DE102022004264A1 - Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters in einem elektrischen Antriebssystem eines Fahrzeugs, wobei der Stromrichter derart betrieben wird, dass eine mit dem Stromrichter gekoppelte elektrische Maschine in einem Freilauf (FL) oder einem aktiven Kurzschluss (AKS) betrieben wird. Erfindungsgemäß erfolgt zur Einhaltung der Hochvoltsicherheit der Betrieb des Stromrichters anhand von zwei Sicherheitsebenen mit unabhängigen Kennfeldern (KF1, KF2), Ansteuerpfaden und einem unabhängigen Fehlerhandling unabhängig, wobei eine zweite Sicherheitsebene eine erste Sicherheitsebene überstimmen kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters in einem elektrischen Antriebssystem eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der DE 10 2020 206 478 A1 ist eine Steuervorrichtung für einen Stromrichter in einem elektrischen Antriebssystem mit einem ersten Ansteuerpfad und einem zweiten Ansteuerpfad bekannt. Die Ansteuerpfade sind jeweils dazu ausgelegt, einen sicheren Betriebszustand in einem Stromrichter des elektrischen Antriebssystems einzustellen. Der erste Ansteuerpfad umfasst eine erste Sicherheitseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Drehzahl einer elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems zu ermitteln und unter Verwendung der ermittelten Drehzahl der elektrischen Maschine entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in dem Stromrichter einzustellen. Der zweite Ansteuerpfad umfasst eine zweite Sicherheitseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Drehzahl der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems zu ermitteln und unter Verwendung der ermittelten Drehzahl der elektrischen Maschine entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in dem Stromrichter einzustellen. Weiterhin sind die erste Sicherheitseinrichtung und die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, in dem Stromrichter einen aktiven Kurzschluss einzustellen, falls die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine einen ersten Schwellwert überschreitet, und einen Freilauf einzustellen, falls die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine einen zweiten Schwellwert unterschreitet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters in einem elektrischen Antriebssystem eines Fahrzeugs anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • In einem Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters, auch als Inverter bezeichnet, in einem elektrischen Antriebssystem eines Fahrzeugs wird der Stromrichter derart betrieben, dass eine mit dem Stromrichter gekoppelte elektrische Maschine in einem Freilauf oder einem aktiven Kurzschluss betrieben wird.
  • Das Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
    • - eine Bordnetzspannung des Fahrzeugs, eine Spannung und eine Drehzahl der elektrischen Maschine ermittelt werden,
    • - aus der Spannung und der Drehzahl ein Arbeitspunkt ermittelt wird,
    • - bei Ausführung einer ersten Sicherheitsebene ein erstes Kennfeld zum Betrieb der elektrischen Maschine vorgegeben wird, wobei die elektrische Maschine dann, wenn der Arbeitspunkt in dem ersten Kennfeld
      • - oberhalb einer Summe aus der Bordnetzspannung und einem Spannungspufferwert und/oder unterhalb einer Differenz eines Drehzahlgrenzwerts und eines Drehzahlpufferwerts liegt, im Freilauf betrieben wird, und
      • - unterhalb der Summe aus der Bordnetzspannung und dem Spannungspufferwert und/oder oberhalb der Differenz des Drehzahlgrenzwerts und des Drehzahlpufferwerts liegt, in dem aktiven Kurzschluss betrieben wird,
    • - bei Ausführung einer zweiten Sicherheitsebene ein zweites Kennfeld zum Betrieb der elektrischen Maschine vorgegeben wird, wobei die elektrische Maschine dann, wenn der Arbeitspunkt in dem zweiten Kennfeld
      • - oberhalb der Bordnetzspannung und unterhalb des Drehzahlgrenzwerts liegt, im Freilauf betrieben wird, und
      • - unterhalb der Bordnetzspannung und oberhalb des Drehzahlgrenzwerts liegt, im aktiven Kurzschluss betrieben wird, und
    • - dann, wenn der Arbeitspunkt gleichzeitig im zweiten Kennfeld im Bereich des Freilaufs liegt und im ersten Kennfeld im Bereich des aktiven Kurzschlusses liegt oder sich in diesen Bereich bewegt, das zweite Kennfeld priorisiert und die elektrische Maschine im Freilauf betrieben wird.
