EP3172831A1 - Verfahren zum betreiben einer zumindest generatorisch betreibbaren elektrischen maschine und mittel zu dessen implementierung - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer zumindest generatorisch betreibbaren elektrischen maschine und mittel zu dessen implementierung

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EP3172831A1
EP3172831A1 EP15741965.6A EP15741965A EP3172831A1 EP 3172831 A1 EP3172831 A1 EP 3172831A1 EP 15741965 A EP15741965 A EP 15741965A EP 3172831 A1 EP3172831 A1 EP 3172831A1
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EP
European Patent Office
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current
value
time
phase
valves
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15741965.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Schmidt
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SEG Automotive Germany GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3172831A1 publication Critical patent/EP3172831A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/06—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric generators; for synchronous capacitors
    • H02H7/067—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric generators; for synchronous capacitors on occurrence of a load dump
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0061—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electrical machines
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/38—Means for preventing simultaneous conduction of switches
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an at least generator-operable electric machine with an active bridge rectifier and means for implementing it.
  • this can also be an electric machine which can be operated both as a generator and as a motor, for example a so-called starter generator.
  • the invention is suitable not only for generators in Klauenpolbauweise, but for all at least regeneratively operable electric machines.
  • bridge rectifiers in six-, eight- or ten-pulse design are used in correspondence to the usually built three-, four- or five-phase generators.
  • the invention is also suitable for bridge rectifiers for other phase numbers.
  • a load jump in the connected network leads to a load jump on the generator.
  • the generator current initially remains approximately constant, which can lead to a significant increase in the output voltage in a load shedding (English load dump).
  • the degradation of the exciter field can take several hundred milliseconds.
  • Zener diodes clamp the output voltage above their breakdown voltage and are therefore able to convert excess current into heat. In this way, a safe operation is always guaranteed.
  • controllable current control valves which can be switched on and off, in particular MOSFETs, can also be used in active bridge rectifiers. Advantage is the lower power loss in the on state and thus the better efficiency of the generator as a whole, especially in partial load operation.
  • the control of the flow control valves can be done centrally or remotely.
  • a central control means that a common control device monitors all AC phases and controls all current valves and optionally also the field of excitation of the generator.
  • a decentralized control means that a respective control device monitors a generator phase and, depending on the phase voltage, drives only the current valves associated with the respective phase, that is, only the current valves of a respective half-bridge.
  • a decentralized control can be with or without communication between the individual decentralized
  • phase short circuit One possibility of preventing voltage spikes in the vehicle electrical system during load shedding is, with active bridge rectifiers, in the current valves of the bridge turn on upper or lower rectifier branch in each half bridges. In this way, the electric machine is short-circuited, but not the connected network.
  • the described measures are also referred to below as phase short circuit. According to the language usage used here, a phase short circuit therefore becomes current valves (low-side current valves) switching to ground or a negative DC voltage connection (see also DC voltage connection B- according to FIG positive DC voltage connection (see also DC voltage connection B + in Figure 1) switching current valves (high-side flow control valves) of the rectifier initiated and canceled accordingly by switching off these flow control valves.
  • these current valves are switched on by providing a corresponding control voltage at their gate terminal (activation), whereby the drain-source path of the current valves becomes conductive or low-resistance. Accordingly, the current valves are turned off by stopping the supply of the control voltage and the drain-source path is non-conductive or high impedance. Outside of a phase short circuit there is a regular rectifier operation.
  • a phase short circuit can be initiated, for example, when the voltage between the DC voltage connections of the bridge rectifier (usually denoted by B + and B-) or between the voltage-carrying DC voltage connection and ground exceeds an upper threshold value.
  • the phase short circuit can be canceled again if this voltage then falls below a lower threshold.
  • phase currents of the alternating current phases As a result, the phase currents become more or less strongly unbalanced, ie they no longer oscillate around a common mean or zero. The sum of the DC shares is zero. If the phase short-circuit is reached when the lower threshold value is undershot, then in the phases with a current that is currently positive, it commutates into the current valve of the upper rectifier branch, ie, the positive DC terminal, if the phase voltage exceeds the voltage in the connected network. Because of the explained
  • Asymmetry must be switched under certain circumstances, high currents, which causes a corresponding burden on the flow control valves involved. This can damage these flow control valves. It is therefore desirable to avoid or at least reduce the burden on corresponding current valves when canceling a phase short.
  • phase short circuit phases may remain as a result in which no zero crossing occurs or in which the phase currents no longer become sufficiently small to fall below a predetermined, fixed comparison value.
  • the flow control valves would therefore remain permanently activated.
  • the same can already be caused by the DC components impressed upon initiation of the phase short circuit.
  • the present invention therefore proposes a method for driving a multiphase electric machine which can be operated at least as a generator, whose phase connections in an active bridge rectifier are connected to a first DC voltage connection via controllable first current valves which can be switched on and off and to a second DC voltage connection via second current valves wherein the method comprises, in a generator operation of the electric machine, turning on the first current valves when an output voltage between the first DC voltage connection and the second DC voltage connection has exceeded an upper threshold value at an overshoot time, and the first
  • the first flow control valves are switched off individually after the underspeeding moment and only when an indication value which identifies a flow of current in the phase connection assigned to the respective flow control valve has a predetermined characteristic.
  • a switchable on and off controllable current valve is understood to be a semiconductor switch which provides a low-resistance or conductive connection as long as a drive voltage is present at a connection provided for this purpose.
