WO2010052167A1 - Umrichterschaltung mit überspannungsschutz - Google Patents

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Thomas Komma
Kai Kriegel
Jürgen RACKLES
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Definitions

  • the invention relates to a converter circuit with a
  • Permanent-magnet synchronous machines are used, for example, in electric cars for the drive. There they are - as in other applications - used in field weakening operation, i. the magnetic field is reduced by a field weakening current. As a result, higher speeds can be achieved.
  • a DC battery is provided as the drive system for the operation of the PSM, and a converter for converting the single-phase battery voltage into the three-phase motor supply is provided between the battery and the PSM.
  • the object of the present invention is to provide a converter circuit which provides protection against overvoltages for further devices connected thereto. Furthermore, an operating method for a drive system is to be specified, which provides protection against overvoltage for a battery.
  • the object is achieved in terms of the converter circuit by a converter circuit having the features of claim 1.
  • the object is achieved by an operating method having the features of claim 8.
  • the converter circuit according to the invention with an overvoltage protection has an inverter for converting a single-phase voltage into a three-phase voltage. Furthermore, it has a diode which is provided on the single-phase side of the inverter. Finally, a semiconductor switch is connected in parallel with the diode.
  • an IGBT is used as the semiconductor switch.
  • IGBTs with parallel diodes are typically already available as finished components.
  • a MOSFET is used as the semiconductor switch. This already contains a diode due to its construction. So it is useful when using a MOSFET no longer requires a separate diode, the diode is part of the MOSFET.
  • the diode is expediently installed in the input line of the inverter for positive voltage, ie the phase connection on the single-phase side of the inverter. Furthermore, it is preferably installed so that it allows the flow of current into the inverter and blocks positive voltage from the inverter side.
  • the converter circuit according to the invention protects a device connected to the single-phase side, for example a car battery, from overcharging by the diode. At the same time bridging the diode is made possible by the parallel semiconductor switch, ie, for example, a return from the direction of the inverter in the battery.
  • the converter circuit can be used advantageously in a drive system.
  • This has in addition to the converter circuit at least one electric motor, which is for example a permanent-magnet synchronous machine, which is designed in particular for a field-weakening operation.
  • the electric motor is expediently connected to the 3-phase output side of the converter circuit.
  • at least one single-phase battery is provided. This is connected to the single-phase input side of the converter circuit. It is expedient for the protection of the battery from overvoltage when the positive battery terminal is connected via the diode to the converter circuit.
  • Such a drive system can be used for example in an electric vehicle such as an electric car.
  • the drive system preferably has a device for determining a value representing the voltage on the single-phase input side of the converter.
  • the device could consist in a device for voltage measurement via an intermediate circuit capacitor provided in the region of the converter.
  • a supply of the electric motor is made from the battery in an engine operating state.
  • the regenerative power state the battery is supplied by the electric motor.
  • the semiconductor switch is switched on in the regenerative operating state. That is to say, if a backfeed is to take place, the diode of the converter circuit, which otherwise blocks the feed-back, is bridged by the semiconductor switch.
  • the semiconductor switch is switched off. This in turn, in conjunction with the blocking diode, prevents the battery from being overcharged.
  • a value representing the voltage on the single-phase input side of the inverter is preferably determined and, if this value reaches a threshold at least, detected a fault in the inverter and thus suitably turned off the semiconductor switch, if it is turned on.
  • the voltage can be measured via a DC link capacitor, which is provided on the single-phase side of the inverter.
  • the diode prevents the overvoltage from being passed on to the battery without any further action. In this case, it is prevented that the semiconductor switch is turned on, for example, during a braking operation.
  • the converter itself is designed such that it can withstand the voltages which can occur when the field-weakening current ceases. Then no separate protection for the inverter itself is necessary.
  • Figure 1 is a drive system
  • Figure 2 is an operating diagram for the drive system.
  • a drive system for an electrically driven vehicle such as an electric car
  • the drive system has an electric motor 1 in the form of a permanent-magnet synchronous machine.
  • the electric motor 1 is used in field weakening operation.
  • Its three phase inputs are connected in a known manner with the output lines 9 of an inverter 2.
  • the converter 2 has, in a conventional design, starting from each of the three output lines 9 of the electric motor 1 two pairs each of a diode connected in parallel and semiconductor switches, which then in known form to two input lines 8 are brought together.
  • the two input lines 8 are connected via a DC link capacitor 3.
  • the two input lines 8 lead to the terminals of a DC battery 4.
  • a battery protection device 6 is provided between the positive connection of the battery 4 and the inverter 2, a battery protection device 6 is provided.
  • the battery protection device 6 consists of a diode 5 and a parallel to the diode 5 connected IGBT 7.
  • the diode 5 is inserted so that it leads away in the direction of the battery 4 and blocks in the direction of the inverter 2 to the battery 4.
  • the IGBT 7 is connected to a controller 10.
  • the controller 10 further includes two electrical connections to a voltage measurement. Thus, the voltage drop across the intermediate circuit capacitor 3 voltage can be measured.
  • the drive system switches to the braking operation 23.
  • braking mode a feedback from the electric motor 1 then takes place in the battery 4 to recharge the battery 4 and thus perform an energy recovery.
  • the inverter 2 is then used as a rectifier.
  • the IGBT 7 is switched on in the braking mode 23 in order to bridge the diode 5 and to enable the regeneration.
  • the controller 10 performs the turning on and off of the IGBT 7. In this case, it measures the voltage drop across the intermediate circuit capacitor 3 and, based on a threshold value for the voltage determined in advance, determines whether the converter 2 is working properly. If the converter 2 fails, the field-weakening current is missing and the magnets in the electric motor 1 induce an increased voltage in the output lines 9. If this voltage is transmitted via the converter 2 to the input lines 8, this voltage can damage the battery 4 lead. The controller 10 determines, however, based on the voltage measurement, if such an error case 21 is present. If the error case 21, then the controller switches 10 from the IGBT 7. As a result, the power line in the direction of the battery 4 to be prevented again, since the diode 5 blocks. Thus, damage to the battery 4 is avoided.

