WO2024068077A1 - Verfahren zum betrieb eines wechselrichters, wechselrichter und elektrisches antriebssystem - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines wechselrichters, wechselrichter und elektrisches antriebssystem Download PDF

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WO2024068077A1
WO2024068077A1 PCT/EP2023/069294 EP2023069294W WO2024068077A1 WO 2024068077 A1 WO2024068077 A1 WO 2024068077A1 EP 2023069294 W EP2023069294 W EP 2023069294W WO 2024068077 A1 WO2024068077 A1 WO 2024068077A1
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WO
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inverter
switching elements
bridge
current
electrical
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PCT/EP2023/069294
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Ekard Grossmann
Mark Damson
Kay Hindorf
Daniel Schweiker
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P3/00—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters
    • H02P3/06—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter
    • H02P3/18—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/0241—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an overvoltage

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an inverter, in particular an inverter for an electrical drive system.
  • the present invention further relates to an inverter in which such a method is implemented, and to an electrical drive system with such an inverter.
  • Electric drive systems are used in numerous applications. For example, such electric drive systems are also used in fully or at least partially electrically powered motor vehicles.
  • a power converter electrical energy from an energy source, for example the traction battery of an electric vehicle, can be converted into an electrical voltage that is suitable for controlling an electrical machine.
  • so-called safe operating states can also be set in the power converter, for example an active short circuit, in which the switching elements are controlled in such a way that the connections of the electrical machine are short-circuited.
  • a so-called freewheel can be provided, in which all switching elements in the half bridges of the power converter are open.
  • the publication DE 10 2014222 256 A1 describes, for example, a method for switching the operating state of an electrical machine from a freewheel to an active short circuit. It is proposed that of a multi-phase electrical machine, the individual phases are successively switched into the corresponding switching states.
  • the present invention provides a method of operating an inverter, an inverter and an electric drive system having the features of the independent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • a method for operating an inverter in particular for operating an inverter for an electric drive system.
  • the inverter here comprises several half-bridges, each with two switching elements.
  • the method comprises a step for setting an active short circuit in the inverter. In such an active short circuit, either the upper switching elements of all half-bridges or the lower switching elements of all half-bridges are closed. In this way, all phase connections of an electrical machine connected to the inverter are electrically connected to one another, i.e. short-circuited.
  • the method further comprises a step for opening the two switching elements in a first half-bridge of the inverter.
  • a switching state is set in a first of the half-bridges of the inverter, which corresponds to the switching state for a freewheeling mode.
  • the method further comprises a step for determining an electrical parameter that characterizes a course of a phase current in the direction of the first half-bridge in which both switching elements are open.
  • the method comprises a step for setting a freewheeling mode in the inverter, in which all switching elements of all half-bridges are open if a course of the phase current in the direction of the first half-bridge fulfills a predetermined changeover condition.
  • the determination of an electrical parameter that characterizes a course of a phase current in the direction of the first half bridge can be carried out, for example, by means of at least one current measuring device.
  • the phase current can assume positive and negative values, so that the formulation phase current in the direction of the first half bridge should in no way be interpreted as restrictive, meaning that only the current that flows in the direction of the first half bridge is determined, but of course also includes the phase current in the opposite direction is that flows away from the first half bridge.
  • one or more current measuring devices are preferably used to determine the electrical parameter, which enable the determination of a parameter that characterizes the course of a phase current in the direction of the first half bridge.
  • Such a current measuring device can preferably be arranged within a switching element of the half bridge and in particular detect currents through an intrinsic parallel-connected diode or a body diode of a switching element.
  • Such a current measuring device is preferably arranged in a supply/discharge line of the current through a switching element of a half-bridge, preferably at the phase current connection of a half-bridge.
  • An inverter with several half bridges and a control device each include two switching elements.
  • the several half bridges each include two switching elements.
  • two semiconductor switching elements can be provided in each half bridge, with a diode being provided in parallel with each semiconductor switching element.
  • the control device is designed to provide control signals for the switching elements in the several half bridges.
  • the control device is designed to carry out a method according to the invention for operating the inverter.
  • An electric drive system with an electric machine and an inverter according to the invention.
  • the inverter is connected to the electrical machine at an AC voltage connection.
  • the inverter is designed to be connected to a DC voltage source at a DC voltage connection.
  • An electrical drive system usually comprises an electrical power converter, for example an inverter, which can convert a direct current voltage provided on the input side into an alternating current voltage in order to control an electrical machine.
  • an electrical power converter for example an inverter
  • a so-called safe state can also be set in this power converter.
  • Such a safe state can, for example, be an active short circuit, in which the switching elements of the power converter are controlled in such a way that the phase connections of an electrical machine connected to the power converter are short-circuited.
  • all upper switching elements or all lower switching elements in the half-bridges of the power converter can be closed.
  • the upper switching elements can be those switching elements that are connected to a positive connection point of a direct current connection of the power converter, while the lower switching elements are connected to a negative connection point of the direct current connection.
  • the so-called freewheel mode is also known as a safe operating state.
  • all switching elements in the power converter are open. If the electrical machine connected to the power converter is in motion, an electrical voltage can be induced in the phase windings of the electrical machine. If the electrical voltage from the electrical machine exceeds the input voltage on the DC side, an electrical current can flow through the diodes in the power converter provided parallel to the switching elements from the electrical machine to a battery or similar connected to the DC side of the power converter. Such a current flow may not be desired under certain circumstances and should therefore be avoided or at least limited if necessary.
  • Diodes provided parallel to the switching elements of the power converter can be understood in the sense of the present invention as: separate electrical elements, integrated electrical elements and/or an element that is connected by the Semiconductor structure of the switching element or a parasitic semiconductor structure of the switching element, in particular in MOSFET, performs a function corresponding to a diode behavior.
  • the resulting electrical current flow can be checked under actual real-world conditions. This means that a very precise and reliable assessment of the operating conditions and the electrical current flow that may arise from the electrical machine to the DC voltage connection can be carried out. Any necessary safety margins, which are usually required for theoretical estimates, can be omitted here.
  • a change is made from the active short circuit to the freewheeling mode if the amount of the phase current in the direction of the first half bridge does not exceed a predetermined threshold value from a current zero crossing.
  • a switching state that corresponds to freewheeling is set in one of the half bridges shortly before a current zero crossing, then as a condition for enabling the freewheeling mode it can be checked whether the electrical current in this half bridge remains at zero after the zero crossing or does not exceed at least a predetermined threshold value. If the switching state for freewheeling in this half bridge is only set shortly after a current zero crossing, it can be checked whether the electrical current in this half bridge tends to increase or decrease.
  • the switching element in a half-bridge of the inverter is opened when the phase current in the direction of the first half-bridge is at least approximately in the region of a zero crossing. In this case, no load or at least only a very small load needs to be switched when a switching element is opened.
  • the switching state which corresponds to a freewheel, can preferably be set in the half-bridge at times when the electrical current is exactly zero, or possibly as shortly before this time as possible.
