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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, die einen Rotor und einen Stator als Hauptkomponenten aufweist, wobei wenigstens eine der Hauptkomponenten über eine ansteuerbare Leistungselektronikanordnung mit einer Schaltanordnung, über die für wenigstens eine Wicklung der Hauptkomponente ein Freilaufzustand und ein aktiver Kurzschlusszustand herstellbar ist, an ein Gleichspannungsnetz mit einer Batterie angeschlossen ist, wobei eine der wenigstens einen Leistungselektronikanordnung einen durch die Schaltanordnung gebildeten Umrichter umfasst, wobei bei Vorliegen eines einen Fehlerfall anzeigenden, primären Fehlerfallsignals wenigstens eine der wenigstens einen Leistungselektronikanordnung zur Herstellung des Freilaufzustands für die jeweilige Komponente angesteuert wird. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
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In elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, beispielsweise Elektrokraftfahrzeugen und Hybridkraftfahrzeugen, ist üblicherweise eine elektrische Maschine vorgesehen, über die das Kraftfahrzeug antreibbar ist bzw. mit der elektrische Leistung erzeugbar ist, die in ein entsprechendes Gleichspannungsnetz (Hochspannungsnetz) des Kraftfahrzeugs eingespeist werden kann, um beispielsweise in einer das Gleichspannungsnetz speisenden Batterie gespeichert zu werden. Dabei weist die elektrische Maschine üblicherweise am Stator vorgesehene Nutzwicklungen auf, insbesondere also Statorwicklungen, die über einen Umrichter, der als Traktionswechselrichter bezeichnet wird, an das Gleichspannungsnetz angeschlossen sind. Häufig werden dabei drei Phasen verwendet, so dass der Umrichter beispielsweise durch eine so genannte B6-Brückenschaltung als eine ansteuerbare Schaltanordnung gebildet sein kann. Im Gegensatz zu üblichen Niedrigspannungsnetzen in Kraftfahrzeugen, deren Nennspannung (Betriebsspannung) üblicherweise bei 12 Volt oder 48 Volt liegen kann, weisen Gleichspannungsnetze, aus denen insbesondere dreiphasige elektrische Maschinen für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs betrieben werden sollen, beispielsweise Nennspannungen im Bereich von 350 Volt bis 1000 Volt auf. Als Schalter der Schaltanordnung des Umrichters werden dabei überwiegend IGBTs und/oder MOSFETs, insbesondere SiC-MOSFETs, eingesetzt.
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Dabei wurden bereits unterschiedliche Typen von elektrischen Maschinen für den Einsatz in Kraftfahrzeugen vorgeschlagen, beispielsweise permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) und Asynchronmaschinen (ASM), wobei in letzter Zeit häufig auch fremderregte Synchronmaschinen (FSM) als Antriebsmaschinen für elektrifizierte Kraftfahrzeuge vorgeschlagen wurden. Dabei wird als zusätzliche Leistungselektronikanordnung zu der den Umrichter umfassenden Leistungselektronikanordnung der die Erregerwicklung tragenden Hauptkomponente der elektrischen Maschine, insbesondere dem Rotor, eine weitere Leistungselektronikanordnung mit einer Erregerschaltung hinzugefügt, wobei auch die Erregerschaltung eine Schaltanordnung, beispielsweise eine Halbbrücke (oder sogar eine Vollbrücke), umfassen kann, um verschiedene Zustände, beispielsweise einen Freilaufzustand und/oder einen aktiven Kurzschlusszustand (AKS-Zustand) nicht nur seitens der Nutzwicklungen, sondern auch seitens der Erregerwicklung (meist der Rotorwicklung), erreichen zu können.
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In einem Hochspannung nutzenden, derart gebildeten Gleichspannungsnetz, insbesondere bezüglich der elektrischen Maschine, der Batterie und/oder der diese an das Gleichspannungsnetz anbindenden Leistungselektronikanordnungen, können Fehlerfälle auftreten oder aber externe Fehlerfälle relevant sein, um die Gebrauchssicherheit und die funktionale Sicherheit zu gewährleisten. Zur Feststellung derartiger Fehlerfälle wurden im Stand der Technik bereits eine Vielzahl von Varianten vorgeschlagen. So betrifft beispielsweise
DE 10 2016 220 235 A1 ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit, welche eine elektrische Maschine mit Läuferwicklung (und Ständerwicklung) und einen daran angeschlossenen Gleichrichter, über den die elektrische Maschine an ein Energienetz angeschlossen ist, aufweist, wobei während wenigstens einer Zeitspanne, in der sich eine Schalteinheit, die zum Anlegen einer Erregerspannung an die Läuferwicklung dient, in einer Stellung befindet, jeweils ein zeitlicher Verlauf eines Erregerstroms durch die Läuferwicklung ermittelt wird, welcher mit einem Vergleichsverlauf des Erregerstroms verglichen werden kann, um einen Defekt der Generatoreinheit festzustellen.
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DE 10 2018 203 739 A1 betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands einer elektrischen Maschine mit einem Rotor, einem Stator und einer mit dem Stator verbundenen Inverterschaltung, wobei erste, zweite und dritte Stromstärken für Phasenströme ermittelt werden und aus zweien der Phasenströme eine theoretische erste Stromstärke bestimmt wird, wobei aus der erfassten ersten Stromstärke und der theoretischen ersten Stromstärke ein Evaluationswert bestimmt wird und wobei in Abhängigkeit von diesem Evaluationswert bewertet wird, ob ein Fehlerzustand der elektrischen Maschine vorliegt oder nicht.
