WO2017125207A1 - Verfahren zum regeln der zwischenkreisspannung eines hybrid- oder elektro-fahrzeugs nach abtrennen der hochvoltbatterie - Google Patents

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WO2017125207A1
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voltage
uzk
intermediate circuit
link
control
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PCT/EP2016/080470
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Edwin Eberlein
Daniel Raichle
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Robert Bosch Gmbh
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    • B60L7/10—Dynamic electric regenerative braking
    • B60L7/18—Controlling the braking effect

Definitions

  • the invention has a method for controlling the DC link voltage of a hybrid or electric vehicle to be used in extraordinary situations of the vehicle.
  • the high-voltage battery fails or at least must be electrically disconnected from the high-voltage circuit of the vehicle. Thereafter, the voltage on the link capacitor should rapidly increase to a low, e.g. be lowered for persons harmless level, without causing high, the components overloading power and voltage peaks.
  • the invention is based on an example of an electrically driven vehicle, in which a high-voltage battery in parallel to a
  • DC link capacitor is connected, and this voltage is supplied with alternating polarity, for example via a DC / AC converter, the drive motor, which may be in particular a permanent-magnet synchronous machine.
  • This drive motor can hold up to 300 A e ff and so make a capacity of up to 34 kW with a torque of up to 300 Nm, for example, at an operating voltage of 288 V streams.
  • the converter becomes a low voltage for the electrical system
  • a power of up to 2.5 kW can be transmitted to the low-voltage electrical system and a current of up to 175 A can be emitted there.
  • a defect is diagnosed on the vehicle or - recognizable by sensors - an accident is imminent or has already started, it is appropriate to disconnect the high-voltage battery from the circuit, and then immediately at all live components in the vehicle, and here in particular on the DC link capacitor, to reduce the voltage to a low, eg for people harmless voltage level, so as to achieve a predetermined safety target, for example, a maximum of 60 V within a maximum of 3 seconds. This can be the safety of
  • On-board computer fails with low voltage, a redundant supply of the on-board computer from the intermediate circuit voltage, i. from the
  • DC link capacitor a typical sawtooth waveform at about 36 V, which ends only when the engine has come to a standstill and the stator currents are discharged.
  • the control voltages required for the switching diodes (IGBTs) are provided via the redundant emergency power supply from the DC link capacitor, which only collapses when the voltage drops to below approx. 15 V due to the motor stalling.
  • DC link voltage e.g. as a result of the mentioned stability problems of the control or as a result of erroneous measured values for the voltage regulation, with the engine still rotating to below about 15 V, and this would have too long or even permanent locking of the electronic switch
  • the invention is, starting from this, directed to a method for regulating the DC link voltage of a hybrid or electric vehicle after disconnecting the high-voltage battery from the circuit, wherein the control of the torque of the drive motor is turned off and in the Drive motor generated electrical energy is now such controlled to the link capacitor is transmitted back that the
  • DC link voltage follows a predetermined voltage range and remains there.
  • Embodiments of the invention provide further advantages.
  • the regulation of the energy return can be clocked with a grid frequency f and pulse width modulated, each with a phase of active short circuit and a freewheeling phase in each cycle, wherein in the phase of the active short circuit, the respective motor coil is short-circuited and the energy remains in the magnetic field of the motor , And wherein in the freewheeling phase, the motor coils on acting as a rectifier freewheeling diodes with the
  • the screen frequency f may be the same as the screen frequency in the control and regulation of the drive motor in the regular driving mode, ie. 9 or 10 kHz. This high frequency advantageously increases the stability of the control and the dynamics of the control path.
  • DC link capacitor is determined by the duty ratio ⁇ .
  • ⁇ the duty ratio
  • an optimal regulator can be selected, e.g. a two-position controller, an I-controller, a PI-controller or a PI D-controller to the
  • the drive motor may be a three- or multi-phase motor with three or more coils in star or delta connection, and then the energy return from these coils advantageously takes place simultaneously.
  • the lowering of the intermediate circuit voltage is preferably linear within a predetermined time t ram p or possibly faster, to a predetermined value, and then the DC link voltage between a lower
  • Limit UZKJOW and an upper limit UzK_hi g h is held until the engine has come to a standstill and discharged, the limits of the intermediate circuit voltage UZKJOW and UzK_hi g h above the hardware installed limit for maintaining the emergency operation of the
  • HV safety target e.g., a maximum of 60V within 3 seconds
  • FIG 1 shows the circuit of the essential elements of an electric motor driven vehicle
  • FIG. 2 symbolically illustrates the steps of the method according to the invention
  • FIGS. 3a and 3b illustrate the function of the IGBTs and the freewheeling diodes for the method according to the invention.
  • Figure 4 illustrates the timing of freewheel and active short circuit
  • FIG. 5 illustrates the control process for the intermediate circuit voltage
  • Figure 6 shows the time course of the intermediate circuit voltage after disconnecting the high-voltage battery.
  • FIG. 1 gives an overview of the power electronics of an electric motor driven vehicle.
