EP4342068A1 - Verfahren und steuergerät zur steuerung eines aktiven kurzschlusses bei einer permanentmagneterregten elektromaschine - Google Patents

Verfahren und steuergerät zur steuerung eines aktiven kurzschlusses bei einer permanentmagneterregten elektromaschine

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EP4342068A1
EP4342068A1 EP22728187.0A EP22728187A EP4342068A1 EP 4342068 A1 EP4342068 A1 EP 4342068A1 EP 22728187 A EP22728187 A EP 22728187A EP 4342068 A1 EP4342068 A1 EP 4342068A1
Authority
EP
European Patent Office
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short circuit
electric machine
active short
time
state parameter
Prior art date
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Pending
Application number
EP22728187.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan DÖRING
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.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
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Pending 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
    • 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
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    • 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
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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
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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
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/66—Controlling or determining the temperature of the rotor
    • H02P29/662—Controlling or determining the temperature of the rotor the rotor having permanent magnets
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    • H02P3/26—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 combined electrical and mechanical braking

Definitions

  • the technical field relates to a method for controlling an active short circuit in a permanent-magnet electric machine, and a control unit that is set up to carry out the method for controlling the active short circuit.
  • the invention relates to a method for controlling an active short circuit in an electric machine excited by permanent magnets.
  • the method can be a computer-implemented method, which can be stored in the form of commands on a storage medium and can be executed by a control device by executing the commands.
  • the permanent-magnet electric machine can be a generator or an electric motor, wherein at least one of a rotor and a stator of the electric machine can have a permanent magnet.
  • the Elektroma machine can in particular be a synchronous machine. In the case of the electric machine, controlling the active short-circuit can result in it being able to be brought into a safe state in the event of a fault.
  • Controlling here can include active triggering of the active short circuit, as well as active triggering at a specific time and/or suppression of triggering of the active short circuit.
  • the active short circuit can be carried out between the terminals of the electric machine via a suitable consumer, such as a resistor and/or conductor, alternatively or additionally via an inverter.
  • the method includes a step of checking whether insertion of the active short is requested. Insertion of the active short circuit can, for example, be requested by the control unit that executes the method for controlling the active short circuit. Alternatively or additionally, another control unit can request that the active short circuit be inserted, and this request can be sent by means of a control signal to the control unit executing the method. Insertion of the active short circuit can be requested, for example, if a safe state of the electric machine is to be achieved.
  • the method also has a step of detecting at least one further status parameter of the electric machine.
  • the additional state parameter can be at least one of the temperature of the electric machine, in particular the temperature of the permanent magnets and the phase current.
  • the detection can include a sensory cal detection, for example, a temperature sensor can be installed in the electric machine, via which the temperature can be detected as a state parameter of the electric machine.
  • the detection can include detection via a data bus, for example detection of a signal from an external control device, it being possible for the signal to contain information on the status parameter.
  • the step of detecting can only take place if insertion of the active short-circuit is requested in the checking step.
  • the step of detecting can take place after the step of checking.
  • the step of detecting can take place at the same time, before or after the step of checking.
  • the method also has a step of determining, if the active short circuit is requested in the checking step, whether the at least one further status parameter has a critical value.
  • the critical value can be predetermined; in particular, the critical value can be time-dependent.
  • the critical value can define a temperature limit of the electric motor, with the state parameter being able to describe the temperature of the electric machine at a certain point in time.
  • a first Temperature limit can be used as a critical value
  • a second temperature limit can be used as a critical value.
  • the step of determining can take place after the step of checking and detecting.
  • the method has a step of controlling the insertion of the active short-circuit depending on the determination by sending a control signal to a device for short-circuiting.
  • the engagement can be controlled if the state parameter has the critical value.
  • the engagement can be controlled differently in the case of a positive determination step, that is to say that the state parameter has the critical value, than in the case of a negative determination step.
  • it can be controlled that in the positive step of the determination the active short circuit is not inserted and in the negative step of the determination the active short circuit is inserted.
  • the insertion of the active short circuit can take place immediately, ie at the earliest possible point in time, or with a time delay.
  • the device for short-circuiting can be part of the electrical machine, in particular a further device of the electrical machine, and/or an external device such as an inverter.
  • the device can be set up to short-circuit the terminals of the electric machine in order to achieve a safe state of the electric machine.
  • the step of controlling can take place after the step of determining.
  • a method is thus shown with which the safe state can be achieved when the active short circuit is requested in the electric machine excited by permanent magnets, depending on a further state parameter of the electric machine.
  • simply requesting the active short circuit does not necessarily have to lead to the active short circuit being inserted immediately, rather the insertion of the active short circuit is also controlled via a further state parameter of the electric machine.
  • a more differentiated control of the insertion of the active short circuit is thus shown by means of the method.
  • an application of the active short circuit can be requested if a back-EMF of the electric machine exceeds a threshold voltage, wherein the step of determining may occur if the back EMF exceeds the threshold voltage.
  • the back EMF can be the voltage induced at the open motor terminals, with the induced voltage at the terminals not being tapped off by a consumer and thus not being able to build up.
  • the threshold voltage can describe the value of the terminal voltage at which insertion of the active short circuit can be requested. This threshold voltage can be stored, for example, in a storage medium of a control device that executes the method and can be read out for comparison with the back EMF.
  • the threshold voltage can be stored on the hardware side, for example in the device that is activated to insert the active short circuit, for example by appropriate dimensioning of the device, such as the inverter. If a first threshold voltage is predetermined by software in a storage medium and a second threshold voltage is predetermined by hardware, the first threshold voltage can be smaller than the second threshold voltage. In the event that the control unit executing the method has a fault and/or is no longer active, this can result in the active short circuit occurring even if the back EMF exceeds the first threshold voltage if the back EMF exceeds the second threshold voltage -EMF can be inserted.
  • the checking step can include a value acquisition of the induced voltage at the open terminals of the electric machine. In particular, the step of testing may only include detecting the open terminal voltage without comparing it to the threshold voltage in that step.
  • a safe state of the electrical machine can thus be achieved in the event of a back-EMF fault, with the attainment of the safe state being dependent on at least one further state parameter of the electrical machine.
  • this can be advantageous if the voltage at open terminals of the electric machine is too high, i.e. in the case of back EMF.
  • the method can also include a step of calculating a transient current to be expected as a function of the induced voltage and as a function of the at least one further state parameter exhibit.
  • the step of determining whether the state parameter has a critical value can be carried out as a function of the transient current to be expected.
  • the calculation step can also be carried out using a look-up table with entries, for example for the induced voltage at the terminals, the state parameter and the transient current to be expected from this.
  • the transient current to be expected can be calculated directly from the induced voltage and the other state parameter at discrete time intervals.
  • the threshold current is defined as a current value above which permanent damage to at least one component of a device involved in the method, such as the electric machine or the inverter, is to be expected in the event of a flow.
  • the threshold current can be a predeterminable threshold current, in particular as a function of the electric machine, in particular of the components of the electric machine, and alternatively or additionally as a function of the inverter. Alternatively or additionally, the threshold current may be predetermined depending on devices and/or components of devices connected to the electric machine, such as the inverter.
  • the step of calculating the transient current to be expected can take place after the checking and recording. Furthermore, the step of calculating can only take place if the induced voltage exceeds the threshold voltage. Thus, in the other cases, resources relating to the calculation can be saved. Alternatively, the step of calculating can take place independently of the threshold voltage being exceeded by the terminal voltage. Furthermore, the step of calculating can take place before the step of controlling.
  • the transient current to be observed in the case of an active short-circuit can thus be used when the terminals are short-circuited to control the insertion of the short-circuit.
  • This can be advantageous since a possible demagnetization of the permanent magnet of the electric machine correlates with the magnitude of the transient current to be expected, which itself generates an opposing magnetic field.
  • the magnitude of the transient current can be detrimental to devices connected to the electric machine, such as the inverter. For example, inserting it like this be controlled if the expected transient current would not lead to demagnetization of the permanent magnet, and alternatively or additionally to damage to further ren devices, such as the inverter, that the insertion of the active short circuit should take place promptly.
  • the short circuit should not be inserted promptly, but should be deferred in time.
  • the one further state parameter can describe a rotor position relative to the stator.
  • the position can be specified in 1-degree increments, for example, and recorded in the detection step.
  • the insertion of the active short circuit can thus advantageously be controlled as a function of the rotor position.
