DE102021214534A1

DE102021214534A1 - Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102021214534A1
Application number: DE102021214534.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Bienick
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (2), aufweisend einen bürstenlosen Elektromotor (4a, 4b) und einen Energiespeicher (10) sowie einen dazwischen geschalteten Wechselrichter (6) mit einer diesen ansteuernden Elektronik, wobei der Wechselrichter (6) über einen Zwischenkreis (12) an den Energiespeicher (10) geführt ist, wobei der Wechselrichter (6) eine Brückenschaltung (16) mit einer Anzahl von Brückenzweigen (26) mit jeweils einem High-Side-Schalter (44) und mit einem Low-Side-Schalter (46) aufweist, wobei die High-Side-Schalter (44) und Low-Side-Schalter (46) jeweils eine integrierte Freilaufdiode (52) aufweisen, wobei wenn der Energiespeicher (10) von dem Zwischenkreis (12) getrennt wird und der Elektromotor (4a, 4b) generatorisch arbeitet: ein aktiver Kurzschluss (68a, 68b), bei welchem alle High-Side-Schalter (44) leitend und alle Low-Side-Schalter (46) nichtleitend oder umgekehrt geschaltet sind, erzeugt wird, der aktive Kurzschluss (68a, 68b) mit einer Umschaltfrequenz alternierend zwischen den High-Side-Schaltern (44) und den Low-Side-Schaltern (46) umgeschaltet wird, wobei während einer Totzeit (70) ein Strom vom Elektromotor (4a, 4b) über die Freilaufdioden (52) in den Zwischenkreis (12) fließt, und die Umschaltfrequenz derart gesteuert oder geregelt wird, dass eine Zwischenkreisspannung (UZK) des Zwischenkreises (12) stabilisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine sowie eine Software zur Durchführung des Verfahrens.
In einem modernen Kraftfahrzeug werden elektrische Maschinen in vielfältiger Weise als (Verstell-)Antriebe für unterschiedliche Stellelemente eingesetzt. Elektrische Maschinen werden beispielsweise als Fensterheber-, Schiebedach- oder Sitzverstellantriebe, als Lenkungsantriebe, als Bremsantriebe, als Pumpenantriebe, als Kühlerlüfterantriebe oder als Getriebeaktuatoren eingesetzt. Des Weiteren werden elektrische Maschinen beispielsweise als Antriebe in Form von Nabenmotoren bei elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Fahrzeugen, wie insbesondere einem elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Zweirad, beispielsweise einem Stehfahrzeug oder E-Scooter oder einem E-Bike oder Pedelec, eingesetzt.
Elektrische Maschinen der eingangs genannten Art weisen regelmäßig einen insbesondere bürstenlosen Elektromotor mit einem mit einer mehrphasigen Drehfeld- oder Statorwicklung versehenen Stator auf, welcher koaxial zu einem Rotor mit einem oder mehreren Permanentmagneten angeordnet ist. Sowohl der Rotor als auch der Stator sind beispielsweise als Blechpakete aufgebaut, wobei Statorzähne in dazwischenliegenden Statornuten die Spulen der Feldwicklung tragen.
Derartige elektrische Maschinen werden in der Regel von einer (Hochvolt-)Batterie als fahrzeuginternem Energiespeicher gespeist, aus welchem der Elektromotor mit elektrischer Energie in Form eines Gleichstroms (Gleichspannung) versorgt wird.
Zur Wandlung des Gleichstroms in den Motorstrom ist geeigneterweise ein Stromrichter (Wechselrichter, Inverter) zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor verschaltet. Der Stromrichter weist eine Brückenschaltung auf, welche über einen elektrischen Zwischenkreis mit der Gleichstrom oder Gleichspannung des Energiespeichers versorgt wird.
Der Motorstrom wird mittels einer (Maschinen-)Elektronik durch eine pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerung oder Regelung von Halbleiterschaltern der Brückenschaltung als ein mehrphasiger Ausgangsstrom erzeugt. Durch die Pulse der PWM-Signale werden die Halbleiterschalter getaktet zwischen einem leitenden und einem sperrenden Zustand umgeschaltet.
Die Brückenschaltung speist im Betrieb in die Statorspulen des Elektromotors den elektrischen Motorstrom (Drehstrom) ein, welcher in der Folge ein bezüglich des Stators rotierendes magnetisches Drehfeld erzeugt. Durch die Wechselwirkung der Permanentmagnete mit dem Drehfeld wird ein resultierendes Drehmoment erzeugt, welches den Rotor in Rotation versetzt.
Insbesondere bei elektrischen Maschinen in Form von permanentmagnetischen Synchronmotoren (PMSM), welche beispielsweise als Traktionsantrieb in einem elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Fahrzeug verwendet werden, ist der Energiegehalt des Systems stets durch den Bewegungszustand des Fahrzeugs bestimmt.
Im Motor- oder Maschinenbetrieb kann es vorkommen, dass die Verbindung zwischen dem Zwischenkreis und dem Energiespeicher unterbrochen wird, beispielsweise aufgrund eines lockeren Verbindungskabels. In diesem Fall muss der Elektromotor sicher zum Stillstand kommen. Insbesondere wenn der Elektromotor eine hohe Flussverkettung aufweist, und bei einer hohen Drehzahl den Kontakt zum Energiespeicher verliert, und der Rotor trotz Verlust der elektrischen Kommutierung weiterbewegt wird, wird eine hohe Spannung in den Motorwicklungen erzeugt. Hierbei kann eine derart hohe gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK, engl.: Back-EMF) in den Motorwicklungen erzeugt werden, dass die Maschinen- oder Wechselrichterelektronik beschädigt oder sogar zerstört wird. Dadurch kann der Elektromotor in der Folge beispielsweise nicht sicher und kontrolliert zum Stillstand gebracht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine anzugeben. Insbesondere soll im Fehlerfall eine Begrenzung der Motorspannung realisiert werden, ohne dass dabei ein zu hohes negatives Bremsmoment erzeugt wird. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete elektrische Maschine und eine besonders geeignete Software anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 5 sowie hinsichtlich der Software mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Sofern nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen für die Maschine insbesondere dadurch, dass diese ausgebildet ist, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betrieb einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Antriebsmotors eines E-Scooters oder eines Pumpenantriebs einer Hilfs- oder Zusatzpumpe eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen, sowie dafür geeignet und ausgestaltet. Die elektrische Maschine weist hierbei einen mehrphasigen bürstenlosen Elektromotor auf, welcher über eine an einem (Gleichspan-nungs-)Zwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter angesteuert ist. Hierzu weist der Wechselrichter eine (Steuer-)Elektronik mit Logikbauteilen auf, welche eine Brückenschaltung mit Leistungsbauteilen (High-Side-Schalter, Low-Side-Schalter) zur Erzeugung eines Motorstroms ansteuern.
