Titel

Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einer Vorrichtung sowie ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang.

Stand der Technik

In aktuellen Automobilgenerationen spielt die Elektromobilität eine immer wichtigere Rolle. Elektroantriebe kommen entweder komplett als Alternative zum bekannten Verbrennungsmotor oder als Unterstützung des Verbrennungsmotors (Hybrid) zum Einsatz. Das Konzept dieser Antriebe sieht momentan eine Traktionsbatterie mit in Serie geschalteten Batteriezellen, einem entsprechenden Zwischenkreis und einem Inverter vor. Mittels eines Wechselrichters wird die am Zwischenkreis anliegende Gleichspannung der Traktionsbatterie in eine mehrphasige Wechselspannung gewandelt zur Versorgung der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebstrangs. Dieses Antriebskonzept kann auch generato- risch genutzt werden um Bewegungsenergie wieder in elektrische Energie zurückzuwandeln. Aufgrund von Nutzung, Verschleiß und Alterung können an der hierzu verwendeten Elektronik Defekte entstehen. Im Falle eines Defektes muss dies detektiert werden und das Antriebssystem in einen sicheren Zustand versetzt werden, dass seitens des elektrischen Antriebsstrangs keine Gefahr auf Nutzer oder Unbeteiligte im Umfeld des elektrischen Antriebsstrangs ausgeht. Als ein sicherer Zustand ist der sogenannte aktive Kurzschluss (AKS) einer elektrischen Maschine bekannt. Dabei werden die einzelnen Wicklungen der elektrischen Maschine miteinander kurzgeschlossen. Im Fehlerfall kann somit keine Energie generatorisch in die Elektronik zurückgespeist werden und es stellt sich ein bremsendes Drehmoment am Rotor der elektrischen Maschine ein. Zum Einstellen des aktiven Kurzschlusses werden mittels dauerhaftem Schließen aller high- oder low-side-Schaltelemente in einem Wechselrichter die einzelnen Wicklungen der elektrischen Maschine miteinander kurzgeschlossen. Aktuell wird zwischen einem „harten“ aktiven Kurzschluss und einem „safe turn off“ (STO) unterschieden. Bei dem „harten“ aktiven Kurzschluss wird mittels einer diskret aufgebauten Hardware unmittelbar sofort nach Auftreten eines Fehlers einmalig und dauerhaft in den aktiven Kurzschluss geschaltet, es werden die Wicklungen der elektrischen Maschine mittels Schließen der Schaltelemente miteinander verbunden und kurz geschlossen. Da sich der Stromfluss wegen der im System befindlichen Induktivitäten jedoch aufrechterhalten will, treten im ersten Moment nach Schalten des Kurzschlusses erhebliche Spannungsüberhöhungen an den in den jeweiligen Halbbrücken befindlichen jeweils gegenüberliegenden Schaltelementen oder Leistungsschaltern auf, was nochmal zu einem kurzzeitigen Strompeak im System führt. Um diesen Effekt zu minimieren, erfolgt alternativ, anstatt eines harten und einmaligen Schaltens in den Kurzschluss, ein gesteuertes Schalten in den Kurzschluss. Dies wird safe turn off genannt. Aus der Druckschrift EP 3 083 320 Bl ist ein entsprechendes Verfahren bekannt, bei dem beim Schalten in den aktiven Kurzschluss keine relevanten Spanungs- oder Stromüberhöhungen auftreten. Abhängig vom aktuellen Betriebsmodus des Fahrzeuges und dem entsprechend gestellten Strom, kann das Schalten in den aktiven Kurzschluss individuell erfolgen. Gesteuert wird dies durch die Software innerhalb einer Steuerlogik des Wechselrichters oder des Inverters. Die Steuerlogik gibt Signale aus, die mittels einer Schnittstelle an einen Gate Treiber übertragen werden. Der safe turn off wird über die Software des Wechselrichters gesteuert. Hierzu wird über eine Schnittstelle ein Gate Treiber angesteuert, der wiederum das Leistungsmodul ansteuert. Dabei werden die Schaltelemente getaktet angesteuert und sanft in den oberen (high-side Schaltelemente geschlossen) oder unteren (low-side Schaltelemente geschlossen) aktiven Kurzschluß getaktet. Aufgrund des sanften Antaktens in den aktiven Kurzschluss treten nur geringe Spannungs- und somit Stromüberhöhungen an den Schaltelementen oder Leistungshalbleiter auf. Daher sind hierzu keine Designvorhalte zu berücksichtigen. Safe turn off wird bevorzugt über den zentralen pC des Wechselrichters und über die Software gesteuert. Daher kann dieses Verfahren bei bestimmten Fehlerarten nicht verwendet werden. Hierzu gehören Fehler wie Softwarefehler, Softwarereset, Hardwarefehler in dem pC und Peripherie und Fehler in der Übertragung von pC zum Gate-Treiber. Bei Auftreten dieser Fehlerarten muss der „harte“ aktive Kurzschluss aktiviert werden, da dieser ohne Software pC funktioniert. Um alle Fehlermöglichkeiten berücksichtigen zu können, werden beide Möglichkeiten des Schaltens in den aktiven Kurzschluss vorgehalten. In allen Fällen bei denen die Wechselrichter-Logik und Software noch funktionieren wird bevorzugt das safe turn off Verfahren angewendet. In allen anderen Fällen muss hart in den aktiven Kurzschluss geschaltet werden. Auch wenn nur sehr selten die Methode „harter“ aktiver Kurzschluss angewandt wird, muss das Gerät mit den Auswirkungen der kurzzeitig auftretenden sehr hohen Spannungen und Strömen standhalten. Das bedeutet entsprechend Mehraufwand in der Systemauslegung, z.B. Auswahl von Materialien und Stoffen, als auch bei der Chipauslegung, was wiederum zu erhöhten Produktkosten führt. Es besteht daher Bedarf für alternative Ansteuerlösungen, die auch bei einem Ausfall der Inverter-Logik und/ oder Software noch ein safe turn off ermöglichen.

