EP4158769A1 - Steuervorrichtung für einen stromrichter, elektrisches antriebssystem und verfahren zum einstellen eines sicheren betriebszustandes - Google Patents

Steuervorrichtung für einen stromrichter, elektrisches antriebssystem und verfahren zum einstellen eines sicheren betriebszustandes

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Publication number
EP4158769A1
EP4158769A1 EP21722858.4A EP21722858A EP4158769A1 EP 4158769 A1 EP4158769 A1 EP 4158769A1 EP 21722858 A EP21722858 A EP 21722858A EP 4158769 A1 EP4158769 A1 EP 4158769A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
speed
drive system
designed
safe operating
converter
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP21722858.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Raichle
Thomas Knorpp
Thomas Merkel
Volker Gilgenbach
Manfred Kirschner
Edwin Eberlein
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4158769A1 publication Critical patent/EP4158769A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • H02P3/00—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters
    • H02P3/06—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter
    • H02P3/18—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • 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
    • H02H7/08—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 motors
    • 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
    • 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
    • H02P3/00—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters
    • H02P3/06—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter
    • H02P3/18—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor
    • H02P3/22—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor by short-circuit or resistive braking
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • 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 control device for a converter, an electrical drive system and a method for setting a safe operating state in an electrical drive system.
  • Electric drive systems are becoming increasingly important.
  • electrical drive systems are found in wholly or at least partially electrically driven vehicles.
  • it is necessary to set a safe operating state in the event of an error, in particular in the event of an error in the control of the converter in such a drive system.
  • An active short circuit or a so-called freewheel, for example, are known as such safe operating states.
  • phase connections of the electrical machine are electrically short-circuited by means of the switching elements in the converter.
  • all switching elements of the converter can be opened so that the phase connections of the electrical machine are not electrically connected to one another.
  • the document DE 102011 081 173 A1 describes an operating state circuit for inverters and a method for setting operating states in an inverter. In this case, it is proposed in particular to switch to freewheeling as a safe operating state in the inverter if a speed of the electrical machine is less than a predetermined speed threshold value, and to switch the inverter to an active short circuit if the determined Speed of the electrical machine is greater than or equal to a predetermined threshold speed.
  • the present invention discloses a control device for a converter in an electric drive system, an electric drive system and a method for setting a safe operating state in an electric drive system with the features of the independent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the first control path and the second control path are each designed to set a safe operating state in the converter of the electrical drive system.
  • the first control path comprises a first safety device.
  • the first safety device is designed to determine a speed of the electrical machine of the electrical drive system.
  • the first safety device is designed to use the determined speed of the electrical machine to set either an active short circuit or a freewheeling in the converter.
  • the second control path comprises a second safety device.
  • the second safety device is designed to determine the speed of the electrical machine in the electrical drive system.
  • the second safety device is designed to use the speed of the electrical machine determined by the second safety device to set either an active short circuit or a freewheeling in the converter.
  • An electrical drive system with an electrical machine, a converter which is designed to control the electrical machine, and a control device according to the invention for the converter.
  • a method for setting a safe operating state in an electric drive system comprises a first determination of a rotational speed of an electrical machine of the electrical drive system and a first setting of a safe operating state in the electrical machine by means of a first control path.
  • the safe operating state is set using the determined speed. Depending on the determined speed, either an active short circuit or a freewheel is set in the converter of the electrical drive system.
  • the method includes a second determination of a speed of the electrical machine of the electrical drive system and a second setting of a safe operating state in the electrical machine.
  • the second determination of the speed and the second setting of the safe operating state takes place here by means of a second control path. Analogous to the first setting of the safe operating state, the second setting of the safe operating state also takes place using the determined speed, either an active short circuit or a freewheeling in the converter of the electrical drive system being set.
  • the present invention is based on the knowledge that, depending on a speed of the electrical machine in an electrical drive system, different safe operating states are advantageous. Therefore, a speed-dependent selection of the respectively suitable safe operating state can be advantageous.
  • a further finding of the present invention is that, in the event of a fault in a conventional system, there may not be sufficient information about the speed of the electrical machine, or the speed information cannot be evaluated in a suitable manner. It is therefore an idea of the present invention to take this knowledge into account and to further improve the safety and reliability of an electric drive system, in particular for setting speed-dependent safe operating states.
  • it is provided to implement a speed-dependent setting of safe operating states by means of two separate control paths.
  • the two control paths here form two redundant control paths for a speed-dependent setting of safe operating states. In this way, the respectively suitable safe operating state can also be reliably set if an error occurs in one of the two control paths.
  • a suitable safe operating state can also be set if an error occurs in one of the two control paths. In this way it can be ensured, for example, that dangerous voltage increases in the electric drive system are avoided. The occurrence of undesirably high electrical currents can also be avoided by a suitable choice of the respective safe operating state.
  • a redundant implementation of speed-dependent safe operating states can also prevent an operating state from being set which would possibly result in an undesirably high deceleration torque.
  • the first safety device and / or the second safety device are designed to set an active short circuit in the converter if the determined speed of the electrical machine exceeds a first threshold value.
  • the respective safety devices can set a freewheel if the determined speed of the electrical machine falls below a second threshold value.
  • the second threshold value can be greater than the first threshold value.
  • An active short circuit can lead to an active braking torque of the electrical machine.
  • Such a braking torque can lead to strong deceleration, especially at low speeds, which can lead to loss of traction and thus dangerous driving situations in electric vehicles, for example.
  • undesirably high voltage peaks can occur at higher speeds in freewheeling, which can lead to dangerous states within the drive system, in particular within the voltage converter.
  • the control device is designed to control a converter with a plurality of half bridges.
  • a half-bridge with an upper switching element and a lower switching element will be provided in the converter for each phase of an electrical machine.
  • the first safety device and the second safety device can be designed to control the switching elements in the individual half bridges using phase currents in the corresponding phases in order to set a freewheel.
  • the phase currents in the individual phases can be recorded and monitored.
  • the individual switching elements can be activated at a zero crossing or near the zero crossing of the corresponding phase current, the activation for setting a freewheel including in particular opening the switching elements in the corresponding half bridge.
  • the first safety device and / or the second safety device are designed to control the switching elements in the individual half bridges using phase voltages in the corresponding phases in order to set an active short circuit.
  • the corresponding switching elements can be switched on at a phase angle at which the current would also be taken over in steady-state operation by the corresponding switching element. In this way, an excessive increase in the phase current with a correspondingly high load on the respective switch can be avoided.
  • a recorded voltage-time area of the respective phase can be taken into account for determining a suitable point in time for controlling the respective switching elements.