  • In einem Stromrichter kann in Abhängigkeit einer Drehzahl und einer elektrischen Spannung einer mit dem Stromrichter gekoppelten elektrischen Maschine, beispielsweise eines Antriebsmotors eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, zwischen zwei sicheren Betriebszuständen gewechselt werden.
  • Ein sicherer Betriebszustand ist der so genannte aktive Kurzschluss. Eine Aktivierung des aktiven Kurzschlusses erfolgt beispielsweise durch Schließen aller Power Module auf einer High- oder Low-Side des Stromrichters. Im aktiven Kurzschluss erzeugt die elektrische Maschine bei Vorliegen einer Drehzahl ein leichtes negatives Moment, was für einen Fahrer eines mittels der elektrischen Maschine angetriebenen Fahrzeugs handhabbar ist. Gleichzeitig erfolgt, ebenfalls drehzahlabhängig, eine starke Erwärmung der elektrischen Maschine.
  • Ein weiterer sicherer Betriebszustand ist der so genannte Freilauf. In diesem kann je nach Drehzahl der elektrischen Maschine von dieser ein hohes negatives Moment erzeugt werden, so dass es zu für den Fahrer eines mittels der elektrischen Maschine angetriebenen Fahrzeugs zu schwer handhabbaren Situationen und einer damit verbundenen so genannten Verletzung der Momentensicherheit kommen kann. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, dass von der elektrischen Maschine eine hohe elektrische Spannung, beispielsweise mehr als 60 V, in das Bordnetz des Fahrzeugs induziert wird, wenn die Bordnetzspannung unterhalb einer drehzahlabhängig rückinduzierten Spannung der elektrischen Maschine liegt, so dass es zu einer Verletzung der so genannten Hochvoltsicherheit kommen kann.
  • Das vorliegende Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise ein sicheres Umschalten zwischen den zwei sicheren Endzuständen, das heißt dem aktiven Kurzschluss und dem Freilauf, in Abhängigkeit der Drehzahl der elektrischen Maschine und der von dieser theoretisch rückinduzierten Spannung, so dass die Hochvoltsicherheit zuverlässig sichergestellt werden kann. Dabei wird eine Spannungsinduzierung über einer Hochvoltschwelle von beispielsweise 60 V sicher verhindert.
  • Durch den Einsatz der zwei Sicherheitsebenen, welche durch unabhängige Kennfelder, Ansteuerpfade und ein unabhängiges Fehlerhandling unabhängig voneinander sind, und durch Realisierung eines aus dem Spannungspufferwert und dem Drehzahlpufferwert gebildeten Toleranzbands in der ersten Ebene ist die Einstellung des aktiven Kurzschlusses grundsätzlich priorisiert. In der zweiten Sicherheitsebene wird dagegen schneller ohne Toleranzband oder mit einem kleineren Toleranzband in den Freilauf umgeschaltet. Das heißt, bei Anwendung der ersten Sicherheitsebene wird auch im Fehlerfall durch das Schalten in den sicheren Zustand „aktiver Kurzschluss“ mehr Funktionalität ermöglicht, welche jedoch durch ein Überstimmen der ersten Sicherheitsebene durch die zweite Sicherheitsebene mit dem höheren Sicherheitszustand auch immer den erforderlichen Sicherheitsbestimmungen unterliegt und somit keine Sicherheitsverringerung darstellt. Dadurch führt ein Komponentenfehler, beispielsweise ein Abfall eines Crash-Pins, nicht zwingend zum Stilllegen bzw. Stillstand des Fahrzeugs und zum aktiven Kurzschluss, woraus sich eine höhere Verfügbarkeit der elektrischen Maschine ergibt. Gleichzeitig ist beispielsweise bei einem Crash sichergestellt, dass der richtige sichere Zustand mit hoher Sicherheitsintegrität eingestellt wird.
