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Title:
CONTROL DEVICE FOR AN INVERTER, ELECTRIC DRIVE SYSTEM AND METHOD FOR ESTABLISHING A SAFE OPERATING MODE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/239386
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to establishing a rotational speed-dependent safe operating mode. For this purpose, two redundant control paths are provided and are each designed to establish either an active short-circuit or a freewheeling mode as the safe operating mode. In this way, even if one control path fails, a rotational speed-dependent safe operating mode can still be fully established.

Inventors:
RAICHLE DANIEL (DE)
KNORPP THOMAS (DE)
MERKEL THOMAS (DE)
GILGENBACH VOLKER (DE)
KIRSCHNER MANFRED (DE)
EBERLEIN EDWIN (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/061410
Publication Date:
December 02, 2021
Filing Date:
April 30, 2021
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
International Classes:
H02P3/18; H02P3/22
Foreign References:
DE102011081173A12013-02-21
EP3151413A12017-04-05
DE29813080U11998-10-15
EP2600492A12013-06-05
DE102011081173A12013-02-21
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Claims:
Ansprüche

1. Steuervorrichtung für einen Stromrichter (30) in einem elektrischen Antriebssystem, mit einen ersten Ansteuerpfad (10) und einen zweiten Ansteuerpfad (20), die jeweils dazu ausgelegt sind, einen sicheren Betriebszustand in einem Stromrichter (30) des elektrischen Antriebssystems einzustellen, wobei der erste Ansteuerpfad (10) eine erste Sicherheitseinrichtung (11) umfasst, die dazu ausgelegt ist, eine Drehzahl einer elektrischen Maschine (3) des elektrischen Antriebssystems zu ermitteln und unter Verwendung der ermittelten Drehzahl der elektrischen Maschine (3) entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in dem Stromrichter (30) einzustellen; und wobei der zweite Ansteuerpfad (20) eine zweite Sicherheitseinrichtung (21) umfasst, die dazu ausgelegt ist, die Drehzahl der elektrischen Maschine (3) des elektrischen Antriebssystems zu ermitteln und unter Verwendung der ermittelten Drehzahl der elektrischen Maschine (3) entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in dem Stromrichter (30) einzustellen.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Sicherheitseinrichtung (11) und/oder die eine zweite Sicherheitseinrichtung (21) dazu ausgelegt sind, in dem Stromrichter (30) einen aktiven Kurzschluss einzustellen, falls die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschinen (3) einen ersten Schwellwert (nl) überschreitet, und einen Freilauf einzustellen, falls die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine (3) einen zweiten Schwellwert (n2) unterschreitet.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuervorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Stromrichter (30) mit mehreren Halbbrücken anzusteuern, und wobei die erste Sicherheitseinrichtung (11) und/oder die zweite Sicherheitseinrichtung (21) dazu ausgelegt sind, für das Einstellen eines Freilaufs Schaltelemente (LI, L2, L3, Hl, H2, H3) in den einzelnen Halbbrücken unter Verwendung von Phasenströmen in den korrespondierenden Phasen anzusteuern.

4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuervorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Stromrichter (30) mit mehreren Halbbrücken anzusteuern, und wobei die erste Sicherheitseinrichtung (11) und/oder die zweite Sicherheitseinrichtung (21) dazu ausgelegt sind, für das Einstellen eines aktiven Kurzschlusses die Schaltelemente (LI, L2, L3, Hl, H2, H3) in den einzelnen Halbbrücken unter Verwendung von Phasenspannungen in den korrespondierenden Phasen anzusteuern.

5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Sicherheitseinrichtung (11) dazu ausgelegt ist, die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine (3) unter Verwendung der von der zweiten Sicherheitseinrichtung (20) ermittelten Drehzahl zu verifizieren.

6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Ansteuerpfad (10) dazu ausgelegt ist, von einer Niedervoltseite des elektrischen Antriebssystems gespeist zu werden und der zweite Ansteuerpfad (20) dazu ausgelegt ist, von einer Hochvoltseite des elektrischen Antriebssystems gespeist zu werden.

7. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Sicherheitseinrichtung (21) dazu ausgelegt ist, als sicheren Betriebszustand den Freilauf einzustellen, falls eine Zwischenkreisspannung des Stromrichters (30) eine vorgegebene erste Schwellspannung unterschreitet.

8. Steuervorrichtung Anspruch 7, wobei die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt ist, als sicheren Betriebszustand den aktiven Kurzschluss einzustellen, falls eine Zwischenkreisspannung des Stromrichters eine vorgegebene zweite Schwellspannung überschreitet und die ermitteltet Drehzahl größer ist als der erste Schwellwert.

9. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zweite Sicherheitseinrichtung (21), die dazu ausgelegt ist, die Drehzahl der elektrischen Maschine (3) während des aktiven Kurzschlusses unter Verwendung von Durchflussspannungen durch Schaltelemente in dem Stromrichter (30) zu ermitteln.

10. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zweite Sicherheitseinrichtung (21), die dazu ausgelegt ist, die Drehzahl der elektrischen Maschine (3) während des Freilaufs unter von mindestens zwei Phasenspannungen der elektrischen Maschine (3) zu ermitteln.

11. Elektrisches Antriebssystem, mit: einer elektrischen Maschine (3); einem Stromrichter (30), der dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine (3) anzusteuern; und einer Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

12. Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in einem elektrischen Antriebssystem, mit den Schritten:

Ermitteln (Sil) einer Drehzahl einer elektrischen Maschine (3) des elektrischen Antriebssystems und Einstellen (S12) sicheren Betriebszustandes in der elektrischen Maschine (3) mittels eines ersten Ansteuerpfads (10), wobei das Einstellen (S12) des sicheren Betriebszustandes unter Verwendung der ermittelten Drehzahl entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in einem Stromrichter (30) des elektrischen Antriebssystems einstellt; und/oder

Ermitteln (S21) einer Drehzahl der elektrischen Maschine (3) des elektrischen Antriebssystems und Einstellen (S22) sicheren Betriebszustandes in der elektrischen Maschine (3) mittels eines zweiten Ansteuerpfads (20), wobei das Einstellen (S22) des sicheren Betriebszustandes unter Verwendung der ermittelten Drehzahl entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in einem Stromrichter (30) des elektrischen Antriebssystems einstellt.

Description:
Beschreibung

Titel

Steuervorrichtung für einen Stromrichter, elektrisches Antriebssystem und

Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Stromrichter, ein elektrisches Antriebssystem sowie ein Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in einem elektrischen Antriebssystem.

Stand der Technik

Elektrische Antriebssysteme gewinnen zunehmend an Bedeutung. Insbesondere finden sich elektrische Antriebssysteme in ganz- oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Aus Sicherheitsgründen ist es dabei erforderlich, in einem Fehlerfall, insbesondere bei einem Fehler in der Ansteuerung des Stromrichters in einem solchen Antriebssystem, einen sicheren Betriebszustand einzustellen. Als solche sichere Betriebszustände sind beispielsweise ein aktiver Kurzschluss oder ein sogenannter Freilauf bekannt.

Bei einem aktiven Kurzschluss werden mittels der Schaltelemente in dem Stromrichter die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine elektrisch kurzgeschlossen. Bei einem Freilauf dagegen können alle Schaltelemente des Stromrichters geöffnet werden, so dass die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine elektrisch nicht miteinander verbunden sind.

Die Druckschrift DE 102011 081 173 Al beschreibt eine Betriebszustandsschaltung für Wechselrichter sowie ein Verfahren zum Einstellen von Betriebszuständen in einem Wechselrichter. Hierbei wird insbesondere vorgeschlagen, als sicheren Betriebszustand in dem Wechselrichter einen Freilauf zu schalten, wenn eine Drehzahl der elektrischen Maschine kleiner als ein vorbestimmter Drehzahlschwellwert ist, und den Wechselrichter in einen aktiven Kurzschluss zu schalten, wenn die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine größer oder gleich einer vorbestimmten Schwellwertdrehzahl ist.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Steuervorrichtung für einen Stromrichter in einem elektrischen Antriebssystem, ein elektrisches Antriebssystem sowie ein Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in einem elektrischen Antriebssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Steuervorrichtung für einen Stromrichter in einem elektrischen Antriebssystem mit einem ersten Ansteuerpfad und einem zweiten Ansteuerpfad. Der erste Ansteuerpfad und der zweite Ansteuerpfad sind dabei jeweils dazu ausgelegt, in dem Stromrichter des elektrischen Antriebssystems einen sicheren Betriebszustand einzustellen. Der erste Ansteuerpfad umfasst eine erste Sicherheitseinrichtung. Die erste Sicherheitseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Drehzahl der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems zu ermitteln. Weiterhin ist die erste Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, unter Verwendung der ermittelten Drehzahl der elektrischen Maschine entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in dem Stromrichter einzustellen. Der zweite Ansteuerpfad umfasst eine zweite Sicherheitseinrichtung. Die zweite Sicherheitseinrichtung ist dazu ausgelegt, die Drehzahl der elektrischen Maschine in dem elektrischen Antriebssystem zu ermitteln. Weiterhin ist die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, unter Verwendung der durch die zweite Sicherheitseinrichtung ermittelten Drehzahl der elektrischen Maschine entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf in dem Stromrichter einzustellen.