Der Zwischenkreis weist einen Zwischenkreiskondensator (Zwischenkreiskapazität) auf, welcher zwischen einem High-Pfad und einem Low-Pfad verschaltet ist.
Der High-Pfad ist hierbei an eine positive oder hohe Versorgungspannung und der Low-Pfad an eine negative oder niedrige Versorgungsspannung angeschlossen. Der Zwischenkreis ist mit einem die Versorgungsspannung bereitstellenden Energiespeicher, beispielsweise einer Hochvolt- oder Fahrzeugbatterie, verbunden.
Die Brückenschaltung des Wechselrichters weist eine der Anzahl der Motorphasen entsprechenden Anzahl von Brückenzweigen auf. Jeder Brückenzweig weist hierbei einen High-Side-Schalter und einen Low-Side-Schalter auf. Unter einem High-Side-Schalter wird insbesondere ein Schalter verstanden, welcher eine positive oder hohe Versorgungsspannung schaltet. Der High-Side-Schalter ist also schaltungstechnisch oberhalb der durch die Motorphasen gebildeten Last geschaltet. Entsprechend wird unter einem Low-Side-Schalter insbesondere ein Schalter verstanden, welcher eine negative oder niedrige Versorgungsspannung schaltet. Der Low-Side-Schalter ist also schaltungstechnisch unterhalb der durch die Motorphasen gebildeten Last geschaltet. Die High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter sind vorzugsweise als (Leistungs-)Halbleiterschalter, insbesondere als (Leistungs-)Transistoren, beispielsweise als IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistor) oder SicMOS MOSFET GaN (SiC: Silicon Carbide, MOS: Metall Oxide Semiconductor, FET: Field Effect Transistor, GaN: Gallium Nitride), ausgeführt, und weisen hierbei jeweils eine integrierte Freilaufdiode (Body-Diode) auf. Unter „integriert“ ist hierbei insbesondere zu verstehen, dass die Freilaufdiode Teil des Halbleiterschalters ist, oder mit diesem zusammen ein gemeinsames Bauteil bildet. Bei einem MOSFET entsteht die Freilaufdiode beispielsweise fertigungsbedingt innerhalb der NPN (bzw. PNP) Struktur. Bei einem IGBT hingegen wird ein separates Bauteil benötigt, um diese Funktion darzustellen. Integriert bedeutet hierbei insbesondere, dass der IGBT und die Freilaufdiode in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sind, und als ein gemeinsames Bauteil verbaut/verschaltet werden.
Mit anderen Worten weist jeder High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter eine Diode auf, oder ist mittels einer Diode überbrückt, die folglich parallel zu dem jeweiligen Halbleiterschalter/dem schaltbaren Teil des Halbleiterschalters geschaltet ist, sodass ein Stromfluss in eine Richtung von bzw. zu der elektrischen Phase stets ermöglicht ist, unabhängig von dem Schalterzustand des jeweiligen Halbleiterschalters. Aufgrund der Dioden ist somit stets ein Stromfluss zwischen der Zwischenkreiskapazität und der jeweiligen elektrischen Phase entgegen der Sperrrichtung der Dioden ermöglicht. Die High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter sind hierbei insbesondere derart verbaut oder verschaltet, dass ein Stromfluss vom Elektromotor über die Diode zum Zwischenkreiskondensator ermöglicht ist.
Verfahrensgemäß wird in einem Fehlerfall, bei welchem der Energiespeicher während eines Motorbetriebs von dem Zwischenkreis getrennt wird, und bei welchem der Elektromotor anschließend generatorisch (rekuperativ) arbeitet, eine Regelung der Zwischenkreisspannung durch die Energie des Elektromotors, und damit eine Versorgung der Logik- und Leistungsbauteile der Elektronik unter Nutzung eines totzeitbedingten Freilaufes zwischen einem aktiven Motor-Phasenkurzschluss der High-Side- und Low-Side-Schalter gestartet. Ein systemweites Ziel auf Fahrzeugebene ist hierbei die Begrenzung des Bremsmoments in einem Fehlerfall durch einen aktiven Kurzschluss.
Wenn der Energiespeicher von dem Zwischenkreis getrennt wird, wird erfindungsgemäß ein aktiver Kurzschluss, bei welchem alle High-Side-Schalter leitend und alle Low-Side-Schalter nichtleitend (High-Side-Kurzschluss) oder umgekehrt (Low-Side-Kurzschluss) angesteuert oder geschaltet sind, erzeugt.
Verfahrensgemäß wird der aktive Kurzschluss mit einer Umschaltfrequenz alternierend zwischen den High-Side-Schaltern und den Low-Side-Schaltern, also zwischen dem High-Side-Kurzschluss und dem Low-Side-Kurzschluss, umgeschaltet, wobei die Umschaltfrequenz derart gesteuert oder geregelt wird, dass eine Zwischenkreisspannung des Zwischenkreises stabilisiert wird. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine realisiert. Insbesondere ist somit bei einem Kontaktverlust des Energiespeichers eine Versorgung der Logik- und Leistungsbauteile durch die verbliebende Restenergie im Zwischenkreis möglich, ohne dass dabei ein zu hohes Bremsmoment, und somit eine zu hohe Gegen-EMK, erzeugt wird. Insbesondere wird hierbei eine stabile Zwischenkreisspannung bewirkt, welche weitestgehend unabhängig von der Motordrehzahl ist.
Wenn der Wechselrichter in den aktiven Kurzschluss schaltet, muss Energie aufgewendet werden, um die Gate- oder Steuerspannung für die High-Side- und Low-Side-Schalter aufrecht zu erhalten, und um die Logik der Elektronik zu versorgen. Dadurch wird die Zwischenkreisspannung im Zwischenkreis reduziert. Wenn der aktive Kurzschluss zwischen den High-Side- und Low-Side-Schaltern umgeschaltet wird, fließt während der Totzeit ein Strom über die jeweiligen Freilaufdioden, welche den Zwischenkreis wieder auflädt.
Unter der „Totzeit“ (engl.: Deadtime) ist hierbei jene Zeitspanne während der Umschaltung zu verstehen, in welcher bei der Brückenschaltung weder ein High-Side-Schalter noch ein Low-Side-Schalter geschlossen (leitend geschaltet) ist. Dadurch wird das Kurzschließen der Zwischenkreisspannung verhindert.