  • the matching critical value can describe one or more critical rotor positions relative to the stator, in particular critical positions at which high transient currents can be expected in the windings of the electric machine.
  • the insertion of the active short-circuit can be controlled in such a way that the insertion is delayed.
  • non-critical rotor positions ie positions in which a comparatively low transient current will occur, can be used for inserting the active short-circuit.
  • a time for inserting the active short circuit can be determined and the insertion of the active short circuit can be controlled at this specific point in time.
  • the point in time can be determined as a function of the additional status parameter, such as the rotor position relative to the stator, and alternatively or additionally as a function of the request to insert the active short circuit, for example as a function of the back EMF of the electric machine.
  • the point in time can be determined as a function of the calculated and expected transient current. In such an embodiment, the time can be determined after the calculation of the transient current.
  • the step of determining the time can take place before, at the same time or after the step of calculating the transient current.
  • Controlling the engagement at a specific point in time can mean that the engagement is controlled in such a way that the short circuit occurs at the specific point in time.
  • the control signal can be sent to the device for short-circuiting at the specific point in time.
  • Planning security with regard to the insertion of the active short circuit can thus advantageously be provided by the point in time for inserting the active short circuit being determined.
  • an information signal comprising the point in time to other devices which are connected to the electric machine, these can initiate reactions depending on the point in time.
  • devices electrically connected directly to the electric machine can control electrical connections to the electric machine as a function of time.
  • these devices can be electrically isolated from the electric machine at the time the active short circuit is applied, or shortly beforehand, in order not to suffer damage due to excessive voltage and/or excessive current.
  • the at least one further state parameter can be detected at at least two different points in time.
  • a state parameter value can be recorded at each of the two different points in time.
  • the time at which the active short circuit is inserted can be determined as a function of the status parameters at the at least two times.
  • checking whether an insertion of the active short circuit is requested can take place at least at two different points in time. The detection and/or checking can take place at regular time intervals, for example periodically. The determination can thus be made as a function of periodically detected state parameters and/or a request to insert the active short circuit.
  • the point in time for inserting the active short circuit can thus advantageously be determined as a function of a changing state parameter and/or the changing requirement for inserting the active short circuit over time.
  • the point in time can thus be determined as a function of a dynamic variable, namely at least as a function of the state parameter values.
  • determining the point in time for controlling the insertion of the active short can be based on a history of state parameter values. The method can thus be used to better estimate the point in time at which the insertion of the active short circuit should be controlled based on this history in order to prevent damage due to excessive voltage or excessive current.
  • the transient current to be expected can be calculated for the at least two different points in time. Furthermore, the active short circuit can be inserted if the transient current to be expected falls below the threshold current in a period between the two points in time. In other words, the transient current can be calculated at a first point in time, with this being greater than the threshold current at the first point in time, and the transient current can be calculated at a later, second point in time, with this being smaller than the threshold current. Then, according to the embodiment, the insertion of the active short circuit can be controlled such that the active short circuit is inserted after the second point in time. This can be based on the fact that the transient current to be expected falls below the threshold current in a period of time between the first and the second point in time, and consequently little or no damage is to be expected due to the lower current on the permanent magnet.
  • the method can thus be used to determine the control of the active short circuit in such a way that the short circuit should only be inserted if the transient current to be expected does not, in particular no longer, exceed the threshold current.
  • the threshold current In this way, damaging magnetic fields, which would emanate from the expected transient current in the event of a short circuit, can be avoided.
  • a permanent demagnetization of the permanent magnet of the electric machine can thus be avoided.
  • a time profile of the transient current to be expected can be calculated as a function of the threshold voltage and the at least one further state parameter.
  • a time profile of the transient current to be expected can be calculated solely as a function of the at least one further state parameter and alternatively or additionally as a function of the request to insert the active short circuit.
  • This time profile can be derived from a short-circuit model.
  • the short-circuit model can allow output variables, such as the current or the magnetic field, to be determined as a function of input parameters, for example the threshold voltage, one or more state parameters or the terminal voltage.
  • the course over time for a period in the future can be determined or approximated based on current data and historical data, in particular on the terminal voltage and on the at least one state parameter.
  • the transient current in the event of a short circuit can be predetermined over time as a function of values to be recorded, checked or determined, such as the back EMF or the state parameter. It can then be derived from the time profile when it can be beneficial to insert the short circuit. In particular, this can be advantageous if the expected transient current over time is not at its maximum.
  • a local minimum of the time current profile curve can be determined as the point in time for inserting the active short circuit.
  • a local minimum of the current curve over time can also represent a global minimum of this curve.
  • the active short circuit can thus be inserted when the transient current to be expected and, as a result, the countermagnetic field to be expected are minimized. Damage to the permanent magnet, and thus to the electric machine, and alternatively or additionally to the inverter, can thus be avoided or at least minimized.
  • the method may further comprise a step of predetermining the threshold current as a function of components of the electric machine or depending on the electric machine electrically connected devices.
  • the active short circuit can be inserted if the expected transient current is below the threshold current.
  • an inverter can be connected to the electric machine.
  • the threshold current can be specified, in particular predetermined, by who.
  • the threshold current can be set to be low, in particular predetermined, so that when the active short circuit is inserted, transient currents flow through the inverter via the electric machine and thus through the inverter, which is connected to the electric machine, in particular to the terminals of the electric machine is, does not exceed the low predetermined threshold current.
  • the threshold current can be predetermined relatively high, particularly when a connected device, such as an inverter, is relatively expensive.
  • the threshold current can thus be set high, so that relatively high transient currents can flow through the electric machine and thus, for example, through the inverter.
  • the threshold current can be set, for example, by sending information from the component or device to the electric machine. For example, a device identifier may be sent to the electric machine. Based on the identifier, conclusions can then be drawn about the costs of a defect in the component or device, for example using a stored table.
  • the threshold current can be predetermined via user input.
  • a sacrifice of certain devices and/or components of the electrical machine and/or other devices can thus advantageously be forced via the predeterminable threshold value current, depending above all on economic efficiency.
  • the cheaper device may be sacrificed to protect the expensive device or electric machine.
  • an electrically connected device may be a contactor and the threshold current may be predetermined depending on parameters of the contactor.
  • the contactor can be mounted between the inverter and the electric machine and in an open state the inverter and protect other devices downstream of the inverter from high terminal voltages on the electric machine.
  • the contactor can be inexpensive.
  • the contactor can be sacrificed by predetermining a relatively low threshold current so that first the contactor suffers permanent damage due to the transient current before an active short circuit is introduced at an even worse time and with it the permanent magnets the electric machine could be permanently damaged.
  • a threshold current may be predetermined which is below a transient current that may damage components of the electric machine or devices connected to the electric machine.
  • a buffer can thus be introduced, so that even if the threshold current predetermined here is exceeded, there is still no permanent damage to the electric machine or the devices connected to the electric machine due to the excessively high transient currents.
  • the relative and/or absolute level of the buffer expressed for example in amperes, can be made as a function of parameters of the electric machine and/or the devices.
  • the method can also have a step for controlling a temperature of the magnets of the permanent-magnet electric machine.
  • this step for controlling the temperature of the magnets can take place after the step of determining whether the at least one further state parameter has a critical value and before the step of controlling the insertion of the active short circuit, especially before the actual insertion of the short circuit, take place.
  • Regulating the temperature of the magnets can in particular include cooling the magnets. The cooling can take place, for example, by means of liquids and/or gases. In particular, a phase transition can be used to effectively cool the magnets.
  • a liquid can be applied to the magnets, which is heated by the warm magnets relative to the liquid and can absorb heat from them so that this liquid evaporates and heat energy of the magnets effectively via a phase transition, i.e. a lot of heat energy in one short time interval.
  • the magnetization of the permanent magnets of the electric machine can be increased by reducing the temperature of the magnets.
  • an expected transient current with an active short circuit and the associated magnetic field can be counteracted by increasing the magnetization of the permanent magnets and thus counteracting permanent damage.
  • Controlling can also include setting the temperature to a higher value, in particular by heating the magnets, for example by means of a heating wire. This allows the magnetization of the magnets to be reduced, which reduces the induced voltage and thus the terminal voltage on the electric machine. The expected transient current can thus be reduced.
  • controlling the insertion of the active short circuit can be influenced by this.
  • the method can also include a step for controlling a mechanical brake.
