EP3718203A1 - Verfahren zum ansteuern einer elektrischen maschine - Google Patents

Verfahren zum ansteuern einer elektrischen maschine

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EP3718203A1
EP3718203A1 EP18807068.4A EP18807068A EP3718203A1 EP 3718203 A1 EP3718203 A1 EP 3718203A1 EP 18807068 A EP18807068 A EP 18807068A EP 3718203 A1 EP3718203 A1 EP 3718203A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical
output signal
voltage
inverter
evaluation unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18807068.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Felix EGBERT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SEG Automotive Germany GmbH
Original Assignee
SEG Automotive Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SEG Automotive Germany GmbH filed Critical SEG Automotive Germany GmbH
Publication of EP3718203A1 publication Critical patent/EP3718203A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/48—Arrangements for obtaining a constant output value at varying speed of the generator, e.g. on vehicle
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • 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
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/0241—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an overvoltage
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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
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    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2201/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the converter used
    • H02P2201/03—AC-DC converter stage controlled to provide a defined DC link voltage

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for driving an electric machine.
  • inverter To control an electrical machine that is to provide ver with an AC variable or such supplies, such as, for example, a synchronous or an Asyn chron machine, so-called inverter or inverter are used, which set the required for driving the electrical machine electrical currents .
  • An inverter is an electrical device that converts a direct current into an alternating current or an alternating current into a direct current. In particular special in motor vehicles, in which in many cases only an electric DC is available, such inverters are often used.
  • Electric machines in the motor vehicle which are actively actuated via an inverter, usually have an overvoltage protection which is intended to limit the intermediate circuit voltage of the inverter to a maximum value.
  • a DC link is by definition an energy storage device between two inverters.
  • an energy storage is also referred to as inter mediate circuit.
  • Such electrical machines with appropriate overvoltage protection functions find application at various voltage levels in motor vehicles.
  • the maximum operating voltage is 54 V
  • Inverters typically comprise a number of switches, for example, arranged in a half-bridge or bridge and controlled by a driver circuit, which is also referred to herein as drive, i. E. H. switched on and off or closed and opened.
  • a driver circuit which is also referred to herein as drive, i. E. H. switched on and off or closed and opened.
  • An horrungskonzep th bridges or half bridges for driving the electrical Maschi ne driven by bridge drivers which in turn receive the PWM drive signal through a microcontroller.
  • a schematic structure of an electronic drive unit in connexion with a separately excited five-phase electric machine is shown, for example, in Fi gur 1.
  • the DC link voltage is monitored by a comparator circuit. If this voltage exceeds a defined limit, appropriate protective measures are initiated by the microcontroller. This is necessary because too high an intermediate circuit voltage can lead to an excessive vehicle electrical system voltage, which in turn can cause damage or even destruction of components in this vehicle network.
  • error responses are known, which are initiated by the microcontroller, which drives the driver circuit, to limit the voltage over.
  • the method presented herein is for driving an electric machine via an inverter comprising a number of switches and typically a DC link in which electrical energy is stored. It is intended to monitor whether an electrical variable exceeds a threshold value and thus, for example .
  • An overvoltage is present in order to initiate a countermeasure or a protective measure in this case. This typically consists of causing a phase short circuit.
  • an electrical variable can, for example, the DC voltage over the switches are monitored. It is also possible to monitor the so-called DC link voltage. Alternatively or additionally, the phase voltage between the switches, the DC current flow change from the inverter or a phase current change or a comparable size can be used. Thus, typically a physical quantity is monitored that is proportional to the voltage or voltage change of the DC voltage, whereby an overvoltage can be detected.
  • the switches are driven by a driver circuit and it is the monitoring of the monitored electrical variable by means of an evaluation, for example.
  • a comparator performed.
  • This Auswer teech recognizes, in an embodiment of the comparator eg. By comparison with a reference size or reference voltage or threshold voltage, whether an oversize or overvoltage, d. H. a value or voltage lying above a limit exists, for example, in the intermediate circuit.
  • the evaluation unit outputs an output signal which carries information about the intermediate circuit voltage.
  • the signal may carry the information as to whether an overvoltage exists or not.
  • the output signal of the evaluation unit acts directly on the switches of the converter, for example, mediated by the driver circuit. Immediately means that the information on the presence of an overvoltage is not first given to the microcontroller, which then outputs a corresponding drive signal for the driver circuit. Immed directly means that the output of the evaluation is passed directly to the switch or its driver circuit. This can mean that the output signal of the evaluation unit has an immediate effect on an input signal of the driver circuit, an output signal of the driver circuit or else on the internal function or mode of operation of the driver circuit. Thus, the evaluation unit, for example.
