relates to a method for switching an electric drive comprising a multi-phase electric machine and a power converter connected upstream of the electric machine between an operating mode with an active short circuit and a freewheeling operating mode as a function of at least one signal detected on the electric drive.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Steuereinheit zum automatischen Umschalten eines eine mehrphasige elektrische Maschine und einen der elektrischen Maschine vorgeschalteten Stromrichter umfassenden Elektroantriebs zwischen einem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss und einem Freilauf-Betriebsmodus in Abhängigkeit von zumindest einem am Elektroantrieb erfassten Signal.The invention also relates to a corresponding control unit for automatically switching an electric drive comprising a multi-phase electric machine and a power converter connected upstream of the electric machine between an operating mode with an active short circuit and a freewheeling operating mode as a function of at least one signal detected on the electric drive.
Als aktiver Kurzschluss (AKS) wird eine Maßnahme in der Antriebstechnik bezeichnet, mit der einerseits Schäden an der elektrischen Maschine bzw. der entsprechenden Antriebselektronik beim Auftreten von zu hohen elektrischen Spannungen vermieden werden sollen und andererseits das Auftreten eines hohen Bremsmomentes verhindert werden soll, welches sich einstellen würde, sobald die gleichgerichtete Spannung der elektrischen Maschine die anliegende DC Spannung übersteigt. Der gezielt herbeigeführte AKS wird als ein sicherer Modus für den Elektroantrieb betrachtet. Dazu werden bei dem Elektroantrieb die Anschlussleitungen für die meist mehrphasigen elektrischen Maschinen durch Transistoren des Stromrichters kurzgeschlossen.An active short-circuit (ACS) is a measure in drive technology that is intended to prevent damage to the electrical machine or the corresponding drive electronics when excessive electrical voltages occur on the one hand and to prevent a high braking torque from occurring on the other hand would set as soon as the rectified voltage of the electrical machine exceeds the applied DC voltage. Targeted AKS is considered a safe mode for electric propulsion. For this purpose, in the case of the electric drive, the connection lines for the mostly multi-phase electric machines are short-circuited by transistors of the power converter.
Das Dokument
Eine mögliche Größe, in deren Abhängigkeit das Umschalten sinnvoll erfolgen kann, ist sicherlich eine Drehzahl n der elektrischen Maschine.A possible variable, as a function of which switching can take place in a sensible manner, is certainly a speed n of the electrical machine.
Beschränkt man sich auf einen fest vorgegebenen Spannungsbereich zwischen UHVmin ≤ UHV ≤ UHVmax einer vorgegebenen Betriebsspannung UHV (z.B. im Sinne einer Zwischenkreisspannung des Stromrichters), so kann man dafür sorgen, dass sich ein überschaubares Kennfeld mit einfach strukturierten Grenzen zwischen den beiden Betriebsbereichen und gegebenenfalls einem dazwischenliegenden Hysteresebereich ergibt. Möchte man den Spannungsbereich jedoch erweitern, reichen diese einfachen Grenzen in vielen Fällen nicht mehr aus.If one restricts oneself to a firmly specified voltage range between U HVmin ≤ U HV ≤ U HVmax of a specified operating voltage U HV (e.g. in the sense of an intermediate circuit voltage of the converter), one can ensure that a manageable map with simply structured boundaries between the two Operating ranges and optionally an intermediate hysteresis results. However, if you want to expand the voltage range, these simple limits are no longer sufficient in many cases.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, Maßnahme anzugeben, die eine einfach durchführbare und dabei sinnvolle Umschaltung des Elektroantriebs zwischen dem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss und dem Freilauf-Betriebsmodus auch in einem größeren Spannungsbereich der Betriebsspannung (kurz: Betriebsspannungs-Bereich) ermöglichen.It is the object of the invention to specify measures that allow the electric drive to be switched between the operating mode with an active short circuit and the freewheeling operating mode in a simple and sensible manner, even in a larger voltage range of the operating voltage (in short: operating voltage range).
