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Die Erfindung beschreibt eine Anordnung sowohl zur Energieversorgung einer Ansteuereinrichtung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung wie auch zur Drehzahlbestimmung einer mit der Schaltungseinrichtung verbundenen elektrischen Maschine. Die Erfindung beschreibt weiterhin Verfahren hierzu.
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Stromrichtersysteme für Straßenfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, müssen gemäß ISO 26262 Anforderungen der sog. Funktionalen Sicherheit erfüllen. Insbesondere bei der Verwendung von Synchronmaschinen mit Permanentmagneten als Antriebsmotoren gilt im Fehlerfall der sog. Allphasige-Kurzschluss („ASC“ - all phase shortcut) als eine geeignete Maßnahme. Während dieser Maßnahme ist es notwendig die Ansteuereinrichtung des Stromrichters mit Energie zu versorgen. Zudem wäre es vorteilhaft während der Maßnahme die Drehzahl des Antriebsmotors zu kennen.
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Die
DE19835576A1 offenbart ein Ansteuersystem für einen permanent erregten Elektromotor mit wenigstens einem Strang umfassend für jeden Strang des Motors eine Halbbrückenanordnung, eine jede Halbbrückenanordnung mit einer Motorversorgungsspannungsquelle verbindenden Zwischenkreis, eine Ansteueranordnung zur Ansteuerung jeder Halbbrückenanordnung, wobei entsprechend der Ansteuerung vermittels der Ansteueranordnung durch jede Halbbrückenanordnung an dem dieser Halbbrückenanordnung zugeordnetem Strang des Elektromotors eine Spannung beziehungsweise ein Potential vorbestimmter Polarität für eine vorbestimmte Zeitdauer angelegt wird oder werden kann, eine Betriebszustands-Erfassungsanordnung wenigstens zur Erfassung eines Betriebszustands des Ansteuersystems oder/und des Elektromotors, wobei die Ansteueranordnung dazu ausgebildet ist, dann, wenn durch die Betriebszustands-Erfassungsanordnung in dem Ansteuersystem oder/und dem Elektromotor das Vorliegen wenigstens eines vorbestimmten Betriebszustandes erfaßt wird, einen Befehl zum Erzeugen eines Kurzschlusses zwischen jedem Anschluß des Motors zu erzeugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl Verfahren wie auch eine Anordnung mit einer Ansteuereinrichtung, mit einem Stromrichter, allgemeiner einer Schalteinrichtung, und mit einer elektrischen Maschine vorzugstellen, die im Fehlerfall die Ansteuereinrichtung mit Energie versorgen kann und gleichzeitig die Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Drehzahlbestimmung einer mit einer leistungselektronischen Schaltungseinrichtung verbundenen elektrischen Maschine und vorzugsweise zur Energieversorgung einer Ansteuereinrichtung der leistungselektronischen Schalteinrichtung , mit einer induktiv wirkenden Auskoppeleinrichtung, angeordnet an einem von der Schalteinrichtung zur elektrischen Maschine führenden elektrischen Leiters, wobei mittels einer Frequenzermittlungseinrichtung die Frequenz einer einem Strom in dem elektrischen Leiter zugeordneten Spannung und damit indirekt die Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt wird und wobei vorzugsweise eine, vorzugsweise gleichgerichtete, Ausgangsspannung der Auskoppeleinrichtung eine Spannungsquelle für die Ansteuereinrichtung ausbildet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Auskoppeleinrichtung als eine um den elektrischen Leiter herum angeordnete Spule ausgebildet, die vorzugsweise einen, den zugeordneten Leiter zumindest teilweise umfassenden Magnetkern, aufweist.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn die Spannungsquelle einen Pufferkondensator aufweist.
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Es kann ebenso vorteilhaft sein, wenn der elektrischen Leiter im Betrieb Wechselstrom führt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Schalteinrichtung als eine Brückenschaltung mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Teilbrückenschaltungen ausgebildet ist und jede Teilbrückenschaltung einen oberen Teilzweig und einen unteren Teilzweig aufweist, wobei der Mittenabgriff der jeweiligen Teilbrückenschaltung mit einem zugeordneten elektrischen Leiter verbunden ist. Hierbei kann jede der Teilbrückenschaltungen als eine Zwei-, als eine Drei- oder als eine Multilevel-Schaltung ausgebildet sein.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Energieversorgung der Ansteuereinrichtung der leistungselektronischen Schalteinrichtung zur Ansteuerung der damit verbundenen elektrischen Maschine, wobei die gleichgerichtete Ausgangsspannung der induktiv wirkenden Auskoppeleinrichtung die Spannungsquelle der Ansteuereinrichtung ausbildet und somit die Ansteuereinrichtung mit Energie versorgt.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Drehzahlbestimmung einer mit einer Schaltungseinrichtung verbundenen elektrischen Maschine, wobei mittels der Frequenzermittlungseinrichtung die Frequenz der Ausgangsspannung der induktiv wirkenden Auskoppeleinrichtung und somit die Drehzahl der elektrischen Maschine ermittelt wird.