  • the comparator can also be provided in the driver circuit. The output signal then directly influences the processes in the driver circuit or their function.
  • a countermeasure is initiated. This consists z. Example, in that a phase short circuit is brought about by all highside or all lowside switches of a bridge or half-bridge, which can represent the driver circuit are closed.
  • the presented method is used, for example, in a vehicle electrical system of a motor vehicle in which an electric machine is operated. However, the method is also applicable in other areas whenever an electrical machine is controlled.
  • the presented method now makes it possible to significantly reduce the error reaction time in the event of an overvoltage event and thus to reduce the maximum voltage reached by the electrical machine so as not to exceed the contact protection voltage of 60 V as far as possible. Furthermore, the method currently used for the overvoltage protection Zen diodes in the inverter superfluous by the process.
  • the proposed method is characterized by the initiation of Pha senkurz gleiches not initiate as error response of the inverter via the microcontroller, but directly bind to the measurement of the DC link voltage to ver.
  • the primary initiation of the protective reaction, such. B. the phase short circuit is thus realized only by a pure hardware circuit that bypasses the microcontroller. In this way, the error reaction time can be significantly reduced.
  • Previously needed zener diodes to reduce the maximum overvoltage are superfluous, since the timely initiation of the phase short circuit is sufficient.
  • the presented device is used to carry out the procedure described procedural and is, for example, integrated in a control unit.
  • Figure 1 shows an embodiment of an electric machine with drive circuit according to the prior art.
  • Figure 2 shows the arrangement for carrying out the presented method.
  • FIG. 3 shows a further possible embodiment of the described arrangement.
  • FIG. 1 shows an electrical machine 10, which is controlled by an inverter 12.
  • the electric machine comprises a stator 20, a rotor 22 with Ro torwicklung 24 and a pulley 26.
  • the inverter 12 includes a half-bridge 30 with a number of high-side switches 32 and an equal number of low-side switches 34, a microcontroller 36, a first bridge driver 38, a second bridge driver 40, an exciter bridge 42, a Komparatorschal device 44 with a voltage divider 45, which includes a first resistor 46 and a second resistor 47, and a diode 48.
  • the intermediate circuit which is given, for example, by a capacity , is not shown in the illustration.
  • An intermediate circuit voltage 50 is connected between a first terminal 52 and a second terminal 54.
  • the illustration thus shows the schematic structure of the electronic control unit or to the inverter 12 in connection with the externally excited five-phase electric machine 10.
  • the half bridges 30 for driving the electric machine 10 are driven by bridge driver 38, 40, in turn, the PWM drive signal through received the microcontroller.
  • the intermediate circuit voltage 50 is monitored by the comparator circuit 44. If this voltage exceeds a defined limit, appropriate protective measures are initiated by the microcontroller 36.
  • Phase short circuit There are either all high-side switch 32 or all lowside switch 34, which are realized, for example.
  • MOSFETs By MOSFETs, the half-bridge 30 in the inverter 12 to control the electric machine 10 short-circuited. As a result, no energy is transmitted from the stator winding into the DC link of the inverter 12. Furthermore, the DC link voltage is limited by diodes 48. These become conductive above a certain voltage and thereby reduce the maximum DC link voltage 50 reached.
  • FIG. 2 shows a half-bridge 100 with five high-side switches 102 and five low-side switches 104, which are embodied, for example, as MOSFETs or IGBTs, a driver circuit 106, in this case a bridge driver, a microcontroller 108 and an evaluation unit 110 is formed as a comparator or compa ratorscnies with a voltage divider 112 with a first resistor 114 and a second resistor 116 and an operational amplifier 118 out. Between a first terminal 120 and a second terminal 122 is an intermediate circuit voltage 124 at.
  • Inputs of the operational amplifier 118 are a reference voltage 130 and a voltage value 132 of the voltage divider 112.
  • the operational amplifier 118 outputs an output signal 134 representing the output signal 134 of the evaluation unit 110.
  • the output 134 carries information as to whether an overvoltage exists or not. This output signal 134 is now more directly via a connection 140 to the driver circuit 106 gege ben. In this case, the output signal 134 of the evaluation unit 110 acts directly on an input signal 142 of the driver circuit 106.
