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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Inverters eines Fahrzeugs und ein solches Fahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind Antriebsstränge elektrisch angetriebener Fahrzeuge bekannt, in welchen eine Verlustwärme IGBT-basierter Inverter und/oder eine Verlustwärme von Elektromotoren aufgrund von Schalt- und Leitverlusten für eine Erwärmung (auch Vorkonditionierung genannt) einer Antriebsbatterie dieser Fahrzeuge verwendet wird. Hierfür sind die Inverter und/oder Elektromotoren beispielsweise über einen Kühlkreislauf thermisch mit der Batterie gekoppelt, sodass deren Abwärme zur Batterie übertragen werden kann.
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Eine solche Vorkonditionierung der Batterie ist insbesondere dann relevant, wenn die Batterie einem Ladevorgang unterzogen werden soll, während die Batterie eine geringe Temperatur aufweist. Dies kann u. a. zu erhöhten Ladezeiten führen, die i. d. R. nachteilig für Nutzer der Fahrzeuge sind.
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Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik Inverter bekannt, welche SiC-MOSFETs oder davon abweichende Halbleiter mit breitem Bandabstand einsetzen, da diese gegenüber IGBT-basierten Invertern insbesondere in einem Teillastbereich geringere Leit- und Schaltverluste aufweisen und dadurch beispielsweise eine höhere Reichweite elektrisch angetriebener Fahrzeuge ermöglichen. Aufgrund der geringeren Leit- und Schaltverluste lässt sich auf Basis von SiC-MOSFET-basierten Invertern allerdings kein ausreichender hoher Erwärmungsbeitrag zur Vorkonditionierung einer Batterie erzeugen.
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DE 102012223054 A1 beschreibt ein Verfahren für das thermische Management eines Elektrofahrzeugs. Ein Steuergerät ist eingerichtet, die Temperatur einer Traktionsbatterie auf innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs zu regeln, wenn das Fahrzeug in Betrieb ist. Die Temperatur der Batterie wird auf innerhalb eines Ladetemperaturbereichs geregelt, wenn die Batterie mit dem Ladegerät und der Stromquelle verbunden und die Außentemperatur außerhalb eines Umgebungstemperaturbereichs liegt. Hierfür ist die Batterie in einer Ausführungsform mit einem thermischen Kreislauf verbunden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine ausreichende Vorkonditionierung für eine Batterie auf Basis einer Verlustwärme eines Inverters mit geringen Schalt- und Leitverlusten zu erzielen.
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Die Lösung der vorstehend identifizierten Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Inverters eines Fahrzeugs vorgeschlagen. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Information über einen Erwärmungsbedarf einer elektrisch und thermisch mit dem Inverter des Fahrzeugs gekoppelten Batterie ermittelt, wobei die Batterie vorzugsweise eine Antriebsbatterie für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug ist. Ein solcher Erwärmungsbedarf der Batterie liegt beispielsweise dann vor, wenn die Batterie bei geringen vorliegenden Umgebungstemperaturen einem Ladevorgang unterzogen werden soll, da eine geringe Batterietemperatur (z. B. unterhalb von 0°C) i. d. R. zu einer erhöhten Ladezeit führt. Das Ermitteln des Erwärmungsbedarfs der Batterie erfolgt beispielsweise auf Basis eines oder mehrerer Temperatursensoren, welche direkt oder indirekt (z. B. Temperatursensoren, die an einer Kühlvorrichtung und/oder in einem Kühlmittelkreislauf für die Batterie usw. angeordnet sind) thermisch mit der Batterie gekoppelt sind. Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, eine Temperatur der Batterie auf Basis von Temperatursensoren abzuschätzen, die nicht direkt oder indirekt mit der Batterie thermisch gekoppelt sind und die zum Beispiel Temperatursensoren zur Erfassung einer Umgebungstemperatur des Fahrzeugs sind. Weiter alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, eine Temperatur der Batterie auf Basis von Wetterdaten abzuschätzen, die im Fahrzeug empfangen werden. Eine Differenz zwischen der ermittelten Temperatur der Batterie und einer vordefinierten Solltemperatur der Batterie repräsentiert entsprechend den Erwärmungsbedarf der Batterie. Es sei darauf hingewiesen, dass die Solltemperatur in Abhängigkeit einer geplanten Nutzung der Batterie (z. B. ein Fahrbetrieb oder ein Ladebetrieb, usw.) unterschiedliche Werte aufweisen kann. Das Ermitteln des Erwärmungsbedarfs der Batterie erfolgt beispielsweise mittels einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit, welche vorteilhaft eingerichtet ist, diesen und nachfolgende Verfahrensschritte, z. B. auf Basis eines Computerprogramms auszuführen. Zum Ermitteln des Erwärmungsbedarfs der Batterie ist eine solche Auswerteeinheit beispielsweise direkt oder indirekt informationstechnisch mit dem Temperatursensor oder den Temperatursensoren verbunden, welche die Temperatur der Batterie erfassen. In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert die Auswerteeinheit den Inverter in einem ersten Modus an, in welchem ein mit einem AC-Anschluss (d. h., ein Wechselstromanschluss, der hier und nachfolgend auch einen Mehrphasen-AC-Anschluss repräsentieren kann) des Inverters elektrisch gekoppelter Elektromotor des Fahrzeugs (vorzugsweise ein Antriebsmotor des Fahrzeugs) von einem durch die Batterie bereitgestellten Strom durchflossen wird. Hierfür werden jeweilige Inversdioden (auch „body“-Dioden genannt) aufweisende Halbleiterschalter des Inverters vorteilhaft in Übereinstimmung mit einer Winkelposition eines Rotors des Elektromotors angesteuert, sodass ein entsprechender Stromfluss durch den Elektromotor erreicht wird. Hierfür können aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Ermitteln der Winkelposition des Rotors und zum Ansteuern der Halbleiterschalter des Inverters in Übereinstimmung mit der jeweiligen Winkelposition eingesetzt werden. In einem dritten Schritt des erfindungsgenmäßen Verfahrens wird der Inverters durch die Auswerteeinheit in einem zweiten Modus angesteuert, welcher einen Freilauf des Inverters repräsentiert, in dem ein durch die Inversdioden bestimmter Halbleiterschalter des Inverters fließender Freilaufstrom zur Erwärmung der thermisch mit dem Inverter gekoppelten Batterie führt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, wenigstens so lange wiederkehrend zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus zu wechseln, bis der Erwärmungsbedarf der Batterie gedeckt ist. Ferner ist vorgesehen, dass die Ansteuerung des Inverters über die Zeit gesehen (d. h., über mehrere aufeinanderfolgende Wechsel zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus) derart erfolgt, dass ein durch den Elektromotor fließender mittlerer Strom einem Gleichstrom entspricht, der im Elektromotor kein Drehmoment hervorruft. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass jeweilige Umschaltzeitpunkte für den wiederkehrenden Wechsel zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus in Abhängigkeit des Erwärmungsbedarfs der Batterie festgelegt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass trotz der Verwendung von Halbleitern, welche insbesondere in Teillastbereichen bzw. bestimmten Lastbereichen einen geringeren Leit- und/oder Schaltverlust aufweisen, ein für eine Vorkonditionierung einer Batterie eines Fahrzeugs ausreichender Erwärmungsbeitrag durch den erfindungsgemäß angesteuerten Inverter ermöglicht wird, indem die Erwärmung insbesondere über einen Stromfluss über Inversdioden dieser Halbleiterschalter erzeugt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Halbleiterschalter des Inverters SiC-MOSFETs und/oder GaN-MOSFETs und/oder Si-MOSFETs. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Inverter und der Elektromotor jeweils einphasig oder mehrphasig und besonders vorteilhaft dreiphasig ausgebildet sind und/oder dass der Elektromotor eine fremderregte Synchronmaschine ist.
