DE102021210336A1 - Device and method for operating an electrical machine - Google Patents

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Uwe Rauscher
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Abstract

Vorrichtung (100) und Verfahren (400) zum Betreiben einer elektrischen Maschine (190). Die Vorrichtung (100) umfasst ein Leistungsmodul (110) eines Wechselrichters (120). Das Leistungsmodul (110) umfasst eine Mehrzahl von Schaltelementen (112Px, 112Nx) und einen Gate-Treiber-ASIC (114). Der Gate-Treiber-ASIC (114) ist dazu ausgelegt, bei einem Übergang von einem gesteuerten Betrieb zu einem Kurzschlussbetrieb die Schaltelemente (112Px, 112Nx) nach einem vorgegebenen Ablauf anzusteuern.Device (100) and method (400) for operating an electrical machine (190). The device (100) includes a power module (110) of an inverter (120). The power module (110) includes a plurality of switching elements (112Px, 112Nx) and a gate driver ASIC (114). The gate driver ASIC (114) is designed to drive the switching elements (112Px, 112Nx) according to a predetermined sequence when there is a transition from controlled operation to short-circuit operation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einer Vorrichtung sowie ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang.The invention relates to a device and a method for operating an electrical machine. Furthermore, the invention relates to a drive train with a device and a vehicle with a drive train.