  • As a countermeasure if an overvoltage is present in the intermediate circuit, at this output phase short circuit by either closing all the high side switches 102 or all the low side switches 104.
  • the output of the evaluation unit 110 in this case the voltage comparator, overwrites the PWM output signal of the microcontroller 108, so that a duty cycle of 100% of all low-side MOSFETs is set. This thus causes the phase short circuit as soon as an overvoltage has been detected by the comparator.
  • FIG. 3 shows a circuit arrangement 200 as a possible arrangement for carrying out the method presented here, by means of which a comparator can directly overwrite the PWM signal of a microcontroller in order to initiate a protective measure sufficiently quickly.
  • the circuit arrangement 200 comprises a voltage divider 202, a capacitor 204 for setting a low-pass filter 205, an operational amplifier 206, a resistor 208, which represents a hysteresis circuit 209 for setting a hysteresis, a transistor 210, a PWM output signal 212 of a microcontroller 214 and a Driver circuit 216, in this case a bridge driver.
  • a first terminal 220 and a second terminal 222 typically a ground terminal GND, is a bacteria Vietnamese crystal oscillity circuit.
  • the capacitance 204 and the resistor 208 are optional measures.
  • the circuit arrangement 200 in FIG. 3 enables PWM operation by the microcontroller 214 as long as the voltage at the tap of the voltage divider 202 does not exceed a reference voltage.
  • the clamping voltage limit GND is applied to the output of the operational amplifier 206, whereby the transistor 210 blocks and thereby the PWM signal is set to "low" ge.
  • the low pass filter 205 may be provided to prevent false triggering. This can be due to the very small distance of the voltage limit for Operating voltage range occurrences.
  • the hysteresis circuit 209 ensures that the phase short circuit is not canceled immediately after falling below the specified voltage limit again.
  • the interconnection of the comparator and the influence on the control of the circuit breaker for example.
  • the high-side switch and the low-side switch are highly dependent on the selected control of the respective inverter. Therefore, there are various ways to initiate the hardware short-circuit hardware directly through a comparator. Furthermore, for example, there is the possibility to bypass the bridge driver and through the evaluation unit, for example.
  • the comparator directly to influence the control terminal activation of the power switch.
  • phase short circuit it is conceivable in addition to the initiation of the phase short circuit to initiate by a hardware circuit as well as a de-energizing of the electric machine.
  • the presented method is particularly suitable for electrical machines, such as. Foreign-excited synchronous machine, which are set up for use in motor vehicle witnesses.
  • an application in an asynchronous machine is conceivable.
  • the controlled electric machine can be in generator mode or in engine mode.
  • the method and the arrangement can also be used as part of the boost recuperation system (BRS) in the electric machine, the so-called boost recuperation machine.
  • BRS boost recuperation system

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine über einen Inverter, der eine Anzahl von Schaltern (102, 104) umfasst, wobei die Schalter (102, 104) von einer Treiberschaltung (106) angesteuert werden, eine elektrische Größe des Inverters mit einer Auswerteeinheit (110) überwacht wird, um ein Überschreiten eines Schwellwerts zu erkennen, die Auswerteeinheit (110) ein Ausgangssignal (134) ausgibt, das eine Information zu der elektrischen Größe trägt, und wobei das Ausgangssignal (134) der Auswerteeinheit (110) unmittelbar auf die Schalter (102, 104) des Inverters wirkt, so dass bei Erkennen eines Überschreitens des Schwellwerts dieser elektrischen Größe eine Gegenmaßnahme eingeleitet wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern einer elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, die mit einer Wechselgröße zu ver sorgen ist bzw. eine solche liefert, wie bspw. eine Synchron- oder eine Asyn chronmaschine, werden sogenannte Inverter bzw. Wechselrichter verwendet, die die zur Ansteuerung der elektrischen Maschine benötigten elektrischen Ströme einstellen. Ein Inverter ist ein elektrisches Gerät, das einen Gleichstrom in einen Wechselstrom oder einen Wechselstrom in einen Gleichstrom umwandelt. Insbe sondere in Kraftfahrzeugen, in denen in vielen Fällen nur eine elektrische Gleich große zu Verfügung steht, werden solche Inverter häufig eingesetzt.