  • the central power supply is provided by a high-voltage battery 1 (HV battery), which, depending on the power requirement to the vehicle, a nominal voltage of e.g. May have 288V.
  • a DC link capacitor CZK is connected in parallel with the HV battery.
  • About a galvanically decoupling DC / DC converter 2 is a low-voltage electrical system 3 of e.g. 14 V and this voltage is supplied to a corresponding battery 4 with a rated voltage of e.g. 12V stabilized.
  • the low-voltage supply as usual, supplies the consumers on board, e.g. Lighting, radio, etc. Also the on-board computer is supplied from the low voltage.
  • the low voltage network is for a load of e.g. 2.5 kW, designed according to a current of 175 A.
  • the drive of the vehicle takes place with an electromotive machine, usually a permanent magnet synchronous motor 5 (PSM) with three or more phases.
  • PSM permanent magnet synchronous motor 5
  • the coils of the motor 5 are clocked with the HV- Battery connected and reversed, with a pulse width modulation is often considered to control the output power or the desired torque.
  • This pulse width modulation is realized in the case of a three-phase motor 5 by a module with three half-bridges, the two each
  • IGBTs insulated-gate bipolar transistors
  • the motor coils Sl, S2 and S3 are usually connected to a star or a delta and are connected by means of the IGBTs Tl to T6 alternately with the poles of the HV battery 1.
  • the IGBTs are controlled by a control device 7 which receives as inputs a plurality of control signals 8 and other information about vehicle functions and communicates with a number of devices on board, e.g. also via a CAN bus 9.
  • control unit has e.g. It can be reported via control signals
  • High-voltage network (flyback) are accepted, namely with disconnected high-voltage battery 1 from the DC link capacitor CZK.
  • UZK_HW 36 V
  • all six IGBTs of the motor control are opened.
  • the electric motor is then in the freewheel, cf. FIG. 3a, and the stator current charges the intermediate circuit voltage again via UZK_HW via the freewheeling diodes.
  • three of the six switches, eg T4, T5 and T6 are closed, cf. Figure 3b, and the engine is thereby in an active short circuit (AKS), in which he no power to the
  • the invention proposes as software control, which has to precede the hardware management of the intermediate circuit voltage to UZK_HW (36 V), according to Figure 2, after disconnecting the HV battery 1 (step 11 in Figure 2), the current control of the torque of the drive motor. 5 to switch off, cf. Step 12 in Figure 2, so that it is for the subsequent behavior of motor 5 and
  • DC link voltage in their time course follows a setpoint sufficiently fast, which leads them to a range of values, see. Step 13 in Figure 2, and then leaves it in that range, step 14.
  • This range of values may be e.g. to act on tensions that are safe for people.
  • the other switching state of the IGBTs used is the active short circuit (AKZ) shown in FIG. 3b.
  • the switches Tl, T2 and T3 are still open, but the switches T4, T5 and T6 are now closed, while the positive pole of the DC link capacitor CZK is disconnected from the motor by the still open switches Tl, T2 and T3.
  • Current can no longer flow via the freewheeling diodes because the intermediate circuit voltage is applied in the reverse direction.
  • all motor windings are short-circuited, and the current in the motor windings remains, depending on the operating point (in particular the speed) and other electrical parameters of the electric motor obtained.
  • the DC link voltage UZK drops in this phase at a rate that corresponds to the Ohmic load of the DC link. This load can e.g. then be quite high when a heater is in operation; It may also be relatively low.
  • DC link voltage increases on the one hand and reduces the other, is clocked at a fixed frequency f and thus with a fixed period
  • the time averaged over several grid periods average value of the charging current of the DC link capacitor is thus determined solely by the duty ratio ⁇ and variable.
  • FIG. 4 illustrates this pulse width modulation.
  • a conventional robust controller R to be installed as software can regulate the intermediate circuit voltage, as shown in FIG.
  • the manipulated variable ⁇ (or equivalent: IF) to be determined by the controller R determines the magnitude of the current with which the intermediate circuit capacitor CZK is charged or discharged in the time average, the disturbances being both the electrical load in the
  • DC link voltage controlled in a given time t ram p led to a predetermined value and then in a predetermined range of values, between UzK_hi g h and UZKJOW, held until the motor 5 has come to a standstill.
  • the lower limit value UZKJOW should be sufficiently far above the hardware-installed limit value UZK_HW for maintaining an emergency operation of the motor control since this hardware measure should only be used if the software control fails.
  • an active fast discharge can be provided.