Stand der TechnikState of the art

In aktuellen Automobilgenerationen spielt die Elektromobilität eine immer wichtigere Rolle. Elektroantriebe kommen entweder komplett als Alternative zum bekannten Verbrennungsmotor oder als Unterstützung des Verbrennungsmotors (Hybrid) zum Einsatz. Das Konzept dieser Antriebe sieht momentan eine Traktionsbatterie mit in Serie geschalteten Batteriezellen, einem entsprechenden Zwischenkreis und einem Inverter vor. Mittels eines Wechselrichters wird die am Zwischenkreis anliegende Gleichspannung der Traktionsbatterie in eine mehrphasige Wechselspannung gewandelt zur Versorgung der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebstrangs. Dieses Antriebskonzept kann auch generatorisch genutzt werden um Bewegungsenergie wieder in elektrische Energie zurückzuwandeln. Aufgrund von Nutzung, Verschleiß und Alterung können an der hierzu verwendeten Elektronik Defekte entstehen. Im Falle eines Defektes muss dies detektiert werden und das Antriebssystem in einen sicheren Zustand versetzt werden, dass seitens des elektrischen Antriebsstrangs keine Gefahr auf Nutzer oder Unbeteiligte im Umfeld des elektrischen Antriebsstrangs ausgeht. Als ein sicherer Zustand ist der sogenannte aktive Kurzschluss (AKS) einer elektrischen Maschine bekannt. Dabei werden die einzelnen Wicklungen der elektrischen Maschine miteinander kurzgeschlossen. Im Fehlerfall kann somit keine Energie generatorisch in die Elektronik zurückgespeist werden und es stellt sich ein bremsendes Drehmoment am Rotor der elektrischen Maschine ein. Zum Einstellen des aktiven Kurzschlusses werden mittels dauerhaftem Schließen aller high- oder low-side-Schaltelemente in einem Wechselrichter die einzelnen Wicklungen der elektrischen Maschine miteinander kurzgeschlossen. Aktuell wird zwischen einem „harten“ aktiven Kurzschluss und einem „safe turn off“ (STO) unterschieden. Bei dem „harten“ aktiven Kurzschluss wird mittels einer diskret aufgebauten Hardware unmittelbar sofort nach Auftreten eines Fehlers einmalig und dauerhaft in den aktiven Kurzschluss geschaltet, es werden die Wicklungen der elektrischen Maschine mittels Schließen der Schaltelemente miteinander verbunden und kurz geschlossen. Da sich der Stromfluss wegen der im System befindlichen Induktivitäten jedoch aufrechterhalten will, treten im ersten Moment nach Schalten des Kurzschlusses erhebliche Spannungsüberhöhungen an den in den jeweiligen Halbbrücken befindlichen jeweils gegenüberliegenden Schaltelementen oder Leistungsschaltern auf, was nochmal zu einem kurzzeitigen Strompeak im System führt. Um diesen Effekt zu minimieren, erfolgt alternativ, anstatt eines harten und einmaligen Schaltens in den Kurzschluss, ein gesteuertes Schalten in den Kurzschluss. Dies wird safe turn off genannt. Aus der Druckschrift EP 3 083 320 B1 ist ein entsprechendes Verfahren bekannt, bei dem beim Schalten in den aktiven Kurzschluss keine relevanten Spanungs- oder Stromüberhöhungen auftreten. Abhängig vom aktuellen Betriebsmodus des Fahrzeuges und dem entsprechend gestellten Strom, kann das Schalten in den aktiven Kurzschluss individuell erfolgen. Gesteuert wird dies durch die Software innerhalb einer Steuerlogik des Wechselrichters oder des Inverters. Die Steuerlogik gibt Signale aus, die mittels einer Schnittstelle an einen Gate Treiber übertragen werden. Der safe turn off wird über die Software des Wechselrichters gesteuert. Hierzu wird über eine Schnittstelle ein Gate Treiber angesteuert, der wiederum das Leistungsmodul ansteuert. Dabei werden die Schaltelemente getaktet angesteuert und sanft in den oberen (high-side Schaltelemente geschlossen) oder unteren (low-side Schaltelemente geschlossen) aktiven Kurzschluß getaktet. Aufgrund des sanften Antaktens in den aktiven Kurzschluss treten nur geringe Spannungs- und somit Stromüberhöhungen an den Schaltelementen oder Leistungshalbleiter auf. Daher sind hierzu keine Designvorhalte zu berücksichtigen. Safe turn off wird bevorzugt über den zentralen µC des Wechselrichters und über die Software gesteuert. Daher kann dieses Verfahren bei bestimmten Fehlerarten nicht verwendet werden. Hierzu gehören Fehler wie Softwarefehler, Softwarereset, Hardwarefehler in dem µC und Peripherie und Fehler in der Übertragung von µC zum Gate-Treiber. Bei Auftreten dieser Fehlerarten muss der „harte“ aktive Kurzschluss aktiviert werden, da dieser ohne Software µC funktioniert. Um alle Fehlermöglichkeiten berücksichtigen zu können, werden beide Möglichkeiten des Schaltens in den aktiven Kurzschluss vorgehalten. In allen Fällen bei denen die Wechselrichter-Logik und Software noch funktionieren wird bevorzugt das safe turn off Verfahren angewendet. In allen anderen Fällen muss hart in den aktiven Kurzschluss geschaltet werden. Auch wenn nur sehr selten die Methode „harter“ aktiver Kurzschluss angewandt wird, muss das Gerät mit den Auswirkungen der kurzzeitig auftretenden sehr hohen Spannungen und Strömen standhalten. Das bedeutet entsprechend Mehraufwand in der Systemauslegung, z.B. Auswahl von Materialien und Stoffen, als auch bei der Chipauslegung, was wiederum zu erhöhten Produktkosten führt. Es besteht daher Bedarf für alternative Ansteuerlösungen, die auch bei einem Ausfall der Inverter-Logik und/ oder Software noch ein safe turn off ermöglichen.Electromobility is playing an increasingly important role in the current generation of automobiles. Electric drives are used either completely as an alternative to the well-known combustion engine or as support for the combustion engine (hybrid). The concept behind these drives is currently a traction battery with battery cells connected in series, a corresponding intermediate circuit and an inverter. By means of an inverter, the DC voltage of the traction battery present at the intermediate circuit is converted into a multi-phase AC voltage for supplying the electrical machine of the electrical drive train. This drive concept can also be used as a generator to convert kinetic energy back into electrical energy. Defects can occur in the electronics used for this purpose due to use, wear and tear and aging. In the event of a defect, this must be detected and the drive system must be placed in a safe state so that the electric drive train does not pose a risk to users or bystanders in the area surrounding the electric drive train. The so-called active short circuit (ACS) of an electrical machine is known to be a safe state. The individual windings of the electrical machine are short-circuited with one another. In the event of a fault, no energy can be fed back into the electronics as a generator, and a braking torque occurs on the rotor of the electrical machine. To set the active short circuit, the individual windings of the electrical machine are short-circuited with one another by permanently closing all high-side or low-side switching elements in an inverter. A distinction is currently made between a "hard" active short circuit and a "safe turn off" (STO). With the "hard" active short circuit, a discretely constructed hardware is used to switch to the active short circuit once and permanently immediately after the occurrence of an error. The windings of the electrical machine are connected to one another by closing the switching elements and short circuited. However, since the current flow wants to be maintained due to the inductances in the system, considerable voltage increases occur at the opposite switching elements or power switches in the respective half-bridges in the first moment after the short circuit has been switched, which again leads to a brief current peak in the system. In order to minimize this effect, instead of a hard and one-time switching into the short circuit, a controlled switching into the short circuit takes place. This is called a safe turn off. From the pamphlet EP 3 083 320 B1 a corresponding method is known in which no relevant voltage or current overshoots occur when switching to the active short circuit. Depending on the current operating mode of the vehicle and the corresponding current, switching to the active short circuit can be done individually. This is controlled by the software within a control logic of the inverter or inverter. The control logic outputs signals that are transmitted to a gate driver via an interface. The safe turn off is controlled by the inverter software. For this purpose, a gate driver is controlled via an interface, which in turn controls the power module. The switching elements are controlled in a clocked manner and gently clocked into the upper (high-side switching elements closed) or lower (low-side switching elements closed) active short circuit. Due to the gentle triggering in the active short circuit, only slight voltage and thus current overshoots occur at the switching elements or power semiconductors. Therefore, no design reservations need to be taken into account. Safe turn off is preferably controlled via the central µC of the inverter and via the software. Therefore, this method cannot be used for certain types of errors. This includes errors such as software errors, software resets, hardware errors in the µC and peripherals and errors in the transmission from the µC to the gate driver. If these types of errors occur, the "hard" active short circuit must be activated, since this works without software µC. In order to be able to take all possible faults into account, both options for switching to the active short circuit are provided. In all cases where the inverter logic and software still work, the safe turn off procedure is preferably used. In all other cases, hard switching to the active short circuit is required. Even if the "hard" active short-circuit method is only used very rarely, the device must be able to withstand the effects of the very high voltages and currents that occur for a short time. This means correspondingly more work in the system design, for example the selection of materials and substances, as well as in the chip design, which in turn leads to increased product costs. There is therefore a need for alternative control solutions that still enable a safe turn off even if the inverter logic and/or software fails.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es wird eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst ein Leistungsmodul eines Wechselrichters. Das Leistungsmodul umfasst eine Mehrzahl von Schaltelementen und einen Gate-Treiber-ASIC. Der Gate-Treiber-ASIC ist dazu ausgelegt, durch Ansteuern der Schaltelemente in einem gesteuerten Betrieb eine Wechselspannung an den Anschlüssen der elektrischen Maschine bereitzustellen und in einem Kurzschlussbetrieb die Anschlüsse der elektrischen Maschine elektrisch miteinander zu verbinden. Weiter ist der Gate-Treiber-ASIC dazu ausgelegt, bei einem Übergang von dem gesteuerten Betrieb zu dem Kurzschlussbetrieb die Schaltelemente nach einem vorgegebenen Ablauf anzusteuern.A device for operating an electrical machine is provided. The device includes a power module of an inverter. The power module includes a plurality of switching elements and a gate driver ASIC. The gate driver ASIC is designed to provide an AC voltage at the terminals of the electrical machine by driving the switching elements in controlled operation and to electrically connect the terminals of the electrical machine to one another in short-circuit operation. Furthermore, the gate driver ASIC is designed to drive the switching elements according to a predetermined sequence when there is a transition from controlled operation to short-circuit operation.