Elektrische Maschinen im Kraftfahrzeug, die über einen Inverter aktiv angesteu ert werden, verfügen üblicherweise über einen Überspannungsschutz, der die Zwischenkreisspannung des Inverters auf einen maximalen Wert beschränken soll. Ein Zwischenkreis ist laut Definition ein Energiespeicher zwischen zwei Wechselrichtern. In einem Inverter wird ein Energiespeicher ebenfalls als Zwi schenkreis bezeichnet.
Solche elektrische Maschinen mit entsprechenden Überspannungsschutzfunktio nen finden auf verschiedenen Spannungsebenen in Kraftfahrzeugen Anwen dung. Insbesondere im 48 V-Bordnetz, in dem die maximale Betriebsspannung 54 V beträgt, besteht dabei für die elektrische Maschine mit Inverter aufgrund des geringen Abstandes von 6 V die technische Herausforderung, die Berühr schutzspannung von 60 V im Fehlerfall einhalten zu können.
Unter einem Bordnetz ist insbesondere im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Generatoren oder elektrische Speicher, z. B. Batterien, umfasst. Im Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraft fahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausrei chende Stromversorgung sichergestellt ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreib bar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird. Gleichzeitig muss sichergestellt sein, dass die Bordnetzspannung nicht einen maximalen Wert überschreitet, da ansonsten Komponenten im Bordnetz beschädigt werden können.
Inverter umfassen typischerweise eine Anzahl von Schaltern, die bspw. in einer Halbbrücke oder Brücke angeordnet sind und über eine Treiberschaltung, die hier auch als Ansteuerung bezeichnet wird, gesteuert, d. h. ein- und ausgeschal tet bzw. geschlossen und geöffnet, werden. Bei bekannten Ansteuerungskonzep ten werden Brücken oder Halbbrücken zur Ansteuerung der elektrischen Maschi ne durch Brückentreiber angetrieben, die wiederum das PWM-Ansteuersignal durch einen Mikrocontroller erhalten.
Ein schematischer Aufbau einer elektronischen Ansteuereinheit in Zusammen hang mit einer fremderregten fünfphasigen elektrischen Maschine ist bspw. in Fi gur 1 gezeigt. Bei einer solchen Maschine wird die Zwischenkreisspannung durch eine Komparatorschaltung überwacht. Überschreitet diese Spannung ei nen definierten Grenzwert, so werden entsprechende Schutzmaßnahmen durch den Mikrocontroller eingeleitet. Dies ist erforderlich, da eine zu hohe Zwischen kreisspannung zu einer überhöhten Bordnetzspannung führen kann, was wiede rum eine Beschädigung oder gar Zerstörung von Komponenten in diesem Bord netz verursachen kann. Bei bekannten Verfahren sind Fehlerreaktionen bekannt, die durch den Mikro controller, der die Treiberschaltung ansteuert, eingeleitet werden, um die Über spannung zu begrenzen. So ist bekannt, mit einer Schnellentregung das Erreger feld schnell abzubauen, so dass keine Polradspannung mehr erzeugt wird, wodurch die Überspannung begrenzt wird. Weiterhin ist es bekannt, einen Pha senkurzschluss zu bewirken. So werden entweder alle Highside- oder alle Lowsi- de-MOSFETs der Halbbrücken im Inverter zur Ansteuerung der elektrischen Ma schine kurzgeschlossen, so dass keine Energie von der Ständerwicklung in den Zwischenkreis des Inverters übertragen wird. Weiterhin ist es bekannt, die Zwi schenkreisspannung durch Dioden zu begrenzen. Diese werden ab einer be stimmten Spannung leitend und reduzieren auf diese Weise die maximal erreich te Zwischenkreisspannung.