  • the switching elements can be switched in a half-bridge when the voltage-time area of the corresponding phase reaches half of its maximum value. If necessary, it can be switched earlier as this has no influence due to the negative current direction.
  • the first safety device is designed to verify the determined speed of the electrical machine using the speed determined by the second safety device.
  • the redundant detection of the speed of the electrical machine by means of the first safety device and the second safety device thus enables a functional test of the individual components during operation.
  • a malfunction of the speed determination can be realized by comparing the speeds determined in the safety devices.
  • the second safety device can also verify the determined speed using the speed determined by the first safety device.
  • the first control path is designed to be fed from a low-voltage side of the electric drive system.
  • the second control path can be designed to be fed from a high-voltage side of the electric drive system. In this way, a high degree of independence between the two control paths can be achieved. For example, even in the event of a failure of the supply voltage on the low-voltage side and thus a complete failure of the first control path, a safe operating state, in particular a speed-dependent safe operating state, can still be set by means of the second control path.
  • the second safety device is designed to set the freewheel as a safe operating state, if a The intermediate circuit voltage of the converter falls below a predetermined first threshold voltage.
  • freewheeling can be selected as the safe operating state even if an active short circuit should be selected on the basis of the determined speed. In this way, the intermediate circuit voltage can be increased by briefly setting the freewheeling and thus an energy supply of the second control path can be ensured.
  • the second safety device is designed to set the active short circuit as a safe operating state if the intermediate circuit voltage of the converter exceeds a predetermined second threshold voltage and the determined speed is greater than the first threshold value.
  • the second threshold voltage can be set in such a way that the intermediate circuit voltage is always lower than an electrical voltage of an energy source that can be connected to the intermediate circuit capacitor, for example the traction battery of an electric vehicle.
  • the second safety device is designed to determine the speed of the electrical machine during the active short circuit using forward voltages through the switching elements in the converter.
  • the flow voltage of switching elements can be used here which set the active short circuit, that is to say which are closed during the active short circuit. The speed of the electrical machine can thus be determined on the high-voltage side without additional components.
  • the second safety device is designed to determine the speed of the electrical machine during freewheeling using at least two phase voltages of the electrical machine.
  • at least two phase voltages can be evaluated in relation to a predefined reference potential.
  • the speed of the electrical machine can be determined on the high-voltage side without additional components, even during freewheeling.
  • FIG. 1 a schematic representation of a block diagram of an electric drive system according to an embodiment
  • FIG. 2 a schematic representation of the course of a braking torque over the speed during an active short circuit
  • Figure 3 a schematic representation of a block diagram of a
  • Safety device for a control device according to one embodiment
  • FIG. 4 a flowchart on the basis of a method for setting a safe operating state according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a block diagram of an electric drive system according to an embodiment.
  • the electric drive system can be, for example, the electric drive system of a completely or at least partially electrically driven vehicle.
  • the electric drive system can be powered by an electric energy store 1, for example a traction battery of an electric vehicle be fed.
  • the energy provided by the electrical energy store 1 can be provided at the input connection of a converter arrangement 2, if necessary via a battery disconnect switch 1 a.
  • the converter arrangement 2 can comprise, for example, an inverter 30 with a plurality of switching elements.
  • an intermediate circuit capacitor 31 can be provided at the input connection of the inverter 30.
  • An output connection of the converter arrangement 2, in particular at the output connection of the inverter 30, can be connected to an electrical machine 3.
  • the arrangement shown here with a three-phase electrical machine 3 serves only as an example for a better understanding. Of course, electrical machines 3 with any other number of electrical phases are also possible.
  • the inverter 30 can, for example, comprise a half-bridge with an upper switching element H1, H2, H3 and a lower switching element LI, L2, L3 for each phase of the electrical machine 3.
  • the inverter 30, in particular the switching elements in the inverter 30, can be activated by means of activation signals from a control device in a first activation path 10.
  • target value specifications and possibly also sensor signals from operating variables of the drive system can be received in the control device.
  • the control device can generate suitable control signals for controlling the upper switching elements Hl, H2, H3 and the lower switching elements LI, L2 and L3.
  • the control device in the first control path 10 can be, for example, a main computer which sends the required operating parameters during the operation of the electric drive system and generates the suitable control signals for controlling the inverter 30.
  • This safe operating state can be a so-called freewheel, for example, in which all switching elements Hl, H2, H3 and LI, L2, L3 des Inverter 30 are open.
  • a so-called active short circuit can be set as a safe operating state, in which the phase connections of the electrical machine 3 are electrically connected to one another by means of the upper switching elements Hl, H2, H3 or the lower switching elements LI, L2, L3.
  • the selection of whether the safe operating state is set to freewheeling or active short-circuit can be established as a function of the current speed of the electrical machine 3.
  • a first safety device 11 can be provided in the first control path 10, which device determines the speed of the electrical machine 3. This determined speed can be used to decide whether the active short circuit or the freewheel should be set as a safe operating state.
  • a threshold value can be set for the speed, and if the speed exceeds this threshold value, the active short circuit is set as the safe operating state. Below this threshold value, freewheeling can be set as a safe operating state.
  • a hysteresis can be provided for the change between active short-circuit and freewheeling.
  • a first threshold value nl can be provided, and when it is exceeded, there is a change from freewheeling to active short-circuit.
  • a second threshold value n2 can be provided, which, if it is undershot, changes from the active short circuit to freewheeling.
  • the speed for the first threshold value n1 can be smaller than the speed for the second threshold value n2.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram for the course of a braking torque M of the electrical machine 3 as a function of the speed n during an active short circuit.
  • the active short circuit can cause a strong braking torque, especially at low speeds.
  • a strong braking torque can, for example, lead to a loss of traction between the wheels and the road in electric vehicles.
  • the active short-circuit is only set at higher speeds, while at lower speeds, the safe operating state is freewheeling is set.
  • an above-described hysteresis can be provided between the speed for the first threshold value n1 and the speed for the second threshold value n2.
  • either the first threshold value n1 or the second threshold value n2 can be used to decide whether the active short circuit or the freewheel should be set.
  • any other approaches for example with a speed in the range between n1 and n2, are basically also possible.
  • the electrical voltages and currents in the inverter 30, in particular at the switching elements Hl, H2, H3, LI, L2, L3 can be taken into account will.
  • a point in time can be provided for the opening or closing of the individual switching elements, which in a suitable manner avoids an excessive increase in electrical voltages and / or currents.
  • first control path 10 for controlling the inverter 30, the setting of the safe operating state and in particular the speed-dependent change between active short-circuit and freewheeling can only be implemented by the first safety device 11.
  • an additional component can optionally be provided which, in the event of a complete failure of the first control path 10, sets a fixed, predetermined safe operating state, for example an active short circuit. In this case, however, if the first control path 10 fails, no speed-dependent setting of the safe operating state would be possible.