  • the step of controlling the mechanical brake can take place after the step of determining whether the at least one further status parameter has a critical value and before the step of controlling the insertion of the active short circuit.
  • the mechanical brake With the mechanical brake, the speed of the electric machine can be reduced. This allows the induced voltage to be reduced.
  • the active short-circuit can also be shifted in time, in particular completely avoided, in particular because the terminal voltage cannot exceed the threshold value voltage by reducing the speed of the electric machine. At least the expected transient current can be reduced by reducing the terminal voltage.
  • a further aspect relates to a control device which is set up to carry out the method according to an embodiment of the preceding aspect for controlling the insertion of the active short circuit.
  • the control unit can, for example, be a control unit of a vehicle and be connected to other control units of the vehicle via a vehicle bus.
  • the control unit can thus, for example, record the at least one status parameter via the vehicle bus.
  • the control device can also detect the terminal voltage via the vehicle bus and, depending on this and the status parameter, determine whether the at least one additional status parameter is to be determined if the induced voltage exceeds the threshold voltage has a critical value.
  • the control device can be set up to control the insertion of the active short circuit as a function of the determination.
  • the control device can be set up to send a control signal in particular via the vehicle bus to another control device for short-circuiting.
  • the other control unit can control a device for short-circuiting the terminals of the electric machine.
  • FIG. 1 shows a sequence of method steps for controlling an active short circuit according to one embodiment.
  • FIG. 2 shows a control device for carrying out the method according to one embodiment.
  • FIG. 1 shows a sequence of method steps for controlling an active short circuit according to one embodiment.
  • the method has a chronologically first step SO of predetermining a threshold current.
  • the step of predetermining the threshold current is carried out by a control unit 8, which is shown in FIG.
  • a contactor 4 is connected to the control unit 8.
  • Contactor 4 sends a signal to control unit 8, control unit 8 determining the threshold current as a function of the information in the signal.
  • the contactor 4 is set up as a sacrificial device, i.e. the threshold current is predetermined by the control unit 8 in such a way that, at the latest when the threshold current is reached, the contactor 4 exhibits a permanent defect due to the transient current being too high becomes.
  • an inverter 6 is connected to an electric machine 2 via the contactor 4 .
  • the contactor 4 is connected to the electric machine 2, in particular connected to the electric machine 2 via terminals of the latter.
  • the electric machine 2 has permanent magnets.
  • the step SO of predetermining the threshold current as a function of parameters of the contactor 4 of the threshold current is predetermined in such a way that the Devices electric machine 2, contactor 4 and inverter 6 of contactor 4 would be sacrificed if too high a transient current through the components electric machine 2, contactor 4 and inverter 6 is to be expected.
  • Control unit 8 is also set up to carry out a step S1 of checking whether insertion of the active short circuit is requested. Insertion of the active short circuit is requested if a back EMF of the electric machine (2) exceeds a threshold voltage.
  • the back EMF is the induced terminal voltage when the motor terminals of the electric machine 2 are open.
  • the control unit 8 detects the terminal voltage at terminals of the electric machine 2 via a data bus, not shown in detail, to which the control unit 8 is connected. Also connected to the data bus is a measuring device that is not shown in detail and that measures the terminal voltage.
  • the method also includes a step S2 of detecting a state parameter of the electric machine 2.
  • the state parameter includes a rotor position of a rotor compared to the stator of the electric machine 2. This relative rotor position is determined via a sensor, in particular a sensor of the electric machine 2. detected and sent to the control unit 8 via the data bus.
  • the method has a step S3 of determining whether the state parameter has a critical value.
  • the critical value in the embodiment shown is a range of critical relative rotor positions with respect to the stator of electric machine 2.
  • a transient current to be expected is calculated in a step S3.1 as a function of the rotor position.
  • the method also has a step S3.2 of determining a point in time for inserting the active short circuit.
  • control unit 8 is set up, depending on the calculated transient current to be expected and the threshold current determined in step SO, to determine the point in time for engagement at which a magnetic field caused by the current is smaller than a magnetic field damaging the permanent magnet of electric machine 2.
  • the time for inserting the active short circuit is postponed, and in the event that the expected transient Current does not exceed the threshold current, a point in time for inserting the active short circuit is determined promptly.
  • the method has a step S4 of controlling the insertion of the active short circuit.
  • the control unit 8 sends a control signal via the vehicle bus to a device for inserting the active short circuit between the terminals of the electric machine 2.
  • Part of the control signal is the short circuit command and the point in time, which was determined and at which the active short circuit is to be inserted.
  • the method has a step S4.1 of regulating a temperature of the magnets of the electric machine 2 . Step S4.1 takes place chronologically with step S4, but in particular before the actual insertion of the short circuit.
  • step S4.1 the control unit 8 can send a control signal to a device to cool the magnets of the electric machine 2 in order to increase the magnetization of the permanent magnets, so that when the short circuit is inserted, in particular when the short circuit is inserted, immediately after controlling the temperature of the magnets, can be done in such a way that the magnetization is at its maximum. This avoids demagnetization.
  • the method also has a step S4.2 of activating a mechanical brake.
  • the mechanical brake which is not shown in detail, is mechanically connected directly to the electric machine 2 and brakes the movement of the rotor relative to the stator of the electric machine 2 when it is controlled by the control unit 8. Step S4.2 occurs at the same time as step S4 and the step S4.1.
  • the controller 8 controls the brake to delay the relative movement of the rotor Be, while at the same time the magnets are cooled. This initially reduces the induced voltage at the terminals of the electric machine 2 due to the braking effect. The active short circuit is then inserted after the magnets have cooled, which increases the magnetization of the permanent magnets and protects them from demagnetization.
  • Reference sign electric machine contactor inverter control unit Predetermining the threshold current (step) Checking whether insertion of the active short circuit is requested (step) Detecting a state parameter of the electric machine (step) Determining whether a state parameter has a critical value (step) Calculating an expected transient current (step) determining a point in time for inserting the active short circuit (step) controlling the insertion of the active short circuit (step) regulating a temperature of the magnets of the electric machine (step) controlling a mechanical brake

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines aktiven Kurzschlusses bei einer permanentmagneterregten Elektromaschine (2) gezeigt, umfassend die Schritte: Prüfen (S1), ob ein Einlegen des aktiven Kurzschlusses angefordert wird, Erfassen (S2) zumindest eines weiteren Zustandsparameters der Elektromaschine (2), Bestimmen (S3), falls im Schritt des Prüfens (S1) der aktive Kurzschluss angefordert wird, ob der zumindest eine weitere Zustandsparameter einen kritischen Wert aufweist, und Steuern (S4) des Einlegens des aktiven Kurzschlusses in Abhängigkeit des Bestimmens (S3) durch Senden eines Steuersignals an eine Vorrichtung zum Kurzschließen. Ferner wird ein Steuergerät (8) gezeigt, welches eingerichtet ist, das Verfahren zum Steuern des Einlegens des aktiven Kurzschlusses auszuführen.

Description

Verfahren und Steuergerät zur Steuerung eines aktiven Kurzschlusses bei einer permanentmagneterregten Elektromaschine
Technisches Gebiet
Das technische Gebiet betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines aktiven Kurzschlusses bei einer permanentmagneterregten Elektromaschine, sowie ein Steuergerät, welches eingerichtet ist, das Verfahren zum Steuern des aktiven Kurzschlusses auszuführen.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Einlegen eines aktiven Kurzschlusses bei permanentmagneterregten Elektromaschinen bekannt.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines aktiven Kurzschlusses bei einer permanentmagneterregten Elektromaschine. Das Verfahren kann hierbei ein computer implementiertes Verfahren sein, welches in Form von Befehlen auf einem Speicherme dium gespeichert sein kann und durch ein Steuergerät durch Ausführen der Befehle ausgeführt werden kann. Die permanentmagneterregte Elektromaschine kann ein Ge nerator oder ein Elektromotor sein, wobei zumindest eines von einem Rotor und einem Stator der Elektromaschine einen Permanentmagneten aufweisen kann. Die Elektroma schine kann insbesondere eine Synchronmaschine sein. Das Steuern des aktiven Kurz schlusses kann bei der Elektromaschine dazu führen, dass diese im Fehlerfall in einen sicheren Zustand geführt werden kann. Das Steuern kann hier ein aktives Auslösen des aktiven Kurzschlusses umfassen, sowie auch das aktive Auslösen zu einer bestimmten Zeit und/oder das Unterdrücken des Auslösens des aktiven Kurzschlusses. Der aktive Kurzschluss kann über einen geeigneten Verbraucher, wie einen Widerstand und/oder Leiter, alternativ oder zusätzlich über einen Inverter, zwischen den Klemmen der Elekt romaschine ausgeführt werden. Das Verfahren weist einen Schritt des Prüfens auf, ob ein Einlegen des aktiven Kurz schlusses angefordert wird. Ein Einlegen des aktiven Kurzschlusses kann beispiels weise von dem Steuergerät, welches das Verfahren zur Steuerung des aktiven Kurz schlusses ausführt, angefordert werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Einlegen des aktiven Kurzschlusses durch ein weiteres Steuergerät angefordert werden, und diese Anforderung kann mittels eines Steuersignals an das das Verfahren ausführende Steuergerät gesendet werden. Das Einlegen des aktiven Kurzschlusses kann beispiels weise angefordert werden, wenn ein sicherer Zustand der Elektromaschine erreicht werden soll.