Elektrische Maschinen im 48 V-Bordnetz können bei bekannten Verfahren im Falle eines Lastabwurfs im System die Berührschutzspannung für einen kurzen Zeitraum, bspw. wenige Millisekunden, in den meisten Betriebssituationen nicht einhalten und erzeugen Spannungen von mehr als 60 V. Ein Grund dafür besteht darin, dass der Zeitraum bis zur Fehlererkennung zu groß ist. Weiterhin ist die Schnellentregung nicht ausreichend schnell, um das Erregerfeld vor Erreichen der Überspannung abzubauen. Zudem werden die Schnellentregung und der Phasenkurzschluss bei bekannten Verfahren durch eine elektronische Steuer einheit, typischerweise durch einen Mikrocontroller, ausgelöst. Durch die Verzö gerung des Mikrocontrollers ist es nicht möglich, den Phasenkurzschluss schnell genug einzuleiten. Bei Nutzung von Zenerdioden besteht das Problem, dass sich diese bei der Beanspruchung stark erhitzen und dadurch die Spannung an den Anschlussbolzen der Maschine weiter steigt. Zu beachten ist auch, dass die zeit lichen Anforderungen in diesem Bereich stetig steigen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anord nung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgestellt. Ausführungsformen erge ben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung. Das hierin vorgestellte Verfahren dient zum Ansteuern einer elektrischen Ma schine über einen Inverter, der eine Anzahl von Schaltern und typischerweise ei nen Zwischenkreis, in dem elektrische Energie gespeichert wird, umfasst, Dabei soll überwacht werden, ob eine elektrische Größe einen Schwellwert übersteigt und somit bspw. eine Überspannung vorliegt, um in diesem Fall eine Gegen maßnahme bzw. eine Schutzmaßnahme einleiten zu können. Diese besteht typi scherweise darin, einen Phasenkurzschluss herbeizuführen.
Als elektrische Größe kann bspw. die Gleichspannung über den Schaltern über wacht werden. Es kann auch die sogenannte Zwischenkreisspannung überwacht werden. Alternativ oder ergänzend kann auch die Phasenspannung zwischen den Schaltern, die DC-Stromflussänderung aus dem Inverter oder eine Phasen stromänderung oder eine vergleichbare Größe herangezogen werden. Es wird somit typischerweise eine physikalische Größe überwacht, die sich proportional zu der Spannung oder der Spannungsänderung der DC-Spannung verhält, wodurch eine Überspannung detektiert werden kann.
Bei dem Verfahren werden die Schalter von einer Treiberschaltung angesteuert und es wird die Überwachung der überwachten elektrischen Größe mittels einer Auswerteeinheit, bspw. mittels eines Komparators, durchgeführt. Diese Auswer teeinheit erkennt, bei einer Ausführung der Komparator bspw. durch Vergleich mit einer Referenzgröße oder Referenzspannung bzw. Schwellenspannung, ob eine Übergröße bzw. Überspannung, d. h. eine über einem Grenzwert liegende Größe bzw. Spannung, bspw. im Zwischenkreis vorliegt.
Die Auswerteeinheit gibt ein Ausgangssignal aus, das eine Information zu der Zwischenkreisspannung trägt. So kann das Signal bspw. die Information tragen, ob eine Überspannung vorliegt oder nicht. Das Ausgangssignal der Auswerteein heit wirkt unmittelbar auf die Schalter des Umrichters, bspw. vermittelt durch die Treiberschaltung. Unmittelbar bedeutet, dass die Information zu dem Vorliegen einer Überspannung nicht zunächst an den Mikrocontroller gegeben wird, der dann ein entsprechendes Ansteuersignal für die Treiberschaltung ausgibt. Unmit telbar bedeutet, dass das Ausgangssignal der Auswerteeinheit direkt an die Schalter oder deren Treiberschaltung weitergegeben wird. Dies kann bedeuten, dass das Ausgangssignal der Auswerteeinheit eine unmit telbare Wirkung auf ein Eingangssignal der Treiberschaltung, ein Ausgangssignal der Treiberschaltung oder auch auf die interne Funktion bzw. Funktionsweise der Treiberschaltung hat. So kann die Auswerteeinheit, bspw. der Komparator auch in der Treiberschaltung vorgesehen sein. Das Ausgangssignal beeinflusst dann unmittelbar die Abläufe in der Treiberschaltung bzw. deren Funktion.
Bei Erkennen eines Übersteigens des Schwellwerts, bspw. bei einer Überspan nung der Zwischenkreisspannung, wird eine Gegenmaßnahme eingeleitet. Diese besteht z. B. darin, dass ein Phasenkurzschluss herbeigeführt wird, indem etwa alle Highside- oder alle Lowside-Schalter einer Brücke oder Halbbrücke, die die Treiberschaltung darstellen können, geschlossen werden.
Das vorgestellte Verfahren kommt bspw. in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz, in dem eine elektrische Maschine betrieben wird. Das Verfahren ist aber auch in anderen Bereichen immer dann, wenn eine elektrische Maschine angesteuert wird, anwendbar.