  • a second control path 20 with a second safety device 21 is provided.
  • This second safety device 21 can also determine the speed of the electrical machine 3 and, if necessary, in particular in the event of a fault, a speed-dependent, safe operating state in the converter arrangement 2, in particular in the inverter 30.
  • the concept of the speed-dependent setting of a safe operating state largely corresponds to the previously described approach for setting the freewheeling or the active short-circuit as a function of the current speed of the electrical machine 3.
  • the first control path 10 can be fed, for example, from a low-voltage network.
  • a low-voltage network is, for example, a voltage supply that is separate from or independent of the energy source 1.
  • the voltage level of the low-voltage network can be lower than the voltage level of a high-voltage network with the energy source 1, which feeds the electric drive system.
  • the second control path 20 can be fed, for example, from the high-voltage side of the electric drive system. In this way, even in the event of a failure or a fault on the low-voltage side of the electric drive system, a safe operating state can still be set by means of the second safety device 21 in the second control path 20.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a block diagram of a safety device 20 according to an embodiment.
  • the safety device 21 can, for example, detect the electrical voltages U_ph at the phase connections of the electrical machine 3.
  • a first evaluation device 22 can evaluate these phase voltages U_ph, in particular in freewheeling, and determine the speed of the electrical machine 3 using the phase voltage U_ph. Furthermore, the phase currents l_ph at the second safety device
  • a second evaluation device 21 For example, a second evaluation device
  • the rotational speed determined by the first evaluation device 22 and / or the second evaluation device 23 can be made available to a processing device 25.
  • the processing device 25 can thus determine a suitable safe operating state in each case as a function of the rotational speed and, if necessary, control the switching elements Hl, H2, H3, LI, L2, L3 in the inverter 30 accordingly.
  • the intermediate circuit capacitor 31 at the input of the inverter 30 can discharge over time, especially in the event of an active short circuit. There is thus the risk that if the intermediate circuit capacitor 31 is discharged too deeply, there is no longer sufficient energy available to supply the safety device 21 in the second control path 20.
  • the safety device 21 can therefore monitor the intermediate circuit voltage U_ZK of the intermediate circuit capacitor 31 in the second control path 20. If the intermediate circuit voltage U_ZK at the intermediate circuit capacitor 31 falls below a predefined threshold voltage, it is possible to briefly switch to freewheeling even at high speeds. As a result, the intermediate circuit capacitor 31 can be charged further.
  • the second threshold voltage should preferably be lower than the electrical voltage that is provided by the electrical energy store 1.
  • a voltage can be selected as the voltage value for the change from active short circuit to freewheeling which corresponds to the pole wheel voltage in freewheeling at the switchover point for the speed-dependent safe state.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a flow chart for a method for setting a safe operating state in an electric drive system.
  • the method can in principle comprise any steps, as have already been described above in connection with the electric drive system.
  • the electric drive system, in particular the control device can also include any suitable components, as will be described below in connection with the method.
  • the method comprises two parallel steps S1 and S2.
  • Step S1 is carried out by a first control path 10, and step S2 is carried out by a second control path 20.
  • the first control path 10 can be fed from a low-voltage network
  • the second control path 20 can be fed from a high-voltage network.
  • a rotational speed of the electrical machine 3 is determined Sil.
  • step S12 a safe operating state of the electrical machine can be set.
  • the safe operating state can be set as a function of the speed, that is, using the determined speed.
  • an active short circuit or freewheeling can be set in the converter of the electrical drive system as a function of the determined speed.
  • step S2 comprises a step S21 for determining the rotational speed of the electrical machine and a step S22 for setting a safe operating state.
  • the safe operating state can be set using the speed determined in step S21, with either a free-wheeling or an active short-circuit being able to be set as the safe operating state, depending on the speed.
  • the present invention relates to the setting of a speed-dependent safe operating state.
  • two redundant control paths are provided, each of which can set either an active short circuit or a freewheel as a safe operating state, depending on the speed. In this way, a speed-dependent safe operating state can still be set completely even if a control path fails.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft das Einstellen eines drehzahlabhängigen sicheren Betriebszustandes. Hierzu sind zwei redundante Ansteuerpfade vorgesehen, welche jeweils drehzahlabhängig entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf als sicheren Betriebszustand einstellen können. Auf diese Weise kann auch beim Ausfall eines Ansteuerpfads weiterhin vollständig ein drehzahlabhängiger sicherer Betriebszustand eingestellt werden.

Description

Beschreibung
Titel
Steuervorrichtung für einen Stromrichter, elektrisches Antriebssystem und
Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Stromrichter, ein elektrisches Antriebssystem sowie ein Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in einem elektrischen Antriebssystem.
Stand der Technik
Elektrische Antriebssysteme gewinnen zunehmend an Bedeutung. Insbesondere finden sich elektrische Antriebssysteme in ganz- oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Aus Sicherheitsgründen ist es dabei erforderlich, in einem Fehlerfall, insbesondere bei einem Fehler in der Ansteuerung des Stromrichters in einem solchen Antriebssystem, einen sicheren Betriebszustand einzustellen. Als solche sichere Betriebszustände sind beispielsweise ein aktiver Kurzschluss oder ein sogenannter Freilauf bekannt.
Bei einem aktiven Kurzschluss werden mittels der Schaltelemente in dem Stromrichter die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine elektrisch kurzgeschlossen. Bei einem Freilauf dagegen können alle Schaltelemente des Stromrichters geöffnet werden, so dass die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine elektrisch nicht miteinander verbunden sind.
Die Druckschrift DE 102011 081 173 Al beschreibt eine Betriebszustandsschaltung für Wechselrichter sowie ein Verfahren zum Einstellen von Betriebszuständen in einem Wechselrichter. Hierbei wird insbesondere vorgeschlagen, als sicheren Betriebszustand in dem Wechselrichter einen Freilauf zu schalten, wenn eine Drehzahl der elektrischen Maschine kleiner als ein vorbestimmter Drehzahlschwellwert ist, und den Wechselrichter in einen aktiven Kurzschluss zu schalten, wenn die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine größer oder gleich einer vorbestimmten Schwellwertdrehzahl ist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Steuervorrichtung für einen Stromrichter in einem elektrischen Antriebssystem, ein elektrisches Antriebssystem sowie ein Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in einem elektrischen Antriebssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Steuervorrichtung für einen Stromrichter in einem elektrischen Antriebssystem mit einem ersten Ansteuerpfad und einem zweiten Ansteuerpfad. Der erste Ansteuerpfad und der zweite Ansteuerpfad sind dabei jeweils dazu ausgelegt, in dem Stromrichter des elektrischen Antriebssystems einen sicheren Betriebszustand einzustellen. Der erste Ansteuerpfad umfasst eine erste Sicherheitseinrichtung. Die erste Sicherheitseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Drehzahl der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems zu ermitteln. Weiterhin ist die erste Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, unter Verwendung der ermittelten Drehzahl der elektrischen Maschine entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in dem Stromrichter einzustellen. Der zweite Ansteuerpfad umfasst eine zweite Sicherheitseinrichtung. Die zweite Sicherheitseinrichtung ist dazu ausgelegt, die Drehzahl der elektrischen Maschine in dem elektrischen Antriebssystem zu ermitteln. Weiterhin ist die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, unter Verwendung der durch die zweite Sicherheitseinrichtung ermittelten Drehzahl der elektrischen Maschine entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in dem Stromrichter einzustellen.