  • Beispielsweise kann so ein aus der Einstellung des aktiven Kurzschlusses resultierendes unnötiges Liegenbleiben eines Fahrzeugs ohne abkoppelbaren Antrieb vermieden werden. Durch Einstellung des Freilaufs ist zumindest unterhalb des Drehzahlgrenzwerts durch Geschwindigkeitslimitierung ein Weiterbetrieb eines solchen Fahrzeugs möglich. Die Möglichkeit der Einstellung des Freilaufs unterhalb des Drehzahlgrenzwerts führt dazu, dass Fahrzeuge auch im Fehlerfall, beispielsweise nach einem realen Crash bewegt werden können, ohne das der Stromrichter direkt einen aktiven Kurzschluss stellt. Durch die Verringerung der Zeit des aktiven Kurzschlusses kann eine thermische Belastung der elektrischen Maschine und somit deren Lebensdauer erhöht werden. Auch kann vermieden werden, dass durch Einstellung des aktiven Kurzschlusses bei Überschreitung einer bestimmten Drehzahl der elektrischen Maschine nach einer zeitlichen Überschreitung ein Brand entstehen kann. Somit kann ein Erhöhung der Sicherheit von Fahrzeugpassagieren und der Fahrzeugumgebung erreicht werden.
  • Somit ermöglicht das Verfahren aufgrund der Umsetzung mit zwei Sicherheitsebenen ein Einstellen eines sicheren Zustands im Stromrichter in ASIL-Integrität, insbesondere durch Verwendung eines Spannungs- und Drehzahlsensors, um die Anforderung zu erfüllen, im Fehlerfall keine Spannung in das Bordnetz des Fahrzeugs zu induzieren. Somit wird ein Bauteilschutz erhöht.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigt:
    • 1 schematisch ein erstes Kennfeld einer ersten Sicherheitsebene und ein zweites Kennfeld einer zweiten Sicherheitsebene zum Betrieb einer elektrischen Maschine.
  • In der einzigen 1 sind ein erstes Kennfeld KF1 einer ersten Sicherheitsebene und ein zweites Kennfeld KF2 zur Steuerung einer elektrischen Maschine eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Antriebsmotors eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, dargestellt. Dabei ist in den Kennfelder KF1, KF2 jeweils eine elektrische Spannung UDC, insbesondere eine Gleichspannung, in Abhängigkeit einer Drehzahl n der elektrischen Maschine abgetragen. Weiterhin sind in den Kennfeldern KF1, KF2 Bereiche dargestellt, in welchen die elektrische Maschine in einem aktiven Kurzschluss AKS und einem Freilauf FL betrieben wird.
  • Ein Betrieb der elektrischen Maschine erfolgt dabei durch entsprechende Ansteuerung eines Stromrichters, auch als Inverter bezeichnet, wobei in dem Stromrichter in Abhängigkeit der Drehzahl n und der elektrischen Spannung UDC der mit dem Stromrichter gekoppelten elektrischen Maschine zwischen zwei sicheren Betriebszuständen, das heißt dem Freilauf FL und dem aktiven Kurzschluss AKS, umgeschaltet wird.
  • In der ersten Sicherheitsebene werden sowohl die Spannung UDC als auch die Drehzahl n als Eingangsgröße verwendet. Innerhalb der ersten Sicherheitsebene ist das erste Kennfeld KF1 hinterlegt, welches definiert, wann zwischen den sicheren Zuständen aktiver Kurzschluss AKS und Freilauf FL umgeschaltet bzw. hin- und hergeschaltet werden darf.
  • Ist eine gemessene aktuelle Drehzahl nact der elektrischen Maschine kleiner als ein vorgegebener Drehzahlgrenzwert nmin abzüglich eines Drehzahlpufferwerts np, durch welchen ein Toleranzband gebildet wird, darf vom aktiven Kurzschluss AKS in den Freilauf FL umgeschaltet werden, da bei dieser Spannung UDC keine Hochvoltspannung UHV in das Bordnetz des Fahrzeugs induziert wird. Der Wert der Hochvoltspannung UHV beträgt dabei beispielsweise 60 V.