Mit dem vorgestellten Verfahren wird nunmehr ermöglicht, die Fehlerreaktionszeit bei einem Überspannungsereignis deutlich zu verkürzen und somit die maximal erreichte Spannung der elektrischen Maschine zu reduzieren, um möglichst die Berührschutzspannung von 60 V nicht zu überschreiten. Weiterhin werden durch das Verfahren die derzeit für die Überspannungsschutzfunktion genutzten Zen erdioden im Inverter überflüssig.
Das vorgestellte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, die Einleitung des Pha senkurzschlusses als Fehlerreaktion des Inverters nicht über den Mikrocontroller einzuleiten, sondern direkt mit der Messung der Zwischenkreisspannung zu ver binden. Die primäre Einleitung der Schutzreaktion, wie z. B. des Phasenkurz schlusses, wird somit nur durch eine reine Hardwareschaltung realisiert, die den Mikrocontroller umgeht. Auf diese Weise lässt sich die Fehlerreaktionszeit deut lich reduzieren. Bisher benötigte Zenerdioden zur Reduzierung der maximalen Überspannung werden überflüssig, da das rechtzeitige Einleiten des Phasen kurzschlusses ausreichend ist. Die vorgestellte Vorrichtung dient zur Durchführung des beschriebenen Verfah rens und ist bspw. in einem Steuergerät integriert.
Das vorgestellte Verfahren und die beschriebene Vorrichtung haben, zumindest in einigen der Ausführungen, folgende vorteilhafte Wirkungen:
- Kostenreduzierung durch Entfall nicht mehr benötigter Komponenten zur Redu zierung der Überspannung, z. B. Zenerdioden,
- schnellere Fehlerreaktion und dadurch Reduzierung der maximal erreichten Spannung.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son dern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, oh ne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Ausführung einer elektrischen Maschine mit Ansteuerschaltung nach dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt die Anordnung zum Durchführen des vorgestellten Verfahrens.
Figur 3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der beschriebenen Anord nung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schema tisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Figur 1 zeigt eine elektrische Maschine 10, die mit einem Inverter 12 angesteuert wird. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator 20, einen Rotor 22 mit Ro torwicklung 24 sowie ein Riemenrad 26. Der Inverter 12 umfasst eine Halbbrücke 30 mit einer Anzahl an Highside-Schaltern 32 und einer gleichen Anzahl an Lowside-Schaltern 34, einen Mikrocontroller 36, einen ersten Brückentreiber 38, einen zweiten Brückentreiber 40, eine Erregerbrücke 42, eine Komparatorschal tung 44 mit einem Spannungsteiler 45, der einen ersten Widerstand 46 und einen zweiten Widerstand 47 umfasst, sowie eine Diode 48. Der Zwischenkreis, der bspw. durch eine Kapazität gegeben ist, ist in der Darstellung nicht gezeigt. Eine Zwischenkreisspannung 50 liegt zwischen einem ersten Anschluss 52 und einem zweiten Anschluss 54 an.
Die Darstellung zeigt somit den schematischen Aufbau der elektronischen An steuereinheit bzw. des Inverters 12 in Zusammenhang mit der fremderregten fünfphasigen elektrischen Maschine 10. Die Halbbrücken 30 zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 10 werden durch Brückentreiber 38, 40 angetrieben, die wiederum das PWM-Ansteuersignal durch den Mikrocontroller erhalten. Wie in Figur 1 dargestellt ist, wird die Zwischenkreisspannung 50 durch die Kompara torschaltung 44 überwacht. Überschreitet diese Spannung einen definierten Grenzwert, so werden entsprechende Schutzmaßnahmen durch den Mikrocon troller 36 eingeleitet.
Nach dem Stand der Technik werden vorwiegend folgende Fehlerreaktionen durch den Mikrocontroller 36 eingeleitet, um die Überspannung zu begrenzen:
Schnellentregung: Mithilfe der Schnellentregung wird das Erregerfeld sehr schnell abgebaut, so dass keine Polradspannung mehr erzeugt wird, wodurch die Überspannung begrenzt wird.
Phasenkurzschluss: Es werden entweder alle Highside-Schalter 32 oder alle Lowside-Schalter 34, die bspw. durch MOSFETs realisiert sind, der Halb brücke 30 im Inverter 12 zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 10 kurzgeschlossen. Dadurch wird keine Energie von der Ständerwicklung in den Zwischenkreis des Inverters 12 übertragen. Weiterhin wird die Zwischenkreisspannung durch Dioden 48 begrenzt. Diese werden ab einer bestimmten Spannung leitend und reduzieren dadurch die ma ximal erreichte Zwischenkreisspannung 50.