Weiterhin ist vorgesehen: Ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, einem Stromrichter, der dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine anzusteuern, sowie einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung für den Stromrichter.
Schließlich ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in einem elektrischen Antriebssystem. Das Verfahren umfasst ein erstes Ermitteln einer Drehzahl einer elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems und ein erstes Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in der elektrischen Maschine mittels eines ersten Ansteuerpfades. Das Einstellen des sicheren Betriebszustandes erfolgt hierbei unter Verwendung der ermittelten Drehzahl. Dabei wird abhängig von der ermittelten Drehzahl entweder ein aktiver Kurzschluss oder ein Freilauf in dem Stromrichter des elektrischen Antriebssystems eingestellt. Ferner umfasst das Verfahren ein zweites Ermitteln einer Drehzahl der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems und ein zweites Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in der elektrischen Maschine. Das zweite Ermitteln der Drehzahl und das zweite Einstellen des sicheren Betriebszustandes erfolgt hierbei mittels eines zweiten Ansteuerpfades. Analog zu dem ersten Einstellen des sicheren Betriebszustandes erfolgt auch das zweite Einstellen des sicheren Betriebszustandes unter Verwendung der ermittelten Drehzahl, wobei entweder ein aktiver Kurzschluss oder ein Freilauf in dem Stromrichter des elektrischen Antriebssystems eingestellt wird.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass abhängig von einer Drehzahl der elektrischen Maschine in einem elektrischen Antriebssystem unterschiedliche sichere Betriebszustände vorteilhaft sind. Daher kann eine drehzahlabhängige Auswahl des jeweils geeigneten sicheren Betriebszustandes vorteilhaft sein. Es ist eine weitere Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, dass im Fehlerfall eines konventionellen Systems gegebenenfalls keine ausreichenden Informationen über die Drehzahl der elektrischen Maschine vorliegen können, oder die Auswertung der Drehzahlinformationen nicht in geeigneter Weise erfolgen kann. Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und die Sicherheit und Zuverlässigkeit eines elektrischen Antriebssystems, insbesondere für das Einstellen drehzahlabhängiger sicherer Betriebszustände weiter zu verbessern. Hierzu ist es vorgesehen, ein drehzahlabhängiges Einstellen von sicheren Betriebszuständen mittels zwei separaten Ansteuerpfaden zu implementieren. Die beiden Ansteuerpfade bilden hierbei zwei redundante Ansteuerpfade für ein drehzahlabhängiges Einstellen von sicheren Betriebszuständen. Auf diese Weise kann der jeweils geeignete sichere Betriebszustand auch dann zuverlässig eingestellt werden, falls in einem der beiden Ansteuerpfade ein Fehler auftritt.
Durch das redundante Realisieren von drehzahlabhängigen sicheren Betriebszuständen kann auch dann ein jeweils geeigneter sicherer Betriebszustand eingestellt werden, wenn in einem der beiden Ansteuerpfade ein Fehlerfall auftritt. Auf diese Weise kann beispielsweise sichergestellt werden, dass gegebenenfalls gefährliche Spannungsüberhöhungen in dem elektrischen Antriebssystem vermieden werden. Auch das Auftreten von unerwünscht hohen elektrischen Strömen kann durch eine geeignete Wahl des jeweiligen sichern Betriebszustandes vermieden werden. Darüber hinaus kann durch eine redundante Implementierung von drehzahlabhängigen sicheren Betriebszuständen auch verhindert werden, dass ein Betriebszustand eingestellt wird, der gegebenenfalls ein unerwünscht hohes Verzögerungsmoment ergeben würde.
Die redundante drehzahlabhängige Auswahl und Einstellung von sicheren Betriebszuständen, führt somit zu einer gesteigerten Sicherheit. Darüber hinaus können gefährliche Spannungs- bzw. Stromspitzen vermieden werden, die zu einer Zerstörung oder zumindest vorzeitigen Alterung der betroffenen Komponenten führen würde.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Sicherheitseinrichtung und/oder die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, in dem Stromrichter einen aktiven Kurzschluss einzustellen, falls die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine einen ersten Schwellwert überschreitet. Zusätzlich oder alternativ können die jeweiligen Sicherheitseinrichtungen einen Freilauf einstellen, falls die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine einen zweiten Schwellwert unterschreitet. Insbesondere kann der zweite Schwellwert größer sein als der erste Schwellwert. Auf diese Weise kann eine Hysterese zwischen dem Wechsel von Freilauf und aktiven Kurzschluss realisiert werden. Ein aktiver Kurzschluss kann zu einem aktiven Bremsmoment der elektrischen Maschine führen. Ein solches Bremsmoment kann insbesondere bei niedrigen Drehzahlen zu einer starken Verzögerung führen, was beispielsweise bei Elektrofahrzeugen zu Verlusten der Traktion und somit gefährlichen Fahrsituationen führen kann. Andererseits können bei höheren Drehzahlen im Freilauf unerwünscht hohe Spannungsspitzen auftreten, die zu gefährlichen Zuständen innerhalb des Antriebssystems, insbesondere innerhalb des Spannungswandlers, führen können.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, einen Stromrichter mit mehreren Halbbrücken anzusteuern. In der Regel wird in dem Stromrichter für jede Phase einer elektrischen Maschine eine Halbbrücke mit einem oberen Schaltelement und einem unteren Schaltelement vorgesehen sein. Hierbei können die erste Sicherheitseinrichtung sowie die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt sein, für das Einstellen eines Freilaufs die Schaltelemente in den einzelnen Halbbrücken unter Verwendung von Phasenströmen in den korrespondierenden Phasen anzusteuern. Diese Weise kann sichergestellt werden, dass beim Übergang in den Freilauf auch bei einer fehlenden Verbindung zu einer elektrischen Energiequelle, wie beispielsweise der Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug, es zu keiner kurzfristigen Überspannung in dem Zwischenkreiskondensators des Stromrichters kommt. Beispielsweise können die Phasenströme in den einzelnen Phasen erfasst und überwacht werden. Somit können die einzelnen Schaltelemente bei einem Nulldurchgang oder nahe des Nulldurchgangs des entsprechenden Phasenstroms angesteuert werden, wobei das Ansteuern für das Einstellen eines Freilaufs insbesondere das Öffnen der Schaltelemente in der entsprechenden Halbbrücke umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Sicherheitseinrichtung und/oder die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, für das Einstellen eines aktiven Kurzschlusses die Schaltelemente in den einzelnen Halbbrücken unter Verwendung von Phasenspannungen in den korrespondierenden Phasen anzusteuern. Beispielsweise können die entsprechenden Schaltelemente zu einem Phasenwinkel eingeschaltet werden, bei welchem auch in einem stationären Betrieb durch das entsprechende Schaltelement der Strom übernommen würde. Hierdurch kann eine zu starke Überhöhung des Phasenstroms mit einer entsprechend starken Belastung des jeweiligen Schalters vermieden werden. Insbesondere kann für die Ermittlung eines geeigneten Zeitpunkts zum Ansteuern der jeweiligen Schaltelemente eine erfasste Spannungszeitfläche der jeweiligen Phase berücksichtigt werden. So können zum Beispiel die Schaltelemente in einer Halbbrücke geschalten werden, wenn die Spannungszeitfläche der entsprechenden Phase die Hälfte ihres Maximalwertes erreicht. Gegebenenfalls kann auch früher geschalten werden, da dies aufgrund der negativen Stromrichtung keinen Einfluss hat.
Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine unter Verwendung der von der zweiten Sicherheitseinrichtung ermittelten Drehzahl zu verifizieren. Das redundante Erfassen der Drehzahl der elektrischen Maschine mittels der ersten Sicherheitseinrichtung und der zweiten Sicherheitseinrichtung ermöglicht somit während des Betriebs eine Funktionsprüfung der einzelnen Komponenten. Insbesondere kann beispielsweise eine Fehlfunktion der Drehzahlermittlung durch Vergleich der in den Sicherheitseinrichtungen ermittelten Drehzahlen realisiert werden. Selbstverständlich kann auch die zweite Sicherheitseinrichtung die ermittelte Drehzahl unter Verwendung der durch die erste Sicherheitseinrichtung ermittelten Drehzahl verifizieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Ansteuerpfad dazu ausgelegt, von einer Niedervoltseite des elektrischen Antriebssystems gespeist zu werden. Der zweite Ansteuerpfad kann dazu ausgelegt sein, von einer Hochvoltseite des elektrischen Antriebssystems gespeist zu werden. Auf diese Weise kann eine hohe Unabhängigkeit der beiden Ansteuerpfade realisiert werden. Beispielsweise kann auch bei einem Ausfall der Versorgungsspannung auf der Niedervoltseite und somit einen vollständigen Ausfall des ersten Ansteuerpfades weiterhin mittels des zweiten Ansteuerpfades ein sicherer Betriebszustand, insbesondere ein drehzahlabhängiger sicherer Betriebszustand eingestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, als sicheren Betriebszustand den Freilauf einzustellen, falls eine Zwischenkreisspannung des Stromrichters eine vorgegebene erste Schwellspannung unterschreitet. Insbesondere kann selbst dann als sicherer Betriebszustand der Freilauf gewählt werden, wenn aufgrund der ermittelten Drehzahl ein aktiver Kurzschluss gewählt werden sollte. Auf diese Weise kann durch kurzzeitiges Einstellen des Freilaufs die Zwischenkreisspannung erhöht werden und somit eine Energieversorgung des zweiten Ansteuerpfades gewährleistet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, als sicheren Betriebszustand den aktiven Kurzschluss einzustellen, falls die Zwischenkreisspannung des Stromrichters eine vorgegebene zweite Schwellspannung überschreitet und die ermittelte Drehzahl größer ist als der erste Schwellwert. Hierdurch können gefährliche Spannungsüberhöhungen an dem Zwischenkreiskondensator vermieden werden. Insbesondere kann die zweite Schwellspannung derart eingestellt werden, dass die Zwischenkreisspannung stets kleiner ist als eine elektrische Spannung einer Energiequelle, welche mit dem Zwischenkreiskondensator verbindbar ist, beispielsweise der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, die Drehzahl der elektrischen Maschine während des aktiven Kurzschlusses unter Verwendung von Durchflussspannungen durch die Schaltelemente in dem Stromrichter zu ermitteln. Insbesondere kann hierbei die Durchflussspannung von Schaltelementen herangezogen werden, welche den aktiven Kurzschluss einstellen, das heißt welche während des aktiven Kurzschlusses geschlossen sind. Somit kann hochvoltseitig die Drehzahl der elektrischen Maschine ohne zusätzliche Komponenten ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, die Drehzahl der elektrischen Maschine während des Freilaufs unter Verwendung von mindestens zwei Phasenspannungen der elektrischen Maschine zu ermitteln. Insbesondere können mindestens zwei Phasenspannungen in Bezug auf ein vorgegebenes Bezugspotential ausgewertet werden. Somit kann auch während des Freilaufs die Drehzahl der elektrischen Maschine hochvoltseitig ohne zusätzliche Komponenten ermittelt werden. Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2: eine schematische Darstellung des Verlaufs eines Bremsmoments über die Drehzahl während eines aktiven Kurzschlusses;
Figur 3: eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer
Sicherheitseinrichtung für eine Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
Figur 4: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform. Bei dem elektrischen Antriebssystem kann es sich beispielsweise um das elektrische Antriebssystem eines ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs handeln. Das elektrische Antriebssystem kann von einem elektrischen Energiespeicher 1, beispielsweise einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs gespeist werden. Die von dem elektrischen Energiespeicher 1 bereitgestellte Energie kann, gegebenenfalls über einen Batterietrennschalter la, am Eingangsanschluss einer Stromrichteranordnung 2 bereitgestellt werden. Die Stromrichteranordnung 2 kann beispielsweise einen Wechselrichter 30 mit mehreren Schaltelementen umfassen. Am Eingangsanschluss des Wechselrichters 30 kann beispielsweise ein Zwischenkreiskondensator 31 vorgesehen sein. Ein Ausgangsanschluss der Stromrichteranordnung 2, insbesondere am Ausgangsanschluss des Wechselrichters 30 kann eine elektrische Maschine 3 angeschlossen sein. Die hier dargestellte Anordnung mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine 3 dient dabei nur als Beispiel für ein besseres Verständnis. Selbstverständlich sind auch elektrische Maschinen 3 mit einer beliebigen anderen Anzahl von elektrischen Phasen möglich.