  • controllable first flow control valves are MOSFET and / or IGBT, which are controlled via their gate terminal and can provide the low resistance or conductive connection across the drain-to-source path.
  • Only switchable controllable flow valves, which are not the subject of the present invention are, for example, thyristors. Conventional diodes are also current valves, but not controllable.
  • the first flow control valves are switched off individually after the underspeeding moment and only when an indication value which identifies a flow of current in the phase connection associated with the respective flow control valve has a predetermined characteristic.
  • a property may include that the indication value is below a maximum value, wherein the maximum value is increased during a period of time which lies after the undershoot time.
  • Property comprises that the indication value has a minimum determined by a determination rule.
  • a determination rule may include, for example, a minimum determination by a known per se differentiation of a corresponding signal.
  • the predetermined property comprises the indication value being below a maximum value
  • this maximum value is, as stated, during a time period which lies after the underspeed time point, as of the phase short circuit, in principle canceled
  • the maximum value at the time of undershooting initially corresponds to a zero value of the phase current in the phase assigned to the respective current valve or to a corresponding indication value.
  • a corresponding zero value can be used, for example, for the zero crossing or the reversal point of a corresponding sinusoidal current or correlate therewith the size of the indication value.
  • the maximum value is initially kept at this zero value, it is made possible for the phase currents, which still have a corresponding zero crossing, to be switched at the lowest possible current value, thereby reducing the load on the involved current valves. Only for the phases whose phase currents no longer have a corresponding zero crossing, the proposed here increase the maximum value is required and intervenes.
  • the dead time can be set to a fixed value or specified as a function of an operating parameter of the generator, in particular the speed.
  • the dead time is set as a function of the rotational speed, it can be ensured, for example, that a full electrical period has elapsed without the respective current valve being switched off. This is a sure indication that the corresponding phase current no longer has a zero crossing or that it is increased in such a way that it no longer falls below the maximum value corresponding to the zero value. After expiry of the dead time and possibly an additional time buffer, the inventively provided increase in the maximum value is therefore initiated.
  • the increase of the maximum value can take place at least temporarily linearly and with a predetermined slope or in the form of a non-linear function.
  • a suitable linear or nonlinear function is specified and, in particular, with a suitable choice of its maximum, it is ensured that all phase currents or corresponding indication values fall below the maximum value after more or less a long time, and thus the respective current valves are switched off.
  • the indication value thus inevitably falls below the maximum value, so that the corresponding flow control valve is switched off.
  • this is not switched exactly in the minimum, but depending on the steepness of the linear function or a corresponding parameter of a non-linear function sufficiently close to the minimum of the phase current or the indication value.
  • the steepness of the linear function and / or at least one parameter of the non-linear function can also be set constant or speed-dependent.
  • the steepness is specified, for example, in amperes per second.
  • a speed dependency here has the advantage that only a certain maximum increase of the maximum value per electrical period can be permitted, e.g. 10 amps per period. In this way it can be ensured that the minimum of the phase current is missed by a maximum of this value, in the example by 10 amperes.
  • the slope is advantageously chosen such that at a certain speed between two minima of the corresponding phase current only the smallest possible or maximum allowable increase in the indication signal is produced. For example, 20 amperes per millisecond and a period of, for example, 2.5 milliseconds (at 3000 revolutions per minute and 8 pole savings), the switching point would be shifted by at most 50 amperes between two minima. The minimum in the phase current is thus missed by a maximum of 50 amps.
  • a speed dependence is particularly important because appropriate generators can be operated in extremely wide speed ranges, for example, 1500 to 20,000 revolutions per minute, so that constant times would always have to be designed for the worst-case speed (which is the lowest speed), which would result in unnecessary dead times at higher speeds.
  • the method according to the invention proves to be extremely robust in use, since drifting both in the signal measurement and the indication signal merely lead to a time shift of the switching points, but still switching close to the minimum can be ensured. Due to this low accuracy requirement, a simple and cost-effective realization (industrialization) is possible. In addition to the speed, application-specific factors or surcharges (surcharge values) can also be used for the steepness or the start time of a corresponding function.
  • the burden of the flow control valves can be significantly reduced by the inventive method.
  • the method according to the invention is very simple, for example, in an application-specific integrated circuit, integrable, and robust to tolerances in the measurement signal and disturbances thereof.
  • An arithmetic unit according to the invention e.g. a control device of a motor vehicle is, in particular programmatically, configured to perform a method according to the invention.
  • a purely analog implementation for example in a suitable application-specific integrated circuit (ASIC) is possible.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • Suitable data carriers for the provision of the computer program are, in particular, floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs, and the like. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.). Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
  • Figure 1 shows an arrangement with a generator and an active bridge rectifier in a simplified, schematic representation.
  • FIG. 2 shows signal curves for explaining the principles of a method according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 3 illustrates a method according to an embodiment of the invention in the form of a diagram.
  • FIG. 1 schematically illustrates an arrangement comprising a generator 1 and an active bridge rectifier 2, as may be the basis of an embodiment of the present invention.
  • the generator 1 comprises a five-phase and formed in Drudenfußsciens stator 1 1 and a rotor 12.
  • the individual windings of the stator 1 1 and the rotor 12 are not designated separately.