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Anderweitige Möglichkeiten zur Ermittlung von Fehlerfällen betreffen Schwellwertvergleiche anderer Kennwerte des Gleichspannungssystems und/oder der Wechselstromanteile sowie auch die Berücksichtigung von Fehlerquellen bzw. Fehlerzuständen außerhalb des Gleichspannungsnetzes und der elektrischen Maschine, beispielsweise das Vorliegen eines Unfalls des Kraftfahrzeugs, insbesondere als Crashsignal.
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In derartigen Fehlerfällen ist das primäre Sicherheitsziel die Momentenfreiheit der elektrischen Maschine. So wurde zur Erfüllung von Anforderungen der funktionalen Sicherheit vorgeschlagen, bei Erkennung eines Fehlerfalls bei permanenterregten Synchronmaschinen und der Asynchronmaschine alle Schalter der Schaltanordnung des Umrichters zu öffnen, um als sicheren Zustand einen Freilaufzustand herbeizuführen. Alternativ können in einem Fehlerfall Schalter einer Seite der B6-Brückenschaltung geöffnet und die der anderen Seite geschlossen werden, so dass als sicherer Zustand je nach gewählter Schaltergruppe ein Highside (HS)-aktiver Kurzschlusszustand oder ein Lowside (LS)-aktiver Kurzschlusszustand erreicht wird. Wird eine fremderregte Synchronmaschine eingesetzt, kann im Gegensatz zur permanenterregten Synchronmaschine die Erregung abgeschaltet und damit ebenfalls Momentenfreiheit erreicht werden. Somit besteht ein zusätzlicher Freiheitsgrad zur Erreichung des Sicherheitsziels. Bei einer fremderregten Synchronmaschine sind daher mehrere Fehlerreaktionen grundsätzlich denkbar, nämlich Freilaufzustand in Stator und Rotor, Freilaufzustand im Stator und AKS-Zustand im Rotor, AKS-Zustand im Stator und Freilaufzustand im Rotor sowie AKS-Zustand in Stator und Rotor.
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Dabei ist jedoch allgemein zu berücksichtigen, dass es zumindest bei einem Teil der denkbaren Fehlerfälle auch zu einem Lastabwurf bezüglich der Batterie kommen kann, das bedeutet, die Batterieschütze , die die Batterie an das Gleichspannungsnetz anbinden, werden geöffnet. Ein derartiger Lastabwurf wird im Englischen auch als „Load Dump“ bezeichnet. Ist bei einem solchen Lastabwurf für wenigstens eine Hauptkomponente, also Rotor oder Stator, der elektrischen Maschine ein Freilauf gegeben, wie dies die übliche Fehlerreaktion ist, kann die über die entsprechende Leistungselektronikanordnung in das Gleichspannungsnetz eingebrachte elektrische Leistung nicht in die Batterie eingetragen werden, so dass die Spannung im Gleichspannungsnetz, beispielsweise durch Aufladen eines üblicherweise vorgesehenen Zwischenkreiskondensators, so schnell ansteigt, dass eine Reaktion über eine entsprechende, Pulsweitenmodulation nutzende Steuereinheit, beispielsweise ein Mikrocontroller, nicht möglich ist. Hierbei kann die Gleichspannung im Gleichspannungsnetz beispielsweise in der Größenordnung 1 Volt pro Mikrosekunde (1 V/psec) abhängig von Kapazität, elektrischer Maschine und Arbeitspunkt ansteigen.
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Freilauf-Fehlerreaktionen sind mithin einem schnellen Abbau des Moments der elektrischen Maschine zuträglich und vermeiden AKS-typische starke Bremsmomente, führen jedoch zu einem hohen Leistungseintrag in das Gleichspannungsnetz, insbesondere einen dem Umrichter zugeordneten Zwischenkreis. Im Fall eines Lastabwurfs bzw. in sonstigen Fällen, in denen der Leistungseintrag nicht von der Batterie aufgenommen werden kann, kann mithin eine maximal zulässige Spannung in dem Gleichspannungsnetz überschritten werden, so dass eine Zerstörung von Bauteilen, insbesondere Halbleiterkomponenten, droht. Zur Lösung dieser Problematik wurde vorgeschlagen, einen größeren Zwischenkreiskondensator einzusetzen, der jedoch nachteilhafterweise mehr Bauraum benötigt und höhere Kosten verursacht. Auf der anderen Seite würde eine Aktivierung des aktiven Kurzschlusses bei der Detektion eines Fehlerfalls zur Erzeugung hoher Ströme in den Leistungshalbleitern, insbesondere des Umrichters, führen, die eine thermische Zerstörung der Leistungshalbleiter bewirken können, weshalb üblicherweise zur Lösung der Problematik ein Freilauf bei entsprechend großer Auslegung des Zwischenkreises verwendet wird.
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DE 10 2019 124 214 A1 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer permanenterregten Synchronmaschine, wobei die Wicklungen der Synchronmaschine über einen eine Schaltanordnung und einen Kondensator in einem Zwischenkreis aufweisenden Umrichter an ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist und die Schaltanordnung über eine an das Bordnetz angeschlossene Steuereinrichtung ansteuerbar ist. Liegt ein Fremdantrieb des Kraftfahrzeugs vor, soll die Steuereinrichtung weiter betrieben werden können, wobei zum Vermeiden eines ständigen Hochfahrens der Steuereinrichtung vorgeschlagen wird, durch ein permanentes Abwechseln von Ladebetrieb über die permanenterregte Synchronmaschine und Entladebetrieb über die Spannungsversorgung der Schaltanordnung die Spannung zum Betrieb der Steuereinrichtung in einem bestimmten Spannungsbereich zu halten, wobei mithin regelmäßig in einen aktiven Kurzschluss (AKS) geschaltet wird.