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Besonders vorteilhaft ist die Batterie darüber hinaus thermisch mit dem Elektromotor gekoppelt, sodass eine durch den Stromfluss im Elektromotor bewirkte Erwärmung des Elektromotors zusätzlich zur Erwärmung der Batterie verwendet werden kann. Eine thermische Kopplung des Elektromotors an die Batterie erfolgt beispielsweise über einen gemeinsam verwendeten Kühlkreislauf und/oder über eine davon abweichende thermische Kopplung.
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Vorzugsweise sind ein durch den Inverter bereitgestellter erster Erwärmungsbeitrag und/oder ein durch den Elektromotor bereitgestellter zweiter Erwärmungsbeitrag zur Erwärmung der Batterie Erwärmungsbeiträge, welche beispielsweise durch eine Festlegung von Umschaltfrequenzen des wiederkehrenden Wechsels zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus festgelegt werden. Mittels einer höheren Umschaltfrequenz lässt sich beispielsweise ein Erwärmungsbeitrag aufgrund höherer Schaltverluste durch die Halbleiterschalter des Inverters erzeugen. Alternativ oder zusätzlich lassen sich die jeweiligen Erwärmungsbeiträge durch eine Festlegung von Höhen jeweiliger Gate-Spannungen der Halbleiter des Inverters erreichen. Indem die Halbleiterschalter beispielsweise mit geringeren Einschaltspannungen betrieben werden (z. B. kleiner als 18 V oder kleiner als 15 V, usw.), lassen sich höhere Leitverluste in den Halbleiterschalter des Inverters erzeugen, wodurch sich ein Erwärmungsbetrag des Inverters am an der Gesamterwärmung entsprechend erhöhen lässt. Weiter alternativ oder zusätzlich ist es möglich, jeweilige Erwärmungsbeiträge durch eine Festlegung von Dauern von Totzeiten zu erreichen, die bei einer komplementären Umschaltung korrespondierender high-side und low-side Halbleiterschalter des Inverters einzuhalten sind, um Kurzschlüsse im Inverter zu verhindern. Es sei darauf hingewiesen, dass die jeweiligen Erwärmungsbeiträge vordefinierte Erwärmungsbeiträge oder Erwärmungsbeiträge sein können, welche auf Basis einer Steuerung und/oder einer Regelung angepasst werden können. Auf diese Weise ist es möglich, eine anwendungsspezifische geeignete Balance zwischen dem Erwärmungsbeitrag durch den Inverter und dem Erwärmungsbeitrag durch den Elektromotor zu erzielen bzw. aufrechtzuerhalten.
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Vorteilhaft werden die vorstehend genannten Erwärmungsbeiträge zum Erwärmen der Batterie des Fahrzeugs in Abhängigkeit einer Strombelastbarkeit des Inverters und/oder des Elektromotors festgelegt. Vorzugsweise werden der erste Erwärmungsbetrag und der zweite Erwärmungsbeitrag bei einem Erreichen der jeweiligen Strombelastbarkeiten begrenzt, sodass es zu keiner Beschädigung des Inverters und/oder des Elektromotors aufgrund der Vorkonditionierung der Batterie kommen kann.