Die Lösung der vorliegenden Erfindung erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt ferner durch eine Steuereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung und den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen und/oder in der Beschreibung und/oder den Figuren beschriebene beziehungsweise gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.The present invention is achieved by a method having the features of
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Umschalten, insbesondere automatischen Umschalten, eines eine mehrphasige elektrische Maschine und einen der elektrischen Maschine vorgeschalteten Stromrichter umfassenden Elektroantriebs zwischen einem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss und einem Freilauf-Betriebsmodus in Abhängigkeit von zumindest einem am Elektroantrieb erfassten Signal. Es ist vorgesehen, dass das Umschalten von dem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss in den Freilauf-Betriebsmodus und/oder das Umschalten von dem Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss sowohl in Abhängigkeit eines mit der Drehzahl n der elektrischen Maschine verknüpften Signals als auch in Abhängigkeit eines mit einer Zwischenkreisspannung eines Zwischenkreises des Stromrichters verknüpften Signals erfolgt. Mit der zusätzlichen Berücksichtigung der Zwischenkreisspannung wird zusätzlich die Betriebsspannung UHV überwacht. Fällt diese unter einen Wert UHVmin oder steigt über einen Wert UHvmax, so können ergänzende oder zusätzliche Betriebsbereiche eingeführt werden. Die Zwischenkreisspannung kann bei einer besonders einfachen Definition der Betriebsspannung als diese Betriebsspannung selbst angesehen werden.The subject matter of the present invention is a method for switching, in particular automatic switching, of an electric drive comprising a multi-phase electric machine and a power converter connected upstream of the electric machine between an operating mode with an active short circuit and a freewheeling operating mode as a function of at least one signal detected on the electric drive. It is provided that switching from the operating mode with an active short circuit to the freewheeling operating mode and/or switching from the freewheeling operating mode to the operating mode with an active short circuit both as a function of a ver with the speed n of the electric machine linked signal and as a function of a signal linked to an intermediate circuit voltage of an intermediate circuit of the converter. With the additional consideration of the intermediate circuit voltage, the operating voltage U HV is also monitored. If this falls below a value U HVmin or rises above a value U HVmax , supplementary or additional operating ranges can be introduced. With a particularly simple definition of the operating voltage, the intermediate circuit voltage can be viewed as this operating voltage itself.
Mit Vorteil ergibt sich beim Umschalten des Elektroantriebs im Spannungsbereich der vorgegebenen Betriebsspannung zwischen dem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss und dem Freilauf-Betriebsmodus bezüglich der Drehzahl n und/oder der Spannung UHV eine Hysterese. Diese Hysterese verhindert ein ungewolltes Hin- und Herschalten zwischen den beiden Betriebsmodi und ist zumindest in dem Spannungsbereich der vorgegebenen Betriebsspannung deutlich erkennbar gegeben.When switching the electric drive in the voltage range of the specified operating voltage between the operating mode with an active short circuit and the freewheeling operating mode, a hysteresis advantageously results with regard to the speed n and/or the voltage U HV . This hysteresis prevents unwanted switching back and forth between the two operating modes and is clearly visible at least in the voltage range of the specified operating voltage.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das mit der Drehzahl n der elektrischen Maschine verknüpfte Signal ein Spannungsverlauf in der Kollektorspannung Uc mindestens eines Transistors des Stromrichters. Über die Kollektorspannung ist ein Zusammenhang mit der Drehzahl n der elektrischen Maschine gegeben. Die Transistoren des Stromrichters sind in der Regel Bipolar-Transistoren und insbesondere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT).According to a preferred embodiment of the invention, the signal associated with the speed n of the electrical machine is a voltage curve in the collector voltage Uc of at least one transistor of the power converter. There is a relationship with the speed n of the electrical machine via the collector voltage. The transistors of the power converter are usually bipolar transistors and in particular bipolar transistors with an insulated gate electrode (English insulated-gate bipolar transistor, IGBT for short).