  • the generator 1 is connected via five phase terminals U to Y respectively via switchable on and off, controllable current valves, here designated by UL to YL and UH to YH, connected to the first DC voltage connection B and a second DC voltage connection B +.
  • the method according to the invention is described below on the basis of an initiation of a phase short in the current valves UL to YL of a lower rectifier branch ("lowside”), but can also be carried out with the current valves UH to YH in the upper rectifier branch ("highside”) become.
  • the current valves involved are referred to in the context of this application as "first" flow valves; at least these are switched on and off as well as controllable, for example, MOSFET.
  • the controllable current valves UL to YL and UH to YH that can be switched on and off are simplified in the figure as switches with parallel-connected Zener diodes.
  • the Zener diodes symbolize both the typical breakdown characteristic of a MOSFET from a certain drain-source voltage and the existing in MOSFET inverse diode.
  • the flow control valves UH to YH and UL to YL are controllable by respective decentralized control devices 21 to 25, as illustrated here with dashed control arrows.
  • a generator controller 13 evaluates a voltage present between the DC voltage terminals B + and B- (the DC voltage connection B- can be grounded) and regulates the output power of the generator 1, for example via pulse-width-modulated energization of the excitation winding of the rotor 12.
  • phase currents in an order with a generator and an active bridge rectifier, for example according to FIG. 1, are illustrated.
  • the phase currents are plotted in ampere on the ordinate against a time in milliseconds on the abscissa.
  • the example shows the effects that result when one of the phases is permanently short-circuited to ground (compare B- in FIG. 1) (the corresponding current characteristic is denoted 201), while the remaining phases (the corresponding current profiles are 202 are referred to) in regular rectification, so permanently switch between the potential of B + and B-.
  • Such an effect can, as explained, for example, set when a switching threshold for switching off a corresponding flow control valve due to an excessively high DC component in the corresponding phase can not be achieved.
  • the current of the phase shorted to ground (current waveform 201) is permanently positive in this way. If such an effect occurs, switching under load can no longer be avoided. However, in order to keep the load on the flow control valves as low as possible, the maximum should not be switched as far as possible.
  • phase current 310 is shown greatly enlarged and designated 310.
  • the phase current 310 is represented in ampere on the ordinate versus time in milliseconds on the abscissa. In the example shown, it oscillates between a value of 50 and a value of 250 amps, ie it no longer reaches the zero value.
  • a maximum value used according to the invention, with which the phase current 310 is compared, is denoted by 320. This is initially 0 amperes and ramps from a time of 2.5 milliseconds, i. here in the form of a linear function, increased. At a time of 6 milliseconds in the example, the phase current 310 falls below the maximum value 320 for the first time and a corresponding flow control valve can be switched off.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Ansteuern einer zumindest generatorisch betreibbaren, mehrphasigen elektrischen Maschine (1), deren Phasenanschlüsse (U-Y) in einem aktiven Brückengleichrichter (2) jeweils über ein- und ausschaltbare, steuerbare erste Stromventile (UL-YL) an einen ersten Gleichspannungsanschluss (B-) und über zweite Stromventile (UH-YH) an einen zweiten Gleichspannungsanschluss (B+) angebunden sind, wobei das Verfahren umfasst, in einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine (1) die ersten Stromventile (UL-YL) einzuschalten, wenn eine Ausgangsspannung zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss (B-) und dem zweiten Gleichspannungsanschluss (B+) zu einem Überschreitungszeitpunkt einen oberen Schwellwert überschritten hat, und die ersten Stromventile (UL-YL) erst wieder auszuschalten, nachdem die Ausgangsspannung danach zu einem Unterschreitungszeitpunkt einen unteren Schwellwert unterschritten hat. Es ist vorgesehen, dass die ersten Stromventile (UL-YL) nach dem Unterschreitungszeitpunkt einzeln und jeweils erst dann wieder ausgeschaltet werden, wenn jeweils ein Indikationswert, der einen Stromfluss in dem dem jeweiligen Stromventil zugeordneten Phasenanschluss (U-Y) kennzeichnet, eine vorbestimmte Eigenschaft aufweist. Mittel zur Implementierung eines entsprechenden Verfahrens sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben einer zumindest generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine und Mittel zu dessen Implementierung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer zumindest generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine mit einem aktiven Brückengleichrichter und Mittel zu dessen Implementierung.
Stand der Technik
Herkömmlicherweise kommen in Personenkraftwagen Generatoren in Klauenpolbauweise mit passiven Brückengleichrichtern zum Einsatz. Die Leistung solcher Generatoren wird über das Erregerfeld und dieses wiederum durch den Erregerstrom eingestellt. Durch die Regelung des Erregerfeldes kann die Ausgangsspannung des Generators unabhängig von der Netzlast, der Drehzahl und der Temperatur konstant gehalten werden.
Ist nachfolgend vereinfacht von einem "Generator" die Rede, kann es sich hierbei auch um eine sowohl generatorisch als auch motorisch betreibbare elektrische Maschine handeln, beispielsweise einen sogenannten Startergenerator. Die Erfindung eignet sich nicht nur für Generatoren in Klauenpolbauweise, sondern für alle zumindest generatorisch betreibbaren elektrischen Maschinen. In Personenkraftwagen werden in Entsprechung zu den üblicherweise verbauten drei-, vier- oder fünfphasigen Generatoren Brückengleichrichter in sechs-, acht- oder zehnpulsiger Ausführung verwendet. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für Brückengleichrichter für andere Phasenzahlen.