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Bei diesen Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn mindestens zwei obere Teilzweige oder mindestens zwei untere Teilzweige gleichzeitig leitend geschaltet sind und an mindestens einem der zugeordneten elektrischen Leiter eine Auskoppeleinrichtung angeordnet ist.
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Es kann auch bevorzugt sein, wenn während der Ausführung des Verfahrens die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb arbeitet.
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Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale, insbesondere die Frequenzermittlungseinrichtung, mehrfach in der erfindungsgemäßen Anordnung vorhanden sein.
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Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, unabhängig davon, ob sie in Zusammenhang mit der Anordnung oder mit den Verfahren genannt sind, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
- 1 zeigt eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung.
- 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung.
- 3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung während einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung während einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt in schematisierter Darstellung eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung, wie sie bevorzugt Teil eines elektrischen Antriebssystems für Fahrzeuge, insbesondere zur Personenbeförderung oder zum Lastentransport ist. Dargestellt ist eine Ansteuereinrichtung 10 zur Ansteuerung einer leistungselektronischen Schalteinrichtung 20, die hier ausgebildet ist als ein Stromrichter, genauer ein mehr-, hier dreiphasiger Wechselrichter, dessen Leistungshalbleiterbauelemente als MOS-FETs ausgestaltet sind. Dieser Wechselrichter ist mit einer elektrischen Maschine 30 mittels dreier elektrischer Leiter 50,52,54 verbunden. Im regulären Fahrbetrieb fließt in diesen elektrischen Leitern 50,52,54 ein mittels des Wechselrichters erzeugter Wechselstrom mit einer zugeordneten Wechselspannung, wobei jedem elektrischen Leiter 50,52,54 eine Phase der drei Phasen zugeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist eine induktiv wirkende Auskoppeleinrichtung 44 an einem der elektrischen Leiter 50 angeordnet. Diese Auskoppeleinrichtung 44 ist benachbart zu einem der elektrischen Leiter 50 angeordnet, wobei die Wechselspannung eines dort fließenden Wechselstroms induktiv in die Spule eingekoppelt wird und dort eine Induktionsspannung erzeugt.
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Die Frequenz der Induktionsspannung wird in der Frequenzermittlungseinrichtung 60 bestimmt und der Ansteuereinrichtung 10 als ermittelte Frequenz direkt oder nach Auswertung als aus der Frequenz ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine 30 zugeführt. Somit steht dann in der Ansteuereinrichtung 10 nach Auswertung oder direkt die Drehzahl der elektrischen Maschine zur Verfügung.
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Diese Information über die Drehzahl der elektrischen Maschine 30 steht in deren motorischem Betrieb, also insbesondere während des regulären Betriebs des Fahrzeugs, zur Verfügung und kann weiterverarbeitet werden. Die gleiche Information über die Drehzahl der elektrischen Maschine 30 steht in der Ansteuerschaltung 10 auch dann zur Verfügung, wenn die elektrische Maschine 30 im Fehlerfall des Antriebssystems im generatorischen Betrieb, vgl. 3 und 4, arbeitet.
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Die Induktionsspannung wird weiterhin einer Schaltung zugeführt, die die Induktionsspannung mittels eines Gleichrichters 72 gleichrichtet und mittels eines Pufferkondensators 74 puffert. Somit entsteht eine Spannungsquelle 70 für die Ansteuereinrichtung 10, die insbesondere beim Ausfall einer regulären Spannungsversorgungseinrichtung die Ansteuereinrichtung 10 mit Energie versorgt. Diese Energieversorgung steht also insbesondere im Fehlerfall zur Verfügung, kann allerdings auch im regulären Betrieb genutzt werden.
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2 zeigt in schematisierter Darstellung eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung. Hierbei sind die Ansteuereinrichtung 10, die leistungselektronische Schalteinrichtung 20, die elektrischen Leiter 50,52,54 und die elektrische Maschine 30, wie auch deren funktionales Zusammenwirken identisch wie unter 1 beschrieben.
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Im Unterschied zu 1 sind hier zwei Auskoppeleinrichtungen 40,42 vorgesehen, die an zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern 50,52 angeordnet sind. Für den besten Ertrag an ausgekoppelter Energie ist es vorteilhaft an allen elektrischen Leitern 50,52,54 jeweils mindestens eine Auskoppeleinrichtung vorzusehen. Zu redundanten Bestimmung der Drehzahl der Maschine 30 sind zwei Auskoppeleinrichtungen in den meisten Anwendungsfällen ausreichend.