Der Wechselrichter 30 kann beispielsweise für jede Phase der elektrischen Maschine 3 eine Halbbrücke mit einem oberen Schaltelement Hl, H2, H3 und einem unteren Schaltelemente LI, L2, L3 umfassen. Während des normalen operativen Betriebs des elektrischen Antriebssystems kann der Wechselrichter 30, insbesondere die Schaltelemente in dem Wechselrichter 30, mittels Ansteuersignalen von einer Steuereinrichtung in einem ersten Ansteuerpfad 10 angesteuert werden. Hierzu können in der Steuereinrichtung beispielsweise Sollwertvorgaben und gegebenenfalls auch Sensorsignale von Betriebsgrößen des Antriebssystems empfangen werden. Auf Grundlage dieser Sollwertvorgaben S und Sensorwerte kann die Steuereinrichtung geeignete Ansteuersignale für das Ansteuern der oberen Schaltelemente Hl, H2, H3 und der unteren Schaltelemente LI, L2 und L3 generieren.
Bei der Steuereinrichtung in dem ersten Ansteuerpfad 10 kann es sich beispielsweise um einen Hauptrechner handeln, der während des Betriebs des elektrischen Antriebssystems die erforderlichen Betriebsparameter aussendet und die geeigneten Steuersignale zur Ansteuerung des Wechselrichters 30 generiert. Unter gewissen Umständen, beispielsweise wenn in dem elektrischen Antriebssystem ein Fehler detektiert wird, kann es erforderlich sein, in dem elektrischen Antriebssystem, insbesondere in dem Wechselrichter 30 einen sogenannten sicheren Betriebszustand einzustellen. Bei diesem sicheren Betriebszustand kann es sich beispielsweise um einen sogenannten Freilauf handeln, bei dem alle Schaltelemente Hl, H2, H3 sowie LI, L2, L3 des Wechselrichters 30 geöffnet sind. Alternativ kann als sicherer Betriebszustand ein sogenannter aktiver Kurzschluss eingestellt werden, bei welchem die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine 3 mittels der oberen Schaltelemente Hl, H2, H3 oder der unteren Schaltelemente LI, L2, L3 elektrisch miteinander verbunden sind.
Wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird, kann die Auswahl, ob als sicherer Betriebszustand der Freilauf oder der aktive Kurzschluss eingestellt wird, in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine 3 festgelegt werden. Hierzu kann in dem ersten Ansteuerpfad 10 eine erste Sicherheitseinrichtung 11 vorgesehen sein, welche die Drehzahl der elektrischen Maschine 3 ermittelt. Diese ermittelte Drehzahl kann für die Entscheidung, ob der aktive Kurzschluss oder der Freilauf als sicherer Betriebszustand eingestellt werden soll, verwendet werden. Beispielsweise kann ein Schwellwert für die Drehzahl festgelegt werden, und falls die Drehzahl diesen Schwellwert überschreitet, wird als sicherer Betriebszustand der aktive Kurzschluss eingestellt. Unterhalb dieses Schwellwerts kann als sicherer Betriebszustand der Freilauf eingestellt werden. Variiert die Drehzahl der elektrischen Maschine 3, während ein sicherer Betriebszustand eingestellt sein soll, so kann für den Wechsel zwischen aktivem Kurzschluss und Freilauf eine Hysterese vorgesehen sein. In diesem Fall kann ein erster Schwellwert nl vorgesehen sein, bei dessen Überschreiten vom Freilauf in den aktiven Kurzschluss gewechselt wird. Ferner kann ein zweiter Schwellwert n2 vorgesehen sein, bei dessen Unterschreiten vom aktiven Kurzschluss in den Freilauf gewechselt wird. Dabei kann die Drehzahl für den ersten Schwellwert nl kleiner sein als die Drehzahl für den zweiten Schwellwert n2.
Figur 2 zeigt ein schematisches Diagramm für den Verlauf eines Bremsmomentes M der elektrischen Maschine 3 in Abhängigkeit der Drehzahl n während eines aktiven Kurzschlusses. Wie hierbei zu erkennen ist, kann insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der aktive Kurzschluss ein starkes Bremsmoment verursachen. Ein solches starkes Bremsmoment kann beispielsweise bei Elektrofahrzeugen zu dem Verlust der Traktion zwischen Rädern und Fahrbahn führen. Um derartige gefährliche Fahrsituationen zu vermeiden, wird der aktive Kurzschluss nur bei höheren Drehzahlen eingestellt, während bei niedrigeren Drehzahlen als sicherer Betriebszustand der Freilauf eingestellt wird. Wie weiter in Figur 2 dargestellt, kann zwischen der Drehzahl für den ersten Schwellwert nl und der Drehzahl für den zweiten Schwellwert n2 eine oben beschriebene Hysterese vorgesehen sein. Dabei kann beim erstmaligen Einstellen des sicheren Betriebszustandes für die Entscheidung, ob der aktive Kurzschluss oder der Freilauf eingestellt werden soll, entweder der erste Schwellwert nl oder der zweite Schwellwert n2 herangezogen werden. Darüber hinaus sind grundsätzlich auch beliebige andere Ansätze, beispielsweise mit einer Drehzahl im Bereich zwischen nl und n2 möglich.
Für das erstmalige Einstellen eines sicheren Betriebszustandes im Freilauf oder aktiven Kurzschluss sowie auch für den Wechsel zwischen aktivem Kurzschluss und Freilauf können insbesondere die elektrischen Spannungen und Ströme in dem Wechselrichter 30, insbesondere an den Schaltelementen Hl, H2, H3, LI, L2, L3 berücksichtigt werden. Insbesondere kann hierbei für das Öffnen bzw. Schließen der einzelnen Schaltelemente ein Zeitpunkt vorgesehen sein, der ein übermäßiges Ansteigen von elektrischen Spannungen und/oder Strömen in geeigneter Weise vermeidet. So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, ein Schaltelement bei einem Nulldurchgang des elektrischen Stroms oder zumindest nahe des Nulldurchgangs zu öffnen, um Spannungsspitzen zu vermeiden.
Ist für die Ansteuerung des Wechselrichters 30 nur ein erster Ansteuerpfad 10 vorgesehen, so kann auch das Einstellen des sicheren Betriebszustandes und insbesondere der drehzahlabhängige Wechsel zwischen aktivem Kurzschluss und Freilauf nur durch die erste Sicherheitseinrichtung 11 realisiert werden. Darüber hinaus kann gegebenenfalls eine zusätzliche Komponente vorgesehen sein, welche bei einem vollständigen Ausfall des ersten Ansteuerpfades 10 einen fest vorgegebenen sicheren Betriebszustand, beispielsweise einen aktiven Kurzschluss, einstellt. In diesem Fall wäre jedoch beim Ausfall des ersten Ansteuerpfades 10 kein drehzahlabhängiges Einstellen des sicheren Betriebszustandes möglich.