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DE 10 2006 003 254 A1 offenbart ein Verfahren zum Abschalten einer elektrischen Maschine im Fall einer Störung. Unerwünschte Nebeneffekte beim Abschalten der elektrischen Maschine können minimiert und der reguläre Maschinenbetrieb maximiert werden, wenn die elektrische Maschine zunächst in einen Freischalt-Betrieb, in dem sämtliche Schalter des Pulswechselrichters geöffnet sind, und nachfolgend in einen Kurzschluss-Modus geschaltet wird, in dem die mit dem hohen Potential verbundenen Schalter offen und die mit dem niedrigen Potential (Masse) verbundenen Schalter geschlossen sind. Hierbei kann insbesondere die Umschaltung in den Kurzschluss-Modus dann erfolgen, wenn eine vorgegebene Zeitschwelle erreicht ist und ein Spannungswert, wie z.B. die Zwischenkreisspannung, einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
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DE 10 2011 017 712 A1 offenbart ein Verfahren und eine Steuereinrichtung zur Schutzzeiteinstellung in einem elektrischen Antriebssystem. Dabei wird vorgeschlagen, zwei Mechanismen zur Einstellung einer Schutzzeit für die Ansteuerung von Leistungs-Schaltelementen eines Pulswechselrichters zu kombinieren. Einerseits erfolgt eine Einstellung der Schutzzeit über eine Ansteuersoftware, so dass die Länge der Schutzzeit in die Regelung einfließen kann und dynamisch angepasst werden kann. Andererseits erfolgt eine nachgelagerte Einstellung der Schutzzeit in einer der Ansteuersoftware nachgeschalteten Hardwareschaltung, beispielsweise in einem programmierbaren Logikbaustein mit Rechnertaktung, um eine Mindestschutzzeit und eine ausfallsichere Verriegelung zwischen High-Side- und Low-Side-Schaltern des angesteuerten Pulswechselrichters gewährleisten zu können. Nach einer gewissen Zeitspanne kann abhängig von der Art des Fehlers von einem Freilaufzustand wieder in einen Normalzustand oder auch in einen sicheren Kurzschlusszustand übergegangen werden.
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EP 3 501 876 A1 betrifft eine Steuereinheit zur Steuerung eines Umrichters mit einem Zwischenkreiskondensator. Dabei wird zunächst ein Kurzschlusszustand eingenommen, aus dem in einen Freilaufzustand umgeschaltet werden kann. Tritt dann eine zu hohe Spannung am Zwischenkreiskondensator auf, kann von dem Freilaufzustand wieder in einen aktiven Kurzschlusszustand geschaltet werden.
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DE 10 2020 206 478 A1 betrifft das Einstellen eines drehzahlabhängigen sicheren Betriebszustandes. Hierzu sind zwei redundante Ansteuerpfade vorgesehen, welche jeweils drehzahlabhängig entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf als sicheren Betriebszustand einstellen können. Auf diese Weise kann auch beim Ausfall eines Ansteuerpfads weiterhin vollständig ein drehzahlabhängiger sicherer Betriebszustand eingestellt werden. Zusätzlich zur Drehzahl kann auch eine Zwischenkreisspannung berücksichtigt werden.
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US 2014/0375238 A1 eine Überspannungsschutzvorrichtung für einen elektrischen Antrieb, die mit einem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges verbunden wird. Sie soll eine in dem Bordnetz durch ein Abschalten eines Verbrauchers erzeugte Überspannung abbauen und ist mit einer Steuereinheit für eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine verbunden. Die Überspannungsschutzvorrichtung weist einen Eingang für eine Bordnetzspannung auf und ist ausgebildet, ein Überschreiten eines vorbestimmten Spannungswertes zu erfassen und in Abhängigkeit des Überschreitens des Spannungswertes ein Überspannungssignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, die elektrische Maschine in Abhängigkeit des Überspannungssignals vom generatorischen Betrieb wenigstens teilweise in einen verlustbehafteten Betrieb oder in einen motorischen Betrieb zu überführen. Eine Erregerspule kann kurzgeschlossen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte, insbesondere Halbleiterkomponenten schützende und/oder eine weniger aufwendige Auslegung eines Zwischenkreises fordernde, Ausgestaltung der Fehlerfallbehandlung anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Dabei zeigt das zweite Fehlerfallsignal bevorzugt das Vorliegen eines Lastabwurfs (Load Dump) seitens der Batterie an, kann aber auch so ausgestaltet werden, dass es, insbesondere zusätzlich, einen anderweitig verhinderten Leistungseintrag in die Batterie anzeigt. Insgesamt wird also eine zweistufige Fehlerreaktion vorgeschlagen, wobei in der ersten Fehlerreaktion mindestens einmal Freilauf in Stator und/oder Rotor, genauer den entsprechenden Wicklungen, umgesetzt wird. Diese Fehlerreaktion erfolgt auf Grundlage eines grundsätzlich bekannten, zeitlich zuerst das Vorliegen eines Fehlerfalls anzeigenden primären Fehlerfallsignals, wobei nun nach dieser ersten Fehlerreaktion in allen Fehlerfällen außer solchen, in denen ein Lastabwurf seitens der Batterie (Load-Dump-Fall) oder eine sonstige Leistungseintragsverhinderung in die Batterie vorliegt, die Leistung aus dem Stator bzw. Rotor in die Batterie eingetragen wird. Es muss keine weitere Fehlerreaktion erfolgen. Ist jedoch der Leistungseintrag in die Batterie, insbesondere aufgrund eines Lastabwurfs, beispielsweise durch Öffnen von der Batterie zugeordneten Batterieschützen, nicht möglich, wird nach der ersten Fehlerreaktion elektrische Leistung in das Gleichspannungsnetz eingetragen, insbesondere in einen Zwischenkreis, so dass entsprechender Stromfluss vorliegt und/oder die Spannung im Gleichspannungsnetz, insbesondere im Zwischenkreis, steigt. Dies kann erkannt werden und wird durch das Vorliegen des sekundären, dem primären Fehlerfallsignal zeitlich nachgelagert erzeugten Fehlerfallsignals beschrieben, so dass dann als zweite, nachgelagerte Fehlerreaktion in allen mittels Schaltanordnung an das Gleichspannungsnetz angebundenen Wicklungen ein aktiver Kurzschlusszustand hergestellt, so dass ein weiterer Leistungseintrag in das Gleichspannungsnetz und somit den Zwischenkreis verhindert wird. Mit anderen Worten wird nach Vorliegen des primären Fehlerfallsignals und der ersten Fehlerreaktion überwacht, ob danach auch das sekundäre Fehlerfallsignal vorliegt, um in diesem Fall die zweite Fehlerreaktion nachgelagert auszulösen.