  • SE active fast discharge
  • the control of the intermediate circuit voltage is switched off for a predetermined time and the intermediate circuit capacitor is switched over via a load resistor or via a comparable circuit element unload an intended amount. If, as a result of the rapid discharge, the HV safety target is reached (hatched area in FIG. 6), this becomes

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Abstract

Die Erfindung hat ein Verfahren zum Regeln der Zwischenkreisspannung (UZK) am Zwischenkreiskondensator (CZK) eines Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugs nach dem Abtrennen der Hochvoltbatterie (1) vom Stromkreis zum Gegenstand. Dabei wird die Regelung des Drehmoments des Antriebsmotors (5) abgeschaltet, und die im Antriebsmotor (5) gespeicherte Energie derart mit einem Regler geregelt an den Zwischenkreiskondensator (CZK) zurück übertragen, dass die Zwischenkreisspannung (UZK) in ihrem zeitlichen Verlauf einem Sollwert zu einem Wertebereich folgt und in diesem Wertebereich verbleibt.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Regeln der Zwischenkreisspannung eines Hybrid- oder Elektro- Fahrzeugs nach Abtrennen der Hochvoltbatterie
Die Erfindung hat ein Verfahren zum Regeln der Zwischenkreisspannung eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs zu Gegenstand, das in außerordentlichen Situationen des Fahrzeugs zum Einsatz kommen soll. Insbesondere wird vorausgesetzt, dass in einer solchen Situation die Hochvoltbatterie ausfällt oder zumindest vom Hochvoltstromkreis des Fahrzeugs elektrisch getrennt werden muss. Danach soll die Spannung am Zwischenkreiskondensator rasch auf ein niedriges, z.B. für Personen ungefährliches Maß abgesenkt werden, ohne dass dabei hohe, die Bauteile überlastende Strom- und Spannungsspitzen entstehen.
Stand der Technik
Die Erfindung geht dabei beispielhaft von einem elektrische angetriebenen Fahrzeug aus, bei dem eine Hochvoltbatterie parallel zu einem
Zwischenkreiskondensator geschaltet ist, und diese Spannung wird mit wechselnder Polarität, z.B. über einen DC/AC-Wandler, dem Antriebsmotor zugeführt, der insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine sein kann. Dieser Antriebsmotor kann beispielsweise bei einer Betriebsspannung von 288 V Ströme bis zu 300 Aeff aufnehmen und so eine Leistung von bis zu 34 kW mit einem Drehmoment von bis zu 300 Nm abgeben. Über einen DC/DC-
Wandler wird darüber hinaus eine Niederspannung für das Bordnetz
bereitgestellt und z.B. durch eine 12 V-Batterie stabilisiert. Hierdurch kann typischer Weise eine Leistung von bis zu 2,5 kW in das Niedervolt-Bordnetz übertragen und dort ein Strom von bis zu 175 A abgegeben werden. In bestimmten Situationen, z.B. wenn ein Defekt am Fahrzeug diagnostiziert wird oder - durch Sensoren erkennbar - ein Unfall bevorsteht oder gar bereits begonnen hat, ist es angezeigt, die Hochvoltbatterie vom Stromkreis zu trennen, und dann sofort an allen spannungsführenden Bauteile im Fahrzeug, und hier insbesondere am Zwischenkreiskondensator, die Spannung auf ein niedriges, z.B. für Personen ungefährliches Spannungsniveau zu senken, um so ein vorgegebenes Sicherheitsziel, beispielsweise maximal 60 V innerhalb von maximal 3 Sekunden zu erreichen. Damit kann die Sicherheit der
Fahrzeuginsassen und auch die Sicherheit eventueller externer Helfer vor Stromschlägen gewährleistet werden. Im Fall, dass die Versorgung des
Bordrechners mit Niederspannung ausfällt, erfolgt eine redundante Versorgung des Bordrechners aus der Zwischenkreisspannung, d.h. aus dem
Hochvoltbereich. Ein Zusammenbrechen der Zwischenkreisspannung auf Werte nahe 0V muss vermieden werden, da ansonsten diese redundante Versorgung nicht mehr bereitgestellt werden kann. Durch die ununterbrochene redundante Versorgung des Bordrechners kann die Synchronmaschine autark in einen sicheren Zustand gebracht und gehalten werden. Darüber hinaus sollte möglichst kein oder nur ein begrenztes Drehmoment auf die Achse des Antriebs übertragen werden, weil dies z.B. in nicht vorhersehbarer Weise Einfluss auf ein Unfallgeschehen haben könnte. In bestimmten Situationen (z.B. HV-System hat keine Berühr-Gefährdung) ist nach dem Abtrennen der Hochvoltbatterie weiterhin ein Fahrbetrieb möglich; dazu ist es erforderlich dass der DC/DC Wandler weiterhin das Niedervolt-System stützt.