Daher ist in dem elektrischen Antriebssystem gemäß Figur 1 ein zweiter Ansteuerpfad 20 mit einer zweiten Sicherheitseinrichtung 21 vorgesehen. Auch diese zweite Sicherheitseinrichtung 21 kann die Drehzahl der elektrischen Maschine 3 ermitteln und bei Bedarf, insbesondere bei einem Fehlerfall, einen drehzahlabhängigen sicheren Betriebszustand in der Stromrichteranordnung 2, insbesondere in dem Wechselrichter 30, einstellen. Das Konzept des drehzahlabhängigen Einstellens eines sicheren Betriebszustandes entspricht dabei weitestgehend dem zuvor beschriebenen Ansatz für das Einstellen des Freilaufs bzw. des aktiven Kurzschlusses in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine 3.
Der erste Ansteuerpfad 10 kann beispielsweise von einem Niedervoltnetz gespeist werden. Bei einem solchen Niedervoltnetz handelt es sich beispielsweise um eine Spannungsversorgung, welche von der Energiequelle 1 getrennt oder unabhängig ist. Insbesondere kann das Spannungsniveau des Niedervoltnetzes niedriger sein, als das Spannungsniveau eines Hochvoltnetzes mit der Energiequelle 1, welche das elektrische Antriebssystem speist.
Der zweite Ansteuerpfad 20 kann beispielsweise von der Hochvoltseite des elektrischen Antriebssystems gespeist werden. Auf diese Weise kann auch beim Ausfall oder einer Störung auf der Niedervoltseite des elektrischen Antriebssystems mittels der zweiten Sicherheitseinrichtung 21 im zweiten Ansteuerpfad 20 weiterhin ein sicherer Betriebszustand eingestellt werden.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer Sicherheitseinrichtung 20 gemäß einer Ausführungsform. Die Sicherheitseinrichtung 21 kann beispielsweise die elektrischen Spannungen U_ph an den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine 3 erfassen. Eine erste Auswerteeinrichtung 22 kann insbesondere im Freilauf diese Phasenspannungen U_ph auswerten und unter Verwendung der Phasenspannung U_ph die Drehzahl der elektrischen Maschine 3 ermitteln. Weiterhin können die Phasenströme l_ph an der zweiten Sicherheitseinrichtung
21 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eine zweite Auswerteeinrichtung
22 die Phasenströme l_ph erfassen und auf Grundlage der Phasenströme l_ph die Drehzahl der elektrischen Maschine 3 ermitteln. Insbesondere kann die Ermittlung der Drehzahl auf Basis der Phasenströme l_ph im aktiven Kurzschluss erfolgen. Die ermittelte Drehzahl von der ersten Auswerteeinrichtung 22 und/oder der zweiten Auswerteeinrichtung 23 können an einer Verarbeitungseinrichtung 25 bereitgestellt werden. Somit kann die Verarbeitungseinrichtung 25 drehzahlabhängig jeweils einen geeigneten sicheren Betriebszustand ermitteln und bei Bedarf die Schaltelemente Hl, H2, H3, LI, L2, L3 in dem Wechselrichter 30 entsprechend ansteuern.
Ist während des sicheren Betriebszustandes in dem elektrischen Antriebssystem die elektrische Energiequelle 1 von der Stromrichteranordnung 2 durch Öffnen des Batterietrennschalters la getrennt, so kann sich insbesondere bei einem aktiven Kurzschluss der Zwischenkreiskondensator 31 am Eingang des Wechselrichters 30 mit der Zeit entladen. Somit besteht die Gefahr, dass bei einem zu tiefen Entladen des Zwischenkreiskondensators 31 nicht mehr ausreichend Energie zur Versorgung der Sicherheitseinrichtung 21 im zweiten Ansteuerpfad 20 zur Verfügung steht. Daher kann die Sicherheitseinrichtung 21 im zweiten Ansteuerpfad 20 die Zwischenkreisspannung U_ZK des Zwischenkreiskondensators 31 überwachen. Sinkt die Zwischenkreisspannung U_ZK am Zwischenkreiskondensator 31 unter eine vorgegebene Schwellspannung, so kann auch bei hohen Drehzahlen kurzzeitig in den Freilauf gewechselt werden. Hierdurch kann der Zwischenkreiskondensator 31 weiter aufgeladen werden. Um jedoch gerade bei höheren Drehzahlen ein übermäßiges Ansteigen der elektrischen Spannung am Zwischenkreiskondensator 31 zu vermeiden, kann beim Überschreiten einer zweiten Schwellspannung wieder zurück in den aktiven Kurzschluss gewechselt werden. Vorzugsweise sollte die zweite Schwellspannung dabei geringer sein, als die elektrische Spannung, die von dem elektrischen Energiespeicher 1 bereitgestellt wird. Beispielsweise kann als Spannungswert für den Wechsel vom aktiven Kurzschluss in den Freilauf eine Spannung gewählt werden, welche der Polradspannung im Freilauf im Umschaltpunkt für den drehzahlabhängigen sicheren Zustand entspricht.
Um die Zuverlässigkeit des elektrischen Antriebssystems noch weiter zu erhöhen, können während des normalen Betriebs des elektrischen Antriebssystems die von der ersten Sicherheitseinrichtung 11 ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine 3 und die von der zweiten Sicherheitseinrichtung 21 ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine 3 miteinander verglichen werden. Wird dabei eine signifikante Differenz der beiden ermittelten Drehzahlen detektiert, so kann dies ein Hinweis auf eine Fehlfunktion in mindestens einer der beiden Sicherheitseinrichtungen geben. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in einem elektrischen Antriebssystem. Das Verfahren kann grundsätzlich beliebige Schritte umfassen, wie sie zuvor bereits im Zusammenhang mit dem elektrischen Antriebssystem beschrieben worden sind. Entsprechend kann auch das elektrische Antriebssystem, insbesondere die Steuervorrichtung, beliebige geeignete Komponenten umfassen, wie sie nachfolgend im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben werden.