Weiterhin ist vorgesehen: Ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, einem Stromrichter, der dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine anzusteuern, sowie einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung für den Stromrichter.

Schließlich ist vorgesehen:

Ein Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in einem elektrischen Antriebssystem. Das Verfahren umfasst ein erstes Ermitteln einer Drehzahl einer elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems und ein erstes Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in der elektrischen Maschine mittels eines ersten Ansteuerpfades. Das Einstellen des sicheren Betriebszustandes erfolgt hierbei unter Verwendung der ermittelten Drehzahl. Dabei wird abhängig von der ermittelten Drehzahl entweder ein aktiver Kurzschluss oder ein Freilauf in dem Stromrichter des elektrischen Antriebssystems eingestellt. Ferner umfasst das Verfahren ein zweites Ermitteln einer Drehzahl der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems und ein zweites Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in der elektrischen Maschine. Das zweite Ermitteln der Drehzahl und das zweite Einstellen des sicheren Betriebszustandes erfolgt hierbei mittels eines zweiten Ansteuerpfades. Analog zu dem ersten Einstellen des sicheren Betriebszustandes erfolgt auch das zweite Einstellen des sicheren Betriebszustandes unter Verwendung der ermittelten Drehzahl, wobei entweder ein aktiver Kurzschluss oder ein Freilauf in dem Stromrichter des elektrischen Antriebssystems eingestellt wird.

Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass abhängig von einer Drehzahl der elektrischen Maschine in einem elektrischen Antriebssystem unterschiedliche sichere Betriebszustände vorteilhaft sind. Daher kann eine drehzahlabhängige Auswahl des jeweils geeigneten sicheren Betriebszustandes vorteilhaft sein. Es ist eine weitere Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, dass im Fehlerfall eines konventionellen Systems gegebenenfalls keine ausreichenden Informationen über die Drehzahl der elektrischen Maschine vorliegen können, oder die Auswertung der Drehzahlinformationen nicht in geeigneter Weise erfolgen kann. Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und die Sicherheit und Zuverlässigkeit eines elektrischen Antriebssystems, insbesondere für das Einstellen drehzahlabhängiger sicherer Betriebszustände weiter zu verbessern. Hierzu ist es vorgesehen, ein drehzahlabhängiges Einstellen von sicheren Betriebszuständen mittels zwei separaten Ansteuerpfaden zu implementieren. Die beiden Ansteuerpfade bilden hierbei zwei redundante Ansteuerpfade für ein drehzahlabhängiges Einstellen von sicheren Betriebszuständen. Auf diese Weise kann der jeweils geeignete sichere Betriebszustand auch dann zuverlässig eingestellt werden, falls in einem der beiden Ansteuerpfade ein Fehler auftritt.

Durch das redundante Realisieren von drehzahlabhängigen sicheren Betriebszuständen kann auch dann ein jeweils geeigneter sicherer Betriebszustand eingestellt werden, wenn in einem der beiden Ansteuerpfade ein Fehlerfall auftritt. Auf diese Weise kann beispielsweise sichergestellt werden, dass gegebenenfalls gefährliche Spannungsüberhöhungen in dem elektrischen Antriebssystem vermieden werden. Auch das Auftreten von unerwünscht hohen elektrischen Strömen kann durch eine geeignete Wahl des jeweiligen sichern Betriebszustandes vermieden werden. Darüber hinaus kann durch eine redundante Implementierung von drehzahlabhängigen sicheren Betriebszuständen auch verhindert werden, dass ein Betriebszustand eingestellt wird, der gegebenenfalls ein unerwünscht hohes Verzögerungsmoment ergeben würde.

Die redundante drehzahlabhängige Auswahl und Einstellung von sicheren Betriebszuständen, führt somit zu einer gesteigerten Sicherheit. Darüber hinaus können gefährliche Spannungs- bzw. Stromspitzen vermieden werden, die zu einer Zerstörung oder zumindest vorzeitigen Alterung der betroffenen Komponenten führen würde.

Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Sicherheitseinrichtung und/oder die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, in dem Stromrichter einen aktiven Kurzschluss einzustellen, falls die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine einen ersten Schwellwert überschreitet. Zusätzlich oder alternativ können die jeweiligen Sicherheitseinrichtungen einen Freilauf einstellen, falls die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine einen zweiten Schwellwert unterschreitet. Insbesondere kann der zweite Schwellwert größer sein als der erste Schwellwert. Auf diese Weise kann eine Hysterese zwischen dem Wechsel von Freilauf und aktiven Kurzschluss realisiert werden. Ein aktiver Kurzschluss kann zu einem aktiven Bremsmoment der elektrischen Maschine führen. Ein solches Bremsmoment kann insbesondere bei niedrigen Drehzahlen zu einer starken Verzögerung führen, was beispielsweise bei Elektrofahrzeugen zu Verlusten der Traktion und somit gefährlichen Fahrsituationen führen kann. Andererseits können bei höheren Drehzahlen im Freilauf unerwünscht hohe Spannungsspitzen auftreten, die zu gefährlichen Zuständen innerhalb des Antriebssystems, insbesondere innerhalb des Spannungswandlers, führen können.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, einen Stromrichter mit mehreren Halbbrücken anzusteuern. In der Regel wird in dem Stromrichter für jede Phase einer elektrischen Maschine eine Halbbrücke mit einem oberen Schaltelement und einem unteren Schaltelement vorgesehen sein. Hierbei können die erste Sicherheitseinrichtung sowie die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt sein, für das Einstellen eines Freilaufs die Schaltelemente in den einzelnen Halbbrücken unter Verwendung von Phasenströmen in den korrespondierenden Phasen anzusteuern. Diese Weise kann sichergestellt werden, dass beim Übergang in den Freilauf auch bei einer fehlenden Verbindung zu einer elektrischen Energiequelle, wie beispielsweise der Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug, es zu keiner kurzfristigen Überspannung in dem Zwischenkreiskondensators des Stromrichters kommt. Beispielsweise können die Phasenströme in den einzelnen Phasen erfasst und überwacht werden. Somit können die einzelnen Schaltelemente bei einem Nulldurchgang oder nahe des Nulldurchgangs des entsprechenden Phasenstroms angesteuert werden, wobei das Ansteuern für das Einstellen eines Freilaufs insbesondere das Öffnen der Schaltelemente in der entsprechenden Halbbrücke umfasst.

Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Sicherheitseinrichtung und/oder die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, für das Einstellen eines aktiven Kurzschlusses die Schaltelemente in den einzelnen Halbbrücken unter Verwendung von Phasenspannungen in den korrespondierenden Phasen anzusteuern. Beispielsweise können die entsprechenden Schaltelemente zu einem Phasenwinkel eingeschaltet werden, bei welchem auch in einem stationären Betrieb durch das entsprechende Schaltelement der Strom übernommen würde. Hierdurch kann eine zu starke Überhöhung des Phasenstroms mit einer entsprechend starken Belastung des jeweiligen Schalters vermieden werden. Insbesondere kann für die Ermittlung eines geeigneten Zeitpunkts zum Ansteuern der jeweiligen Schaltelemente eine erfasste Spannungszeitfläche der jeweiligen Phase berücksichtigt werden. So können zum Beispiel die Schaltelemente in einer Halbbrücke geschalten werden, wenn die Spannungszeitfläche der entsprechenden Phase die Hälfte ihres Maximalwertes erreicht. Gegebenenfalls kann auch früher geschalten werden, da dies aufgrund der negativen Stromrichtung keinen Einfluss hat.

Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, die ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine unter Verwendung der von der zweiten Sicherheitseinrichtung ermittelten Drehzahl zu verifizieren. Das redundante Erfassen der Drehzahl der elektrischen Maschine mittels der ersten Sicherheitseinrichtung und der zweiten Sicherheitseinrichtung ermöglicht somit während des Betriebs eine Funktionsprüfung der einzelnen Komponenten. Insbesondere kann beispielsweise eine Fehlfunktion der Drehzahlermittlung durch Vergleich der in den Sicherheitseinrichtungen ermittelten Drehzahlen realisiert werden. Selbstverständlich kann auch die zweite Sicherheitseinrichtung die ermittelte Drehzahl unter Verwendung der durch die erste Sicherheitseinrichtung ermittelten Drehzahl verifizieren.

Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Ansteuerpfad dazu ausgelegt, von einer Niedervoltseite des elektrischen Antriebssystems gespeist zu werden. Der zweite Ansteuerpfad kann dazu ausgelegt sein, von einer Hochvoltseite des elektrischen Antriebssystems gespeist zu werden. Auf diese Weise kann eine hohe Unabhängigkeit der beiden Ansteuerpfade realisiert werden. Beispielsweise kann auch bei einem Ausfall der Versorgungsspannung auf der Niedervoltseite und somit einen vollständigen Ausfall des ersten Ansteuerpfades weiterhin mittels des zweiten Ansteuerpfades ein sicherer Betriebszustand, insbesondere ein drehzahlabhängiger sicherer Betriebszustand eingestellt werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, als sicheren Betriebszustand den Freilauf einzustellen, falls eine Zwischenkreisspannung des Stromrichters eine vorgegebene erste Schwellspannung unterschreitet. Insbesondere kann selbst dann als sicherer Betriebszustand der Freilauf gewählt werden, wenn aufgrund der ermittelten Drehzahl ein aktiver Kurzschluss gewählt werden sollte. Auf diese Weise kann durch kurzzeitiges Einstellen des Freilaufs die Zwischenkreisspannung erhöht werden und somit eine Energieversorgung des zweiten Ansteuerpfades gewährleistet werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, als sicheren Betriebszustand den aktiven Kurzschluss einzustellen, falls die Zwischenkreisspannung des Stromrichters eine vorgegebene zweite Schwellspannung überschreitet und die ermittelte Drehzahl größer ist als der erste Schwellwert. Hierdurch können gefährliche Spannungsüberhöhungen an dem Zwischenkreiskondensator vermieden werden. Insbesondere kann die zweite Schwellspannung derart eingestellt werden, dass die Zwischenkreisspannung stets kleiner ist als eine elektrische Spannung einer Energiequelle, welche mit dem Zwischenkreiskondensator verbindbar ist, beispielsweise der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs.

Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, die Drehzahl der elektrischen Maschine während des aktiven Kurzschlusses unter Verwendung von Durchflussspannungen durch die Schaltelemente in dem Stromrichter zu ermitteln. Insbesondere kann hierbei die Durchflussspannung von Schaltelementen herangezogen werden, welche den aktiven Kurzschluss einstellen, das heißt welche während des aktiven Kurzschlusses geschlossen sind. Somit kann hochvoltseitig die Drehzahl der elektrischen Maschine ohne zusätzliche Komponenten ermittelt werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Sicherheitseinrichtung dazu ausgelegt, die Drehzahl der elektrischen Maschine während des Freilaufs unter Verwendung von mindestens zwei Phasenspannungen der elektrischen Maschine zu ermitteln. Insbesondere können mindestens zwei Phasenspannungen in Bezug auf ein vorgegebenes Bezugspotential ausgewertet werden. Somit kann auch während des Freilaufs die Drehzahl der elektrischen Maschine hochvoltseitig ohne zusätzliche Komponenten ermittelt 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:

Figur 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform;

Figur 2: eine schematische Darstellung des Verlaufs eines Bremsmoments über die Drehzahl während eines aktiven Kurzschlusses;

Figur 3: eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer

Sicherheitseinrichtung für eine Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und

Figur 4: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform. Bei dem elektrischen Antriebssystem kann es sich beispielsweise um das elektrische Antriebssystem eines ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs handeln. Das elektrische Antriebssystem kann von einem elektrischen Energiespeicher 1, beispielsweise einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs gespeist werden. Die von dem elektrischen Energiespeicher 1 bereitgestellte Energie kann, gegebenenfalls über einen Batterietrennschalter la, am Eingangsanschluss einer Stromrichteranordnung 2 bereitgestellt werden. Die Stromrichteranordnung 2 kann beispielsweise einen Wechselrichter 30 mit mehreren Schaltelementen umfassen. Am Eingangsanschluss des Wechselrichters 30 kann beispielsweise ein Zwischenkreiskondensator 31 vorgesehen sein. Ein Ausgangsanschluss der Stromrichteranordnung 2, insbesondere am Ausgangsanschluss des Wechselrichters 30 kann eine elektrische Maschine 3 angeschlossen sein. Die hier dargestellte Anordnung mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine 3 dient dabei nur als Beispiel für ein besseres Verständnis. Selbstverständlich sind auch elektrische Maschinen 3 mit einer beliebigen anderen Anzahl von elektrischen Phasen möglich.

Der Wechselrichter 30 kann beispielsweise für jede Phase der elektrischen Maschine 3 eine Halbbrücke mit einem oberen Schaltelement Hl, H2, H3 und einem unteren Schaltelemente LI, L2, L3 umfassen. Während des normalen operativen Betriebs des elektrischen Antriebssystems kann der Wechselrichter 30, insbesondere die Schaltelemente in dem Wechselrichter 30, mittels Ansteuersignalen von einer Steuereinrichtung in einem ersten Ansteuerpfad 10 angesteuert werden. Hierzu können in der Steuereinrichtung beispielsweise Sollwertvorgaben und gegebenenfalls auch Sensorsignale von Betriebsgrößen des Antriebssystems empfangen werden. Auf Grundlage dieser Sollwertvorgaben S und Sensorwerte kann die Steuereinrichtung geeignete Ansteuersignale für das Ansteuern der oberen Schaltelemente Hl, H2, H3 und der unteren Schaltelemente LI, L2 und L3 generieren.