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Abstract

Für ein Antriebssystem eines Elektroautos aus DC-Batterie, permanenterregter Synchronmaschine im Feldschwäche-Betrieb als Elektromotor und zwischengeschaltetem Umrichter wird in die Verbindung zwischen positivem Batterieanschluss und Umrichter eine Diode zum Sperren positiver Spannungen aus dem Umrichter eingebracht. Dadurch wird ein Überladen und Zerstörung der Batterie bei Störung des Umrichters vermieden. Ein parallel zur Diode vorgesehener IGBT wird zur Überbrückung der Diode eingeschaltet, wenn eine reguläre Rückspeisung vom Motor in die Batterie erfolgen soll. Im Störungsfall wird der IGBT abgeschaltet.

Description

Beschreibung
Umrichterschaltung mit Überspannungsschutz
Die Erfindung betrifft eine Umrichterschaltung mit einem
Überspannungsschutz, insbesondere zur Verwendung in Elektro- fahrzeugen .
Permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) kommen beispielswei- se bei Elektroautos für den Antrieb zum Einsatz. Dort werden sie - wie auch in anderen Anwendungen - im Feldschwäche- Betrieb verwendet, d.h. das magnetische Feld wird durch einen feldschwächenden Strom verringert. Dadurch können höhere Drehzahlen erreicht werden. In einem Elektroauto ist als An- triebssystem für den Betrieb des PSM beispielsweise noch eine DC-Batterie und zwischen Batterie und PSM ein Umrichter für die Umsetzung der einphasigen Batteriespannung in die dreiphasige Motorversorgung vorgesehen.
Kommt es bei hohen Drehzahlen des PSM zu einem Ausfall des vorgeschalteten Umrichters, fehlt in der Folge der feldschwächende Strom. Solange die Drehzahl hoch bleibt, also zumindest für eine kurze Zeit, wird durch die Magnete des Motors eine Spannung induziert, die oberhalb der normalen und ge- wünschten Zwischenkreis- oder Batteriespannung liegt. Bei heutigen Batterien ist eine zu hohe Spannung jedoch zerstörerisch.
Es ist zur Vermeidung einer Überbelastung der Batterie mög- lieh, den gesamten Aufbau eines solchen Antriebssystems auf einen Betrieb ohne Feldschwächung auszulegen, was jedoch insgesamt zu einer schlechteren Ausnutzung des Motors, also einer geringeren Leistungsdichte führt. Weiterhin kann eine Schutzschaltung verwendet werden, die bei Ausfall des Umrich- ters die Motorphasen kurzschließt und somit das Auftreten einer hohen Spannung schon vor dem Umrichter vermeidet. Diese Schutzschaltungen sind jedoch aufwändig und ihre Funktion muss wiederum sichergestellt werden, was einen zusätzlichen Aufwand nach sich zieht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Umrichter- Schaltung anzugeben, die für einen Schutz von damit verbundenen weiteren Geräten vor Überspannungen bietet. Weiterhin soll ein Betriebsverfahren für ein Antriebssystem angegeben werden, das Schutz vor Überspannung für eine Batterie bietet.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Umrichterschaltung durch eine Umrichterschaltung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Betriebsverfahrens wird die Aufgabe durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst .
Die erfindungsgemäße Umrichterschaltung mit einem Überspannungsschutz weist einen Umrichter zur Wandlung einer einphasigen Spannung in eine dreiphasige Spannung auf. Weiterhin weist sie eine Diode auf, die auf der einphasigen Seite des Umrichters vorgesehen ist. Schließlich ist parallel zur Diode ein Halbleiterschalter geschaltet.
Vorzugsweise wird als Halbleiterschalter ein IGBT verwendet. IGBTs mit parallelen Dioden sind heute typisch bereits als fertige Bauteile erhältlich. Alternativ wird als Halbleiterschalter ein MOSFET verwendet. Dieser enthält bereits aufgrund seines Aufbaus eine Diode. Es wird also zweckmäßig bei Verwendung eines MOSFET keine selbständige Diode mehr benötigt, die Diode ist Teil des MOSFET.