  • the switching elements in the first half-bridge in which both switching elements have previously been opened, remain open.
  • the switching elements in the other half-bridges of the inverter are then opened to set the freewheeling mode.
  • the switching elements in the other half-bridges can be opened at times when an electrical current in the respective half-bridges is as close as possible to a current zero crossing. Thus, no or only a small load needs to be switched when the switching elements are opened.
  • the switching state for an active short circuit is first set again.
  • the switching element in this half-bridge which was previously opened to check the current flow, is closed.
  • the course of the phase current in the direction of the first half-bridge is then evaluated.
  • the freewheeling mode is then set in the inverter if the course of the phase current in the direction of the first half-bridge fulfills the predetermined changeover condition. Since the switching state of the active short circuit has been set again in the inverter in the meantime, this evaluation can also be carried out with a longer time requirement by a processing device with relatively low computing power.
  • the method comprises a step for determining a speed of an electrical machine connected to the inverter.
  • the steps for opening the two switching elements, for subsequently determining the electrical parameter and for switching to freewheeling mode can only be carried out if the determined speed of the electrical machine falls below a predetermined limit. Above this limit, an electrical voltage from the electrical machine can be expected which would almost certainly lead to a current flow through the inverter if freewheeling mode were set. Thus, with such high speeds of the electrical machine, a check for the possible switch to freewheeling can be dispensed with.
  • Fig. 3 a current-time diagram for a current curve in an inverter according to another embodiment
  • Fig. 5 a flowchart as underlying a method for controlling an inverter according to an embodiment.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a basic circuit diagram for an electric drive system with an inverter 1 and an electric machine 2 according to one embodiment.
  • a DC voltage source 3 such as a battery, in particular a traction battery of an electric vehicle
  • An electrical machine 2 can be connected to an AC voltage connection of the inverter 1.
  • the inverter 1 can convert the direct voltage provided at the direct voltage connection into an alternating voltage that is suitable for controlling the electrical machine 2.
  • the inverter 1 can also be designed to convert an alternating voltage provided by the electrical machine 2 in generator operation into a direct voltage is suitable for charging a battery connected to the DC voltage connection.
  • the inverter 1 can have several half-bridges, each with two switching elements S1 to S6. Each half-bridge comprises two switching elements S1 to S6 connected in series, which are each electrically connected to one another at a node point.
  • the inverter 1 can comprise one such half-bridge for each phase of an alternating voltage to be provided at an alternating voltage connection of the power converter 1.
  • the node points of the respective half-bridges, at which the two switching elements S1 to S6 are electrically connected to one another, are each connected to a connection point of the alternating voltage connection of the inverter 1.
  • the other connections of the switching elements S1 to S6, i.e. those connections of switching elements S1 to S6 which are not connected to the AC voltage connection of the inverter 1, are connected to a DC voltage connection of the inverter 1.
  • all switching elements Sl, S3, S5 which are connected to a connection point for a first (e.g. positive) polarity of the DC voltage provided at the DC voltage connection are electrically connected to one another.
  • all switching elements S2, S4, S6 which are connected to a connection point for a second (e.g. negative) polarity of the DC voltage provided at the DC voltage connection are electrically connected to one another.
  • the switching elements Sl, S3, S5 which are connected to the connection point of the DC voltage connection for the first, positive polarity are also referred to as upper switching elements.
  • the switching elements S2, S4, S6 which are connected to the connection point of the DC voltage connection for the second, negative polarity can be referred to as lower switching elements.
  • the switching elements Sl to S6 can be controlled by a control device 10.
  • the control device 10 can provide a control signal for each of the switching elements Sl to S6, which is suitable for opening or closing the respective switching element Sl to S6.
  • a desired alternating voltage for controlling the electrical machine 2 can be generated from the direct voltage provided on the input side.
  • a so-called active short circuit can be set in the inverter 1.
  • the upper switching elements Sl, S3 and S5 can be closed while the lower switching elements S2, S4 and S6 are open.
  • the upper switching elements Sl, S3 and S5 can be opened while the lower switching elements S2, S4 and S6 are closed. In this way, all phase connections of the electrical machine 2 are electrically connected to one another, i.e. short-circuited.
  • a so-called freewheel can be set. All switching elements Sl to S6 in the half bridges of the inverter 1 are open. If the electrical machine 2 is in motion, an electrical voltage can be induced in the phase windings of the electrical machine 2. If this electrical voltage applied by the electrical machine 2 to the AC voltage connection of the inverter 1 is sufficiently high, an electrical current can optionally flow through diodes, which are arranged in parallel to the switching elements S1 to S6, to the DC voltage connection of the inverter 1. Such an electrical current during the freewheeling mode should, if necessary, be limited or completely prevented.
  • the control device 10 can set a switching state in a first of the half-bridges of the inverter 1 in which both switching elements of a first half-bridge, S1 + S2, S3 + S4 or S5 + S6, are open. The switching elements of the other half-bridges remain initially in the switching state that corresponds to the currently set active short circuit.
  • this switching state in which both switching elements are open in the first half-bridge, is set at a time at which the electrical current through the previously closed switching element is at least approximately in the region of a zero crossing.
  • the corresponding switch can be opened shortly before the electrical current through this switch reaches the zero crossing.
  • the switch can also be opened exactly at the zero crossing or shortly after the zero crossing.
  • an electrical parameter that characterizes the course of a phase current in the direction of the first half bridge or characterizes the electrical current in this half bridge recorded and identified or monitored.
  • the electrical current that flows during this switching state in the corresponding phase connection or through the diodes provided in parallel to the open switching elements can be monitored.
  • the current curve can be detected by current sensors 11.
  • the current sensors 11 can provide a sensor signal to the control device 10 that corresponds to an electrical current at the phase connections or the half bridges.
  • a significant current flow is detected, which may continue to increase during the period of detection or monitoring, this can be seen as an indication that when a complete freewheeling mode is set in the inverter 1, an electric current will also flow from the electric machine 2 through the diodes arranged in parallel to the switching elements S1 to S6. If such a current flow is not desired, the active short circuit in the inverter 1 can continue to be maintained in this case. For this purpose, for example, the previously opened switching element can be closed again.
  • the switching state with the two open switching elements in the half bridge can be maintained.
  • the previously closed switching element in the remaining half bridges can also be opened.
  • the previously closed switching elements can be opened at times when the electrical current through the switching elements is at least approximately in the range of a zero crossing.
  • the freewheeling mode can then be set by opening all switching elements S1 to S6.
  • the previously closed switching elements S1 to S6 preferably opened at times when the electrical current through the respective switching elements is at least approximately in the area of a zero crossing.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a current-time diagram for the phase currents l_l, l_2 and l_3 in an electrical drive system during the testing of a possible change from an active short circuit to a freewheeling mode.
  • the switching element closed for the active short circuit is opened exactly at the zero crossing.