MOSFETs werden beispielsweise in einem aktiven Freilauf betrieben, da MOSFETs den Strom in beide Richtungen leiten können, wenn sie durchsteuern. Deswegen werden MOSFETs insbesondere komplementär angesteuert, so dass High-Side und Low-Side stets den inversen Schaltzustand aufweisen. Die einzige Ausnahme davon stellt die sogenannte Totzeit dar, welche gewöhnlicherweise so klein wie möglich gehalten wird. Es muss jedoch zu jeder Zeit sichergestellt sein, dass der MOSFET erst angeschaltet wird, wenn der komplementäre MOSFET ausgeschaltet ist. Hierfür ist die Totzeit (in der Regel < 1 µs) vorgesehen, in welcher der Elektromotor nicht kommutiert werden kann. Je größer oder länger die vorgehaltene Totzeit ist, desto ineffizienter wird die elektrische Maschine im (Normal-)Betrieb.
Bei einem alternierendem aktiven Kurzschluss werden je nach Toleranzen und Temperaturen kleine Ladungen, beispielsweise etwa 0,2 mC (Milli-Coulomb), pro Totzeit und pro Brückenzweig vom Elektromotor in den Zwischenkreis eingespeist. Während der Totzeit erfolgt somit über die Freilaufdioden ein Ladevorgang zur Stabilisierung der Zwischenkreisspannung, wobei die Menge pro Ladevorgang im Wesentlichen konstant ist. Über die Aktivierungs- oder Umschaltfrequenz wird somit die Menge der Ladung in den Zwischenkreis beeinflusst. Hierbei wird lediglich die Anzahl der Ladevorgänge pro Zeit verändert. Nicht aber die Menge pro Ladevorgang.
Durch das Verfahren wir sichergestellt, dass wenn der Kontakt zum Energiespeicher unterbrochen wird, und der Elektromotor aufgrund der fehlenden elektrischen Kommutierung generatorisch arbeitet, keine Beschädigung oder Zerstörung der (Wechselrichter-)Elektronik durch die Gegen-EMK bewirkt wird. Mit anderen Worten ist ein kontrollierter Abbau der Motorenergie ohne Schädigung der Elektronik ermöglicht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass der Elektromotor im Fehlerfall in einen Zustand bewegt wird, in dem er sich möglichst ohne ein großes Bremsmoment zu entwickeln, und ohne, dass es einer komplexen Ansteuerung bedarf, stabil verhält.
Das Verfahren ist beispielsweise auch vorteilhaft in Anwendungen, in welchen der Elektromotor bei einem abgeklemmten Energiespeicher durch äußere, also maschinenexterne, Einflüsse generatorisch angetrieben wird. Zum Beispiel bei Öl-Pumpenanwendungen mit einer Hauptpumpe und einer als elektrischen Maschine ausgebildeten Nebenpumpe (Hilfspumpe, Zusatzpumpe), bei welchem im Falle eines defekten Rückschlagventils der Volumenstrom der Hauptpumpe die nicht aktive Nebenpumpe antreibt.
Ein angeschlossener Energiespeicher kann ohne einen aktiven Kurzschluss sogar für die mechanische Auslegung kritisch sein. Wenn der Elektromotor durch externe Drehmomente angetrieben wird, dann richtet sich der entstehende Strom in einem rotorfesten d/q-Koordinatensystem entlang der q-Achse aus, wenn er in die Batterie fließt. Hierbei erzeugt der Strom ein hohes Drehmoment. Im Falle eines (aktiven) Kurzschlusses richtet sich der Strom entlang der d-Achse aus, und generiert hierbei lediglich ein elektrisches Feld.
Die Erfindung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Leistungselektronik (also die Halbleiterschalter) und eine diese ansteuernde Logik (Controller) durch dieselbe Spannungsversorgung, beispielsweise mit 12 V (Volt), versorgt werden. Die Erfindung kann jedoch auch bei 48 V oder Hochvolt-Anwendungen eingesetzt werden, bei welchen eine separate 12 V-Versorgung für die Logik vorhanden ist. Unter „Hochvolt“ ist hierbei insbesondere ein Spannungsbereich größer 48 V zu verstehen, beispielsweise 60 V.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Zwischenkreisspannung überwacht, wobei der aktive Kurzschluss erzeugt wird, wenn eine schnelle Spannungsänderung erfasst wird. Mit anderen Worten wird eine schnelle Unterspannung oder Überspannung des Zwischenkreises als Auslöse- oder Triggerbedingung für den Beginn des aktiven Kurzschlusses verwendet. Ob es sich bei der Spannungsänderung um eine Überspannung oder eine Unterspannung handelt, ist abhängig davon ob die Trennung des Energiespeichers in einem motorischen oder einem generatorischen Betrieb des Elektromotors erfolgt. Arbeitet der Elektromotor bei der Unterbrechung der Energiespeicherverbindung motorisch, so kommt es zu einem Spannungsabfall, wenn der Elektromotor vor der Unterbrechung rekuperativ arbeitet, tritt ein Spannungsanstieg als Spannungsänderung der Zwischenkreisspannung auf.
Unter einer „schnellen“ Spannungsänderung ist hierbei insbesondere eine hinreichende Änderung der Spannungsamplitude (des Spannungswerts) in einer Zeitspanne von weniger als einer Mikrosekunde zu verstehen. Welche Änderung der Spannungsamplitude hierbei als hinreichend gilt und wie groß die Spannungsänderung konkret ist, ist dabei zunächst nebensächlich. Dies lässt sich beispielsweise aus vergangenen Fahrdaten oder aus entsprechenden Versuchen oder Erprobungen ermitteln. Für unterschiedliche Kraftfahrzeuge, Betriebs- und Umgebungsbedingungen oder Anwendungsszenarien ergeben sich unter Umständen unterschiedliche auslöserelevante Spannungsänderungen.
Die relevante Spannungsänderung ist hierbei maßgeblich von der Größe des Zwischenkreises und des momentanen Arbeitspunkts der elektrischen Maschine abhängig. Ohne eine angeschlossene Batterie wird ein nicht überdimensionierter Zwischenkreis bei maximalen Nennstrom beispielsweise innerhalb von zwei bis drei PWM-Zyklen „leer gezogen“. Die Spannungsänderung ist dann abhängig von der absoluten Höhe der Zwischenkreisspannung. Eine denkbare Größenordnung für die Spannungsänderung beträgt beispielsweise etwa 10 V/µs (Volt pro Mikrosekunde).