Es wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die ein Leistungsmodul umfasst. Ein Leistungsmodul umfasst mehrere Schaltelemente oder Leistungshalbleiter. Beispielsweise umfasst ein Leistungsmodul zur Versorgung einer dreiphasigen elektrischen Maschine eine B6-Brücken-Schaltung. Das sind drei parallel geschaltete Halbbrücken. Eine Halbbrücke umfasst eine Reihenschaltung zweier Schaltelemente und ist zwischen die Gleichspannungspotentiale oder Eingangsanschlüsse eines Wechselrichters geschaltet. Je ein Mittelabgriff zwischen den beiden Schaltelementen ist mit einem der Phasenanschlüsse für den Anschluss an eine mehrphasige elektrische Maschine elektrisch verbunden. Mittels Schließen eines des oberen oder unteren Schaltelemente einer Halbbrücke wird eine elektrische Verbindung zwischen dem oberen oder dem unteren Gleichspannungspotential und einem Phasenanschluss hergestellt. Das Leistungsmodul umfasst weiter einen Gate-Treiber-ASIC. Zur Ansteuerung der Schaltelemente umfassen diese einen Ansteuerkontakt oder ein Gate. Wenn an diesen Ansteuerkontakt ein Schaltsignal mit einem hohen Pegel oder Spannung angelegt wird, schließt das Schaltelement. Sobald ein geringer Pegel oder Spannung an dem Ansteuerkontakt oder an dem Gate anliegt, öffnet das Schaltelement wieder. Ein Gate-Treiber ist eine elektronische Schaltung, die in Abhängigkeit eines Ansteuersignals den entsprechenden Pegel an dem Gate oder Ansteuerkontakt bereitstellt. Ein ASIC ist eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch application-specific integrated circuit, ASIC, auch Custom Chip). Es ist eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert wurde. Die Funktion eines ASICs ist damit nicht mehr veränderbar. Bei großen Stückzahlen amortisieren die geringeren Herstellungskosten die einmalig hohen Entwicklungskosten. Das Leistungsmodul mit den integrierten Schaltelementen umfasst einen Gate-Treiber-ASIC, also eine integrierte Schaltung zur Ansteuerung der Ansteuerkontakte. Sowohl die Schaltelemente als auch die integrierte Schaltung sind zusammen in ein Bauelement vergossen. In einem gesteuerten Betrieb stellt das Leistungsmodul, somit der Gate-Treiber-ASIC und die angesteuerten Schaltelemente zusammen, eine Wechselspannung an den Phasenanschlüssen des Wechselrichters bereit. In einem Kurzschlussbetrieb verbindet das Leistungsmodul, somit der Gate-Treiber-ASIC und die angesteuerten Schaltelemente zusammen, die Phasenanschlüsse für den Anschluss einer elektrischen Maschine elektrisch miteinander nach einem vorgegebenen Ablauf. Bevorzugt ist in dem Gate-Treiber-ASIC ein Ablauf für die Ansteuerung der Schaltelemente vorgegeben, der die Schaltelemente derart ansteuert, dass sanft in einen safe turn off geschaltet wird. Dies kann bevorzugt individuell angepasst werden, bevorzugt mittels eines Kennfeldes innerhalb des Gate-Treiber-ASICS in Abhängigkeit von Betriebspunkt, ermittelter aktueller Drehzahl und/ oder Spannungen oder Strömen der elektrischen Maschine oder des Gleichspannungpotentials am Eingang des Wechselrichters. An apparatus is provided that includes a power module. A power module includes multiple switching elements or power semiconductors. For example, a power module for supplying a three-phase electrical machine includes a B6 bridge circuit. These are three half-bridges connected in parallel. A half-bridge comprises a series connection of two switching elements and is connected between the DC voltage potentials or input terminals of an inverter. A center tap between the two switching elements is electrically connected to one of the phase connections for connection to a multi-phase electrical machine. By closing one of the upper or lower switching elements of a half-bridge, an electrical connection is established between the upper or the lower DC voltage potential and a phase connection. The power module further includes a gate driver ASIC. To control the switching elements, these include a control contact or a gate. If a switching signal with a high level or voltage is applied to this control contact, the switching element closes. As soon as a low level or voltage is present at the control contact or at the gate, the switching element opens again. A gate driver is an electronic circuit that provides the appropriate level at the gate or drive contact depending on a drive signal. An ASIC is an application-specific integrated circuit (English application-specific integrated circuit, ASIC, also custom chip). It is an electronic circuit realized as an integrated circuit. The function of an ASIC can no longer be changed. In the case of large quantities, the lower production costs amortize the one-time high development costs. The power module with the integrated switching elements includes a gate driver ASIC, i.e. an integrated circuit for controlling the control contacts. Both the switching elements and the integrated circuit are cast together in one component. In controlled operation, the power module, i.e. the gate driver ASIC and the controlled switching elements together, provide an AC voltage at the phase connections of the inverter. In short-circuit operation, the power module, and thus the gate driver ASIC and the activated switching elements together, electrically connect the phase connections for connecting an electrical machine to one another according to a predetermined sequence. A sequence for controlling the switching elements is preferably specified in the gate driver ASIC, which sequence controls the switching elements in such a way that switching to a safe turn off is performed gently. This can preferably be adjusted individually, preferably using a characteristic field within the gate driver ASICS depending on the operating point, determined current speed and/or voltages or currents of the electrical machine or the DC voltage potential at the input of the inverter.