  • this switching element is then closed again to return to the active short circuit.
  • no electrical current flows in the corresponding phase. It can therefore be assumed that when changing to a freewheel, the electrical voltage provided by the electrical machine 2 is sufficiently low so that no electrical current will flow from the AC voltage connection to the DC voltage connection during the freewheeling. A change from an active short circuit to a freewheeling is therefore possible.
  • Figure 3 shows a further schematic representation of a current-time diagram for the phase currents l_l, l_2 and l_3 in an electric drive system while checking a possible change from active short circuit to a freewheeling mode.
  • the switching element closed for the active short circuit is opened exactly at the zero crossing and at time t2 this switching element is closed again in order to return to the active short circuit.
  • an electrical current flows in the phase with the half bridge in which both switching elements are open. From this it can be concluded that the electrical voltage from the electrical machine 2 is so high that, in the case of a freewheeling mode, an electrical current would flow through the diodes arranged in parallel to the switching elements S1 to S6.
  • FIG. 4 shows a further schematic representation of a current-time diagram for the phase currents l_l, l_2 and l_3 in an electric drive system while checking a possible change from active short circuit to a freewheeling mode.
  • the switching element in one of the half bridges is opened at a time t3, which is in the corresponding phase shortly after the zero crossing of the current I_1.
  • this switching element is closed again. This means that when this switching element is opened, a small electrical current flows in the corresponding phase. If this electrical current I_1 tends to decrease over time, this can be seen as an indication that a freewheeling mode is possible. However, if the electrical current tends to increase in this phase, the active short circuit should continue to be maintained.
  • Figure 5 shows a flow chart underlying a method for operating an inverter 1 for an electric drive system according to an embodiment.
  • the method can basically include any steps as previously described in connection with the control of the electric drive system.
  • the drive systems described above, in particular the inverter 1 and the control device 10 provided in the inverter 1, can also include any components that are required to implement the method described below.
  • step 100 an active short circuit is set in the inverter.
  • an active short circuit is set in the inverter.
  • the previously closed switching element in a first half-bridge of the inverter 1 is opened. In the remaining half-bridges of the inverter 1, the switching elements that are short-circuited for the active one remain closed.
  • step 300 an electrical parameter is then determined which characterizes a course of a phase current in the direction of the first half-bridge in which both switching elements are open.
  • step 400 the course of the phase current in the direction of the first half-bridge is evaluated. If a predetermined condition for a change to freewheeling is met, a freewheeling mode is then set in the inverter 1. In this case, all switching elements S1 to S6 in the half-bridges of the inverter are opened. If, however, the predetermined changeover condition is not met, the inverter 1 continues to operate in the active short circuit.
  • the method of checking whether a change from an active short circuit to a freewheeling mode is possible can in principle be carried out at any time during the operation of the inverter 1 in the active short circuit. For example, during operation in the active short circuit, it can be checked regularly, in particular periodically at predetermined time intervals, whether a change from the active short circuit to the freewheeling mode is possible. Furthermore, the check for a possible change to the freewheeling mode can only be carried out if specified operating conditions are met. For example, a speed of the electrical machine 2 connected to the inverter 1 can be determined. In this case, for example, a change from the active short circuit to the freewheeling mode can only be considered if the speed of the electrical machine 2 falls below a predetermined value.
  • the present invention relates to the change from an active short circuit to freewheeling in an inverter of an electric drive system.
  • a switching state is briefly set in a half-bridge of the inverter that corresponds to the switching state of the freewheel.
  • the current curve in this half-bridge is then evaluated to check whether a change to freewheeling is permissible or not.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wechsel von einem aktiven Kurzschluss in den Freilauf in einem Wechselrichter eines elektrischen Antriebssystems. Hierzu wird in einer Halbbrücke des Wechselrichters kurzzeitig ein Schaltzustand eingestellt, der dem Schaltzustand des Freilaufs entspricht. Daraufhin wird der Stromverlauf in dieser Halbbrücke ausgewertet, um zu überprüfen, ob ein Wechsel in den Freilauf zulässig ist oder nicht.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters, Wechselrichter und elektrisches Antriebssystem
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters, insbesondere eines Wechselrichters ein elektrisches Antriebssystem. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Wechselrichter, in dem ein solches Verfahren implementiert ist, sowie ein elektrisches Antriebssystem mit einem solchen Wechselrichter.
Hintergrund
Elektrische Antriebssysteme finden in zahlreichen Anwendungen Verwendung. So werden solche elektrischen Antriebssysteme beispielsweise auch in ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt. Dabei kann mittels eines Stromrichters elektrische Energie von einer Energiequelle, beispielsweise der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, in eine elektrische Spannung konvertiert werden, welche dazu geeignet ist, eine elektrische Maschine anzusteuern. Darüber hinaus können in dem Stromrichter auch sogenannte sichere Betriebszustände eingestellt werden, beispielsweise ein aktiver Kurzschluss, bei welchem die Schaltelemente derart angesteuert werden, dass die Anschlüsse der elektrischen Maschine kurzgeschlossen sind. Ferner kann ein sogenannter Freilauf vorgesehen sein, bei welchem alle Schaltelemente in den Halbbrücken des Stromrichters geöffnet sind.
Die Druckschrift DE 10 2014222 256 Al beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum Umschalten eines Betriebszustandes einer elektrischen Maschine von einem Freilauf in einen aktiven Kurzschluss. Hierbei wird vorgeschlagen, bei einer mehrphasigen elektrischen Maschine die einzelnen Phasen nacheinander in die entsprechenden Schaltzustände versetzen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters, einen Wechselrichter und ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters, insbesondere zum Betrieb eines Wechselrichters für ein elektrisches Antriebssystem. Der Wechselrichter umfasst hierbei mehrere Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Einstellen eines aktiven Kurzschlusses in dem Wechselrichter. In einem solchen aktiven Kurzschluss sind entweder die oberen Schaltelemente aller Halbbrücken oder die unteren Schaltelemente aller Halbbrücken geschlossen. Auf diese Weise sind alle Phasenanschlüsse einer an dem Wechselrichter angeschlossenen elektrischen Maschine elektrisch miteinander verbunden, also kurzgeschlossen. Das Verfahren umfasst weiterhin einen Schritt zum Öffnen der beiden Schaltelemente in einer ersten Halbbrücke des Wechselrichters. Mit anderen Worten, in einer ersten der Halbbrücken des Wechselrichters wird ein Schaltzustand eingestellt, der dem Schaltzustand für einen Freilauf-Modus entspricht. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ermitteln eines elektrischen Parameters, der einen Verlauf eines Phasenstrom in Richtung der ersten Halbbrücke charakterisiert, in der beide Schaltelemente geöffnet sind. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Einstellen eines Freilauf-Modus in dem Wechselrichter, in welchem alle Schaltelemente aller Halbbrücken geöffnet sind, falls ein Verlauf des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke eine vorbestimmte Wechselbedingung erfüllt.
