Schutz eines Drehstrommotors im Feldschwächbereich Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Gleichspannungsquelle, die eine Minusklemme und eine Plusklemme aufweist, einem Dreh ^¬ strommotor, dessen Wicklungen in einem Sternpunkt zusammengeführt sind, und einem Umrichter, der an die Gleichspannungs- quelle und den Drehstrommotor angeschlossen ist, zum Umrich- ten eines Gleichstroms in einen Drehstrom. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Antriebsvorrichtung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Antriebsvorrichtung.

Bei Elektrofahrzeugen wird bevorzugt eine permanenterregte Synchronmaschine eingesetzt. Dadurch ist eine hohe Leistungs ^¬ dichte und ein hoher Wirkungsgrad geboten. Die elektrische Maschine ist typischerweise als Drei-Phasen- bzw. Drehstrom ^¬ motor ausgebildet. Der Drehstrommotor wird in einem Fahrzeug meist von einer Hochvoltbatterie (mehr als 100 V; typischer ^¬ weise 400 V) gespeist. Der Gleichstrom der Batterie wird über einen Umrichter in Drehstrom gewandelt. Der Umrichter besitzt einen Leistungsteil mit entsprechenden Leistungshalbleitern, die von einem Steuerungsteil gesteuert bzw. geregelt werden.

Problematisch ist das Verhalten einer solchen Antriebsvorrichtung mit Drehstrommotor, Umrichter und Gleichspannungs- quelle bei einem Ausfall des Leistungsteils des Umrichters im Feldschwächbereich. Wenn beispielsweise wegen einer unterbrochenen Treiberversorgung die Leistungstransistoren des Umrichters abgeschaltet sind, speist die Maschine über Dioden, die parallel zu den Leistungstransistoren liegen, Leistung in die Gleichspannungsquelle bzw. Batterie zurück. Dies kann zu einem gefährlichen Bremsmoment führen. Falls das Batterie ^¬ schütz (oder die Batteriesicherung) , das üblicherweise zwischen der Batterie und dem Umrichter eingesetzt ist, öffnet, besteht zusätzlich die Gefahr einer Überspannung an den Motorklemmen, was unter Umständen zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Leistungsteils oder anderer Komponenten des Hochvoltkreises bzw. Zwischenkreises führt.

Damit derartige Probleme eines unerwünschten Bremsmoments und/oder einer unerwünschten Überspannung nicht auftreten, kann die gesamte Antriebsvorrichtung mit einem sehr geringen Feldschwächbereich ausgelegt werden. Dies führt jedoch zu einem unwirtschaftlichen Leistungsteil.

Eine weitere Möglichkeit, den genannten Problemen hinsicht ^¬ lich des unerwünschten Drehmoments bzw. der unerwünschten Überspannung zu begegnen ist der Einsatz eines so genannten „Voltage Protection Module". Für ein derartiges Modul werden neben einem Thyristor sechs zusätzliche Dioden benötigt. Dies stellt einen unerwünschten Zusatzaufwand dar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Antriebsvorrichtung vorzuschlagen, bei der die Probleme hinsichtlich des Bremsmoments und der Überspannung weniger stark zu Tage treten. Darüber hinaus soll auch ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung bereitgestellt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine An ^¬ triebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit

- einer Gleichspannungsquelle, die eine Minusklemme und eine Plusklemme aufweist,

- einem Drehstrommotor, dessen Wicklungen in einem Sternpunkt zusammengeführt sind, und

- einem Umrichter, der an die Gleichspannungsquelle und den Drehstrommotor angeschlossen ist, zum Umrichten eines Gleichstroms in einen Drehstrom, wobei

- der Sternpunkt des Drehstrommotors mit einem Schaltelement an die Minusklemme oder Plusklemme der Gleichspannungs ^¬ quelle angeschlossen ist, so dass der Sternpunkt in einem vorgegebenen Störfall der Antriebsvorrichtung auf das Potential einer der Klemmen legbar ist.

Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Ver- fahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, die eine Gleichspannungsquelle, welche eine Minus ^¬ klemme und eine Plusklemme aufweist, einen Drehstrommotor, dessen Wicklungen in einem Sternpunkt zusammengeführt sind, und einen Umrichter, der an die Gleichspannungsquelle und den Drehstrommotor angeschlossen ist, zum Umrichten eines Gleichstroms in einen Drehstrom umfasst, wobei der Sternpunkt des Drehstrommotors mit der Minusklemme oder Plusklemme der

Gleichspannungsquelle kurzgeschlossen wird, wenn ein vorgege ^¬ bener Störfall der Antriebsvorrichtung vorliegt.