Vorteilhaft wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die unabhängig einen safe turn off einstellt. Somit muss in der Auslegung eines Wechselrichters nicht auf den Sonderbetriebsfall des „harten“ Schaltens eines aktiven Kurzschlusses Rücksicht genommen werden und es sind deutliche Einsparungen bei Chipflächen der Leistungshalbleiter, bzw. Materialien in der Aufbau- und Verbindungstechnik möglich.A device is advantageously provided which independently sets a safe turn off. This means that when designing an inverter, the special operating case of "hard" switching of an active short circuit does not have to be taken into account and significant savings are possible in chip areas of the power semiconductors or materials in the assembly and connection technology.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Ansteuern der Schaltelemente nach einem vorgegebenen Ablauf das Einstellen der Amplitude der an den Phasenanschlüssen für den Anschluss der elektrischen Maschine bereitgestellten Wechselspannung auf einen vorbestimmten Wert.In another embodiment of the invention, the actuation of the switching elements according to a predetermined sequence includes setting the amplitude of the AC voltage provided at the phase terminals for connecting the electrical machine to a predetermined value.

Der Gate Treiber ASIC ist dazu ausgelegt, die Amplitude der an den Phasenanschlüssen für den Anschluss der elektrischen Maschine bereitgestellten Wechselspannung während einem Übergang von dem gesteuerten Betrieb in den Kurzschlussbetrieb auf 0 Volt abzusenken und bevorzugt anschließend die Schaltelemente für einen unteren oder oberen aktiven Kurzschluss dauerhaft zu schließen. Alternativ kann die Amplitude der an den Phasenanschlüssen für den Anschluss der elektrischen Maschine bereitgestellten Wechselspannung während einem Übergang von dem gesteuerten Betrieb in den Kurzschlussbetrieb auf einen Wert abgesenkt werden, der kleiner ist als die Phasenspannung an den Phasenanschlüssen für den Anschluss der elektrischen Maschine während des gesteuerten Betriebs. Durch ein solches Absenken der elektrischen Spannung an den Phasenanschlüssen für den Anschluss der elektrischen Maschine vor dem Übergang in den aktiven Kurzschluss kann sichergestellt werden, dass es zu keinen gefährlichen Überströmen kommt, die zu Beschädigungen oder einer vorzeitigen Alterung der verwendeten Bauteile führen würden.The gate driver ASIC is designed to lower the amplitude of the AC voltage provided at the phase connections for connecting the electrical machine to 0 volts during a transition from controlled operation to short-circuit operation and then preferably closes the switching elements for a lower or upper active short circuit permanently close. Alternatively, the amplitude of the AC voltage provided at the phase connections for connecting the electrical machine can be lowered to a value during a transition from controlled operation to short-circuit operation, which is lower than the phase voltage at the phase connections for connecting the electrical machine during controlled operating. By such a lowering of the electrical voltage at the phase connections for connecting the electrical mechanical machine before the transition to the active short circuit, it can be ensured that there are no dangerous overcurrents that would lead to damage or premature aging of the components used.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Leistungsmodul einen Fehlerpin. Mittels dem Fehlerpin wird das Ansteuern der Schaltelemente nach einem vorgegebenen Ablauf aktiviert.In another embodiment of the invention, the power module includes an error pin. The control of the switching elements is activated according to a specified sequence by means of the error pin.