  • Oberhalb des Drehzahlgrenzwerts nmin ist es abhängig davon, ob die Batteriespannung angelegt ist oder nicht. Ist die Batteriespannung angelegt, kann bei höherer Drehzahl n erst der Freilauf FL eingenommen werden. Das heißt, liegt ein aus einer aktuellen Spannung UDC,act der elektrischen Maschine und der aktuellen Drehzahl nact der elektrischen Maschine gebildeter Arbeitspunkt AP, das heißt eine theoretisch von der elektrischen Maschine rückinduzierte Spannung UDC,ind, in dem ersten Kennfeld KF1 oberhalb einer Summe aus Bordnetzspannung und einem Spannungspufferwert Up, wird in den Freilauf FL umgeschaltet.
  • In der zweiten Sicherheitsebene werden ebenfalls die Spannung UDC und die Drehzahl n als Eingangsgröße verwendet. Der Unterschied ist jedoch, dass im zweiten Kennfeld KF2 der Bereich für den Freilauf FL größer ist, dass der Drehzahlpufferwert np und der Spannungspufferwert Up nicht verwendet werden.
  • Vorteilhaft ist an dieser Stelle, dass die erste Sicherheitsebene so früher den aktiven Kurzschluss AKS einleitet, welcher immer die höhere Priorität hat.
  • Dabei sind die Sicherheitsebenen durch unabhängige Kennfelder KF1, KF2, Ansteuerpfade und ein unabhängiges Fehlerhandling unabhängig voneinander.
  • Jedoch kann die zweite Sicherheitsebene die erste Sicherheitsebene überstimmen. Somit dient die zweite Sicherheitsebene als Überwachungsfunktion und leitet im Fehlerfall, ausschließlich den aktiven Kurzschluss AKS ein. Hintergrund ist, dass Methoden bekannt sind, bei welchen die erste Sicherheitsebene eine Transition zwischen dem Freilauf FL und dem aktiven Kurschluss AKS einleiten kann, ohne einen Überstrom oder eine Überspannung zu erzeugen und somit das Ziel erreicht wird, eine Induktion von Spannungen UDC von mehr als der Hochvoltspannung UHV zu vermeiden.
  • Die zweite Sicherheitsebene leitet ohne Regelung den Freilauf FL und den aktiven Kurschluss AKS ein, daher kann es zu einer Überspannung und/oder Überstrom kommen. Daher ist ein Hin- und Herschalten in der zweiten Sicherheitsebene nicht zulässig bzw. wird nur in einem stillstandsnahen Bereich, das heißt bei einer Unterschreitung eines vorgegebenen Drehzahlgrenzwerts der Drehzahl n der elektrischen Maschine, durchgeführt, da hier keine Überspannnung erzeugt wird. Alternativ ist das Umschalten in der zweiten Sicherheitsebene auch dann zulässig, wenn eine technische Umsetzung vorhanden ist, welche sowohl Überspannungen als auch Überströme verhindert. Sollte ein Fehlerfall vorliegen, überstimmt die zweite Sicherheitsebene die erste Sicherheitsebene. Ein „Heilungsversuch“ der ersten Sicherheitsebene kann beispielsweise bei einem Zündungswechsel erfolgen. Bei einem Fehler der zweiten Sicherheitsebene ist eine Busruhe zur Fehlerheilung notwendig. Diese kann beispielsweise durch einen so genannten Watchdog erkannt werden.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass in den beiden Sicherheitsebenen unterschiedliche Fehlertoleranzzeiten zur Aktivierung des Freilaufs FL und des aktiven Kurzschlusses AKS der elektrischen Maschine verwendet werden, wobei eine Fehlertoleranzzeit der ersten Sicherheitsebene kleiner als eine Fehlertoleranzzeit der zweiten Ebene ist. Beispielsweise weist die erste Sicherheitsebene eine Fehlertoleranzzeit von 200 ms auf, um bei Anforderung des sicheren Zustands, das heißt des Freilaufs FL oder des aktiven Kurzschlusses AKS, diesen einzuleiten. Beispielsweise weist die zweite Sicherheitsebene eine Fehlertoleranzzeit von 300 ms auf, um dann, wenn in der zweiten Sicherheitsebene ein Fehler erkannt wird, den aktiven Kurzschluss AKS nach ihrer Fehlertoleranzzeit als sicheren Zustand einzuleiten.