In vorteilhafter Weise wird also erfindungsgemäß der Stern ^¬ punkt des Drehstrommotors an eine Klemme der Gleichspannungs ^¬ quelle gelegt, wenn ein Störfall auftritt. Dies hat zur Fol ^¬ ge, dass nur dann Energie über den Umrichter in die Gleich- spannungsquelle eingespeist wird, wenn die Klemmenspannung

(Spannung zwischen einer Klemme des Motors und beispielsweise dem Minuspol der Gleichspannungsquelle bzw. dem negativen Zwischenkreispotential ) größer als die Zwischenkreisspannung bzw. Batteriespannung ist. Ist der Sternpunkt des Motors da- gegen frei, so genügt es für ein Rückspeisen in die Gleichspannungsquelle, wenn eine verkettete Spannung (Spannung zwi ^¬ schen zwei Klemmen des Motors) größer als die Zwischenkreis ^¬ spannung ist. Da die verkettete Spannung in einem symmetrischen System um den Faktor 3 größer als die Klemmenspannung ist, kann durch das Schalten des Sternpunkts an eine Klemme der Gleichspannungsquelle eine um etwa den Faktor 1,7 höhere Spannung bzw. Drehzahl des Motors in Kauf genommen werden, bevor eine Zerstörung des Leistungsteils bzw. ein unerwünschtes Bremsmoment einsetzt.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Schaltelement um einen Thyristor. Dies hat den Vorteil, dass ein Thyristor ohne wei ^¬ teres für die beim Antrieb von Elektrofahrzeugen auftretenden Leistungen ausgelegt sein kann. Außerdem besitzt er verhältnismäßig kurze Schaltzeiten, was beim Auftreten von Überspannungen von großer Bedeutung ist. Das Schaltelement kann aber auch ein Transistor oder Schütz sein. Wesentlich ist lediglich, dass der Sternpunkt auf das Potential einer Klemme der Gleichspannungsquelle gelegt wird, sobald eine Störung auftritt. In besonders bevorzugter Ausführung weist die Antriebsvorrichtung eine Überwachungseinrichtung zum automatischen Feststellen des vorgegebenen Störfalls auf, wobei die Überwa ^¬ chungseinrichtung das Schaltelement steuert. Prinzipiell kann die Ansteuerung des Schaltelements natürlich auch manuell er- folgen. Aus Sicherheitsgründen ist jedoch ein rasches Schalten im Störfall und damit ein automatisches Feststellen des Störfalls anzustreben.

Mit der Überwachungseinrichtung kann ein Drehmoment des Dreh- strommotors überwachbar sein, wobei der vorgegebene Störfall bei einer vorbestimmten Abweichung des Drehmoments von einem Solldrehmoment gegeben ist. Auf diese Weise kann rasch ein gefährliches Bremsmoment erkannt und der Sternpunkt dann bei ^¬ spielsweise rasch auf das negative Zwischenkreispotential ge- schaltet werden.

Alternativ oder zusätzlich kann mit der Überwachungseinrichtung eine Spannung an einer oder mehreren Klemmen des Drehstrommotors oder des Zwischenkreises (U _ZK ) überwachbar sein, wobei der vorgegebene Störfall bei einer vorbestimmten Abwei ^¬ chung der Spannung von einer Sollspannung gegeben ist. Damit ist es auch möglich, einen Störfall anhand einer Überspannung an den Motorklemmen zu erkennen und ein Einspeisen von Energie in die Gleichspannungsquelle bzw. in den Zwischenkreis rechtzeitig durch Kurzschließen des Sternpunkts mit einer Klemme der Gleichspannungsquelle zu unterbinden. Die Gleichspannungsquelle kann eine Hochvoltbatterie umfas ^¬ sen. Derartige Batterien werden vorzugsweise beim Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt. Wie oben bereits angedeutet wurde, besteht eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug. So ist es günstig, die erfindungsgemäße Tech ^¬ nik für Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge einzusetzen. Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten

Zeichnung näher erläutert, die einen Prinzipschaltplan einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug wiedergibt . Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.

In dem Beispiel der Figur ist eine Hochvoltbatterie 1 darge- stellt, die als Gleichspannungsquelle dient. Eine derartige Hochvoltbatterie besitzt üblicherweise eine Spannung über 100 V, z.B. 400 V. Die Hochvoltbatterie 1 besitzt eine Minus ^¬ klemme 2 und eine Plusklemme 3. Zwischen diesen beiden Klemmen fällt die Batteriespannung, die hier auch als Zwischen- kreisspannung U _ZK bezeichnet werden kann, ab. Die positive

Batteriespannung entspricht also hier dem positiven Zwischen- kreispotential und die negative Batteriespannung dem negati ^¬ ven Zwischenkreispotential . Die Hochvoltbatterie 1 wird als Energiequelle für einen Dreh ^¬ strommotor 4 eingesetzt, der beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs (z.B. E-Car oder Hybridfahrzeug) dient. Der Drehstrommotor 4 besitzt drei Wicklungen, die einerseits über drei Klemmen 5, 6, 7 versorgbar sind und die andererseits zu einem Sternpunkt 8 zusammengeführt sind.