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass (i) das Umschalten von dem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss in den Freilauf-Betriebsmodus in Abhängigkeit einer festen Drehzahlschwelle n1 der elektrischen Maschine und/oder einer festen Spannungsschwelle U1 der Zwischenkreisspannung erfolgt und/oder dass (ii) das Umschalten von dem Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss in Abhängigkeit einer weiteren festen Drehzahlschwelle n2 der elektrischen Maschine und/oder einer weiteren festen Spannungsschwelle U2 der Zwischenkreisspannung erfolgt. Hierbei wird die geforderte Funktionalität auf besonders einfache Art realisiert. Die Drehzahl der elektrischen Maschine kann man aus unterschiedlichen Signalen des Elektroantriebs bestimmen, unter anderem aus der besagten Kollektorspannung.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that (i) the switching from the operating mode with an active short circuit to the freewheeling operating mode takes place as a function of a fixed speed threshold n1 of the electrical machine and/or a fixed voltage threshold U1 of the intermediate circuit voltage and/or that (ii) switching from the freewheeling operating mode to the operating mode with an active short circuit takes place as a function of a further fixed speed threshold n2 of the electric machine and/or a further fixed voltage threshold U2 of the intermediate circuit voltage. Here, the required functionality is implemented in a particularly simple manner. The speed of the electric machine can be determined from different signals from the electric drive, including the said collector voltage.
Alternativ zu der Umschaltung von dem Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss in Abhängigkeit einer weiteren festen Drehzahlschwelle n2 erfolgt das Umschalten von dem Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in Abhängigkeit eines für eine Rückspeisung elektrischer Energie aus der elektrischen Maschine charakteristischen Spannungsverlaufs in der Kollektorspannung Uc des mindestens einen Transistors.As an alternative to switching from the freewheeling operating mode to the operating mode with an active short circuit as a function of another fixed speed threshold n2, the switchover from the freewheeling operating mode to the operating mode with an active short circuit takes place according to a further preferred embodiment of the invention as a function of an electrical feedback device Energy from the electrical machine characteristic voltage curve in the collector voltage Uc of the at least one transistor.
Durch diese Maßnahme erfolgt das Umschalten vom Freilauf-Betriebsmodus (im eingangs genannten Dokument
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein für das Umschalten passender Betriebspunkt mittels einer Auswerteschaltung zur Auswertung des Spannungsverlaufs der Kollektorspannung Uc des Transistors ermittelt wird, die der eigentlichen Kollektorspannung Uc zumindest in einer stromlosen Phase einer jeweiligen Halbbrücke des Stromrichters, in der dieser Transistor verschaltet ist, einen energieschwachen Messstrom überlagert. Eine derartige Kollektorspannungs- Auswerteschaltung ist in vielen Treibern nach Stand der Technik bereits vorgesehen.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that an operating point suitable for switching over is determined by means of an evaluation circuit for evaluating the voltage profile of the collector voltage Uc of the transistor, which corresponds to the actual collector voltage Uc at least in a currentless phase of a respective half-bridge of the converter, in which this transistor is connected, a low-energy measuring current is superimposed. Such a collector voltage evaluation circuit is already provided in many prior art drivers.
Der überlagerte Messstrom macht es möglich bereit vor dem Einsetzen der Rückspeisung von der EM in den DC Kreis von dem Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss zuverlässig umzuschalten. Ohne diesen Messstrom könnte erst das Einsetzen der Rückspeisung zuverlässig erkannt werden. Das Einsetzen der Rückspeisung ist an das Auftreten eines ungewollten Bremsmomentes gekoppelt.The superimposed measurement current makes it possible to switch reliably from the freewheeling operating mode to the operating mode with an active short circuit before the onset of feedback from the EM to the DC circuit. Without this measuring current, it would only be possible to reliably detect the onset of feedback. The onset of feedback is linked to the occurrence of an unwanted braking torque.