Das Ermitteln eines elektrischen Parameters, der einen Verlauf eines Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke charakterisiert, kann beispielhaft mittels mindestens einer Strommesseinrichtung erfolgen. Selbstverständlich kann der Phasenstrom positive und negative Werte annehmen, sodass die Formulierung Phasenstrom in Richtung der ersten Halbbrücke keinesfalls einschränkend auszulegen ist, dass nur der Strom, welcher in Richtung der ersten Halbbrücke fließt, ermittelt wird, sondern natürlich auch der Phasenstrom in die entgegengesetzte Richtung umfasst ist, der von der ersten Halbbrücke weg fließt. Bevorzugt werden zur Ermittlung des elektrischen Parameters je nach Anordnung innerhalb des Wechselrichters eine oder mehrere Strommesseinrichtungen verwendet, die die Ermittlung eines Parameters ermöglichen, der den Verlauf eines Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke charakterisiert. Bevorzugt kann eine solche Strommesseinrichtung innerhalb eines Schaltelementes der Halbbrücke angeordnet sein und insbesondere Ströme durch eine intrinsische parallel geschaltete Diode oder eine Bodydiode eines Schaltelementes erfassen. Bevorzugt ist eine solche Strommesseinrichtung in einer Zu- / oder Ableitung des Stroms durch ein Schaltelement einer Halbbrücke angeordnet, bevorzugt an dem Phasenstromanschluss einer Halbbrücke.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein Wechselrichter mit mehreren Halbbrücken und einer Steuereinrichtung. Die mehreren Halbbrücken umfassen jeweils zwei Schaltelemente. Insbesondere können in jeder Halbbrücke zwei Halbleiterschaltelement vorgesehen sein, wobei parallel zu jedem Halbleiterschaltelement eine Diode vorgesehen ist. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, Ansteuersignale für die Schaltelemente in den mehreren Halbbrücken bereitzustellen. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb des Wechselrichters auszuführen.
Schließlich ist vorgesehen:
Ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine und einem erfindungsgemäßen Wechselrichter. Der Wechselrichter ist an einem Wechselspannungsanschluss mit der elektrischen Maschine verbunden. Ferner ist der Wechselrichter dazu ausgelegt, an einem Gleichspannungsanschluss mit einer Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. Vorteile der Erfindung
Ein elektrisches Antriebssystem umfasst in der Regel einen elektrischen Stromrichter, beispielsweise einen Wechselrichter, welcher eine eingangsseitig bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine Wechselspannung konvertieren kann, um eine elektrische Maschine anzusteuern. In diesem Stromrichter kann unter bestimmten Bedingungen auch ein sogenannter sicherer Zustand eingestellt werden. Ein solcher sicherer Zustand kann beispielsweise ein aktiver Kurzschluss sein, in welchem die Schaltelemente des Stromrichters derart angesteuert werden, dass die Phasenanschlüsse einer an den Stromrichter angeschlossen elektrischen Maschine kurzgeschlossen sind. Hierzu können beispielsweise alle oberen Schaltelemente oder alle unteren Schaltelemente in den Halbbrücken des Stromrichters geschlossen werden. Als obere Schaltelemente können beispielsweise diejenigen Schaltelemente bezeichnet werden, die mit einem positiven Anschlusspunkt eines Gleichspannungsanschluss des Stromrichters verbunden sind, während die unteren Schaltelemente mit einem negativen Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschluss verbunden sind.
Darüber hinaus ist als sicherer Betriebszustand auch der sogenannte Freilauf- Modus bekannt. Hierbei sind alle Schaltelemente in dem Stromrichter geöffnet. Befindet sich die an den Stromrichter angeschlossene elektrische Maschine in Bewegung, so kann in den Phasenwicklungen der elektrischen Maschine eine elektrische Spannung induziert werden. Überschreitet die elektrische Spannung von der elektrischen Maschine die Eingangsspannung auf der Gleichspannungsseite, so kann durch die parallel zu den Schaltelementen vorgesehenen Dioden in dem Stromrichter ein elektrischer Strom von der elektrischen Maschine zu einer auf der Gleichspannungsseite des Stromrichters angeschlossenen Batterie oder ähnlichem fließen. Ein solcher Stromfluss ist unter Umständen nicht gewünscht und sollte daher gegebenenfalls vermieden oder zumindest begrenzt werden. Als Dioden, welche parallel zu den Schaltelementen des Stromrichters vorgesehen sind, kann im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden werden: separate elektrische Elemente, integrierte elektrische Elemente und/oder auch ein Element, das durch die Halbleiterstruktur des Schaltelements oder eine parasitäre Halbleiterstruktur des Schaltelements, insbesondere bei MOSFET, eine Funktion entsprechend einem Diodenverhalten ausübt.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, von einem aktiven Kurzschluss in einen Freilauf-Modus nur dann zu wechseln, wenn kein oder zumindest kein signifikanter Stromfluss von der elektrischen Maschine zur Gleichspannungsseite zu erwarten ist. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, in einem Wechselrichter zunächst nur in einer ersten Halbbrücke einen Schaltzustand einzustellen, der einem Freilauf-Modus entspricht. Anschließend kann in dieser Halbbrücke der Verlauf des elektrischen Stromes ausgewertet werden. Ist gemäß dieses Stromverlaufs kein oder zumindest kein signifikanter Stromfluss von der elektrischen Maschine zur Gleichspannungsseite zu erwarten, so kann daraufhin in allen Halbbrücken der Freilauf-Modus eingestellt werden.
Auf diese Weise kann mittels eines kurzzeitigen Wechsels von dem Schaltzustand des aktiven Kurzschlusses in den Schaltzustand eines Freilauf- Modus in nur einer Halbbrücke eines Wechselrichters auf einfache Weise überprüft werden, ob sich bei einem Freilauf-Modus durch die von einer angeschlossen elektrischen Maschine bereitgestellte elektrische Spannung eine Stromfluss von der elektrischen Maschine zur Gleichspannungsseite des Wechselrichters einstellen würde.
Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren, bei welchen die Kriterien für einen Wechsel zwischen aktivem Kurzschluss und Freilauf lediglich auf Basis von Abschätzungen, wie beispielsweise einem Zusammenhang zwischen Drehzahl der elektrischen Maschine und zu erwartender induzierte elektrische Spannung, erfolgt, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der sich einstellende elektrische Stromfluss unter tatsächlichen realen Bedingungen überprüft werden. Somit kann eine sehr genaue und zuverlässige Bewertung der Betriebsbedingungen und des sich gegebenenfalls einstellenden elektrischen Stromflusses von der elektrischen Maschine zum Gleichspannungsanschluss erfolgen. Eventuell erforderliche Sicherheitszuschläge, wie sie bei theoretischen Abschätzungen in der Regel erforderlich sind, können hierbei entfallen. Gemäß einer Ausführungsform wird in dem Verfahren zum Betrieb des Wechselrichters von dem aktiven Kurzschluss in den Freilauf-Modus gewechselt, falls der Betrag des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke ab einem Strom-Nulldurchgang einen vorgegebenen Schwellwert nicht überschreitet. Wird beispielsweise bereits kurz vor einem Strom-Nulldurchgang in einer der Halbbrücke ein Schaltzustand eingestellt, der einem Freilauf entspricht, so kann als Bedingung für die Freigabe des Freilauf-Modus überprüft werden, ob der elektrische Strom in dieser Halbbrücke nach dem Nulldurchgang bei Null bleibt oder zumindest einen vorgegebenen Schwellwert nicht überschreitet. Wird in dieser Halbbrücke der Schaltzustand für einen Freilauf erst kurz nach einem Strom-Nulldurchgang eingestellt, so kann überprüft werden, ob der elektrische Strom in dieser Halbbrücke tendenziell eher ansteigt oder abfällt.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Öffnen des Schaltelements in einer Halbbrücke des Wechselrichters, wenn ein Verlauf des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke zumindest annähernd im Bereich eines Nulldurchgangs ist. In diesem Fall muss bei dem Öffnen eines Schaltelements keine oder zumindest nur eine sehr geringe Last geschaltet werden. Vorzugsweise kann das Einstellen des Schaltzustands, der einem Freilauf entspricht, in der Halbbrücken zu Zeitpunkten erfolgen, in welchen der elektrische Strom genau Null ist, oder gegebenenfalls möglichst sehr kurz vor diesem Zeitpunkt.
Gemäß einer Ausführungsform bleiben zum Einstellen des Freilauf-Modus in dem Wechselrichter die Schaltelemente in der ersten Halbbrücke, in welcher zuvor beide Schaltelemente geöffnet worden sind, weiter geöffnet. Anschließend werden die Schaltelemente in den weiteren Halbbrücken des Wechselrichters geöffnet zum Einstellen des Freilauf-Modus. Insbesondere können die Schaltelemente in den weiteren Halbbrücken zu Zeitpunkten geöffnet werden, in welchen ein elektrischer Strom in den jeweiligen Halbbrücken möglichst nahe an einem Strom-Nulldurchgang ist. Somit muss beim Öffnen der Schaltelemente jeweils keine oder nur eine geringe Last geschaltet werden. Gemäß einer Ausführungsform wird nach dem Ermitteln des elektrischen Parameters, der einen Verlauf des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke charakterisiert, zunächst wieder der Schaltzustand für einen aktiven Kurzschluss eingestellt. Hierzu wird das Schaltelement in dieser Halbbrücke geschlossen, welches zuvor für die Überprüfung des Stromflusses geöffnet wurde. Daraufhin wird der Verlauf des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke ausgewertet. Anschließend nach dieser Auswertung wird der Freilauf-Modus in dem Wechselrichter eingestellt, falls der Verlauf des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke, die vorbestimmte Wechselbedingung erfüllt. Da zwischenzeitlich in dem Wechselrichter wieder der Schaltzustand des aktiven Kurzschluss eingestellt wurde, kann diese Auswertung auch mit einem höheren Zeitbedarf durch eine Verarbeitungseinrichtung mit relativ geringer Rechnerleistung ausgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einem Schritt zum Ermitteln einer Drehzahl einer an den Wechselrichter angeschlossen elektrischen Maschine. Hierbei können die Schritte zum Öffnen der beiden Schaltelemente, zum anschließenden Ermitteln des elektrischen Parameters und zum Wechsel in den Freilauf-Modus gegebenenfalls nur dann ausgeführt werden, falls die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Oberhalb dieses Grenzwertes ist mit einer elektrischen Spannung von der elektrischen Maschine zu rechnen, welche mit großer Sicherheit zu einem Stromfluss durch den Wechselrichter führen würde, falls ein Freilauf- Modus eingestellt würde. Somit kann bei derart hohen Drehzahlen der elektrischen Maschine auf eine Überprüfung für den möglichen Wechsel in den Freilauf verzichtet werden.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 2: ein Strom-Zeitdiagramm für einen Stromverlauf in einem Wechselrichter gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 3: ein Strom-Zeitdiagramm für einen Stromverlauf in einem Wechselrichter gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 4: ein Strom-Zeitdiagramm für einen Stromverlauf in einem Wechselrichter gemäß noch einer weiteren Ausführungsform; und
Fig. 5: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Steuerung eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Beschreibung der Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes für ein elektrisches Antriebssystem mit einem Wechselrichter 1 und einer elektrischen Maschine 2 gemäß einer Ausführungsform. An einem Gleichspannungsanschluss des Wechselrichters 1 kann beispielsweise eine Gleichspannungsquelle 3, wie zum Beispiel eine Batterie, insbesondere eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, angeschlossen werden. An einem Wechselspannungsanschluss des Wechselrichters 1 kann eine elektrische Maschine 2 angeschlossen werden. Der Wechselrichter 1 kann die am Gleichspannungsanschluss bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung konvertieren, die dazu geeignet ist, die elektrische Maschine 2 anzusteuern. Gegebenenfalls kann der Wechselrichter 1 auch dazu ausgelegt sein, eine von der elektrischen Maschine 2 in einem Generatorbetrieb bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung zu konvertieren, die dazu geeignet ist, eine am Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Batterie aufzuladen.
In dem Wechselrichter 1 können mehrere Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen S1 bis S6 vorgesehen sein. Jede Halbbrücke umfasst zwei in Serie geschaltete Schaltelemente S1 bis S6, die jeweils an einem Knotenpunkt elektrisch miteinander verbunden sind. Für jede Phase einer an einem Wechselspannungsanschluss des Stromrichters 1 bereitzustellen Wechselspannung kann der Wechselrichter 1 jeweils eine solche Halbbrücke umfassen. Die Knotenpunkte der jeweiligen Halbbrücken, an welchen die jeweils zwei Schaltelemente S1 bis S6 elektrisch miteinander verbunden sind, sind hierbei jeweils mit einem Anschlusspunkt des Wechselspannungsanschluss des Wechselrichter 1 verbunden.
Die jeweils anderen Anschlüsse der Schaltelemente S1 bis S6, also diejenigen Anschlüsse Schaltelemente S1 bis S6, welche nicht mit dem Wechselspannungsanschluss des Wechselrichter 1 verbunden sind, sind mit einem Gleichspannungsanschluss des Wechselrichter 1 verbunden. Hierbei sind alle Schaltelemente Sl, S3, S5, welche mit einem Anschlusspunkt für eine erste (beispielsweise positive) Polarität der am Gleichspannungsanschluss bereitgestellten Gleichspannung verbunden sind, elektrisch miteinander verbunden. Analog sind auch alle Schaltelemente S2, S4, S6, welche mit einem Anschlusspunkt für eine zweite (beispielsweise negative) Polarität der am Gleichspannungsanschluss bereitgestellten Gleichspannung verbunden sind, elektrisch miteinander verbunden. Die Schaltelemente Sl, S3, S5, welche mit dem Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses für der ersten, positiven Polarität verbunden sind, werden auch als obere Schaltelemente bezeichnet. Analog können die Schaltelemente S2, S4, S6, welche mit dem Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses für die zweite, negative Polarität verbunden sind, als untere Schaltelemente bezeichnet werden.