Ein Lastsprung im angeschlossenen Netz, beispielsweise durch Zu- oder Abschaltung eines Verbrauchers, führt zu einem Lastsprung am Generator. Da die Abgabeleistung des Generators aber aufgrund der Induktivität des Erregerfeldes nicht beliebig schnell geändert werden kann, bleibt der Generatorstrom zunächst näherungsweise konstant, was bei einem Lastabwurf (engl. Load Dump) zu einer deutlichen Erhöhung der Ausgangsspannung führen kann. Der Abbau des Erregerfeldes kann einige hundert Millisekunden in Anspruch nehmen.
Solange eine Batterie im Bordnetz vorhanden ist, kann diese die überschüssige Generatorleistung in der Regel aufnehmen und damit einen übermäßigen Spannungsanstieg verhindern. Ist jedoch keine Batterie vorhanden, so steigt die Ausgangsspannung sehr schnell an und ist in der Lage, Bordnetzkomponenten und/oder den Generator zu beschädigen.
Bei Generatoren mit passiven Brückengleichrichtern wird dies verhindert, indem als Gleichrichterdioden Zenerdioden verwendet werden. Die Zenerdioden klammern die Ausgangsspannung oberhalb ihrer Durchbruchsspannung und sind da- her in der Lage, überschüssigen Strom in Wärme umzusetzen. Auf diese Weise ist stets ein sicherer Betrieb gewährleistet.
Anstelle der Gleichrichterdioden können in aktiven Brückengleichrichtern auch ein- und ausschaltbare, steuerbare Stromventile, insbesondere MOSFET, ver- wendet werden. Vorteil ist die geringere Verlustleistung im eingeschalteten Zustand und damit der bessere Wirkungsgrad des Generators insgesamt, insbesondere im Teillastbetrieb. Die Steuerung der Stromventile kann zentral oder dezentral erfolgen. Unter einer zentralen Steuerung wird verstanden, dass eine gemeinsame Steuereinrichtung alle Wechselstromphasen überwacht und alle Stromventile und optional auch das Erregerfeld des Generators ansteuert. Unter einer dezentralen Steuerung wird verstanden, dass jeweils eine Steuereinrichtung eine Generatorphase überwacht und in Abhängigkeit von der Phasenspannung nur die der jeweiligen Phase zugeordneten Stromventile, also nur die Stromventile jeweils einer Halbbrücke, ansteuert. Eine dezentrale Steuerung kann dabei mit oder ohne Kommunikation zwischen den einzelnen dezentralen
Steuereinrichtungen realisiert werden.
Eine Möglichkeit, bei einem Lastabwurf Spannungsspitzen im Bordnetz zu verhindern, besteht bei aktiven Brückengleichrichtern darin, die Stromventile des oberen oder des unteren Gleichrichterzweigs jeweils in allen Halbbrücken einzuschalten. Auf diese Weise wird die elektrische Maschine kurzgeschlossen, jedoch nicht das angeschlossene Netz. Die erläuterten Maßnahmen werden nachfolgend auch als Phasenkurzschluss bezeichnet. Ein Phasenkurzschluss wird gemäß dem hier verwendeten Sprachgebrauch also durch das Einschalten (Leitendschalten) aller nach Masse oder einem negativen Gleichspannungsanschluss (vgl. auch Gleichspannungsan- schluss B- gemäß der unten erläuterten Figur 1 ) schaltenden Stromventile (Lowside-Stromventile) oder alternativ aller nach einem positiven Gleichspannungsanschluss (vgl. auch Gleichspannungsanschluss B+ in Figur 1 ) schaltenden Stromventile (Highside-Stromventile) des Gleichrichters eingeleitet und entsprechend durch das Ausschalten dieser Stromventile wieder aufgehoben. Werden als Stromventile beispielsweise Feldeffekttransistoren verwendet, so werden diese Stromventile durch Bereitstellen einer entsprechenden Steuerspannung an ihrem Gateanschluss (Ansteuern) eingeschaltet, wodurch die Drain-Source- Strecke der Stromventile leitend bzw. niederohmig wird. Entsprechend werden die Stromventile ausgeschaltet, indem die Bereitstellung der Steuerspannung beendet und die Drain-Source-Strecke nichtleitend bzw. hochohmig wird. Außer- halb eines Phasenkurzschlusses liegt ein regulärer Gleichrichterbetrieb vor.
Ein Phasenkurzschluss kann beispielsweise dann eingeleitet werden, wenn die Spannung zwischen den Gleichspannungsanschlüssen des Brückengleichrichters (üblicherweise mit B+ und B- bezeichnet) bzw. zwischen dem spannungs- führenden Gleichspannungsanschluss und Masse, einen oberen Schwellwert überschreitet. Der Phasenkurzschluss kann wieder aufgehoben werden, wenn diese Spannung danach einen unteren Schwellwert unterschreitet.