Das Verfahren weist ferner einen Schritt des Erfassens zumindest eines weiteren Zu standsparameters der Elektromaschine auf. Der weitere Zustandsparameter kann zu mindest einer sein von der Temperatur der Elektromaschine, insbesondere der Tempe ratur der Permanentmagneten und dem Phasenstrom. Das Erfassen kann ein sensori sches Erfassen aufweisen, wobei beispielsweise ein Temperatursensor in der Elektro maschine angebracht sein kann, worüber die Temperatur als Zustandsparameter der Elektromaschine erfasst werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann das Erfassen ein Erfassen über einen Datenbus umfassen, beispielsweise ein Erfassen eines Signals von einer externen Steuereinrichtung, wobei das Signal Information zum Zustandspara meter enthalten kann. In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Schritt des Er fassens nur erfolgen, falls im Schritt des Prüfens ein Einlegen des aktiven Kurzschlus ses angefordert wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Schritt des Erfassens zeitlich nach dem Schritt des Prüfens erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform, falls der Schritt des Erfassens unabhängig von dem Schritt des Prüfens ist, kann der Schritt des Erfassens zeitgleich, zeitlich vor oder zeitlich nach dem Schritt des Prüfens erfolgen.
Das Verfahren weist ferner einen Schritt des Bestimmens auf, falls im Schritt des Prü fens der aktive Kurzschluss angefordert wird, ob der zumindest eine weitere Zu standsparameter einen kritischen Wert aufweist. Der kritische Wert kann hierbei vorbe stimmbar sein, insbesondere kann der kritische Wert zeitabhängig sein. Beispielsweise kann der kritische Wert eine Temperaturgrenze des Elektromotors definieren, wobei der Zustandsparameter die Temperatur der Elektromaschine zu einem gewissen Zeitpunkt beschreiben kann. Alternativ oder zusätzlich kann zu einem ersten Zeitpunkt eine erste Temperaturgrenze als kritischer Wert verwendet werden, und zu einem zweiten Zeit punkt eine zweite Temperaturgrenze als kritischer Wert verwendet werden. Der Schritt des Bestimmens kann zeitlich nach dem Schritt des Prüfens und des Erfassens erfol gen.
Ferner weist das Verfahren einen Schritt des Steuerns des Einlegens des aktiven Kurz schlusses in Abhängigkeit des Bestimmens durch Senden eines Steuersignals an eine Vorrichtung zum Kurzschließen auf. Beispielsweise kann das Steuern des Einlegens er folgen, falls der Zustandsparameter den kritischen Wert aufweist. Alternativ oder zu sätzlich kann das Steuern des Einlegens bei einem positiven Schritt des Bestimmens, also dass der Zustandsparameter den kritischen Wert aufweist, anders erfolgen als bei einem negativen Schritt des Bestimmens. So kann etwa gesteuert werden, dass in dem positiven Schritt des Bestimmens der aktive Kurzschluss nicht eingelegt wird, und in dem negativen Schritt des Bestimmens der aktive Kurzschluss eingelegt wird. Das Ein legen des aktiven Kurzschlusses kann hierbei unverzüglich, das heißt zum nächstmögli chen Zeitpunkt, oder aber zeitverzögert erfolgen. Die Vorrichtung zum Kurzschließen kann dabei Teil der Elektromaschine, insbesondere eine weitere Einrichtung der Elekt- romaschine, sein und/oder eine externe Vorrichtung, wie ein Inverter. Dabei kann die Vorrichtung eingerichtet sein, die Klemmen der Elektromaschine kurzzuschließen, um einen sicheren Zustand der Elektromaschine zu erreichen. Dabei kann der Schritt des Steuerns nach dem Schritt des Bestimmens erfolgen.
Vorteilhafterweise ist somit ein Verfahren gezeigt, womit der sichere Zustand bei Anfor derung des aktiven Kurzschlusses bei der permanentmagneterregten Elektromaschine in Abhängigkeit eines weiteren Zustandsparameters der Elektromaschine erreicht wer den kann. Somit muss das alleinige Anfordern des aktiven Kurzschlusses nicht notwen digerweise zum sofortigen Einlegen des aktiven Kurzschlusses führen, sondern das Einlegen des aktiven Kurzschlusses wird auch über einen weiteren Zustandsparameter der Elektromaschine gesteuert. Somit ist ein differenzierteres Steuern des Einlegens des aktiven Kurzschlusses mittels des Verfahrens gezeigt.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann im Schritt des Prüfens ein Einlegen des aktiven Kurzschlusses angefordert werden, wenn eine Back-EMF der Elektromaschine eine Schwellwertspannung übersteigt, wobei der Schritt des Bestimmens erfolgen kann, falls die Back-EMF die Schwellwertspannung übersteigt. Die Back-EMF kann dabei die an den offenen Motorklemmen induzierte Spannung sein, wobei die induzierte Span nung an den Klemmen nicht durch einen Verbraucher abgegriffen wird und sich so auf bauen kann. Die Schwellwertspannung kann den Wert der Klemmenspannung be schreiben, bei der ein Einlegen des aktiven Kurzschlusses angefordert werden kann. Diese Schwellwertspannung kann beispielsweise in einem Speichermedium eines das Verfahren ausführenden Steuergeräts gespeichert sein und zum Vergleichen mit der Back-EMF ausgelesen werden. Alternativ oder zusätzlich kann hardwareseitig, bei spielsweise in der Vorrichtung, welche zum Einlegen des aktiven Kurzschlusses ange steuert wird, die Schwellwertspannung hinterlegt sein, beispielsweise durch eine pas sende Dimensionierung der Vorrichtung, wie beispielsweise des Inverters. Falls eine erste Schwellwertspannung softwareseitig in einem Speichermedium vorgegeben ist, und eine zweite Schwellwertspannung hardwareseitig vorgegeben ist, kann die erste Schwellwertspannung kleiner sein als die zweite Schwellwertspannung. Dies kann im Fall, dass das das Verfahren ausführende Steuergerät einen Fehler aufweist und/oder nicht mehr aktiv ist, dazu führen, dass auch bei Überschreiten der ersten Schwell wertspannung durch die Back-EMF der aktive Kurzschluss bei Überschreiten der zwei ten Schwellwertspannung durch die Back-EMF eingelegt werden kann. Der Schritt des Prüfens kann alternativ oder zusätzlich eine Werterfassung der induzierten Spannung an den offenen Klemmen der Elektromaschine aufweisen. Insbesondere kann der Schritt des Prüfens lediglich das Erfassen der offenen Klemmenspannung aufweisen, ohne diese mit der Schwellwertspannung in diesem Verfahrensschritt zu vergleichen.