In einer bevorzugten Ausführung wird die Umschaltfrequenz zur Stabilisierung der Zwischenkreisspannung geregelt. Hierbei wird beispielsweise die Zwischenkreisspannung gemessen, und eine Periodendauer der Aktivierung zwischen dem High-Side-Kurzschluss und dem Low-Side-Kurzschluss variiert. Vorzugsweise wird hierbei das Integrals der Ladungsfunktion geregelt. Dies ist in der Ausführung insbesondere mit einem einfach implementierbaren Zweipunktregler realisiert.
Der Kurzschlussstrom kann bei den aktiven Kurzschlusszyklen den Elektromotor aufheizen. Um diese Aufheizung zu vermeiden oder zu reduzieren ist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine feldorientierte Regelung (engl.: Field Oriented Control, FOC) der Motorströme zur Erhaltung der Feldschwächung bei einem Batteriestrom von Null möglich. Bei einer solchen feldorientierten Regelung oder FOC wird der Drehstrom als zwei orthogonale Komponenten identifiziert, die mit einem Stromraumvektor visualisiert werden können. Die eine Komponente (Quadraturstrom, q-Strom) definiert den magnetischen Fluss des Motors, die andere das Drehmoment (Direktkomponente, d-Strom). Die Zwischenkreisspannung wird hierbei durch einen regelbaren q-Strom definiert, wobei der q-Strom die drehmomentbildende Komponente des Phasenstroms quer zur Spannung ist. Der q-Strom ist somit der eigentliche „Wirkstrom“, welcher dazu führt das Drehmoment gebildet wird oder Kapazitäten geladen werden. Ein negativer q-Strom bremst den Elektromotor und hebt die Zwischenkreisspannung an, wobei ein positiver q-Strom dem Zwischenkreis Energie entzieht und Arbeit verrichtet.
Während des aktiven Kurzschlusses ist die feldorientierte Regelung des Elektromotors komplett ausgeschaltet. Der Strom kann während des aktiven Kurzschlusses nicht geregelt werden und wird lediglich vom Elektromotor bestimmt, wobei hierbei das Verhältnis des magnetischen Flusses zur Induktivität in der d-Achse maßgeblich ist. Wenn sich der Elektromotor im aktiven Kurzschluss befindet richtet sich der Strom zwischen der d-Achse des Elektromotors (feldbildend) und der q-Achse (drehmomentbildend) aus. Für höhere Drehzahlen richtet sich der Strom weiter in der d-Achse aus. Die Ausrichtung des Stroms wird somit nicht geregelt, sondern erfolgt lediglich auf Grund der physikalischen Randbedingungen: Der Strom der durch den Elektromotor während des aktiven Kurzschlusses getrieben wird konvergiert bei relativ niedrigen Drehzahlen auf seinen End-Wert. Er bleibt dann nahezu konstant. Der Strom der durch das System fließt generiert daher eine nahezu konstante Verlustleistung. Da die Batterie hierbei insbesondere von dem Elektromotor getrennt ist, kann lediglich diese Verlustleistung in mechanische Leistung umgesetzt werden. Mit konstanter Leistung (elektrische Verlustleistung = mechanische Leistung) ist es daher notwendig, dass bei höher werdender Drehzahl das Drehmoment kleiner wird, wenn sich das System im aktiven Kurzschluss befindet. Da das Drehmoment sinkt muss auch der Strom in der q-Achse kleiner werden. Da der Strom in der q Achse sinkt, der Phasenstrom allerdings gleichbleibt, verschiebt sich der resultierende Stromzeiger weiter in die d-Achse des Motors.
Der Strom für die Feldschwächung ist in einem rotorfesten d/q-Koordinatensystem parallel zur d-Achse orientiert, wobei der parallel zur q-Achse orientierte Strom zum Erhalten der Zwischenkreisspannung U_ZK dient. Der Strom zur Schwächung des Rotorfeldes ist kleiner als der Strom, welcher durch den aktiven Kurzschluss vom Elektromotor generiert wird. Ohne den ohmschen Anteil des Elektromotors und der Elektronik setzt der d-Strom somit keine Leistung um. Neben der Versorgung der Logik und Gates muss das System bei einer solchen Regelung außerdem diese Verlustleistungen ausgleichen. Dies weist jedoch den Vorteil auf, dass der Elektromotor den Kurzschlussstrom nicht die ganze Zeit führen muss, so dass sich der Elektromotor weniger stark erwärmt oder erhitzt.
Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die elektrische Maschine übertragbar und umgekehrt.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist beispielsweise als ein Nabenantrieb für ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Fahrzeug, wie insbesondere einem elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Zweirad, beispielsweise einem E-Scooter, ausgeführt. Die elektrische Maschine weist einen bürstenlosen Elektromotor mit einer Anzahl von Motorphasen auf, welcher mittels eines Wechselrichters an einen Energiespeicher angeschlossen ist. Der Wechselrichter weist hierbei eine Elektronik auf, welche mit einem Controller (das heißt einer Steuereinheit) gekoppelt ist.
Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, den Verbindungzustand des Zwischenkreises mit dem Energiespeicher zu überwachen, und wenn der Energiespeicher von dem Zwischenkreis getrennt wird und der Elektromotor generatorisch arbeitet, einen aktiver Kurzschluss der Brückenschaltung zu erzeugen oder zu bewirken, alternierend zwischen einem High-Side-Kurzschluss und einem Low-Side-Kurzschluss umzuschalten, und die Umschaltfrequenz hierbei derart zu steuern oder zu regeln, dass die Zwischenkreisspannung stabilisiert wird. Im Zuge des Umschaltens erfolgt ein Ladevorgang, bei welchem elektrische Energie von dem Elektromotor während der Totzeit über die Freilaufdioden in den Zwischenkreis eingespeist wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder durch einem FPGA (Field Programmable Gate Array), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
In einer zweckmäßigen Ausbildung ist eine Messeinheit zur Erfassung der Zwischenkreisspannung mit dem Zwischenkreis verschaltet. Die Messeinheit ist hierbei signaltechnisch mit dem Controller gekoppelt, so dass der Controller die Zwischenkreisspannung überwachen und regeln kann. Die Spannungsmessung soll hierbei möglichst schnell erfolgen und sollte daher nicht über einen gewöhnlichen Analog-Digital-Wandler (ADC) realisiert werden. Vorzugsweise wird eine Komparator basierte Messung als Messeinheit verwendet. Hiermit lassen sich Reaktionszeiten im sub-µs Bereich realisieren. Somit kann selbst bei extrem schnell ansteigenden Zwischenkreisspannungen noch rechtzeitig reagiert werden.