Bei der Steuereinrichtung in dem ersten Ansteuerpfad 10 kann es sich beispielsweise um einen Hauptrechner handeln, der während des Betriebs des elektrischen Antriebssystems die erforderlichen Betriebsparameter aussendet und die geeigneten Steuersignale zur Ansteuerung des Wechselrichters 30 generiert. Unter gewissen Umständen, beispielsweise wenn in dem elektrischen Antriebssystem ein Fehler detektiert wird, kann es erforderlich sein, in dem elektrischen Antriebssystem, insbesondere in dem Wechselrichter 30 einen sogenannten sicheren Betriebszustand einzustellen. Bei diesem sicheren Betriebszustand kann es sich beispielsweise um einen sogenannten Freilauf handeln, bei dem alle Schaltelemente Hl, H2, H3 sowie LI, L2, L3 des Wechselrichters 30 geöffnet sind. Alternativ kann als sicherer Betriebszustand ein sogenannter aktiver Kurzschluss eingestellt werden, bei welchem die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine 3 mittels der oberen Schaltelemente Hl, H2, H3 oder der unteren Schaltelemente LI, L2, L3 elektrisch miteinander verbunden sind.

Wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird, kann die Auswahl, ob als sicherer Betriebszustand der Freilauf oder der aktive Kurzschluss eingestellt wird, in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine 3 festgelegt werden. Hierzu kann in dem ersten Ansteuerpfad 10 eine erste Sicherheitseinrichtung 11 vorgesehen sein, welche die Drehzahl der elektrischen Maschine 3 ermittelt. Diese ermittelte Drehzahl kann für die Entscheidung, ob der aktive Kurzschluss oder der Freilauf als sicherer Betriebszustand eingestellt werden soll, verwendet werden. Beispielsweise kann ein Schwellwert für die Drehzahl festgelegt werden, und falls die Drehzahl diesen Schwellwert überschreitet, wird als sicherer Betriebszustand der aktive Kurzschluss eingestellt. Unterhalb dieses Schwellwerts kann als sicherer Betriebszustand der Freilauf eingestellt werden. Variiert die Drehzahl der elektrischen Maschine 3, während ein sicherer Betriebszustand eingestellt sein soll, so kann für den Wechsel zwischen aktivem Kurzschluss und Freilauf eine Hysterese vorgesehen sein. In diesem Fall kann ein erster Schwellwert nl vorgesehen sein, bei dessen Überschreiten vom Freilauf in den aktiven Kurzschluss gewechselt wird. Ferner kann ein zweiter Schwellwert n2 vorgesehen sein, bei dessen Unterschreiten vom aktiven Kurzschluss in den Freilauf gewechselt wird. Dabei kann die Drehzahl für den ersten Schwellwert nl kleiner sein als die Drehzahl für den zweiten Schwellwert n2.

Figur 2 zeigt ein schematisches Diagramm für den Verlauf eines Bremsmomentes M der elektrischen Maschine 3 in Abhängigkeit der Drehzahl n während eines aktiven Kurzschlusses. Wie hierbei zu erkennen ist, kann insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der aktive Kurzschluss ein starkes Bremsmoment verursachen. Ein solches starkes Bremsmoment kann beispielsweise bei Elektrofahrzeugen zu dem Verlust der Traktion zwischen Rädern und Fahrbahn führen. Um derartige gefährliche Fahrsituationen zu vermeiden, wird der aktive Kurzschluss nur bei höheren Drehzahlen eingestellt, während bei niedrigeren Drehzahlen als sicherer Betriebszustand der Freilauf eingestellt wird. Wie weiter in Figur 2 dargestellt, kann zwischen der Drehzahl für den ersten Schwellwert nl und der Drehzahl für den zweiten Schwellwert n2 eine oben beschriebene Hysterese vorgesehen sein. Dabei kann beim erstmaligen Einstellen des sicheren Betriebszustandes für die Entscheidung, ob der aktive Kurzschluss oder der Freilauf eingestellt werden soll, entweder der erste Schwellwert nl oder der zweite Schwellwert n2 herangezogen werden. Darüber hinaus sind grundsätzlich auch beliebige andere Ansätze, beispielsweise mit einer Drehzahl im Bereich zwischen nl und n2 möglich.

Für das erstmalige Einstellen eines sicheren Betriebszustandes im Freilauf oder aktiven Kurzschluss sowie auch für den Wechsel zwischen aktivem Kurzschluss und Freilauf können insbesondere die elektrischen Spannungen und Ströme in dem Wechselrichter 30, insbesondere an den Schaltelementen Hl, H2, H3, LI, L2, L3 berücksichtigt werden. Insbesondere kann hierbei für das Öffnen bzw. Schließen der einzelnen Schaltelemente ein Zeitpunkt vorgesehen sein, der ein übermäßiges Ansteigen von elektrischen Spannungen und/oder Strömen in geeigneter Weise vermeidet. So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, ein Schaltelement bei einem Nulldurchgang des elektrischen Stroms oder zumindest nahe des Nulldurchgangs zu öffnen, um Spannungsspitzen zu vermeiden.