Die Diode ist dabei zweckmäßig in die Eingangsleitung des Umrichters für positive Spannung, also den Phasenanschluss auf der einphasigen Seite des Umrichters eingebaut. Weiterhin ist sie bevorzugt so eingebaut, dass sie den Stromfluss in den Umrichter erlaubt und positive Spannung von Umrichterseite her sperrt. Die erfindungsgemäße Umrichterschaltung schützt ein auf der einphasigen Seite angeschlossenes Gerät, beispielsweise eine Autobatterie, durch die Diode vor Überladung. Gleichzeitig wird aber durch den parallel angeordneten Halbleiterschalter eine Überbrückung der Diode ermöglicht, d.h. beispielsweise eine Rückspeisung aus Richtung des Umrichters in die Batterie .
Die Umrichterschaltung lässt sich vorteilhaft in einem An- triebssystem verwenden. Diese weist neben der Umrichterschaltung wenigstens einen Elektromotor auf, der beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine ist, die insbesondere für einen Feldschwäche-Betrieb ausgelegt ist. Der Elektromotor ist zweckmäßig mit der 3-phasigen Ausgangsseite der Um- richterschaltung verbunden. Ferner ist wenigstens eine einphasige Batterie vorgesehen. Diese ist mit der einphasigen Eingangsseite der Umrichterschaltung verbunden ist. Dabei ist es zweckmäßig für den Schutz der Batterie vor Überspannung, wenn der positive Batterieanschluss über die Diode mit der Umrichterschaltung verbunden ist. Ein derartiges Antriebssystem kann beispielsweise in einem Elektrofahrzeug wie einem Elektroauto zum Einsatz kommen.
Vorzugsweise weist das Antriebssystem eine Vorrichtung zur Ermittlung eines die Spannung auf der einphasigen Eingangsseite des Umrichters repräsentierenden Werts auf. Beispielsweise könnte die Vorrichtung in einer Einrichtung zur Spannungsmessung über einen im Bereich des Umrichters vorgesehenen Zwischenkreiskondensator bestehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren für das Antriebssystem wird in einem Motorbetriebszustand eine Speisung des Elektromotors aus der Batterie vorgenommen. In diesem Schritt findet also zweckmäßig ein Antrieb des Motors statt, was ei- nem „Gasgeben" entspricht. In einem weiteren Zustand, dem Rückspeisebetriebszustand wird eine Speisung der Batterie durch den Elektromotor vorgenommen. Bei einem Elektrofahrzeug wird dieser Zustand typischerweise beim Bremsen eingenommen. Beim Bremsen wird versucht, möglichst viele Energie aus der Bewegung des Fahrzeugs wieder zurückzugewinnen und in der Batterie zu speichern. Dabei ist im Rückspeisebetriebszustand der Halbleiterschalter eingeschaltet. D.h., soll eine Rück- Speisung stattfinden, wird die ansonsten für eine Rückspeisung sperrende Diode der Umrichterschaltung durch den Halbleiterschalter überbrückt. Schließlich wird bei einer Störung des Umrichters der Halbleiterschalter abgeschaltet. Dadurch wiederum wird in Verbindung mit der sperrenden Diode verhin- dert, dass die Batterie überladen wird.
Für die Feststellung einer Störung des Umrichters gibt es verschiedene Möglichkeit. Da es für das vorliegende Verfahren vor allem darauf ankommt, eine Überspannung für die Batterie zu vermeiden, wird bevorzugt ein die Spannung auf der einphasigen Eingangsseite des Umrichters repräsentierender Wert ermittelt wird und, sofern dieser Wert einen Schwellwert zumindest erreicht, eine Störung des Umrichters festgestellt und somit zweckmäßig der Halbleiterschalter abgeschaltet, sofern er angeschaltet ist. Beispielsweise kann hierzu die Spannung über einen Zwischenkreiskondensator gemessen werden, der auf der einphasigen Seite des Umrichters vorgesehen ist.
Ist der Halbleiterschalter bei Auftreten einer Störung des Umrichters angeschaltet, so verhindert die Diode ohne weitere Aktion eine Weitergabe der Überspannung an die Batterie. In diesem Fall wird verhindert, dass der Halbleiterschalter beispielsweise bei einem Bremsvorgang angeschaltet wird.
Es ist vorteilhaft, wenn der Umrichter selbst so ausgelegt ist, dass er die Spannungen, die bei Wegfall des feldschwächenden Stroms auftreten können aushält. Dann ist kein separater Schutz für den Umrichter selbst notwendig.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert darge- stellt und sich entsprechende Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen markiert. Die Figuren zeigen dabei im Einzelnen