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Ferner ist es möglich, dass diejenigen Halbleiterschalter des Inverters, deren Inversdioden im zweiten Modus des Inverters den Freilaufstrom leiten, während der gesamten Erwärmungsphase oder nur während eines Teils der Erwärmungsphase (z. B. über mehrere Wechsel zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus) der Batterie dauerhaft ausgeschaltet und insbesondere aktiv ausgeschaltet sind, z. B. mittels einer Gate-Spannung von -5 V. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass diejenigen Halbleiterschalter des Inverters, deren Inversdioden im zweiten Modus des Inverters den Freilaufstrom leiten, unter Berücksichtigung jeweils erforderlicher Totzeiten komplementär zu ihren jeweils korrespondierenden high-side- oder low-side Halbleiterschaltern geschaltet werden. Letzteres entspricht somit einer aus dem Stand der Technik bekannten synchronen Gleichrichtung durch den Inverter.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die zur Kurzschlussvermeidung erforderlichen Totzeiten bei der komplementären Umschaltung korrespondierender low-side- und high-side-Halbleiterschalter in Abhängigkeit des Erwärmungsbedarfs der Batterie initial (z. B. ab Werk oder ab Beginn oder vor Beginn eines Ladezyklus', usw.) festgelegt und/oder über die Zeit in geeigneter Weise angepasst. Letzteres ermöglicht zum Beispiel durch eine Verwendung längerer Totzeiten zu Beginn eines Ladevorgangs eine initial schnellere Erwärmung, welche durch eine darauffolgende Verwendung kürzerer Totzeiten allmählich an eine bei der Erwärmung zu erreichende Zieltemperatur angeglichen wird. Hierfür lässt sich beispielsweise eine Steuerung der Totzeiten auf Basis vordefinierter Kennlinien und/oder Tabellen und/oder eine Regelung der Totzeiten auf Basis einer Temperaturmessung der Batterie einsetzen.
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Vorteilhaft wird der Wärmebedarf der Batterie in Abhängigkeit eines geplanten Ladevorgangs der Batterie ermittelt. Hierfür wird beispielsweise ein Signal einer Ladevorrichtung im Fahrzeug und/oder einer mit dem Fahrzeug elektrisch gekoppelten Ladestation empfangen und als Auslöser zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet. Ferner ist es auch möglich, einen geplanten Ladevorgang anhand einer vordefinierten Uhrzeit und/oder anhand einer Annäherung des Fahrzeugs an eine Ladestation und/oder anhand davon abweichender Kriterien und/oder Ereignisse zu ermitteln. Wie vorstehend bereits beschrieben, kann eine dem Erwärmungsbedarf der Batterie entsprechende Erwärmung der Batterie auf Basis einer Steuerung und/oder einer Regelung erfolgen, welche vorzugsweise mittels einer vorstehend beschriebenen Auswerteeinheit ausgeführt wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Inverters eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung eine eigenständige Komponente und/oder ein Bestandteil des Inverters selbst sein kann. Die Vorrichtung weist eine Auswerteeinheit mit einem Dateneingang und einem Datenausgang auf, wobei die Auswerteeinheit beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet sein kann. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, in Verbindung mit dem Dateneingang eine Information über einen Erwärmungsbedarf einer elektrisch und thermisch mit dem Inverter gekoppelten Batterie des Fahrzeugs zu ermitteln. Darüber hinaus ist die Auswerteeinheit in Verbindung mit dem Datenausgang eingerichtet, den Inverter in einem ersten Modus anzusteuern, in welchem ein mit einem AC-Anschluss des Inverters elektrisch gekoppelter Elektromotor des Fahrzeugs von einem durch die Batterie bereitgestellten Strom durchflossen wird, den Inverter in einem zweiten Modus anzusteuern, welcher einen Freilauf des Inverters repräsentiert, in dem ein durch Inversdioden von Halbleiterschaltern des Inverters fließender Freilaufstrom zur Erwärmung der thermisch mit dem Inverter gekoppelten Batterie führt, wenigstens so lange wiederkehrend zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus zu wechseln, bis der Erwärmungsbedarf der Batterie gedeckt ist und den Inverter derart anzusteuern, dass ein durch den Elektromotor fließender mittlerer Strom einem Gleichstrom entspricht, der im Elektromotor kein Drehmoment hervorruft. Ferner ist die Auswerteeinheit eingerichtet, jeweilige Umschaltzeitpunkte für den wiederkehrenden Wechsel zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus in Abhängigkeit des Erwärmungsbedarfs der Batterie festzulegen.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, welches eine Vorrichtung gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt umfasst. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug und/oder ein Wasserfahrzeug sein. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erst- und zweitgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fahrzeug;
- 3a eine beispielhafte Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Inverters gemäß einem ersten Modus;
- 3b eine beispielhafte Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Inverters gemäß einem zweiten Modus; und
- 4 beispielhafte Signalverläufe zur Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Inverters.