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Dabei ist, insbesondere als eine Art Puffer, bevorzugt vorgesehen, dass in dem Gleichspannungsnetz, insbesondere als Teil wenigstens einer der wenigstens einen in den Freilaufzustand zu schaltenden Leistungselektronikanordnung, ein Zwischenkreisenergiespeicher, insbesondere wenigstens ein Zwischenkreiskondensator, verwendet wird. Beispielsweise ist ein solcher Zwischenkreiskondensator als Teil eines Zwischenkreises des Umrichters bzw. diesem zugeordnet im Stand der Technik bereits bekannt. Bei Leistungseintrag in das Gleichspannungsnetz, der nicht an die Batterie weitergegeben werden kann, wird dann also primär der Zwischenkreisenergiespeicher, insbesondere der Zwischenkreiskondensator, aufgeladen. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen potentiell zweistufigen Fehlerreaktion kann jedoch mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass der Zwischenkreis, insbesondere der Zwischenkreisenergiespeicher, nicht für die Fehlerreaktion ausgelegt und somit für den Normalbetrieb überdimensioniert werden muss. Mit anderen Worten kann erfindungsgemäß also vorgesehen sein, dass als der Zwischenkreisenergiespeicher ein für den Normalbetrieb, insbesondere eine maximale Überschreitung von 10 bis 20 % (oder sogar bis zu 30 %) einer Nennspannung des Gleichspannungsnetzes, ausgelegter Energiespeicher verwendet wird. Gleichzeitig werden aber dennoch Belastungsgrenzen sonstiger gefährdeter Halbleiterkomponenten in dem Gleichspannungsnetz bzw. daran angeschlossener Gleichspannungskomponenten eingehalten, trotzdem beispielsweise im Fall eines Zwischenkreiskondensators eine reduzierte notwendige Zwischenkreiskapazität gegeben ist.
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Dabei hat das gegebenenfalls temporäre Stellen des Freilaufs den weiteren Vorteil, dass die bei Vorliegen des sekundären Fehlerfallsignals im aktiven Kurzschluss auftretenden AKS-Ströme reduziert sind, da bereits ein deutlicher Abbau des Moments in der elektrischen Maschine stattgefunden hat. Als weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist allgemein noch anzumerken, dass die Fehlerreaktion insgesamt vereinfacht wird, da bei dem primären Fehlerfallsignal nicht mehr zwischen Lastabwurf und allen anderen Fehlern unterschieden werden muss, sondern der Lastabwurf auf vorteilhafte Weise zu einem zeitlich nachgelagerten Zeitpunkt bei Bedarf gehandhabt werden kann.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass das Verfahren mit besonderem Vorteil für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs durchgeführt werden kann, mithin in ein Verfahren zum Betrieb des Kraftfahrzeugs vorteilhaft eingebettet sein kann. Das Gleichspannungsnetz ist dabei, allgemein gesprochen, ein Hochspannungsnetz, dessen Nennspannung (Betriebsspannung) höher als die Nennspannung eines ebenso im Kraftfahrzeug vorgesehenen Niedrigspannungsnetzes und/oder größer als 200 Volt, insbesondere im Bereich von 350 bis 1000 Volt, gewählt sein kann.