Figur 1 ein Antriebssystem Figur 2 ein Betriebsschema für das Antriebssystem.
Im Ausführungsbeispiel wird ein Antriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, beispielsweise ein Elektroauto betrachtet. Das Antriebssystem weist einen Elektromotor 1 in Form einer permanenterregten Synchronmaschine auf. Der Elektromotor 1 wird im Feldschwächebetrieb verwendet. Seine drei Phaseneingänge sind in bekannter Art verbunden mit den Ausgangsleitungen 9 eines Umrichters 2. Der Umrichter 2 weist in herkömmlicher Bauart ausgehend von jeder der drei Ausgangs- leitungen 9 des Elektromotors 1 zwei Paare von je einer parallel geschalteten Diode und Halbleiterschalter auf, die dann in bekannter Form zu zwei Eingangsleitungen 8 zusammengeführt sind. Die beiden Eingangsleitungen 8 sind über einen Zwischenkreiskondensator 3 verbunden.
Weiterhin führen die beiden Eingangsleitungen 8 zu den Anschlüssen einer DC-Batterie 4. Zwischen dem positiven An- schluss der Batterie 4 und dem Umrichter 2 ist eine Batterieschutzeinrichtung 6 vorgesehen. Die Batterieschutzeinrichtung 6 besteht aus einer Diode 5 und einem parallel zur Diode 5 geschalteten IGBT 7. Die Diode 5 ist dabei so eingesetzt, dass sie in Richtung von der Batterie 4 weg leitet und in Richtung vom Umrichter 2 zur Batterie 4 sperrt. Der IGBT 7 ist mit einer Steuerung 10 verbunden. Die Steuerung 10 weist weiterhin zwei elektrische Verbindungen zu einer Spannungsmessung auf. Damit kann die über den Zwischenkreiskondensator 3 abfallende Spannung gemessen werden.
Der Betrieb des Antriebssystems wird im Folgenden anhand des AblaufSchemas, das in Figur 2 dargestellt ist, erläutert. Es wird dabei davon ausgegangen, dass in einem Motorstart- Schritt 20 das hier betrachtete Elektrofahrzeug gestartet wird. Das muss bei Elektromotoren nicht unbedingt ein tat- sächliches Laufen de Motoren wie bei den Verbrennungsmotoren bedeuten, es soll lediglich den Ausgangspunkt bedeuten. Ist das Elektrofahrzeug fahrbereit, befindet es sich in einem Zwischenzustand, in dem keine Rückspeisung aus dem Motor stattfindet, aber auch kein Antrieb des Motors. Dieser Zustand, d.h. ein Leerlauf, tritt auch später immer wieder auf, soll aber nicht näher beschrieben werden.
In der Folge werden zwei Betriebszustände betrachtet, die sich gewöhnlich abwechseln und auch im Wechsel mit dem bereits erwähnten Leerlauf auftreten. Nach dem Motorstart 20 wird üblicherweise zuerst der Motorbetrieb 22 auftreten. In diesem Schritt oder Betriebszustand wird der Elektromotor 1 aus der Batterie 4 gespeist, um das Elektrofahrzeug anzutrei- ben. Im Motorbetrieb 22 ist der IGBT 7 ausgeschaltet.
Soll das Elektrofahrzeug gebremst werden, so schaltet das Antriebssystem auf den Bremsbetrieb 23 um. Im Bremsbetrieb findet dann eine Rückspeisung aus dem Elektromotor 1 in die Bat- terie 4 statt, um die Batterie 4 wieder aufzuladen und somit eine Energierückgewinnung durchzuführen. Der Umrichter 2 wird dann als Gleichrichter verwendet. Da in diesem Fall die Diode 5 blockierend wirkt, wird im Bremsbetrieb 23 der IGBT 7 eingeschaltet, um die Diode 5 zu überbrücken und die Rückspei- sung zu ermöglichen.
Die Steuerung 10 führt die An- und Abschaltung des IGBTs 7 durch. Dabei misst sie die über den Zwischenkreiskondensator 3 abfallende Spannung und bestimmt anhand eines vorab festge- legten Schwellwerts für die Spannung, ob der Umrichter 2 ordnungsgemäß arbeitet. Fällt der Umrichter 2 aus, so fehlt der feldschwächende Strom und die Magnete im Elektromotor 1 induzieren eine erhöhte Spannung in den Ausgangsleitungen 9. Wird diese Spannung über den Umrichter 2 weitergegeben in die Ein- gangsleitungen 8, so kann diese Spannung zu einer Schädigung der Batterie 4 führen. Die Steuerung 10 stellt jedoch anhand der Spannungsmessung fest, ob ein solcher Fehlerfall 21 vorliegt. Liegt der Fehlerfall 21 vor, so schaltet die Steuerung 10 den IGBT 7 ab. Dadurch wird die Stromleitung in Richtung auf die Batterie 4 zu wieder unterbunden, da die Diode 5 sperrt. Somit wird eine Beschädigung der Batterie 4 vermieden .