Die mehrphasige elektrische Maschine ist insbesondere eine dreiphasige elektrische Maschine. Dann ist der Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss ein sogenannter 3PS-Betriebsmodus (3PS: Drei-Phasen-Kurzschließen) und der Freilauf-Betriebsmodus (Betriebsmodus mit Gesamtphasen-Unterbrechung) ein sogenannter 6SO-Betriebsmodus (6SO: Sechs Schalter Offen). Das Umschalten vom Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss ist dabei ein Umschalten 6SO -> 3PS, das Umschalten zwischen dem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss und dem Freilauf-Betriebsmodus entsprechend ein Umschalten 3PS -> 6SO.The multi-phase electrical machine is in particular a three-phase electrical machine. Then, the active short-circuit operation mode is a so-called 3PS operation mode (3PS: Three-phase short-circuiting) and the freewheeling operation mode (all-phase-break operation mode) is a so-called 6SO operation mode (6SO: Six Switches Open). Switching from the freewheeling operating mode to the operating mode with an active short circuit is a 6SO -> 3PS switchover, and switching between the operating mode with an active short circuit and the freewheeling operating mode is correspondingly a 3PS -> 6SO switchover.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Umschalten mittels einer Steuereinheit automatisch, die die Kollektorspannung des mindestens einen Transistors des Stromrichters überwacht.According to yet another preferred embodiment of the invention, switching over takes place automatically by means of a control unit that monitors the collector voltage of the at least one transistor of the power converter.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Steuereinheit zum automatischen Umschalten eines eine mehrphasige elektrische Maschine und einen der elektrischen Maschine vorgeschalteten Stromrichter umfassenden Elektroantriebs zwischen einem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss und einem Freilauf-Betriebsmodus in Abhängigkeit von zumindest einem am Elektroantrieb erfassten Signal. Es ist vorgesehen, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, den Elektroantrieb von dem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss in den Freilauf-Betriebsmodus und/oder von dem Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss sowohl in Abhängigkeit eines mit der Drehzahl n der elektrischen Maschine verknüpften Signals als auch in Abhängigkeit eines mit einer Zwischenkreisspannung eines Zwischenkreises des Stromrichters verknüpften Signals umzuschalten. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass diese Steuereinheit zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet ist.The subject matter of the present invention is also a control unit for automatically switching over an electric drive comprising a multi-phase electric machine and a power converter connected upstream of the electric machine between an operating mode with an active short circuit and a freewheeling operating mode as a function of at least one signal detected on the electric drive. It is provided that the control unit is set up to switch the electric drive from the operating mode with an active short circuit to the freewheeling operating mode and/or from the freewheeling operating mode to the operating mode with an active short circuit, both as a function of a signal linked to the speed n of the electrical machine as well as depending on a signal associated with an intermediate circuit voltage of an intermediate circuit of the power converter. It is preferably provided that this control unit is set up to carry out the above-mentioned method.
Bevorzugt ergibt sich beim Umschalten des Elektroantriebs zwischen dem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss und dem Freilauf-Betriebsmodus bezüglich der Drehzahl n und/oder der Spannung UHV eine Hysterese.When the electric drive switches over between the operating mode with an active short circuit and the freewheeling operating mode, there is preferably a hysteresis with regard to the rotational speed n and/or the voltage U HV .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinheit ist vorgesehen, dass das mit der Drehzahl n der elektrischen Maschine verknüpfte Signal ein Spannungsverlauf in der Kollektorspannung Uc mindestens eines Transistors des Stromrichters ist.According to a preferred embodiment of the control unit according to the invention, it is provided that the signal linked to the rotational speed n of the electrical machine is a voltage curve in the collector voltage Uc of at least one transistor of the power converter.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinheit ist vorgesehen, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, den Elektroantrieb (i) von dem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss in den Freilauf-Betriebsmodus in Abhängigkeit einer festen Drehzahlschwelle n1 der elektrischen Maschine und/oder einer festen Spannungsschwelle U1 der Zwischenkreisspannung umzuschalten und/oder (ii) von dem Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss in Abhängigkeit einer weiteren festen Drehzahlschwelle n2 der elektrischen Maschine und/oder einer weiteren festen Spannungsschwelle U2 der Zwischenkreisspannung umzuschalten.According to a further preferred embodiment of the control unit according to the invention, it is provided that the control unit is set up to switch the electric drive (i) from the operating mode with an active short circuit to the freewheeling operating mode as a function of a fixed speed threshold n1 of the electric machine and/or a fixed voltage threshold U1 of the Switch intermediate circuit voltage and / or (ii) switch from the freewheeling operating mode to the operating mode with an active short circuit depending on another fixed speed threshold n2 of the electric machine and / or another fixed voltage threshold U2 of the intermediate circuit voltage.
Alternativ zu der Umschaltung von dem Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss in Abhängigkeit einer weiteren festen Drehzahlschwelle n2 ist die Steuereinheit gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eingerichtet, den Elektroantrieb von dem Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss in Abhängigkeit eines für eine Rückspeisung elektrischer Energie aus der elektrischen Maschine charakteristischen Spannungsverlaufs in der Kollektorspannung Uc des mindestens einen Transistors des Stromrichters umzuschalten.As an alternative to switching from the freewheeling operating mode to the operating mode with an active short circuit depending on a further fixed speed threshold n2, the control unit is set up according to another preferred embodiment to switch the electric drive from the freewheeling operating mode to the operating mode with an active short circuit depending on a for switch over a feedback of electrical energy from the electrical machine characteristic voltage curve in the collector voltage Uc of the at least one transistor of the power converter.