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Dabei kann die Ermittlung des primären Fehlerfallsignals auf grundsätzlich im Stand der Technik bereits bekannte Vorgehensweisen zurückgreifen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das primäre Fehlerfallsignal durch eine das Gleichspannungsnetz und/oder die Batterie und/oder die elektrische Maschine überwachende Sicherheitssteuereinheit, beispielsweise einen ASIL-Chip, bereitgestellt wird. Insbesondere zusätzlich kann auch das sekundäre Fehlerfallsignal durch eine solche Sicherheitssteuereinheit bereitgestellt werden. Insbesondere bezüglich des sekundären Fehlerfallsignals sind jedoch auch einfach zu überprüfende Bedingungen zu dessen Erzeugung denkbar.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das primäre Fehlerfallsignal bei Überschreitung eines ersten Spannungsschwellwerts durch die Spannung in dem Gleichspannungsnetz und/oder dass sekundäre Fehlerfallsignal bei Überschreitung eines zweiten Spannungsschwellwerts, der insbesondere höher als der erste Spannungsschwellwert ist, durch die Spannung in dem Gleichspannungsnetz erzeugt wird. Wird mithin das primäre Fehlerfallsignal wenigstens dann erzeugt, insbesondere neben weiteren Möglichkeiten zu dessen Erzeugung, wenn der erste Spannungsschwellwert überschritten ist, ist bei Nutzung eines zweiten, höheren Spannungsschwellwerts für die Erzeugung des zweiten Fehlerfallsignals bereits durch die Vorgabe der Spannungsschwellwerte eine deutliche zweistufige Kritikalitätsabschätzung gegeben. Unabhängig von der Verwendung des ersten Spannungsschwellwerts kann vorgesehen sein, dass der eine Überspannung in dem Gleichspannungsnetz anzeigende zweite Spannungsschwellwert in Abhängigkeit einer Auslegungsgrenze wenigstens einer Halbleiterkomponente wenigstens einer der wenigstens einen Leistungselektronikanordnung und/oder einer weiteren, an das Gleichspannungsnetz angeschlossenen Netzkomponente und/oder in Abhängigkeit eines einen Normalbetrieb anzeigenden Normalbetriebsparameters des Gleichspannungsnetzes, insbesondere eine aus einem Bereich von 10 bis 20 % gewählte Überschreitung des Normalbetriebsparameters erlaubend, gewählt wird. Werden beispielsweise die im Gleichspannungssystem verwendeten Halbleiterkomponenten grundsätzlich so ausgelegt, dass sie eine 10 bis 20 %-ige Überschreitung von Normalbetriebsparametern erlauben, kann der zweite Spannungsschwellwert, insbesondere unter Nutzung eines Sicherheitsabstands, gemäß dieser zulässigen Toleranz gewählt werden. Sind die Halbleiterkomponenten beispielsweise so ausgewählt, dass sie hinsichtlich der Spannung 20 % Toleranz erlauben, kann der zweite Spannungsschwellwert als die Nennspannung um 18 % überschreitend gewählt werden. Auch dann, wenn für Halbleiterkomponenten diskrete Auslegungsgrenzen bekannt sind, lässt sich eine entsprechende Wahl, insbesondere unter Nutzung eines Sicherheitsabstands, treffen, wobei insbesondere auf die wenigstens eine empfindlichste Komponente abgestellt werden kann.
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Dabei kann die Spannung zweckmäßigerweise in dem Zwischenkreis, insbesondere an dem Zwischenkreisenergiespeicher, gemessen werden. In heutigen derartigen Gleichspannungssystemen mit über einen Umrichter in einer Leistungselektronikanordnung angeschlossenen elektrischen Maschinen sind meist ohnehin Messeinheiten, insbesondere Sensoren, vorgesehen, um verschiedene Kennwerte der Leistungselektronikanordnung aufzunehmen, so dass insbesondere eine ohnehin dem Zwischenkreisenergiespeicher, insbesondere den Zwischenkreiskondensator, zugeordnete Spannungsmesseinheit auch genutzt werden kann, um den wenigstens einen Schwellwertvergleich mit dem wenigstens einen Spannungsschwellwert zu ermöglichen.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass auch andere, die Belastung des Gleichspannungsnetzes beschreibende Kennwerte herangezogen werden können, um Schwellwertvergleiche vorzunehmen, beispielsweise der Stromfluss im Zwischenkreis und/oder an anderer Stelle im Gleichspannungsnetz. Wie bezüglich des zweiten Spannungsschwellwerts werden die Schwellwerte allgemein insbesondere zur Verhinderung einer Beschädigung von Halbleiterkomponenten, im Fall des Spannungsschwellwerts durch die Überspannung, gewählt.
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Zusätzlich oder alternativ ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch denkbar, dass das sekundäre Fehlerfallsignal, insbesondere bei andauerndem Vorliegen des primären Fehlerfallsignals, automatisch nach Ablaufen einer vordefinierten Zeitspanne erzeugt wird. Diese Zeitspanne kann beispielsweise so gewählt werden, dass bereits ein definierter Momentenabbau aufgrund des Freilaufs stattgefunden hat und/oder höchstens ein maximal zulässiger Leistungseintrag in das Gleichspannungsnetz erfolgt ist. Dabei kann die Zeitspanne auch dynamisch gewählt werden, beispielsweise in Abhängigkeit eines bei Vorliegen des primären Fehlerfallsignals gegebenen Ladezustands des Zwischenkreisenergiespeichers oder auch der Batterie, falls deren Aufnahmefähigkeit diesbezüglich fraglich ist.
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Mit besonderem Vorteil wird das erfindungsgemäße Vorgehen bei fremderregten Synchronmaschinen als elektrische Maschine eingesetzt. So ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sowohl dem Rotor als auch dem Stator eine der zwei vorgesehenen ansteuerbaren Leistungselektronikanordnungen zum Anschluss an das Gleichspannungsnetz zugeordnet ist, wobei die erste Leistungselektronikanordnung den Umrichter und die zweite Leistungselektronikanordnung eine Erregerschaltung für eine Erregerwicklung der als fremderregte Synchronmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine umfassen. In einer solchen Konfiguration ist vorgesehen, dass bei Vorliegen des sekundären Fehlerfallsignals beide Leistungselektronikanordnungen zur Herstellung eines aktiven Kurzschlusszustands angesteuert werden. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Rotor über die Erregerschaltung fremderregt wird.