Vorteilhafterweise kann somit ein sicherer Zustand der Elektromaschine im Fehlerfall Back-EMF erreicht werden, wobei das Erreichen des sicheren Zustands abhängig von zumindest einem weiteren Zustandsparameter der Elektromaschine ist. Insbesondere kann dies vorteilhaft sein bei einer zu hohen Spannung an offenen Klemmen der Elekt romaschine, d.h. im Fall von Back-EMF.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann das Verfahren ferner einen Schritt des Berechnens eines zu erwartenden transienten Stroms in Abhängigkeit der induzierten Spannung und in Abhängigkeit des zumindest einen weiteren Zustandsparameters aufweisen. Der Schritt des Bestimmens, ob der Zustandsparameter einen kritischen Wert aufweist, kann hierbei in Abhängigkeit des zu erwartenden transienten Stroms er folgen. Der Schritt des Berechnens kann ferner mittels Verwendung einer Look-up-Ta- belle mit Einträgen, beispielsweise zur induzierten Spannung an den Klemmen, dem Zustandsparameter und dem daraus zu erwartendem transientem Strom, erfolgen. Al ternativ kann in diskreten Zeitabständen der zu erwartende transiente Strom direkt aus der induzierten Spannung und dem weiteren Zustandsparameter berechnet werden. Im Schritt des Bestimmens, ob der Zustandsparameter einen kritischen Wert aufweist, kann dies etwa der Fall sein, wenn der zu erwartende transiente Strom einen kritischen Schwellwertstrom übersteigt. Der Schwellwertstrom ist dabei als ein Stromwert definiert, ab welchem dauerhafte Schäden an zumindest einem Bauteil einer an dem Verfahren beteiligten Vorrichtung, wie der Elektromaschine oder des Inverters, bei Durchfluss zu erwarten sind. Der Schwellwertstrom kann ein vorbestimmbarer Schwellwertstrom sein, insbesondere in Abhängigkeit von der Elektromaschine, insbesondere der Komponen ten der Elektromaschine, und alternativ oder zusätzlich in Abhängigkeit von dem Inver ter. Alternativ oder zusätzlich kann der Schwellwertstrom vorbestimmt sein in Abhängig keit von Vorrichtungen und/oder Komponenten von Vorrichtungen, welche an die Elekt romaschine angeschlossen sind, wie dem Inverter. Der Schritt des Berechnens des zu erwartenden transienten Stroms kann zeitlich nach dem Prüfen und Erfassen erfolgen. Der Schritt des Berechnens kann ferner lediglich erfolgen, falls die induzierte Spannung die Schwellwertspannung übersteigt. Somit können in den anderen Fällen Ressourcen bezüglich der Berechnung gespart werden. Alternativ kann der Schritt des Berechnens unabhängig von dem Übersteigen der Schwellwertspannung durch die Klemmenspan nung erfolgen. Ferner kann der Schritt des Berechnens zeitlich vor dem Schritt des Steuerns erfolgen.
Vorteilhafterweise kann somit der bei einem aktiven Kurzschluss zu beachtende tran siente Strom bei Kurzschluss der Klemmen zum Steuern des Einlegens des Kurz schlusses verwendet werden. Dies kann vorteilhaft sein, da eine mögliche Entmagneti sierung des Permanentmagneten der Elektromaschine mit der Höhe des zu erwarten den transienten Stroms korreliert, welcher selbst ein Gegenmagnetfeld erzeugt. Weiter hin kann die Höhe des transienten Stroms für an die Elektromaschine angeschlossene Vorrichtungen, wie den Inverter, schädlich sein. Beispielsweise kann das Einlegen so gesteuert werden, falls der zu erwartende transiente Strom nicht zu einer Entmagneti sierung des Permanentmagneten, und alternativ oder zusätzlich zu Schäden an weite ren Vorrichtungen, wie dem Inverter, führen würde, dass das Einlegen des aktiven Kurzschlusses zeitnah erfolgen soll. Alternativ oder zusätzlich kann gesteuert werden, dass, falls der zu erwartende transiente Strom die Permanentmagneten der Elektroma- schine entmagnetisieren würde, und alternativ oder zusätzlich Schäden an weiteren Vorrichtungen, wie dem Inverter zu erwarten wären, der Kurzschluss nicht zeitnah ein gelegt werden soll, sondern zeitlich aufgeschoben werden soll.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann der eine weitere Zustandsparameter eine Rotorposition relativ zum Stator beschreiben. Die Position kann dabei beispielsweise in 1 -Grad-Schritten angegeben werden und im Schritt des Erfassens aufgenommen werden.
Vorteilhafterweise kann somit in Abhängigkeit der Rotorposition das Einlegen des akti ven Kurzschlusses gesteuert werden. Beispielsweise kann der dazu passende kritische Wert ein oder mehrere kritische Rotorpositionen relativ zum Stator beschreiben, insbe sondere kritische Positionen, bei welchen hohe transiente Ströme in den Wicklungen der Elektromaschine erwartet werden können. Somit kann das Einlegen des aktiven Kurzschlusses in solchen Situationen, in denen hohe transiente Ströme erwartet wer den können, so gesteuert werden, dass das Einlegen verzögert wird. Entsprechend können nicht kritische Rotorpositionen, das heißt Positionen, bei denen ein vergleichs weise geringer transienter Strom auftreten wird, zum Einlegen des aktiven Kurzschlus ses verwendet werden.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann in dem Schritt des Bestimmens, ob der zumindest eine weitere Zustandsparameter einen kritischen Wert aufweist, ein Zeit punkt zum Einlegen des aktiven Kurzschlusses bestimmt werden und das Einlegen des aktiven Kurzschlusses kann zu diesem bestimmten Zeitpunkt gesteuert werden. Insbe sondere kann der Zeitpunkt in Abhängigkeit des weiteren Zustandsparameters, wie bei spielsweise der Rotorposition relativ zum Stator und alternativ oder zusätzlich in Abhän gigkeit des Anforderns des Einlegens des aktiven Kurzschlusses, beispielsweise in Ab hängigkeit der Back-EMF der Elektromaschine, bestimmt werden. Vor allem kann in einer Ausführungsform der Zeitpunkt in Abhängigkeit des berechneten und zu erwarten den transienten Stroms bestimmt werden. In einer solchen Ausführungsform kann das Bestimmen des Zeitpunkts zeitlich nach dem Berechnen des transienten Stroms erfol gen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Schritt des Bestimmens des Zeit punkts zeitlich vor, gleichzeitig oder zeitlich nach dem Schritt des Berechnens des tran sienten Stroms erfolgen. Das Steuern des Einlegens zum bestimmten Zeitpunkt kann bedeuten, dass das Einlegen so gesteuert wird, dass der Kurzschluss zu dem bestimm ten Zeitpunkt eintritt. Alternativ kann das Steuersignal zu dem bestimmten Zeitpunkt an die Vorrichtung zum Kurzschließen gesendet werden.