Offenbarung der Erfindung

Es wird eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst ein Leistungsmodul eines Wechselrichters. Das Leistungsmodul umfasst eine Mehrzahl von Schaltelementen und einen Gate- Treiber-ASIC. Der Gate-Treiber-ASIC ist dazu ausgelegt, durch Ansteuern der Schaltelemente in einem gesteuerten Betrieb eine Wechselspannung an den Anschlüssen der elektrischen Maschine bereitzustellen und in einem Kurzschlussbetrieb die Anschlüsse der elektrischen Maschine elektrisch miteinander zu verbinden. Weiter ist der Gate-Treiber-ASIC dazu ausgelegt, bei einem Übergang von dem gesteuerten Betrieb zu dem Kurzschlussbetrieb die Schaltelemente nach einem vorgegebenen Ablauf anzusteuern.

Es wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die ein Leistungsmodul umfasst. Ein Leistungsmodul umfasst mehrere Schaltelemente oder Leistungshalbleiter. Beispielsweise umfasst ein Leistungsmodul zur Versorgung einer dreiphasigen elektrischen Maschine eine B6-Brücken-Schaltung. Das sind drei parallel geschaltete Halbbrücken. Eine Halbbrücke umfasst eine Reihenschaltung zweier Schaltele- mente und ist zwischen die Gleichspannungspotentiale oder Eingangsanschlüsse eines Wechselrichters geschaltet. Je ein Mittelabgriff zwischen den beiden Schaltelementen ist mit einem der Phasenanschlüsse für den Anschluss an eine mehrphasige elektrische Maschine elektrisch verbunden. Mittels Schließen eines des oberen oder unteren Schaltelemente einer Halbbrücke wird eine elektrische Verbindung zwischen dem oberen oder dem unteren Gleichspannungspotential und einem Phasenanschluss hergestellt. Das Leistungsmodul umfasst weiter einen Gate-Treiber-ASIC. Zur Ansteuerung der Schaltelemente umfassen diese einen Ansteuerkontakt oder ein Gate. Wenn an diesen Ansteuerkontakt ein Schaltsignal mit einem hohen Pegel oder Spannung angelegt wird, schließt das Schaltelement. Sobald ein geringer Pegel oder Spannung an dem Ansteuerkontakt oder an dem Gate anliegt, öffnet das Schaltelement wieder. Ein Gate-Treiber ist eine elektronische Schaltung, die in Abhängigkeit eines Ansteuersignals den entsprechenden Pegel an dem Gate oder Ansteuerkontakt bereitstellt. Ein ASIC ist eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch application-specific integrated circuit, ASIC, auch Custom Chip). Es ist eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert wurde. Die Funktion eines ASICs ist damit nicht mehr veränderbar. Bei großen Stückzahlen amortisieren die geringeren Herstellungskosten die einmalig hohen Entwicklungskosten. Das Leistungsmodul mit den integrierten Schaltelementen umfasst einen Gate-Treiber-ASIC, also eine integrierte Schaltung zur Ansteuerung der Ansteuerkontakte. Sowohl die Schaltelemente als auch die integrierte Schaltung sind zusammen in ein Bauelement vergossen. In einem gesteuerten Betrieb stellt das Leistungsmodul, somit der Gate-Treiber-ASIC und die angesteuerten Schaltelemente zusammen, eine Wechselspannung an den Phasenanschlüssen des Wechselrichters bereit. In einem Kurzschlussbetrieb verbindet das Leistungsmodul, somit der Gate-Trei- ber-ASIC und die angesteuerten Schaltelemente zusammen, die Phasenanschlüsse für den Anschluss einer elektrischen Maschine elektrisch miteinander nach einem vorgegebenen Ablauf. Bevorzugt ist in dem Gate-Treiber-ASIC ein Ablauf für die Ansteuerung der Schaltelemente vorgegeben, der die Schaltelemente derart ansteuert, dass sanft in einen safe turn off geschaltet wird. Dies kann bevorzugt individuell angepasst werden, bevorzugt mittels eines Kennfeldes innerhalb des Gate-Treiber-ASICS in Abhängigkeit von Betriebspunkt, ermittelter aktueller Drehzahl und/ oder Spannungen oder Strömen der elektrischen Maschine oder des Gleichspannungpotentials am Eingang des Wechselrichters. Vorteilhaft wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die unabhängig einen safe turn off einstellt. Somit muss in der Auslegung eines Wechselrichters nicht auf den Sonderbetriebsfall des „harten“ Schaltens eines aktiven Kurzschlusses Rücksicht genommen werden und es sind deutliche Einsparungen bei Chipflächen der Leistungshalbleiter, bzw. Materialien in der Aufbau- und Verbindungstechnik möglich.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Ansteuern der Schaltelemente nach einem vorgegebenen Ablauf das Einstellen der Amplitude der an den Phasenanschlüssen für den Anschluss der elektrischen Maschine bereitgestellten Wechselspannung auf einen vorbestimmten Wert.