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1 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Schritt 100 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels einer als Mikrocontroller ausgebildeten Auswerteeinheit 40 eines Inverters 10 für ein Fahrzeug eine Information über einen Erwärmungsbedarf einer elektrisch und thermisch mit dem Inverter 10 gekoppelten Batterie 20 des Fahrzeugs ermittelt. Das Ermitteln erfolgt auf Basis einer durch die Auswerteeinheit 40 empfangenen Ladeanforderung zum Laden der Batterie 20 und auf Basis einer durch die Auswerteeinheit 40 empfangenen Temperaturinformation repräsentierend eine aktuelle Temperatur der Batterie 20. Im Falle einer vorliegenden Ladeanforderung und einer negativen Abweichung der aktuellen Temperatur der Batterie 20 von einer vordefinierten Solltemperatur der Batterie 20, wird durch die Auswerteeinheit 40 eine Höhe eines Erwärmungsbedarfs der Batterie 20 ermittelt. Im Schritt 200 des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert die Auswerteeinheit 40 SiC-MOSFETs S1, S2, S3, S4, S5, S6 des Inverters 10 in einem ersten Modus an, in welchem ein mit einem AC-Anschluss des Inverters 10 elektrisch gekoppelter Elektromotor 30 des Fahrzeugs von einem durch die Batterie 20 bereitgestellten Strom I durchflossen wird. Im Schritt 300 des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert die Auswerteeinheit 40 die SiC-MOSFEs S1, S2, S3, S4, S5, S6 des Inverters 10 in einem zweiten Modus an, welcher einen Freilauf des Inverters 10 repräsentiert, in dem ein durch Inversdioden der SiC-MOSFETs S1, S2, S3, S4, S5, S6 des Inverters 10 fließender Freilaufstrom zur Erwärmung der thermisch mit dem Inverter 10 gekoppelten Batterie 20 führt. Die Ansteuerung der jeweiligen SiC-MOSFETs S1, S2, S3, S4, S5, S6 erfolgt unter Berücksichtigung einer Information über eine aktuelle Winkelposition eines Rotors des Elektromotors 30, welche der Auswerteeinheit 40 informationstechnisch zur Verfügung gestellt wird. Zudem erfolgt die Ansteuerung der SiC-MOSFETs S1, S2, S3, S4, S5, S6 durch die Auswerteeinheit 40 derart, dass wenigstens so lange wiederkehrend zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus gewechselt wird, bis der Erwärmungsbedarf der Batterie 20 gedeckt ist und derart, dass ein mittlerer durch den Elektromotor 30 fließender Strom einem Gleichstrom entspricht, der im Elektromotor 30, welcher sich im Stillstand befindet, kein Drehmoment hervorruft. Darüber hinaus erfolgt die Ansteuerung derart, dass jeweilige Umschaltzeitpunkte für den wiederkehrenden Wechsel zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus in Abhängigkeit des Erwärmungsbedarfs der Batterie 20 festgelegt und insbesondere im Verlauf der Erwärmung der Batterie 20 mittels einer Regelung durch die Auswerteeinheit 40 in geeigneter Weise angepasst werden.