Vorteilhafterweise kann somit eine Planungssicherheit hinsichtlich des Einlegens des aktiven Kurzschlusses bereitgestellt werden, indem der Zeitpunkt zum Einlegen des ak tiven Kurzschlusses bestimmt wird. Durch Kommunikation eines Informationssignals umfassend den Zeitpunkt an weitere Vorrichtungen, welche mit der Elektromaschine verbunden sind, können diese Reaktionen in Abhängigkeit des Zeitpunkts einleiten. Bei spielsweise können elektrisch direkt mit der Elektromaschine verbundene Vorrichtungen elektrische Verbindungen zur Elektromaschine in Abhängigkeit des Zeitpunkts steuern. Somit können diese Vorrichtungen zum Zeitpunkt des Einlegens des aktiven Kurz schlusses, oder kurz zuvor, elektrisch von der Elektromaschine getrennt werden, um keine Schäden aufgrund zu hoher Spannung und/oder zu hohen Stroms zu erleiden.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann das Erfassen des zumindest einen weite ren Zustandsparameters zu zumindest zwei unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen. In anderen Worten kann jeweils ein Zustandsparameterwert zu jedem der beiden unter schiedlichen Zeitpunkte erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Bestimmen des Zeitpunkts zum Einlegen des aktiven Kurzschlusses in Abhängigkeit der Zu standsparameter zu den zumindest zwei Zeitpunkten erfolgen. Ferner kann das Prüfen, ob ein Einlegen des aktiven Kurzschlusses angefordert wird zu zumindest zwei unter schiedlichen Zeitpunkten erfolgen. Das Erfassen und/oder das Prüfen kann in regelmä ßigen Zeitabständen erfolgen, beispielsweise periodisch. Somit kann das Bestimmen in Abhängigkeit von periodisch erfassten Zustandsparametern und/oder Anforderung zum Einlegen des aktiven Kurzschlusses erfolgen. Vorteilhafterweise kann somit das Bestimmen des Zeitpunkts zum Einlegen des aktiven Kurzschlusses in Abhängigkeit von einem sich verändernden Zustandsparameter und/oder von der sich ändernden Anforderung des Einlegens des aktiven Kurzschlus ses über die Zeit erfolgen. Somit kann das Bestimmen des Zeitpunkts in Abhängigkeit von einer dynamischen Größe, nämlich wenigstens in Abhängigkeit der Zustandspara meterwerte, erfolgen. Somit kann das Bestimmen des Zeitpunkts zum Steuern des Ein legens des aktiven Kurzschlusses auf einer Historie von Zustandsparameterwerten er folgen. Damit kann mittels des Verfahrens besser abgeschätzt werden, zu welchem Zeitpunkt das Einlegen des aktiven Kurzschlusses basierend auf dieser Historie gesteu ert werden soll, um Schäden aufgrund von zu hoher Spannung oder einem zu hohen Strom zu verhindern.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann der zu erwartende transiente Strom für die zumindest zwei unterschiedlichen Zeitpunkte berechnet werden. Ferner kann der aktive Kurzschluss eingelegt werden, falls der zu erwartende transiente Strom in einem Zeitraum zwischen den zwei Zeitpunkten unter den Schwellwertstrom fällt. In anderen Worten kann zu einem ersten Zeitpunkt der transiente Strom berechnet werden, wobei dieser zum ersten Zeitpunkt größer ist als der Schwellwertstrom, und zu einem späte ren, zweiten Zeitpunkt kann der transiente Strom berechnet werden, wobei dieser klei ner ist als der Schwel Iwertstrom. Sodann kann gemäß der Ausführungsform das Einle gen des aktiven Kurzschlusses so gesteuert werden, dass der aktive Kurzschluss nach dem zweiten Zeitpunkt eingelegt wird. Dies kann darauf basieren, dass in einem Zeit raum zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt der zu erwartende transiente Strom unter den Schwellwertstrom fällt, und folglich keine oder geringere Schäden auf grund des geringeren Stroms am Permanentmagneten zu erwarten sind.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren somit verwendet werden, um das Steuern des aktiven Kurzschlusses so zu bestimmen, dass der Kurzschluss nur dann eingelegt wer den soll, wenn der zu erwartende transiente Strom den Schwel Iwertstrom nicht, insbe sondere nicht mehr, übersteigt. Somit können schädigende magnetische Felder, welche von dem zu erwartenden transienten Strom bei Kurzschluss ausgehen würden, vermie den werden. Somit kann eine permanente Entmagnetisierung des Permanentmagneten der Elektromaschine vermieden werden. Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann ein zeitlicher Verlauf des zu erwartenden transienten Stroms in Abhängigkeit der Schwellwertspannung und des zumindest einen weiteren Zustandsparameters berechnet werden. Alternativ kann ein zeitlicher Verlauf des zu erwartenden transienten Stroms lediglich in Abhängigkeit des zumindest einen weiteren Zustandsparameters berechnet werden und alternativ oder zusätzlich in Ab hängigkeit des Anforderns des Einlegens des aktiven Kurzschlusses. Dieser zeitliche Verlauf kann aus einem Kurzschlussmodell abgeleitet werden. Das Kurzschlussmodell kann es erlauben, in Abhängigkeit von Eingangsparametern, beispielsweise der Schwellwertspannung, des einen oder mehrerer Zustandsparameter oder der Klem menspannung Ausgangsgrößen, wie den Strom oder das Magnetfeld, zu bestimmen. Insbesondere kann der zeitliche Verlauf für einen Zeitraum in der Zukunft basierend auf Gegenwartsdaten und historischen Daten, insbesondere zur Klemmenspannung und zum wenigstens einen Zustandsparameter, bestimmt oder approximiert werden.
Vorteilhafterweise kann somit in Abhängigkeit zu erfassender, zu prüfender oder zu be stimmender Werte, wie der Back-EMF oder der Zustandsparameter, der transiente Strom bei Kurzschluss im zeitlichen Verlauf vorausbestimmt werden. Daraufhin kann vom zeitlichen Verlauf abgeleitet werden, wann es günstig sein kann, den Kurzschluss einzulegen. Insbesondere kann dies vorteilhaft sein, wenn der zu erwartende transiente Strom im zeitlichen Verlauf nicht maximal ist.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann ein lokales Minimum der zeitlichen Stromverlaufskurve als Zeitpunkt zum Einlegen des aktiven Kurzschlusses bestimmt werden. Ein lokales Minimum der zeitlichen Stromverlaufskurve kann auch ein globales Minimum dieser Kurve darstellen. Vorteilhafterweise kann somit der aktive Kurzschluss dann eingelegt werden, wenn der zu erwartende transiente Strom, und damit einherge hend das zu erwartende Gegenmagnetfeld, minimiert ist. Somit kann ein Schaden am Permanentmagneten, und damit an der Elektromaschine, und alternativ oder zusätzlich am Inverter vermieden oder zumindest minimiert werden.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann das Verfahren ferner einen Schritt auf weisen des Vorbestimmens des Schwellwertstroms in Abhängigkeit von Komponenten der Elektromaschine oder in Abhängigkeit von an die Elektromaschine elektrisch ange schlossener Vorrichtungen. Dabei kann der aktive Kurzschluss eingelegt werden, falls der zu erwartende transiente Strom unterhalb des Schwellwertstroms ist. Beispiels weise kann ein Inverter an die Elektromaschine angeschlossen sein. In Abhängigkeit des Inverters kann der Schwellwertstrom vorgegeben, insbesondere vorbestimmt, wer den. Beispielsweise kann bei einem günstigen Inverter der Schwellwertstrom niedrig vorgegeben, insbesondere vorbestimmt, werden, so dass bei Einlegen des aktiven Kurzschlusses über den Inverter transiente Ströme durch die Elektromaschine und da mit durch den Inverter, welcher an die Elektromaschine, insbesondere an die Klemmen der Elektromaschine angeschlossen ist, nicht den niedrig vorbestimmten Schwellwert strom übersteigt. Somit kann der Inverter vor zu hohen transienten Strömen geschützt werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Schwellwertstrom vergleichsweise hoch vorbestimmt werden, insbesondere wenn eine angeschlossene Vorrichtung, bei spielsweise ein Inverter, relativ teuer ist. So kann der Schwellwertstrom hoch eingestellt werden, so dass relativ hohe transiente Ströme durch die Elektromaschine, und damit beispielsweise durch den Inverter fließen können. Das Einstellen des Schwellwert stroms kann beispielsweise durch Senden von Information von der Komponente oder Vorrichtung an die Elektromaschine erfolgen. Beispielsweise kann eine Vorrichtungs kennung an die Elektromaschine gesendet werden. Basierend auf der Kennung kann dann, etwa anhand einer gespeicherten Tabelle, auf die Kosten eines Defekts der Kom ponente oder Vorrichtung rückgeschlossen werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Schwellwertstrom über eine Benutzereingabe vorbestimmt werden.