Während des Phasenkurzschlusses entsteht aufgrund der Einleitung des Kurz- Schlusses jeweils ein zusätzlicher positiver oder negativer Gleichanteil in den
Phasenströmen der Wechselstromphasen. Die Phasenströme werden hierdurch mehr oder weniger stark unsymmetrisch, pendeln also nicht mehr um einen gemeinsamen Mittelwert bzw. Null. Die Summe der Gleichanteile beträgt null. Wird der Phasenkurzschluss bei Unterschreitung des erwähnten unteren Schwellwerts gelöst, so kommutiert bei den Phasen mit momentan positivem Strom dieser in das Stromventil des oberen, d.h. mit dem positiven Gleichspan- nungsanschluss verbundenen Gleichrichterzweigs, sofern die Phasenspannung die Spannung im angeschlossenen Netz übersteigt. Aufgrund der erläuterten
Asymmetrie müssen dabei unter Umständen hohe Ströme geschaltet werden, was eine entsprechende Belastung der beteiligten Stromventile verursacht. Dies kann zur Beschädigung dieser Stromventile führen. Es ist daher wünschenswert, die Belastung von entsprechenden Stromventilen bei der Aufhebung eines Phasenkurzschlusses zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zum Betreiben einer zumindest generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine mit einem aktiven Brückengleichrichter und Mittel zu dessen Implementierung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüchen vorgeschlagen. Ausgestaltungen sind Gegen- stand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Um zu vermeiden, dass durch die an einem Phasenkurzschluss beteiligten Stromventile beim Aufheben eines entsprechenden Phasenkurzschlusses übermäßig große Ströme geschaltet werden müssen, kann vorgesehen sein, derartige Stromventile erst dann wieder auszuschalten, wenn der entsprechende Phasenstrom möglichst klein ist, insbesondere im Nulldurchgang des Phasenstroms. Weil die jeweils geringsten Stromwerte bzw. die Nulldurchgänge der einzelnen Phasenströme jedoch naturgemäß zu unterschiedlichen Zeitpunkten (entsprechend dem elektrischen Winkel der Statorwicklungen zueinander) auftreten, erfolgt das Ausschalten der entsprechenden Stromventile in solchen Fällen jedoch zwangsläufig ebenfalls nicht zeitgleich. Das Ausschalten des Stromventils einer Phase kann jedoch in den Phasen mit noch eingeschalteten Stromventilen eine zusätzliche Asymmetrie durch einen nochmals höheren, nicht abklingenden Gleichanteil bewirken. Es können daher im Ergebnis Phasen verbleiben, in denen kein Nulldurchgang mehr auftritt bzw. in denen die Phasenströme nicht mehr ausreichend klein werden, um einen vorgegebenen festen Vergleichswert zu unterschreiten. In diesen Phasen würden die Stromventile daher dauerhaft angesteuert bleiben. Entsprechendes kann aber auch bereits durch die bei der Einleitung des Phasenkurzschlusses aufgeprägten Gleichanteile verursacht werden.
Die vorliegende Erfindung schlägt daher ein Verfahren zum Ansteuern einer zumindest generatorisch betreibbaren mehrphasigen elektrischen Maschine vor, deren Phasenanschlüsse in einem aktiven Brückengleichrichter jeweils über ein- und ausschaltbare steuerbare erste Stromventile an einen ersten Gleichspan- nungsanschluss und über zweite Stromventile an einen zweiten Gleichspan- nungsanschluss angebunden sind, wobei das Verfahren umfasst, in einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine die ersten Stromventile einzuschalten, wenn eine Ausgangsspannung zwischen dem ersten Gleichspan- nungsanschluss und dem zweiten Gleichspannungsanschluss zu einem Über- schreitungszeitpunkt einen oberen Schwellwert überschritten hat, und die ersten
Stromventile erst wieder auszuschalten, nachdem die Ausgangsspannung danach zu einem Unterschreitungszeitpunkt einen unteren Schwellwert unterschritten hat. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die ersten Stromventile nach dem Unterschreitungszeitpunkt einzeln und jeweils erst dann wieder ausgeschal- tet werden, wenn jeweils ein Indikationswert, der einen Stromfluss in dem dem jeweiligen Stromventil zugeordneten Phasenanschluss kennzeichnet, eine vorbestimmte Eigenschaft aufweist.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter einem ein- und ausschaltba- ren, steuerbaren Stromventil ein Halbleiterschalter verstanden, der so lange eine niederohmige bzw. leitende Verbindung bereit stellt, so lange an einem hierfür vorgesehenen Anschluss eine Ansteuerspannung anliegt. Insbesondere handelt sich bei derartigen ein- und ausschaltbaren, steuerbaren ersten Stromventilen um MOSFET und/oder IGBT, die über ihren Gateanschluss angesteuert werden und die niederohmige bzw. leitende Verbindung über die Drain-Source-Strecke bereitstellen können. Nur einschaltbare steuerbare Stromventile, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, sind beispielsweise Thyristoren. Herkömmliche Dioden sind ebenfalls Stromventile, aber nicht steuerbar.
Wie erwähnt, werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren die ersten Stromventile nach dem Unterschreitungszeitpunkt einzeln und jeweils erst dann wieder ausgeschaltet werden, wenn jeweils ein Indikationswert, der einen Stromfluss in dem dem jeweiligen Stromventil zugeordneten Phasenanschluss kennzeichnet, eine vorbestimmte Eigenschaft aufweist. Eine solche Eigenschaft kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen, dass der Indikationswert unterhalb eines Maximalwerts liegt, wobei der Maximalwert während eines Zeitraums, welcher nach dem Unterschreitungszeitpunkt liegt, erhöht wird. In bestimmten Fällen kann es aber auch vorteilhaft sein, wenn die vorbestimmte
Eigenschaft umfasst, dass der Indikationswert ein mittels einer Bestimmungsvorschrift bestimmtes Minimum aufweist. Eine solche Bestimmungsvorschrift kann beispielsweise eine Minimumbestimmung durch ein an sich bekanntes Differenzieren eines entsprechenden Signals umfassen.