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine Software auf einem Medium oder Datenträger zur Durchführung oder Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vor, wenn die Software auf einem Computer abläuft. Dies bedeutet, dass die Software auf einem Datenträger hinterlegt ist, und zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgesehen, sowie dafür geeignet und ausgestaltet ist. Dadurch ist eine besonders geeignete Software für den Betrieb einer elektrischen Maschine realisiert, mit welcher die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmtechnisch implementiert wird. Die Software ist somit insbesondere eine Betriebssoftware (Firmware), wobei der Datenträger beispielsweise ein Datenspeicher des Controllers ist. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren und/oder der elektrischen Maschine sinngemäß auch für die Software und umgekehrt.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Darin zeigen:

1 eine elektrische Maschine mit einer Stromquelle und mit einem Wechselrichter sowie mit zwei Elektromotoren,
2 drei Phasenwicklungen eines dreiphasigen Elektromotors der elektrischen Maschine in Sternschaltung,
3 ein Brückenzweig einer Brückenschaltung des Wechselrichters zur Ansteuerung einer Phasenwicklung des Elektromotors,
4 ein Ersatzschaltbild für die Stromquelle,
5 die elektrische Maschine in einem aktiven High-Side-Kurzschluss,
6 die elektrische Maschine in einem aktiven Low-Side-Kurzschluss
7 die elektrische Maschine während einer Totzeit zwischen High-Side- und Low-Side-Kurzschluss,
8 ein Zeit-Schaltzustands-Diagramm für den Brückenzweig,
9 ein Zeit-Ladungs-Diagramm für den Brückenzweig,
10 ein d/q-Zeigerdiagramm für den aktiven Kurzschluss, und
11 ein d/q-Zeigerdiagramm für eine Erhaltung der Feldschwächung.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt eine elektrische Maschine 2 für einen elektromotorischen Antrieb eines nicht näher dargestellten Fahrzeugs, beispielsweise eines E-Scooters. Die Maschine 2 umfasst in der gezeigten Ausführungsform beispielsweise zwei dreiphasige bürstenlose Elektromotoren 4a, 4b als Teilmotoren auf, welche mittels eines Wechselrichters 6 an eine Stromquelle (Spannungsversorgung) 8 angeschlossen sind. Die elektrische Maschine 2 kann jedoch auch lediglich einen Elektromotor aufweisen.
Die Stromquelle 8 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen fahrzeuginternen Energiespeicher 10 in Form einer (Fahrzeug-)Batterie, sowie einen damit verbundenen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 12, welcher sich zumindest teilweise in den Wechselrichter 6 erstreckt.
Der Zwischenkreis 12 ist im Wesentlichen durch eine Hinleitung 12a und eine Rückleitung 12b gebildet, mittels welchen der Stromrichter 6 an die Batterie 10 angeschlossen ist. Die Leitungen 12a und 12b sind zumindest teilweise in den Wechselrichter 6 geführt, in welchen zwischen diesen ein Zwischenkreiskondensator 14 sowie eine Brückenschaltung 16 verschaltet sind.
Im Betrieb der elektrischen Maschine 2 wird ein der Brückenschaltung 16 zugeführter Eingangsstrom I_E (4) in einen dreiphasigen Ausgangsstrom (Motorstrom, Drehstrom) lu, Iv, Iw für die drei Phasen U, V, W des Elektromotors 4a und in einen dreiphasigen Ausgangsstrom (Motorstrom, Drehstrom) I_U', I_V', I_W' für die drei Phasen U', V', W' des Elektromotors 4b gewandelt. Die nachfolgend auch als Phasenströme bezeichneten Ausgangsströme lu, Iv, Iw beziehungsweise I_U', I_V', I_W' werden an die entsprechenden Phasen(-wicklungen) U, V, W beziehungsweise U', V', W' (2) eines jeweils nicht näher dargestellten Stators geführt.
Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich insbesondere auf den Elektromotor 4a. Die Erläuterungen sind jedoch sinngemäß auch auf den Elektromotor 4b übertragbar, wobei die korrespondierenden Bezugszeichen in den Figuren und in der Beschreibung jeweils mit einem hochgestellten Strich („'“) gekennzeichnet sind.
In der 2 ist eine Sternschaltung 18 der drei Phasenwicklungen U, V, W dargestellt. Die Phasenwicklungen U, V und W sind mit jeweils einem (Phasen-)Ende 20, 22, 24 an einen jeweiligen Brückenzweig oder Brückenmodul 26 (3) der Brückenschaltung 16 geführt, und mit dem jeweils gegenüberliegenden Ende in einem Sternpunkt 28 als gemeinsamen Verbindungsanschluss miteinander verschaltet.
In der Darstellung der 2 sind die Phasenwicklungen U, V und W jeweils mittels eines Ersatzschaltbildes in Form einer Induktivität 30 und eines ohmschen Widerstandes 32 sowie einem jeweiligen Spannungsabfall 34, 36, 38 gezeigt. Die jeweils über die Phasenwicklung U, V, W abfallende Spannung 34, 36, 38 ist schematisch durch Pfeile repräsentiert und ergibt sich aus der Summe der Spannungsabfälle über der Induktivität 30 und dem ohmschen Widerstand 32 sowie der induzierten Spannung 40. Die durch eine Bewegung eines Rotors des Elektromotors 4 induzierte Spannung 40 (elektromagnetische Kraft, EMK, EMF) ist in der 2 anhand eines Kreises dargestellt.
Die Ansteuerung der Sternschaltung 18 erfolgt mittels der Brückenschaltung 16. Die Brückenschaltung 16 ist mit den Brückenzweigen oder Brückenmodulen 26 insbesondere als zwei B6-Schaltungen für die Elektromotoren 4a, 4b ausgeführt. In dieser Ausgestaltungsform wird im Betrieb an jede der Phasenwicklungen U, V, W, U', V', W' in hoher Schaltfrequenz getaktet zwischen einem hohen (Gleich-)Spannungsniveau der Zuleitung 12a und einem niedrigen Spannungsniveau der Rückleitung 12b umgeschaltet. Das hohe Spannungsniveau ist hierbei insbesondere eine Zwischenkreisspannung U_ZK des Zwischenkreises 12, wobei das niedrige Spannungsniveau vorzugsweise ein Massepotential U_G ist. Diese getaktete Ansteuerung ist als eine - in 1 mittels Pfeilen dargestellte - PWM-Ansteuerung durch einen Controller 42 ausgeführt, mit welcher eine Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl, der Leistung sowie der Drehrichtung der Elektromotoren 4a, 4b möglich ist.