Ist für die Ansteuerung des Wechselrichters 30 nur ein erster Ansteuerpfad 10 vorgesehen, so kann auch das Einstellen des sicheren Betriebszustandes und insbesondere der drehzahlabhängige Wechsel zwischen aktivem Kurzschluss und Freilauf nur durch die erste Sicherheitseinrichtung 11 realisiert werden. Darüber hinaus kann gegebenenfalls eine zusätzliche Komponente vorgesehen sein, welche bei einem vollständigen Ausfall des ersten Ansteuerpfades 10 einen fest vorgegebenen sicheren Betriebszustand, beispielsweise einen aktiven Kurzschluss, einstellt. In diesem Fall wäre jedoch beim Ausfall des ersten Ansteuerpfades 10 kein drehzahlabhängiges Einstellen des sicheren Betriebszustandes möglich.

Daher ist in dem elektrischen Antriebssystem gemäß Figur 1 ein zweiter Ansteuerpfad 20 mit einer zweiten Sicherheitseinrichtung 21 vorgesehen. Auch diese zweite Sicherheitseinrichtung 21 kann die Drehzahl der elektrischen Maschine 3 ermitteln und bei Bedarf, insbesondere bei einem Fehlerfall, einen drehzahlabhängigen sicheren Betriebszustand in der Stromrichteranordnung 2, insbesondere in dem Wechselrichter 30, einstellen. Das Konzept des drehzahlabhängigen Einstellens eines sicheren Betriebszustandes entspricht dabei weitestgehend dem zuvor beschriebenen Ansatz für das Einstellen des Freilaufs bzw. des aktiven Kurzschlusses in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine 3.

Der erste Ansteuerpfad 10 kann beispielsweise von einem Niedervoltnetz gespeist werden. Bei einem solchen Niedervoltnetz handelt es sich beispielsweise um eine Spannungsversorgung, welche von der Energiequelle 1 getrennt oder unabhängig ist. Insbesondere kann das Spannungsniveau des Niedervoltnetzes niedriger sein, als das Spannungsniveau eines Hochvoltnetzes mit der Energiequelle 1, welche das elektrische Antriebssystem speist.

Der zweite Ansteuerpfad 20 kann beispielsweise von der Hochvoltseite des elektrischen Antriebssystems gespeist werden. Auf diese Weise kann auch beim Ausfall oder einer Störung auf der Niedervoltseite des elektrischen Antriebssystems mittels der zweiten Sicherheitseinrichtung 21 im zweiten Ansteuerpfad 20 weiterhin ein sicherer Betriebszustand eingestellt werden.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer Sicherheitseinrichtung 20 gemäß einer Ausführungsform. Die Sicherheitseinrichtung 21 kann beispielsweise die elektrischen Spannungen U_ph an den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine 3 erfassen. Eine erste Auswerteeinrichtung 22 kann insbesondere im Freilauf diese Phasenspannungen U_ph auswerten und unter Verwendung der Phasenspannung U_ph die Drehzahl der elektrischen Maschine 3 ermitteln. Weiterhin können die Phasenströme l_ph an der zweiten Sicherheitseinrichtung

21 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eine zweite Auswerteeinrichtung

22 die Phasenströme l_ph erfassen und auf Grundlage der Phasenströme l_ph die Drehzahl der elektrischen Maschine 3 ermitteln. Insbesondere kann die Ermittlung der Drehzahl auf Basis der Phasenströme l_ph im aktiven Kurzschluss erfolgen. Die ermittelte Drehzahl von der ersten Auswerteeinrichtung 22 und/oder der zweiten Auswerteeinrichtung 23 können an einer Verarbeitungseinrichtung 25 bereitgestellt werden. Somit kann die Verarbeitungseinrichtung 25 drehzahlabhängig jeweils einen geeigneten sicheren Betriebszustand ermitteln und bei Bedarf die Schaltelemente Hl, H2, H3, LI, L2, L3 in dem Wechselrichter 30 entsprechend ansteuern.