An dem Leistungsmodul ist ein Fehlerpin angeordnet. Wenn ein Pegel an diesem Fehlerpin eine vorgebbare Spannung übersteigt, wird der Gate-Treiber-ASIC direkt angesteuert und in dem Gate-Treiber-ASIC wird direkt das Ansteuern der Schaltelemente nach einem vorgegebenen Ablauf aktiviert. Das bedeutet, dass die Vorrichtung von dem gesteuerten Betrieb in den Kurzschlussbetrieb übergeht. Vorteilhaft ist kein weiterer µC oder eine Inverter-Logik oder eine weitere funktionierende Schaltung/ Steuergerät im Fehlerfall notwendig, um die Vorrichtung, und bevorzugt eine daran angeschlossene elektrische Maschine, in einen sicheren Zustand zu überführen.An error pin is arranged on the power module. If a level at this error pin exceeds a predeterminable voltage, the gate driver ASIC is driven directly and the driving of the switching elements is activated directly in the gate driver ASIC according to a predetermined sequence. This means that the device changes from controlled operation to short-circuit operation. Advantageously, no further μC or an inverter logic or another functioning circuit/control unit is necessary in the event of a fault in order to transfer the device, and preferably an electrical machine connected to it, to a safe state.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der vorgegebene Ablauf innerhalb des Gate-Treiber-ASIC fest implementiert.In another embodiment of the invention, the specified sequence is permanently implemented within the gate driver ASIC.

Es wird eine Vorrichtung bereitgestellt, wobei der vorgegebene Ablauf in dem Gate-Treiber-ASIC fest implementiert ist. Das bedeutet, dass der vorgegebene Ablauf hart über eine Logik im Gate-Treiber-ASIC vorgehalten wird oder unveränderlich als integrierte Schaltung innerhalb des Gate-Treiber-ASIC umgesetzt ist. Vorteilhaft wird eine Variante zur Integration innerhalb des Gate-Treiber-ASIC bereitgestellt.A device is provided in which the predetermined sequence is permanently implemented in the gate driver ASIC. This means that the specified sequence is stored hard via logic in the gate driver ASIC or is immutably implemented as an integrated circuit within the gate driver ASIC. A variant for integration within the gate driver ASIC is advantageously provided.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der vorgegebene Ablauf über ein programmierbares ROM/ EPROM innerhalb des Gate-Treiber-ASIC implementiert.In another embodiment of the invention, the specified sequence is implemented via a programmable ROM/EPROM within the gate driver ASIC.

Es wird eine Vorrichtung bereitgestellt, wobei der vorgegebene Ablauf in dem Gate-Treiber-ASIC über einen programmierbaren Speicherbaustein innerhalb des Gate-Treiber-ASIC implementiert ist. Das bedeutet, dass der vorgegebene Ablauf einstellbar über einen programmierbaren Speicherbaustein, bevorzugt ein ROM oder EPROM, im Gate-Treiber-ASIC vorgehalten wird. Bevorzugt erfolgt somit mittels Programmierung die Einstellung des vorgegebenen Ablaufs in Abhängigkeit von dem Wechselrichter und dessen Leistung, bevorzugt bei einem End-of-Line-Test des Wechselrichters. Vorteilhaft wird eine Variante zur Integration innerhalb des Gate-Treiber-ASIC bereitgestellt.A device is provided, with the specified sequence being implemented in the gate driver ASIC via a programmable memory component within the gate driver ASIC. This means that the specified sequence can be set in the gate driver ASIC via a programmable memory module, preferably a ROM or EPROM. The setting of the specified sequence as a function of the inverter and its power is thus preferably carried out by means of programming, preferably in an end-of-line test of the inverter. A variant for integration within the gate driver ASIC is advantageously provided.

Ferner umfasst die Erfindung einen elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs. Der elektrische Antriebsstrang umfasst eine beschriebene Vorrichtung und einen Wechselrichter. Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang eine Traktionsbatterie.Furthermore, the invention includes an electric drive train of a vehicle. The electric drive train includes a device described and an inverter. The drive train preferably includes a traction battery.

Ein Antriebstrang eines Fahrzeugs dient der Wandlung elektrischer Energie aus einer Energiequelle in mechanische Energie, die für den Vortrieb des Fahrzeugs eingesetzt wird. Bei einem elektrischen Antriebsstrang wird beispielsweise die elektrische Energie aus einer Energiequelle mittels eines Wechselrichters in eine Wechselspannung umgewandelt, mit der eine elektrische Maschine betrieben wird. Mittels der Vorrichtung wird eine Möglichkeit bereitgestellt, den Antriebsstrang effektiv in einen sicheren Zustand zu überführen.A drive train of a vehicle is used to convert electrical energy from an energy source into mechanical energy, which is used to propel the vehicle. In an electric drive train, for example, the electric energy from an energy source is converted into an AC voltage by means of an inverter, with which an electric machine is operated. The device provides a way of effectively converting the drive train into a safe state.

Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, mit einem wie bisher beschriebenen Antriebsstrang. Vorteilhaft wird ein Fahrzeug bereitgestellt, welches effektiv in einen sicheren Zustand überführt wird.Furthermore, the invention relates to a vehicle with a drive train as previously described. A vehicle is advantageously provided which is effectively transferred to a safe state.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine. Das Verfahren wird mittels einer Vorrichtung durchgeführt. Die Vorrichtung umfasst ein Leistungsmodul eines Wechselrichters. Das Leistungsmodul umfasst eine Mehrzahl von Schaltelementen und einen Gate-Treiber-ASIC. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ansteuern der Schaltelemente mittels dem Gate-Treiber-ASIC in einem gesteuerten Betrieb zur Bereitstellung einer Wechselspannung an den Anschlüssen der elektrischen Maschine und Ansteuern der Schaltelemente mittels dem Gate-Treiber-ASIC nach einem vorgegebenen Ablauf bei einem Übergang von dem gesteuerten Betrieb zu dem Kurzschlussbetrieb.Furthermore, the invention relates to a method for operating an electrical machine. The method is carried out using a device. The device includes a power module of an inverter. The power module includes a plurality of switching elements and a gate driver ASIC. The method comprises the steps: Driving the switching elements using the gate driver ASIC in a controlled operation to provide an AC voltage at the terminals of the electrical machine and driving the switching elements using the gate driver ASIC according to a predetermined sequence when there is a transition from the controlled operation to the short-circuit operation.