Der Gate Treiber ASIC ist dazu ausgelegt, die Amplitude der an den Phasenanschlüssen für den Anschluss der elektrischen Maschine bereitgestellten Wechselspannung während einem Übergang von dem gesteuerten Betrieb in den Kurzschlussbetrieb auf 0 Volt abzusenken und bevorzugt anschließend die Schaltelemente für einen unteren oder oberen aktiven Kurzschluss dauerhaft zu schließen. Alternativ kann die Amplitude der an den Phasenanschlüssen für den Anschluss der elektrischen Maschine bereitgestellten Wechselspannung während einem Übergang von dem gesteuerten Betrieb in den Kurzschlussbetrieb auf einen Wert abgesenkt werden, der kleiner ist als die Phasenspannung an den Phasenanschlüssen für den Anschluss der elektrischen Maschine während des gesteuerten Betriebs. Durch ein solches Absenken der elektrischen Spannung an den Phasenanschlüssen für den Anschluss der elektrischen Maschine vor dem Übergang in den aktiven Kurzschluss kann sichergestellt werden, dass es zu keinen gefährlichen Überströmen kommt, die zu Beschädigungen oder einer vorzeitigen Alterung der verwendeten Bauteile führen würden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Leistungsmodul einen Fehlerpin. Mittels dem Fehlerpin wird das Ansteuern der Schaltelemente nach einem vorgegebenen Ablauf aktiviert.

An dem Leistungsmodul ist ein Fehlerpin angeordnet. Wenn ein Pegel an diesem Fehlerpin eine vorgebbare Spannung übersteigt, wird der Gate-Treiber-ASIC direkt angesteuert und in dem Gate-Treiber-ASIC wird direkt das Ansteuern der Schaltelemente nach einem vorgegebenen Ablauf aktiviert. Das bedeutet, dass die Vorrichtung von dem gesteuerten Betrieb in den Kurzschlussbetrieb übergeht. Vorteilhaft ist kein weiterer pC oder eine Inverter-Logik oder eine weitere funktionierende Schaltung/ Steuergerät im Fehlerfall notwendig, um die Vorrichtung, und bevorzugt eine daran angeschlossene elektrische Maschine, in einen sicheren Zustand zu überführen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der vorgegebene Ablauf innerhalb des Gate-Treiber-ASIC fest implementiert.