Somit kann vorteilhafterweise über den vorbestimmbaren Schwellwertstrom eine Opfe rung bestimmter Vorrichtungen und/oder Komponenten der Elektromaschine und/oder weiterer Vorrichtungen forciert werden, in Abhängigkeit vor allem der Wirtschaftlichkeit. Beispielsweise kann die billigere Vorrichtung geopfert werden, um die teure Vorrichtung oder die teurere Elektromaschine zu schützen.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann eine elektrisch angeschlossene Vorrich tung ein Schütz sein, und der Schwellwertstrom kann in Abhängigkeit von Parametern des Schütz vorbestimmt werden. Insbesondere kann der Schütz zwischen dem Inverter und der Elektromaschine angebracht sein und in einem offenen Zustand den Inverter und weitere hinter dem Inverter angeordnete Vorrichtungen vor hohen Klemmenspan nungen an der Elektromaschine schützen. Insbesondere kann in einer Ausführungsform der Schütz preislich günstig sein. Somit kann der Schütz in solch einer Ausführungs form geopfert werden, indem ein relativ niedriger Schwellwertstrom vorbestimmt wird, so dass zunächst der Schütz aufgrund des transienten Stroms einen dauerhaften Scha den davonträgt, bevor ein aktiver Kurzschluss zu einem noch ungünstigeren Zeitpunkt eingelegt wird und damit die Permanentmagneten der Elektromaschine dauerhaft ge schädigt werden könnten.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann ein Schwellwertstrom vorbestimmt wer den, welcher unterhalb eines transienten Stroms liegt, welcher die Komponenten der Elektromaschine oder der an die Elektromaschine angeschlossenen Vorrichtungen zer stören kann. Somit kann ein Puffer eingeführt werden, so dass auch bei Überschreiten des hier vorbestimmten Schwellwertstroms noch kein dauerhafter Schaden an der Elektromaschine oder den an die Elektromaschine angeschlossenen Vorrichtungen auf grund der zu hohen transienten Ströme erfolgt. Die relative und/oder absolute Höhe des Puffers, ausgedrückt beispielsweise in Ampere, kann in Abhängigkeit von Parametern der Elektromaschine und/oder der Vorrichtungen erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren ferner einen Schritt zum Regeln einer Temperatur der Magnete der permanentmagneterregten Elektromaschine aufweisen. Insbesondere kann dieser Schritt zum Regeln der Temperatur der Magnete zeitlich nach dem Schritt des Bestimmens, ob der zumindest eine weitere Zustandspa rameter einen kritischen Wert aufweist, und vor dem Schritt des Steuerns des Einlegens des aktiven Kurzschlusses, vor allem vor dem wirklichen Einlegen des Kurzschlusses, erfolgen. Das Regeln der Temperatur der Magnete kann insbesondere ein Kühlen der Magnete umfassen. Das Kühlen kann beispielsweise mittels Flüssigkeiten und/oder Ga sen erfolgen. Insbesondere kann ein Phasenübergang verwendet werden, um die Mag nete effektiv zu kühlen. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit auf die Magnete aufge bracht werden, welche durch die relativ zur Flüssigkeit gesehenen warmen Magnete derart erhitzt wird und Wärme von diesen aufnehmen kann, so dass diese Flüssigkeit verdampft und über einen Phasenübergang Wärmeenergie der Magnete effektiv, das heißt viel Wärmeenergie in einem kurzen Zeitintervall, aufnehmen kann. Insbesondere kann durch ein Verringern der Temperatur der Magnete die Magnetisierung der Perma nentmagnete der Elektromaschine erhöht werden. Somit kann einem zu erwartenden transienten Strom bei aktivem Kurzschluss und damit verbundenem Magnetfeld entge gengewirkt werden, indem die Magnetisierung der Permanentmagneten erhöht wird und der dauerhaften Schädigung somit entgegengewirkt werden kann. Ein Regeln kann auch ein Einstellen auf einen höheren Wert der Temperatur aufweisen, insbesondere durch Erwärmen der Magnete, beispielsweise mittels eines Heizdrahts. Damit kann die Magnetisierung der Magnete verringert werden, was die induzierte Spannung verringert und somit die Klemmenspannung an der Elektromaschine verringert. Damit kann der zu erwartende transiente Strom verringert werden. Alternativ oder zusätzlich kanns das Steuern des Einlegens des aktiven Kurzschlusses davon beeinflusst werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren ferner einen Schritt zum Ansteuern einer mechanischen Bremse aufweisen. Der Schritt des Ansteuerns der me chanischen Bremse kann zeitlich nach dem Schritt des Bestimmens, ob der zumindest eine weitere Zustandsparameter einen kritischen Wert aufweist, und vor dem Schritt des Steuerns des Einlegens des aktiven Kurzschlusses erfolgen. Mit der mechanischen Bremse kann die Drehzahl der Elektromaschine verringert werden. Damit kann die indu zierte Spannung verringert werden. Vorteilhafterweise kann somit auch der aktive Kurz schluss zeitlich verschoben, insbesondere auch komplett vermieden werden, insbeson dere weil durch das Verringern der Drehzahl an der Elektromaschine die Klemmen spannung die Schwellwertspannung nicht übersteigen kann. Zumindest kann durch Ver ringern der Klemmenspannung der zu erwartende transiente Strom verringert werden.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Steuergerät, welches eingerichtet ist, das Verfahren nach einer Ausführungsform des vorhergehenden Aspekts zum Steuern des Einlegens des aktiven Kurzschlusses auszuführen. Das Steuergerät kann beispielsweise ein Steuerge rät eines Fahrzeugs sein und über einen Fahrzeugbus an andere Steuergeräte des Fahrzeugs angeschlossen sein. Somit kann das Steuergerät beispielsweise den zumin dest einen Zustandsparameter über den Fahrzeugbus erfassen. Weiter kann das Steu ergerät über den Fahrzeugbus die Klemmenspannung erfassen und in Abhängigkeit dieser und des Zustandsparameters bestimmen, falls die induzierte Spannung die Schwellwertspannung übersteigt, ob der zumindest eine weitere Zustandsparameter einen kritischen Wert aufweist. Ferner kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein in Abhängigkeit des Bestimmens das Einlegen des aktiven Kurzschlusses zu steuern. Da für kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, ein Steuersignal insbesondere über den Fahrzeugbus an ein weiteres Steuergerät zum Kurzschließen zu senden. Das wei tere Steuergerät kann eine Vorrichtung zum Kurzschließen der Klemmen der Elektro- maschine steuern.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt einen Ablauf von Verfahrensschritten zur Steuerung eines aktiven Kurzschlusses nach einer Ausführungsform.
Figur 2 zeigt ein Steuergerät zum Ausführen des Verfahrens nach einer Ausfüh rungsform.
Detaillierte Beschreibung von Ausführunqsformen
Figur 1 zeigt einen Ablauf von Verfahrensschritten zur Steuerung eines aktiven Kurz schlusses nach einer Ausführungsform. Das Verfahren weist einen chronologisch ers ten Schritt SO des Vorbestimmens eines Schwellwertstroms auf. Der Schritt des Vorbe stimmens des Schwellwertstroms erfolgt durch ein Steuergerät 8, welches in Figur 2 ge zeigt ist. In der gezeigten Ausführungsform ist ein Schütz 4 mit dem Steuergerät 8 ver bunden. Der Schütz 4 sendet ein Signal an das Steuergerät 8, wobei in Abhängigkeit der Information des Signals das Steuergerät 8 den Schwellwertstrom bestimmt. In die ser Ausführungsform ist der Schütz 4 als zu opfernde Vorrichtung eingerichtet, das heißt, dass der Schwellwertstrom so vom Steuergerät 8 vorbestimmt wird, dass spätes tens bei Erreichen des Schwel Iwertstrom s der Schütz 4 aufgrund des zu hohen tran sienten Stroms einen dauerhaften Defekt aufweisen wird. Weiter ist ein Inverter 6 über den Schütz 4 mit einer Elektromaschine 2 verbunden. Der Schütz 4 ist dabei an die Elektromaschine 2 angeschlossen, insbesondere über Klemmen der Elektromaschine 2 mit dieser verbunden. Die Elektromaschine 2 weist Permanentmagneten auf. Insbeson dere ist durch den Schritt SO des Vorbestimmens des Schwellwertstroms in Abhängig keit von Parametern des Schütz 4 der Schwellwertstrom so vorbestimmt, dass von den Einrichtungen Elektromaschine 2, Schütz 4 und Inverter 6 der Schütz 4 geopfert werden würde, falls ein zu hoher transienter Strom durch die Komponenten Elektromaschine 2, Schütz 4 und Inverter 6 zu erwarten ist.
Das Steuergerät 8 ist ferner eingerichtet, einen Schritt S1 des Prüfens, ob ein Einlegen des aktiven Kurzschlusses angefordert wird, auszuführen. Das Einlegen des aktiven Kurzschlusses wird angefordert, falls eine Back-EMF der Elektromaschine (2) eine Schwellwertspannung übersteigt. Die Back-EMF ist dabei die induzierte Klemmenspan nung bei offenen Motorklemmen der Elektromaschine 2. Zum Prüfen erfasst das Steu ergerät 8 die Klemmenspannung an Klemmen der Elektromaschine 2 über einen nicht näher gezeigten Datenbus, woran das Steuergerät 8 angeschlossen ist. An den Daten bus ist ferner ein nicht näher gezeigtes Messgerät angeschlossen, welches die Klem menspannung misst.
Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt S2 des Erfassens eines Zustandsparame ters der Elektromaschine 2. Der Zustandsparameter umfasst gemäß der Ausführungs form eine Rotorposition eines Rotors im Vergleich zum Stator der Elektromaschine 2. Diese relative Rotorposition wird über einen Sensor, insbesondere einen Sensor der Elektromaschine 2, erfasst und über den Datenbus an das Steuergerät 8 gesendet.