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Für fremderregte Synchronmaschinen wird also vorgeschlagen, eine als Teil der Erregerschaltung ohnehin vorgesehene Schaltanordnung, die verschiedene Schaltzustände, in jedem Fall umfassend den aktiven Kurzschlusszustand, für die Erregerwicklung erlaubt, zur Erhöhung der Sicherheit auszunutzen, indem auch bezüglich der Erregerwicklung spätestens bei Vorliegen des sekundären Fehlerfallsignals in den aktiven Kurzschlusszustand geschaltet wird. Für das Vorliegen des primären Fehlerfallsignals kann hierbei letztlich gewählt werden zwischen einem Schalten beider Wicklungsarten, also der Erregerwicklung und der wenigstens einen Nutzwicklung, in den Freilauf (Stator und Rotor im Freilauf), oder dem Schalten von Freilauf nur für den Stator oder nur für den Rotor. Diese Auswahl kann insbesondere davon abhängig gemacht werden, welchen AKS-Strömen die Schalter der jeweiligen Schaltanordnungen Stand halten können, so dass für Schaltanordnungen, deren Schalter eine ohnehin hohe Robustheit aufweisen, der aktive Kurzschlusszustand unmittelbar herbeigeführt werden kann, während die Schalter der anderen Schaltanordnung durch Freilauf zunächst besser geschützt werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Schalter der Schaltanordnungen hinsichtlich der möglichen AKS-Ströme eher knapp dimensioniert sind. Erfindungsgemäß bevorzugt ist jedoch der Fall, sowohl für Stator als auch für Rotor den Freilauf herbeizuführen, so dass ein gewisser Schutzeffekt für beide Schaltanordnungen gegeben ist.
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Neben dem Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Steuereinrichtung, ein Gleichspannungsnetz, eine an das Gleichspannungsnetz angeschlossene Batterie und eine elektrische Maschine, die einen Rotor und einen Stator als Hauptkomponenten aufweist, wobei wenigstens eine der Hauptkomponenten über mittels eine mittels der Steuereinrichtung ansteuerbare Leistungselektronikanordnung mit einer Schaltanordnung, über die für wenigstens eine Wicklung der Hauptkomponente ein Freilaufzustand und ein aktiver Kurzschlusszustand herstellbar ist, an das Gleichspannungsnetz angeschlossen ist, wobei eine der wenigstens einen Leistungselektronikanordnung einen durch die Schaltanordnung gebildeten Umrichter umfasst, wobei die Steuereinrichtung bei Vorliegen eines einen Fehlerfall anzeigenden, primären Fehlerfallsignals zur Ansteuerung wenigstens einer der wenigstens einen Leistungselektronikanordnung zur Herstellung des Freilaufzustands für die jeweilige Hauptkomponente ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung bei Vorliegen eines eine Nichtaufnahmefähigkeit der Batterie für von der elektrischen Maschine in das Gleichspannungsnetz eingespeiste Leistung anzeigenden, sekundären Fehlerfallsignals zur Ansteuerung aller Leistungselektronikanordnungen zur Herstellung eines aktiven Kurzschlusszustands ausgebildet ist. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich ferner dadurch aus, dass sowohl dem Rotor als auch dem Stator eine der zwei vorgesehenen ansteuerbaren Leistungselektronikanordnungen zum Anschluss an das Gleichspannungsnetz zugeordnet ist, wobei die erste Leistungselektronikanordnung den Umrichter und die zweite Leistungselektronikanordnung eine Erregerschaltung für eine Erregerwicklung der als fremderregte Synchronmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine umfassen. In einer solchen Konfiguration ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung bei Vorliegen des sekundären Fehlerfallsignals zur Ansteuerung beider Leistungselektronikanordnungen zur Herstellung eines aktiven Kurzschlusszustands ausgebildet ist.
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Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Hierbei kann insbesondere die gegebenenfalls vorgesehene Sicherheitssteuereinheit einen Teil der Steuereinrichtung bilden, aber auch extern zu dieser vorgesehen sein und die entsprechenden Signale bereitstellen. Bei der Steuereinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät handeln.
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Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Steuereinrichtung übertragen, mit welcher mithin ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
- 2 einen Schaltplan einer ersten Leistungselektronikanordnung,
- 3 einen Schaltplan einer zweiten Leistungselektronikanordnung, und
- 4 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1, das vorliegend als ein Elektrokraftfahrzeug ausgebildet ist. Das Kraftfahrzeug 1 weist als Teil eines hier nicht näher dargestellten Antriebsstrangs eine elektrische Maschine 2 auf, die als fremderregte Synchronmaschine (FSM) ausgebildet ist. Hierbei weist der Rotor als erste Hauptkomponente der elektrischen Maschine 2 eine Erregerwicklung auf, während der Stator als zweite Hauptkomponente der elektrischen Maschine 2 Statorwicklungen bzw. Nutzwicklungen aufweist, wobei vorliegend mit drei Phasen gearbeitet wird, mithin drei Statorwicklungen vorgesehen sind.
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Die elektrische Maschine 2 ist über eine erste Leistungselektronikanordnung 3 und eine zweite Leistungselektronikanordnung 4 an ein Gleichspannungsnetz 5 angebunden, welches eine höhere Nennspannung (Betriebsspannung) als ein Niedrigspannungsnetz des Kraftfahrzeugs 1 aufweist, beispielsweise im Bereich von 350 bis 1000 Volt. Das Gleichspannungsnetz ist mithin ein Hochspannungsnetz.
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Die erste Leistungselektronikanordnung 3 verbindet die Statorwicklungen als Nutzwicklungen mit dem Gleichspannungsnetz 5 und weist einen Umrichter 6 auf, der als Schaltanordnung 7 eine B6-Brückenschaltung umfasst. Die Erregerwicklung, hier die Rotorwicklung, ist über die zweite Leistungselektronikanordnung 4, die eine Erregerschaltung 8 mit einer ebenso als Brückenschaltung ausgebildeten Schaltanordnung 9 aufweist, an das Gleichspannungsnetz 5 angebunden. Über beide Schaltanordnungen 7, 9 lassen sich für die entsprechenden Wicklungen ein Freilaufzustand und ein aktiver Kurzschlusszustand (AKS-Zustand) einstellen. Hierzu sind die Schaltanordnungen 7, 9 wie auch die Leistungselektronikanordnungen 3, 4 insgesamt mittels einer Steuereinrichtung 10 des Kraftfahrzeugs 1 ansteuerbar.