Es wird ein Verfahren bereitgestellt, eine elektrische Maschine anzusteuern. Im gesteuerten Betrieb wird die elektrische Maschine in Abhängigkeit eines vorgegebenen Drehmomentes angesteuert. Entsprechend rotiert der Rotor der elektrischen Maschine und gibt ein entsprechendes Drehmoment ab. In einem Fehlerfall wird das Leistungsmodul innerhalb des Wechselrichters in einen sicheren Zustand überführt. Hierzu wird im Gate-Treiber-ASIC ein vorgegebener Ablauf aktiviert, mit dem die oberen oder unteren Schaltelemente des Leistungsmoduls angesteuert oder getaktet werden und geschlossen werden. Es wird ein safe turn off durchgeführt. Somit werden die elektrischen Phasen der angeschlossenen elektrischen Maschine kurzgeschlossen und der gesamte Antriebsstrang oder das Fahrzeug in einen sicheren Zustand überführt. Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, das die Vorrichtung, den Wechselrichter, den Antriebsstrang oder das Fahrzeug effektiv in einen sicheren Zustand überführt.A method is provided for controlling an electric machine. In open-loop operation, the electric machine is activated as a function of a specified torque. The rotor of the electrical machine rotates accordingly and delivers a corresponding torque. In the event of an error, the power module within the inverter is switched to a safe state. For this purpose, a predetermined sequence is activated in the gate driver ASIC, with which the upper or lower switching elements of the power module are controlled or clocked and closed. A safe turn off is carried out. The electrical phases of the connected electrical machine are thus short-circuited and the entire drive train or the vehicle is brought into a safe state. A method is advantageously provided which effectively transfers the device, the inverter, the drive train or the vehicle to a safe state.

Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Vorrichtung entsprechend auf das Verfahren bzw. den Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.It goes without saying that the features, properties and advantages of the device apply or can be applied accordingly to the method or the drive train and the vehicle and vice versa.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention result from the following description with reference to the accompanying drawings.

Figurenlistecharacter list

Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung,
  • 2 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang mit der Vorrichtung,
  • 7 ein schematisch dargestelltes Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine
In the following, the invention will be explained in more detail with reference to some figures, showing:
  • 1 a schematic representation of the device,
  • 2 a vehicle shown schematically with a drive train with the device,
  • 7 a schematically illustrated method for operating an electrical machine