In bekannter Weise wird der von der Hochvolt-Batterie 1 ge ^¬ lieferte Gleichstrom durch einen Umrichter 9 in einen Drei- Phasen-Strom bzw. Drehstrom für den Drehstrommotor 4 gewandelt. Aus der Figur ist lediglich der Leistungsteil des Um ^¬ richters 9 zu entnehmen. Der Leistungsteil besteht aus sechs IGBT-Dioden-Paaren, über die jede Eingangsklemme des Umrich- ters 9 mit jeder Ausgangsklemme verbunden ist.

Das Steuerungsteil des Umrichters 9 ist in der Figur nicht dargestellt. Es dient dazu, die Halbleiterschalter bzw. IGBTs in geeigneter Weise anzusteuern. In einem Störfall kann bei- spielsweise die Versorgung des Steuerungsteils unterbrochen sein. In diesem Fall sind die Transistoren abgeschaltet. Bei genügend hoher Drehzahl speist die Maschine dann über die Di ^¬ oden Energie in die Batterie 1 zurück. Dies ist dann der Fall, wenn der Scheitelwert der im Motor 4 induzierten Span- nung zwischen zwei der Klemmen 5, 6, 7 (also eine verkettete Spannung) größer als die Zwischenkreisspannung U _ZK ist. Erfindungsgemäß soll nun die entsprechende Drehzahlgrenze, ab der eine Einspeisung in die Batterie erfolgt, mit einfachen Mitteln angehoben werden. Dies lässt sich durch ein Schalt- element realisieren, das den Sternpunkt 8 des Drehstrommotors 4 mit der Minusklemme 2 oder der Plusklemme 3 der Batterie, d.h. mit dem negativen Zwischenkreispotential oder dem posi ^¬ tiven Zwischenkreispotential verbindet. In dem Beispiel der Figur ist als Schaltelement ein Thyristor 10 gewählt. Ein Thyristor eignet sich wegen seiner raschen Steuerbarkeit und wegen seiner Eignung zum Schalten hoher Ströme. Alternativ kann als Schaltelement aber auch ein Transistor oder ein Schütz verwendet werden.

Ist das Schaltelement bzw. der Thyristor 10 durchgeschaltet, so liegt der Sternpunkt 8 hier auf dem negativen Zwischenkreispotential. Dieses Potential stellt damit das Bezugspo ^¬ tential für das Rückspeisen in die Batterie 1 dar. Ein Rück- speisen in die Batterie 1 beginnt nämlich erst, wenn der

Scheitelwert der in der Maschine induzierten Spannung (EMK) von einer Klemme 5, 6, 7 zu dem Sternpunkt 8 der Zwischenkreisspannung U _ZK entspricht. Da die Klemmenspannung bei ei- nem symmetrischen System um den Faktor 3 kleiner ist als die verkettete Spannung tritt das Rückspeisen erst bei deutlich höheren Drehzahlen auf gegenüber dem Fall, dass der Sternpunkt 8 frei ist. Im konkreten Fall kann in der Maschine eine ca. 1,7-fach höhere Spannung induziert und somit auch eine um ca. 1,7-fach höhere Drehzahl gefahren werden, bis die Rückspeisschwelle erreicht wird.

Die Überwachung eines Störfalls erfolgt durch eine Überwa- chungseinrichtung, die vorzugsweise in das Steuerteil des Um ^¬ richters 9 integriert ist. Sie überwacht beispielsweise das Drehmoment der Maschine bzw. des Drehstrommotors 4. Über ^¬ steigt das Drehmoment des Motors beispielsweise ein vorgege ^¬ benes Bremsmoment, was auf einen Ausfall des Leistungsteils im Feldschwächbereich hinweist, so wird der Thyristor 10 gezündet, wodurch die Rückspeisung in die Batterie verhindert wird .

Die Überwachungseinrichtung kann alternativ oder zusätzlich auch dazu ausgebildet sein, dass sie eine Klemmenspannung oder eine verkettete Spannung an dem Motor 4 oder die Zwi- schenkreisspannung überwacht. Übersteigt diese Spannung eine vorgegebene Spannung bzw. weicht die Spannung um einen vorbestimmten Betrag von einer Sollspannung ab, so wird das

Schaltelement kurzgeschlossen bzw. der Thyristor 10 gezündet, so dass wiederum das Rückspeisen bis zu einem gewissen Maß verhindert wird.

Der Schaltungsaufwand für die erfindungsgemäße Lösung ist ge- ringer als die etablierte Lösung eines „Voltage Protection

Module" das sechs zusätzliche Dioden benötigt. Die Drehzahl ^¬ grenze kann also durch diese aufwandsarme Lösung gegenüber einer Lösung ohne Schutzmaßnahmen um den Faktor 1,73 (V3) angehoben werden.