Ist während des sicheren Betriebszustandes in dem elektrischen Antriebssystem die elektrische Energiequelle 1 von der Stromrichteranordnung 2 durch Öffnen des Batterietrennschalters la getrennt, so kann sich insbesondere bei einem aktiven Kurzschluss der Zwischenkreiskondensator 31 am Eingang des Wechselrichters 30 mit der Zeit entladen. Somit besteht die Gefahr, dass bei einem zu tiefen Entladen des Zwischenkreiskondensators 31 nicht mehr ausreichend Energie zur Versorgung der Sicherheitseinrichtung 21 im zweiten Ansteuerpfad 20 zur Verfügung steht. Daher kann die Sicherheitseinrichtung 21 im zweiten Ansteuerpfad 20 die Zwischenkreisspannung U_ZK des Zwischenkreiskondensators 31 überwachen. Sinkt die Zwischenkreisspannung U_ZK am Zwischenkreiskondensator 31 unter eine vorgegebene Schwellspannung, so kann auch bei hohen Drehzahlen kurzzeitig in den Freilauf gewechselt werden. Hierdurch kann der Zwischenkreiskondensator 31 weiter aufgeladen werden. Um jedoch gerade bei höheren Drehzahlen ein übermäßiges Ansteigen der elektrischen Spannung am Zwischenkreiskondensator 31 zu vermeiden, kann beim Überschreiten einer zweiten Schwellspannung wieder zurück in den aktiven Kurzschluss gewechselt werden. Vorzugsweise sollte die zweite Schwellspannung dabei geringer sein, als die elektrische Spannung, die von dem elektrischen Energiespeicher 1 bereitgestellt wird. Beispielsweise kann als Spannungswert für den Wechsel vom aktiven Kurzschluss in den Freilauf eine Spannung gewählt werden, welche der Polradspannung im Freilauf im Umschaltpunkt für den drehzahlabhängigen sicheren Zustand entspricht.

Um die Zuverlässigkeit des elektrischen Antriebssystems noch weiter zu erhöhen, können während des normalen Betriebs des elektrischen Antriebssystems die von der ersten Sicherheitseinrichtung 11 ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine 3 und die von der zweiten Sicherheitseinrichtung 21 ermittelte Drehzahl der elektrischen Maschine 3 miteinander verglichen werden. Wird dabei eine signifikante Differenz der beiden ermittelten Drehzahlen detektiert, so kann dies ein Hinweis auf eine Fehlfunktion in mindestens einer der beiden Sicherheitseinrichtungen geben. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein Verfahren zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes in einem elektrischen Antriebssystem. Das Verfahren kann grundsätzlich beliebige Schritte umfassen, wie sie zuvor bereits im Zusammenhang mit dem elektrischen Antriebssystem beschrieben worden sind. Entsprechend kann auch das elektrische Antriebssystem, insbesondere die Steuervorrichtung, beliebige geeignete Komponenten umfassen, wie sie nachfolgend im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben werden.

Das Verfahren umfasst zwei parallele Schritte S1 und S2. Schritt S1 wird hierbei von einem ersten Ansteuerpfad 10 ausgeführt, und Schritt S2 wird von einem zweiten Ansteuerpfad 20 ausgeführt. Wie zuvor bereits beschrieben, kann der erste Ansteuerpfad 10 von einem Niedervoltnetz gespeist werden, und der zweite Ansteuerpfad 20 kann von einem Hochvoltnetz gespeist werden. In Schritt S1 erfolgt ein Ermitteln Sil einer Drehzahl der elektrischen Maschine 3. Anschließend kann in Schritt S12 ein sicherer Betriebszustand der elektrischen Maschine eingestellt werden. Dabei kann der sichere Betriebszustand drehzahlabhängig, das heißt unter Verwendung der ermittelten Drehzahl, eingestellt werden. Insbesondere kann abhängig von der ermittelten Drehzahl ein aktiver Kurzschluss oder ein Freilauf in dem Stromrichter des elektrischen Antriebssystems eingestellt werden.

Analog umfasst Schritt S2 einen Schritt S21 zum Ermitteln der Drehzahl der elektrischen Maschine und einen Schritt S22 zum Einstellen eines sicheren Betriebszustandes. Auch hierbei kann der sichere Betriebszustand unter Verwendung der in Schritt S21 ermittelten Drehzahl eingestellt werden, wobei als sicherer Betriebszustand drehzahlabhängig entweder ein Freilauf oder ein aktiver Kurzschluss eingestellt werden kann.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung das Einstellen eines drehzahlabhängigen sicheren Betriebszustandes. Hierzu sind zwei redundante Ansteuerpfade vorgesehen, welche jeweils drehzahlabhängig entweder einen aktiven Kurzschluss oder einen Freilauf als sicheren Betriebszustand einstellen können. Auf diese Weise kann auch beim Ausfall eines Ansteuerpfads weiterhin vollständig ein drehzahlabhängiger sicherer Betriebszustand eingestellt werden.