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 190. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Leistungsmodul 110 eines Wechselrichters 120, Pulswechselrichters oder Inverters. Das Leistungsmodul 110 umfasst eine Mehrzahl von Schaltelementen 112P1, 112P2, 112P3, 112N1, 112N2, 112N3 und einen Gate-Treiber-ASIC 114. Beispielhaft ist ein Leistungsmodul 110 mit einer B6-Brücke dargestellt, die die sechs Schaltelemente 112Px, 112Nx umfasst zur Wandlung einer Gleichspannung in eine merhphasige, in diesem Fall dreiphasige, Wechselspannung. Je nach Anwendungsfall, benötigter Leistung und/ oder Anzahl an Phasen zur Versorgung eines Verbrauchers können weniger oder auch mehr Schaltelemente 112Px, 112Nx als Halbbrücken parallel geschaltet werden. Der Gate-Treiber-ASIC 114, bevorzugt innerhalb des Leistungsmoduls 110, ist dazu ausgelegt, durch Ansteuern der Schaltelemente 112Px, 112Nx in einem gesteuerten Betrieb eine Wechselspannung an den Phasenanschlüssen 118 für den Anschluss einer elektrischen Maschine 190 bereitzustellen und in einem Kurzschlussbetrieb die Phasenanschlüsse 118 für den Anschluss einer elektrischen Maschine 190 elektrisch miteinander zu verbinden. Das direkte Ansteuern der Schaltelemente mittels des Gate-Treiber-ASICS 114 ist in der Zeichnung mittels des auf die Schaltelemente gerichteten Pfeils dargestellt. Der Gate-Treiber-ASIC 114 ist dazu ausgelegt, bei einem Übergang von dem gesteuerten Betrieb zu dem Kurzschlussbetrieb die Schaltelemente 112Px, 112Nx nach einem vorgegebenen Ablauf anzusteuern und bevorzugt anschließend dauerhaft einen oberen oder unteren aktiven Kurzschluss einzustellen. Bevorzugt umfasst das Leistungsmodul hierzu einen Fehlerpin 116, über den das Ansteuern der Schaltelemente 112Px, 112Nx mittels des Gate-Treiber-ASIC 114 nach einem vorgegebenen Ablauf aktiviert wird. Eine Ansteuerung des Fehlerpins 116 erfolgt bevorzugt über einen µC, ein Steuergerät oder eine Schaltlogik 130 des Wechselrichters, die bevorzugt außerhalb des Leistungsmoduls angeordnet ist. Außerhalb des Leistungsmoduls kann innerhalb des Wechselrichters 120 sein oder auch außerhalb des Wechselrichters 120, beispielsweise in einem anderen Steuergerät in einem Fahrzeug. In einem Fehlerfall stellt ein solche Schaltlogik bevorzugt einen erhöhten Spannungspegel an dem Fehlerpin 116 bereit zur Aktivierung der Ansteuerung der Schaltelemente 112Px, 112Nx mittels des Gate-Treiber-ASIC 114 nach einem vorgegebenen Ablauf. Bevorzugt ist eingangsseitig am Wechselrichter 120 oder dem Leistungsmodul 110 an den Eingangsanschlüssen oder den Gleichspannungspotentialen 119 ein Zwischenkreiskondensator zur Glättung der Eingangsgleichspannung angeschlossen. Bevorzugt ist ebenfalls an diesen Gleichspannungspotentialen 119 eine Traktionsbatterie 150 zur Versorgung der elektrischen Maschine angeschlossen.The 1 shows a device 100 for operating an electrical machine 190. The device 100 includes a power module 110 of an inverter 120, pulse-controlled inverter or inverter. The power module 110 includes a plurality of switching elements 112P1, 112P2, 112P3, 112N1, 112N2, 112N3 and a gate driver ASIC 114. A power module 110 is shown as an example with a B6 bridge, which includes the six switching elements 112Px, 112Nx for conversion a DC voltage into a multi-phase, in this case three-phase, AC voltage. Depending on the application, the power required and/or the number of phases for supplying a load, fewer or more switching elements 112Px, 112Nx can be connected in parallel as half-bridges. The gate driver ASIC 114, preferably within the power module 110, is designed to provide an AC voltage at the phase connections 118 for the connection of an electrical machine 190 by driving the switching elements 112Px, 112Nx in a controlled operation and the phase connections 118 in a short-circuit operation for connecting an electrical machine 190 to be electrically connected to one another. The direct driving of the switching elements by means of the gate driver ASICS 114 is shown in the drawing by means of the arrow pointing to the switching elements. The gate driver ASIC 114 is designed to drive the switching elements 112Px, 112Nx according to a predefined sequence when there is a transition from controlled operation to short-circuit operation and then preferably to permanently set an upper or lower active short circuit. For this purpose, the power module preferably includes an error pin 116, via which the activation of the switching elements 112Px, 112Nx by means of the gate driver ASIC 114 is activated according to a predetermined sequence. Error pin 116 is preferably actuated via a μC, a control device or switching logic 130 of the inverter, which is preferably arranged outside of the power module. Outside of the power module can be inside the inverter 120 or also outside of the inverter 120, for example in another control device in a vehicle. In the event of an error, such a switching logic preferably provides an increased voltage level at the error pin 116 in order to activate the actuation of the switching elements 112Px, 112Nx by means of the gate driver ASIC 114 according to a predetermined sequence. An intermediate circuit capacitor for smoothing the input DC voltage is preferably connected on the input side of the inverter 120 or the power module 110 to the input connections or the DC voltage potentials 119 . A traction battery 150 for supplying the electrical machine is preferably also connected to these direct voltage potentials 119 .

Die 2 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 300 mit vier Rädern 302 und einem Antriebsstrang 200. Das Fahrzeug 300 ist hier nur beispielhaft mit vier Rädern 302 dargestellt, wobei die Erfindung gleichermaßen in beliebigen Fahrzeugen mit einer beliebigen Anzahl an Rädern zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist. Der beispielhaft dargestellte Antriebsstrang 200 umfasst mindestens eine Vorrichtung 100. Weiter umfasst der Antriebsstrang 200 einen Wechselrichter 120, innerhalb dessen die Vorrichtung 100 angeordnet ist und insbesondere eine Traktionsbatterie 150. Bevorzugt umfasst der Antriebstrang 200 eine elektrische Maschine 190 für den Antrieb einer Antriebsachse des Fahrzeugs 300.The 2 shows a schematically illustrated vehicle 300 with four wheels 302 and a drive train 200. The vehicle 300 is shown here only by way of example with four wheels 302, the invention being equally applicable in any vehicle with any number of wheels on land, on water and in the air can be used. The drive train 200 shown as an example includes at least one device 100. The drive train 200 also includes an inverter 120, within which the device 100 is arranged and in particular a traction battery 150. The drive train 200 preferably includes an electric machine 190 for driving a drive axle of the vehicle 300 .

Die 3 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 400 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 190. Das Verfahren beginnt mit Schritt 405. In Schritt 410 wird mittels Ansteuern der Schaltelemente 112Px, 112Nx mittels dem Gate-Treiber-ASIC 114 in einem gesteuerten Betrieb eine Wechselspannung an den Anschlüssen der elektrischen Maschine 190 bereitgestellt. Bei einem Übergang zu dem Kurzschlussbetrieb werden in einem Schritt 420 die Schaltelemente 112Px, 112Nx mittels dem Gate-Treiber-ASIC 114 nach einem vorgegebenen Ablauf angesteuert. Mit Schritt 425 endet das Verfahren.The 3 shows a schematically illustrated flowchart for a method 400 for operating an electrical machine 190. The method begins with step 405. In step 410, by driving the switching elements 112Px, 112Nx using the gate driver ASIC 114 in a controlled operation, an AC voltage to the Connections of the electrical machine 190 provided. In the event of a transition to short-circuit operation, in a step 420 the switching elements 112Px, 112Nx are driven by the gate driver ASIC 114 according to a predetermined sequence. With step 425 the method ends.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 3083320 B1 [0002]EP 3083320 B1 [0002]