Es wird eine Vorrichtung bereitgestellt, wobei der vorgegebene Ablauf in dem Gate-Treiber-ASIC fest implementiert ist. Das bedeutet, dass der vorgegebene Ablauf hart über eine Logik im Gate-Treiber-ASIC vorgehalten wird oder unveränderlich als integrierte Schaltung innerhalb des Gate-Treiber-ASIC umgesetzt ist. Vorteilhaft wird eine Variante zur Integration innerhalb des Gate-Treiber-ASIC bereitgestellt.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der vorgegebene Ablauf über ein programmierbares ROM/ EPROM innerhalb des Gate-Treiber-ASIC implementiert.

Es wird eine Vorrichtung bereitgestellt, wobei der vorgegebene Ablauf in dem Gate-Treiber-ASIC über einen programmierbaren Speicherbaustein innerhalb des Gate-Treiber-ASIC implementiert ist. Das bedeutet, dass der vorgegebene Ablauf einstellbar über einen programmierbaren Speicherbaustein, bevorzugt ein ROM oder EPROM, im Gate-Treiber-ASIC vorgehalten wird. Bevorzugt erfolgt somit mittels Programmierung die Einstellung des vorgegebenen Ablaufs in Abhängigkeit von dem Wechselrichter und dessen Leistung, bevorzugt bei einem End-of-Line-Test des Wechselrichters. Vorteilhaft wird eine Variante zur Integration innerhalb des Gate-Treiber-ASIC bereitgestellt.

Ferner umfasst die Erfindung einen elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs. Der elektrische Antriebsstrang umfasst eine beschriebene Vorrichtung und einen Wechselrichter. Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang eine Traktionsbatterie. Ein Antriebstrang eines Fahrzeugs dient der Wandlung elektrischer Energie aus einer Energiequelle in mechanische Energie, die für den Vortrieb des Fahrzeugs eingesetzt wird. Bei einem elektrischen Antriebsstrang wird beispielsweise die elektrische Energie aus einer Energiequelle mittels eines Wechselrichters in eine Wechselspannung umgewandelt, mit der eine elektrische Maschine betrieben wird. Mittels der Vorrichtung wird eine Möglichkeit bereitgestellt, den Antriebsstrang effektiv in einen sicheren Zustand zu überführen.

Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, mit einem wie bisher beschriebenen Antriebsstrang. Vorteilhaft wird ein Fahrzeug bereitgestellt, welches effektiv in einen sicheren Zustand überführt wird.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine. Das Verfahren wird mittels einer Vorrichtung durchgeführt. Die Vorrichtung umfasst ein Leistungsmodul eines Wechselrichters. Das Leistungsmodul umfasst eine Mehrzahl von Schaltelementen und einen Gate-Treiber-ASIC. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ansteuern der Schaltelemente mittels dem Gate- Treiber-ASIC in einem gesteuerten Betrieb zur Bereitstellung einer Wechselspannung an den Anschlüssen der elektrischen Maschine und Ansteuern der Schaltelemente mittels dem Gate-Treiber-ASIC nach einem vorgegebenen Ablauf bei einem Übergang von dem gesteuerten Betrieb zu dem Kurzschlussbetrieb.

Es wird ein Verfahren bereitgestellt, eine elektrische Maschine anzusteuern. Im gesteuerten Betrieb wird die elektrische Maschine in Abhängigkeit eines vorgegebenen Drehmomentes angesteuert. Entsprechend rotiert der Rotor der elektrischen Maschine und gibt ein entsprechendes Drehmoment ab. In einem Fehlerfall wird das Leistungsmodul innerhalb des Wechselrichters in einen sicheren Zustand überführt. Hierzu wird im Gate-Treiber-ASIC ein vorgegebener Ablauf aktiviert, mit dem die oberen oder unteren Schaltelemente des Leistungsmoduls angesteuert oder getaktet werden und geschlossen werden. Es wird ein safe turn off durchgeführt. Somit werden die elektrischen Phasen der angeschlossenen elektrischen Maschine kurzgeschlossen und der gesamte Antriebsstrang oder das Fahrzeug in einen sicheren Zustand überführt. Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, das die Vorrichtung, den Wechselrichter, den Antriebsstrang oder das Fahrzeug effektiv in einen sicheren Zustand überführt. Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Vorrichtung entsprechend auf das Verfahren bzw. den Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung,

Figur 2 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang mit der Vorrichtung,