Die Schaltelemente Sl bis S6 können von einer Steuereinrichtung 10 angesteuert werden. Hierzu kann die Steuereinrichtung 10 für jedes der Schaltelemente Sl bis S6 ein Ansteuersignal bereitstellen, welches dazu geeignet ist, das jeweilige Schaltelement Sl bis S6 zu öffnen bzw. zu schließen. Auf diese Weise kann zum Beispiel mittels einer pulsbreitenmodulierten Ansteuerung der Schaltelemente S1 bis S6 aus der eingangsseitig bereitgestellten Gleichspannung eine gewünschte Wechselspannung zu Ansteuerung der elektrischen Maschine 2 generiert werden.
Darüber hinaus kann in dem Wechselrichter 1 ein sogenannter aktiver Kurzschluss eingestellt werden. Bei einem solchen aktiven Kurzschluss können die oberen Schaltelemente Sl, S3 und S5 geschlossen werden, während die unteren Schaltelemente S2, S4 und S6 geöffnet sind. Alternativ können die oberen Schaltelemente Sl, S3 und S5 geöffnet werden, während die unteren Schaltelemente S2, S4 und S6 geschlossen sind. Auf diese Weise sind alle Phasenanschlüsse elektrischen Maschine 2 elektrisch miteinander verbunden, also kurzgeschlossen.
In einem weiteren Betriebsmodus kann ein sogenannter Freilauf eingestellt werden. Hierbei sind alle Schaltelemente Sl bis S6 in den Halbbrücken des Wechselrichters 1 geöffnet. Befindet sich dabei die elektrische Maschine 2 in Bewegung, so kann in den Phasenwicklungen der elektrischen Maschine 2 eine elektrische Spannung induziert werden. Ist diese von der elektrischen Maschine 2 am Wechselspannungsanschluss des Wechselrichters 1 anliegende elektrische Spannung ausreichend hoch, so kann gegebenenfalls ein elektrischer Strom durch Dioden, welche parallel zu den Schaltelementen Sl bis S6 angeordnet sind, zum Gleichspannungsanschluss des Wechselrichters 1 fließen. Ein solcher elektrischer Strom während des Freilauf-Modus soll gegebenenfalls begrenzt oder vollständig verhindert werden.
Soll von einem aktiven Kurzschluss in einen Freilauf-Modus gewechselt werden, so ist daher vor einem solchen Wechsel zu überprüfen, ob gegebenenfalls ein Stromfluss von der elektrischen Maschine 2 am Wechselspannungsanschluss des Wechselrichters 1 zum Gleichspannungsanschluss des Wechselrichters 1 zu erwarten ist. Hierzu kann durch die Steuereinrichtung 10 in einer ersten der Halbbrücken des Wechselrichters 1 ein Schaltzustand eingestellt werden, in welchem beide Schaltelemente einer ersten Halbbrücke, Sl + S2, S3 + S4 oder S5 + S6 geöffnet sind. Die Schaltelemente der übrigen Halbbrücken bleiben dabei zunächst in dem Schaltzustand, der dem aktuell eingestellten aktiven Kurzschluss entspricht.
Vorzugsweise wird dieser Schaltzustand, in dem in der ersten Halbbrücke beide Schaltelemente geöffnet sind, zu einem Zeitpunkt eingestellt, in welchem der elektrische Strom durch das zuvor geschlossene Schaltelement zumindest annähernd im Bereich eines Nulldurchganges ist. Beispielsweise kann der entsprechende Schalter geöffnet werden, kurz bevor der elektrische Strom durch diesen Schalter den Nulldurchgang erreicht. Alternativ ist auch ein Öffnen des Schalters genau im Nulldurchgang oder kurz nach dem Nulldurchgang möglich.
Nachdem dieses Schaltelement geöffnet worden ist und somit in einer Halbbrücke des Wechselrichters 1 ein Schaltzustand eingestellt worden ist, der einem aktiven Freilauf entspricht, kann ein elektrischer Parameter, der den Verlauf eines Phasenstrom in Richtung der ersten Halbbrücke charakterisiert oder den elektrischen Strom in dieser Halbbrücke charakterisiert, erfasst und ermittelt oder überwacht werden. Insbesondere kann hierzu jeweils der elektrische Strom überwacht werden, der während dieses Schaltzustandes in dem entsprechenden Phasenanschluss oder durch die parallel zu den geöffneten Schaltelementen vorgesehenen Dioden fließt. Beispielsweise kann der Stromverlauf durch Stromsensoren 11 erfasst werden. Die Stromsensoren 11 könne hierbei ein zu einem elektrischen Strom an den Phasenanschlüssen oder den Halbbrücken korrespondierendes Sensorsignal an der Steuereinrichtung 10 bereitstellen.
Wird hierbei ein signifikanter Stromfluss detektiert, der gegebenenfalls während des Zeitraums der Ermittlung oder Überwachung weiter ansteigt, so kann dies als ein Indiz darauf angesehen werden, dass beim Einstellen eines vollständigen Freilauf-Modus in dem Wechselrichter 1 ebenfalls ein elektrischer Strom von der elektrischen Maschine 2 durch die parallel zu den Schaltelementen S1 bis S6 angeordneten Dioden fließen wird. Ist ein solcher Stromfluss nicht erwünscht, so kann in diesem Fall weiterhin der aktive Kurzschluss in dem Wechselrichter 1 aufrechterhalten werden. Hierzu kann zum Beispiel das zuvor geöffnete Schaltelement wieder geschlossen werden. Wird dagegen während des oben beschriebenen Zeitraums, in dem in einer Halbbrücke beide Schaltelemente geöffnet sind, kein Stromfluss detektiert, oder wird ein Stromfluss detektiert, der eine zuvor spezifizierte Bedingung erfüllt, so kann dies als Hinweis darauf gewertet werden, dass im Falle eines Freilaufs die am Wechselspannungsanschluss des Wechselrichters 1 anliegende elektrische Spannung von der elektrischen Maschine 2 ausreichend niedrig ist, sodass sich kein Stromfluss vom Wechselspannungsanschluss zum Gleichspannungsanschluss in dem Wechselrichter 1 einstellen wird.
Wird auf Grundlage der Ermittlung, Auswertung oder der Überwachung des Verlaufs des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke festgestellt, dass der Wechsel in ein Freilauf-Modus möglich ist, so kann beispielsweise der Schaltzustand mit den beiden geöffneten Schaltelementen in der Halbbrücke beibehalten werden. Im weiteren Verlauf kann daraufhin in den übrigen Halbbrücken ebenfalls das bisher noch geschlossene Schaltelement geöffnet werden. Insbesondere können die zuvor geschlossenen Schaltelemente dabei zu Zeitpunkten geöffnet werden, wenn der elektrische Strom durch die Schaltelemente zumindest annähernd im Bereich eines Nulldurchganges ist.