Wird die erwähnte Ausführungsform der Erfindung eingesetzt, bei der die vorbestimmte Eigenschaft umfasst, dass der Indikationswert unterhalb eines Maximalwerts liegt, und wird dieser Maximalwert, wie angegeben, während eines Zeitraums, welcher nach dem Unterschreitungszeitpunkt liegt, ab dem der Phasen- kurzschluss grundsätzlich wieder aufgehoben werden kann, erhöht, so erfolgt eine Abschaltung eines Stromventils auch dann, wenn der Phasenstrom bzw. ein entsprechender Indikationswert keinen Nulldurchgang mehr aufweist bzw. aufgrund des bei der Einleitung des Phasenkurzschlusses und/oder bei der Abschaltung anderer Stromventile aufgeprägten Gleichanteils erhöht ist.
Vorteilhafterweise entspricht der Maximalwert zu dem Unterschreitungszeitpunkt zunächst einem Nullwert des Phasenstroms in der dem jeweiligen Stromventil zugeordneten Phase bzw. eines entsprechenden Indikationswerts. Ein entsprechender Nullwert kann beispielsweise dem Nulldurchgang oder dem Umkehr- punkt eines entsprechenden sinusförmigen Stroms oder einer hiermit korrelierenden Größe des Indikationswerts entsprechen.
Hält man den Maximalwert zunächst bei diesem Nullwert, wird ermöglicht, dass für die Phasenströme, die noch einen entsprechenden Nulldurchgang aufweisen, bei einem möglichst geringen Stromwert geschaltet werden und sich hierdurch die Belastung der beteiligten Stromventile reduziert. Erst für die Phasen, deren Phasenströme keinen entsprechenden Nulldurchgang mehr aufweisen, wird die hier vorgeschlagene Erhöhung des Maximalwerts erforderlich und greift.
Besonders vorteilhaft ist es dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung, mit der Erhöhung des Maximalwerts erst nach einer Totzeit, während der der Maximalwert zunächst noch auf dem Nullwert belassen wird, zu beginnen. Die Totzeit kann auf einen festen Wert eingestellt oder in Abhängigkeit von einem Betriebs- parameter des Generators, insbesondere der Drehzahl, vorgegeben werden.
Wird die Totzeit in Abhängigkeit von der Drehzahl eingestellt, kann beispielsweise sichergestellt werden, dass eine volle elektrische Periode verstrichen ist, ohne dass das jeweilige Stromventil abgeschaltet wurde. Dies ist ein sicheres Indiz da- für, dass der entsprechende Phasenstrom keinen Nulldurchgang mehr aufweist bzw. dieser in einer Weise erhöht ist, dass er den dem Nullwert entsprechenden Maximalwert nicht mehr unterschreitet. Nach Ablauf der Totzeit und gegebenenfalls eines zusätzlichen Zeitpuffers wird daher die erfindungsgemäß vorgesehene Erhöhung des Maximalwerts eingeleitet.
Die Erhöhung des Maximalwerts kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung zumindest zeitweise linear und mit einer vorgegebenen Steilheit oder in Form einer nichtlinearen Funktion erfolgen. Bei Vorgabe einer geeigneten linearen oder nichtlinearen Funktion und insbesondere bei geeigneter Wahl von deren Maxi- mum wird sichergestellt, dass alle Phasenströme bzw. entsprechende Indikationswerte nach mehr oder weniger langer Zeit den Maximalwert unterschreiten und damit die jeweiligen Stromventile abgeschaltet werden. Nach einer gewissen Zeit eines entsprechenden Anstiegs unterschreitet der Indikationswert also zwangsläufig den Maximalwert, so dass das entsprechende Stromventil ausgeschaltet wird. Dieses wird zwar nicht genau im Minimum, jedoch je nach Steilheit der linearen Funktion bzw. eines entsprechenden Parame- ters einer nichtlinearen Funktion ausreichend nahe des Minimums des Phasenstroms bzw. des Indikationswerts geschaltet.
Die Steilheit der linearen Funktion und/oder wenigstens ein Parameter der nichtlinearen Funktion kann ebenfalls konstant oder drehzahlabhängig eingestellt werden. Die Steilheit wird beispielsweise in Ampere pro Sekunde vorgegeben.
Eine Drehzahlabhängigkeit hat hier den Vorteil, dass nur eine bestimmte maximale Erhöhung des Maximalwerts pro elektrischer Periode zugelassen werden kann, z.B. 10 Ampere pro Periode. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Minimum des Phasenstroms maximal um diesen Wert, im Beispiel um 10 Ampere, verfehlt wird. Die Steilheit wird dabei vorteilhafterweise derart gewählt, dass bei einer bestimmten Drehzahl zwischen zwei Minima des entsprechenden Phasenstroms nur ein möglichst geringer bzw. maximal zulässiger Zuwachs in dem Indikationssignal entsteht. Bei beispielsweise 20 Ampere pro Millisekunde und einer Periodendauer von beispielsweise 2,5 Millisekunden (bei 3000 Umdrehungen pro Minute und 8 Polparen) würde zwischen zwei Minima der Schaltpunkt höchstens um 50 Ampere verschoben. Das Minimum im Phasenstrom wird also um maximal 50 Ampere verfehlt. Je geringer die Steilheit bzw. je flacher die Steigung ist, desto näher wird das Minimum getroffen, jedoch dauert es auch immer länger, bis die Phase wieder in den Gleichrichterbetrieb übergeht, das entsprechende Stromventil also ausgeschaltet wird. Vorteilhaft ist hier ein Kompromiss in der Abstimmung, der insbesondere aus dem sicheren Betriebsbereich eines entsprechenden Stromventils abgeleitet wird.