Um dies zu erreichen, sieht der Stand der Technik unmittelbar nach dem
Abkoppeln der Hochvoltbatterie einen Spannungsregelungsmodus als übergeordnete Regelung des Antriebs vor, d.h. das Ansteuermuster der E- Maschine wird so gewählt, dass eine relativ konstante Zwischenkreisspannung erreicht wird. Für den Fahrer entspricht dieser Zustand einer sehr geringen Drehmomentaufnahme (Bremswirkung), die für diesen Fehlerfall akzeptabel ist. Diese Spannungsregelung ist relativ anspruchsvoll, da eine untergeordnete Drehmoment /Stromregelung erforderlich ist und die Regelung mit Störgrößen beaufschlagt wird, z.B. mit Lastsprüngen. Für den Fall des Ausfalls des Bordrechners, der eine solche Regelung einleiten und steuern muss, wird eine durch Hardware realisierte ergänzende Maßnahme aktiv, die ausgelöst wird, wenn die Zwischenkreisspannung erstmals einen vorab festgelegten Grenzwert von z.B. 36 V unterschreitet. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Bordrechner dann nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet, und die Hardwareschaltung übernimmt Motorsteuerung. Solange die
Zwischenkreisspannung über 36 V liegt, sieht diese Hardware-Steuerung für die Motorspulen ein aktiver Kurzschluss vor, während unter 36 V dieser Kurzschluss (nach einer kurzen Verzögerungszeit) gelöst wird, wodurch der Motor in den Freilauf übergeht, was den Zwischenkreiskondensator über die Freilaufdioden wieder auflädt. Im Ergebnis hat dadurch die Spannung am
Zwischenkreiskondensator einen typischen, sägezahnförmigen Verlauf bei etwa 36 V, der erst endet, wenn der Motor zum Stillstand gekommen ist und die Statorströme entladen sind. Die dafür erforderlichen Steuerspannungen für die Schaltdioden (IGBTs) werden über die redundante Notversorgung aus dem Zwischenkreiskondensator bereit gestellt, die erst zusammenbricht, wenn dort die Spannung wegen Stillstand des Motors auf unter ca. 15 V sinkt.
Ohne eine solche Hardware-Sicherheitsmaßnahme könnte die
Zwischenkreisspannung, z.B. infolge der erwähnten Stabilitätsproblemen der Regelung oder infolge fehlerhafter Messwerte für die Spannungsregelung, bei sich noch drehendem Motor auf unter ca. 15 V absinken, und dies hätte ein zu langes oder sogar dauerhaftes Sperren der elektronischen Schalter der
Motorsteuerung zur Folge. Die noch vorhandenen Statorströme und die
Polradspannung würden den Zwischenkreiskondensator wieder auf über 60 V aufladen, ohne dass es eine Möglichkeit gäbe, dies dann noch zu verhindern, weil der Rechner evtl. gar nicht, zumindest aber nicht schnell genug wieder hochgefahren werden kann, um die Regelung erneut zu übernehmen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung ist, hiervon ausgehend, auf ein Verfahren zum Regeln der Zwischenkreisspannung eines Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugs nach dem Abtrennen der Hochvoltbatterie vom Stromkreis gerichtet, wobei die Regelung des Drehmoments des Antriebsmotors abgeschaltet wird und die im Antriebsmotor erzeugte elektrische Energie nunmehr derart geregelt an den Zwischenkreiskondensator zurück übertragen wird, dass die
Zwischenkreisspannung in einen vorgebbaren Spannungsbereich folgt und dort verbleibt.
Dies hat den Vorteil, dass in einer Situation, in der eine besonders hohe Anzahl von Störungen, die auch besonders intensiv sein können, kein relativ instabiles Regelungskonzept mit einer untergeordneten Drehmomentregelung auf einem groben Zeitraster und dadurch mit einer begrenzten Dynamik zum Einsatz kommt. Vielmehr spielen die Eingangsgrößen einer Drehmomentregelung, wie der Rotorwinkel des Motors oder die Ströme, keine Rolle mehr, und sie können die Regelung der Zwischenkreisspannung nicht außer Tritt bringen, auch wenn sie situationsbedingt fehlerhaft sein sollten.
Ausführungsarten der Erfindung bringen weitere Vorteile.
Die Regelung des Energierückfluss kann mit einer Rasterfrequenz f getaktet und pulsbreitenmoduliert erfolgen, mit jeweils einer Phase des aktiven Kurzschlusses und einer Phase des Freilaufs in jedem Takt, wobei in der Phase des aktiven Kurzschlusses die jeweilige Motorspule kurzgeschlossen ist und die Energie im Magnetfeld des Motors verbleibt, und wobei in der Freilaufphase die Motorspulen über als Gleichrichter wirkende Freilaufdioden mit dem
Zwischenkreiskondensator verbunden sind und diesen mit einem Ladestrom aufladen. Dabei kann die Rasterfrequenz f dieselbe sein, wie Rasterfrequenz bei der Steuerung und Regelung des Antriebsmotors im regulären Fahrbetrieb, also z.B. 9 oder 10 kHz. Diese hohe Frequenz erhöht vorteilhaft die Stabilität der Regelung und die Dynamik der Regelungsstrecke.
Vorteilhaft ist auch, als Stellgröße für die Regelung der Spannung des
Zwischenkreiskondensators das Tastverhältnis η zu variieren, das
definitionsgemäß äquivalent zur Dauer der Phase des Freilaufs IF ist, gemäß der Formel
η = XF / T = iF * f ,
wobei die in der Periode verbleibende Zeit die Zeit des aktiven Kurzschlusses
XAKS = T - IF ist, und wobei der zeitlicher Mittelwert des Ladestroms des
Zwischenkreiskondensators durch das Tastverhältnis η bestimmt ist. Für die Variation des Tastverhältnisses η als Stellgröße zum Beeinflussen der
Zwischenkreisspannung kann ein optimaler Regler ausgewählt werden, z.B. ein Zweipunktregler, ein I-Regler, ein Pl-Regler oder ein PI D-Regler, um die
Zwischenkreisspannung zu einem vorgegeben Wert zu führen und sie dann in einem vorgegebenen Bereich zu halten.