Alternativ ist es auch möglich, nach dem Einstellen des Freilaufs in der ersten Halbbrücke und der sich daraufhin anschließenden Ermittlung des Verlaufs des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke, zunächst das zuvor geöffnete Schaltelement wieder zu schließen und somit zum vollständigen aktiven Kurzschluss zurückzukehren. Daraufhin kann in der Steuereinrichtung 10 der zuvor erfasste Verlauf des elektrischen Stromes während des Zeitraums mit den beiden geöffneten Schaltelementen in einer Halbbrücke ausgewertet werden, um zu überprüfen, ob ein Wechsel in den Freilauf möglich ist. Eine solche Verarbeitung des zuvor erfassten Stromverlaufs bietet sich insbesondere dann an, wenn die Steuereinrichtung 10 beispielsweise nur eine eingeschränkte Rechenleistung aufweisen kann, sodass eine schnelle Bewertung des Stromverlauf in Echtzeit nicht möglich ist. Wird bei dieser nachgeschalteten Bewertung des Stromverlaufs nach der Rückkehr in den aktiven Kurzschluss festgestellt, dass ein Freilauf-Modus möglich ist, so kann daraufhin durch das Öffnen aller Schaltelemente S1 bis S6 der Freilauf-Modus eingestellt werden. Auch hierbei können die zuvor geschlossenen Schaltelemente S1 bis S6 vorzugsweise zu Zeitpunkten geöffnet werden, wenn der elektrische Strom durch die jeweiligen Schaltelemente sich zumindest annähernd im Bereich eines Nulldurchganges befindet.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Strom-Zeitdiagramm für die Phasenströme l_l, l_2 und l_3 in einem elektrischen Antriebssystem während der Überprüfung eines möglichen Wechsels vom aktiven Kurzschluss in einen Freilauf-Modus. Hierbei wird zum Zeitpunkt tl in der Halbbrücke für den Strom I_1 genau zum Nulldurchgang das für den aktiven Kurzschluss geschlossene Schaltelement geöffnet. Zum Zeitpunkt t2 wird dieses Schaltelement daraufhin wieder geschlossen, um zum aktiven Kurzschluss zurückzukehren. In der Zeitspanne zwischen tl und t2 fließt dabei kein elektrischer Strom in der entsprechenden Phase. Somit kann davon ausgegangen werden, dass beim Wechsel in einen Freilauf die von der elektrischen Maschine 2 bereitgestellte elektrische Spannung ausreichend gering ist, sodass während des Freilaufs kein elektrischer Strom vom Wechselspannungsanschluss zum Gleichspannungsanschluss fließen wird. Somit ist ein Wechsel vom aktiven Kurzschluss in den Freilauf möglich.
Figur 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Strom-Zeitdiagramm für die Phasenströme l_l, l_2 und l_3 in einem elektrischen Antriebssystem während der Überprüfung eines möglichen Wechsels vom aktiven Kurzschluss in einen Freilauf-Modus. Auch hierbei wird zum Zeitpunkt tl in der Halbbrücke für den Strom I_1 genau zum Nulldurchgang das für den aktiven Kurzschluss geschlossene Schaltelement geöffnet und zum Zeitpunkt t2 dieses Schaltelement wieder geschlossen, um zum aktiven Kurzschluss zurückzukehren. Im Gegensatz zu Figur 2 fließt dabei während des Zeitintervalls zwischen tl und t2 ein elektrischer Strom in der Phase mit der Halbbrücke, in welcher beide Schaltelemente geöffnet sind. Hieraus kann geschlossen werden, dass die elektrische Spannung von der elektrischen Maschine 2 derart hoch ist, dass im Falle eines Freilauf-Modus durch die parallel zu den Schaltelementen S1 bis S6 angeordneten Dioden ein elektrischer Strom fließen würde.
Figur 4 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Strom-Zeitdiagramm für die Phasenströme l_l, l_2 und l_3 in einem elektrischen Antriebssystem während der Überprüfung eines möglichen Wechsels vom aktiven Kurzschluss in einen Freilauf-Modus. In diesem Fall erfolgt das Öffnen des Schaltelements in einer der Halbbrücken zu einem Zeitpunkt t3 welcher kurz nach dem Nulldurchgang des Stromes I_1 in der entsprechenden Phase liegt. Zum Zeitpunkt t4 wird dieses Schaltelement wieder geschlossen. Somit fließt bereits beim Öffnen dieses Schaltelements ein geringer elektrischer Strom in der entsprechenden Phase. Nimmt dieser elektrische Strom I_1 dabei im weiteren Verlauf tendenziell ab, so kann dies als ein Indiz darauf gewertet werden, dass eine Freilauf-Modus möglich ist. Würde der elektrische Strom in dieser Phase dagegen tendenziell eher ansteigen, so sollte der aktive Kurzschluss weiter aufrechterhalten werden.
Analog ist auch eine Auswertung möglich, wenn das Öffnen des Schaltelements zu einem Zeitpunkt kurz vor dem Nulldurchgang erfolgt. Hierbei sollte die Überwachung der Stromverlauf jedoch über eine Zeitspanne erfolgen, welche den (theoretischen) Nulldurchgang im Stromverlauf beinhaltet.
Figur 5 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters 1 für ein elektrisches Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Verfahren kann grundsätzlich beliebige Schritte umfassen, wie sie zuvor bereits in Zusammenhang mit der Steuerung des elektrischen Antriebssystems beschrieben worden sind. Analog kann auch an das zuvor beschriebene Antriebssysteme insbesondere der Wechselrichter 1 sowie die in dem Wechselrichter 1 vorgesehene Steuereinrichtung 10 beliebige Komponenten umfassen, die zur Implementierung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens erforderlich sind.
In Schritt 100 ist in dem Wechselrichter ein aktiver Kurzschluss eingestellt. Bei einem solchen aktiven Kurzschluss sind, wie zuvor bereits ausgeführt, entweder die oberen Schaltelemente Sl, S3 und S5 geschlossen und die unteren Schaltelemente S2, S4 und S6 geöffnet, oder alternativ sind die unteren Schaltelemente S2, S4 und S6 geschlossen während die oberen Schaltelemente Sl, S3 und S5 geöffnet sind. In Schritt 200 wird in einer ersten Halbbrücke des Wechselrichters 1 das zuvor geschlossene Schaltelement geöffnet. In den übrigen Halbbrücken des Wechselrichters 1 bleiben die für den aktiven kurzschlussgeschlossenen Schaltelemente weiterhin geschlossen.