Die erläuterten Maßnahmen, insbesondere die Drehzahlabhängigkeit, erlauben eine deutliche Optimierung bezüglich der Schnelligkeit des Schaltens bzw. der
Deaktivierung des Phasenkurzschlusses und dem Erreichen des jeweiligen Minimums. Eine Drehzahlabhängigkeit ist insbesondere deshalb von Bedeutung, weil entsprechende Generatoren in äußerst breiten Drehzahlbereichen von beispielsweise 1500 bis 20.000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden können, so dass konstante Zeiten immer auf die "Worst-Case"-Drehzahl ausgelegt werden müssten (bei der es sich um die niedrigste Drehzahl handelt), was bei höheren Drehzahlen überflüssige Totzeiten zur Folge hätte.
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich im Einsatz als ausgesprochen robust, da Driften sowohl bei der Signalmessung als auch des Indikationssignals lediglich zu einer zeitlichen Verschiebung der Schaltpunkte führen, jedoch immer noch ein Schalten nahe des Minimums gewährleistet werden kann. Durch diese geringe Genauigkeitsanforderung ist eine einfache und kostengünstige Realisierung (Industrialisierung) möglich. Neben der Drehzahl können auch applikationsspezifische Faktoren bzw. Zuschläge (Aufschlagswerte) für die Steilheit oder den Startzeitpunkt einer entsprechenden Funktion verwendet werden.
Insgesamt kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die Belastung der Stromventile erheblich reduziert werden. Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach, beispielsweise in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, integrierbar, und robust gegenüber Toleranzen im Messsignal sowie Störungen desselben. Insbesondere besteht ein deutlicher Vorteil gegenüber einer Differenzierung des Signals. Das gegebenenfalls fehleranfällige Schalten nur im Nulldurchgang wird verbessert.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Auch eine rein analoge Umsetzung, beispielsweise in einer geeigneten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) ist jedoch möglich.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Anordnung mit einem Generator und einem aktiven Brückengleichrichter in vereinfachter, schematischer Darstellung.
Figur 2 zeigt Signalverläufe zur Erläuterung der Grundlagen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 3 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Diagramms.
In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden nicht wiederholt erläutert.
Ausführungsform der Erfindung
In Figur 1 ist eine Anordnung mit einem Generator 1 und einem aktiven Brückengleichrichter 2, wie sie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegen kann, schematisch veranschaulicht.
Der Generator 1 umfasst einen fünfphasig und in Drudenfußschaltung ausgebildeten Stator 1 1 und einen Rotor 12. Die einzelnen Wicklungen des Stators 1 1 und des Rotors 12 sind nicht gesondert bezeichnet. Der Generator 1 ist über fünf Phasenanschlüsse U bis Y jeweils über ein- und ausschaltbare, steuerbare Stromventile, hier mit UL bis YL und UH bis YH bezeichnet, an den ersten Gleichspannungsanschluss B- bzw. einen zweiten Gleichspannungsanschluss B+ angebunden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand einer Einleitung eines Phasenkurzschlusses in den Stromventilen UL bis YL eines unteren Gleichrichterzweigs ("Lowside") beschrieben, kann jedoch auch mit den Stromventilen UH bis YH im oberen Gleichrichterzweig ("Highside") durchgeführt werden. Die jeweils beteiligten Stromventile werden im Rahmen dieser Anmeldung als "erste" Stromventile bezeichnet; zumindest diese sind ein- und ausschaltbare sowie steuerbar, beispielsweise MOSFET. Die ein- und ausschaltbaren, steuerbaren Stromventile UL bis YL und UH bis YH sind in der Figur verein- facht als Schalter mit parallel geschalteten Zenerdioden veranschaulicht. Die Zenerdioden symbolisieren dabei sowohl die typische Durchbruchseigenschaft eines MOSFET ab einer bestimmten Drain-Source-Spannung als auch die in MOSFET vorhandene Inversdiode. Die Stromventile UH bis YH und UL bis YL sind durch jeweilige dezentrale Steuereinrichtungen 21 bis 25, wie hier mit gestrichelten Ansteuerpfeilen veranschaulicht, steuerbar. Ein Generatorregler 13 wertet eine zwischen den Gleichspannungsanschlüssen B+ und B- anliegende Spannung (der Gleichspannungsan- schluss B- kann auf Masse liegen) aus und regelt, beispielsweise über eine pulsweitenmodulierte Bestromung der Erregerwicklung des Rotors 12, die Ausgangsleistung des Generators 1.