Im Gegensatz dazu wird hierin vorgeschlagen, bei Vorliegen einer Überspannung im Zwischenkreis unter Umgehung des Mikrocontrollers unmittelbar bzw. direkt eine Schutzmaßnahme einzuleiten. Dieses Vorgehen wird nachfolgend in Ver bindung mit Figur 2 erläutert.
Zu beachten ist, dass das vorgestellte Verfahren nachstehend vornehmlich in Verbindung mit der Überwachung einer Zwischenkreisspannung beschrieben wird. Dies stellt jedoch nur eine von vielen Möglichkeiten dar. Es wird grundsätz lich eine physikalische, insbesondere elektrische, Größe überwacht. Dies kann die Zwischenkreisspannung sein.
Figur 2 zeigt eine Halbbrücke 100 mit fünf Highside-Schaltern 102 und fünf Lowside-Schaltern 104, die bspw. als MOSFETs oder als IGBTs ausgebildet sind, eine Treiberschaltung 106, in diesem Fall einen Brückentreiber, einen Mik rocontroller 108 und eine Auswerteeinheit 110, die als Komparator bzw. Kompa ratorschaltung mit einem Spannungsteiler 112 mit einem ersten Widerstand 114 und einem zweiten Widerstand 116 und einem Operationsverstärker 118 ausge bildet ist. Zwischen einem ersten Anschluss 120 und einem zweiten Anschluss 122 liegt eine Zwischenkreisspannung 124 an.
Eingänge des Operationsverstärkers 118 sind eine Referenzspannung 130 und ein Spannungswert 132 des Spannungsteilers 112. Der Operationsverstärker 118 gibt ein Ausgangssignal 134 aus, das das Ausgangssignal 134 der Auswer teeinheit 110 darstellt. Das Ausgangssignal 134 trägt eine Information dazu, ob eine Überspannung vorliegt oder nicht. Dieses Ausgangssignal 134 wird nun mehr über eine Verbindung 140 unmittelbar zu der Treiberschaltung 106 gege ben. In diesem Fall wirkt das Ausgangssignal 134 der Auswerteeinheit 110 un mittelbar auf ein Eingangssignal 142 der Treiberschaltung 106. Als Gegenmaß nahme wird, wenn eine Überspannung im Zwischenkreis vorliegt, bei dieser Aus- führung ein Phasenkurzschluss herbeigeführt, indem entweder alle Highside- Schalter 102 oder alle Lowside-Schalter 104 geschlossen werden.
Bei dem vorgestellten Verfahren ist folglich grundsätzlich vorgesehen, dass ein Phasenkurzschluss nicht erst über den Mikrocontroller 108 eingeleitet wird.
Stattdessen überschreibt der Ausgang der Auswerteeinheit 110, in diesem Fall des Spannungskomparators, das PWM-Ausgangssignal des Mikrocontrollers 108, so dass ein Tastverhältnis von 100 % aller Lowside-MOSFETs eingestellt wird. Dies bewirkt somit den Phasenkurzschluss, sobald eine Überspannung durch den Komparator erkannt wurde.
Figur 3 zeigt eine Schaltungsanordnung 200 als mögliche Anordnung zum Durchführen des hierin vorgestellten Verfahrens, mit der durch einen Komparator direkt das PWM-Signal eines Mikrocontrollers überschrieben werden kann, um auf diese Weise ausreichend schnell eine Schutzmaßnahme einzuleiten.
Die Schaltungsanordnung 200 umfasst einen Spannungsteiler 202, eine Kapazi tät 204 zum Einstellen eines Tiefpassfilters 205, einen Operationsverstärker 206, einen Widerstand 208, der eine Hystereseschaltung 209 zum Einstellen einer Hysterese darstellt, einen Transistor 210, ein PWM-Ausgangssignal 212 eines Mikrocontrollers 214 und eine Treiberschaltung 216, in diesem Fall einen Brü ckentreiber. Zwischen einem ersten Anschluss 220 und einem zweiten Anschluss 222, typischerweise einem Masseanschluss GND, liegt eine Zwischenkreisspan nung 226 an. Die Kapazität 204 und der Widerstand 208 stellen optionale Maß nahmen dar.
Die Schaltungsanordnung 200 in Figur 3 ermöglicht einen PWM-Betrieb durch den Mikrocontroller 214, solange die Spannung am Abgriff des Spannungsteilers 202 eine Referenzspannung nicht überschreitet. Bei Überschreiten des Span nungsgrenzwerts liegt GND am Ausgang des Operationsverstärkers 206 an, wodurch der Transistor 210 sperrt und dadurch das PWM-Signal auf "low" ge setzt wird.