In Schritt 300 erfolgt daraufhin das Ermitteln eines elektrischen Parameters, der einen Verlauf eines Phasenstrom in Richtung der ersten Halbbrücke charakterisiert, in der beide Schaltelemente geöffnet sind.
In Schritt 400 wird der Verlauf des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke ausgewertet. Falls eine vorbestimmte Bedingung für einen Wechsel in den Freilauf erfüllt ist, wird daraufhin in dem Wechselrichter 1 ein Freilauf- Modus eingestellt. Hierbei werden alle Schaltelemente S1 bis S6 in den Halbbrücken des Wechselrichters geöffnet. Ist die vorgegebene Wechselbedingung dagegen nicht erfüllt, so wird der Wechselrichter 1 weiterhin im aktiven Kurzschluss betrieben.
Das Verfahren zu überprüfen, ob ein Wechsel von einem aktiven Kurzschluss in einen Freilauf-Modus möglich ist, kann grundsätzlich zu beliebigen Zeitpunkten während des Betriebs des Wechselrichters 1 im aktiven Kurzschluss durchgeführt werden. Beispielsweise kann während des Betriebs im aktiven Kurzschluss regelmäßig, insbesondere periodisch zu vorbestimmten Zeitintervallen überprüft werden, ob gegebenenfalls ein Wechsel vom aktiven Kurzschluss in den Freilauf-Modus möglich ist. Ferner kann die Überprüfung für einen möglichen Wechsel in den Freilauf-Modus gegebenenfalls auch nur dann erfolgen, wenn vorgegebene Betriebsbedingungen erfüllt sind. Beispielsweise kann eine Drehzahl der an den Wechselrichter 1 angeschlossen elektrischen Maschine 2 ermittelt werden. In diesem Fall kann zum Beispiel nur dann ein Wechsel von dem aktiven Kurzschluss in den Freilauf-Modus in Betracht gezogen werden, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine 2 einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Bei höheren Drehzahlen kann beispielsweise davon ausgegangen werden, dass in den Phasenwicklungen der elektrischen Maschine 2 eine elektrische Spannung induziert wird, die zu einem Stromfluss im Wechselrichter 1 vom Wechselspannungsanschluss zum Gleichspannungsanschluss führen würde. Darüber hinaus kann der Wechsel von dem aktiven Kurzschluss in den Freilauf- Modus auch selbst verständlich an beliebige weitere Bedingungen gekoppelt sein. Beispielsweise kann auch nur dann in einen Freilauf-Modus gewechselt werden, wenn zusätzlich weitere Betriebsbedingungen in dem elektrischen
Antriebssystem, insbesondere der elektrischen Maschine und/oder der am Gleichspannung angeschlossenen Gleichspannungsquelle 3, insbesondere einer Traktionsbatterie erfüllt sind. Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung den Wechsel von einem aktiven Kurzschluss in den Freilauf in einem Wechselrichter eines elektrischen Antriebssystems. Hierzu wird in einer Halbbrücke des Wechselrichters kurzzeitig ein Schaltzustand eingestellt, der dem Schaltzustand des Freilaufs entspricht. Daraufhin wird der Stromverlauf in dieser Halbbrücke ausgewertet, um zu überprüfen, ob ein Wechsel in den Freilauf zulässig ist oder nicht.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters (1) für ein elektrisches Antriebssystem, wobei der Wechselrichter (1) mehrere Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen (S1-S6) umfasst, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfassen:
Einstellen (100) eines aktiven Kurzschlusses in dem Wechselrichter (1);
Öffnen (200) der Schaltelemente in einer ersten Halbbrücke des Wechselrichters (1);
Ermitteln (300) eines elektrischen Parameters, der einen Verlauf eines Phasenstrom in Richtung der ersten Halbbrücke charakterisiert, in der beide Schaltelemente geöffnet sind;
Einstellen (400) eines Freilauf-Modus in dem Wechselrichter, in welchem alle Schaltelemente (S1-S6) aller Halbbrücken geöffnet sind, falls der Verlauf des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke eine vorbestimmte Wechselbedingung erfüllt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei von dem aktiven Kurzschluss in den Freilauf-Modus gewechselt wird, falls der Betrag des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke ab einem Strom-Nulldurchgang einen vorgegebenen Schwellwert nicht überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden Schaltelemente in einer Halbbrücke des Wechselrichters geöffnet werden, wenn ein Verlauf des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke zumindest annähernd im Bereich eines Nulldurchgangs ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zum Einstellen (400) des Freilauf-Modus in dem Wechselrichter (1) die Schaltelemente in der ersten Halbbrücke, in welcher zuvor beide Schaltelemente geöffnet worden sind, weiter geöffnet bleiben, und anschließend die Schaltelemente in den weiteren Halbbrücken des Wechselrichters (1) geöffnet werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei nach dem Ermitteln (300) des elektrischen Parameters, zunächst wieder ein Schaltelement in der ersten Halbbrücke geschlossen wird, um einen aktiven Kurzschluss einzustellen; und daraufhin der Verlauf des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke ausgewertet wird, und nach der Auswertung ein Freilauf-Modus in dem Wechselrichter (1) eingestellt wird, falls der Verlauf des Phasenstroms in Richtung der ersten Halbbrücke die vorbestimmte Wechselbedingung erfüllt ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Schritt zum Ermitteln einer Drehzahl einer an den Wechselrichter (1) angeschlossen elektrischen Maschine (2), wobei die Schritte zum Öffnen (200) der beiden Schaltelemente, zum anschließenden Ermitteln (300) des elektrischen Parameters und zum Einstellen (400) in den Freilauf-Modus nur dann ausgeführt werden, falls die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine (2) einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Wechselrichter (1), mit: mehreren Halbbrücken, die jeweils zwei Schaltelemente (SI- S6) umfassen, wobei parallel zu jedem Schaltelement (S1-S6) jeweils eine Diode vorgesehen ist; und einer Steuereinrichtung (10), die dazu ausgelegt ist, Ansteuersignale für die Schaltelemente (S1-S6) in den mehreren Halbbrücken bereitzustellen; wobei die Steuereinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen. Elektrisches Antriebssystem, mit: einer elektrischen Maschine (2); und einem Wechselrichter (1) nach Anspruch 7; wobei der Wechselrichter (1) an einem Wechselspannungsanschluss mit der elektrischen Maschine (2) verbunden ist, und wobei der Wechselrichter (1) dazu ausgelegt ist, an einem Gleichspannungsanschluss mit einer Gleichspannungsquelle verbunden zu werden.
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DE102012216008A1 (de) * 2012-09-10 2014-03-13 Robert Bosch Gmbh Betriebszustandsschaltung für Wechselrichter und Verfahren zum Einstellen von Betriebszuständen eines Wechselrichters
DE102014222256A1 (de) 2014-10-31 2016-05-04 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Umschalten eines Betriebszustands einer elektrischen Maschine und Vorrichtung zum Umschalten eines Betriebszustands einer elektrischen Maschine

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