Dabei kann der Antriebsmotor ein drei- oder mehrphasiger Motor mit drei oder mehr Spulen in Stern- oder in Dreieckschaltung sein, und dann erfolgt der Energierückfluss aus diesen Spulen vorteilhaft gleichzeitig.
Das Absenken der Zwischenkreisspannung erfolgt bevorzugt linear innerhalb einer vorgegebenen Zeit tramp oder evtl. auch schneller, auf einen vorgegebenen Wert, und danach wird die Zwischenkreisspannung zwischen einem unteren
Grenzwert UZKJOW und einem oberen Grenzwert UzK_high gehalten wird, bis der Motor zum Stillstand gekommen und entladen ist, wobei die Grenzwerte der Zwischenkreisspannung UZKJOW und UzK_high oberhalb des hardwaremäßig installierten Grenzwerts zum Aufrechtherhalten des Notbetriebs der
Motorregelung liegen. Dadurch ist vorteilhaft gewährleistet, dass die
Notstromversorgung des Reglers und die Ansteuerung der Motorstrom- Steuerdioden (IGBTs) auch dann erfolgen können, wenn die Niederspannung ausfällt. In einer Ausführungsart der Erfindung wird, falls die Zwischenkreisspannung mangels Last nicht innerhalb der Zeit tramp auf ein vorgegebenes HV- Sicherheitsziel absinken kann, die Spannungsregelung abgeschaltet und es wird ein aktives Schnellentladen der Energie des Motors, z. B. über einen
Lastwiderstand, durchgeführt, mit dem Vorteil, dass das HV-Sicherheitsziel (z.B. maximal 60 V innerhalb von 3 Sekunden) schneller oder überhaupt erreicht wird.
Nach Erreichen dieses Bereichs ist es von Vorteil, das Schnellentladen zu beenden und die Spannungsregelung wieder einzuschalten, um die
Zwischenkreisspannung dann weiterhin geregelt im sicheren Bereich zu halten, bis der Antriebsmotor keine Energie mehr liefert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt die Schaltung der wesentlichen Elemente eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs;
Figur 2 erläutert symbolisch die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 3a und 3b verdeutlichen die Funktion der IGBTs und der Freilaufdioden für das erfindungsgemäße Verfahren.
Figur 4 erläutert die zeitliche Abfolge von Freilauf und aktivem Kurzschluss;
Figur 5 verdeutlicht den Regelungsprozess für die Zwischenkreisspannung; und
Figur 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der Zwischenkreisspannung nach Abtrennen der Hochvoltbatterie.
Figur 1 gibt einen Überblick über die Leistungselektronik eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs. Die zentrale Energieversorgung erfolgt durch eine Hochvoltbatterie 1 (HV-Batterie), die, je nach Leistungsanforderung an das Fahrzeug, eine Nennspannung von z.B. 288 V aufweisen kann. Parallel zur HV- Batterie ist ein Zwischenkreiskondensator CZK geschaltet. Über einen galvanisch entkoppelnden DC/DC-Wandler 2 wird ein Niedervolt-Bordnetz 3 von z.B. 14 V gespeist, und diese Spannung wird mit einer entsprechenden Batterie 4 mit einer Nennspannung von z.B. 12 V stabilisiert. Die Niedervoltspannung versorgt, wie üblich, die Verbraucher an Bord, z.B. Beleuchtung, Radio usw. Auch der Bordrechner wird aus der Niederspannung versorgt. Typischer Weise ist das Niedervolt-Netz für eine Last von z.B. 2,5 kW, entsprechend einem Strom von 175 A ausgelegt.
Der Antrieb des Fahrzeugs erfolgt mit einer elektromotorischen Maschine, zumeist einem Permanentmagnetischen Synchronmotor 5 (PSM) mit drei oder auch mehr Phasen. Die Spulen des Motors 5 werden getaktet mit der HV- Batterie verbunden und umgepolt, wobei zur Steuerung der abzugebenden Leistung bzw. des gewünschten Drehmoments häufig eine Pulsweitenmodulation in Betracht kommt. Diese Pulsweitenmodulation wird im Fall eines dreiphasigen Motors 5 realisiert durch ein Modul mit drei Halbbrücken, die je zwei
elektronische Schalter aufweisen. Dafür werden zumeist IGBTs (insulated-gate bipolar transistors) Tl bis T6 verwendet. Die Motorspulen Sl, S2 und S3 sind zumeist zu einem Stern oder einem Dreieck geschaltet und werden mittels der IGBTs Tl bis T6 abwechselnd mit den Polen der HV-Batterie 1 verbunden. Freilaufdioden Dl bis D6, die parallel zu den IGBTs geschaltet sind,
gewährleisten, dass beim Öffnen der Schalter an den Motorspulen keine
Spannungsspitzen durch Selbstinduktion entstehen, die die Schalter oder sonstige Bauteile gefährden könnten. Die IGBTs werden gesteuert durch eine Steuervorrichtung 7, die als Eingangsgrößen eine Vielzahl von Steuersignalen 8 und sonstigen Informationen über Fahrzeugfunktionen erhält und mit einer Reihe von Geräten an Bord kommuniziert, z.B. auch über einen CAN-Bus 9.