Dabei ist die Steuereinheit bevorzugt eingerichtet, einen für das Umschalten passenden Betriebspunkt mittels einer Auswerteschaltung zur Auswertung des Spannungsverlaufs der Kollektorspannung Uc des Transistors zu ermitteln, die ihrerseits eingerichtet ist, der eigentlichen Kollektorspannung Uc zumindest in einer stromlosen Phase einer jeweiligen Halbbrücke des Stromrichters, in der der Transistor verschaltet ist, einen energieschwachen Messstrom zu überlagern, wobei diese Auswerteschaltung insbesondere von einem entsprechenden Treiber für diesen Transistor gebildet wird.In this case, the control unit is preferably set up to determine an operating point that is suitable for switching by means of an evaluation circuit for evaluating the voltage profile of the collector voltage Uc of the transistor, which in turn is set up to calculate the actual collector voltage Uc at least in a currentless phase of a respective half-bridge of the converter in which the transistor is connected to superimpose a low-energy measurement current, this evaluation circuit being formed in particular by a corresponding driver for this transistor.
Weiterhin ist insbesondere vorgesehen, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die Kollektorspannung Uc des mindestens einen Transistors des Stromrichters zu überwachen.Furthermore, it is provided in particular that the control unit is set up to monitor the collector voltage Uc of the at least one transistor of the power converter.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zeichnungen gezeigt und nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1 einen Elektroantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Stromrichter, einer elektrischen Maschine und einer Steuereinheit zum automatischen Umschalten zwischen Betriebsmodi des Elektroantriebs, -
2 die Ansteuerung eines Transistors des Stromrichters durch eine Steuereinrichtung in schematischer Darstellung, -
3 ein Spannungs-Drehzahl-Kennfeld des Elektroantriebs mit seinen diversen Bereichen, -
4 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Realisierung des Umschaltens zwischen Betriebsmodi mit festen Drehzahlwerten, -
5 ein Spannungs-Drehzahl-Kennfeld des Elektroantriebs mit Grenzen des Umschaltens mit festen Drehzahlwerten, -
6 ein Spannungs-Drehzahl-Kennfeld des Elektroantriebs mit Grenzen des Umschaltens mit Rekuperationserkennung, -
7 ein Blockdiagramm einer ersten erfindungsgemäßen Realisierung des Umschaltens mit Rekuperationserkennung und -
8 eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Realisierung des Umschaltens mit Rekuperationserkennung.
-
1 an electric drive for a motor vehicle with a power converter, an electric machine and a control unit for automatically switching between operating modes of the electric drive, -
2 the activation of a transistor of the power converter by a control device in a schematic representation, -
3 a voltage-speed map of the electric drive with its various areas, -
4 a block diagram of an implementation according to the invention of switching between operating modes with fixed speed values, -
5 a voltage-speed map of the electric drive with limits for switching with fixed speed values, -
6 a voltage-speed map of the electric drive with limits of switching with recuperation detection, -
7 a block diagram of a first implementation according to the invention of switching with recuperation detection and -
8th a schematic representation of a second inventive realization of switching with recuperation detection.