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Das Gleichspannungsnetz 5 ist ferner über eine Batterieschütze aufweisende Schaltanordnung 11 mit einer das Gleichspannungsnetz 5 speisenden und aus diesem ladbaren Batterie 12 verbunden. An das Gleichspannungsnetz 5 können auch weitere Netzkomponenten angeschlossen sein, insbesondere solche, die gleichspannungsnetzseitig eigene Halbleiterkomponenten aufweisen, beispielsweise ein Gleichspannungswandler zu dem Niedrigspannungsnetz, ein elektrischer Klimakompressor, ein elektrischer Heizer und/oder ein Onboard-Ladegerät des Kraftfahrzeugs 1. Diese sind der Übersichtlichkeit halber hier nicht näher dargestellt.
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Die Steuereinrichtung 10 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird. Vorliegend umfasst die Steuereinrichtung 10 selbst auch eine Sicherheitssteuereinheit 13, beispielsweise einen ASIL-Chip. Ansonsten kann die Steuereinrichtung 10 auch mit einer solchen Sicherheitssteuereinheit 13 verbunden sein. Wenigstens teilweise seitens der Sicherheitssteuereinheit 13, gegebenenfalls auch mittels anderer Komponenten der Steuereinrichtung 10, können verschiedene Fehlerfallsignale erzeugt werden.
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Ein primäres Fehlerfallsignal zeigt dabei das Vorliegen eines Fehlerfalls an, der die elektrische Maschine 2, die Leistungsanordnungen 3, 4, das Hochspannungsnetz 5 und/oder die Batterie 12 wenigstens betrifft, gegebenenfalls auch in einer dieser Komponenten vorliegt. Ein einen Fehlerfall anzeigendes Signal kann jedoch auch ein allgemeines Kraftfahrzeugsignal des Kraftfahrzeugs 1 sein, beispielsweise ein Unfallsignal, welches auf allgemein notwendige Gebrauchssicherheit und funktionale Sicherheit hinweist. Liegt das primäre Fehlerfallsignal vor, ist die Steuereinrichtung 10 ausgebildet, durch Ansteuerung wenigstens einer der Schaltanordnungen 7, 9 wenigstens eine der Hauptkomponenten, also den Stator und/oder den Rotor, in einen Freilaufzustand zu schalten. In dieser ersten Fehlerreaktion werden also entweder nur die Erregerwicklung (Rotorwicklung), nur die Nutzwicklungen (Statorwicklungen), oder beide in einen Freilaufzustand geschaltet.
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Ein sekundäres Fehlerfallsignal, welches bevorzugt nur bei Vorliegen des primären Fehlerfallsignals durch die Steuereinrichtung 10 erzeugt bzw. durch die Sicherheitssteuereinheit 13 bereitgestellt wird, zeigt an, dass die Batterie 12 keine elektrische Leistung aus dem Gleichspannungsnetz 5 aufnehmen kann. Insbesondere ist dies der Fall, wenn ein Lastabwurf stattgefunden hat, also die Batterieschütze der Schaltanordnung 11 geöffnet wurden (Load Dump). Falls nach der ersten Fehlerreaktion das sekundäre Fehlerfallsignal in der Steuereinrichtung 10 vorliegt, ist diese ausgebildet, eine zweite Fehlerreaktion auszulösen, in der die Schalteinrichtung 7 und/oder die Schalteinrichtung 9 angesteuert werden, nun für Rotor und Stator, also beide Hauptkomponenten, den aktiven Kurzschluss in den entsprechenden Wicklungen, hier also sowohl den Nutzwicklungen als auch der Erregerwicklung, herbeizuführen.
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2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Leistungselektronikanordnung 3 und mithin der Schaltanordnung 7 genauer. Diese ist ersichtlich, wie grundsätzlich bekannt, als B6-Brückenschaltung ausgebildet, wobei entsprechende Anordnungen von Halbleiterschaltern, beispielsweise SiC-MOSFETs, und Freilaufdioden für jede der drei Phasen U, V, W der hier nicht näher dargestellten Statorwicklungen der elektrischen Maschine 2 vorgesehen sind, um diese mit Anschlüssen 14 des Gleichspannungsnetzes 5 zu verbinden. Die Leistungselektronikanordnung 3 weist in einem Zwischenkreis auch einen Zwischenkreiskondensator 15 als Zwischenkreisenergiespeicher auf. Der Zwischenkreiskondensator 15 ist lediglich für den Normalbetrieb ausgelegt, mithin nicht überdimensioniert, da aufgrund der zweistufigen Fehlerfallbehandlung, wie sie noch genauer beschrieben wird, ein „Überladen“, das Halbleiterkomponenten gefährden könnte, vermieden wird.
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3 zeigt die Leistungselektronikanordnung 4, mithin insbesondere die Schaltanordnung 9 für die Erregerwicklung/Erregerschaltung, genauer, welche optional auch einen eigenen Zwischenkreis mit entsprechendem Zwischenkreiskondensator 15 aufweisen kann. Zur Verbindung der Anschlüsse 16 des Gleichspannungsnetzes 5 mit Anschlusspunkten 17 für die Erregerwicklung, hier die Rotorwicklung, in der elektrischen Maschine 2 ist als Schaltanordnung 9 vorliegend eine Halbbrücke vorgesehen, die Freilaufdioden in jedem der Zweige 18, 19 und diese überbrückende Halbleiterschalter 20, 21 in den Zweigen 19 aufweist. Auch die Halbleiterschalter 20 können beispielsweise als SiC-MOSFETs ausgebildet sein. Alternativ können sowohl die Halbleiterschalter 20, 21 wie auch die Schalter der Schaltanordnung 7 als IGBTs ausgebildet sein.