Claims

Patentansprüche
1. Umrichterschaltung mit einem Überspannungsschutz, aufweisend: - einen Umrichter (2) zur Wandlung einer einphasigen Spannung in eine dreiphasige Spannung,
- einer Diode (5) , die auf der einphasigen Seite des Umrichters (2) vorgesehen ist, und
- einem parallel zur Diode (5) geschalteten Halbleiterschal- ter (7) .
2. Umrichterschaltung gemäß Anspruch 1, bei der der Halbleiterschalter (7) ein IGBT (7) ist.
3. Umrichterschaltung gemäß Anspruch 1, bei der der Halbleiterschalter (7) ein MOSFET ist, wobei die Diode (5) baulicher Teil des MOSFETs ist.
4. Antriebssystem mit: - wenigstens einer Umrichterschaltung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche,
- wenigstens einem Elektromotor (1), der mit der 3-phasigen Ausgangsseite der Umrichterschaltung verbunden ist und
- wenigstens einer einphasigen Batterie (4), die mit der ein- phasigen Eingangsseite der Umrichterschaltung verbunden ist .
5. Antriebssystem gemäß Anspruch 4, bei dem der Elektromotor (1) eine permanenterregte Synchronmaschine (1) ist, die ins- besondere für einen Feldschwäche-Betrieb ausgelegt ist.
6. Antriebssystem gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem der positive Batterieanschluss über die Diode (5) mit der Umrichterschaltung verbunden ist.
7. Antriebssystem gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem eine Vorrichtung zur Ermittlung eines die Spannung auf der einphasigen Eingangsseite des Umrichters repräsentierenden Werts vorgesehen ist.
8. Betriebsverfahren für ein Antriebssystem gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem:
- in einem Motorbetriebszustand eine Speisung des Elektromotors (1) aus der Batterie (4) vorgenommen wird,
- in einem Rückspeisebetriebszustand eine Speisung der Batterie (4) durch den Elektromotor (1) vorgenommen wird, - im Rückspeisebetriebszustand der Halbleiterschalter (7) eingeschaltet ist, und
- der Halbleiterschalter (7) bei einer Störung des Umrichters
(2) abgeschaltet wird.
9. Betriebsverfahren gemäß Anspruch 8, bei dem ein die Spannung auf der einphasigen Eingangsseite des Umrichters (2) repräsentierender Wert ermittelt wird und, sofern dieser Wert einen Schwellwert zumindest erreicht, eine Störung des Umrichters (2) festgestellt wird.
PCT/EP2009/064310 2008-11-07 2009-10-29 Umrichterschaltung mit überspannungsschutz WO2010052167A1 (de)

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