In der hier betrachteten, außergewöhnlichen Situationen des Fahrzeugs, die der Steuereinheit z.B. über Steuersignale gemeldet werden kann, wird es
erforderlich, die Hochvoltbatterie durch Schalten eines elektronischen Schalters (Schütz-Schalter) 10 vom Stromnetz abzuklemmen und anschließend das Fahrzeug in einen elektrisch sicheren Zustand zu versetzen. Hierzu ist es insbesondere notwendig, die Zwischenkreisspannung UZK auf ein ungefährliches Maß zu senken und dabei die im Zwischenkreiskondensator CZK enthaltene Energie auf ungefährliche Weise in Wärme umzuwandeln und den Energiefluss aus der sich drehenden E-Maschine zu begrenzen.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Spannungsversorgung für diese Regelung keinesfalls vesagen darf. Bei Ausfall des Niedervoltnetzes muss daher als erste Sicherheitsstufe die Spannungsversorgung des Rechners durch das
Hochvoltnetz (flyback) übernommen werden, und zwar bei abgeschalteter Hochvoltbatterie 1 aus dem Zwischenkreiskondensator CZK. Um diese redundante Versorgung unterbrechungsfrei zu gewährleisten besteht oft eine zweite, hardwaremäßig realisierte Sicherheitsstufe darin, dass bei Absinken der Zwischenkreisspannung unter einen bestimmten Wert UZK_HW (Z. B. UZK_HW = 36 V) alle sechs IGBTs der Motorsteuerung geöffnet werden. Der E-Motor ist dann im Freilauf, vgl. Figur 3a, und der Statorstrom läd über die Freilaufdioden die Zwischenkreisspannung wieder über UZK_HW hinaus auf. Nach einer hinreichend kurzen Verzögerungszeit werden dann drei der sechs Schalter, z.B. T4, T5 und T6 geschlossen, vgl. Figur 3b, und der Motor geht dadurch in einen aktiven Kurzschluss (AKS) über, in dem er keine Leistung an den
Zwischenkreiskondensator überträgt; die Zwischenkreisspannung sinkt dadurch wieder unter UZK_HW und der Vorgang wiederholt sich. Im Ergebnis zeigt sich bei der Zwischenkreisspannung in dieser Sicherheitsstufe ein typisches
Sägezahnmuster nahe dem Spannungswert UZK_HW , das als Kurve 23 in Figur 6 eingezeichnet ist. Diese Hardware-Sicherheitslösung soll jedoch nur zum Einsatz kommen, wenn eine softwarebasierte Stabilisierung der Zwischenkreisspannung nicht möglich oder nicht erfolgreich ist.
Die Erfindung schlägt als Softwareregelung, die der Hardware-Führung der Zwischenkreisspannung auf UZK_HW (36 V) vorauszugehen hat, gemäß Figur 2 vor, nach dem Abklemmen der HV-Batterie 1 (Schritt 11 in Figur 2) die aktuelle Regelung des Drehmoments des Antriebsmotors 5 abzuschalten, vgl. Schritt 12 in Figur 2, so dass es für das nachfolgende Verhalten von Motor 5 und
Zwischenkreisspannung UZK nicht mehr auf die üblichen Parameter der
Regelung, wie z.B. die Winkelposition des Motors 5, ankommt. Vielmehr wird nun die Möglichkeit, die IGBTs Tl bis T6 zu schalten, dafür genutzt, die im
Antriebsmotor 5 erzeugte elektrische Energie derart geregelt an den
Zwischenkreiskondensator CZK zurück zu übertragen, dass die
Zwischenkreisspannung in ihrem zeitlichen Verlauf hinreichend schnell einem Sollwert folgt, der sie zu einem Wertebereich führt, vgl. Schritt 13 in Figur 2, und sie dann in diesem Wertebereich verbleiben lässt, Schritt 14. Bei dieserm Wertebereich kann es sich z.B. um Spannungen handeln, die für Personen gefahrlos sind.
Als mögliche Schaltzustände der IGBTs Tl bis T6 für diese Software-Regelung der Zwischenkreisspannung UZK werden nur noch der Freilauf und der aktive Kurzschluss genutzt. Im Freilauf (vgl. Figur 3a) sind alle sechs IGBT-Schalter geöffnet. Die parallel zu den IGBTs vorgesehenen Freilaufdioden (Dl bis D6) wirken dadurch wie Gleichrichterdioden einer dreiphasigen Dynamomaschine, d.h. sie leiten, so lange die Freilaufphase dauert und die vom Motor abgegebene Spannung die Zwischenkreisspannung übertrifft, einen Ladestrom zum
Zwischenkreiskondensator CZK , der dadurch aufgeladen wird, wodurch die Zwischenkreisspannung UZK steigt und der Motor abgebremst wird.