Die
Der DC-Teil des Stromrichters 12 hat eine Spannungsseite 20 und eine Nullpotentialseite 22 zwischen denen ein Kondensator 24 und drei Halbbrücken 26, 28, 30 (für jede der Phasen eine) mit je zwei Schalteinrichtungen 32, 34 pro Halbbrücke 26, 28, 30 angeordnet ist. In der Schaltungsanordnung befinden sich in der Regel (hier nicht eingezeichnete) Strom- und Spannungsmesseinheiten zum Messen diverser Ströme und Spannungen der Schaltungsanordnung. Jede der Schalteinrichtungen 32, 34 des hier gezeigten Beispiels besteht aus einem Transistor 36 und einer parallel zum Transistor 36 geschalteten Diode 38. Die Transistoren 36 sind im Beispiel als IGBTs (IGBT: insulated-gate bipolar transistor - Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) ausgebildet.The DC part of the
Die
Die Steuereinheit 40 ist unter anderem zum automatischen Umschalten des Elektroantriebs 10 zwischen einem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss (AKS) und einem Freilauf-Betriebsmodus in Abhängigkeit von zumindest einem am Elektroantrieb 10 erfassten Signal vorgesehen. Das Umschalten kann dabei in zwei Teilbereiche aufgeteilt werde: (a) ein Umschalten vom Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss zum Freilauf-Betriebsmodus und (b) ein Umschalten vom Freilauf-Betriebsmodus zum Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss. Bei dem hier gezeigten dreiphasigen AC-Teil 16 bzw. der hier gezeigten dreiphasigen elektrischen Maschine wird der Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss auch als 3PS- (3PS: Drei-Phasen-Kurzschließen) und der Freilauf-Betriebsmodus auch als 6SO-Betriebsmodus (6SO: Sechs Schalter Offen) bezeichnet.The
Die
Das Umschalten von dem Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss in den Freilauf-Betriebsmodus (3PS -> 6SO) erfolgt im Beispiel beim festen Drehzahlwert n1 beziehungsweise der festen Spannungsschwelle U1, also bei der ersten Grenze 50. Die Drehzahl n und das Erreichen des festen Drehzahlwerts n1 werden durch Überwachung der Kollektorspannung mindestens eines Transistors 36 des Stromrichters 12 bestimmt. Die Betriebsspannung UHV und das Erreichen der festen Spannungsschwelle U1 wird über die (über dem Kondensator 24 abfallende) Zwischenkreisspannung zwischen Spannungsseite 20 und Nullpotentialseite 22 des DC-Teils bestimmt. Diese entspricht der Betriebsspannung UHV. Das Umschalten vom Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss (6SO ->3PS) erfolgt beim festen Drehzahlwert n2 beziehungsweise der weiteren festen Spannungsschwelle U2, also bei der zweiten Grenze 52. Die Drehzahl n und das Erreichen des festen Drehzahlwerts n2 werden durch Überwachung der Kollektorspannung mindestens eines Transistors 36 des Stromrichters 12 bestimmt. Die Betriebsspannung UHV und das Erreichen der weiteren festen Spannungsschwelle U2 wird über die (über dem Kondensator 24 abfallende) Zwischenkreisspannung zwischen Spannungsseite 20 und Nullpotentialseite 22 des DC-Teils bestimmt. Zusätzlich ist in
Nun kann es noch zu Überspannungen der Betriebsspannung, also Betriebsspannungen oberhalb von UHVmax, kommen, insbesondere im Bereich niedriger Drehzahlen, also dort, wo sich im normalen Betriebsspannungs-Bereich (mit UHVmin ≤ UHV ≤ UHVmax) der Freilauf-Bereich 44 befindet. Oberhalb der Spannung UHvmax gibt es noch eine weitere feste Spannungsschwelle Umax, oberhalb derer immer der Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss vorherrscht bzw. gewählt wird. Auch dies erfolgt mittels der Steuereinheit 40.Overvoltages in the operating voltage, i.e. operating voltages above U HVmax , can still occur, particularly in the low speed range, i.e. where the
Die
Die
Die
Soll durch Umschalten vom Freilauf-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit aktivem Kurzschluss (6SO ->3PS) im Bereich der alternativen zweiten Grenze 52' in Abhängigkeit eines für eine Rückspeisung elektrischer Energie aus der elektrischen Maschine 18 charakteristischen Spannungsverlaufs in der Kollektorspannung mindestens eines Transistors 36 des Stromrichters 12 eine Rekuperationserkennung realisiert werden, die auch außerhalb des Betriebsspannungsbereiches funktioniert, so stößt das System auf ein prinzipielles Problem, welches in
Im Dreiecksbereich 62 sinkt mit UHV auch der Abstand zwischen Umschaltung 3PS -> 6SO und 6SO -> 3PS. Das würde zu instabilen Betriebspunkten führen. Im Dreiecksbereich 64 ist die Schaltung im Dilemma zwischen 3PS und 6SO. Das kann jedoch auch Drehzahlabhängig dadurch aufgelöst werden, dass 6SO dominant ist.In the
Ein weiteres Problem stellt sich, da die Umschaltelogik sowie die 3PS stellenden Treiber im Fehlerfall der Steuereinheit, also auch bei Verlust der KL30 Spannung arbeiten müssen. Daher müssen diese aus der Spannung UHV versorgt werden.Another problem arises because the switchover logic and the 3PS drivers have to work in the event of a fault in the control unit, i.e. even if the KL30 voltage is lost. Therefore, these must be supplied from the voltage UHV.