Ferner weist das Verfahren einen Schritt S3 des Bestimmens, ob der Zustandsparame ter einen kritischen Wert aufweist, auf. Der kritische Wert in der gezeigten Ausführungs form ist ein Bereich von kritischen relativen Rotorpositionen bezüglich des Stators der Elektromaschine 2. Hierzu wird in einem Schritt S3.1 ein zu erwartender transienter Strom in Abhängigkeit von der Rotorposition berechnet. Ferner weist das Verfahren ei nen Schritt S3.2 des Bestimmens eines Zeitpunkts zum Einlegen des aktiven Kurz schlusses auf. Insbesondere ist das Steuergerät 8 eingerichtet, in Abhängigkeit des be rechneten zu erwartenden transienten Stroms und des in Schritt SO bestimmen Schwellwertstroms den Zeitpunkt zum Einlegen zu bestimmen, bei dem ein von dem Strom hervorgerufenes Magnetfeld kleiner ist als ein den Permanentmagneten der Elektromaschine 2 schädigendes Magnetfeld. Für den Fall, dass der zu erwartende transiente Strom den Schwellwertstrom übersteigt, wird der Zeitpunkt zum Einlegen des aktiven Kurzschlusses verschoben, und für den Fall, dass der zu erwartende transiente Strom den Schwellwertstrom nicht übersteigt, wird ein Zeitpunkt zum Einlegen des akti ven Kurzschlusses zeitnah bestimmt.
Ferner weist das Verfahren einen Schritt S4 des Steuerns des Einlegens des aktiven Kurzschlusses auf. Hierzu sendet das Steuergerät 8 über den Fahrzeugbus ein Steuer signal an eine Vorrichtung zum Einlegen des aktiven Kurzschlusses zwischen den Klemmen der Elektromaschine 2. Teil des Steuersignals ist der Kurzschlussbefehl und der Zeitpunkt, welcher bestimmt wurde und zu welchem der aktive Kurzschluss einge legt werden soll. Ferner weist das Verfahren einen Schritt S4.1 des Regeins einer Tem peratur der Magnete der Elektromaschine 2 auf. Der Schritt S4.1 erfolgt chronologisch mit dem Schritt S4, dabei insbesondere jedoch vor dem eigentlichen Einlegen des Kurz schlusses. Somit kann im Schritt S4.1 das Steuergerät 8 an eine Vorrichtung ein Steu ersignal senden, die Magnete der Elektromaschine 2 zu kühlen, um die Magnetisierung der Permanentmagnete zu erhöhen, so dass diese bei Einlegen des Kurzschlusses, insbesondere bei Einlegen des Kurzschlusses zeitlich direkt nach dem Regeln der Tem peratur der Magnete, so erfolgen kann, dass die Magnetisierung maximal ist. Somit wird eine Entmagnetisierung vermieden. Ferner weist das Verfahren einen Schritt S4.2 des Ansteuerns einer mechanischen Bremse auf. Die mechanische Bremse, welche nicht näher gezeigt ist, ist mechanisch direkt mit der Elektromaschine 2 verbunden und bremst die relative Bewegung des Rotors zum Stator der Elektromaschine 2 bei Ansteu erung durch das Steuergerät 8. Der Schritt S4.2 erfolgt zeitgleich mit dem Schritt S4 und dem Schritt S4.1. Somit steuert das Steuergerät 8 die Bremse an, die relative Be wegung des Rotors zu verzögern, während gleichzeitig die Magnete gekühlt werden. Damit verringert sich zunächst aufgrund der Bremswirkung die induzierte Spannung an den Klemmen der Elektromaschine 2. Das Einlegen des aktiven Kurzschlusses erfolgt sodann nach dem Kühlen der Magnete, was die Magnetisierung der Permanentmag nete erhöht und sie vor Entmagnetisierung schützt. Bezuqszeichen Elektromaschine Schütz Inverter Steuergerät (Schritt) Vorbestimmen des Schwellwertstroms (Schritt) Prüfen, ob ein Einlegen des aktiven Kurzschlusses angefordert wird (Schritt) Erfassen eines Zustandsparameters der Elektromaschine (Schritt) Bestimmen, ob ein Zustandsparameter kritischen Wert aufweist (Schritt) Berechnen eines zu erwartenden transienten Stroms (Schritt) Bestimmen eines Zeitpunkts zum Einlegen des aktiven Kurzschlus ses (Schritt) Steuern des Einlegens des aktiven Kurzschlusses (Schritt) Regeln einer Temperatur der Magnete der Elektromaschine (Schritt) Ansteuern einer mechanischen Bremse

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung eines aktiven Kurzschlusses bei einer permanentmagne terregten Elektromaschine (2), umfassend die Schritte: Prüfen (S1), ob ein Einlegen des aktiven Kurzschlusses angefordert wird, Erfassen (S2) zumindest eines weiteren Zustandsparameters der Elektromaschine (2), Bestimmen (S3), falls im Schritt des Prüfens (S1 ) der aktive Kurzschluss angefordert wird, ob der zumindest eine weitere Zustandsparameter einen kritischen Wert aufweist, und Steuern (S4) des Einlegens des aktiven Kurzschlusses in Abhängigkeit des Bestimmens (S3) durch Senden ei nes Steuersignals an eine Vorrichtung zum Kurzschließen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt des Prüfens (S1) ein Einlegen des aktiven Kurzschlusses angefordert wird, wenn eine Back-EMF der Elektroma schine (2) eine Schwellwertspannung übersteigt, wobei der Schritt des Bestim mens (S3) erfolgt, falls die Back-EMF die Schwellwertspannung übersteigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner einen Schritt aufweisend des Berech- nens (S3.1) eines zu erwartenden transienten Stroms in Abhängigkeit der induzierten Spannung und in Abhängigkeit des zumindest einen weiteren Zustandsparameters und wobei der Schritt des Bestimmens (S3), ob der Zustandsparameter einen kriti schen Wert aufweist, in Abhängigkeit des zu erwartenden transienten Stroms erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der eine weitere Zu standsparameters eine Rotorposition relativ zum Stator beschreibt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Schritt des Bestimmens (S3), ob der zumindest eine weitere Zustandsparameter einen kritischen Wert aufweist, ein Zeitpunkt zum Einlegen des aktiven Kurzschlusses bestimmt wird (S3.2) und das Einlegen des aktiven Kurzschlusses zu diesem bestimmten Zeit punkt gesteuert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Erfassen (S2) des zumindest einen weite ren Zustandsparameters zu zumindest zwei unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt und das Bestimmen (S3.2) des Zeitpunkts zum Einlegen des aktiven Kurzschlusses in Abhängigkeit der Zustandsparameterwerte zu den zumindest zwei Zeitpunkten er folgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der zu erwartende transiente Strom für die zu mindest zwei unterschiedlichen Zeitpunkte berechnet wird und der aktive Kurz schluss eingelegt wird, falls der zu erwartende transiente Strom in einem Zeitraum zwischen den zwei Zeitpunkten unter einen Schwellwertstrom fällt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei ein zeitlicher Verlauf des zu erwartenden transienten Stroms in Abhängigkeit der Schwellwertspannung und des zumindest einen weiteren Zustandsparameters berechnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein lokales Minimum der zeitlichen Stromver laufskurve als Zeitpunkt zum Einlegen des aktiven Kurzschlusses bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, ferner einen Schritt aufweisend des Vorbestimmens (SO) des Schwellwertstroms in Abhängigkeit von Komponenten der Elektromaschine (2) oder in Abhängigkeit von an die Elektromaschine (2) elektrisch angeschlossener Vorrichtungen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine elektrisch angeschlossene Vorrichtung ein Schütz (4) ist, und der Schwellwertstrom in Abhängigkeit von Parametern des Schütz (4) vorbestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , wobei ein Schwellwertstrom vorbestimmt wird, welcher unterhalb eines transienten Stroms liegt, welcher die Komponenten der Elektromaschine (2) oder der an die Elektromaschine (2) elektrisch angeschlossenen Vorrichtungen zerstört.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren fer ner einen Schritt zum Regeln (S4.1) einer Temperatur der Magnete der permanent magneterregten Elektromaschine (2) aufweist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren fer ner einen Schritt zum Ansteuern (S4.2) einer mechanischen Bremse aufweist.
15. Steuergerät (8), welches eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprü che 1 bis 14 zum Steuern des Einlegens des aktiven Kurzschlusses auszuführen.
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