Der andere genutzte Schaltzustand der IGBTs ist der in Figur 3b dargestellte aktive Kurzschluss (AKZ). Hier sind die Schalter Tl, T2 und T3 weiterhin geöffnet, aber die Schalter T4, T5 und T6 sind nun geschlossen, während der Pluspol des Zwischenkreiskondensators CZK durch die weiterhin offenen Schalter Tl, T2 und T3 vom Motor abgeklemmt ist. Über die Freilaufdioden kann nun kein Strom mehr fließen, weil an diesen die Zwischenkreisspannung in Sperrrichtung anliegt. Hingegen sind alle Motorwicklungen kurzgeschlossen, und der Strom in den Motorwicklungen bleibt, in Abhängigkeit von Betriebspunkt (insbesondere der Drehzahl) und weiteren elektrischen Parametern der E-Maschine, erhalten. Die Zwischenkreisspannung UZK sinkt in dieser Phase mit einer Rate, die der Ohmschen Belastung des Zwischenkreises entspricht. Diese Last kann z.B. dann recht hoch sein, wenn ein Zuheizer in Betrieb ist; sie kann evtl. aber auch relativ niedrig sein.
Zwischen diesen beiden Schaltzuständen, in denen sich die
Zwischenkreisspannung zum einen erhöht und zum anderen verringert, wird getaktet mit einer festen Frequenz f und damit mit einer festen Periode
T= l / f
geschaltet, wobei es auch in diesem Sonderfall bei der üblichen Taktfrequenz zum Schalten der IGBTs, also z.B. z. B. 9 kHz oder 10 kHz bleibt. Der in den Zwischenkreiskondensator CZK zurückfließende Strom wird durch eine (für alle Motorwicklungen gleiche) Pulsbreitenmodulation festgelegt, indem während jeder Periode T für einen Anteil η der Periodendauer T, der auch als Tastverhältnis bezeichnet wird, die Freilaufphase gemäß Figur 3a geschaltet wird, was für eine Zeit IF andauert. Für den Rest der Periode T, d.h. für die Zeit IAKS = T - IF, ist der Schaltzustand der aktive Kurzschluss, vgl. Figur 3b. Durch Variation von η als Stellgröße kann daher im Rahmen einer Regelung der Zwischenkreisspannung UZK der gesamte Dynamikbereich zwischen maximalem Entladen (η = 0) und maximalem Aufladen (η = 1) des Zwischenkreiskondensators genutzt werden. Formelmäßig ist
η = XF / T = iF * f und IAKS ergibt sich zu
XAKS = T - IF .
Der zeitliche über mehrere Rasterperioden gemittelte Mittelwert des Ladestroms des Zwischenkreiskondensators wird somit allein durch das Tastverhältnis η bestimmt und variierbar. Figur 4 verdeutlicht diese Pulsbreitenmodulation.
Hiervon ausgehend kann ein üblicher, als Software zu installierender robuster Regler R die Zwischenkreisspannung regeln, wie es Figur 5 zeigt. Die vom Regler R zu ermittelnde Stellgröße η (oder äquivalent: IF ) bestimmt die Größe des Stroms, mit dem der Zwischenkreiskondensator CZK im Zeitmittel geladen oder entladen wird, wobei als Störgrößen sowohl die elektrische Last im
Hochvoltkreis als auch der Betriebspunkt der E-Maschine 5 wirken und beide Größen infolge der außergewöhnlichen Umstände sich unvorhersehbar und auch sprunghaft ändern können. Als Regler R, der als Eingangsgröße nur die
Regelabweichung der Zwischenkreisspannung UZK von ihrem Führungswertwert UZK_SOII benötigt, kann ein Zweipunktregler, aber auch ein I-Regler ein Pl-Regler oder ein PID-Regler in Betracht kommen.
Wie Figur 6 mit Kurve 21 erläutert, kann mit einem solchen Regler die
Zwischenkreisspannung kontrolliert in einer vorgegebenen Zeit tramp zu einem vorgegeben Wert geführt und dann in einem vorgegebenen Wertebereich, zwischen UzK_high und UZKJOW , gehalten werden, bis der Motor 5 zum Stillstand gekommen ist.
Dabei soll der untere Grenzwert UZKJOW hinreichend weit oberhalb des hardwaremäßig installierten Grenzwerts UZK_HW zum Aufrechterhalten eines Notbetriebs der Motorregelung liegen, da diese Hardware-Maßnahme nur bei Ausfall der Software-Regelung zum Einsatz kommen soll.
Für den Fall, dass die Zwischenkreisspannung mangels hinreichend hoher Ohmscher Last nicht innerhalb der Zeit tramp auf ein vorgegebenes HV- Sicherheitsziel absinken kann, kann ein aktives Schnellentladen (SE) vorgesehen werden. Dafür wird z.B. für eine vorgegebene Zeit die Regelung der Zwischenkreisspannung abgeschaltet und der Zwischenkreiskondensator wird über einen Lastwiderstand oder über ein vergleichbares Schaltungselement um ein vorgesehenes Maß entladen. Ist infolge der Schnellentladung das HV- Sicherheitsziel erreicht (schraffierter Bereich in Figur 6), so wird das
Schnellentladen beendet und die Regelung der Zwischenkreisspannung kann wieder eingeschaltet werden. Der zugehörige Spannungsverlauf ist in Figur 6 als Kurve 22 eingetragen.