Als Folge eines Verlustes der KL30 Spannung der primären Steuerelektronik kann es gleichzeitig zum Öffnen der Batterieschütze kommen. Wird nun auf Grund der Drehzahl 3PS gestellt, so sinkt die Spannung UHV ab, sodass die Versorgung von Umschaltlogik und Treiber nicht mehr gewährleistet ist.As a result of a loss of the KL30 voltage of the primary control electronics, the battery contactors can open at the same time. If 3PS is now set due to the speed, the voltage UHV drops so that the supply of switching logic and driver is no longer guaranteed.
Aus
Der Block 66 (Frequ Mon) setzt den Ausgang zurück, wenn die ermittelte Drehzahl n unter n1 fällt. Sobald der Ausgang rückgesetzt wird (/6SO) wird der Frequ Mon unabhängig vom Uc Eingang auf einen hohen Frequenzwert gesetzt und auf diesen Wert gehalten solange /6SO gesetzt bleibt. Somit wird sichergestellt, dass, obwohl im Zustand /6SO keine Frequenz gemessen werden kann, unmittelbar nach dem Rücksprung in den Zustand 3PS nicht sofort wieder /6SO angefordert wird, und es somit zum Prellen der Schaltung kommt.The block 66 (Frequ Mon) resets the output if the determined speed n falls below n1. As soon as the output is reset (/6SO), the Frequ Mon is set to a high frequency value independently of the Uc input and maintained at this value as long as /6SO remains set. This ensures that, although no frequency can be measured in the /6SO state, /6SO is not immediately requested again immediately after the return to the 3PS state, which would result in the circuit chattering.
Der Block 68 (Rekup Mon) setzt den Ausgang der Schaltung, sobald Stromfluss über den überwachten Transistor 36 bzw. über dessen paralleler Diode 38 erkannt wird, bzw. sobald die Spannung über den betrachteten Transistor 36 soweit einbricht, dass ein Stromfluss bei weiterem Anstieg der Drehzahl bald zu erwarten ist.Block 68 (Rekup Mon) sets the output of the circuit as soon as current flow through the monitored
Der Block 70 (Lock 6SO) gemeinsam mit den beiden nachgeschalteten Logikgattern (Inverter 72 und Und-Glied 74) soll vermeiden, dass im Zustand 3PS ein nachgeschaltetes Flip-Flop 76 gesetzt wird. Das wäre weiter nicht schlimm, doch bewirkt die Ausschaltverzögerung des Blocks 70 (Lock 6SO), dass unmittelbar nach dem Umschalten in den Zustand 6SO, Rekup Mon das Flip Flop 76 wieder setzt. Dadurch wird ein Prellen verhindert und vor allem wird verhindert, dass der abklingende AKS Strom (lu, Iv, Iw - baut sich im Zustand 3PS auf) die Rekuperationserkennung auslöst. Das Überwachungsmodul 54 (in einer leichten Abwandlung als Module 54, 54') und die Logik-Gatter 58, 60 sind dann analog
Dabei ergibt sich die folgende Verknüpfung nach dem Ausgang des RS Flip Flops 76:
- - Die höchste Priorität bekommt UHV > UOV_max. Der Ausgang dieses Blocks überschreibt, wenn er 1 ist, die drehzahlabhängigen Blöcke. (OR)
- - Die nächste Priorität soll n < n1 erhalten. Erst wenn n > n1 ist, werden die Umschaltungen aktiv. (AND)
- - Die beiden Umschaltungen werden verknüpft (OR)
- - In
62, 64 unterhalb von U2 soll die spannungsabhängige Umschaltung gegenüber der drehzahlabhängigen dominieren, um nicht in einen instabilen Bereich zu gelangen, wo nichtmehr ausreichend Abstand zwischen n1 und n2 herrscht. (AND)den beiden Dreiecksbereichen
- - U HV > U OV_max gets the highest priority. The output of this block, when 1, overwrites the speed dependent blocks. (OR)
- - The next priority should be n < n1. The switchovers only become active when n > n1. (AND)