  • Bezugszeichenliste
    • AKS
    aktiver Kurzschluss
    AP
    Arbeitspunkt
    FL
    Freilauf
    KF1
    Kennfeld
    KF2
    Kennfeld
    n
    Drehzahl
    nact
    Drehzahl
    nmin
    Drehzahlgrenzwert
    np
    Drehzahlpufferwert
    UDC
    Spannung
    UDC,act
    Spannung
    UDC,ind
    rückinduzierte Spannung
    UHV
    Hochvoltspannung
    Up
    Spannungspufferwert
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102020206478 A1 [0002]

Claims (4)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters in einem elektrischen Antriebssystem eines Fahrzeugs, wobei der Stromrichter derart betrieben wird, dass eine mit dem Stromrichter gekoppelte elektrische Maschine in einem Freilauf (FL) oder einem aktiven Kurzschluss (AKS) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Bordnetzspannung des Fahrzeugs, eine Spannung (UDC,act) und eine Drehzahl (nact) der elektrischen Maschine ermittelt werden, - aus der Spannung (UDC,act) und der Drehzahl (nact) ein Arbeitspunkt (AP) ermittelt wird, - bei Ausführung einer ersten Sicherheitsebene ein erstes Kennfeld (KF1) zum Betrieb der elektrischen Maschine vorgegeben wird, wobei die elektrische Maschine dann, wenn der Arbeitspunkt (AP) in dem ersten Kennfeld (KF1) - oberhalb einer Summe aus der Bordnetzspannung und einem Spannungspufferwert (Up) und/oder unterhalb einer Differenz eines Drehzahlgrenzwerts (nmin) und eines Drehzahlpufferwerts (np) liegt, im Freilauf (FL) betrieben wird, und - unterhalb der Summe aus der Bordnetzspannung und dem Spannungspufferwert (Up) und/oder oberhalb der Differenz des Drehzahlgrenzwerts (nmin) und des Drehzahlpufferwerts (np) liegt, in dem aktiven Kurzschluss (AKS) betrieben wird, - bei Ausführung einer zweiten Sicherheitsebene ein zweites Kennfeld (KF2) zum Betrieb der elektrischen Maschine vorgegeben wird, wobei die elektrische Maschine dann, wenn der Arbeitspunkt (AP) in dem zweiten Kennfeld (KF2) - oberhalb der Bordnetzspannung und unterhalb des Drehzahlgrenzwerts (nmin) liegt, im Freilauf (FL) betrieben wird, und - unterhalb der Bordnetzspannung und oberhalb des Drehzahlgrenzwerts (nmin) liegt, im aktiven Kurzschluss (AKS) betrieben wird, und - dann, wenn der Arbeitspunkt (AP) gleichzeitig im zweiten Kennfeld (KF2) im Bereich des Freilaufs (FL) liegt und im ersten Kennfeld (KF1) im Bereich des aktiven Kurzschlusses (AKS) liegt oder sich in diesen Bereich bewegt, das zweite Kennfeld (KF2) priorisiert und die elektrische Maschine im Freilauf (FL) betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - in den beiden Sicherheitsebenen unterschiedliche Fehlertoleranzzeiten zur Aktivierung des Freilaufs (FL) und des aktiven Kurzschlusses (AKS) der elektrischen Maschine verwendet werden, wobei - eine Fehlertoleranzzeit der ersten Sicherheitsebene kleiner als eine Fehlertoleranzzeit der zweiten Ebene ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Sicherheitsebene in Abhängigkeit der Drehzahl (nact) und der Spannung (UDC,act) der elektrischen Maschine zwischen dem Freilauf (FL) und dem aktiven Kurzschluss (AKS) umgeschaltet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Sicherheitsebene ein Wechsel zwischen dem Freilauf (FL) und dem aktiven Kurzschluss (AKS) in Abhängigkeit der Drehzahl (nact) und der Spannung (UDC,act) der elektrischen Maschine ausschließlich unterhalb eines vorgegebenen Drehzahlgrenzwerts (nmin) der Drehzahl (nact) der elektrischen Maschine zulässig ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102020206478A1 (de) 2020-05-25 2021-11-25 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Steuervorrichtung für einen Stromrichter, elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes

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