Die Brückenmodule 26 umfassen jeweils zwei Halbleiterschalter 44 und 46, welche in der 2 lediglich schematisch und beispielhaft für die Phase W dargestellt sind. Das Brückenmodul 26 ist einerseits mit einem Potentialanschluss 48 an die Zuleitung 12a und somit an die Zwischenkreisspannung U_ZK angeschlossen. Andererseits ist das Brückenmodul 26 mit einem zweiten Potentialanschluss 50 an die Rückleitung 12b und somit an das Massepotential U_G kontaktiert.
Über die Halbleiterschalter 44, 46 ist das jeweilige Phasenende 20, 22, 24 der Phase U, V, W, U, V'; W' entweder mit der Zwischenkreisspannung U_ZK oder mit dem Massepotential U_G verbindbar. Wird der Halbleiterschalter 44 geschlossen (leitend) und der Halbleiterschalter 46 geöffnet (nichtleitend, sperrend), so ist das Phasenende 20, 22, 24 mit dem Potential der Zwischenkreisspannung U_ZK verbunden. Entsprechend ist bei einem Öffnen des Halbleiterschalters 44 und einem Schließen des Halbleiterschalters 46 die Phase U, V, W mit dem Massepotential U_G kontaktiert. Dadurch ist es mittels der PWM-Ansteuerung möglich, jede Phasenwicklung U, V, W, U', V'; W' mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus zu beaufschlagen.
In der 3 ist ein einzelnes Brückenmodul 20 vereinfacht dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterschalter 44 und 46 als MOSFETs (Metaloxide Semiconductor Field-Effect Transistor) mit jeweils einer integrierten Freilaufdiode (Body-Diode) 52 realisiert. Die Halbleiterschalter 44, 46 sind jeweils mittels der PWM-Ansteuerung zwischen einem durchgeschalteten Zustand auf und einem sperrenden Zustand getaktet umschaltbar. Hierzu sind die jeweiligen Gateanschlüsse an entsprechende Steuerspannungseingänge 54, 56 geführt, mittels welcher die Signale der PWM-Ansteuerung des Controllers 42 übertragen werden.
Die 4 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Stromquelle 8. Im Betrieb erzeugt der nachfolgend auch als Batterie 10 bezeichnete Energiespeicher 10 eine Batteriespannung U_Bat sowie einen entsprechenden Batteriestrom I_Bat zum Betrieb des Wechselrichters 6. In der 4 ist der Innenwiderstand der Batterie 10 als ein ohmscher Widerstand 58 und eine Eigeninduktivität der Batterie 10 als eine Induktivität 60 dargestellt. In der Rückleitung 12b ist ein Shuntwiderstand 60 geschaltet.
Abhängig von den Schaltzuständen der (Leistungs-)Halbleiterschalter 44, 46 fließt der Phasenstrom I_U, I_V, I_W, I_U', I_V', I_W' über einen Shuntwiderstand 62. Der Spannungsabfall über dem Shuntwiderstand 62 wird verstärkt und ausgewertet. Mit Messungen und dem Kenntnisstand der Schaltzustände der Halbleiterschalter 44, 46 werden die Phasenströme I_U, I_V, I_W, I_U', I_V', I_W' von dem Controller 42 rekonstruiert. Es können auch andere Messmethoden zur Ermittlung der Motorströme verwendet werden (z. B. direkte Phasenstrommessung). Zusammen mit den gemessenen und/oder berechneten Phasenspannungen (U_U, U_V, U_W, U_U', U_V', U_W') stehen dem Controller 42 die Phasenspannungen (U_U, U_V, U_W, U_U', U_V', U_W') und die Phasenströme lu, Iv, Iw, I_U', I_V', I_W' zur Verfügung.
Nachfolgend ist anhand der 5 bis 11 ein Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine 2 näher erläutert. Das Verfahren ist beispielsweise als eine Software implementiert, welche auf einem Datenspeicher des Controllers 42 hinterlegt ist. Die Halbleiterschalter 44 sind hierbei nachfolgend auch als High-Side-Schalter 44, und die Halbleiterschalter 46 entsprechend auch als Low-Side-Schalter 46 bezeichnet.
Das Verfahren wird insbesondere in einem Fehlerfall ausgeführt, bei welchem die Verbindung zwischen dem Zwischenkreis 12 und der Batterie 10 unterbrochen wird. Die Unterbrechung oder Trennung der Verbindung ist in den 5 bis 7 beispielhaft oder schematisch anhand eines geöffneten Schalters 64 in der Hinleitung 12a dargestellt. Die High-Side- und Low-Side-Schalter 44, 46 sind in der 5 bis 7 als IGBTs mit integrierter Freilaufdiode 52 ausgeführt, und lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
Die Elektromotoren 4a, 4b weisen beispielsweise eine hohe Flussverkettung auf. Wenn bei hohen (Motor-)Drehzahlen der Kontakt zur Batterie 10 unterbrochen wird, bewegt sich das Fahrzeug weiter, wodurch sich auch die Rotoren trotz Verlust der elektrischen Kommutierung weiterbewegen. Dadurch arbeiten die Elektromotoren 4a, 4b generatorisch oder rekuperativ, wodurch eine hohe Spannung in den Motorphasen U, V, W, U', V'; W' induziert wird. Die korrespondierende gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK, engl.: Back-EMF) ist in den 5 bis 7 als Kreis 66 dargestellt. Die Gegen-EMK 66 kann hierbei derart hoch sein, dass die Elektronik der elektrischen Maschine 2, insbesondere die Logikbauteile des Controllers 42 und/oder die Leistungsbauteile der Brückenschaltung 16 beschädigt oder sogar zerstört werden können.
Zum Schutz der Elektronik ist es daher verfahrensgemäß vorgesehen, dass eine Regelung der Zwischenkreisspannung U_ZK durch die Energie der Elektromotoren 4a, 4b und damit eine Versorgung der Logik- und Leistungsbauteile der Elektronik unter Nutzung eines totzeitbedingten Freilaufes zwischen einem aktiven Motor-Phasenkurzschluss der High-Side- und Low-Side-Schalter 44, 46 gestartet wird.
Wenn die Batterie 10 von dem Zwischenkreis 12 getrennt wird, wird ein aktiver Kurzschluss erzeugt. Nachfolgend wird hierbei zwischen einem aktiven High-Side-Kurzschluss 68a, bei welchem die High-Side-Schalter 44 leitend und die Low-Side-Schalter 46 nichtleitend angesteuert oder geschaltet sind, und einem aktiven Low-Side-Kurzschluss 68b, bei welchem entsprechend die Low-Side-Schalter 46 leitend und die High-Side-Schalter 44 nichtleitend angesteuert oder geschaltet sind, unterschieden. Die 5 zeigt hierbei die elektrische Maschine 2 bei einem aktiven High-Side-Kurzschluss 68a, und die 6 zeigt die elektrische Maschine 2 bei einem aktiven Low-Side-Kurzschluss 68b.