Sollte diese softwaremäßige Regelung zu irgendeinem Zeitpunkt nicht (mehr) möglich sein, so kann dann immer noch die Hardware-Lösung greifen, die einen sägezahnförmigen Spannungsverlauf gemäß Kurve 23 hervorruft.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Regeln der Zwischenkreisspannung (UZK) am
Zwischenkreiskondensator (CZK) eines Antriebsmotors eines Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugs nach dem Abtrennen der Hochvoltbatterie (1) vom
Stromkreis, wobei die Regelung des Drehmoments des Antriebsmotors (5) abgeschaltet wird und die vom Antriebsmotor (5) abgegebene elektrische Energie derart mit einem Regler (R) geregelt an den
Zwischenkreiskondensator (CZK) übertragen wird, dass die
Zwischenkreisspannung (UZK) in ihrem zeitlichen Verlauf einem Sollwert zu einem Wertebereich folgt und dann in diesem Wertebereich verbleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Energierückfluss mit einer
Rasterfrequenz f getaktet und pulsbreitenmoduliert erfolgt, mit jeweils einer Freilaufphase (IF) in jedem Takt, in der ein Energierückfluss an den
Zwischenkreiskondensator (CZK) erfolgt, und einer Phase des aktiven Kurzschlusses (IAKS), in der kein Energierückfluss erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei in der Phase des aktiven Kurzschlusses (IAKS) die Motorspulen kurzgeschlossen sind und die Energie in der Rotation und im Magnetfeld des Antriebsmotors (5) verbleibt, und wobei in der Freilaufphase (IF) der Kurzschluss aufgehoben wird, wobei die
Motorwicklungen über als Gleichrichter wirkende Freilaufdioden (Dl bis D6) mit dem Zwischenkreiskondensator (CZK) verbunden sind und diesen mit einem Ladestrom aufladen.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Rasterfrequenz f dieselbe ist wie die Rasterfrequenz bei der Steuerung und Regelung des Antriebsmotors (5) im regulären Fahrbetrieb, wobei sich aus der Frequenz die Periodendauer des Rasters gemäß der Formel
T= l / f ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Raster eine
Frequenz f von 9 oder 10 kHz aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die vom Regler (R) zu variierende Stellgröße für die Regelung der Zwischenkreisspannung (UZK) das Tastverhältnis (η) oder die Dauer der Phase des Freilaufs (IF) ist, gemäß der Formel
η = IF / T = IF * f ,
wobei die verbleibende Zeit der Rasterperiode T die Zeit des aktiven
Kurzschlusses
IAKS = T - IF
ist, und wobei der zeitliche Mittelwert des Ladestroms des
Zwischenkreiskondensators (CZK), gemittelt jeweils über mehrere
Rasterperioden, durch das Tastverhältnis (η) bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei durch Variation des Tastverhältnisses (η) als Stellgröße die Regelung der Zwischenkreisspannung (UZK) nach
Maßgabe eines Zweipunktreglers, eines I-Reglers, eines Pl-Reglers oder eines PID-Reglers zu einem vorgegeben Wert geführt wird oder in einem vorgegebenen Wertebereich gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Antriebsmotor (5) ein drei- oder mehrphasiger permanentmagnetischen Synchronmotor mit drei oder mehr Spulen (S1,S2, S3) in Stern- oder in Dreieckschaltung ist und wobei der Energierückfluss aus diesen Spulen in der Freilaufphase (IF) gleichzeitig erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die
Zwischenkreisspannung (UZK) linear innerhalb einer vorgegebenen Zeit (tramp) auf einen vorgegebenen Wert absinkend geführt wird, und wobei danach die Zwischenkreisspannung zwischen einem unteren Grenzwert (UZKJOW) und einem oberen Grenzwert (UzK_high) gehalten wird, bis der Motor zum Stillstand gekommen und der Statorstrom unter einen Grenzwert abgesunken ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Grenzwerte der
Zwischenkreisspannung (UZKJOW , UzK_high) oberhalb eines hardwaremäßig installierten Grenzwerts (UZK_HW) zum Aufrechterhalten eines Notbetriebs der Motorregelung liegen.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Regelung der
Zwischenkreisspannung (UZK) temporär abgeschaltet und ein aktives Schnellentladen (SE) des Zwischenkreiskondensators (CZK) durchgeführt wird, falls die Zwischenkreisspannung mangels Ohmscher Last nicht innerhalb der vorgegebenen Zeit (tramp) auf ein vorgegebenes HV- Sicherheitsziel absinken kann.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Schnellentladen (SE) beendet und die Regelung der Zwischenkreisspannung (UZK) wieder eingeschaltet wird, wenn infolge des Schnellentladens (S E) das HV-Sicherheitsziel erreicht ist.
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