Das Verfahren umfasst zwei parallele Schritte S1 und S2. Schritt S1 wird hierbei von einem ersten Ansteuerpfad 10 ausgeführt, und Schritt S2 wird von einem zweiten Ansteuerpfad 20 ausgeführt. Wie zuvor bereits beschrieben, kann der erste Ansteuerpfad 10 von einem Niedervoltnetz gespeist werden, und der zweite Ansteuerpfad 20 kann von einem Hochvoltnetz gespeist werden. In Schritt S1 erfolgt ein Ermitteln Sil einer Drehzahl der elektrischen Maschine 3. Anschließend kann in Schritt S12 ein sicherer Betriebszustand der elektrischen Maschine eingestellt werden. Dabei kann der sichere Betriebszustand drehzahlabhängig, das heißt unter Verwendung der ermittelten Drehzahl, eingestellt werden. Insbesondere kann abhängig von der ermittelten Drehzahl ein aktiver Kurzschluss oder ein Freilauf in dem Stromrichter des elektrischen Antriebssystems eingestellt werden.
Analog umfasst Schritt S2 einen Schritt S21 zum Ermitteln der Drehzahl der elektrischen Maschine und einen Schritt S22 zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes. Auch hierbei kann der sichere Betriebszustand unter Verwendung der in Schritt S21 ermittelten Drehzahl eingestellt werden, wobei als sicherer Betriebszustand drehzahlabhängig entweder ein Freilauf oder ein aktiver Kurzschluss eingestellt werden kann.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung das Einstellen eines drehzahlabhängigen sicheren Betriebszustandes. Hierzu sind zwei redundante Ansteuerpfade vorgesehen, welche jeweils drehzahlabhängig entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf als sicheren Betriebszustand einstellen können. Auf diese Weise kann auch beim Ausfall eines Ansteuerpfads weiterhin vollständig ein drehzahlabhängiger sicherer Betriebszustand eingestellt werden.

Claims

Ansprüche
1. Steuervorrichtung für einen Stromrichter (30) in einem elektrischen Antriebssystem, mit einen ersten Ansteuerpfad (10) und einen zweiten Ansteuerpfad (20), die jeweils dazu ausgelegt sind, einen sicheren Betriebszustand in einem Stromrichter (30) des elektrischen Antriebssystems einzustellen, wobei der erste Ansteuerpfad (10) eine erste Sicherheitseinrichtung (11) umfasst, die dazu ausgelegt ist, eine Drehzahl einer elektrischen Maschine (3) des elektrischen Antriebssystems zu ermitteln und unter Verwendung der ermittelten Drehzahl der elektrischen Maschine (3) entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in dem Stromrichter (30) einzustellen; und wobei der zweite Ansteuerpfad (20) eine zweite Sicherheitseinrichtung (21) umfasst, die dazu ausgelegt ist, die Drehzahl der elektrischen Maschine (3) des elektrischen Antriebssystems zu ermitteln und unter Verwendung der ermittelten Drehzahl der elektrischen Maschine (3) entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in dem Stromrichter (30) einzustellen.
2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Sicherheitseinrichtung (11) und/oder die eine zweite Sicherheitseinrichtung (21) dazu ausgelegt sind, in dem Stromrichter (30) einen aktiven Kurzschluss einzustellen, falls die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschinen (3) einen ersten Schwellwert (nl) überschreitet, und einen Freilauf einzustellen, falls die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine (3) einen zweiten Schwellwert (n2) unterschreitet.
3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuervorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Stromrichter (30) mit mehreren Halbbrücken anzusteuern, und wobei die erste Sicherheitseinrichtung (11) und/oder die zweite Sicherheitseinrichtung (21) dazu ausgelegt sind, für das Einstellen eines Freilaufs Schaltelemente (LI, L2, L3, Hl, H2, H3) in den einzelnen Halbbrücken unter Verwendung von Phasenströmen in den korrespondierenden Phasen anzusteuern.
4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuervorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Stromrichter (30) mit mehreren Halbbrücken anzusteuern, und wobei die erste Sicherheitseinrichtung (11) und/oder die zweite Sicherheitseinrichtung (21) dazu ausgelegt sind, für das Einstellen eines aktiven Kurzschlusses die Schaltelemente (LI, L2, L3, Hl, H2, H3) in den einzelnen Halbbrücken unter Verwendung von Phasenspannungen in den korrespondierenden Phasen anzusteuern.
5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Sicherheitseinrichtung (11) dazu ausgelegt ist, die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine (3) unter Verwendung der von der zweiten Sicherheitseinrichtung (20) ermittelten Drehzahl zu verifizieren.
6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Ansteuerpfad (10) dazu ausgelegt ist, von einer Niedervoltseite des elektrischen Antriebssystems gespeist zu werden und der zweite Ansteuerpfad (20) dazu ausgelegt ist, von einer Hochvoltseite des elektrischen Antriebssystems gespeist zu werden.
7. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Sicherheitseinrichtung (21) dazu ausgelegt ist, als sicheren Betriebszustand den Freilauf einzustellen, falls eine Zwischenkreisspannung des Stromrichters (30) eine vorgegebene erste Schwellspannung unterschreitet.
8. Steuervorrichtung Anspruch 7, wobei die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt ist, als sicheren Betriebszustand den aktiven Kurzschluss einzustellen, falls eine Zwischenkreisspannung des Stromrichters eine vorgegebene zweite Schwellspannung überschreitet und die ermitteltet Drehzahl größer ist als der erste Schwellwert.
9. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zweite Sicherheitseinrichtung (21), die dazu ausgelegt ist, die Drehzahl der elektrischen Maschine (3) während des aktiven Kurzschlusses unter Verwendung von Durchflussspannungen durch Schaltelemente in dem Stromrichter (30) zu ermitteln.
10. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zweite Sicherheitseinrichtung (21), die dazu ausgelegt ist, die Drehzahl der elektrischen Maschine (3) während des Freilaufs unter von mindestens zwei Phasenspannungen der elektrischen Maschine (3) zu ermitteln.
11. Elektrisches Antriebssystem, mit: einer elektrischen Maschine (3); einem Stromrichter (30), der dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine (3) anzusteuern; und einer Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in einem elektrischen Antriebssystem, mit den Schritten:
Ermitteln (Sil) einer Drehzahl einer elektrischen Maschine (3) des elektrischen Antriebssystems und Einstellen (S12) sicheren Betriebszustandes in der elektrischen Maschine (3) mittels eines ersten Ansteuerpfads (10), wobei das Einstellen (S12) des sicheren Betriebszustandes unter Verwendung der ermittelten Drehzahl entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in einem Stromrichter (30) des elektrischen Antriebssystems einstellt; und/oder
Ermitteln (S21) einer Drehzahl der elektrischen Maschine (3) des elektrischen Antriebssystems und Einstellen (S22) sicheren Betriebszustandes in der elektrischen Maschine (3) mittels eines zweiten Ansteuerpfads (20), wobei das Einstellen (S22) des sicheren Betriebszustandes unter Verwendung der ermittelten Drehzahl entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in einem Stromrichter (30) des elektrischen Antriebssystems einstellt.
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