Als Auslöse- oder Triggerbedingung für den Beginn des aktiven Kurzschlüsse 68a, 68b wird die Zwischenkreisspannung U_ZK mittels einer nicht näher gezeigten Messeinheit gemessen und überwacht, wobei der aktive Kurzschluss 68a, 68b erzeugt wird, wenn eine schnelle Spannungsänderung erfasst wird. Mit anderen Worten wird eine schnelle Unterspannung oder Überspannung des Zwischenkreises 12 als Auslöse- oder Triggerbedingung verwendet.
Während des aktiven Kurzschlusses fließt der durch die Gegen-EMK 66 bewirkte Strom als Kurzschlussstrom lediglich innerhalb des jeweiligen Kurzschlusses 68a, 68b, und somit quasi am Zwischenkreis 12 vorbei. Dadurch wird die Elektronik des Zwischenkreises 12, insbesondere die Logikelektronik des Controllers 42, vor der Gegen-EMK 66 geschützt.
Verfahrensgemäß wird der aktive Kurzschluss mit einer Umschaltfrequenz alternierend zwischen den High-Side-Schaltern 44 und den Low-Side-Schaltern 46, also zwischen dem High-Side-Kurzschluss 68a und dem Low-Side-Kurzschluss 68b, umgeschaltet, wobei die Umschaltfrequenz derart gesteuert oder geregelt wird, dass die Zwischenkreisspannung U_ZK des Zwischenkreises 12 stabilisiert wird. Dadurch ist bei einem Kontaktverlust der Batterie 10 eine Versorgung der Logik- und Leistungsbauteile durch die verbliebende Restenergie im Zwischenkreis 12 möglich, ohne dass dabei ein zu hohes Bremsmoment, und somit eine zu hohe Gegen-EMK 66, erzeugt wird.
Wenn der Wechselrichter 6 in den aktiven Kurzschluss schaltet, muss Energie aufgewendet werden, um die Gate- oder Steuerspannung für die High-Side- und Low-Side-Schalter 44, 46 aufrecht zu erhalten, und um die Logik des Controllers 42 zu versorgen. Dadurch wird die Zwischenkreisspannung U_ZK im Zwischenkreis 12 reduziert. Wenn der aktive Kurzschluss zwischen den High-Side- und Low-Side-Schaltern 44, 46 umgeschaltet wird, fließt während der Totzeit 70 ein Strom über die jeweiligen Freilaufdioden 52, welche den Zwischenkreis 12 wieder auflädt. Die 7 zeigt hierbei die elektrische Maschine 2 während der Totzeit 70.
In dem schematischen Zeit-Schaltzustands-Diagramm der 8 ist horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), die Zeit t, und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) der Schaltzustand SZ, beziehungsweise eine normierte Ansteuerspannung, der High-Side-Schalter 44 und Low-Side-Schalter 46, aufgetragen. In der 8 zeigt zwei Verläufe 72, 74. Der Verlauf 72 zeigt den Schaltzustand eines High-Side-Schalter 44, wobei der Verlauf 74 den Schaltzustand eines Low-Side-Schalters 46 zeigt. Die Schaltzeit, also die Zeitdauer um von einem niedrigen Schaltzustand (bspw. sperrend) in einen hohen Schaltzustand (bspw. leitend) oder umgekehrt umzuschalten, beträgt hierbei beispielsweise weniger als eine Mikrosekunde, beispielsweise etwa 0,5 µs. Die Totzeit 70 ist hierbei jene Zeitspanne, in welcher weder ein High-Side-Schalter 44 noch ein Low-Side-Schalter geschlossen 46 (leitend geschaltet) ist, also wenn beide Verläufe 72, 74 auf dem niedrigen Schaltniveau sind.
In dem schematischen Zeit-Ladungs-Diagramm der 9 ist horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), die Zeit t, und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) eine Ladung L, beispielsweise in Ampere-Sekunden (As) beziehungsweise Mikro-Ampere-Sekunden (µAs), aufgetragen. Die 9 zeigt hierbei einen sich aus der 8 ergebenden Verlauf 76 für die Ladungsmenge welche während der kurzen Totzeit 70 (bspw. etwa 0,25 µs) von den Elektromotoren 4a, 4b über die Freilaufdioden 52 eines Brückenmoduls 26 zurück in den Zwischenkreis 12 gespeist wird. Bei einem alternierendem aktiven Kurzschluss werden je nach Toleranzen und Temperaturen beispielsweise etwa 0,2 mC (Milli-Coulomb) pro Totzeit und pro Brückenzweig zurückgespeist.
Die 10 zeigt ein d/q-Zeigerdiagramm, also ein Zeigerdiagramm in einem rotorfesten d/q-Koordinatensystem, für einen Rotor 78 des Elektromotors 4a, 4b. Hierbei sind die Motor- oder Phasenspannungen mittels einer Park-Transformation entlang zweier Achsen d, q abgebildet. In der 10 ist weiterhin ein entsprechendes statorfestes a/b- oder α/β-Koordinatensystem mit zwei Achsen α, β für eine Clark-Transformation der Motor- oder Phasenspannungen gezeigt. Der Rotor 78 beziehungsweise die d-Achse ist hierbei um einen Rotorwinkel 80 gegenüber der α-Achse gedreht gezeigt. Die Stromkomponente entlang der q-Achse ist hierbei drehmomentbildend, wobei die Stromkomponente entlang der q-Achse feldbildend ist.
Die 10 zeigt hierbei ein Zeigerdiagramm für einen aktiven Kurzschluss 68a, 68b. Die 10 zeigt zwei Zeiger 82, 84. Der Zeiger 82 ist hierbei parallel zur d-Achse und der Zeiger 84 parallel zur q-Achse orientiert. Der Strom entlang der q-Achse fließt hierbei lediglich während der Totzeit 70 (Zeiger 84), ansonsten richtet sich der Zeiger entlang der d-Achse aus (Zeiger 82). Der Strom entlang der q-Achse setzt hierbei Wirkleistung um, und lädt den Zwischenkreis 12, für die kurze Zeit, in welcher er entlang dieser Achse fließt, auf.