- - The two switches are linked (OR)
- - In the two
62, 64 below U2, the voltage-dependent switching should dominate over the speed-dependent switching in order not to get into an unstable area where there is no longer a sufficient distance between n1 and n2. (AND)triangular areas
Es ergibt sich folgender Zusammenhang:
Dieser Zusammenhang kann auch als Wahrheitstabelle (Tabelle 1) dargestellt werden: Tabelle 1: Wahrheitstabelle Umsetzung 1 der Fig. 7
Der durchgestrichene Abschnitt in der oben genannten Formel stellt eine optionale Bedingung dar. Die durchgestrichenen Einträge in den Tabelle 1 und 2 sind theoretischer Natur, nur der Vollständigkeit halber dargestellt und treten nicht auf, da sie mindestens einer der angegebenen Bedingungen widersprechen. Der Eintrag „x->1“ der Tabelle 1 entspricht inhaltlich der Bedingung „[n>n1 AND U>U2 AND 3PS/6SO(n)]“ der oben genannten Formel und ist insbesondere als (von dieser Bedingung ausgehende) Veränderung zum Ausgangssignal „1“ zu interpretieren. Das Zeichen „X“ in der Tabelle 1 ist vorzugsweise als „nicht definiert“ zu interpretieren.The crossed-out section in the above formula represents an optional condition. The crossed-out entries in Tables 1 and 2 are theoretical in nature, presented for completeness only, and do not occur because they contradict at least one of the stated conditions. The entry "x->1" in Table 1 corresponds to the content of the condition "[n>n1 AND U>U2 AND 3PS/6SO(n)]" of the above formula and is in particular a change (based on this condition) to the output signal to interpret "1". The character "X" in Table 1 should preferably be interpreted as "not defined".
Dabei gilt:
Vorteilhafterweise kann die Überwachung U>Umax auch hinter das Flip Flop geschoben werden:
Dieser Zusammenhang kann auch als Wahrheitstabelle (Tabelle 2) dargestellt werden: Tabelle 2: Wahrheitstabelle Umsetzung 1 der Fig. 8
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Elektroantriebelectric drive
- 1212
- Stromrichterpower converter
- 1414
- DC-TeilDC part
- 1616
- AC-TeilAC part
- 1818
- elektrische Maschineelectric machine
- 2020
- Spannungsseitevoltage side
- 2222
- Nullpotentialseitezero potential side
- 2424
- Kondensatorcapacitor
- 26, 28, 3026, 28, 30
- Halbbrückenhalf bridges
- 3232
- Schalteinrichtung (Spannungsseite)switching device (voltage side)
- 3434
- Schalteinrichtung (Nullpotentialseite)Switching device (zero potential side)
- 3636
- Transistortransistor
- 3838
- Diodediode
- 4040
- Steuereinrichtungcontrol device
- 4242
- Treiberdriver
- 4444
- Freilauf-Bereichfreewheel area
- 44', 44"44', 44"
- Teilbereiche (Freilauf-Bereich)Sub-areas (freewheel area)
- 4646
- AKS-BereichAKS area
- 4848
- Hysterese-Bereichhysteresis range
- 5050
- erste Grenzefirst border
- 5252
- zweite Grenzesecond border
- 52'52'
- zweite Grenze (alternative)second border (alternative)
- 54 - 6054 - 60
- Modulmodule
- 6262
- Dreiecksbereichtriangle area
- 6464
- Dreiecksbereichtriangle area
- 66 - 7666 - 76
- Modulmodule
- nn
- Drehzahlrotational speed
- UcUc
- Kollektorspannungcollector voltage
- UHVUHV
- Betriebs- bzw. Zwischenkreisspannungoperating or intermediate circuit voltage
- tt
- Zeittime
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 2020/0067443 A1 [0004, 0014]US 2020/0067443 A1 [0004, 0014]
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-
2021
- 2021-02-26 DE DE102021201859.9A patent/DE102021201859A1/en active Pending
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