In Figur 2 sind zur Erläuterung der Grundlagen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung Signalverläufe von Phasenströmen in einer An- Ordnung mit einem Generator und einem aktiven Brückengleichrichter, beispielsweise gemäß Figur 1 , veranschaulicht. Die Phasenströme sind dabei in Ampere auf der Ordinate gegenüber einer Zeit in Millisekunden auf der Abszisse aufgetragen. Im Beispiel sind die Effekte dargestellt, die sich ergeben, wenn eine der Phasen permanent gegen Masse (vergleiche B- in Figur 1 ) kurzgeschlossen ist (der entsprechende Stromverlauf ist mit 201 bezeichnet), während sich die übrigen Phasen (die entsprechenden Stromverläufe sind mit 202 bezeichnet) in regulärer Gleichrichtung befinden, also permanent zwischen dem Potential von B+ und B- wechseln. Ein derartiger Effekt kann sich, wie erläutert, beispielsweise einstellen, wenn eine Schaltschwelle zum Ausschalten eines entsprechenden Stromventils aufgrund eines übermäßig hohen Gleichanteils in der entsprechenden Phase nicht mehr erreicht werden kann. Der Strom der gegen Masse kurzgeschlossenen Phase (Stromverlauf 201 ) ist auf diese Weise permanent positiv. Tritt ein solcher Effekt auf, kann ein Schalten unter Last nicht mehr vermieden werden. Jedoch sollte, um die Belastung der Stromventile so gering wie möglich zu halten, möglichst nicht im Maximum geschaltet werden.
Die Erfindung adressiert dieses Problem wie in Figur 3 veranschaulicht. In Figur 3 ist ein entsprechender Phasenstrom stark vergrößert dargestellt und mit 310 bezeichnet. Der Phasenstrom 310 ist in Ampere auf der Ordinate gegenüber einer Zeit in Millisekunden auf der Abszisse dargestellt. Er pendelt im dargestellten Beispiel zwischen einem Wert von 50 und einem Wert von 250 Ampere, erreicht also den Nullwert nicht mehr.
Ein erfindungsgemäß verwendeter Maximalwert, mit dem der Phasenstrom 310 verglichen wird, ist mit 320 bezeichnet. Dieser beträgt zu Beginn 0 Ampere und wird ab einem Zeitpunkt von 2,5 Millisekunden rampenförmig, d.h. hier in Form einer linearen Funktion, erhöht. Bei einem Zeitpunkt von im Beispiel 6 Millisekunden unterschreitet der Phasenstrom 310 den Maximalwert 320 erstmals und ein entsprechendes Stromventil kann abgeschaltet werden.

Claims

Ansprüche
Verfahren (100) zum Ansteuern einer zumindest generatorisch betreibbaren, mehrphasigen elektrischen Maschine (1 ), deren Phasenanschlüsse (U-Y) in einem aktiven Brückengleichrichter
(2) jeweils über ein- und ausschaltbare, steuerbare erste Stromventile (UL-YL) an einen ersten Gleichspannungsanschluss (B-) und über zweite Stromventile (UH-YH) an einen zweiten Gleichspannungsanschluss (B+) angebunden sind, wobei das Verfahren um- fasst, in einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine (1 ) die ersten Stromventile (UL-YL) einzuschalten, wenn eine Ausgangsspannung zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss (B-) und dem zweiten Gleichspannungsanschluss (B+) zu einem Überschreitungszeitpunkt einen oberen Schwellwert überschritten hat, und die ersten Stromventile (UL-YL) erst wieder auszuschalten, nachdem die Ausgangsspannung danach zu einem Unterschreitungszeitpunkt einen unteren Schwellwert unterschritten hat, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Stromventile (UL-YL) nach dem Unterschreitungszeitpunkt einzeln und jeweils erst dann wieder ausgeschaltet werden, wenn jeweils ein Indikationswert, der einen Stromfluss in dem dem jeweiligen Stromventil zugeordneten Phasenanschluss (U-Y) kennzeichnet, eine vorbestimmte Eigenschaft aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die vorbestimmte Eigenschaft umfasst, dass der Indikationswert unterhalb eines Maximalwerts liegt, wobei der Maximalwert während eines Zeitraums, welcher nach dem Unterschreitungszeitpunkt liegt, erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die vorbestimmte Eigenschaft umfasst, dass der Indikationswert ein mittels einer Bestimmungsvorschrift bestimmtes Minimum aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Maximalwert zu dem Unterschrei- tungszeitpunkt zunächst einem Nullwert eines Stromflusses in der dem jeweiligen Stromventil zugeordneten Phasenanschluss (U-Y) entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Maximalwert frühestens nach einem Verstreichen einer vorgegebenen Totzeit nach dem Unterschreitungs- zeitpunkt ausgehend von dem Nullwert erhöht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Totzeit in Abhängigkeit von einer Drehzahl der elektrischen Maschine (1 ) vorgegeben wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Erhöhung des Maximalwerts zumindest zeitweise linear mit einer vorgegebenen Steilheit und/oder in Form einer nichtlinearen Funktion erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Steilheit und/oder zumindest ein Parameter der nichtlinearen Funktion in Abhängigkeit von einem Unterschied zwischen dem Indikationswert und dem Maximalwert eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Indikationswert ein gemessener Stromwert, eine über das jeweilige erste Stromventil (UL-YL) abfallende Spannung und/oder ein hiervon abgeleiteter Wert ist.
10. Steuereinheit, die Mittel aufweist, die dazu eingerichtet sind, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
1 1 . Computerprogramm, das eine Steuereinheit gemäß Anspruch 9 dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn es auf der Steuereinheit ausgeführt wird.
12. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 1 1 .
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