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Hier dargestellt ist eine bevorzugte Minimalkonfiguration, die ausreichend Energie auskoppeln kann und auch die Drehzahl der elektrischen Maschine 30 bestimmen kann. Zur Energiegewinnung sind hier beide Auskoppeleinrichtungen 40,42 mit einem Gleichrichter 72 verbunden. Dessen Funktion wie auch die Funktion und Verwendung der Spannungsquelle 70 mit diesem Gleichrichter 72 ist identischer derjenigen unter 1 beschriebenen.
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Zur Frequenzbestimmung ist hier eine Frequenzermittlungseinrichtung 60 parallel, im Gegensatz zur seriellen Schaltung gemäß 1, zur Spanungsquelle 70 geschaltet.
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Die jeweilige Auskoppeleinrichtung 40,42 selbst weist einen den zugeordneten Leiter 50,52 umfassenden Magnetkern mit Luftspalt auf. Um diesen Magnetkern ist in Ringkernwickeltechnik die Spule angeordnet.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung während einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dargestellt sind hier die drei Teilbrückenschaltung 210,220,230 eines dreiphasigen Zwei-Level-Wechselrichters gespeist aus einem Gleichspannungszwischenkreis. Hierbei weist jede Teilbrücke einen oberen Teilzweig 212,222,232 und einen unteren Teilzweig 214,224,234 auf. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind hier alle Schalter der jeweiligen Teilzweige mit einer gemeinsamen Ansteuereinrichtung 10 verbunden. Ebenfalls kann jeder schematisch dargestellte Teilzweig 212,214,222,224,232,234 auch komplexer, beispielhaft als Teilzweig eines Drei-Level-Wechselrichters ausgebildet sein.
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In einem Fehlerfall eines Antriebssystems eines Fahrzeugs ist der oben erwähnte Allphasige-Kurzschluss eine mögliche Reaktion. Eine Variante der Umsetzung ist hier dargestellt, wobei alle oberen Teilzweige 212,222,232 gleichzeitig leiten geschaltet sind. In diesem Fehlerfall arbeitet die elektrische Maschine 30 im generatorischen Betrieb und erzeugt in den elektrischen Leitern 50,52,54 einen Strom und eine Spannung, genauer einen Wechselstrom und eine Wechselspannung.
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Bei dieser Ausgestaltung erzeugt die Wechselspannung in einem der elektrischen Leiter 50 eine Induktionsspannung in einer Auskoppeleinrichtung 40. Diese Induktionsspannung speist wie grundsätzlich unter 1 oder 2 beschrieben eine Spannungsquelle 70, die nun die Ansteuerschaltung 10 unabhängig von deren Spannungsversorgung im regulären Betrieb mit Energie versorgt wird. Alternativ kann die Spannungsquelle 70 auch eine Zusatzversorgung ausbilden.
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Diese Induktionsspannung speist weiterhin die Frequenzermittlungseinrichtung 60, die wie ebenfalls unter 1 oder 2 beschrieben der Drehzahlbestimmung der elektrischen Maschine 30 dient, wozu die Frequenzermittlungseinrichtung 60 mit der Ansteuereinrichtung 10 verbunden ist.
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4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung während einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Der hier dargestellte Wechselrichter weist mehr als drei Phasen auf, die im Übrigen gleich flexibel ausgestaltet sein können, wie zu 3 beschrieben.
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Im der hier dargestellten Ausgestaltung sind im Fehlerfall nur zwei, hier zwei untere, Teilschalter 224,234 gleichzeitig leitend geschaltet. Dies stellt eine Modifikation des oben erwähnten Verfahrens des Allphasigen-Kurzschlusses dar. Bei dieser Modifikation sind zumindest zwei obere oder wie hier dargestellt zwei untere Teilzweige gleichzeitig leitend geschaltet.
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Die beiden Auskoppeleinrichtungen 40,42 sind hier an denjenigen elektrischen Leitern 50,52 angeordnet, die mit denjenigen Teilbrückenschaltung 210,220,230 verbunden sind deren Teilzweige 224,234 gleichzeitig leitend geschaltet sind.
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Im Unterschied zu 3 ist hier jeweils eine Ansteuereinrichtung 10,12 für alle oberen Teilzweige 212,222,232 und eine weitere für alle unteren Teilzweige 214,224,234 vorgesehen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn sowohl die Frequenzermittlungseinrichtung 60 wie auch die Spannungsquelle 70 mit derjenigen Ansteuerschaltung 12 verbunden sind, die die gleichzeitig leitend geschalteten Teilzweige 224,234 ansteuern. Es könnte allerdings die Frequenzermittlungseinrichtung 60 nur oder zusätzlich auch mit der anderen Ansteuereinrichtung 10 verbunden sein.
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Die Frequenzermittlungseinrichtung 60, wie auch die Spannungsquelle 70 sind im Übrigen wie unter 1 oder 2 beschreiben ausgebildet. Die Auskoppeleinrichtung 40,42 ist wie unter 2 beschrieben ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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