Claims (8)

Vorrichtung (100) zum Betreiben einer elektrischen Maschine (190), wobei die Vorrichtung (100) ein Leistungsmodul (110) eines Wechselrichters (120) umfasst, wobei das Leistungsmodul (110) eine Mehrzahl von Schaltelementen (112Px, 112Nx) und einen Gate-Treiber-ASIC (114) umfasst, wobei der Gate-Treiber-ASIC (114) dazu ausgelegt ist, durch Ansteuern der Schaltelemente (112Px, 112Nx) in einem gesteuerten Betrieb eine Wechselspannung an den Phasenanschlüssen (118) für den Anschluss einer elektrischen Maschine (190) bereitzustellen und in einem Kurzschlussbetrieb die Phasenanschlüsse (118) für den Anschluss einer elektrischen Maschine (190) elektrisch miteinander zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass der Gate-Treiber-ASIC (114) dazu ausgelegt ist, bei einem Übergang von dem gesteuerten Betrieb zu dem Kurzschlussbetrieb die Schaltelemente (112Px, 112Nx) nach einem vorgegebenen Ablauf anzusteuern.Device (100) for operating an electrical machine (190), the device (100) comprising a power module (110) of an inverter (120), the power module (110) having a plurality of switching elements (112Px, 112Nx) and a gate Driver ASIC (114), wherein the gate driver ASIC (114) is designed to generate an AC voltage at the phase terminals (118) for connecting an electrical machine ( 190) and to electrically connect the phase terminals (118) for the connection of an electrical machine (190) to one another in a short-circuit mode, characterized in that the gate driver ASIC (114) is designed to, during a transition from the controlled mode to control the switching elements (112Px, 112Nx) according to a predetermined sequence for the short-circuit operation. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ansteuern der Schaltelemente nach einem vorgegebenen Ablauf das Einstellen der Amplitude der an den Phasenanschlüssen (118) für den Anschluss der elektrischen Maschine (190) bereitgestellten Wechselspannung auf einen vorbestimmten Wert umfasst.device after claim 1 , wherein the actuation of the switching elements according to a predetermined sequence comprises setting the amplitude of the AC voltage provided at the phase terminals (118) for connecting the electrical machine (190) to a predetermined value. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungsmodul einen Fehlerpin (116) umfasst, über den das Ansteuern der Schaltelemente (112Px, 112Nx) nach einem vorgegebenen Ablauf aktiviert wird.Device according to one of the preceding claims, wherein the power module comprises an error pin (116) via which the driving of the switching elements (112Px, 112Nx) is activated according to a predetermined sequence. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Ablauf innerhalb des Gate-Treiber-ASIC (114) fest implementiert ist.Device according to one of the preceding claims, in which the predetermined sequence is permanently implemented within the gate driver ASIC (114). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der vorgegebene Ablauf über einen programmierbaren Speicherbaustein innerhalb des Gate-Treiber-ASICS (114) implementiert ist.Device according to one of Claims 1 until 3 , The specified process being implemented via a programmable memory component within the gate driver ASICS (114). Elektrischer Antriebsstrang (200) für ein Fahrzeug, wobei der Antriebsstrang eine Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einen Wechselrichter (120) und insbesondere eine Traktionsbatterie (150) umfasst.Electric drive train (200) for a vehicle, wherein the drive train comprises a device (100) according to one of Claims 1 until 5 and an inverter (120) and in particular a traction battery (150). Fahrzeug (300) mit einem Antriebsstrang (200) nach Anspruch 6.Vehicle (300) with a drive train (200). claim 6 . Verfahren (400) zum Betreiben einer elektrischen Maschine (190), mit einer Vorrichtung (100), wobei die Vorrichtung (100) ein Leistungsmodul (110) eines Wechselrichters (120) umfasst, und das Leistungsmodul (110) eine Mehrzahl von Schaltelementen (112Px, 112Nx) und einen Gate-Treiber-ASIC (114) umfasst, mit den Schritten: Ansteuern (410) der Schaltelemente (112Px, 112Nx) mittels dem Gate-Treiber-ASIC (114) in einem gesteuerten Betrieb zur Bereitstellung einer Wechselspannung an den Anschlüssen der elektrischen Maschine (190); Ansteuern (420) der Schaltelemente (112Px, 112Nx) mittels dem Gate-Treiber-ASIC (114) nach einem vorgegebenen Ablauf bei einem Übergang von dem gesteuerten Betrieb zu dem Kurzschlussbetrieb.Method (400) for operating an electrical machine (190), with a device (100), wherein the device (100) comprises a power module (110) of an inverter (120), and the power module (110) comprises a plurality of switching elements (112Px , 112Nx) and a gate driver ASIC (114), comprising the steps of: Driving (410) the switching elements (112Px, 112Nx) by means of the gate driver ASIC (114) in a controlled operation to provide an AC voltage at the terminals of the electrical machine (190); Driving (420) the switching elements (112Px, 112Nx) by means of the gate driver ASIC (114) according to a predetermined sequence during a transition from the controlled operation to the short-circuit operation.
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EP3083320B1 (en) 2013-12-19 2020-08-05 Robert Bosch GmbH Apparatus and method for operating an electric machine

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