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2 zeigt eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fahrzeug. Das Fahrzeug umfasst einen Inverter 10, eine Batterie 20, welche eine Antriebsbatterie des Fahrzeugs ist und einen Elektromotor 30, welcher als Antriebsmotor für das Fahrzeug eingesetzt wird. Der Inverter 10, die Batterie 20 und Elektromotor 30 sind jeweils untereinander mittels eines gemeinsamen Kühlkreislaufs 60 thermisch gekoppelt, sodass eine Erwärmung des Elektromotors 30 und des Inverters 10 für eine Erwärmung, insbesondere eine Vorkonditionierung, der Batterie 20 verwendet werden kann. Der Inverter 10 weist eine Auswerteeinheit 40 auf, welche mittels eines Dateneingangs 42 informationstechnisch mit einer Ladevorrichtung 50 des Fahrzeugs gekoppelt ist. Auf diese Weise ist die Auswerteeinheit 40 eingerichtet, eine Information über einen anstehenden und/oder bereits laufenden Ladevorgang der Batterie 20 von der Ladevorrichtung 50 zu empfangen. Mittels eines Datenausgangs 44 ist die Auswerteeinheit 40 elektrisch mit jeweiligen Steuereingängen einer Vielzahl von SiC-MOSFETs S1, S2, S3, S4, S5, S6 des Inverters 10 verbunden, über welche eine Gleichspannung der Batterie 20 in einem Fahrbetrieb des Fahrzeugs in eine Wechselspannung gewandelt wird, um den Elektromotor 30 des Fahrzeugs zu betreiben. Auf Basis dieser Konfiguration ist die Auswerteeinheit 40 eingerichtet, das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren, welches hier in Form eines durch die Auswerteeinheit 40 ausführbaren Computerprogramms implementiert ist, auszuführen.
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3a zeigt eine beispielhafte Ansteuerung eines erfindungsgemäßen dreiphasigen Inverters 10 gemäß einem ersten Modus. Die Ansteuerung erfolgt durch eine erfindungsgemäße Auswerteeinheit 40, welche hier als Bestandteil des Inverters 10 ausgebildet ist. Jeweilige elektrische Verbindungen der Auswerteeinheit 40 mit jeweiligen Gate-Anschlüssen von SiC-MOSFETs S1, S2, S3, S4, S5, S6 des Inverters 10 sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Ansteuerung im ersten Modus, welche in Übereinstimmung mit einer Winkelposition eines dreiphasigen Elektromotors 30 in einem Stillstand des Elektromotors 30 erfolgt, sieht hier vor, dass sich die SiC-MOSFETs S1, S3, S6 in einem ausgeschalteten Zustand befinden, welcher hier durch eine Ansteuerung von Gates dieser SiC-MOSFETs S1, S3, S6 mit einer Spannung von -5 V erreicht wird. Die SiC-MOSFETs S2, S4, S5 befinden sich jeweils in einem eingeschalteten Zustand, welcher hier durch eine Ansteuerung der Gates dieser SiC-MOSFETs S2, S4, S5 mit einer Spannung von 18 V erreicht wird. Durch diese Art der Ansteuerung fließt im ersten Modus ein von einer Batterie 20 bereitgestellter Strom I durch SiC-MOSFETs S2, S4, S5 und durch die Wicklungen des Elektromotors 30, wie durch die Pfeile gekennzeichnet ist. Hierbei werden sowohl Leitverluste im Inverter 10 selbst, als auch in den Wicklungen des Elektromotors 30 erzeugt, welche anschließend in Form einer Abwärme zur Erwärmung der Batterie 20 verwendet werden können.
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3b zeigt eine beispielhafte Ansteuerung eines erfindungsgemäßen dreiphasigen Inverters 10 gemäß einem zweiten Modus. Da 3b mit Ausnahme der Ansteuerung der SiC-MOSFETs S1, S2, S3, S4, S5, S6 des Inverters 10 identisch zu 3a ist, werden nachfolgend zur Vermeidung von Wiederholungen nur die Unterschiede zwischen den Figuren beschrieben. Die Ansteuerung der SiC-MOSFETs S1, S2, S3, S4, S5, S6 durch die Auswerteeinheit 40 sieht im zweiten Modus vor, dass die SiC-MOSFETs S1, S3 und S6 im ausgeschalteten Modus verbleiben, während die SiC-MOSFETs S2, S4, S5 nun ebenfalls ausgeschaltet werden. Ein durch die Induktivitäten des Elektromotors 30 erzeugter Freilaufstrom fließt nun über die Inversdioden der SiC-MOSFETs S1, S3, S6, wodurch eine starke Erwärmung der MOSFETs S1, S3, S6 erzeugt wird, die über die thermische Kopplung entsprechend zur Erwärmung der Batterie 20 verwendet werden kann.