Der Tiefpassfilter 205 kann vorgesehen sein, um Fehlauslösungen zu verhindern. Dies kann aufgrund des sehr geringen Abstands des Spannungsgrenzwerts zum Betriebsspannungsbereich Vorkommen. Die Hystereseschaltung 209 sorgt dafür, dass der Phasenkurzschluss nicht sofort nach Unterschreiten der vorgegebenen Spannungsgrenze wieder aufgehoben wird.
Die Verschaltung des Komparators und die Einflussnahme auf die Ansteuerung der Leistungsschalter, bspw. der Highside-Schalter und der Lowside-Schalter, sind stark abhängig von der gewählten Ansteuerung des jeweiligen Inverters. Daher gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Phasenkurzschluss hardware technisch direkt durch einen Komparator einzuleiten. Weiterhin besteht bspw. die Möglichkeit, den Brückentreiber zu umgehen und durch die Auswerteeinheit, bspw. den Komparator direkt die Steueranschluss-Ansteuerung der Leistungs schalter zu beeinflussen.
Es ist neben der Einleitung des Phasenkurzschlusses denkbar, durch eine Hard ware-Schaltung ebenso eine Entregung der elektrischen Maschine einzuleiten.
Zu beachten ist, dass diese Maßnahme alleine ggf. nur wenige Vorteile gegen über Verfahren nach dem Stand der Technik aufweisen könnte.
Das vorgestellte Verfahren eignet sich insbesondere für elektrische Maschinen, wie bspw. fremderregte Synchronmaschine, die für einen Einsatz in Kraftfahr zeugen eingerichtet sind. Daneben ist auch ein Einsatz bei einer Asynchronma schine denkbar.
Die angesteuerte elektrische Maschine kann sich dabei im Generatorbetrieb oder im Motorbetrieb befinden.
Das Verfahren und die Anordnung können auch im Rahmen des Boost- Rekuperations-Systems (BRS) in der elektrischen Maschine, der sogenannten Boost-Rekuperations-Maschine, eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine über einen Inverter, der eine Anzahl von Schaltern (102, 104) umfasst, wobei die Schalter (102, 104) von einer Treiberschaltung (106, 216) angesteuert wer den, eine elektrische Größe des Inverters mit einer Auswerteeinheit (110) überwacht wird, um ein Überschreiten eines Schwellwerts zu erkennen, die Auswerteeinheit (110) ein Ausgangssignal (134) ausgibt, das eine Information zu der elektrischen Größe trägt, und wobei das Ausgangssignal (134) der Auswerteeinheit (110) unmittelbar auf die Schalter (102, 104) des Inverters wirkt, so dass bei Erkennen eines Überschreitens des Schwellwerts dieser elektrischen Größe eine Gegenmaßnahme eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als elektrische Größe eine Gleichspan nung über den Schaltern (102, 104) des Inverters überwacht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Ausgangssignal (134) der Auswerteeinheit (110) auf die Treiberschaltung (106, 216) der Schalter des Um richters wirkt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Ausgangssignal (134) der Auswer teeinheit (110) unmittelbar auf ein Eingangssignal (142) der Treiberschaltung (106, 216) wirkt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Ausgangssignal (134) der Auswer teeinheit (110) unmittelbar auf ein Ausgangssignal (134) der Treiberschaltung (106, 216) wirkt.
6. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Ausgangssignal (134) der Auswer teeinheit (110) unmittelbar auf die interne Funktion der Treiberschaltung (106, 216) wirkt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem als Auswerteeinheit (110) ein Komparator verwendet wird, der dazu eingerichtet ist, die erfasste elektrische Größe mit einer Referenzgröße zu vergleichen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem bei Vorliegen eines Überschreitens des Schwellwerts zusätzlich durch eine Hardware-Schaltung eine Entregung der elektrischen Maschine eingeleitet wird.
9. Anordnung zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, wobei die Anordnung (200) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ein gerichtet ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, die zusätzlich einen Tiefpassfilter (205) auf weist, mit dem ein Eingangssignal der Auswerteeinheit (110), welches die elektri sche Größe charakterisiert, zu filtern.
11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, die zusätzlich eine Hystereseschaltung (209) umfasst.
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