Über die Aktivierungs- oder Umschaltfrequenz wird die Menge der Ladung in den Zwischenkreis 12 beeinflusst. Hierbei wird die Zwischenkreisspannung U_ZK mittels der Messeinheit gemessen und die Umschaltfrequenz oder Periodendauer der Aktivierung zwischen dem aktiven High-Side-Kurzschluss 68a und dem aktiven Low-Side-Kurzschluss 68b variiert. Dies kann mit einem einfach implementierbaren Zweipunktregler realisiert werden, welcher im Wesentlichen das Integral der Ladungsfunktion, also die Fläche unter dem Verlauf 76, regelt. Bei einem alternierenden aktiven Kurzschluss ist es lediglich möglich, den hohen Kurzschlussstrom kurzzeitig während der Totzeit 70 in den Zwischenkreis 12 zu leiten. In diesem Fall wird lediglich die Anzahl der Ladevorgänge pro Zeit verändert, nicht aber die (Ladungs-)Menge pro Ladevorgang.
Die 11 zeigt ein Zeigerdiagramm für eine Erhaltung der Feldschwächung bei einem Nullstrom als Batteriestrom I_Bat, also bei einem Batteriestrom I_Bat von Null (0 A). Die 11 zeigt zwei Zeiger 86, 88. Der parallel zur d-Achse orientierte Zeiger 86 zeigt den Strom für die Feldschwächung, und der parallel zur q-Achse orientierte Zeiger 88 zeigt den Strom zum Erhalten der Zwischenkreisspannung U_ZK. Der Strom zur Schwächung des Rotorfeldes ist kleiner als der Strom, welcher durch den aktiven Kurzschluss 68a, 68b vom Elektromotor 4a, 4b generiert wird, der Zeiger 86 ist somit kürzer als der Zeiger 88. Ohne den ohmschen Anteil des Elektromotors 4a, 4b (Widerstand 32) und der Elektronik setzt der d-Strom keine Leistung um. Neben der Versorgung der Logik und Gates muss das System hierbei außerdem diese Verlustleistungen ausgleichen. Dies weist jedoch den Vorteil auf, dass der Elektromotor 4a, 4b den Kurzschlussstrom nicht die ganze Zeit führen muss.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: elektrische Maschine
4a, 4b: Elektromotor
6: Wechselrichter
8: Stromquelle
10: Energiespeicher/Batterie
12: Zwischenkreis
12a: Hinleitung
12b: Rückleitung
14: Zwischenkreiskondensator
16: Brückenschaltung
18: Sternschaltung
20, 22, 24, 20', 22', 24': Phasenende
26: Brückenzweig/Brückenmodul
28, 28`: Sternpunkt
30: Induktivität
32: Widerstand
34, 36, 38: Spannungsabfall
40: induzierte Spannung
42: Controller
44: Halbleiterschalter/High-Side-Schalter
46: Halbleiterschalter/Low-Side-Schalter
48,50: Potentialanschluss
52: Freilaufdiode
54, 56: Steuerspannungseingang
58: Widerstand
60: Induktivität
62: Shuntwiderstand
64: Schalter
66: Gegen-EMK
68a: aktiver High-Side-Kurzschluss
68b: aktiver Low-Side-Kurzschluss
70: Totzeit
72,74, 76: Verlauf
78: Rotor
80: Rotorwinkel
82, 84, 86, 88: Zeiger
IE: Eingangsstrom
IU, IV, IW, lU', IV', IW': Phasenstrom
U, V, W, U', V', W': Phase
UZK: Zwischenkreisspannung
UG: Massepotential
IBat: Batteriestrom
UBat: Batteriespannung
t: Zeit
SZ: Schaltzustand
L: Ladung
d, q, α, β: Achse

Claims

Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (2), aufweisend einen bürstenlosen Elektromotor (4a, 4b) und einen Energiespeicher (10) sowie einen dazwischen geschalteten Wechselrichter (6) mit einer diesen ansteuernden Elektronik, wobei der Wechselrichter (6) über einen Zwischenkreis (12) an den Energiespeicher (10) geführt ist, wobei der Wechselrichter (6) eine Brückenschaltung (16) mit einer Anzahl von Brückenzweigen (26) mit jeweils einem High-Side-Schalter (44) und mit einem Low-Side-Schalter (46) aufweist, wobei die High-Side-Schalter (44) und Low-Side-Schalter (46) jeweils eine integrierte Freilaufdiode (52) aufweisen, wobei wenn der Energiespeicher (10) von dem Zwischenkreis (12) getrennt wird und der Elektromotor (4a, 4b) generatorisch arbeitet: - ein aktiver Kurzschluss (68a, 68b), bei welchem alle High-Side-Schalter (44) leitend und alle Low-Side-Schalter (46) nichtleitend oder umgekehrt geschaltet sind, erzeugt wird, - der aktive Kurzschluss (68a, 68b) mit einer Umschaltfrequenz alternierend zwischen den High-Side-Schaltern (44) und den Low-Side-Schaltern (46) umgeschaltet wird, wobei während einer Totzeit (70) ein Strom vom Elektromotor (4a, 4b) über die Freilaufdioden (52) in den Zwischenkreis (12) fließt, und - die Umschaltfrequenz derart gesteuert oder geregelt wird, dass eine Zwischenkreisspannung (U_ZK) des Zwischenkreises (12) stabilisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisspannung (U_ZK) überwacht wird, und dass der aktive Kurzschluss (68a, 68b) erzeugt wird, wenn eine schnelle Spannungsänderung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierung der Zwischenkreisspannung (U_ZK) mittels eines Zweipunktreglers geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung der Zwischenkreisspannung (U_ZK) eine feldorientierte Regelung zur Erhaltung der Feldschwächung durchgeführt wird.
Elektrische Maschine (2), aufweisend einen bürstenlosen Elektromotor (4a, 4b) und einen Energiespeicher (10) sowie einen dazwischen geschalteten Wechselrichter (6) mit einer diesen ansteuernden Elektronik, und einen Controller (42) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, - wobei der Wechselrichter (6) über einen Zwischenkreis (12) an den Energiespeicher (10) geführt ist, - wobei der Wechselrichter (10) eine Brückenschaltung (16) mit einer Anzahl von Brückenzweigen (26) mit jeweils einem High-Side-Schalter (44) und mit einem Low-Side-Schalter (46) aufweist, und - wobei die High-Side-Schalter (44) und Low-Side-Schalter (46) jeweils eine integrierte Freilaufdiode (70) aufweisen.
Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinheit zur Erfassung der Zwischenkreisspannung (U_ZK) mit dem Zwischenkreis verschaltet ist.
Software auf einem Datenträger zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wenn die Software auf einem Computer abläuft.