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4 zeigt beispielhafte Signalverläufe zur Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Inverters 10. Ein Signal GS repräsentiert ein Haupt-Gating-Signal zur Ansteuerung von Halbleiterschaltern S1, S2, S3, S4, S5, S6 des Inverters 10, welche beispielsweise mit den SiC-MOSFETs S1, S2, S3, S4, S5, S6 in den 3a und 3b korrespondieren. Ein aus dem Signal GS abgeleitetes Signal GS1 repräsentiert ein Ansteuerungssignal für eine erste Gruppe von Halbleiterschaltern S1, S2, S3, S4, S5, S6, welche in Abhängigkeit einer Winkelposition eines Rotors eines mittels der Inverters 10 versorgten Elektromotors 30 jeweils gemeinsam aktiviert bzw. deaktiviert werden (z. B. die SiC-MOSFETs S2, S4, S5 in den 3a und 3b). Ein aus dem Signal GS abgeleitetes Signal GS2 repräsentiert ein Ansteuerungssignal für eine zweite Gruppe von Halbleiterschaltern S1, S2, S3, S4, S5, S6, welche in Abhängigkeit der Winkelposition des Rotors des Elektromotors 30 jeweils gemeinsam aktiviert bzw. deaktiviert werden (z. B. die SiC-MOSFETs S1, S3, S6 in den 3a und 3b). Gezeigt sind zudem die Totzeiten T1, T2, die bei einer komplementären Umschaltung jeweiliger korrespondierender high-side und low-side Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4, S5, S6 einzuhalten sind, um einen Kurzschluss innerhalb des Inverters 10 zu verhindern. Ein innerhalb dieser Totzeiten T1, T2 über Freilaufdioden bestimmter Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4, S5, S6 fließender Strom, erzeugt eine hohe Verlustleistung, welche wie vorstehend beschrieben zur Erwärmung einer thermisch mit dem Inverter 10 gekoppelten Komponente, insbesondere einer Antriebsbatterie 20, verwendet werden kann. Ein beispielhaft durch den Inverter 10 bzw. den Elektromotor 30 fließender Gesamtstrom I, welcher im Mittel einem Gleichstrom entspricht, ist als Signal I in 4 dargestellt. Im Zuge der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die hier ausschnittsweise gezeigten Signale solange wiederkehrend erzeugt werden, bis ein Erwärmungsbedarf der thermisch gekoppelten Komponente gedeckt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass Parameter (z. B. eine Dauer der Totzeit T1 und/oder der Totzeit T2, eine Wiederholungsfrequenz, usw.), auf deren Basis die jeweiligen Signale erzeugt werden, im Laufe der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft angepasst werden können.
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Bezugszeichenliste:
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- 10
- Inverter
- 20
- Batterie
- 30
- Elektromotor
- 40
- Auswerteeinheit
- 42
- Dateneingang
- 44
- Datenausgang
- 50
- Ladevorrichtung
- 60
- Kühlkreislauf
- GS
- Gating-Signal
- GSHS
- high-side Gating-Signal
- GSLS
- low-side Gating-Signal
- I
- Strom
- S1
- erster MOSFET
- S2
- zweiter MOSEFT
- S3
- dritter MOSFET
- S4
- vierter MOSFET
- S5
- fünfter MOSFET
- S6
- sechster MOSFET
- T1
- erste Totzeit
- T2
- zweite Totzeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012223054 A1 [0005]