Figur 7 ein schematisch dargestelltes Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Ausführungsformen der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 190. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Leistungsmodul 110 eines Wechselrichters 120, Pulswechselrichters oder Inverters. Das Leistungsmodul 110 umfasst eine Mehrzahl von Schaltelementen 112P1, 112P2, 112P3, 112N1, 112N2, 112N3 und einen Gate-Treiber-ASIC 114. Beispielhaft ist ein Leistungsmodul 110 mit einer B6-Brücke dargestellt, die die sechs Schaltelemente 112Px, 112Nx umfasst zur Wandlung einer Gleichspannung in eine merhphasige, in diesem Fall dreiphasige, Wechselspannung. Je nach Anwendungsfall, benötigter Leistung und/ oder Anzahl an Phasen zur Versorgung eines Verbrauchers können weniger oder auch mehr Schaltelemente 112Px, 112Nx als Halbbrücken parallel geschaltet werden. Der Gate-Treiber- AS IC 114, bevorzugt innerhalb des Leistungsmoduls 110, ist dazu ausgelegt, durch Ansteuern der Schaltelemente 112Px, 112Nx in einem gesteuerten Betrieb eine Wechselspannung an den Phasenanschlüssen 118 für den Anschluss einer elektrischen Maschine 190 bereitzustellen und in einem Kurzschlussbetrieb die Phasenanschlüsse 118 für den Anschluss einer elektrischen Maschine 190 elektrisch miteinander zu verbinden. Das direkte Ansteuern der Schaltelemente mittels des Gate-Treiber-ASICS 114 ist in der Zeichnung mittels des auf die Schaltelemente gerichteten Pfeils dargestellt. Der Gate- Treiber-ASIC 114 ist dazu ausgelegt, bei einem Übergang von dem gesteuerten Betrieb zu dem Kurzschlussbetrieb die Schaltelemente 112Px, 112Nx nach einem vorgegebenen Ablauf anzusteuern und bevorzugt anschließend dauerhaft einen oberen oder unteren aktiven Kurzschluss einzustellen. Bevorzugt umfasst das Leistungsmodul hierzu einen Fehlerpin 116, über den das Ansteuern der Schaltelemente 112Px, 112Nx mittels des Gate-Treiber- AS IC 114 nach einem vorgegebenen Ablauf aktiviert wird. Eine Ansteuerung des Fehlerpins 116 erfolgt bevorzugt über einen pC, ein Steuergerät oder eine Schaltlogik 130 des Wechselrichters, die bevorzugt außerhalb des Leistungsmoduls angeordnet ist. Außerhalb des Leistungsmoduls kann innerhalb des Wechselrichters 120 sein oder auch außerhalb des Wechselrichters 120, beispielsweise in einem anderen Steuergerät in einem Fahrzeug. In einem Fehlerfall stellt ein solche Schaltlogik bevorzugt einen erhöhten Spannungspegel an dem Fehlerpin 116 bereit zur Aktivierung der Ansteuerung der Schaltelemente 112Px, 112Nx mittels des Gate-Trei- ber-ASIC 114 nach einem vorgegebenen Ablauf. Bevorzugt ist eingangsseitig am Wechselrichter 120 oder dem Leistungsmodul 110 an den Eingangsanschlüssen oder den Gleichspannungspotentialen 119 ein Zwischenkreiskondensator zur Glättung der Eingangsgleichspannung angeschlossen. Bevorzugt ist ebenfalls an diesen Gleichspannungspotentialen 119 eine Traktionsbatterie 150 zur Versorgung der elektrischen Maschine angeschlossen.

Die Figur 2 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 300 mit vier Rädern 302 und einem Antriebsstrang 200. Das Fahrzeug 300 ist hier nur beispielhaft mit vier Rädern 302 dargestellt, wobei die Erfindung gleichermaßen in beliebigen Fahrzeugen mit einer beliebigen Anzahl an Rädern zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist. Der beispielhaft dargestellte Antriebsstrang 200 umfasst mindestens eine Vorrichtung 100. Weiter umfasst der Antriebsstrang 200 einen Wechselrichter 120, innerhalb dessen die Vorrichtung 100 angeordnet ist und insbesondere eine Traktionsbatterie 150. Bevorzugt umfasst der Antriebstrang 200 eine elektrische Maschine 190 für den Antrieb einer Antriebsachse des Fahrzeugs 300.

Die Figur 3 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 400 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 190. Das Verfahren beginnt mit Schritt 405. In Schritt 410 wird mittels Ansteuern der Schaltelemente 112 Px,

112Nx mittels dem Gate-Treiber-ASIC 114 in einem gesteuerten Betrieb eine Wechselspannung an den Anschlüssen der elektrischen Maschine 190 bereitgestellt. Bei einem Übergang zu dem Kurzschlussbetrieb werden in einem Schritt 420 die Schaltelemente 112Px, 112Nx mittels dem Gate-Treiber-ASIC 114 nach einem vorgegebenen Ablauf angesteuert. Mit Schritt 425 endet das Verfahren.