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In beiden Schaltanordnungen 7, 9 können durch Öffnen aller Halbleiterschalter, gesteuert durch die Steuereinrichtung 10, Freilaufzustände herbeigeführt werden, während durch Öffnen der Halbleiterschalter nur einer Hälfte, beispielsweise der oberen Hälfte gemäß 2 bzw. des Halbleiterschalters 20 in 3, oder der unteren Hälfte gemäß 2 bzw. des Halbleiterschalters 21 der 3, aktive Kurzschlusszustände herbeigeführt werden, hier konkret ein Highside-AKS bzw. ein Lowside-AKS.
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Dies wird im nun beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 4 näher erläutert. Das Verfahren wird dabei mittels der Steuereinrichtung 10 durchgeführt.
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In einem Schritt S1 wird dabei überwacht, ob das (allgemein) einen Fehlerfall anzeigende, primäre Fehlerfallsignal vorliegt. Ist dies der Fall, erfolgt in einem Schritt S2 die erste Fehlerreaktion, das bedeutet, die Schaltanordnungen 7, 9 der Leistungselektronikanordnungen 3, 4 werden derart angesteuert, dass entweder alle Wicklungen, also sowohl für Rotor als auch für Stator, der elektrischen Maschine 2 im Freilaufzustand befindlich sind, oder aber nur für den Rotor oder nur für den Stator der Freilaufzustand eingestellt wird, während die jeweils andere Hauptkomponente, genauer ihre Wicklungen, in den aktiven Kurzschlusszustand geschaltet werden.
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An dieser Stelle sei insbesondere angemerkt, dass das primäre Fehlerfallsignal auch dann erzeugt werden kann, wenn eine insbesondere am Zwischenkreiskondensator 15 gemessene Spannung des Gleichspannungsnetzes 5 einen ersten Schwellwert überschreitet. Dadurch, dass wenigstens eine Wicklung im Freilaufzustand ist, wird nun während des Momentenabbaus der elektrischen Maschine 2 weitere elektrische Leistung in das Gleichspannungsnetz 5 eingespeist, welche zumindest dann, wenn die Batterie 12 sie nicht aufnehmen kann, den Zwischenkreiskondensator 15 auffüllt und sodann zu einer Überspannung führen würde.
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Im Schritt S3 wird überprüft, ob das eine Nichtaufnahmefähigkeit der Batterie für von der elektrischen Maschine 2 in das Gleichspannungsnetz 5 eingespeiste Leistung anzeigende, sekundäre Fehlerfallsignal vorliegt. Im Hinblick auf die zuvor getätigten Ausführungen ist es, unabhängig von der Nutzung des erwähnten ersten Spannungsschwellwerts, denkbar, dass das sekundäre Fehlerfallsignal erzeugt werden kann, wenn ein zweiter Spannungsschwellwert überschritten ist, der höher als der erste Spannungsschwellwert ist, so dieser verwendet wird. Denn kann eingetragene elektrische Leistung weder von der Batterie 12 noch von dem Zwischenkreiskondensator 15 aufgenommen werden, führt dies zu einer zu hohen Spannung. Der zweite Spannungsschwellwert kann beispielsweise, mit einem Sicherheitsabstand, in Abhängigkeit einer Auslegungsgrenze wenigstens einer der Halbleiterkomponenten gewählt werden. Auch ist es möglich, für den zweiten Spannungsschwellwert auf einen Normalbetrieb, beschrieben durch einen Normalbetriebsparameter, Bezug zu nehmen, beispielsweise auf die Nennspannung als Normalbetriebsparameter, so dass beispielsweise bei einer Auslegung der empfindlichsten Halbleiterkomponenten derart, dass diese Abweichungen von bis zu 20 % robust aushalten, bei 18 % der Nennspannung der zweite Spannungsschwellwert angenommen werden kann.
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Dabei sei noch angemerkt, dass dann, wenn im Schritt S3 das primäre Fehlerfallsignal nicht mehr vorliegt, also das Beenden des Fehlerfalls angezeigt wird, unmittelbar wieder zu Schritt S1 zurückgekehrt werden kann. Das bedeutet, liegt beispielsweise kein Lastabwurf seitens der Batterie 12 vor, kann die erste Fehlerreaktion bereits ausreichend sein. Eine besondere Berücksichtigung des Lastabwurfs (oder sonstiger Nichtaufnahmebereitschaften der Batterie 12) müssen nicht gesondert in Schritt S1 berücksichtigt werden, sondern es ist ausreichend, dies in Schritt S3 zu tun.
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Liegt das sekundäre Fehlerfallsignal bei weiterhin einen Fehlerfall anzeigendem primären Fehlerfallsignal vor, wird in einem Schritt S4 durch Ansteuerung der entsprechenden Schaltanordnungen 7 und 9 seitens der Steuereinrichtung 10 sichergestellt, dass sich nun alle Wicklungen im aktiven Kurzschlusszustand befinden. Dabei hat das temporäre Stellen des Freilaufs die dynamisch auftretenden AKS-Ströme bereits reduziert, so dass eine Überbelastung der Halbleiterschalter in den Schaltungsanordnungen 7, 9, beispielsweise der Halbleiterschalter 20, 21, nicht mehr zu befürchten steht.
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Wird sodann in einem Schritt S5 festgestellt, dass der Fehlerfall beendet ist, beispielsweise aufgrund eines Wegfalls des primären Fehlerfallsignals, wird wieder zu Schritt S1 zurückgekehrt.
